本發(fā)明屬于石油開(kāi)采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石油開(kāi)采用缸套及其制備方法。

背景技術(shù)：

石油鉆井泥漿泵的缸套為關(guān)鍵零部件，缸套的一端與泥漿泵液缸總成裝配在一起，通過(guò)動(dòng)力端的活塞桿連接著活塞在缸套內(nèi)部進(jìn)行高壓軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井泥漿的吸入與排出。傳統(tǒng)缸套主要由鑲裝在一起的缸內(nèi)套和缸外套組成，如圖1所示，缸內(nèi)套a和缸外套b的軸向長(zhǎng)度保持一致，在裝配狀態(tài)下，缸內(nèi)套a的兩端面與缸外套b的兩端面保持齊平。采用這種結(jié)構(gòu)的缸套，在安裝過(guò)程中缸套裝配端容易與配合件或其他硬性物體相接觸而導(dǎo)致缸內(nèi)套被磕碰，同時(shí)還存在因缸套內(nèi)外套熱鑲裝過(guò)盈量低或內(nèi)外套接觸面小而導(dǎo)致內(nèi)套脫套的危險(xiǎn)，對(duì)于設(shè)備的運(yùn)行效率及人員安全造成極大隱患。

近年來(lái)，在深井、硬巖層、海洋鉆探等復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆井，大力推廣的高泵壓和大排量條件下的噴射鉆井技術(shù)對(duì)鉆進(jìn)泵缸套的耐磨性、耐蝕性和抗疲勞特性提出了更高的要求，傳統(tǒng)缸套已經(jīng)不能滿足使用要求，缸套易發(fā)生早期失效，致使鉆井成本居高不下，耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞特性不足是主要原因，同時(shí)，缸套質(zhì)地不夠均勻，材料中存在空隙，也影響了其強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種石油開(kāi)采用缸套及其制備方法，從結(jié)構(gòu)、材質(zhì)以及制備工藝三個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)缸套進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)可保證內(nèi)外套不會(huì)脫套，材質(zhì)及制備工藝的改進(jìn)大大提升了缸套的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞特性，且生產(chǎn)出的缸套質(zhì)地均勻，強(qiáng)度高。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種石油開(kāi)采用缸套，包括外套和內(nèi)套；所述內(nèi)套鑲嵌在所述外套內(nèi)；所述內(nèi)套的兩端分別設(shè)有第一環(huán)套和第二環(huán)套,第一環(huán)套和第二環(huán)套與內(nèi)套為一體成型的整體式結(jié)構(gòu)；所述外套的兩端分別設(shè)有第一環(huán)槽和第二環(huán)槽,所述第一環(huán)套位于第一環(huán)槽內(nèi),所述第二環(huán)套位于第二環(huán)槽內(nèi)。

通過(guò)在內(nèi)套上設(shè)置第一環(huán)套和第二環(huán)套,外套上設(shè)置與第一環(huán)套和第二環(huán)套分別相匹配適應(yīng)的第一環(huán)槽和第二環(huán)槽,將內(nèi)套卡在外套內(nèi)，完全避免了傳統(tǒng)缸套脫套的風(fēng)險(xiǎn)，確保運(yùn)行效率和工作人員的安全。

優(yōu)選地，所述外套采用35crmo鋼材質(zhì)。35crmo鋼具有很高的靜力強(qiáng)度、沖擊韌性及較高的疲勞極限，高溫下有高的蠕變強(qiáng)度與持久強(qiáng)度，用做外套材質(zhì)可提升缸套整體的耐沖擊韌性、耐疲勞性和高溫下的蠕變強(qiáng)度與持久強(qiáng)度。

優(yōu)選地，所述內(nèi)套管壁厚為4mm-8mm。目的是保證足夠的支撐強(qiáng)度。

優(yōu)選地，所述內(nèi)套為高鉻鑄鐵材質(zhì)，按重量百分比內(nèi)套的化學(xué)成分為：c：1.5％～1.8％，si≤0.4％，mn：0.25％～0.35％，mo：0～3.5％，cr：15％～25％，v：1.9％-3.9％，al：0.9％～1.4％，ni：0.1％5～0.25％，re：0.2％～0.3％，p≤0.05％、s≤0.05％，余量為fe。

