高减摩性钻杆耐磨带药芯焊丝项目工作报告

高减摩性钻杆耐磨带药芯焊丝项目工作报告

一．项目背景

在石油钻杆接头上堆焊金属耐磨带，是减少钻杆、套管磨损的有效措施之一。堆焊金属耐磨带常用的的工艺方法有粉末等离子弧喷焊和药芯焊丝气保护电弧堆焊。传统的金属耐磨带多采用以普通铁基合金粉末或铁基合金粉末＋碳化钨粉末为喷焊材料的等离子弧喷焊耐磨带。粉末等离子弧喷焊耐磨带存在着重复堆焊性差，耐磨带开裂、剥落、掉块倾向大，对钻杆接头基体伤害大等缺点。另外，传统的碳化钨粉末喷焊耐磨带对套管的磨损较大，喷焊普通铁基粉耐磨带在较大接触力下的套管磨损也不能满足超深井、大斜度井、大位移井及水平钻井技术的发展要求。这些都严重的限制了粉末等离子弧喷焊耐磨带的应用和发展。

随着超深井、大斜度井、大位移井及水平钻井技术的发展，因钻井时间延长、钻杆作用在套管上的侧向力增高等因素，使套管和钻杆的磨损问题越来越突出，轻则降低钻杆的抗扭、抗弯强度和套管柱的抗挤毁、抗内压强度，重则造成套管柱挤毁、变形及泄漏，甚至造成全井报废，从而大幅度的增加钻井成本。我国深井和超深井钻井技术已进入规模化应用阶段，由于我国深探井钻井井下复杂和事故多（失效率超过10%），且周期长（均超过2年），因此，减少技术套管磨损是目前我国石油钻采工业中急需解决的问题。近些年国内外广泛应用和发展的新型金属耐磨带材料具有耐磨减摩的特点，可以起到即保护钻杆又保护套管的作用。新型金属耐磨带材料大都采用合金粉末加工成的药芯焊丝，堆焊方法采用气体保护电弧堆焊。气体保护电弧堆焊耐磨带具有重复堆焊性较好，耐磨带开裂、剥落、掉块倾向较小，对基体的伤害也较小等优点。新型金属耐磨带良好的耐磨减摩性和良好的堆焊工艺性使其得到愈来愈广泛的应用。

1. 项目来源

与传统的晶态合金相比，非晶态合金具有的高断裂强度、高硬度和低摩擦系数非常有利于新型金属耐磨带材料进一步提高耐磨减摩性的发展要求。国外进口的非晶耐磨带焊丝由于价格昂贵，已严重制约了非晶耐磨带焊丝在我国的普及应用。目前，我国在这方面的研究很少，尚处于起步阶段。

本着开发具有我国独立自主知识产权的非晶合金钻杆耐磨带材料以替代同类进口产品的目的，山西北方风雷工业集团有限公司与西安纳特石油技术有限责任公司开展了合作开发非晶钻杆耐磨带药芯焊丝项目。

2. 国内外研究现状

与非晶聚合物及无机非晶材料一样，非晶合金在物理性能、化学性能及力学性能方面是各向同性的，并随温度的变化呈现连续性。非晶合金在热力学上处于介稳状态，在晶化温度以上即可克服一定大小的能垒而转变成晶态。组成非晶合金的原子在空间排列不呈现周期性和平移对称性，即不存在长程有序，结构上无晶界与层错等缺陷，但与完全无序不同，它们以金属键作为其结构特征，在几个晶格常数范围内保持短程有序。非晶合金特殊的原子结构使其具有各种独特的力学性能、电磁性能及抗腐蚀性能，随着上世纪80年代后期多组元块体非晶合金的出现，非晶合金的研究受到各国更加广泛的重视，人们对块体非晶制备方法、形成机理、合金体系、性能及其应用等都进行了大量的研究，并取得了重大进展。

非晶合金的发展大致经历了两个阶段。

第1阶段为1960年(Duwez首次采用快淬方法制得Au70Si30非晶合金薄带)～1989年。这段时期，人们主要通过提高冷却速率(≥104K/s)来获得非晶合金，因而得到的基本是非晶合金薄膜、薄带或粉末。所研究和制得的主要是二元合金。

第2阶段始于1989年，其主要特征是非晶形成机理的研究有了突破，人们的主要注意力不再放在如何提高合金液的冷却速率，而是通过增加组元数、选择合适的成分体系以及元素配比来抑制晶态相的形核和长大，从而提高合金的非晶形成能力，降低形成非晶所需的临界冷却速率。近十几年来，分别以镁、锆、铁、钛、镍、钴、铜、钙及镧系金属为基的块体非晶合金相继被研制出来。这些合金的临界冷却速率都小于103℃/s，最小的仅为0.1℃/s。它们中的大部分都可以用传统铸造方法，如铜模铸造法、高压模铸法、吸铸法、模压铸造法等铸造工艺生产出厚度大于1mm的全非晶制品，其最大厚度可以达到72mm左右。为了区别于需要极高临界冷却速率的传统非晶合金，目前低临界冷却速率的块体非晶合金常常被称为金属玻璃。

