本發(fā)明涉及石油設(shè)備，更具體涉及一種抽油光桿。

背景技術(shù)：

抽油光桿是油田人工舉升采油最關(guān)鍵的部件之一，其性能的好壞直接關(guān)系著油井能否正常生產(chǎn)。一旦發(fā)生光桿斷裂問題，將會(huì)導(dǎo)致油井停產(chǎn)和進(jìn)行修井作業(yè)，由此帶來的維修和停井經(jīng)濟(jì)損失巨大。

目前油田主要采用硬度較高的鎳基合金涂層抽油光桿來解決其在采油過程中的磨損和腐蝕問題，并且已經(jīng)在api11b和sy/t5029標(biāo)準(zhǔn)中形成了相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。但是，疲勞斷裂依舊是困擾鎳基合金涂層抽油光桿失效的主要問題，特別是光桿卡子下方10公分范圍內(nèi)及其附近彎曲應(yīng)力集中區(qū)域成為疲勞斷裂的高發(fā)位置。一方面，由于合金涂層抽油光桿與光桿基體之間采用冶金結(jié)合，而涂層和基體之間存在材料上的差異導(dǎo)致在受力條件下變形不協(xié)調(diào)，從而引起疲勞斷裂；另一方面，合金涂層硬度相對較高，在彎曲等變形條件下易于出現(xiàn)裂紋，而由于涂層與基體之間的冶金結(jié)合，一旦裂紋擴(kuò)展進(jìn)入光桿基材表層后就會(huì)快速在基體內(nèi)部擴(kuò)展，從而導(dǎo)致疲勞斷裂的發(fā)生。近年來，雖然為了改善合金涂層抽油光桿的韌性和耐疲勞性能，開展了包括添加涂層增韌組分、采用梯度涂層工藝以及高疲勞性能光桿基材等方面的很多研究，使得鎳基合金涂層抽油光桿的壽命得到不同程度的提高，但是對于鎳基合金涂層抽油光桿在服役過程中不同受力條件和工作環(huán)境下疲勞斷裂突然發(fā)生的有效預(yù)測還沒有有效的辦法，而光桿斷裂的突然發(fā)生往往意味著油井的停產(chǎn)和高昂的的修井作業(yè)費(fèi)用，由此帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失和管理難度。因此對于油田開采來說，急需開發(fā)一種行之有效的具有預(yù)警斷裂發(fā)生功能的合金涂層抽油光桿。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種具有預(yù)警斷裂發(fā)生功能的鎳基合金涂層抽油光桿。

按照本發(fā)明提供的一種可預(yù)警斷裂發(fā)生的合金涂層抽油光桿，其采用的主要技術(shù)方案為：包括基材和位于所述基材表面的鎳基合金涂層，所述基材為一長直圓桿，所述基材由實(shí)心棒材段、管材段和固定端頭組成，所述管材段位于所述實(shí)心棒材段和所述固定端頭之間，所述實(shí)心棒材段的一端為鐓粗端，所述鐓粗端的端頭上有可與抽油桿接箍連接的外螺紋，所述管材段為長1-3米的鋼質(zhì)管材，所述管材段的內(nèi)孔空間中裝滿含有色素的液體，所述實(shí)心棒材段和所述管材段之間有長10-50毫米的焊縫，所述管材段和所述固定端頭之間采用螺紋的方式連接在一起。

本發(fā)明提供的可預(yù)警斷裂發(fā)生的合金涂層抽油光桿，還采用如下附屬技術(shù)方案：

所述固定端頭由基座、前置頭和密封頭組成，所述基座和所述前置頭的內(nèi)部有通孔，所述通孔可與所述管材段相通，所述通孔的直徑為1-3毫米，所述前置頭外圓表面有可與所述管材段內(nèi)孔相連接的外螺紋，所述密封頭可開啟和閉合。

所述管材段的一端內(nèi)孔有可與所述固定端頭前置頭相連接的內(nèi)螺紋，所述管材段其余無內(nèi)螺紋的內(nèi)表面分布有沿著所述管材段橫截面直徑方向的微孔。

