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光纤激光器在石油产业的应用

石油矿场的工况比较恶劣,很多金属零部件长期承受重荷,并在有腐蚀、摩擦和磨损的工况下使用.导致其过早发生失效破坏。利用激光表面改性技术能进步材料的硬度和耐磨性。在激光加工技术中,激光表面强化具有节省能源和材料的上风,文章介绍了激光表面改性的原理、分类和金属表面各种激光改性工艺的特点。重点阐述了激光相变硬化、激光熔覆、激光熔凝、激光合金化、激光冲击硬化在石油产业中的应用情况,展看了该技术在石油产业中的应用远景。 

20世纪60年代激光问世。20世纪70年代中期大功率激光器的出现.使激光加工技术不仅在研究和开发方面得到迅速发展。而且在产业应用方面也取得了长足进步。经过30年的迅猛发展,激光加工技术已在汽车、冶金、纺织等行业得到成功的应用。获得了良好的社会效益和经济效益。激光加工技术从问世以来就得到石油产业的关注并获得了一定应用.如激光切割石油割缝筛管、激光焊接输油管道、高能激光器钻油井、激光丈量、激光打标及激光表面强化等。

在激光加工技术中.激光表面强化具有节省能源、材料的上风和明显的经济效益,已经展现出了广阔的应用远景。本文总结并探讨激光表面改性在石油产业中的应用现状及远景。

激光表面改性的原理及分类

当激光束照射到材料表面时,激光被材料吸收变为热能,表层材料受热升温。由于功率集中在一个很小的表面上,在很短时间内即把材料加热到高温,使材料发生固态相变、熔化甚至蒸发。当激光束被切断或移开后,材料表面快速冷却(冷却速度高10000°C/s),自然冷却就能实现表面改性。根据激光束与材料表面作用的功率密度、作用时间及作用方式的不同,可实现不同类型的激光表面改性。激光表面改性技术的分类见图1嘲。图2表示出激光表面改性方法在激光功率密度和作用时间坐标系中所处的位置阁。这些过程在很大程度上取决于功率密度和辐照时间。 

当激光束照射到材料表面时,激光被材料吸收变为热能,表层材料受热升温。由于功率集中在一个很小的表面上,在很短时间内即把材料加热到高温,使材料发生固态相变、熔化甚至蒸发。当激光束被切断或移开后,材料表面快速冷却(冷却速度高10000°C/s),自然冷却就能实现表面改性。根据激光束与材料表面作用的功率密度、作用时间及作用方式的不同,可实现不同类型的激光表面改性。激光表面改性技术的分类见图1嘲。图2表示出激光表面改性方法在激光功率密度和作用时间坐标系中所处的位置阁。这些过程在很大程度上取决于功率密度和辐照时间。

激光相变硬化(激光淬火)的应用

激光相变硬化是现有各种激光表面处理技术中研究和应用最多的方法之一。用激光束扫描零件表面.其红外线能量被零件表面吸收后迅速升温到极高的温度,此时工件仍处于冷态,随着激光束离开零件表面,由于热传导作用。表面热量迅速向内部传递,使表层冷却并获得极高的冷却速度,故可进行自冷淬火,实现工件表面相变硬化。激光相变硬化工艺以其热影响区小而工件变形少、淬火区晶粒极细且均匀、工件改性效果好等多种上风在进步产品寿命方面占据越来越重要的地位。它能很好地解决机械产品中要求耐磨性好而零件外形复杂、壁薄的零件表面改性题目。激光相变硬化加工方法早在70年代就已在美国通用汽车公司Saginaw工厂的转向器生产线上得到应用。而我国激光热处理的研究、开发、应用起始于70年代。由铁道科学研究院金属化学研究所和中科院长春光学精密机械研究所等单位率先开展该项工作以来。也已有20多年的历史。目前,激光相变硬化加工方法,已广泛应用于汽车、冶金、重型机械等很多产业部分。随着各油田相继进进开采的中后期,机械采油在整个开采量中所占的比重越来越大.抽油泵是机械采油的关键设备.由于所开采液体中含有大量的腐蚀性气体。加上一些井底杂质的磨损,抽油泵的泵筒经常损坏.从而严重影响了开采效率。早在1983年,中科院金属所就与玉门石油机械厂合作,研究抽油泵泵筒内激光淬火(即相变硬化)工艺,于1987年由原石油部组织了鉴定。油田井下使用结果表明。泵筒经激光淬火后,使用寿命进步一倍.但变形甚微,耗电量仅为镀铬工艺的12%。他们还进行了整筒45。钢柱塞和球铁钻井泵缸套的激光淬火试验,均取得了很好的效果。

