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柱塞抽油泵和泵筒材料的选择

    :目前国内油田使用有杆泵的井数以占很大比例,其中大部分是柱塞式抽油泵,常规柱塞抽油泵已成为主要的采油方式之一。

    由于国内油田大部分已进入了高含水开发期,加上高含砂、高温蒸气稠油开采、注聚合物开采及强的介质环境和井况差等因素影响,柱塞抽油泵的泵筒和柱塞的磨损、腐蚀、划伤越来越严重,油井平均检泵周期越来越短,有的甚至不到30天就需要检泵,严重影响油田开发综合效益的提高。国内外众多机构投入了大量的力量研究抽油泵的失效原因和防护措施。其中一个有效的方法就是优选泵筒和柱塞的材料和工艺。

    泵筒和柱塞摩擦副及周围工作环境和条件构成了一个摩擦学系统,这一系统的腐蚀磨损量由泵筒的腐蚀磨损量和柱塞的腐蚀磨损量的总和所决定。而泵筒和柱塞各自的腐蚀磨损量则由构成材料的物理机械化学性能、相互运动关系、工作环境和条件等因素决定。最终从抽油泵角度上看,泵筒和柱塞的材料和表面处理工艺的选择成为决定这个摩擦学系统腐蚀磨损量的决定因素。

    选择并优化泵筒和柱塞材料和表面处理工艺的目的是让这个摩擦学系统的腐蚀磨损量达到最小。由于影响因素众多,所以泵筒和柱塞的材料选择匹配仍然没有一个理论指导,研发人员目前做的最多的工作是选择各种泵筒和柱塞的材料和表面处理工艺,然后在一定的腐蚀磨损条件下进行室内摩擦磨损试验,从试验的结果来确定在这种试验条件下,应该选择什么样的泵筒柱塞材料。这里介绍两种试验结果:  

    第一种结果:泵筒材料及表面处理工艺为45钢表面磷合金、303钢表面镀铬、4%-6%铬钢加压氮化等3种;柱塞材料及表而处理工艺为碳钢镀铬、碳钢激光处理、海军黄铜镍磷合金、蒙耐尔合金镀铬等4种。将上述材料分别配对进行耐磨性试验,试验用的摩擦副由环和块组成。介质为清水,温度60℃,黏度为0.000653Pa/s。试验机为MG-200型高速高温摩擦磨损试验机。所加载荷1kN,试件总摩擦行程为20km。通过对不同泵筒和柱塞的材料及表面处理工艺的配对耐磨性试验研究,并按柱塞先失效原则排序,可供选用泵筒和柱塞摩擦副最优匹配材料分别为碳钢化学磷合金和碳钢镀铬。

    第二种结果:泵筒材料及表面处理工艺为碳钢表面镀铬、碳钢表面化学镀镍磷合金和38CrMoAl氮化;柱塞材料及表面处理工艺为碳钢表面镀铬、碳钢表面化学镀镍磷合金、碳钢表面喷焊镍基合金和38CrMoAl氮化,分别组合配对成9对摩擦副。试验摩擦副由环和柱构成。试验介质为含油污水,其中含油5%;水中的矿物质含量:氯离子11000mg/1,二碳25mg/1,钙离子25mg/1,碳酸氢根离子30mg/1,镁离子13mg/1,总铁8mg/1;含砂0.4%;温度为60℃。同样采用国产MG-200高速高温摩擦磨损试验机。试验载荷100N,摩擦总行程约为6km。综合分析试验结果,认为碳钢喷焊柱塞与碳钢镀铬泵筒配对为最优,38CrMoAI氮化柱塞与碳钢镀铬泵筒配对次之。

    上述可见,实验室的试验结果是在设定的条件下得出的。如果变化不同的试验条件,则工作量巨大,即使变化不同的条件,也不一定和油田现场井下条件一致,所以实验结果是有局限性的。由于试验条件和摩擦副的形状不同,各个试验结果之间也没有可比性。