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滲硼泵筒(碳氮硼共滲泵筒）
時間：2019-09-18 12:08
滲硼（碳氮硼共滲）泵筒性能簡介
一 、以往的泵筒處理方法概述
抽油泵是油田采油大量使用的設備之一，泵筒是抽油泵中最重要的零件，約占抽油泵造價的60%左右，泵筒生產時必須進行處理，以提高其內孔的表面硬度、耐磨性和防腐性。以往采用的工藝方法主要有以下幾種:
- 碳氮共滲：碳氮共滲是一種比較成熟的工藝方法，目前正在廣泛使用。為了增加滲層深度，泵筒一般用20鋼，900℃以上進行處理。共滲后需要淬火，變形比較大，需在淬火后進行強力珩磨。該工藝的問題是，在880℃以下時，滲入氮的含量比較理想，有一定的防腐作用，但整體滲層較薄，很難達到使用要求。在900℃以上時整體滲層較厚，而滲入氮的含量很少，防腐能力很低。
- 鍍硬鉻：泵筒內孔鍍硬鉻，可解決防腐、耐磨及硬度問題，但鍍鉻工藝造成環境污染極為嚴重，是盡量削減或取消的工藝。另外，鍍前需對內孔進行堿洗除油和酸洗活化處理，因內孔細長不易清洗，有時難免有不潔凈之處，導致鍍層和基體的結合強度不夠。在抽油過程中，因柱塞和泵筒間隙中的砂粒磨損、擠壓而拉傷脫皮，嚴重時造成卡泵事故。另外，鍍鉻層很怕硫酸和鹽酸，油井中的H2S和洗井后的酸殘液會大大縮短鍍鉻層的壽命。
- 化學鍍：也稱鎳磷復合鍍，其優缺點與鍍鉻大體相似。與鍍硬鉻相比，化學鍍鍍層的防腐和耐酸能力要略強一些，但化學鍍的鍍層一般都很薄，大約0.05mm左右，如此薄的鍍層，在抽油時極易拉傷，而要增加其厚度比較困難。
- 氮化：合格的氮化層，其硬度、防腐、耐磨性能都是不錯的。理想的氮化件材料應選用38CrMoAlA，價格昂貴。氮化一爐需要2～3天，甚至更長的時間，生產成本很高。另外，還有更難解決的問題是，泵筒為細長管件，氨氣從其內孔通過時，必須從一端流向另一端，而氨氣隨時都在分解，這就導致了入口端和出口端氨的分解率有很大區別，致使氮化層極不均勻，產品質量很難控制。所以說，氮化處理工件外表面或短件內孔還比較成熟，而處理細長內孔比較困難。
- 激光淬火：該工藝方法是，用一個激光導入裝置，在泵筒內軸向運動，激光垂直照向泵筒內孔表面，泵筒旋轉，光照點在內孔表面呈螺旋線軌跡運動。激光束很細，溫度極高，被照點瞬間升溫至接近熔化狀態。光照點始終在動，光點移開后，因被照過的高溫點與整個基體的溫差很大，而金屬又是熱的良導體，所以該點快速散熱降溫，達到淬火效果。由該工藝方法，我們不難發現，該工藝沒有改變材質，所以沒有提高其防腐性。另外，激光淬火形成的硬化帶是一個螺旋線，而非整個內表面。經過一段時間的腐蝕及泥砂磨損后，內表面的非硬化帶會呈現凹形螺旋，加大抽油泵的漏失量，降低泵效。
二、泵筒滲硼技術簡介
本技術是對泵筒進行滲硼處理，采用固體滲劑，無廢水、廢氣排放，比較環保。滲后的泵筒表面金相組織為FeB和Fe2B，該表面具有極強的防腐蝕耐磨損能力，尤其是抗磨料磨損能力，遠非其它的泵筒表面可比。單就金屬滲硼來說，已有近百年的歷史。誰都知道滲硼后的表面防腐耐磨性能極好，但若把該技術用于泵筒這樣尺寸精度極高的細長管件卻絕非易事。1986年前后，曾有許多大企業和高等院校合作攻關（本發明人也參與了），想研制出滲硼泵筒，終因許多難題沒能攻破而宣告失敗。待攻克的主要難題是：
第一，900℃以上滲硼，得到的滲層較理想，但泵筒變形較大（內徑公差＞0.05mm），滲后無法珩磨，泵筒超差報廢，成品率很低。若880℃以下滲硼，泵筒變形較小，但滲層很不理想，層薄，且不連續。
