激光熔覆技術(shù)在石油鉆井設(shè)備再制造中的應(yīng)用

見(jiàn)飛龍，劉 琪，楊 強(qiáng)，王 澤

（1. 長(zhǎng)慶油田分公司機(jī)械制造總廠，陜西 西安 710201；2. 西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049）

0 前 言

油田介質(zhì)非常復(fù)雜，且潤(rùn)滑條件較差，因此石油鉆井設(shè)備的工況通常較為惡劣，常常導(dǎo)致大量的零部件在運(yùn)行過(guò)程中因機(jī)械磨損、腐蝕等因素提前失效。零部件失效后過(guò)去是直接更換，造成了很大的成本浪費(fèi)，同時(shí)也形成了大量的廢品。尤其是油氣開(kāi)采時(shí)的鉆井設(shè)備上大量使用的天然氣壓縮機(jī)柱塞桿、注水泵柱塞桿、注水泵組合閥、高壓閥門等零件，因磨損導(dǎo)致報(bào)廢的情況非常嚴(yán)重，給油田開(kāi)采過(guò)程中造成了巨大的損失[1-3]。如長(zhǎng)慶油田采油廠的注水泵總量約有2000余臺(tái)，都為一次性使用，沒(méi)有得到有效的再利用，每年因注水泵更換而產(chǎn)生的維護(hù)費(fèi)用就高達(dá)7000余萬(wàn)元[4]。事實(shí)上，這些大量報(bào)廢的零部件往往僅是因表面的磨損或者腐蝕，并非完全喪失了使用功能，若運(yùn)用全生命周期制造的思路，通過(guò)快速再制造或現(xiàn)場(chǎng)再制造，不僅可延長(zhǎng)易損件的服役時(shí)間，實(shí)現(xiàn)資源的再利用，而且可以促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。再制造是解決資源浪費(fèi)、環(huán)境污染和廢舊設(shè)備翻新的一種有效途徑，也被認(rèn)為是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的新一代戰(zhàn)略性支撐技術(shù)[5-7]。

激光熔覆技術(shù)作為一種激光再制造技術(shù)，其以高功率激光束為熱源，運(yùn)用非接觸激光加工的方式，可為零件修復(fù)與再制造提供新的解決方案，是綠色再制造的重要支撐技術(shù)[8,9]。相比于再制造所應(yīng)用的其他表面處理技術(shù)諸如熱噴涂、堆焊和等離子噴涂等方法，激光熔覆技術(shù)具有熱影響區(qū)小、稀釋率低、與基體結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，可以在工件變形量小、熱輸入量小的情況下制備冶金結(jié)合強(qiáng)度高、致密無(wú)孔隙、耐磨耐腐蝕性好的高性能涂層，可快速恢復(fù)產(chǎn)品或零部件尺寸，并在性能上達(dá)到甚至超越新品[10,11]。因此，激光熔覆技術(shù)是一種非常適用于石油鉆井設(shè)備的再制造技術(shù)。通過(guò)再制造技術(shù)，使大量廢舊設(shè)備恢復(fù)其使用性能，延長(zhǎng)其服役壽命，減少新品使用量，不僅可以降低油氣開(kāi)采的運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)降本增效，而且可以助推油田的綠色發(fā)展。

1 激光熔覆再制造技術(shù)

1.1 激光熔覆再制造流程

激光熔覆再制造技術(shù)是一種融合了材料、CAD建模、激光加工、檢驗(yàn)檢測(cè)等多種技術(shù)和領(lǐng)域的復(fù)合型技術(shù)。在激光熔覆再造技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，首先需要確定損壞的部件，然后，進(jìn)行拆解、清洗，再對(duì)其進(jìn)行失效分析，評(píng)估其是否具備修復(fù)價(jià)值，如不具備則直接報(bào)廢，如具備修復(fù)價(jià)值，則建立其修復(fù)模型，開(kāi)展修復(fù)再制造。在開(kāi)展修復(fù)再制造前，還需要分析基體的材料和性能，選擇合適的熔覆材料和合理的熔覆工藝參數(shù)。然后采用優(yōu)選的熔覆材料和工藝進(jìn)行激光熔覆修復(fù)，修復(fù)完成后先進(jìn)行后處理，而后再進(jìn)行熔覆層性能檢測(cè)、評(píng)估，檢驗(yàn)合格，修復(fù)后的零件則可以恢復(fù)使用功能[12]。激光熔覆再制造的基本工藝路線，如圖1所示。

圖1 激光熔覆再制造的工藝路線圖

1.2 激光熔覆系統(tǒng)構(gòu)成

激光熔覆修復(fù)系統(tǒng)通常包含：激光器、CNC數(shù)控工作臺(tái)、同軸送粉噴嘴、高精度可調(diào)送粉器及其他輔助裝置，其系統(tǒng)構(gòu)成圖2所示[13]。

圖2 激光熔覆修復(fù)系統(tǒng)示意圖[13]

