CN104912789A - 基体螺纹式抗腐蚀柱塞 - Google Patents
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Abstract
本发明主要用于油田钻采作业用柱塞泵，属于石油机械设备领域，具体涉及一种基体螺纹式抗腐蚀柱塞，包括柱塞基体和柱塞螺栓，柱塞基体的后端具有螺纹孔，柱塞螺栓位于柱塞基体后端且与柱塞基体螺纹连接，柱塞基体的圆柱形工作面上加工有螺纹，螺纹外喷涂防腐耐磨涂层。本发明通过在柱塞基体圆柱形工作面加工螺纹，在喷涂防腐耐磨涂层时，能够大大增加防腐耐磨涂层与柱塞基体的结合面积，提高机械结合强度和防腐能力，提高了防腐耐磨涂层的抗轴向剥落能力；在柱塞螺栓与柱塞基体连接前安装蝶形弹簧，具备自预紧功能，防止二者在设备运行中发生松动；除上述外，还大大降低了柱塞的综合制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种基体螺纹式抗腐蚀柱塞，主要用于油田钻采作业用柱塞泵，属于石油机械设备领域。
背景技术
油田钻采用柱塞泵是石油行业用于油田酸洗和注聚作业用的关键设备，尤其在油气井酸洗和注聚作业时，存在连续作业时间长、介质腐蚀性强、设备负载重等特点。该类设备由动力端和液力端组成，柱塞泵在工作时，其动力端通过曲轴连杆机构将柴油机或电动机的旋转运动转化成柱塞的轴向往复运动，液力端工作原理为容积式，柱塞往前运动容积增大时，吸入阀打开，排出阀关闭，流体介质吸入；柱塞往后运动容积减小时，吸入阀关闭，排出阀打开，高压流体介质排出，通过柱塞的不断往复运动，完成高压流体介质的连续排出过程。
柱塞是油田钻采用柱塞泵液力端的关键零部件，其与环形橡胶软盘根紧密配合形成密封腔，通过柱塞往复运动将流体吸入排出完成做功过程，柱塞在运动过程中承受较大摩擦力与挤压力，因此柱塞外表面必须能够高耐磨和耐腐蚀，并要求柱塞螺栓与柱塞之间螺纹连接可靠，不能松动，否则会发生设备事故。
常规柱塞通常是在基体材料的外径工作面上喷焊镍基涂层，在柱塞小端通过螺纹与柱塞螺栓连接在一起，通常情况下，通过在柱塞外表面喷焊Ni60或Ni62粉末合金来保证其使用过程中的耐磨性，在酸性介质中，基体材料需要采用不锈钢材料，柱塞螺栓与柱塞连接时需要依靠外力人为改变螺纹部位的弹性变形量来达到柱塞螺栓防松的目的，主要存在以下问题：
(1)常规柱塞采用圆柱面涂层结构，柱塞涂层在喷焊时，基体材料与涂层结合力差，其机械结合强度一般在50MPa左右，涂层易剥落耐磨性差，设备在长时间运行时，柱塞涂层在高温高压状态下易疲劳破坏。
(2)在油气井酸洗或注聚作业时，由于工作介质存在强腐蚀性，常规柱塞通常采用不锈钢基材，然后在外工作面喷焊镍基材料，从而达到提高防腐蚀能力的目的，该工艺方案制造成本太高，柱塞使用寿命一般。
(3)柱塞与柱塞螺栓之间仅通过螺纹拉伸变形达到预紧力，容易因人为因素造成预紧力不够，造成螺纹松动，造成设备事故。
发明内容
根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种防腐耐磨涂层与柱塞基体结合强度高、抗腐蚀性能好的基体螺纹式抗腐蚀柱塞。
本发明所述的基体螺纹式抗腐蚀柱塞，包括柱塞基体和柱塞螺栓，柱塞基体的后端具有螺纹孔，柱塞螺栓位于柱塞基体后端且与柱塞基体螺纹连接，柱塞基体的圆柱形工作面上加工有螺纹，螺纹外喷涂防腐耐磨涂层。
制作时，可以在柱塞基体的粗加工过程中，在柱塞基体的外径工作面首先加工螺纹(螺旋状沟槽)，然后超音速喷涂防腐耐磨涂层，通过螺纹增加柱塞基体与防腐耐磨涂层的结合面积，提高机械结合强度和防腐能力，提高了防腐耐磨涂层的抗轴向剥落能力。
优选地，柱塞基体圆柱形工作面上的螺纹为60°三角螺纹，螺距为1.0～1.5mm，通过本结构形式的螺纹，能够使防腐耐磨涂层与柱塞基体的接触面积增大一倍，从而提高机械结合强度和附着强度。为避免应力集中，将上述螺纹的牙顶和牙底均采用圆角过渡，圆角半径优选0.3～0.5mm。