所述微孔底部距離所述管材段外圓表面的徑向距離為0.5-3毫米，所述微孔的直徑為0.05-0.10毫米，所述微孔在所述管材段內(nèi)表面的橫截面上等距離分布，所述微孔在所述管材段內(nèi)表面的同一橫截面上的數(shù)量至少為3個(gè)。

所述管材段的內(nèi)孔空間中的含有色素的所述液體為耐低溫的低粘度液體，所述液體中含有熒光粉。

所述液體中的色素顏色為亮紅色，所述熒光粉的粒度為50-200納米。

所述液體中的壓力為0.05-0.30mpa。

以質(zhì)量百分比計(jì)，所述鎳基合金涂層所用粉末的成分組成為：c：0%～0.80%，si：2.0%～4.0%，b：1.5%～4.5%，cr：5.0%～15.0%，fe≤5.0%，余量為鎳。

按照本發(fā)明提供的加工上述可預(yù)警斷裂發(fā)生的合金涂層抽油光桿的工藝，主要包括以下步驟：

（1）采用機(jī)加工或激光工藝在所述管材段內(nèi)表面按要求加工微孔，并在所述管材段的一端加工內(nèi)螺紋；

（2）采用慣性摩擦焊工藝將所述管材段和所述實(shí)心棒材段焊接在一起，并采用機(jī)加工手段將焊縫表面進(jìn)行打磨處理，使其與所述管材段和所述實(shí)心棒材段的外徑保持一致,將焊接在一起的所述管材段和所述實(shí)心棒材段的外表面的油污洗凈吹干后，進(jìn)行除銹和粗化處理；

（3）采用噴焊的方式在光桿基材表面制備鎳基合金涂層：首先將鎳基合金粉末噴涂在經(jīng)過100-200℃預(yù)熱處理的光桿基材表面，然后采用高溫加熱的方式實(shí)現(xiàn)噴涂鎳基合金粉末的重熔；也可以采用預(yù)粘結(jié)-重熔的方式實(shí)現(xiàn)鎳基合金涂層的制備：將鎳基合金粉末與有機(jī)粘結(jié)劑混合均勻，采用機(jī)械手段將含有粘結(jié)劑的鎳基合金粉末按相應(yīng)厚度要求涂覆在凈化和粗化處理后的所述實(shí)心棒材段和所述管材段外表面，然后采用感應(yīng)加熱的方式進(jìn)行鎳基合金粉末的重熔處理，使合金粉末的外表面溫度達(dá)到950-1100℃，當(dāng)其表面出現(xiàn)光亮的鏡面時(shí)重熔結(jié)束，重熔的整個(gè)過程中所述光桿繞其軸心自旋轉(zhuǎn)，直到涂層外表面溫度降至300℃以下；

（4）將上一步完成重熔處理的抽油光桿表面涂層進(jìn)行拋光處理；

（5）將所述含有色素的液體填充到所述管材段的內(nèi)孔中直到充滿,將所述固定端頭通過前置頭外螺紋與所述管材段內(nèi)螺紋連接在一起，打開所述固定端頭的密封頭，采用液壓泵施加壓力使得所述液體中的壓強(qiáng)達(dá)到0.05-0.30mpa后關(guān)閉所述固定端頭的密封頭；

（6）獲得本發(fā)明所述的可預(yù)警斷裂發(fā)生的合金涂層抽油光桿。

按照本發(fā)明提供的一種可預(yù)警斷裂發(fā)生的合金涂層抽油光桿及其加工工藝，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明的合金涂層抽油光桿自身具有預(yù)警斷裂發(fā)生的功能，通過含有色素和熒光粉的液體在鎳基合金涂層表面直接顯示裂紋形貌的形式來體現(xiàn)裂紋出現(xiàn)的位置和深度，實(shí)現(xiàn)對斷裂發(fā)生的直接預(yù)警，為抽油光桿的使用和更換提供參考。

