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光纖激光器在石油產業的應用

發布時間:2017/9/5     信息來源:http://www.mediaworksasia.com   作者:激光切割機    0

石油礦場的工況比較惡劣,很多金屬零部件長期承受重荷,並在有腐蝕、摩擦和磨損的工況下使用.導致其過早發生失效破壞。利用激光表麵改性技術能進步材料的硬度和耐磨性。在激光加工技術中,激光表麵強化具有節省能源和材料的上風,文章介紹了激光表麵改性的原理、分類和金屬表麵各種激光改性工藝的特點。重點闡述了激光相變硬化、激光熔覆、激光熔凝、激光合金化、激光衝擊硬化在石油產業中的應用情況,展看了該技術在石油產業中的應用遠景。

20世紀60年代激光問世。20世紀70年代中期大功率激光器的出現.使激光加工技術不僅在研究和開發方麵得到迅速發展。而且在產業應用方麵也取得了長足進步。經過30年的迅猛發展,激光加工技術已在汽車、冶金、紡織等行業得到成功的應用。獲得了良好的社會效益和經濟效益。激光加工技術從問世以來就得到石油產業的關注並獲得了一定應用.如激光切割石油割縫篩管、激光焊接輸油管道、高能激光器鑽油井、激光丈量、激光打標及激光表麵強化等。

在激光加工技術中.激光表麵強化具有節省能源、材料的上風和明顯的經濟效益,已經展現出了廣闊的應用遠景。本文總結並探討激光表麵改性在石油產業中的應用現狀及遠景。

激光表麵改性的原理及分類

當激光束照射到材料表麵時,激光被材料吸收變為熱能,表層材料受熱升溫。由於功率集中在一個很小的表麵上,在很短時間內即把材料加熱到高溫,使材料發生固態相變、熔化甚至蒸發。當激光束被切斷或移開後,材料表麵快速冷卻(冷卻速度高10000°C/s),自然冷卻就能實現表麵改性。根據激光束與材料表麵作用的功率密度、作用時間及作用方式的不同,可實現不同類型的激光表麵改性。激光表麵改性技術的分類見圖1嘲。圖2表示出激光表麵改性方法在激光功率密度和作用時間坐標係中所處的位置閣。這些過程在很大程度上取決於功率密度和輻照時間。

當激光束照射到材料表麵時,激光被材料吸收變為熱能,表層材料受熱升溫。由於功率集中在一個很小的表麵上,在很短時間內即把材料加熱到高溫,使材料發生固態相變、熔化甚至蒸發。當激光束被切斷或移開後,材料表麵快速冷卻(冷卻速度高10000°C/s),自然冷卻就能實現表麵改性。根據激光束與材料表麵作用的功率密度、作用時間及作用方式的不同,可實現不同類型的激光表麵改性。激光表麵改性技術的分類見圖1嘲。圖2表示出激光表麵改性方法在激光功率密度和作用時間坐標係中所處的位置閣。這些過程在很大程度上取決於功率密度和輻照時間。

激光相變硬化(激光淬火)的應用

激光相變硬化是現有各種激光表麵處理技術中研究和應用最多的方法之一。用激光束掃描零件表麵.其紅外線能量被零件表麵吸收後迅速升溫到極高的溫度,此時工件仍處於冷態,隨著激光束離開零件表麵,由於熱傳導作用。表麵熱量迅速向內部傳遞,使表層冷卻並獲得極高的冷卻速度,故可進行自冷淬火,實現工件表麵相變硬化。激光相變硬化工藝以其熱影響區小而工件變形少、淬火區晶粒極細且均勻、工件改性效果好等多種上風在進步產品壽命方麵占據越來越重要的地位。它能很好地解決機械產品中要求耐磨性好而零件外形複雜、壁薄的零件表麵改性題目。激光相變硬化加工方法早在70年代就已在美國通用汽車公司Saginaw工廠的轉向器生產線上得到應用。而我國激光熱處理的研究、開發、應用起始於70年代。由鐵道科學研究院金屬化學研究所和中科院長春光學精密機械研究所等單位率先開展該項工作以來。也已有20多年的曆史。目前,激光相變硬化加工方法,已廣泛應用於汽車、冶金、重型機械等很多產業部分。隨著各油田相繼進進開采的中後期,機械采油在整個開采量中所占的比重越來越大.抽油泵是機械采油的關鍵設備.由於所開采液體中含有大量的腐蝕性氣體。加上一些井底雜質的磨損,抽油泵的泵筒經常損壞.從而嚴重影響了開采效率。早在1983年,中科院金屬所就與玉門石油機械廠合作,研究抽油泵泵筒內激光淬火(即相變硬化)工藝,於1987年由原石油部組織了鑒定。油田井下使用結果表明。泵筒經激光淬火後,使用壽命進步一倍.但變形甚微,耗電量僅為鍍鉻工藝的12%。他們還進行了整筒45。鋼柱塞和球鐵鑽井泵缸套的激光淬火試驗,均取得了很好的效果。

