柱塞抽油泵和泵筒材料應(yīng)該如何選擇 |資料

目前國內(nèi)油田使用有桿泵的井?dāng)?shù)以占很大比例，其中大部分是柱塞式抽油泵，常規(guī)柱塞抽油泵已成為主要的采油方式之一。

由于國內(nèi)油田大部分已進(jìn)入了高含水開發(fā)期，加上高含砂、高溫蒸氣稠油開采、注聚合物開采及強(qiáng)腐蝕的介質(zhì)環(huán)境和井況差等因素影響，柱塞抽油泵的泵筒和柱塞的磨損、腐蝕、劃傷越來越嚴(yán)重，油井平均檢泵周期越來越短，有的甚至不到30天就需要檢泵，嚴(yán)重影響油田開發(fā)綜合經(jīng)濟(jì)效益的提高。國內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)投入了大量的力量研究抽油泵的失效原因和防護(hù)措施。其中一個(gè)有效的方法就是優(yōu)選泵筒和柱塞的材料和表面處理工藝。

泵筒和柱塞摩擦副及周圍工作環(huán)境和條件構(gòu)成了一個(gè)摩擦學(xué)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的腐蝕磨損量由泵筒的腐蝕磨損量和柱塞的腐蝕磨損量的總和所決定。而泵筒和柱塞各自的腐蝕磨損量則由構(gòu)成材料的物理機(jī)械化學(xué)性能、相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系、工作環(huán)境和條件等因素決定。最終從抽油泵角度上看，泵筒和柱塞的材料和表面處理工藝的選擇成為決定這個(gè)摩擦學(xué)系統(tǒng)腐蝕磨損量的決定因素。

選擇并優(yōu)化泵筒和柱塞材料和表面處理工藝的目的是讓這個(gè)摩擦學(xué)系統(tǒng)的腐蝕磨損量達(dá)到最小。由于影響因素眾多，所以泵筒和柱塞的材料選擇匹配仍然沒有一個(gè)理論指導(dǎo)，研發(fā)人員目前做的最多的工作是選擇各種泵筒和柱塞的材料和表面處理工藝，然后在一定的腐蝕磨損條件下進(jìn)行室內(nèi)摩擦磨損試驗(yàn)，從試驗(yàn)的結(jié)果來確定在這種試驗(yàn)條件下，應(yīng)該選擇什么樣的泵筒柱塞材料。這里介紹兩種試驗(yàn)結(jié)果：

第一種結(jié)果：泵筒材料及表面處理工藝為45鋼表面化學(xué)鍍鎳磷合金、303鋼表面鍍鉻、4%－6%鉻鋼加壓氮化等3種；柱塞材料及表而處理工藝為碳鋼鍍鉻、碳鋼激光處理、海軍黃銅化學(xué)鍍鎳磷合金、蒙耐爾合金鍍鉻等4種。將上述材料分別配對進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)，試驗(yàn)用的摩擦副由環(huán)和塊組成。介質(zhì)為清水，溫度60℃，黏度為0.000653Pa/s。試驗(yàn)機(jī)為MG－200型高速高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。所加載荷1kN，試件總摩擦行程為20km。通過對不同泵筒和柱塞的材料及表面處理工藝的配對耐磨性試驗(yàn)研究，并按柱塞先失效原則排序，可供選用泵筒和柱塞摩擦副最優(yōu)匹配材料分別為碳鋼化學(xué)鍍鎳磷合金和碳鋼鍍鉻。

第二種結(jié)果：泵筒材料及表面處理工藝為碳鋼表面鍍鉻、碳鋼表面化學(xué)鍍鎳磷合金和38CrMoAl氮化；柱塞材料及表面處理工藝為碳鋼表面鍍鉻、碳鋼表面化學(xué)鍍鎳磷合金、碳鋼表面噴焊鎳基合金和38CrMoAl氮化，分別組合配對成9對摩擦副。試驗(yàn)?zāi)Σ粮庇森h(huán)和柱構(gòu)成。試驗(yàn)介質(zhì)為含油污水，其中含油5%；水中的礦物質(zhì)含量：氯離子11000mg/1，二氧化碳25mg/1，鈣離子25mg/1，碳酸氫根離子30mg/1，鎂離子13mg/1，總鐵8mg/1；含砂0.4%；溫度為60℃。同樣采用國產(chǎn)MG-200高速高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)載荷100N，摩擦總行程約為6km。綜合分析試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為碳鋼噴焊柱塞與碳鋼鍍鉻泵筒配對為最優(yōu)，38CrMoAI氮化柱塞與碳鋼鍍鉻泵筒配對次之。

上述可見，實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果是在設(shè)定的條件下得出的。如果變化不同的試驗(yàn)條件，則工作量巨大，即使變化不同的條件，也不一定和油田現(xiàn)場井下條件一致，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果是有局限性的。由于試驗(yàn)條件和摩擦副的形狀不同，各個(gè)試驗(yàn)結(jié)果之間也沒有可比性。

可以看出，通過試驗(yàn)確定泵筒和柱塞材料匹配有其不足，試驗(yàn)沒有理論指導(dǎo)因此試驗(yàn)工作量很大。試驗(yàn)所選用的材料只是眾所周知的已有材料，很難提出其它并未在抽油泵上使用過的但性能可能更好的材料。

隨著材料工程學(xué)的發(fā)展和新的材料表面處理工藝出現(xiàn)，很多材料和表面處理工藝都有可能應(yīng)用于泵筒和柱塞表面，靠單純的實(shí)驗(yàn)室配對材料的摩擦磨損試驗(yàn)來決定取舍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前對提高抽油泵泵筒和柱塞壽命的急迫要求，如何借助材料學(xué)和其它學(xué)科的原理與技術(shù)來設(shè)計(jì)泵筒和柱塞配對材料是目前急需解決的課題。