近些年。很多研究者对抽油泵激光相变硬化工艺进行了大量的研究。例如胜利油田钱晖对内径44~83 rain、长300 mm组合抽油泵缸套进行了激光淬火.缸套内表面硬度达到HRC60~66,硬化层深度达到0.4-0.6 mm,缸套直径上变形仅为0.03 mill左右.远远小于常规热处理的变形量,大幅度进步了生产效率,降低了生产本钱。 

随着激光相变硬化工艺的发展。很多研究者使用激光相变硬化+其他强化方法的复合处理工艺。例如,东北输油治理局张鹏吉等通过增加外导光系统,解决了在直径70 mill、长7.6 m整筒抽油泵泵筒内表面进行激光淬火的技术困难。并根据现场试验情况确定了经C-N共渗处理后再进行激光淬火的工艺流程.形成了较完善的整筒泵泵筒激光热处理工艺路线。对泵筒激光淬火工艺与目前普遍采用的泵筒中频淬火工艺进行比较,结果表明,整筒抽油泵泵筒采用C-N共渗后再进行激光淬火,具有生产效率高、耗能少、本钱低等优点。并且扩大了泵筒的选材范围。西南石油学院汤富荣等人采用45°钢作为钻井泵缸套材料在中频淬火的基础上再进行激光相变硬化处理。缸套表面获得了硬度高、硬度梯度平坦、支承力强、耐磨性好的强化层。不仅可使缸套在含砂的钻井液介质中具有很强的抗磨损能力,而且还有利于应力的开释,其使用寿命略高于高铬铸铁双金属缸套,且本钱较低。  

油管螺纹在上卸时常出现粘扣现象.河南石油勘探局谷志峰利用激光淬火工艺对油管螺纹进行淬火,经处理后的材料表面呈超细化组织结构,表面硬度HVQl340,淬硬层深,牙顶0.5~1.1 mm、牙底0.2-0.4 mm,可解决油管粘扣题目。   

激光相变硬化工艺不仅在井下采油机械中有一定应用.而且在钻井机械的下部钻具中也获得了较多的应用旧。钻杆作为石油钻井、地质钻探、采矿钻孔的必备工具,在钻进过程中起着极其重要的作用。由于地下环境恶劣,使得钻杆的寿命缩短,故难以满足深井钻探的需求。目前。钻杆杆体材料经常采用30CrMnSiA或45MnMoB.在机械加工前只进行常规热处理。吴东江等采用高功率CO2激光器,利用正交实验法对钻杆表面进行淬火处理,使钻杆接头表面得到了很高的硬度值(HV 0.1 1150),比基体组织的硬度值(HV 0.1 380)高两倍以上,比高频淬火、镀硬铬等方法得到的硬度值(HVn 0.1 800)高40%以上,抗磨能力明显进步。文献对钻杆接头材料30 CrMnSiA钢进行了表面相变硬化处理,结果表明,30 CrMnSiA钢表面相变硬化层分为完全淬硬层、过渡层和受热影响的基体组织.硬化层的显微组织明显细化,其表面层的耐磨性明显进步。国外曾有人对井下涡轮钻具中的128700型轴承进行激光快速加热和深层熔化的改性处理,使表层硬度达到HRC57-60,进步了耐磨性,其支承节轴承的均匀工作寿命比普通涡轮钻具支承节进步2倍以上。