通過(guò)合理設(shè)計(jì)高鉻鑄鐵材質(zhì)各成分的配比，極大地提升了內(nèi)套的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞特性。其中，硅成分和鋁成分作為變質(zhì)劑，通過(guò)細(xì)化鋁硅合金中的粗晶硅，將粗晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)纖維狀，消除在這些微粒周圍形成的應(yīng)力點(diǎn)，并使硅分散于鋁中，從而改善鑄件的機(jī)械性能，大大增強(qiáng)鑄件產(chǎn)品的強(qiáng)度，提高機(jī)械性能，改善合金的組織，增強(qiáng)組織的均勻性，提高內(nèi)套的耐磨性。

優(yōu)選地，所述內(nèi)套采用陶瓷材料，該陶瓷材料按以下重量份數(shù)的原料組成：氮化硅80-90份、碳化硅7-10份、氧化鎂3-7份、氧化鋁2-6份、三氧化二鐵2-6份以及氟化鎂1-4份。

通過(guò)合理設(shè)計(jì)陶瓷材質(zhì)各成分的配比，與傳統(tǒng)缸套相比，極大地提升了內(nèi)套20的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞特性。

優(yōu)選地，所述氮化硅中的α相氮化硅占氮化硅總質(zhì)量的92％以上。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種石油開(kāi)采用缸套的制備方法,包括以下步驟：

(1)制備內(nèi)套；

(2)以制備的內(nèi)套為模芯，配合相應(yīng)的外模構(gòu)成外套模具，將冶煉好的35crmo鋼水澆鑄到外套模具中，澆鑄溫度為1560℃-1580℃，在壓力為0.3mpa-0.5mpa下對(duì)鋼水吹氬氣5分鐘-8分鐘，待冷卻后即在內(nèi)套外形成外套，獲得半成品缸套；

(3)退火：將所述半成品缸套以220℃/h-250℃/h的速率加熱至830℃-850℃，并保溫2h-3h，再以60℃/h-80℃/h的速率緩慢冷卻至500℃，最后出爐油冷至常溫；嚴(yán)格控制退火參數(shù)，目的是消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向，細(xì)化晶粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷；

(4)滲碳：將退火后的半成品缸套和固體滲碳劑放入密閉的滲碳箱中，將滲碳箱放入加熱爐中加熱至950攝氏度至990攝氏度，并保溫1h-2h，然后出爐油冷至常溫；滲碳在不均勻奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行，其滲層表面碳濃度可高達(dá)3％～4％，以獲得細(xì)小顆粒碳化物均勻、彌散分布的高濃度滲碳層，由于高濃度滲碳層含有很高數(shù)量的彌散分布的碳化物，故顯示出比普通滲碳更優(yōu)異的耐磨性、耐蝕性，更高的接觸與疲勞強(qiáng)度，較高的沖擊韌度、較低的脆性及較好的回火穩(wěn)定性；

(5)淬火并低溫回火處理：將滲碳后的半成品缸套進(jìn)行兩次淬火處理，每次淬火處理后均進(jìn)行3次低溫回火處理，得到成品缸套。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中制備內(nèi)套包括以下過(guò)程：

a1、配料冶煉：按內(nèi)套采用高鉻鑄鐵材質(zhì)時(shí)的所述配方進(jìn)行配料，將配料在電弧爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度為1670℃-1720℃；

a2、澆注：將冶煉獲得的高鉻鐵水澆注在內(nèi)套模具中，獲得半成品內(nèi)套，澆注溫度為1370℃-1400℃；

a3、熱處理：將所述半成品內(nèi)套進(jìn)行退火處理，退火溫度680℃-800℃度，退火時(shí)保溫時(shí)間為40h-50h，保溫結(jié)速后隨爐冷卻，然后進(jìn)行正火回火處理，正火溫850℃-980℃，并用油冷的方式冷卻到410℃-480℃后再次進(jìn)行回火處理，回火溫度610℃-650℃，每次回火保溫時(shí)間控制在15h～24h，完成后爐冷到室溫,獲得成品內(nèi)套。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中制備內(nèi)套包括以下過(guò)程：

b1、球磨：按照內(nèi)套采用陶瓷材料時(shí)的配方進(jìn)行配料，將配料置于球磨機(jī)中球磨，球磨時(shí)加入水、粘結(jié)劑和分散劑，得到漿料；