激光熔覆修復(fù)過(guò)程是經(jīng)過(guò)粉末噴嘴在基體表層添加熔覆材料，再利用高能激光束使其與基體表層一起熔凝，使二者形成牢固的冶金結(jié)合的過(guò)程[14,15]。激光熔覆所應(yīng)用的材料大多為粉末材料，其中金屬粉末中的自熔性合金粉末的研究最為廣泛。此外，熔覆材料還有棒狀材料和絲狀材料等[16,17]。激光熔覆的送給粉方式有預(yù)置式和同步式2種，同步送粉方式可分為同軸送粉和旁軸送粉，相較于粉末預(yù)置式，同步送粉有熔覆速度快、熔覆層與基體結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已被廣泛采用[18]，同軸送粉的工藝過(guò)程如圖3所示[19]。

圖3 同軸送粉激光熔覆修復(fù)過(guò)程示意圖[19]

1.3 激光熔覆再制造特點(diǎn)

與傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)相比，激光增材再制造技術(shù)可用于對(duì)精密、價(jià)值高的零件進(jìn)行較為精準(zhǔn)、快速、高性能的修復(fù)，其主要優(yōu)點(diǎn)如下[20-22]：

（1）激光能量集中，在修復(fù)過(guò)程中可以控制熱輸入量，保證熱輸入量在合適的范圍內(nèi)，減少熱輸入過(guò)大對(duì)基材的影響，同時(shí)降低成形過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，一定程度減少試樣變形程度；

（2）激光指向性好，可以通過(guò)較好柔性傳輸方式進(jìn)行一些位置較為特殊、形狀較為復(fù)雜的區(qū)域的制造與修復(fù)；

（3）可以與精密的數(shù)控機(jī)床以及機(jī)械手臂配合使用，實(shí)現(xiàn)較高程度的自動(dòng)化，避免人為因素影響，可實(shí)現(xiàn)模塊化的制造與修復(fù)；

（4）在激光增材再制造過(guò)程中修復(fù)區(qū)域與基材之間的邊界可以形成良好的冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度較高，且不容易開(kāi)裂。

2 激光熔覆在石油鉆井設(shè)備中的應(yīng)用

2.1 軸類零件的激光熔覆修復(fù)

軸類零件是石油鉆井設(shè)備中使用最普遍、用量非常大的一類零件，例如天然氣壓縮機(jī)柱塞桿、注水泵柱塞桿等。軸類零件在服役過(guò)程中易發(fā)生摩擦磨損、腐蝕及疲勞等失效，嚴(yán)重影響油田設(shè)備的正常運(yùn)行。激光熔覆技術(shù)作為軸類零件修復(fù)和再制造常用的技術(shù)，可有效延長(zhǎng)其使用壽命，如圖4所示。軸類零件的激光熔覆再制造過(guò)程由預(yù)處理、激光操作和后處理3部分組成[23]。預(yù)處理包括軸件清潔、部分軸件預(yù)熱以及熔覆材料烘干；激光熔覆修復(fù)即在最優(yōu)工藝條件下進(jìn)行激光熔覆過(guò)程；后處理包括零件各項(xiàng)性能檢測(cè)、精度檢測(cè)和切削加工等。其中，激光熔覆過(guò)程中的熔覆材料和激光熔覆工藝參數(shù)的選取都會(huì)對(duì)熔覆層性能產(chǎn)生關(guān)鍵性影響。

圖4 軸類零件激光熔覆修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)圖

激光熔覆再制造的材料通常分為同質(zhì)熔覆材料和異質(zhì)熔覆材料。所謂同質(zhì)熔覆是指熔覆金屬的化學(xué)成分與基體材質(zhì)化學(xué)成分基本一致或相近，而異質(zhì)增材是指熔覆金屬的化學(xué)成分與基體材料完全不同。目前，適用于激光熔覆修復(fù)的粉末材料必須具有自熔性，且為了提供材料表面的特殊性能，熔覆金屬的化學(xué)成分多異于基體材料，而以異質(zhì)熔覆材料為主。石油鉆井設(shè)備用天然氣壓縮機(jī)柱塞桿、注水泵柱塞桿軸所用材料大多為40Cr調(diào)制，因此，可選擇中、高鉻（Cr）的合金鋼以及鎳（Ni）基合金材料作為其激光熔覆修復(fù)的材料，但是這類材料牌號(hào)種類繁多，選擇最合理的金屬粉末材料是實(shí)現(xiàn)軸類零件修復(fù)再制造的關(guān)鍵。Fe314、Fe316、Fe310、Fe901與 40Cr合金鋼熔合區(qū)的組織為奧氏體組織，這三種材料的熔合區(qū)均無(wú)硬脆的馬氏體（M）相析出，可適用于40Cr合金鋼的熔覆修復(fù)[24,25]，同時(shí)鎳基 NiCrMo、Ni60A合金的熔合區(qū)組織亦為奧氏體組織，也可以作為軸類零件的增材再制造材料[26]。