2、本發(fā)明的合金涂層抽油光桿可以及時(shí)反映進(jìn)入光桿基體表層的疲勞裂紋的出現(xiàn)情況，為斷裂發(fā)生提前發(fā)出預(yù)警。由于鎳基合金涂層抽油光桿涂層和基體之間為冶金結(jié)合，疲勞裂紋一旦擴(kuò)展進(jìn)入基材之后就會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生斷裂，因此如何快速準(zhǔn)確預(yù)測進(jìn)入基體表層的疲勞裂紋是其關(guān)鍵所在。本發(fā)明中的光桿基材采用“固定端頭-管材段-實(shí)心棒材段”的三段式結(jié)構(gòu)是一種非常適合于鎳基合金涂層抽油光桿的設(shè)計(jì)思路。管材段的長度設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮了合金涂層抽油光桿在光桿卡子下方100mm區(qū)域斷裂高發(fā)的實(shí)際情況。當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)入光桿基材表層，一旦與管材段中的微孔底部連通時(shí)就會(huì)在管材段液體預(yù)壓力的作用下將含有熒光粉的亮紅色液體迅速擠壓到裂紋當(dāng)中，并沿著裂紋通道出現(xiàn)在鎳基合金涂層抽油光桿的涂層外表面，而顏色鮮艷的液體在涂層表面顯示出的裂紋形貌可以在較遠(yuǎn)的距離方便的觀察到，從而提前預(yù)警斷裂的發(fā)生，為油田采取補(bǔ)救措施提供相應(yīng)的時(shí)間。

3、本發(fā)明中管材段的微孔設(shè)計(jì)，確保了鎳基合金涂層抽油光桿疲勞斷裂預(yù)警功能的高效和可靠性。首先，微孔沿著所述基材橫截面直徑方向分布，在所述管材段內(nèi)表面的橫截面上等距離分布，所述微孔在所述管材段內(nèi)表面的同一橫截面上的數(shù)量至少為3個(gè)，可以實(shí)現(xiàn)高效發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋的隨機(jī)出現(xiàn)。由于疲勞裂紋在涂層內(nèi)部擴(kuò)展時(shí)還處于光桿疲勞斷裂的初期，而當(dāng)疲勞裂紋進(jìn)入光桿基材表層后疲勞裂紋的擴(kuò)展速度就會(huì)明顯加快，因此預(yù)測該階段非常重要。本發(fā)明中所述微孔沒有完全貫穿管材段的外壁，微孔底部距離所述管材段外圓表面的徑向距離為0.5-3毫米，這樣的設(shè)計(jì)很好地滿足了合金涂層抽油光桿的疲勞斷裂特性，可以及時(shí)準(zhǔn)確地檢測到進(jìn)入光桿基材表層的疲勞裂紋。

4、本發(fā)明中管材段內(nèi)的液體設(shè)計(jì)可以確保合金涂層抽油光桿疲勞斷裂預(yù)警發(fā)現(xiàn)的簡易和及時(shí)。液體采用鮮艷的亮紅色便于實(shí)現(xiàn)裂紋形貌的遠(yuǎn)距離觀察，液體中添加熒光粉可以實(shí)現(xiàn)夜間也可以輕松發(fā)現(xiàn)裂紋預(yù)警，熒光粉的粒度為50-200納米可以實(shí)現(xiàn)其在疲勞裂紋中的自由通過，結(jié)合液體的耐低溫和低粘度特性，可以確保在各種復(fù)雜服役環(huán)境中合金涂層抽油光桿疲勞斷裂預(yù)警功能的及時(shí)實(shí)現(xiàn)。

5、本發(fā)明中可預(yù)警斷裂發(fā)生的合金涂層抽油光桿的加工工藝具有很好的兼容性，可采用合金涂層噴涂-重熔和預(yù)粘結(jié)-重熔這兩種主要的制備工藝，對光桿基材沒有限制，便于使用推廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的光桿整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的光桿固定端頭結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的光桿管材段結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明的光桿管材段微孔結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