第二，滲后不進行淬火處理，基體太軟，在使用中無法承受泵筒與柱塞間隙中的砂粒擠壓，導致滲層碎裂脫落。若進行淬火處理，泵筒變形又太大。
1986年以后，近30年的時間，本發明人一直在該領域不斷探索、試驗，不斷調整滲劑配方、工藝裝備和工藝方法，終于獲得成功，并于2015年9月獲得國家發明專利，專利號：ZL 201310166047.0。
本發明的創新點主要有以下五個方面：
第一，研究試驗出合適的滲劑配方，可在880℃獲得理想滲層。
第二，經試驗比較，確定合適的溫度控制工藝曲線。
第三，經試驗比較，確定了合適的滲入壓力，并設計出相應的控壓裝置。
第四，設計出專用的井式爐及吊具，實現上述工藝要求，保證滲后泵筒幾乎不變形。
第五，試驗研究出合適的冷卻方法及裝置，保證泵筒基體硬度達標，且冷卻后不變形。
三、滲硼泵筒性能
1. 滲層的金相組織
滲層一般由FeB和Fe2B組成，也可獲得單相Fe2B的滲層。單相Fe2B滲層脆性較小，但硬度仍很高。為了區分滲層中這兩個相，可用三鉀試劑[K4Fe(CN)6 10g+ K4Fe(CN)8 ·3H2O 1g+KOH 30g+ H2O 100g]浸蝕，浸蝕后的FeB呈深褐色，Fe2B呈黃褐色。圖1為單相滲層，Fe2B呈針狀楔入基體。圖2為雙相滲層，外層為FeB，FeB針狀楔入Fe2B層中。內層為Fe2B，Fe2B楔入基體。
本技術是對泵筒進行滲硼處理，采用固體滲劑，無廢水、廢氣排放，比較環保。滲后的泵筒表面金相組織為FeB和Fe2B，該表面具有極強的防腐蝕耐磨損能力，尤其是抗磨料磨損能力，遠非其它的泵筒表面可比。單就金屬滲硼來說，已有近百年的歷史。誰都知道滲硼后的表面防腐耐磨性能極好，但若把該技術用于泵筒這樣尺寸精度極高的細長管件卻絕非易事。1986年前后，曾有許多大企業和高等院校合作攻關（本發明人也參與了），想研制出滲硼泵筒，終因許多難題沒能攻破而宣告失敗。待攻克的主要難題是：
第一，900℃以上滲硼，得到的滲層較理想，但泵筒變形較大（內徑公差＞0.05mm），滲后無法珩磨，泵筒超差報廢，成品率很低。若880℃以下滲硼，泵筒變形較小，但滲層很不理想，層薄，且不連續。
第二，滲后不進行淬火處理，基體太軟，在使用中無法承受泵筒與柱塞間隙中的砂粒擠壓，導致滲層碎裂脫落。若進行淬火處理，泵筒變形又太大。
1986年以后，近30年的時間，本發明人一直在該領域不斷探索、試驗，不斷調整滲劑配方、工藝裝備和工藝方法，終于獲得成功，并于2015年9月獲得國家發明專利，專利號：ZL 201310166047.0。
本發明的創新點主要有以下五個方面：
第一，研究試驗出合適的滲劑配方，可在880℃獲得理想滲層。
第二，經試驗比較，確定合適的溫度控制工藝曲線。
第三，經試驗比較，確定了合適的滲入壓力，并設計出相應的控壓裝置。
第四，設計出專用的井式爐及吊具，實現上述工藝要求，保證滲后泵筒幾乎不變形。
第五，試驗研究出合適的冷卻方法及裝置，保證泵筒基體硬度達標，且冷卻后不變形。
三、滲硼泵筒性能
1. 滲層的金相組織
滲層一般由FeB和Fe2B組成，也可獲得單相Fe2B的滲層。單相Fe2B滲層脆性較小，但硬度仍很高。為了區分滲層中這兩個相，可用三鉀試劑[K4Fe(CN)6 10g+ K4Fe(CN)8 ·3H2O 1g+KOH 30g+ H2O 100g]浸蝕，浸蝕后的FeB呈深褐色，Fe2B呈黃褐色。圖1為單相滲層，Fe2B呈針狀楔入基體。圖2為雙相滲層，外層為FeB，FeB針狀楔入Fe2B層中。內層為Fe2B，Fe2B楔入基體。