为提高涂层的防腐和耐磨能力，防腐耐磨涂层优选镍基涂层，镍基涂层可采用以下材料成份：Ni：68％、C：0.75％、Cr：13.2％、Te：7.3％、B：2.1％、Si：4％、W：4.65％，固液温度在1226°～1272°之间。喷涂时，将防腐耐磨涂层粉末通过超音速喷涂方法加工到柱塞基体的外径上，瞬时速度达到550m/s以上，防腐耐磨涂层的机械结合强度达到70MPa以上。
如果柱塞基体采用全不锈钢材质用于耐酸防腐，生产成本将大幅度提高，因此本发明中采用以下优选方案来降低柱塞的综合制造成本：
在柱塞基体的前端设置不锈钢堵头，不锈钢堵头由头部和连接部一体连接而成，头部外径不小于喷涂有防腐耐磨涂层的柱塞基体的外径，连接部的外周设置外螺纹，对应连接部在柱塞基体前端的内部设置螺孔，连接部与柱塞基体螺纹连接，不锈钢堵头的头部与柱塞基体前端的接触面上安装防腐垫片，以防止腐蚀介质进入到柱塞基体内部。这样柱塞基体可采用普通无缝钢管，结合其他防腐措施(防腐耐磨涂层、不锈钢堵头以及防腐垫片的设置)，使综合制造成本下降55％-60％。其中，防腐垫片的材料为防腐性能优良的PTFE，不锈钢堵头采用SUS316L。同时，为防止不锈钢堵头从柱塞基体前端脱落，柱塞基体前端螺孔以及连接部的螺纹采用楔形防松螺纹。
优选地，柱塞基体后端螺纹孔的后端孔壁上车有环形槽，环形槽中安装至少两组蝶形弹簧，最上部的蝶形弹簧的上表面与柱塞螺栓接触。在柱塞螺栓与柱塞基体连接前安装蝶形弹簧，以防止柱塞基体与柱塞螺栓在设备运行中发生松动，具备自预紧功能。本发明选用的蝶形弹簧的弹性模量为90-95kgf/mm，当蝶形弹簧由初始受力状态压紧5mm时，螺纹连接预紧力将达到450-500Nm之间，保证了柱塞螺栓与柱塞基体螺纹连接的可靠性，避免了人为因素造成的螺纹松动。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：
本发明通过在柱塞基体圆柱形工作面加工螺纹，在喷涂防腐耐磨涂层时，能够大大增加防腐耐磨涂层与柱塞基体的结合面积，提高机械结合强度和防腐能力，提高了防腐耐磨涂层的抗轴向剥落能力；在柱塞螺栓与柱塞基体连接前安装蝶形弹簧，具备自预紧功能，防止二者在设备运行中发生松动；除上述外，还大大降低了柱塞的综合制造成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1、柱塞螺栓；2、蝶形弹簧；3、柱塞基体；4、防腐耐磨涂层；5、连接部；6、防腐垫片；7、头部。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：
如图1所示，本基体螺纹式抗腐蚀柱塞包括柱塞基体3和柱塞螺栓1，柱塞基体3的后端具有螺纹孔，柱塞螺栓1位于柱塞基体3后端且与柱塞基体3螺纹连接，柱塞基体3的圆柱形工作面上加工有螺纹，螺纹外喷涂防腐耐磨涂层4。
制作时，可以在柱塞基体3的粗加工过程中，在柱塞基体3的外径工作面首先加工螺纹(螺旋状沟槽)，然后超音速喷涂防腐耐磨涂层4，通过螺纹增加柱塞基体3与防腐耐磨涂层4的结合面积，提高机械结合强度和防腐能力，提高了防腐耐磨涂层4的抗轴向剥落能力。
在本实施例中，柱塞基体3圆柱形工作面上的螺纹为60°三角螺纹，螺距为1.0～1.5mm，通过本结构形式的螺纹，能够使防腐耐磨涂层4与柱塞基体3的接触面积增大一倍，从而提高机械结合强度和附着强度。为避免应力集中，将上述螺纹的牙顶和牙底均采用圆角过渡，圆角半径优选0.3～0.5mm。
为提高涂层的防腐和耐磨能力，防腐耐磨涂层4优选镍基涂层，镍基涂层可采用以下材料成份：Ni：68％、C：0.75％、Cr：13.2％、Te：7.3％、B：2.1％、Si：4％、W：4.65％，固液温度在1226°～1272°之间。喷涂时，将防腐耐磨涂层粉末通过超音速喷涂方法加工到柱塞基体3的外径上，瞬时速度达到550m/s以上，防腐耐磨涂层4的机械结合强度达到70MPa以上。