近些年。很多研究者對抽油泵激光相變硬化工藝進行了大量的研究。例如勝利油田錢暉對內徑44~83 rain、長300 mm組合抽油泵缸套進行了激光淬火.缸套內表麵硬度達到HRC60~66,硬化層深度達到0.4-0.6 mm,缸套直徑上變形僅為0.03 mill左右.遠遠小於常規熱處理的變形量,大幅度進步了生產效率,降低了生產本錢。

隨著激光相變硬化工藝的發展。很多研究者使用激光相變硬化+其他強化方法的複合處理工藝。例如,東北輸油治理局張鵬吉等通過增加外導光係統,解決了在直徑70 mill、長7.6 m整筒抽油泵泵筒內表麵進行激光淬火的技術困難。並根據現場試驗情況確定了經C-N共滲處理後再進行激光淬火的工藝流程.形成了較完善的整筒泵泵筒激光熱處理工藝路線。對泵筒激光淬火工藝與目前普遍采用的泵筒中頻淬火工藝進行比較,結果表明,整筒抽油泵泵筒采用C-N共滲後再進行激光淬火,具有生產效率高、耗能少、本錢低等優點。並且擴大了泵筒的選材範圍。西南石油學院湯富榮等人采用45°鋼作為鑽井泵缸套材料在中頻淬火的基礎上再進行激光相變硬化處理。缸套表麵獲得了硬度高、硬度梯度平坦、支承力強、耐磨性好的強化層。不僅可使缸套在含砂的鑽井液介質中具有很強的抗磨損能力,而且還有利於應力的開釋,其使用壽命略高於高鉻鑄鐵雙金屬缸套,且本錢較低。

油管螺紋在上卸時常出現粘扣現象.河南石油勘探局穀誌峰利用激光淬火工藝對油管螺紋進行淬火,經處理後的材料表麵呈超細化組織結構,表麵硬度HVQl340,淬硬層深,牙頂0.5~1.1 mm、牙底0.2-0.4 mm,可解決油管粘扣題目。

激光相變硬化工藝不僅在井下采油機械中有一定應用.而且在鑽井機械的下部鑽具中也獲得了較多的應用舊。鑽杆作為石油鑽井、地質鑽探、采礦鑽孔的必備工具,在鑽進過程中起著極其重要的作用。由於地下環境惡劣,使得鑽杆的壽命縮短,故難以滿足深井鑽探的需求。目前。鑽杆杆體材料經常采用30CrMnSiA或45MnMoB.在機械加工前隻進行常規熱處理。吳東江等采用高功率CO2激光器,利用正交實驗法對鑽杆表麵進行淬火處理,使鑽杆接頭表麵得到了很高的硬度值(HV 0.1 1150),比基體組織的硬度值(HV 0.1 380)高兩倍以上,比高頻淬火、鍍硬鉻等方法得到的硬度值(HVn 0.1 800)高40%以上,抗磨能力明顯進步。文獻對鑽杆接頭材料30 CrMnSiA鋼進行了表麵相變硬化處理,結果表明,30 CrMnSiA鋼表麵相變硬化層分為完全淬硬層、過渡層和受熱影響的基體組織.硬化層的顯微組織明顯細化,其表麵層的耐磨性明顯進步。國外曾有人對井下渦輪鑽具中的128700型軸承進行激光快速加熱和深層熔化的改性處理,使表層硬度達到HRC57-60,進步了耐磨性,其支承節軸承的均勻工作壽命比普通渦輪鑽具支承節進步2倍以上。

