[01354356]表面工程技术制造石油钻井泵陶瓷缸套

（1）任务来源：河北省科学技术研究与发展指导计划，编号：06212117。（2）应用领域和技术原理。应用领域：主要应用于石油工业领域。技术原理：1）等离子喷涂就是利用高温、高速和高焓的焰流，来熔融金属陶瓷粉末而获得高质量复合涂层。其喷涂的基本原理为：当喷嘴（阳极）和钨极（阴极），在一定距离内调节高频火花引燃电极时，已进入喷枪孔道内的氮气或氩气发生电离，成为等离子体。引燃电弧后可切断高频电路，此时前枪体送粉管输入的粉状材料，被焰流迅速加热到熔融状态，并被高速喷打锚结在零件基体表面上。2）激光熔覆是一种表面改性技术。它通过在金属基体表面添加熔覆材料，经高能激光束辐照使熔覆材料与基体表面薄层一起熔凝，形成与基体冶金结合、具有硬度高、耐磨性好、抗腐蚀等特性的涂覆层。（3）性能指标（写明计划任务书或合同书要求的主要性能指标和实际达到的性能指标）：利用等离子喷涂、激光熔覆技术制造的缸套陶瓷覆层硬度均在HV1000以上，平均结合强度在44.5MPa以上，估算在模拟工况下陶瓷缸套的使用寿命为4000小时左右，现场使用寿命将超过2000小时，是双金属钻井泵缸套使用寿命的1.5～1.8倍以上。（4）与国内外同类技术比较：国内油田在用的钻井泵缸套主要是双金属缸套，它由低碳钢外套和高铬耐磨铸铁内套组成，离心铸造生产和热装结合形式，这种形式的缸套由于工艺影响因素多，所以产品寿命不稳定，平均每只成本为1000元左右，平均使用寿命为500～600小时，且对活塞的磨损严重，缸套与活塞比平均为1:4～5，工作时效较低，增加了钻井成本。我国只在海洋钻井中小批量使用陶瓷缸套。由于陶瓷缸套的性能优越，使用寿命大大提高，国内一些研究机构正在加紧研制。相对较为成熟的技术主要有3种类型，自蔓延陶瓷缸套、陶瓷镀膜缸套、陶瓷衬缸套。自蔓延陶瓷缸套陶瓷层容易产生孔隙，陶瓷镀膜缸套工艺控制比较难，产品质量不稳定，陶瓷衬缸套工艺复杂成本高。美国等发达国家在钻采行业的钻井泵缸套均采用陶瓷缸套，冷却静压成形，然后烧结，内外套镶装。 （5）成果的创造性、先进性：1）利用等离子喷涂技术、激光熔覆技术等表面工程技术制造钻井泵用陶瓷缸套，国内外相关报道较少，且处于实验室研究阶段。利用等离子喷涂、激光熔覆技术制造的缸套陶瓷覆层硬度均在HV1000以上，平均结合强度在44.5MPa以上，估算在模拟工况下陶瓷缸套的使用寿命为4000小时左右，现场使用寿命将超过2000小时，是双金属钻井泵缸套使用寿命的1.5～1.8倍以上。2）Y-TZP陶瓷材料中引入适量的莫来石可提高耐磨性。与Y-TZP相比，15MDZ复合陶瓷材料力学性能有所降低，但其耐磨性约提高了12%。3）详细研究了在模拟工况下影响缸套使用寿命的两个重要参量，磨粒和载荷对陶瓷材料磨损性能的影响。即尖锐磨粒对陶瓷材料磨损的影响要比球形磨粒严重的多，磨料硬度是影响陶瓷材料磨损率的重要因素，磨损率随磨粒硬度的提高而成倍增大。（6）作用意义（直接经济效益和社会意义）：目前我国石油工业有一千多支钻井队，平均每支钻井队每年消耗缸套约100～200个，这样全国钻井队每年仅缸套消耗就超过1亿多元；钻井泵维修工时约占总维修工时的1/2，其中更换缸套的时间约占总停工时间的12%～15%，相当于每支钻井队每年少钻井1500～2000米。因此，利用新工艺新材料研制新型性价比合理，具有高的使用寿命的缸套，既有巨大的经济效益，同时又能提高石油钻采效率的社会效益。