楊偉民,孫亮,孫雙
(1.大慶油田水務公司,黑龍江 大慶163458;2.中石化石油工程建設有限公司,北京100101;3.大慶油田力神泵業(yè)有限公司,黑龍江 大慶163311)
螺桿泵[1]轉子在型線銑削、拋光,電鍍過程中的每一個環(huán)節(jié)都存在偏差,同時定子橡膠在注膠過程中由于橡膠的批次,模芯的磨損也會帶來定子尺寸偏差,以上多種原因導致螺桿泵在裝配過程中出現(xiàn)部分不合格產品。很多轉子因為尺寸過小或過大,通過頻繁的適配仍無法滿足出廠要求而成為廢品,不僅增加了工人的勞動強度,也給企業(yè)也帶來損失。此外,現(xiàn)場井返廠的螺桿泵轉子表面由于鍍層磨損、脫鉻而無法直接重復利用。因此,我們開展了轉子再制造研究,通過采用鎳基碳化鎢冶金粉末修復,使再制造后的轉子性能達到甚至超過新加工轉子,同時再制造螺桿泵轉子的成本只有外協(xié)帶料加工新轉子的50%,不但為企業(yè)清理了積壓的庫存,而且還節(jié)約了原材料,達到降本、增效、去庫存的目的。
目前,螺桿泵轉子加工后,其表面采用常規(guī)鍍硬鉻的方式來保證螺旋曲面的硬度、耐磨和耐腐蝕性能。由于鍍鉻工藝對螺旋曲面電鍍有局限性,導致轉子螺旋曲面在波峰和波谷處鍍層厚度差異較大,尺寸和形狀精度難以控制,致使出廠進行匹配的螺桿泵性能差異較大,配泵效率低。
采用超音速火焰噴涂,是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài),并以一定的速度噴射沉積到經過預處理的基體表面,從而形成涂層的方法。
螺桿泵轉子表面所采用的超音速火焰粉末噴涂,火焰溫度可達2760 ℃,火焰速度大于2400 m/s,噴涂材料為鎳基碳化鎢冶金粉末[2-3],噴涂速度可達300~500 m/s,噴涂至轉子表面時,溫度在150~200 ℃之間。當熔粒沉積到基體表面時,會產生放熱反應,生成金屬間化合物,并釋放出大量的熱,使基材與粉末接觸表面瞬間達到高溫,增加了接觸界面上原子的活動能力,從而使粉末(即熔粒)與基材表面原子相互擴散,從而達到涂層致密,結合強度高的噴涂效果。由于噴涂的涂層孔隙率小于1%,又因噴涂粉末細微,因而可獲得表面光滑的涂層。
采用超音速噴涂技術的轉子,與傳統(tǒng)的鍍硬鉻工藝相比,其優(yōu)勢明顯,首先傳統(tǒng)的鍍硬鉻工藝,是重度污染的行業(yè),針對螺桿泵轉子表面鍍硬鉻,存在著周期長(針對GLB300-21型的轉子,完成鍍硬鉻層需要4~5 h),鍍層不均勻,鍍鉻的價格高且產品性能很難保證。而對于超音速鎳基碳化鎢粉末噴涂技術而言,螺桿泵轉子單邊厚度大,最高可達到2 mm,高低點厚度差僅為0.01~0.03 mm,表面涂層厚度較均勻,而且生產周期短,完全能保證修復轉子的涂層厚度和形狀精度。該技術先進性突出表現(xiàn)在以下幾個方面:
表1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)
1)耐腐蝕性強。超音速噴涂抗腐蝕性特別優(yōu)良。經硫酸、鹽酸、燒堿、鹽水同比試驗,其腐蝕速率低于1Cr18Ni9Ti不銹鋼3~8倍。
2)耐磨性好。噴涂粉末顆粒在高速焰流中獲得了極大的動能,對基材和已沉積顆粒的撞擊效果顯著,粒子絕大多數(shù)為固相變形,涂層中生成有利于提高涂層可靠性的壓力。因此,摩擦因數(shù)小,非黏著性好,耐磨性能高[4]。
3)表面光潔度好。噴涂后的工件,經表面磨削加工后,可獲得良好的表面光潔度。
4)表面硬度高。工件經噴涂磨削處理后,涂層材料氧化程度低。失碳少,涂層硬度高[5],最大硬度可達到64 HRC。
5)結合強度大。經噴涂磨削后的合金層與金屬基件結合強度增大,一般在63 MPa條件下不起皮、不脫落、無氣孔、無裂紋。
6)表面合金層均勻致密。鎳基碳化鎢涂層以鎳基固溶體為基體,彌散分布著大量的碳化物硬質相。涂層與母材發(fā)生明顯的元素擴散,進而形成牢固的冶金結合,故涂層表面合金層均勻致密。
7)潤滑性好。摩擦因數(shù)低,非黏著性好,厚度可控,可用于修復報廢零配件,低電阻,可焊性好。
8)環(huán)保性好。無毒、無味、無三廢排放,對人體不構成危害,對環(huán)境不構成污染,屬國家大力提倡的綠色環(huán)保產品。
通過對廢舊轉子進行鉻層退鍍和噴涂修復,再制造的轉子不僅能恢復原轉子的性能,還兼有對原轉子性能技術升級,使再制造后的轉子性能達到甚至優(yōu)于原轉子。完全能夠勝任油田高含水、高含砂和腐蝕等復雜井況的開采。
同時螺桿泵轉子噴涂修復后的成本只有原轉子的50%。以GLB500-20/2為例,原來電鍍加工一根需要7305元,采用再制造方式修復的轉子每根僅需3183元,每根節(jié)省成本達到50%以上,經濟效益非常顯著。
2017年—2019年,先后試制碳化鎢噴涂轉子螺桿泵10套,現(xiàn)已經全部下井,通過對現(xiàn)場運轉情況進行跟蹤(見表1),10套泵平均泵效為60.6%,尤其是在2017年3月19日最早下井的兩臺泵,運轉時間已超過1013 d,整體運轉情況良好。
通過現(xiàn)場實際應用,再制造后的螺桿泵,高低點厚度差小,表面涂層厚度較均勻,完全能保證轉子的尺寸精度和形狀精度,不但出廠配泵成功率高,而且現(xiàn)場應用穩(wěn)定可靠,泵效高,使檢泵周期大幅度延長,為螺桿泵在油田的大批量推廣應用打下堅實基礎。