2．滲層的性能[3]
1）硬度，FeB顯微硬度1800～2200HV，Fe2B顯微硬度1200～1800HV。鋼中含碳量的增加，可減少雙相滲層中FeB的相對含量，并使FeB硬度降低（見下表）。
| 鋼 材 |
含碳量 （%） |
溫度 （℃） |
時間 （h） |
成分相對含量（%） | 顯微硬度（HV） | ||
| FeB | Fe2B | FeB | Fe2B | ||||
| 工業純鐵 | 0.06 | 950 | 3 | 64 | 36 | 2100 | 1450 |
| 15鋼 | 0.13 | 950 | 3 | 58 | 42 | 2030 | 1440 |
| 40鋼 | 0.42 | 950 | 3 | 56 | 44 | 1860 | 1450 |
| T7鋼 | 0.74 | 950 | 3 | 54 | 46 | 1750 | 1430 |
2）耐磨性，表面為FeB和Fe2B的工件比淬火、鍍鉻、滲氮工件具有更高的抗磨料磨損能力，圖3為泥漿泵襯套模型與橡膠活塞對磨時的失重損失，磨料為含石英砂的粘土溶液。1——40鋼滲硼（1300～1500HV）
2——40鋼鍍鉻
3——38CrMoAlA滲氮（940～1200HV）
4——GCr15鋼高頻感應加熱淬火
5——40鋼淬火
3）耐腐蝕性，滲后工件在硫酸、鹽酸、磷酸及多種堿、鹽水溶液中有較好的耐腐蝕性能，但在硝酸中耐腐蝕性能較差。
4）抗高溫氧化性能，在空氣中加熱到800℃，持續40h，滲層氧化增重極微。
5）紅硬性，FeB及Fe2B在900℃時仍能保持很高的硬度[4]。
四、常用的泵筒表面硬度比較如下表
| 碳氮共滲 | 鍍鉻 | 滲硼 | 石英砂 | |||
| Fe2B | FeB | 人造 | 天然 | |||
| 洛氏硬度HRC | 58～62.5 | |||||
| 努氏硬度HK | 690～788 | |||||
| 維氏硬度HV | 653～760 | 900～1160 | 1450 | 1860 | 1161 | 1364 |
| 莫氏硬度MM | 7 | 7.5 | ||||
| 對比結果 | 都換算成同一種硬度進行比較，可見只有滲硼的表面硬度值大于石英砂，其它都小于石英砂的硬度，所以難免磨損快、易劃傷。 | |||||
五、本發明的滲層檢測標準
本發明所獲得的滲層為國內首創，目前尚無國家標準，只能參照GB/T 18607-2008，制定相應的企業標準，以便對滲層的厚度和硬度進行質量控制，為生產和檢測提供依據，確保產品符合規定，并滿足用戶的需求。
下表為本發明處理的泵筒滲層組織、厚度及硬度檢測的企業標準：
注：上述企業標準制定的依據及相關說明
① 理論依據
根據GB/T 18607-2008標準中表69對泵筒內表面硬化層的厚度、硬度及基體硬度值要求規定，上述企標符合要求。以鋼上鍍鉻為例（滲硼層的硬度及防腐性比碳氮共滲層高很多，防腐性與鍍鉻層接近，硬度比鍍鉻層還高），具體比對見下表：
② 工藝實現的可行性
按照本公司的滲硼工藝方法，上述指標完全可以保證。如果再加厚滲層，勢必提高溫度、延長保溫時間，容易造成滲層以外的基體脫碳，反而使泵筒的綜合性能降低。
③ 實踐檢驗結果