齿轮在传动系统中起着传递动力及改变运动速度和方向的作用。激光相变硬化工艺在齿轮表面强化方面的研究和应用也很多。该工艺可以克服传统的齿轮表面强化工艺(如渗碳淬火、感应淬火等)硬化层分布不均、变形大的缺点,能获得沿齿廓分布的均匀硬化层。

激光熔覆的应用

激光表面熔覆就是将不同成分的合金粉末填加到激光束加热所形成的熔池中。并由激光将其熔化.由此产生的熔覆层与金属基体呈现原子冶金结合.从而使金属表面获得高的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温顺抗氧化等综合性能。与传统的表面涂层(如堆焊、镀层、喷镀等)相比,激光熔覆层具有如下技术特点

(1)熔覆层与基体可以实现牢固的冶金结合或界面扩散结合。

(2)冷却速度一般大于10000°C/s,属于快速凝固过程。轻易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相,如非稳相、非晶态等。

(3)通过对激光工艺参数的调整,可以获得低稀释率的良好涂层,并且涂层成分和稀释度可控。

(4)激光处理的热变形小,尤其是采用高功率密度快速熔覆时,变形可降低到零件的装配公差内。

(5)熔覆层的厚度范围大,单道送粉一次涂覆厚度在0.2-2.0mm,很适合油田常见易损件的磨损修复。

(6)轻易实现选区熔覆。

(7)工艺过程可实现自动化。

激光熔覆技术的应用研究正处于发展阶段。1989年以来,我国闫毓禾在粉碎机锤片上。刘文今在发动机摇臂表面上。张松等在鼓风机叶片上利用激光技术熔覆硬质合金粉末,均取得了成功。使熔覆后工件的使用寿命较原工件的寿命明显进步。展示了激光熔覆技术的广阔应用远景。在石油产业领域,激光熔覆技术的应用鲜见报道据了解。1989年以来。国内部分钻头厂与一些大学的科研单位合作,利用激光技术在钢齿钻头表面熔覆碳化钨(we),已经取得了初步成果。目前,这项技术正在推广应用到牙轮钻头上。牙轮钻头在井底工作时,由于牙轮壳体表面磨损剧烈。牙轮表面经常比切削齿先期严重磨损。从而出现掉齿、松齿等现象,以致无法钻进。大大降低了钻头的使用寿命。近几十年来钻头厂家一直把渗碳作为进步钻头牙轮表面硬度的重要手段,但该工艺其局限性。采用激光熔覆技术在牙轮表面进行改性处理.显然是一个更有效的办法。N J Kar在专利U54781770(E.PO,303,419A1)中曾提出对牙轮壳体表面进行激光熔覆处理。采用直接粘结、等离子喷涂等方法,预先将WC粉涂覆到牙轮壳体表面(或用同步送粉法),然后利用连续CO2激光器在大于1.5kW、束斑直径10.0mm的激光束照射下熔化覆层。涂层厚度为0.4-0.8mm。通过多次添加粉末和反复扫描可获得更厚的涂层。熔覆层的硬度可达HRC 57-60。除采用上述预置粉末工艺之外,还可采用超声喷涂法预置粉末。这种方法的喷粉速度快、温度低,其涂层质量明显高于等离子喷涂层。在超声喷涂层上敷一薄层石墨。以进步工件基体对激光能量的吸收。采用间距为0.25 mm的多道搭接形式完成熔覆。1990年前后。N.J.Kar与Smith国际公司合作。开发了牙轮钻头壳体超声火焰喷涂硬质合金涂层与激光熔覆处理技术。他们先在牙轮壳体上利用超音速火焰喷涂一层硬质合金,以获得一层较致密的均质结构的假合金镀层.然后用一台输出功率为5 kW的CO2激光器进行多道熔凝处理。处理后熔覆层的硬度可超过HRC70。金相显微镜和扫描电镜显示。激光处理后涂层变得更为致密。涂料熔化也相当好。与基底结合牢固,而且未出现明显的基材渗透现象和交界处分子迁移现象。经过上述处理后的钻头在美国几个地区经现场试验.无一例激光熔覆涂层的损坏.即使硬质合金齿已损坏或折断甚至钻头已完全损坏,熔覆层也仍然存在。我国江汉钻头厂先后与华中理工大学等单位合作.对钢齿钻头表面熔覆WC。通过对激光处理工艺参数的调整,使WC颗粒的熔化烧损率明显降低。保证了颗粒在熔覆层中的有效尺寸和高强度.其耐磨性比生产线上用氢原子敷焊的覆层有了明显进步。熔覆密封滑动轴承牙轮钻头问世以后。对滑动轴承表面如何改性是一个困难。G.M.Ecer提出了获得复合轴承表面的新技术;R.P.Badrack和T.H.Mayo一起提出了对钻头轴承表面进行激光熔覆处理的技术(表面层冷却后对其进行精加工处理,硬度达HRC55)。