b2、造粒：將步驟b1得到的漿料進(jìn)行噴霧干燥造粒，得到造粒粉；所得造粒粉過(guò)篩除鐵后，加濕、陳腐，待用；

b3、成型：取步驟b2中陳腐待用的造粒粉裝入內(nèi)套模具中，采用冷等靜壓成型工藝，得到內(nèi)套生坯；

b4、燒成：將步驟b3所得內(nèi)套生坯裝入窯中燒成，燒成溫度為1710℃-1750℃，出窯即得成品內(nèi)套。

優(yōu)選地，步驟(4)中所述固體滲碳劑包括質(zhì)量比為10:1:1的木炭粒、碳酸鋇和碳酸鈉，且3mm-6mm粒徑的木炭粒占總木炭粒重量的80％，1mm-3mm粒徑的木炭粒占總木炭粒重量的20％。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)從結(jié)構(gòu)、材質(zhì)以及制備工藝三個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)缸套進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)可保證內(nèi)外套不會(huì)脫套，材質(zhì)及制備工藝的改進(jìn)大大提升了缸套的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞特性，且生產(chǎn)出的缸套質(zhì)地均勻，強(qiáng)度高；

(2)通過(guò)在內(nèi)套上設(shè)置第一環(huán)套和第二環(huán)套,外套上設(shè)置與第一環(huán)套和第二環(huán)套分別相匹配適應(yīng)的第一環(huán)槽和第二環(huán)槽,將內(nèi)套卡在外套內(nèi)，完全避免了傳統(tǒng)缸套脫套的風(fēng)險(xiǎn)，確保運(yùn)行效率和工作人員的安全；

(3)在內(nèi)套的使用材質(zhì)上做了進(jìn)一步改進(jìn)，內(nèi)套采用高鉻鑄鐵材質(zhì)或是陶瓷材質(zhì)，并給出了其具體配方，這兩種配方的高鉻鑄鐵材質(zhì)內(nèi)套和陶瓷材質(zhì)內(nèi)套在耐腐蝕性、耐磨性和抗疲勞特性等方面均有極大地提升；

(4)設(shè)計(jì)了與缸套結(jié)構(gòu)和材質(zhì)相適應(yīng)的制備方法，生產(chǎn)出的缸套質(zhì)地均勻，強(qiáng)度高。

附圖說(shuō)明

圖1是傳統(tǒng)缸套的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是實(shí)施例所述石油開(kāi)采用缸套的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是外模的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是內(nèi)套模具的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖標(biāo)記說(shuō)明：

10外套，20內(nèi)套，21第一環(huán)套，22第二環(huán)套，30外模，40內(nèi)套模具。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例：

如圖2-4所示，一種石油開(kāi)采用缸套，包括外套10和內(nèi)套20；所述內(nèi)套20鑲嵌在所述外套10內(nèi)；所述內(nèi)套20的兩端分別設(shè)有第一環(huán)套21和第二環(huán)套22,第一環(huán)套21和第二環(huán)套22與內(nèi)套20為一體成型的整體式結(jié)構(gòu)；所述外套10的兩端分別設(shè)有第一環(huán)槽和第二環(huán)槽,所述第一環(huán)套21位于第一環(huán)槽內(nèi),所述第二環(huán)套22位于第二環(huán)槽內(nèi)。

通過(guò)在內(nèi)套20上設(shè)置第一環(huán)套21和第二環(huán)套22,外套10上設(shè)置與第一環(huán)套21和第二環(huán)套22分別相匹配適應(yīng)的第一環(huán)槽和第二環(huán)槽,將內(nèi)套21卡在外套10內(nèi)，完全避免了傳統(tǒng)缸套脫套的風(fēng)險(xiǎn)，確保運(yùn)行效率和工作人員的安全。

在另一個(gè)實(shí)施例中，所述外套10采用35crmo鋼材質(zhì)。

在另一個(gè)實(shí)施例中，所述內(nèi)套20管壁厚為4mm，也可為6mm或是8mm。

在另一個(gè)實(shí)施例中，所述內(nèi)套20為高鉻鑄鐵材質(zhì)，按重量百分比內(nèi)套20的化學(xué)成分為：c：1.5％～1.8％，si≤0.4％，mn：0.25％～0.35％，mo：0～3.5％，cr：15％～25％，v：1.9％-3.9％，al：0.9％～1.4％，ni：0.1％5～0.25％，re：0.2％～0.3％，p≤0.05％、s≤0.05％，余量為fe。

通過(guò)合理設(shè)計(jì)高鉻鑄鐵材質(zhì)各成分的配比，極大地提升了內(nèi)套20的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞特性。

