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柱塞泵是油氣開采過程中的重要設(shè)備，廣泛用于壓裂、固井和注水等作業(yè)過程。作為柱塞泵的關(guān)鍵零部件，柱塞桿在工作過程中易遭受高頻往復(fù)運(yùn)動的摩擦損傷以及介質(zhì)腐蝕和硬質(zhì)顆粒的沖蝕，其使用壽命只有15~35天。

長慶油田共有數(shù)千臺注水泵，每年會產(chǎn)生大量的廢舊柱塞桿，陜西天元智能再制造股份有限公司多年來本著以修舊利廢、為企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效的目的，針對廢舊柱塞桿開展了以高速激光熔覆技術(shù)為核心的再制造及表面強(qiáng)化技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用。

失效的柱塞桿

傳統(tǒng)的柱塞桿表面處理工藝有電鍍、噴焊等。

電鍍由于存在環(huán)境污染和鍍層性能差等問題，已逐漸被淘汰；

噴焊Ni60技術(shù)雖可獲得合適的表面強(qiáng)化層性能，但由于熱輸入大，不僅對基體力學(xué)性能有明顯影響，而且變形嚴(yán)重，機(jī)加工后有效熔覆層厚度均勻性較差，易使柱塞桿連接處變形而導(dǎo)致工件報廢。因此火焰噴焊技術(shù)不適用于柱塞桿再制造，且采用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行表面強(qiáng)化的柱塞桿也不適合用于再制造毛坯。

區(qū)別于傳統(tǒng)激光熔覆，高速激光熔覆通過改變激光與粉末的作用過程，在熔池之上將粉末融熔或半融熔，將融熔或半融熔狀態(tài)的液體流送入熔池內(nèi)，形成冶金結(jié)合的表面涂層，其熔覆效率與表面質(zhì)量均得以提升。與噴焊和傳統(tǒng)激光熔覆相比，具有效率高、熱輸入小、稀釋率較小、可熔覆薄層、表面平整、后續(xù)加工量小等優(yōu)勢。

傳統(tǒng)激光熔覆（左）與高速激光熔覆（右）的區(qū)別

從高速激光熔覆和常規(guī)激光熔覆的參數(shù)對比中不難看出：高速激光熔覆在產(chǎn)品質(zhì)量和對基體影響等方面具有明顯優(yōu)勢。不僅可用于表面強(qiáng)化，也可用于柱塞桿再制造。

常規(guī)激光熔覆和高速激光熔覆對比

根據(jù)工作性質(zhì)和損壞方式的差異，將柱塞桿按外表面分成A、B、C三個區(qū)域（如下圖）：

1、A區(qū)域?yàn)橹麠U和十字頭挺桿連接位置，此處由于尺寸的減小和突變，是整個工件的力學(xué)薄弱區(qū)，易發(fā)生斷裂和變形，存在輕微點(diǎn)蝕和銹蝕，做好表面去污除銹和裂紋檢測即可；

2、B區(qū)域是柱塞桿的主要工作面，也是易損面，表面存在明顯的劃傷和點(diǎn)蝕坑，是高速激光熔覆再制造的主要部位；

3、C區(qū)域是柱塞桿和液體直接接觸的端面，存在明顯的腐蝕，特別是中心孔處腐蝕嚴(yán)重（或泥沙沖蝕），對于較深的腐蝕或沖蝕坑洞（超過2mm）先采用手工氬弧焊恢復(fù)尺寸再進(jìn)行高速激光熔覆處理。

柱塞桿不同區(qū)域的損傷方式

柱塞桿高速激光熔覆中（左）、熔覆后（中）、機(jī)加工后（右）

用高速激光熔覆技術(shù)進(jìn)行再制造或表面強(qiáng)化柱塞桿具有以下特點(diǎn)：

熱輸入低、變形小、效率高、熔覆層厚度均勻、對基體壽命損傷?。?/span>運(yùn)用高速激光熔覆進(jìn)行表面強(qiáng)化的柱塞桿，使用后還可進(jìn)行再制造，節(jié)省了桿體的原材料采購成本和部分機(jī)加工作；高速激光熔覆稀釋率不超過3%，較薄的熔覆層厚度（0.2mm）就可以滿足要求，減少粉末浪費(fèi)；高速激光熔覆表面粗糙度低至Ra12.8 m，可直接進(jìn)行磨床加工。高速激光熔覆金屬基復(fù)合粉末熔覆層硬度大于HRC55，熔覆層的耐磨耐腐蝕和耐沖蝕性能不低于噴焊Ni60，熔覆層厚度均勻，機(jī)加工后熔覆層厚度差別在5微米以內(nèi)，柱塞桿使用壽命得到大幅度提升。以高速激光熔覆技術(shù)為核心的整個柱塞桿再制造生產(chǎn)環(huán)節(jié)綠色、環(huán)保、無污染。通過采用綠色環(huán)保的高速激光熔覆技術(shù)進(jìn)行表面強(qiáng)化，使柱塞桿使用壽命顯著提高，延長更換周期，減少設(shè)備運(yùn)維成本；此外，以高速激光熔覆技術(shù)為核心的廢舊柱塞桿再制造，不僅可提高產(chǎn)品的使用壽命，降低生產(chǎn)運(yùn)營成本，更可實(shí)現(xiàn)開源節(jié)流及明顯的社會、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益。