參見圖1，按照本發(fā)明提供的一種可預(yù)警斷裂發(fā)生的合金涂層抽油光桿實(shí)施例，包括基材1和位于所述基材1表面的鎳基合金涂層2，所述基材1為一長直圓桿，所述基材1由實(shí)心棒材段3、管材段4和固定端頭5組成，所述管材段4位于所述實(shí)心棒材段3和所述固定端頭5之間，所述實(shí)心棒材段3的一端為鐓粗端6，所述鐓粗端6的端頭上有可與抽油桿接箍連接的外螺紋7，所述管材段4為長1-3米的鋼質(zhì)管材，所述管材段4的內(nèi)孔空間中裝滿含有色素的液體8，所述實(shí)心棒材段3和所述管材段4之間有長10-50毫米的焊縫9，所述管材段4和所述固定端頭5之間采用螺紋的方式連接在一起。本發(fā)明中的光桿基材1采用“固定端頭5-管材段4-實(shí)心棒材段3”的三段式結(jié)構(gòu)非常適合于鎳基合金涂層抽油光桿發(fā)生斷裂前的預(yù)警，管材段1-3米的長度設(shè)計(jì)覆蓋了合金涂層抽油光桿在光桿卡子下方100mm區(qū)域斷裂高發(fā)的實(shí)際情況，并考慮了光桿卡子在不同油井工況條件下可能的位置變化。固定端頭5和管材段4的配合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了用于在合金涂層表面直接顯示裂紋的液體8的填充。通過含有色素和熒光粉的液體在鎳基合金涂層表面直接顯示裂紋形貌的形式來體現(xiàn)裂紋出現(xiàn)的位置和深度，實(shí)現(xiàn)對斷裂發(fā)生的直接預(yù)警，為抽油光桿的使用和更換提供參考。

參見圖2，根據(jù)本發(fā)明上述的實(shí)施例，所述固定端頭5由基座51、前置頭52和密封頭53組成，所述基座51和所述前置頭52的內(nèi)部有通孔54，所述通孔54可與所述管材段4相通，所述通孔54的直徑為1-3毫米，所述前置頭52外圓表面有可與所述管材段4內(nèi)孔相連接的外螺紋55，所述密封頭53可開啟和閉合。以上設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對管材段4內(nèi)孔中液體8的補(bǔ)充和預(yù)壓力的施加及后期維護(hù)。

參見圖3和圖4，根據(jù)本發(fā)明上述的實(shí)施例，所述管材段4的一端內(nèi)孔有可與所述固定端頭5前置頭52相連接的內(nèi)螺紋41，所述管材段其余無內(nèi)螺紋的內(nèi)表面分布有沿著所述管材段橫截面直徑方向的微孔42。所述微孔42底部距離所述管材段4外圓表面的徑向距離為0.5-3毫米，沒有完全貫穿管材段4的外壁，這樣的設(shè)計(jì)很好地滿足了合金涂層抽油光桿的疲勞斷裂特性，不只是反映合金涂層中裂紋的擴(kuò)展深度，更重要的是可以及時(shí)準(zhǔn)確地檢測到進(jìn)入光桿基材1表層中的疲勞裂紋，從而準(zhǔn)確發(fā)出疲勞斷裂預(yù)警。所述微孔42的直徑為0.05-0.10毫米，所述微孔42在所述管材段4橫截面內(nèi)表面等距離分布，所述微孔42在所述管材段4內(nèi)表面的同一橫截面上的數(shù)量至少為3個(gè)，所述微孔42在所述管材段4內(nèi)表面長度方向的數(shù)量可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定，從而可以實(shí)現(xiàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)隨機(jī)出現(xiàn)的疲勞裂紋。

參見圖1，根據(jù)本發(fā)明上述的實(shí)施例，所述管材段4的內(nèi)孔空間中的含有色素的所述液體8為耐低溫的低粘度液體，所述液體中含有熒光粉。液體中添加熒光粉可以實(shí)現(xiàn)在夜間輕松發(fā)現(xiàn)合金涂層表面的裂紋，結(jié)合液體8的耐低溫和低粘度特性，可以確保在各種復(fù)雜服役環(huán)境中合金涂層抽油光桿疲勞斷裂預(yù)警功能的及時(shí)實(shí)現(xiàn)。所述液體8中的色素顏色為亮紅色，采用這種鮮艷的亮紅色便于實(shí)現(xiàn)裂紋形貌的遠(yuǎn)距離觀察，所述熒光粉的粒度為50-200納米，可以實(shí)現(xiàn)其在疲勞裂紋中的自由通過。所述液體8中的壓力為0.05-0.30mpa。由于鎳基合金涂層抽油光桿涂層2和基體1之間為冶金結(jié)合，疲勞裂紋一旦擴(kuò)展進(jìn)入光桿基材1之后就會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生斷裂，因此如何快速準(zhǔn)確預(yù)測進(jìn)入基體表層的疲勞裂紋是其關(guān)鍵所在。當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)入光桿基材1表層，一旦與管材段4中的微孔42底部連通時(shí)就會(huì)在管材段液體預(yù)壓力的作用下將含有熒光粉的亮紅色液體8迅速擠壓到裂紋當(dāng)中，并沿著裂紋通道出現(xiàn)在鎳基合金涂層抽油光桿的涂層2外表面，而顏色鮮艷的液體在涂層表面顯示出的裂紋形貌可以在較遠(yuǎn)的距離方便的觀察到，從而提前預(yù)警斷裂的發(fā)生，為油田采取補(bǔ)救措施提供相應(yīng)的時(shí)間。

