防腐抽油泵介绍

1、防防 腐腐 抽抽 油油 泵泵 介介 绍绍 一、设计依据： 项目组通过与东北大学材料学院和中科院金属所交流，查阅SY/T0599天然气地面设施抗硫化物应力开裂金属材料要求、石油工业中的腐蚀与防护、NACE MR0176-2000腐蚀油井环境抽油泵的材料要求，对各种材料的防腐能力有了更深的认识，并结合生产成本，初步确定了防腐泵各组件的材料选择范围。 根据叙利亚用户的要求，防腐抽油泵结构设计为薄壁杆式抽油泵，结构见图： 二、设 计：（1）、泵筒： 根据GB/T186072001抽油泵及其组件规范要求，泵筒材料有碳钢、不锈钢、海军黄铜、蒙耐尔合金，但后两种材料比较昂贵，成本较高，不利于大批量推广。泵筒

2、的内表面强化方式分为镀硬铬和碳氮共渗两种，就耐磨和防腐性能而言，镀铬工艺强于共渗工艺。由上述的腐蚀机理可知，当油井矿化度较高时，井液成为了电解液，如果泵筒采用碳钢上镀铬，镀铬层的电位比碳钢的电位高则会出现电化学腐蚀，如果镀铬层致密性差，使电解液进入镀层与基体之间腐蚀，最终会造成镀铬层脱落；而采用共渗工艺，则井液中的湿硫化氢、二氧化碳形成稀硫酸和碳酸，会对泵筒造成化学腐蚀。可见两种内表面处理方法均不能抵抗腐蚀。 如果在提高镀铬层致密程度的前提下，采用与镀铬层电位差小的不锈钢（铬钢）作为泵筒基体材料，并采取内孔镀硬铬的处理方法就不会出现电化学腐蚀现象，同时抗化学腐蚀的能力也较强，由此可见采用不锈钢

3、材质的泵筒且内孔镀铬处理是切实可行的方案。综合以上结论并根据API抽油泵材料选择原则，确定泵筒采用1Cr5Mo为材料。1Cr5Mo为马氏体型不锈钢，可通过热处理强化，经适当温度回火处理后，可获得良好的强度、韧性及耐蚀性等综合性能。一般可在400以下使用。但由于随强度、硬度的提高，耐蚀性有下降的趋势，为避免氢应力开裂腐蚀，根据SY/T0599天然气地面设备抗硫化氢应力开裂金属材料要求的规定，硬度应小于HRC22（HB234），所以泵筒基体的硬度定为HB190220。 （2）、柱塞： 根据GB/T18607抽油泵及其组件规范要求，柱塞材料有碳钢、不锈钢。因为后期喷焊处理，不锈钢喷焊工艺复杂，质量难

4、以控制，同时成本较高，故选用45钢材料外表面喷焊镍基粉末。由腐蚀机理可知材料的强度、硬度越高，氢脆腐蚀敏感性越大。钢的微晶组织结构对氢脆也有影响，淬火和回火材料要比正火和退火的材料有更好的抗氢脆性。因此为避免H2S腐蚀造成氢应力开裂，柱塞毛坯供货时应是回火状态，硬度HB190-220。为提高柱塞内表面及螺纹的防腐能力，在对试样进行了模拟工况试验后，确定了柱塞的防腐措施为整体镍磷镀处理后，精磨外径，再喷焊Ni60镍基粉末。为保证防腐效果，镍磷镀含磷量13%。为不影响螺纹配合，镀层单边厚度0.02mm。 （3）、阀副 在GB/T18607抽油泵及其组件规范规定中，阀副材料分为不锈钢、钴合金、和硬质

5、合金。综合对比表明，硬质合金的防腐性能和抗冲击性能好，故选硬质合金作为阀副材料。考虑到阀球与阀座的形状和受力状况，将阀球材料定为YG8，硬度HRA88-89，阀座材料定为YG11,硬度HRA85-86。 对于腐蚀严重、要求阀副冲击韧性高的工况，推荐使用司太利合金材料。 （4）、阀罩 抽油泵的阀罩在工作中承受交变载荷，且受到井液和阀球的冲击，尤其是在含砂井中，容易发生冲刷磨蚀、应力腐蚀和氢脆，所以对材料性能要求较高，既要求有较高的机械性能，还要避免在受力状态下的开裂问题。根据SY/T0599中对于潮湿H2S环境下的材料选择原则，推荐使用3Cr17Ni7Mo2N（UNS S31800），这是一种C

