深海石油鉆采工具表面硬化材料研制探討

張勇

（中石化江鉆石油機械有限公司，湖北 武漢 430200）

近些年，我國深海工程不斷加快開發的步伐，油氣勘探也逐漸延伸到具有更為復雜物理環境與地質條件的區域，很多具有較高二氧化碳、硫化氫含量的區域是近些年油氣勘探的重中之重，由此也增加了對深海所用強度較高材料的應用需求。當前，國內外鉆井領域關于腐蝕的研究大多在硫化氫、二氧化碳防護和腐蝕等方面集中，防腐蝕方法包括控制鉆井液、選材、電化學保護以及防腐層等，但是這些方法均存在不足與缺陷。因為受應力腐蝕破裂影響與威脅，深海探測必須選擇高強度材料以滿足深海工程需求，所以通常會應用鈦合金。然而，鈦合金應用成本較高，且資源有限，因此不可能對鈦合金進行大量采用。

鎳基球形鑄造碳化鎢復合涂層本身存在耐磨性、高強度等特性，再加上該涂層能夠有效抵御硫化氫、鉻等物質，所以鎳基球形鑄造碳化鎢復合涂層可能是比較理想的減震器、穩定器、鉆具以及震擊器等石油鉆采表面防護涂層。選擇鎳基球形鑄造碳化鎢硬面，能夠使鉆具耐磨耐蝕性能得到很大程度的提升，對深海石油鉆采極具科技意義和經濟價值。現階段也有一系列技術性問題，具有優越性能的球形鑄造碳化鎢還沒有實現規模化生產。基于此，本研究選擇感應等離子體工藝對球形碳化鎢粉進行了研制，混合鎳合金粉后研制成球形鎳基碳化鎢粉，確保其能夠有效應用于深海石油鉆采工作中。

1 球形碳化鎢粉的研制與特性

（1）研制球形碳化鎢粉。選擇感應等離子球化工藝，原料為45～150μm粒度的鑄造碳化鎢粉，以氫氣與鉻氣為等離子氣源，感應等離子體球化設備參數包括送粉功率、速率、流量氫氣以及鉻，其參數值為：功率可調范圍50～60kW，送粉速率可調范圍145～213g·min-1，鉻氣流量可調范圍70～90L·min-1，,氫氣流量可調范圍L·min-1。

（2）球形碳化鎢粉的特性。該研究對粒徑分布檢測的儀器為激光粒度分析儀，選擇霍爾流速與松裝比對粉體流動速度進行表征，控制粒度范圍為45～425μm，表1為其具體性能指標。

表1 球形碳化鎢粉性能指標

2 鎳基球形碳化鎢堆焊層的性能及制備

采用等離子體轉移弧堆對耐磨耐蝕涂層進行制備，這一涂層的性能主要為耐酸、防銹、耐熱以及抗磨損等。因為涂層內具有較高碳化鎢含量，有助于機械零件耐蝕性與耐磨性的提升，所以在深海石油鉆采中的應用前景極為廣闊。

（1）鎳基球形碳化鎢粉的性能指標。融合采用感應等離子球化所研制的碳化鎢粉和采用氣霧化法所研制的球化鎳合金粉，并將其研制為涂層，其成分主要為Ni(40%)、WC(60%)，圖1為鎳基球形碳化鎢粉混合后微觀形貌。

（2）制備鎳基球形碳化鎢堆焊層。本研究為檢驗采用感應等離子球化工藝所研制的碳化鎢堆焊層所表現出的硬化作用，選擇等離子轉移弧堆焊工藝技術，在不銹鋼薄板基底制備鎳基球形碳化鎢涂層，表2為堆焊工藝參數，圖2為基底和堆焊層結合面形貌。

圖1 鎳基球形碳化鎢粉混合后微觀形貌

表2 堆焊工藝參數

圖2 基底金屬和堆焊層結合面形貌

（3）鎳基球形碳化鎢堆焊層硬度分析。自堆焊層熔合線至堆焊層表面區域內，堆焊層洛氏硬度會因為距離熔合線間距的拉長而隨之下降，而且近熔合線區域具有較高硬度值，該情況和碳化物分解形成的沉淀具有直接相關性。通過測量發現，熱影響區深度大約為3．57mm。

（4）鎳基球形碳化鎢堆焊層耐磨性分析。選擇德國布魯克公司所研發的綜合摩擦磨損試驗機測驗堆焊涂層的摩擦磨損性能，該實驗所選載荷為15kg，磨損時間是2h，完成摩擦磨損實驗之后，選擇ContourGT儀器觀測磨損表面，以對涂層體積磨損率進行計算，所得數值為 0．4033×10-6mm3·N-1·m-1，具有非常低的體積磨損率，而且也具有較強的耐磨性能。所以，采用等離子轉移弧堆焊所形成的鎳基球形碳化鎢堆焊層能夠對材料基地進行有效保護，而且也具有明顯的材料表面硬化作用。

3 表面硬化材料的實際應用

采用感應等離子體球化法所研制而成的球形碳化鎢粉，能夠和采用水霧化方式所制備的球化鎳合金粉末相結合，并在兩者混合之后形成鎳基球形碳化鎢粉，其中的碳化鎢含量范圍為50%～60%。這種鎳基球形碳化鎢粉的主要特點為硬度高、熔點高，其硬質相主要是球形碳化鎢粉，粘結相主要是熔化狀態下的鎳，采用等離子轉化弧堆焊等相關工藝研制形成表面涂層，能夠在很大程度上提升機械零部件的表面硬度，使其耐磨性得到不斷提升，從而使零部件使用壽命得到明顯提升。這一產品替代進口粉能夠在海洋裝備領域得到有效應用，有助于提升海洋裝備重要部位耐腐蝕性能。目前很多石油鉆采企業先后選擇等離子體轉移弧堆焊工藝實現了鉆采作業期間扶正器的表面硬化，中海石油對這一產品進行了試驗，且使用效果優良。利用這一產品實現表面硬化，便于維護扶正器，而且能夠延長其使用壽命，一方面使HF穩定器應用范圍得到不斷拓展，另一方面又對我國鉆井扶正器中的技術空白進行了填補，其使用價值非常高。

4 結語

總而言之，球形碳化鎢粉屬于高新材料，在超硬耐磨耐蝕涂層中能夠得到有效應用，因為球形碳化鎢粉制備技術使用性能優越，而且極具獨特性，所以目前已經備受國內外石油鉆采市場的高度關注。而且球形碳化鎢粉具有較高熔點與較高硬度，其硬質相為球形碳化鎢粉顆粒，其粘結相為熔化狀態下的鎳，可使機械零件耐蝕性與耐磨性得到很大程度的提升，使零部件使用壽命得到延長，在海洋裝備、深海石油鉆采、工程機械、地質遺跡礦山等領域中的應用前景廣闊。

[3]周云,易強,王莉萍等．深海石油鉆采隔水管浮力材料的制備及其強度分析[J]．重慶大學學報:自然科學版,2017,(7):19-24．