在另一個(gè)實(shí)施例中，所述內(nèi)套20采用陶瓷材料，該陶瓷材料按以下重量份數(shù)的原料組成：氮化硅80-90份、碳化硅7-10份、氧化鎂3-7份、氧化鋁2-6份、三氧化二鐵2-6份以及氟化鎂1-4份。

通過(guò)合理設(shè)計(jì)陶瓷材質(zhì)各成分的配比，極大地提升了內(nèi)套20的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞特性。

在另一個(gè)實(shí)施例中，所述氮化硅中的α相氮化硅占氮化硅總質(zhì)量的92％以上。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種石油開(kāi)采用缸套的制備方法,包括以下步驟：

(1)制備內(nèi)套20；

(2)以制備的內(nèi)套20為模芯，配合相應(yīng)的外模30構(gòu)成外套模具，將冶煉好的35crmo鋼水澆鑄到外套模具中，澆鑄溫度為1560℃-1580℃，在壓力為0.3mpa-0.5mpa下對(duì)鋼水吹氬氣5分鐘-8分鐘，且澆注時(shí)外套模具進(jìn)行小振幅快頻率的振動(dòng)，振幅控制在0-5mm，振動(dòng)頻率控制在1次每秒至4次每秒，待冷卻后即在內(nèi)套外形成外套，獲得半成品缸套；

(3)退火：將所述半成品缸套以220℃/h-250℃/h的速率加熱至830℃-850℃，并保溫2h-3h，再以60℃/h-80℃/h的速率緩慢冷卻至500℃，最后出爐油冷至常溫；

(4)滲碳：將退火后的半成品缸套和固體滲碳劑放入密閉的滲碳箱中，將滲碳箱放入加熱爐中加熱至950攝氏度至990攝氏度，并保溫1h-2h，然后出爐油冷至常溫；

(5)淬火并低溫回火處理：將滲碳后的半成品缸套進(jìn)行兩次淬火處理，每次淬火處理后均進(jìn)行3次低溫回火處理，得到成品缸套。

在另一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟(1)中制備內(nèi)套20包括以下過(guò)程：

a1、配料冶煉：按內(nèi)套20采用高鉻鑄鐵材質(zhì)時(shí)的所述配方進(jìn)行配料，將配料在電弧爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度為1670℃-1720℃；

a2、振動(dòng)澆注：將冶煉獲得的高鉻鐵水澆注在內(nèi)套模具40中，獲得半成品內(nèi)套，澆注溫度為1370℃-1400℃，澆注時(shí)控制內(nèi)套模具40進(jìn)行小振幅快頻率的振動(dòng)，振幅控制在0-5mm，振動(dòng)頻率控制在2次每秒至6次每秒；

a3、熱處理：將所述半成品內(nèi)套進(jìn)行退火處理，退火溫度68℃-800℃，退火時(shí)保溫時(shí)間為40h-50h，保溫結(jié)速后隨爐冷卻，然后進(jìn)行正火回火處理，正火溫850℃-980℃，并用油冷的方式冷卻到410℃-480℃后再次進(jìn)行回火處理，回火溫度610℃-650℃，每次回火保溫時(shí)間控制在15h～24小時(shí)，完成后爐冷到室溫,獲得成品內(nèi)套。

在另一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟(1)中制備內(nèi)套20包括以下過(guò)程：

b1、球磨：按照內(nèi)套20采用陶瓷材料時(shí)的配方進(jìn)行配料，將配料置于球磨機(jī)中球磨，球磨時(shí)加入水、粘結(jié)劑和分散劑，得到漿料；

b2、造粒：將步驟b1得到的漿料進(jìn)行噴霧干燥造粒，得到造粒粉；所得造粒粉過(guò)篩除鐵后，加濕、陳腐，待用；

b3、成型：取步驟b2中陳腐待用的造粒粉裝入內(nèi)套模具40中，采用冷等靜壓成型工藝，得到內(nèi)套生坯；

b4、燒成：將步驟b3所得內(nèi)套生坯裝入窯中燒成，燒成溫度為1710℃-1750℃，出窯即得成品內(nèi)套。

在另一個(gè)實(shí)施例中，步驟(4)中所述固體滲碳劑包括質(zhì)量比為10:1:1的木炭粒、碳酸鋇和碳酸鈉，且3mm-6mm粒徑的木炭粒占總木炭粒重量的80％，1mm-3mm粒徑的木炭粒占總木炭粒重量的20％。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的具體實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。