以質(zhì)量百分比計(jì)，所述鎳基合金涂層2所用粉末的成分組成為：c：0%～0.80%，si：2.0%～4.0%，b：1.5%～4.5%，cr：5.0%～15.0%，fe≤5.0%，余量為鎳。

按照本發(fā)明提供的加工上述可預(yù)警斷裂發(fā)生的合金涂層抽油光桿的工藝，主要包括以下步驟：

（1）采用機(jī)加工或激光工藝在所述管材段4內(nèi)表面按要求加工微孔42，并在所述管材段4的一端加工內(nèi)螺紋41；

（2）采用慣性摩擦焊工藝將所述管材段4和所述實(shí)心棒材段3焊接在一起，并采用機(jī)加工手段將焊縫9表面進(jìn)行打磨處理，使其與所述管材段4和所述實(shí)心棒材段3的外徑保持一致,將焊接在一起的所述管材段4和所述實(shí)心棒材段3的外表面的油污洗凈吹干后，進(jìn)行除銹和粗化處理；

（3）采用噴焊的方式在光桿基材1表面制備鎳基合金涂層2：首先將鎳基合金粉末噴涂在經(jīng)過100-200℃預(yù)熱處理的光桿基材1表面，然后采用高溫加熱的方式實(shí)現(xiàn)噴涂鎳基合金粉末的重熔；也可以采用預(yù)粘結(jié)-重熔的方式實(shí)現(xiàn)鎳基合金涂層2的制備：將鎳基合金粉末與有機(jī)粘結(jié)劑混合均勻，采用機(jī)械手段將含有粘結(jié)劑的鎳基合金粉末按相應(yīng)厚度要求涂覆在凈化和粗化處理后的所述實(shí)心棒材段3和所述管材段4外表面，然后采用感應(yīng)加熱的方式進(jìn)行鎳基合金粉末的重熔處理，使合金粉末的外表面溫度達(dá)到950-1100℃，當(dāng)其表面出現(xiàn)光亮的鏡面時(shí)重熔結(jié)束，重熔的整個(gè)過程中所述光桿繞其軸心自旋轉(zhuǎn)，直到涂層外表面溫度降至300℃以下，該加工工藝具有很好的兼容性，可采用噴涂-重熔和預(yù)粘結(jié)-重熔這兩種主要的合金涂層制備工藝，對光桿基材沒有限制，便于應(yīng)用推廣；

（4）將上一步完成重熔處理的抽油光桿表面涂層2進(jìn)行拋光處理；

（5）將所述含有色素的液體8填充到所述管材段4的內(nèi)孔中直到充滿,將所述固定端頭5通過前置頭外螺紋55與所述管材段內(nèi)螺紋41連接在一起，打開所述固定端頭的密封頭53，采用液壓泵施加壓力使得所述液體8中的壓強(qiáng)達(dá)到0.05-0.30mpa后關(guān)閉所述固定端頭的密封頭53，液體中預(yù)壓力的存在可以使所述液體8及時(shí)快速進(jìn)入裂紋通道，從而在合金涂層表面發(fā)出預(yù)警；

（6）獲得本發(fā)明所述的可預(yù)警斷裂發(fā)生的合金涂層抽油光桿。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行變化，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。