如果柱塞基体3采用全不锈钢材质用于耐酸防腐，生产成本将大幅度提高，因此本实施例采用以下优选方案来降低柱塞的综合制造成本：
在柱塞基体3的前端设置不锈钢堵头，不锈钢堵头由头部7和连接部5一体连接而成，头部7外径不小于喷涂有防腐耐磨涂层4的柱塞基体3的外径，连接部5的外周设置外螺纹，对应连接部5在柱塞基体3前端的内部设置螺孔，连接部5与柱塞基体3螺纹连接，不锈钢堵头的头部7与柱塞基体3前端的接触面上安装防腐垫片6，以防止腐蚀介质进入到柱塞基体3内部。这样柱塞基体3可采用普通无缝钢管，结合其他防腐措施(防腐耐磨涂层4、不锈钢堵头以及防腐垫片6的设置)，使综合制造成本下降55％-60％。其中，防腐垫片6的材料为防腐性能优良的PTFE，不锈钢堵头采用SUS316L。同时，为防止不锈钢堵头从柱塞基体3前端脱落，柱塞基体3前端螺孔以及连接部5的螺纹采用楔形防松螺纹。
除上述外，柱塞基体3后端螺纹孔的后端孔壁上车有环形槽，环形槽中安装至少两组蝶形弹簧2，最上部的蝶形弹簧2的上表面与柱塞螺栓1接触。在柱塞螺栓1与柱塞基体3连接前安装蝶形弹簧2，以防止柱塞基体3与柱塞螺栓1在设备运行中发生松动，具备自预紧功能。本实施例选用4组弹性模量为90-95kgf/mm的蝶形弹簧2，当蝶形弹簧2由初始受力状态压紧5mm时，螺纹连接预紧力将达到450-500Nm之间，保证了柱塞螺栓1与柱塞基体3螺纹连接的可靠性，避免了人为因素造成的螺纹松动。
Claims (10)
1.一种基体螺纹式抗腐蚀柱塞，包括柱塞基体(3)和柱塞螺栓(1)，柱塞基体(3)的后端具有螺纹孔，柱塞螺栓(1)位于柱塞基体(3)后端且与柱塞基体(3)螺纹连接，其特征在于：柱塞基体(3)的圆柱形工作面上加工有螺纹，螺纹外喷涂防腐耐磨涂层(4)。
2.根据权利要求1所述的基体螺纹式抗腐蚀柱塞，其特征在于：所述的柱塞基体(3)的圆柱形工作面上的螺纹为60°三角螺纹，螺距为1.0～1.5mm。
3.根据权利要求2所述的基体螺纹式抗腐蚀柱塞，其特征在于：所述的柱塞基体(3)的圆柱形工作面上的螺纹的牙顶和牙底均采用圆角过渡。
4.根据权利要求3所述的基体螺纹式抗腐蚀柱塞，其特征在于：所述的圆角半径为0.3～0.5mm。
5.根据权利要求1～4任一所述的基体螺纹式抗腐蚀柱塞，其特征在于：所述的柱塞基体(3)的前端设置不锈钢堵头，不锈钢堵头由头部(7)和连接部(5)一体连接而成，头部(7)外径不小于喷涂有防腐耐磨涂层(4)的柱塞基体(3)的外径，连接部(5)的外周设置外螺纹，对应连接部(5)在柱塞基体(3)前端的内部设置螺孔，连接部(5)与柱塞基体(3)螺纹连接，不锈钢堵头的头部(7)与柱塞基体(3)前端的接触面上安装防腐垫片(6)。
6.根据权利要求5所述的基体螺纹式抗腐蚀柱塞，其特征在于：所述的柱塞基体(3)前端螺孔以及连接部(5)的螺纹采用楔形防松螺纹。
7.根据权利要求5所述的基体螺纹式抗腐蚀柱塞，其特征在于：所述的防腐垫片(6)的材料为PTFE。
8.根据权利要求1、2、3、4、6或7任一所述的基体螺纹式抗腐蚀柱塞，其特征在于：所述的柱塞基体(3)后端螺纹孔的后端孔壁上车有环形槽，环形槽中安装至少两组蝶形弹簧(2)，最上部的蝶形弹簧(2)的上表面与柱塞螺栓(1)接触。
9.根据权利要求5所述的基体螺纹式抗腐蚀柱塞，其特征在于：所述的柱塞基体(3)后端螺纹孔的后端孔壁上车有环形槽，环形槽中安装至少两组蝶形弹簧(2)，最上部的蝶形弹簧(2)的上表面与柱塞螺栓(1)接触。
10.根据权利要求1～4任一所述的基体螺纹式抗腐蚀柱塞，其特征在于：所述的防腐耐磨涂层(4)为镍基涂层。
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