深海石油钻采工具表面硬化材料研制探讨

张勇

（中石化江钻石油机械有限公司，湖北 武汉 430200）

近些年，我国深海工程不断加快开发的步伐，油气勘探也逐渐延伸到具有更为复杂物理环境与地质条件的区域，很多具有较高二氧化碳、硫化氢含量的区域是近些年油气勘探的重中之重，由此也增加了对深海所用强度较高材料的应用需求。当前，国内外钻井领域关于腐蚀的研究大多在硫化氢、二氧化碳防护和腐蚀等方面集中，防腐蚀方法包括控制钻井液、选材、电化学保护以及防腐层等，但是这些方法均存在不足与缺陷。因为受应力腐蚀破裂影响与威胁，深海探测必须选择高强度材料以满足深海工程需求，所以通常会应用钛合金。然而，钛合金应用成本较高，且资源有限，因此不可能对钛合金进行大量采用。

镍基球形铸造碳化钨复合涂层本身存在耐磨性、高强度等特性，再加上该涂层能够有效抵御硫化氢、铬等物质，所以镍基球形铸造碳化钨复合涂层可能是比较理想的减震器、稳定器、钻具以及震击器等石油钻采表面防护涂层。选择镍基球形铸造碳化钨硬面，能够使钻具耐磨耐蚀性能得到很大程度的提升，对深海石油钻采极具科技意义和经济价值。现阶段也有一系列技术性问题，具有优越性能的球形铸造碳化钨还没有实现规模化生产。基于此，本研究选择感应等离子体工艺对球形碳化钨粉进行了研制，混合镍合金粉后研制成球形镍基碳化钨粉，确保其能够有效应用于深海石油钻采工作中。

1 球形碳化钨粉的研制与特性

（1）研制球形碳化钨粉。选择感应等离子球化工艺，原料为45～150μm粒度的铸造碳化钨粉，以氢气与铬气为等离子气源，感应等离子体球化设备参数包括送粉功率、速率、流量氢气以及铬，其参数值为：功率可调范围50～60kW，送粉速率可调范围145～213g·min-1，铬气流量可调范围70～90L·min-1，,氢气流量可调范围L·min-1。

（2）球形碳化钨粉的特性。该研究对粒径分布检测的仪器为激光粒度分析仪，选择霍尔流速与松装比对粉体流动速度进行表征，控制粒度范围为45～425μm，表1为其具体性能指标。

表1 球形碳化钨粉性能指标

2 镍基球形碳化钨堆焊层的性能及制备

采用等离子体转移弧堆对耐磨耐蚀涂层进行制备，这一涂层的性能主要为耐酸、防锈、耐热以及抗磨损等。因为涂层内具有较高碳化钨含量，有助于机械零件耐蚀性与耐磨性的提升，所以在深海石油钻采中的应用前景极为广阔。

（1）镍基球形碳化钨粉的性能指标。融合采用感应等离子球化所研制的碳化钨粉和采用气雾化法所研制的球化镍合金粉，并将其研制为涂层，其成分主要为Ni(40%)、WC(60%)，图1为镍基球形碳化钨粉混合后微观形貌。

（2）制备镍基球形碳化钨堆焊层。本研究为检验采用感应等离子球化工艺所研制的碳化钨堆焊层所表现出的硬化作用，选择等离子转移弧堆焊工艺技术，在不锈钢薄板基底制备镍基球形碳化钨涂层，表2为堆焊工艺参数，图2为基底和堆焊层结合面形貌。

图1 镍基球形碳化钨粉混合后微观形貌

表2 堆焊工艺参数

图2 基底金属和堆焊层结合面形貌

（3）镍基球形碳化钨堆焊层硬度分析。自堆焊层熔合线至堆焊层表面区域内，堆焊层洛氏硬度会因为距离熔合线间距的拉长而随之下降，而且近熔合线区域具有较高硬度值，该情况和碳化物分解形成的沉淀具有直接相关性。通过测量发现，热影响区深度大约为3．57mm。

（4）镍基球形碳化钨堆焊层耐磨性分析。选择德国布鲁克公司所研发的综合摩擦磨损试验机测验堆焊涂层的摩擦磨损性能，该实验所选载荷为15kg，磨损时间是2h，完成摩擦磨损实验之后，选择ContourGT仪器观测磨损表面，以对涂层体积磨损率进行计算，所得数值为 0．4033×10-6mm3·N-1·m-1，具有非常低的体积磨损率，而且也具有较强的耐磨性能。所以，采用等离子转移弧堆焊所形成的镍基球形碳化钨堆焊层能够对材料基地进行有效保护，而且也具有明显的材料表面硬化作用。

3 表面硬化材料的实际应用

采用感应等离子体球化法所研制而成的球形碳化钨粉，能够和采用水雾化方式所制备的球化镍合金粉末相结合，并在两者混合之后形成镍基球形碳化钨粉，其中的碳化钨含量范围为50%～60%。这种镍基球形碳化钨粉的主要特点为硬度高、熔点高，其硬质相主要是球形碳化钨粉，粘结相主要是熔化状态下的镍，采用等离子转化弧堆焊等相关工艺研制形成表面涂层，能够在很大程度上提升机械零部件的表面硬度，使其耐磨性得到不断提升，从而使零部件使用寿命得到明显提升。这一产品替代进口粉能够在海洋装备领域得到有效应用，有助于提升海洋装备重要部位耐腐蚀性能。目前很多石油钻采企业先后选择等离子体转移弧堆焊工艺实现了钻采作业期间扶正器的表面硬化，中海石油对这一产品进行了试验，且使用效果优良。利用这一产品实现表面硬化，便于维护扶正器，而且能够延长其使用寿命，一方面使HF稳定器应用范围得到不断拓展，另一方面又对我国钻井扶正器中的技术空白进行了填补，其使用价值非常高。

4 结语

总而言之，球形碳化钨粉属于高新材料，在超硬耐磨耐蚀涂层中能够得到有效应用，因为球形碳化钨粉制备技术使用性能优越，而且极具独特性，所以目前已经备受国内外石油钻采市场的高度关注。而且球形碳化钨粉具有较高熔点与较高硬度，其硬质相为球形碳化钨粉颗粒，其粘结相为熔化状态下的镍，可使机械零件耐蚀性与耐磨性得到很大程度的提升，使零部件使用寿命得到延长，在海洋装备、深海石油钻采、工程机械、地质遗迹矿山等领域中的应用前景广阔。

[3]周云,易强,王莉萍等．深海石油钻采隔水管浮力材料的制备及其强度分析[J]．重庆大学学报:自然科学版,2017,(7):19-24．