6、-N强化的奥氏体不锈钢。一般说来，含钼的奥氏体不锈钢在有机酸和某些还原性酸中有更好的耐蚀性；而铬能提高钢耐CO2、H2S的腐蚀能力；镍能提高钢对酸、碱的腐蚀能力，同时还能提高钢耐腐蚀疲劳的性能。 3Cr17Ni7Mo2N不仅具有良好的抗硫化氢腐蚀能力，机械强度也较高，适用于含硫油井的金属材料。 3Cr17Ni7Mo2N经固溶处理，硬度HRC22，其机械性能如下： 常规阀罩使用的材料为45钢调质处理，机械性能如下：抗拉强度b MPa屈服强度s MPa延伸率断面收缩率硬度HRC78542035%40%22（HB235）抗拉强度b MPa屈服强度s MPa延伸率断面收缩率硬度HRC62036016%

7、40%HB229-269 （5）、卡套 卡套是杆式泵上的弹性零件，用于座封整个抽油泵，不仅要求材质有较高的强度，还要有良好的弹性。常用的杆式泵卡套材料为60Si2Mn淬火处理，硬度HRC4046。但腐蚀油井中由于H2S、CO2、O2及盐类的存在，必须选择能够防腐蚀的材料或表面处理方法。在酸腐蚀条件下弹簧材料一般选用耐酸不锈钢。如：奥氏体型1Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti；马氏体型3Cr13和4Cr13；沉淀硬化型0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al。1Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti抗腐蚀能力较好，但热稳定性差，且只能制成簧丝，不能制作卡套。 马氏体型3Cr13和4Cr1

8、3的强度、硬度淬透性和热强性都较高。它的抗腐蚀能力不如奥氏体型不锈钢，但在弱腐蚀介质中，有较好的抗腐蚀性能，同时有较好的热稳定性。这类材料一般用于制作机械性能要求较高、抗腐蚀性能要求较低、工作温度300以下的弹簧。我们曾经用3Cr13制作成卡套，但其弹性较差，并且在做侧压13kN试验时，脆性太高，卡套压碎。显然3Cr13不能满足杆式泵的使用要求。 沉淀硬化型0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al有很高的强度和较好的韧性。这类钢加工性能好，可以冷成型，抗腐蚀性能亦较好。但由于价格较高，只用于有特殊要求，高性能的不锈弹簧。 确定卡套材料仍然使用60Si2Mn ，但必须进行表面处理，从而提

9、高防腐能力。一般情况下，表面防腐的方式主要有三种，一是表面镀层防腐，如：镀铬、镀镍、镀铜、镍磷镀等；二是表面涂层；三是表面基体处理防腐，如：发蓝、碳氮共渗、氮化等。这三种方法都是在表面形成保护层，达到防腐的目的。具体优缺点如下： 表面防腐方式优 点缺 点表面镀层处理温度不高，不会对卡套机械性能产生影响、镀层结合强度低，不耐磨，容易脱落。、镀层工艺会出项“氢脆”。、镀层会引起尺寸变化（如螺纹），影响互换性。、镀铬不耐酸的腐蚀。 表面涂层表面是一层非金属涂层，具有很高的防腐性能 、表面非金属涂层强度低，不耐磨，容易脱落，造成大面积腐蚀。、表面涂层在较高温度下（大于100）容易老化，开裂。 氮化、由

10、于是基体强化，结合强度高，耐磨。、硬化层形成压应力，有效提高疲劳强度。、处理后工件变形小（0.01mm），不影响互换性。、防腐效果比上述镀层工艺好。 、处理温度较高（570），但可通过工艺调整克服。、工艺较为复杂。 通过比较氮化工艺更加适合卡套的使用工况，故选择60Si2Mn表面氮化的技术方案，即采用法国舍舍夫（SURSRLF）技术，对卡套表面进行盐浴氮化处理，表面形成双层氮化组织，下面是氮化铁层（厚度810m），表面是泡沫层（厚度68m）；再采用法国阿可（ARCOR）技术，对卡套表面进行盐浴氮化处理，表面泡沫层氧化形成保护膜。经过上述两道工序，卡套表面引入了很高的残余压应力，提高了抗疲劳强度

11、，同时经过阿可技术氧化处理后，可以消除镀层工艺遇到的“氢脆”问题。然后再经过时效处理、克拉克油浸泡等工艺，降低脆性，提高韧性，增强表面的防腐能力。 通过上述处理过程，可在机械性能不下降的同时，使卡套具备较好的防腐能力，满足腐蚀油井的工况要求。 （6）、其它组件 其它组件由于对机械性能要求不高，采用2Cr13不锈钢，它是一种马氏体型不锈钢，抗腐蚀性和耐磨损性能良好。为防止氢应力开裂，调质处理，硬度HB190220。 三、室内试验三、室内试验 1、试验环境及设备 （1）、配制5%的NaCl溶液，加入74.2g的Na2CO3，并用乙酸调节PH值至4。 （2）、试件在湿热箱中，升温至90，连续通入H2S气体，1015min至饱和状态，容器密封，观察后再向容器内通入H2S气体，并调整PH值，如此循环操作。 2、试验结果：材 料数量表面处理腐蚀开始时间最终腐蚀情况35CrMo1未处理40小时后腐蚀严重60Si2Mn1氮化处理120小时后