齒輪在傳動係統中起著傳遞動力及改變運動速度和方向的作用。激光相變硬化工藝在齒輪表麵強化方麵的研究和應用也很多。該工藝可以克服傳統的齒輪表麵強化工藝(如滲碳淬火、感應淬火等)硬化層分布不均、變形大的缺點,能獲得沿齒廓分布的均勻硬化層。

激光熔覆的應用

激光表麵熔覆就是將不同成分的合金粉末填加到激光束加熱所形成的熔池中。並由激光將其熔化.由此產生的熔覆層與金屬基體呈現原子冶金結合.從而使金屬表麵獲得高的耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫順抗氧化等綜合性能。與傳統的表麵塗層(如堆焊、鍍層、噴鍍等)相比,激光熔覆層具有如下技術特點

(1)熔覆層與基體可以實現牢固的冶金結合或界麵擴散結合。

(2)冷卻速度一般大於10000°C/s,屬於快速凝固過程。輕易得到細晶組織或產生平衡態所無法得到的新相,如非穩相、非晶態等。

(3)通過對激光工藝參數的調整,可以獲得低稀釋率的良好塗層,並且塗層成分和稀釋度可控。

(4)激光處理的熱變形小,尤其是采用高功率密度快速熔覆時,變形可降低到零件的裝配公差內。

(5)熔覆層的厚度範圍大,單道送粉一次塗覆厚度在0.2-2.0mm,很適合油田常見易損件的磨損修複。

(6)輕易實現選區熔覆。

(7)工藝過程可實現自動化。

激光熔覆技術的應用研究正處於發展階段。1989年以來,我國閆毓禾在粉碎機錘片上。劉文今在發動機搖臂表麵上。張鬆等在鼓風機葉片上利用激光技術熔覆硬質合金粉末,均取得了成功。使熔覆後工件的使用壽命較原工件的壽命明顯進步。展示了激光熔覆技術的廣闊應用遠景。在石油產業領域,激光熔覆技術的應用鮮見報道據了解。1989年以來。國內部分鑽頭廠與一些大學的科研單位合作,利用激光技術在鋼齒鑽頭表麵熔覆碳化鎢(we),已經取得了初步成果。目前,這項技術正在推廣應用到牙輪鑽頭上。牙輪鑽頭在井底工作時,由於牙輪殼體表麵磨損劇烈。牙輪表麵經常比切削齒先期嚴重磨損。從而出現掉齒、鬆齒等現象,以致無法鑽進。大大降低了鑽頭的使用壽命。近幾十年來鑽頭廠家一直把滲碳作為進步鑽頭牙輪表麵硬度的重要手段,但該工藝其局限性。采用激光熔覆技術在牙輪表麵進行改性處理.顯然是一個更有效的辦法。N J Kar在專利U54781770(E.PO,303,419A1)中曾提出對牙輪殼體表麵進行激光熔覆處理。采用直接粘結、等離子噴塗等方法,預先將WC粉塗覆到牙輪殼體表麵(或用同步送粉法),然後利用連續CO2激光器在大於1.5kW、束斑直徑10.0mm的激光束照射下熔化覆層。塗層厚度為0.4-0.8mm。通過多次添加粉末和反複掃描可獲得更厚的塗層。熔覆層的硬度可達HRC 57-60。除采用上述預置粉末工藝之外,還可采用超聲噴塗法預置粉末。這種方法的噴粉速度快、溫度低,其塗層質量明顯高於等離子噴塗層。在超聲噴塗層上敷一薄層石墨。以進步工件基體對激光能量的吸收。采用間距為0.25 mm的多道搭接形式完成熔覆。1990年前後。N.J.Kar與Smith國際公司合作。開發了牙輪鑽頭殼體超聲火焰噴塗硬質合金塗層與激光熔覆處理技術。他們先在牙輪殼體上利用超音速火焰噴塗一層硬質合金,以獲得一層較致密的均質結構的假合金鍍層.然後用一台輸出功率為5 kW的CO2激光器進行多道熔凝處理。處理後熔覆層的硬度可超過HRC70。金相顯微鏡和掃描電鏡顯示。激光處理後塗層變得更為致密。塗料熔化也相當好。與基底結合牢固,而且未出現明顯的基材滲透現象和交界處分子遷移現象。經過上述處理後的鑽頭在美國幾個地區經現場試驗.無一例激光熔覆塗層的損壞.即使硬質合金齒已損壞或折斷甚至鑽頭已完全損壞,熔覆層也仍然存在。我國江漢鑽頭廠先後與華中理工大學等單位合作.對鋼齒鑽頭表麵熔覆WC。通過對激光處理工藝參數的調整,使WC顆粒的熔化燒損率明顯降低。保證了顆粒在熔覆層中的有效尺寸和高強度.其耐磨性比生產線上用氫原子敷焊的覆層有了明顯進步。熔覆密封滑動軸承牙輪鑽頭問世以後。對滑動軸承表麵如何改性是一個困難。G.M.Ecer提出了獲得複合軸承表麵的新技術;R.P.Badrack和T.H.Mayo一起提出了對鑽頭軸承表麵進行激光熔覆處理的技術(表麵層冷卻後對其進行精加工處理,硬度達HRC55)。