抽油泵泵筒内壁不仅能用激光相变硬化进行强化.还能通过激光熔覆进行强化和修复。采用激光熔覆处理,在泵筒内壁熔覆上一层耐磨硬质合金粉末.使其硬度和耐磨性大大进步。钻井泵和泥浆泵缸套也可以进行类似处理。   

阀门是流体输送系统中的控制部件。其关键部位是密封面。石油化工生产系统中的阀门不仅用量大.而且在很多情况下还要在较高温度和压力下承受擦伤磨损、冲击磨损和不同介质的腐蚀。国内对一些高参数阀门的关键密封面一般采用等离子喷焊、电弧火焰堆焊等传统工艺进行强化。中南工学院石世宏等使用5 kW横流CO2激光器在石化阀门密封面奥氏体基体上熔覆Ni基自熔合金.与传统等离子喷焊层对比。经激光熔覆的石化阀门密封面能获得厚度达3.0 mm、表面较平整光滑的合金层。在组织和性能上均明显优于等离子喷焊工艺。王新林等采用5 kW横流CO2激光器,对不同基体材料的石化高参数阀门密封面进行激光熔覆。所用合金粉为CoCrWB与NiCrFeBSi。在研究解决了厚层单道熔覆裂纹题目的基础上,得到了厚2-3.5min、表面平整、无质量缺陷的激光熔覆层。

由于激光光束面积较小,对一些破损区域小的零部件进行激光熔覆修补特别方便。效果也很好。如一家维修站用激光修补汽车传动轴与万向轴接头等.英国的Rolls-Royce公司将激光熔覆技术应用于RB211型燃气轮机叶片连锁肩的修复。在石油井下工具中也有很多零部件可采用激光修补技术,如钻柱稳定器在工作时常与井壁相磨,很轻易磨坏,可在其表面熔覆一层硬质合金粉末,以进步其耐磨性。而且一旦该耐磨层被磨掉,还可以在其表面再覆上一层硬质合金,修复工艺简单快捷。显而易见。这不仅进步了稳定器的使用寿命,而且还可大大节省原材料,降低本钱。

其他激光表面改性技术的应用

激光相变硬化和激光熔覆是在石油石化行业应用最多的激光表面改性工艺,其他的激光表面改性技术研究和应用相对少些。   

激光熔凝是以很高的激光功率密度、在极短的时间内与金属交互作用,使金属表面局部区域在瞬间被加热到相当高的温度使之熔化,随后借助于冷态的金属基体吸收和传导热的作用,使已熔化的极薄表层金属快速凝固。激光熔凝得到的是铸态组织.其硬度较高。耐磨性亦较好。其工艺过程与激光相变硬化类似,只不过功率密度和辐照时间存在差异。铝合金表面熔凝可以改善表层组织。使其细化.清除表面缺陷,进步铝的使用性。铜合金表面重熔、熔凝层组织更加细密均匀,导电性和耐磨性进步。对接触电极导电性起重要作用。该工艺在冶金行业比较典型的是轧辊激光毛化技术。可以在毛化的同时,使激光作用区的材料获得超常硬度.给轧面带来超常的强韧化效果,延长轧辊使用寿命。激光熔凝在石油行业中的应用较少。前苏联钻井技术研究所等单位用1 kW的CO2气体激光器对128700型轴承表面进行短周期的激光快速加热和深层熔化.然后控制冷却速度,使钢球的表面硬度为HRC57-58;轴圈和座圈的表面光洁度高。不必精加工,而且滚道的耐磨性好,强化深度可达1.2 cm。   