近幾年，本公司生產的泵筒一直采用滲硼處理，已在各油田使用多年，中間廠家每年也用本公司的泵筒數千支，甚至多家已銷往國外，反映一致很好。實踐證明，應用本工藝方法，按本企業標準檢測合格的泵筒，在使用過程中其防腐、耐磨等各種性能均是非常優異的。
④ 為了能真實準確地檢測出滲層的硬度及厚度，必須使用顯微硬度計，試驗力0.1Kg或1.0N，且在制作試塊時必須先對試塊進行鑲嵌，再研磨和拋光。具體檢測方法參照“JB/T 7709-2007”和“GB 9790-88”。
參考文獻
[1] 沈迪成、艾萬誠等，有桿抽油設備與技術：抽油泵第1版（P214），石油工業出版社，1994.7
[2] 朱沅浦、侯增壽等，熱處理手冊 第2版第1卷（P273），機械工業出版社，1991.7
[3] 朱沅浦、侯增壽等，熱處理手冊 第2版第1卷（P285～288），機械工業出版社，1991.7
[4] 雷廷權、傅家騏，熱處理工藝方法300種 第2版（P355），機械工業出版社，1993.9
本發明所獲得的滲層為國內首創，目前尚無國家標準，只能參照GB/T 18607-2008，制定相應的企業標準，以便對滲層的厚度和硬度進行質量控制，為生產和檢測提供依據，確保產品符合規定，并滿足用戶的需求。
下表為本發明處理的泵筒滲層組織、厚度及硬度檢測的企業標準：
| 金相組織 | 顯微硬度 | |
|
滲層厚度 ≥0.08mm |
FeB和Fe2B | ≥HV1000 |
| 基體心部硬度 | 45鋼 | HV185～254 |
① 理論依據
根據GB/T 18607-2008標準中表69對泵筒內表面硬化層的厚度、硬度及基體硬度值要求規定，上述企標符合要求。以鋼上鍍鉻為例（滲硼層的硬度及防腐性比碳氮共滲層高很多，防腐性與鍍鉻層接近，硬度比鍍鉻層還高），具體比對見下表：
| 國標規定（鋼上鍍鉻） | 企標規定 | 比對結論 |
| 硬化層厚度 ≥0.076mm | 滲層厚度 ≥0.08mm | 高于國標 |
| 硬化層硬度 ≥HV900 | 滲層硬度 ≥HV1000 | 高于國標 |
|
基體心部硬度 HRA55～62 （相當于HV185～254） |
基體心部硬度 HV185～254 | 等同于國標 |
按照本公司的滲硼工藝方法，上述指標完全可以保證。如果再加厚滲層，勢必提高溫度、延長保溫時間，容易造成滲層以外的基體脫碳，反而使泵筒的綜合性能降低。
③ 實踐檢驗結果
近幾年，本公司生產的泵筒一直采用滲硼處理，已在各油田使用多年，中間廠家每年也用本公司的泵筒數千支，甚至多家已銷往國外，反映一致很好。實踐證明，應用本工藝方法，按本企業標準檢測合格的泵筒，在使用過程中其防腐、耐磨等各種性能均是非常優異的。
④ 為了能真實準確地檢測出滲層的硬度及厚度，必須使用顯微硬度計，試驗力0.1Kg或1.0N，且在制作試塊時必須先對試塊進行鑲嵌，再研磨和拋光。具體檢測方法參照“JB/T 7709-2007”和“GB 9790-88”。
參考文獻
[1] 沈迪成、艾萬誠等，有桿抽油設備與技術：抽油泵第1版（P214），石油工業出版社，1994.7
[2] 朱沅浦、侯增壽等，熱處理手冊 第2版第1卷（P273），機械工業出版社，1991.7
[3] 朱沅浦、侯增壽等，熱處理手冊 第2版第1卷（P285～288），機械工業出版社，1991.7
[4] 雷廷權、傅家騏，熱處理工藝方法300種 第2版（P355），機械工業出版社，1993.9
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