柱塞抽油泵和泵筒材料如何選擇

截至2005年4月，國內油田使用有桿泵的井數約15萬口，其中大部分是柱塞式抽油泵，常規柱塞抽油泵已成為主要的采油方式之一。
     由于國內油田大部分已進入了高含水開發期，加上高含砂、高溫蒸氣稠油開采、注聚合物開采及強腐蝕的介質環境和井況差等因素影響，柱塞抽油泵的泵筒和柱塞的磨損、腐蝕、劃傷越來越嚴重，油井平均檢泵周期越來越短，有的甚至不到30天就需要檢泵，嚴重影響油田開發綜合經濟效益的提高。國內外眾多機構投入了大量的力量研究抽油泵的失效原因和防護措施。其中一個有效的方法就是優選泵筒和柱塞的材料和表面處理工藝。
   
     泵筒和柱塞摩擦副及周圍工作環境和條件構成了一個摩擦學系統，這一系統的腐蝕磨損量由泵筒的腐蝕磨損量和柱塞的腐蝕磨損量的總和所決定。而泵筒和柱塞各自的腐蝕磨損量則由構成材料的物理機械化學性能、相互運動關系、工作環境和條件等因素決定。*終從抽油泵角度上看，泵筒和柱塞的材料和表面處理工藝的選擇成為決定這個摩擦學系統腐蝕磨損量的決定因素。
   
     選擇并優化泵筒和柱塞材料和表面處理工藝的目的是讓這個摩擦學系統的腐蝕磨損量達到*小。由于影響因素眾多，所以泵筒和柱塞的材料選擇匹配仍然沒有一個理論指導，研發人員目前做的*多的工作是選擇各種泵筒和柱塞的材料和表面處理工藝，然后在一定的腐蝕磨損條件下進行室內摩擦磨損試驗，從試驗的結果來確定在這種試驗條件下，應該選擇什么樣的泵筒柱塞材料。這里介紹兩種試驗結果：
   
     **種結果：泵筒材料及表面處理工藝為45鋼表面化學鍍鎳磷合金、303鋼表面鍍鉻、4%－6%鉻鋼加壓氮化等3種；柱塞材料及表而處理工藝為碳鋼鍍鉻、碳鋼激光處理、**黃銅化學鍍鎳磷合金、蒙耐爾合金鍍鉻等4種。將上述材料分別配對進行耐磨性試驗，試驗用的摩擦副由環和塊組成。介質為清水，溫度60℃，黏度為0.000653Pa/s。試驗機為MG－200型高速高溫摩擦磨損試驗機。所加載荷1kN，試件總摩擦行程為20km。通過對不同泵筒和柱塞的材料及表面處理工藝的配對耐磨性試驗研究，并按柱塞先失效原則排序，可供選用泵筒和柱塞摩擦副*優匹配材料分別為碳鋼化學鍍鎳磷合金和碳鋼鍍鉻。
   
     **種結果：泵筒材料及表面處理工藝為碳鋼表面鍍鉻、碳鋼表面化學鍍鎳磷合金和38CrMoAl氮化；柱塞材料及表面處理工藝為碳鋼表面鍍鉻、碳鋼表面化學鍍鎳磷合金、碳鋼表面噴焊鎳基合金和38CrMoAl氮化，分別組合配對成9對摩擦副。試驗摩擦副由環和柱構成。試驗介質為含油污水，其中含油5%；水中的礦物質含量：氯離子11000mg/1，二氧化碳25mg/1，鈣離子25mg/1，碳酸氫根離子30mg/1，鎂離子13mg/1，總鐵8mg/1；含砂0.4%；溫度為60℃。同樣采用國產MG-200高速高溫摩擦磨損試驗機。試驗載荷100N，摩擦總行程約為6km。綜合分析試驗結果，認為碳鋼噴焊柱塞與碳鋼鍍鉻泵筒配對為*優，38CrMoAI氮化柱塞與碳鋼鍍鉻泵筒配對次之。
   
     上述可見，實驗室的試驗結果是在設定的條件下得出的。如果變化不同的試驗條件，則工作量巨大，即使變化不同的條件，也不一定和油田現場井下條件一致，所以實驗結果是有局限性的。由于試驗條件和摩擦副的形狀不同，各個試驗結果之間也沒有可比性。
   
     可以看出，通過試驗確定泵筒和柱塞材料匹配有其不足，試驗沒有理論指導因此試驗工作量很大。試驗所選用的材料只是眾所周知的已有材料，很難提出其它并未在抽油泵上使用過的但性能可能更好的材料。
   
     隨著材料工程學的發展和新的材料表面處理工藝出現，很多材料和表面處理工藝都有可能應用于泵筒和柱塞表面，靠單純的實驗室配對材料的摩擦磨損試驗來決定取舍已經遠遠不能滿足目前對提高抽油泵泵筒和柱塞壽命的急迫要求，如何借助材料學和其它學科的原理與技術來設計泵筒和柱塞配對材料是目前急需解決的課題。