激光合金化类似于激光熔覆.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面的金属或合金涂层。使之熔融。从而强化表面的工艺。二者的主要区别在于基材表面的熔融程度。激光合金化是用激光束照射被覆纯金属或合金涂层的工件表面。在基材上形成熔池。使合金元素因表面张力和温度梯度引起机械搅拌,以及在熔池中的扩散,可在极短的时间内熔于一层厚度为10-1 0熔化层内,以到表面合金化的目的。激光合金化中加进的元素和基材一起熔化。并混进融化的基材中形成一种新的合金.其成分既不同于外加合金。也不同于基材。我国已开始把激光合金化技术应用到实际产品上,以此来强化新型高温结构材料.以进步其耐磨性圈。当激光脉冲功率足够高时(109 W/cm2),短时间内金属表面产生汽化、膨胀、爆炸,产生的冲击波对金属表面形成很大压力.使材料表面塑变、位错等.从而能明显进步材料的硬度、屈服强度和抗疲惫性能。由激光冲击波作用,使材料表面硬化和强度进步的方法称为激光冲击硬化。这一方法在航空产业中得到应用。航空铝的激光冲击硬化层可使疲惫强度进步4.5-9.8倍。奥氏体钢经5次冲击硬化后,硬度进步20%-40%,Ti及其合金经激光冲击硬化也有较好效果。  

近年来.激光表面强化处理已经从相变硬化阶段、表面合金化阶段发展到反应表面强化阶段--即在一定条件下。通过化学反应而在基材表面天生一些强化相,以达到强化的目的,它可分为激光物理气相沉积(LPW)和激光化学气相沉积(LCVD)。在机械领域.尤以金属材料的激光陶瓷涂层和涂膜技术引人注目。可以通过控制激光功率密度与处理时间来获得不同性质、不同厚度的陶瓷涂层和涂膜陶。这一技术主要应用于电子产业中。但在石油石化行业的应用还有待于开展研究工作。  

总结:

石油矿场的工况比较恶劣。很多金属零部件长期承受重载荷并在有腐蚀、磨损的工况下使用,致使其过早发生失效破坏,进而缩短使用寿命。停产检验和更换新部件.既增加材料本钱.又影响油田生产,带来多方面的损失。利用激光表面改性技术能使低等级材料实现高性能表层改性。达到零件低本钱与工作表面高性能的最佳结合。为解决整体改性和表面改性的矛盾带来了可能性,对重要构件材质与性能的选择匹配、设计、制造产生重要的影响。目前。激光相变硬化和激光熔覆在石油石化行业已获得了一定应用,但主要局限于井下采油机械和井下钻井机械方面。激光加工技术在石油机械行业中还未得到广泛应用,还有很多设备的加工值得采用激光强化技术。例如石油矿场、石化工厂有很多关键性的易损部件,对损坏零件弃旧换新本钱高,若能使用激光熔覆修复重新利用,则能明显降低本钱。另外.输油管、钻柱在石油产业中用量大、质量要求高,如能研究出一种高效、实用、经济的高功率激光加工系统,使管材内外表面淬火硬化、合金化、非晶化、上釉等,便可解决其腐蚀疲惫断裂题目,具有明显的经济效益。另外,若能用激光表面强化技术对石油产业中用量很大的抽油杆柱进行强化和修复,其经济效益也是非常可观的。