抽油泵泵筒內壁不僅能用激光相變硬化進行強化.還能通過激光熔覆進行強化和修複。采用激光熔覆處理,在泵筒內壁熔覆上一層耐磨硬質合金粉末.使其硬度和耐磨性大大進步。鑽井泵和泥漿泵缸套也可以進行類似處理。

閥門是流體輸送係統中的控製部件。其關鍵部位是密封麵。石油化工生產係統中的閥門不僅用量大.而且在很多情況下還要在較高溫度和壓力下承受擦傷磨損、衝擊磨損和不同介質的腐蝕。國內對一些高參數閥門的關鍵密封麵一般采用等離子噴焊、電弧火焰堆焊等傳統工藝進行強化。中南工學院石世宏等使用5 kW橫流CO2激光器在石化閥門密封麵奧氏體基體上熔覆Ni基自熔合金.與傳統等離子噴焊層對比。經激光熔覆的石化閥門密封麵能獲得厚度達3.0 mm、表麵較平整光滑的合金層。在組織和性能上均明顯優於等離子噴焊工藝。王新林等采用5 kW橫流CO2激光器,對不同基體材料的石化高參數閥門密封麵進行激光熔覆。所用合金粉為CoCrWB與NiCrFeBSi。在研究解決了厚層單道熔覆裂紋題目的基礎上,得到了厚2-3.5min、表麵平整、無質量缺陷的激光熔覆層。

由於激光光束麵積較小,對一些破損區域小的零部件進行激光熔覆修補特別方便。效果也很好。如一家維修站用激光修補汽車傳動軸與萬向軸接頭等.英國的Rolls-Royce公司將激光熔覆技術應用於RB211型燃氣輪機葉片連鎖肩的修複。在石油井下工具中也有很多零部件可采用激光修補技術,如鑽柱穩定器在工作時常與井壁相磨,很輕易磨壞,可在其表麵熔覆一層硬質合金粉末,以進步其耐磨性。而且一旦該耐磨層被磨掉,還可以在其表麵再覆上一層硬質合金,修複工藝簡單快捷。顯而易見。這不僅進步了穩定器的使用壽命,而且還可大大節省原材料,降低本錢。

其他激光表麵改性技術的應用

激光相變硬化和激光熔覆是在石油石化行業應用最多的激光表麵改性工藝,其他的激光表麵改性技術研究和應用相對少些。

激光熔凝是以很高的激光功率密度、在極短的時間內與金屬交互作用,使金屬表麵局部區域在瞬間被加熱到相當高的溫度使之熔化,隨後借助於冷態的金屬基體吸收和傳導熱的作用,使已熔化的極薄表層金屬快速凝固。激光熔凝得到的是鑄態組織.其硬度較高。耐磨性亦較好。其工藝過程與激光相變硬化類似,隻不過功率密度和輻照時間存在差異。鋁合金表麵熔凝可以改善表層組織。使其細化.清除表麵缺陷,進步鋁的使用性。銅合金表麵重熔、熔凝層組織更加細密均勻,導電性和耐磨性進步。對接觸電極導電性起重要作用。該工藝在冶金行業比較典型的是軋輥激光毛化技術。可以在毛化的同時,使激光作用區的材料獲得超常硬度.給軋麵帶來超常的強韌化效果,延長軋輥使用壽命。激光熔凝在石油行業中的應用較少。前蘇聯鑽井技術研究所等單位用1 kW的CO2氣體激光器對128700型軸承表麵進行短周期的激光快速加熱和深層熔化.然後控製冷卻速度,使鋼球的表麵硬度為HRC57-58;軸圈和座圈的表麵光潔度高。不必精加工,而且滾道的耐磨性好,強化深度可達1.2 cm。