激光熔覆工藝參數(shù)主要有送粉量、激光功率、熔覆速度、搭接率、光斑尺寸、離焦量和預(yù)熱溫度等。各參數(shù)之間相互影響，使得激光熔覆成為一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程。其中，前4者對(duì)熔覆層的稀釋率、表面粗糙度與孔隙率等性能影響顯著。因此，針對(duì)與服役環(huán)境匹配的熔覆材料，對(duì)送粉量、激光功率、熔覆速度和搭接率等熔覆參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用仿真模擬軟件進(jìn)行熔覆前模擬與路線規(guī)劃，可以制備得到理想的表面激光熔覆層[23]。

圖5 平面類零件激光熔覆修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)圖

2.2 閥類零件的激光熔覆修復(fù)

注水泵組合閥、高壓閥門也是石油鉆井設(shè)備中用量非常大的零件，其端面經(jīng)常因磨損、腐蝕等原因造成失效，每年因更換這類零件給油田帶來(lái)了巨大的維護(hù)成本。而這類僅僅是端面磨損的平面類零件，完全可以通過(guò)激光熔覆修復(fù)，延長(zhǎng)其使用壽命，從而減少新品替代，使油田達(dá)到降本增效的目的。

石油鉆井設(shè)備用閥類零件所用材料大多為2Cr13馬氏體不銹鋼或45鋼，因此，適用于軸類零件修復(fù)的中、高鉻（Cr）的合金鋼以及鎳（Ni）基合金材料作為其激光熔覆修復(fù)的材料，也可用于閥類零件的修復(fù)，如Fe314、Fe316、Fe310、Fe901與2Cr13不銹鋼和45鋼熔合區(qū)的組織均為奧氏體組織，同時(shí)鎳基NiCrMo合金的熔合區(qū)組織也是奧氏體組織，因此，這些材料也可以作為閥類零件的增材再制造材料[27,28]。

激光熔覆修復(fù)過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)熔覆層的成形外觀有很大的影響，在激光熔覆過(guò)程中，激光功率決定了輸入能量的多少，掃描速度決定加工成型的效率與能量密度，送粉速率決定送粉總量與熔覆層總體的體積。因此，選取優(yōu)化的工藝參數(shù)，可以使熔覆材料和基體材料2Cr13不銹鋼或45鋼達(dá)到良好的冶金結(jié)合和較低的稀釋率，最終達(dá)到一個(gè)良好的修復(fù)效果。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

（1）激光熔覆修復(fù)技術(shù)是一種非常適用于石油鉆井設(shè)備零部件再制造的技術(shù)，可應(yīng)用于油田設(shè)備的軸類、平面類零件的修復(fù)，延長(zhǎng)零件的使用壽命，使油田達(dá)到降本增效的目的。

（2）通過(guò)優(yōu)選合適的熔覆材料和工藝，可以實(shí)現(xiàn)40Cr軸類零件和2Cr13不銹鋼以及45鋼零件的良好冶金結(jié)合和較低的稀釋率，實(shí)現(xiàn)高力學(xué)性能的修復(fù)。

3.2 展 望

（1）“自動(dòng)化、智能化”是激光熔覆再制造技術(shù)的裝備發(fā)展方向。隨著自動(dòng)化發(fā)展進(jìn)程，激光加工系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動(dòng)化加工設(shè)備，為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開(kāi)辟了廣闊的前景。未來(lái)，解放人工、高效生產(chǎn)將為自動(dòng)化、智能化提供廣闊的施展空間。

（2）功能優(yōu)化、性能穩(wěn)定是激光熔覆再制造用材料的研究方向。再制造領(lǐng)域激光熔覆合金材料粉末發(fā)展方向以產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用為導(dǎo)向，超耐磨、超耐腐蝕的功能化需求，高球形、高穩(wěn)定性的質(zhì)量要求都將是材料持續(xù)優(yōu)化的方向，并最終打破國(guó)外高端合金粉末的技術(shù)壟斷。

（3）效率提升和流程標(biāo)準(zhǔn)化是激光熔覆再制造的工藝發(fā)展方向。作坊式的自由發(fā)展模式讓激光熔覆產(chǎn)業(yè)化規(guī)模迅速壯大，但是與再制造產(chǎn)業(yè)面臨著同樣的問(wèn)題，那就是各類規(guī)范體系的缺失，也有諸如激光熔覆相關(guān)行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)道，但難于規(guī)范整個(gè)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化。構(gòu)建各個(gè)工序、各個(gè)領(lǐng)域的激光熔覆再制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范將是激光熔覆再制造產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的必要環(huán)節(jié)。另外，源于一線激光熔覆實(shí)踐創(chuàng)造出的各類簡(jiǎn)單、便捷、便于標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的工裝也是再制造效率提升和質(zhì)量保障的有利元素。

（4）嘗試開(kāi)發(fā)激光熔覆適用的新零件、新工況、新服務(wù)模式是激光熔覆再制造技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展方向，復(fù)合技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化及應(yīng)用將開(kāi)拓更為廣闊的激光再制造應(yīng)用領(lǐng)域，諸如大型構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)激光熔覆再制造、水下激光熔覆技術(shù)應(yīng)用、金屬激光增材制造等都是激光熔覆再制造技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域，汽車、電力、航空、冶金、石油及航海等行業(yè)關(guān)鍵零部件再制造應(yīng)用前景將因此更為廣闊。