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    基于高速激光熔覆技術的柱塞桿再制造

    來源:陜西天元智能 發布時間:2020-04-08

    柱塞泵是油氣開采過程中的重要設備,廣泛用于壓裂、固井和注水等作業過程。作為柱塞泵的關鍵零部件,柱塞桿在工作過程中易遭受高頻往復運動的摩擦損傷以及介質腐蝕和硬質顆粒的沖蝕,其使用壽命只有15~35天。

    長慶油田共有數千臺注水泵,每年會產生大量的廢舊柱塞桿,陜西天元智能再制造股份有限公司多年來本著以修舊利廢、為企業實現降本增效的目的,針對廢舊柱塞桿開展了以高速激光熔覆技術為核心的再制造及表面強化技術開發與應用。

    失效的柱塞桿

    傳統的柱塞桿表面處理工藝有電鍍、噴焊等。

    電鍍由于存在環境污染和鍍層性能差等問題,已逐漸被淘汰;

    噴焊Ni60技術雖可獲得合適的表面強化層性能,但由于熱輸入大,不僅對基體力學性能有明顯影響,而且變形嚴重,機加工后有效熔覆層厚度均勻性較差,易使柱塞桿連接處變形而導致工件報廢。因此火焰噴焊技術不適用于柱塞桿再制造,且采用該項技術進行表面強化的柱塞桿也不適合用于再制造毛坯。

    區別于傳統激光熔覆,高速激光熔覆通過改變激光與粉末的作用過程,在熔池之上將粉末融熔或半融熔,將融熔或半融熔狀態的液體流送入熔池內,形成冶金結合的表面涂層,其熔覆效率與表面質量均得以提升。與噴焊和傳統激光熔覆相比,具有效率高、熱輸入小、稀釋率較小、可熔覆薄層、表面平整、后續加工量小等優勢。

    傳統激光熔覆(左)與高速激光熔覆(右)的區別


    從高速激光熔覆和常規激光熔覆的參數對比中不難看出:高速激光熔覆在產品質量和對基體影響等方面具有明顯優勢。不僅可用于表面強化,也可用于柱塞桿再制造。

    常規激光熔覆和高速激光熔覆對比


    根據工作性質和損壞方式的差異,將柱塞桿按外表面分成A、B、C三個區域(如下圖):

    1、A區域為柱塞桿和十字頭挺桿連接位置,此處由于尺寸的減小和突變,是整個工件的力學薄弱區,易發生斷裂和變形,存在輕微點蝕和銹蝕,做好表面去污除銹和裂紋檢測即可;

    2、B區域是柱塞桿的主要工作面,也是易損面,表面存在明顯的劃傷和點蝕坑,是高速激光熔覆再制造的主要部位;

    3、C區域是柱塞桿和液體直接接觸的端面,存在明顯的腐蝕,特別是中心孔處腐蝕嚴重(或泥沙沖蝕),對于較深的腐蝕或沖蝕坑洞(超過2mm)先采用手工氬弧焊恢復尺寸再進行高速激光熔覆處理。

    柱塞桿不同區域的損傷方式


    柱塞桿高速激光熔覆中(左)、熔覆后(中)、機加工后(右)


    用高速激光熔覆技術進行再制造或表面強化柱塞桿具有以下特點:

    熱輸入低、變形小、效率高、熔覆層厚度均勻、對基體壽命損傷小;運用高速激光熔覆進行表面強化的柱塞桿,使用后還可進行再制造,節省了桿體的原材料采購成本和部分機加工作;高速激光熔覆稀釋率不超過3%,較薄的熔覆層厚度(0.2mm)就可以滿足要求,減少粉末浪費;高速激光熔覆表面粗糙度低至Ra12.8 m,可直接進行磨床加工。高速激光熔覆金屬基復合粉末熔覆層硬度大于HRC55,熔覆層的耐磨耐腐蝕和耐沖蝕性能不低于噴焊Ni60,熔覆層厚度均勻,機加工后熔覆層厚度差別在5微米以內,柱塞桿使用壽命得到大幅度提升。以高速激光熔覆技術為核心的整個柱塞桿再制造生產環節綠色、環保、無污染。通過采用綠色環保的高速激光熔覆技術進行表面強化,使柱塞桿使用壽命顯著提高,延長更換周期,減少設備運維成本;此外,以高速激光熔覆技術為核心的廢舊柱塞桿再制造,不僅可提高產品的使用壽命,降低生產運營成本,更可實現開源節流及明顯的社會、環境、經濟效益。


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