激光合金化類似於激光熔覆.但二者又有不同。激光合金化和激光熔覆都是利用高功率密度的激光束照射被覆在工件表麵的金屬或合金塗層。使之熔融。從而強化表麵的工藝。二者的主要區別在於基材表麵的熔融程度。激光合金化是用激光束照射被覆純金屬或合金塗層的工件表麵。在基材上形成熔池。使合金元素因表麵張力和溫度梯度引起機械攪拌,以及在熔池中的擴散,可在極短的時間內熔於一層厚度為10-1 0熔化層內,以到表麵合金化的目的。激光合金化中加進的元素和基材一起熔化。並混進融化的基材中形成一種新的合金.其成分既不同於外加合金。也不同於基材。我國已開始把激光合金化技術應用到實際產品上,以此來強化新型高溫結構材料.以進步其耐磨性圈。當激光脈衝功率足夠高時(109 W/cm2),短時間內金屬表麵產生汽化、膨脹、爆炸,產生的衝擊波對金屬表麵形成很大壓力.使材料表麵塑變、位錯等.從而能明顯進步材料的硬度、屈服強度和抗疲憊性能。由激光衝擊波作用,使材料表麵硬化和強度進步的方法稱為激光衝擊硬化。這一方法在航空產業中得到應用。航空鋁的激光衝擊硬化層可使疲憊強度進步4.5-9.8倍。奧氏體鋼經5次衝擊硬化後,硬度進步20%-40%,Ti及其合金經激光衝擊硬化也有較好效果。

近年來.激光表麵強化處理已經從相變硬化階段、表麵合金化階段發展到反應表麵強化階段--即在一定條件下。通過化學反應而在基材表麵天生一些強化相,以達到強化的目的,它可分為激光物理氣相沉積(LPW)和激光化學氣相沉積(LCVD)。在機械領域.尤以金屬材料的激光陶瓷塗層和塗膜技術引人注目。可以通過控製激光功率密度與處理時間來獲得不同性質、不同厚度的陶瓷塗層和塗膜陶。這一技術主要應用於電子產業中。但在石油石化行業的應用還有待於開展研究工作。

總結:

石油礦場的工況比較惡劣。很多金屬零部件長期承受重載荷並在有腐蝕、磨損的工況下使用,致使其過早發生失效破壞,進而縮短使用壽命。停產檢驗和更換新部件.既增加材料本錢.又影響油田生產,帶來多方麵的損失。利用激光表麵改性技術能使低等級材料實現高性能表層改性。達到零件低本錢與工作表麵高性能的最佳結合。為解決整體改性和表麵改性的矛盾帶來了可能性,對重要構件材質與性能的選擇匹配、設計、製造產生重要的影響。目前。激光相變硬化和激光熔覆在石油石化行業已獲得了一定應用,但主要局限於井下采油機械和井下鑽井機械方麵。激光加工技術在石油機械行業中還未得到廣泛應用,還有很多設備的加工值得采用激光強化技術。例如石油礦場、石化工廠有很多關鍵性的易損部件,對損壞零件棄舊換新本錢高,若能使用激光熔覆修複重新利用,則能明顯降低本錢。另外.輸油管、鑽柱在石油產業中用量大、質量要求高,如能研究出一種高效、實用、經濟的高功率激光加工係統,使管材內外表麵淬火硬化、合金化、非晶化、上釉等,便可解決其腐蝕疲憊斷裂題目,具有明顯的經濟效益。另外,若能用激光表麵強化技術對石油產業中用量很大的抽油杆柱進行強化和修複,其經濟效益也是非常可觀的。

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