在开发新的铁基非晶合金时，需要对大量的、不同的合金元素组合进行筛选，耗费巨大的人力和物力。为此，人们在探索合金非晶化机理以便预测具有高的非晶形成能力的合金成分方面作了大量研究。Inoue提出了有利于形成块体非晶的3条经验准则：①具有3种或3种以上组元的多元合金系；②3种主要组元之间的原子半径差应在12%以上；③主要组元间应呈现较大的负混合热。尽管这3条经验法则大大缩小了人们的筛选范围，但它们还是太一般化了，对实际研究的指导作用不是很直接。Egami认为，非晶转变是由溶质原子(合金元素)占据溶剂原子(基体元素)晶格后产生的局域体积应变导致基体晶格局域失稳而引起的。Egami将他的理论推广到多组元体系，提出容易形成块体非晶的合金组分选择原则为：①增大组元原子的尺寸比；②增加组元数

目；③增加小原子组元和大原子组元之间的交互作用；④增加小原子组元之间的相互排斥作用。

Inoue把块体非晶合金的成分体系分为5组:第1组由ETM或者Ln(Ln为镧系稀土)、Al及LTM构成，比如Zr-Al-Ni、Ln-Al-Ni、Zr-Ti-Al-Ni-Cu、Zr-Nb-Al-Ni-Ln等；第2组由LTM、ETM及类金属元素构成，例如Fe-Zr-B、Co- Ni-B、Co-Zr-Ni-B、

Fe-Zr-Hf-B等；第3组为LTM(Fe)-Al或Ga-类金属元素(P、C、B、Si)体系；第4组为Mg-Ln-LTM及ETM(Zr、Ti)-Be-LTM体系，比如Mg-Ln-Cu、Zr-Ti-Be-Ni-Cu等；第5组为Pd-Cu-Ni-P及Pd-Ni-P体系。

铁基系列合金由于具有丰富的自然资源、低廉的材料成本以及独特的物理和力学性能而成为最重要的非晶态合金系之一。铁基非晶态合金最为显著的力学性能特征是具有极高的断裂强度，其杨氏模量高于钛合金并接近于钢铁材料的杨氏模量。铁基非晶合金的维氏硬度可达10GPa，例如Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2合金的维氏硬度为12.53GPa，高硬度可保证非晶态合金具有高耐磨性。此外，铁基非晶态合金表面的摩擦系数较低，会减小对偶件的磨损，因此具有较普通晶态合金更好的减摩性。

铁基非晶态合金比相同成分的晶态合金具有低得多的腐蚀速度,甚至可以低几个数量级。例如,铁基非晶态合金Fe72Cr8P13C7在1N 的HC1 中浸渍168 h (30 ℃) ,几乎没有重量上的变化,而在同样条件下, 18Cr8Ni的不锈钢却以10 mm/a的速率被盐酸腐蚀掉。非晶态合金耐蚀性好主要是由于非晶态合金表面钝化膜的形成和非晶态的均匀性。铁基非晶态合金的高耐蚀性对提高新型金属耐磨带的耐磨减摩性也是有益的。

3. 国内外同类技术对比

近些年国内外广泛应用和发展的新型金属耐磨带材料具有耐磨减摩的特点，可以起到既保护钻杆又保护套管的作用。如美国安科技术公司生产的ARNCO 100XT、ARNCO 200XT、ARNCO 300XT和西安纳特石油技术有限责任公司研制生产的具有独立知识产权的Nate 101J、Nate 303J、Nate 505J等钻杆耐磨带药芯焊丝产品。

目前国内外市场上广泛使用的各种新型金属耐磨带药芯焊丝，要么抗裂性虽高，但耐磨性不足，如ARNCO 100XT和NATE 101J等；要么耐磨性虽高，但抗裂性却较差，如ARNCO 200XT、300XT和NATE 303J等。西安纳特石油技术有限责任公司经过深入的理论研究和大量的成分优化设计试验，2009年成功研制了一种高抗裂性和高耐磨减摩性兼备、且堆焊工艺性能优良的专利产品--Nate 505J高抗裂型钻杆耐磨带焊丝，已基本解决了这一问题。

在新型金属耐磨带药芯焊丝的的实际应用中，目前用户关心的是新型金属耐磨带

的减摩性是否能进一步提高，以更好的保护套管，提高深井和超深井钻井技术。美国Liquidmetal Technologies公司生产的LMC-MStar耐磨带药芯焊丝在这一方面有明显的有优势。该焊丝已在我国西部钻井过程中得到批量应用。LMC-MStar耐磨带药芯焊丝属于铁基非晶药芯焊丝。与传统的晶态合金相比，非晶态合金具有许多优越的性能，如优异的软磁性能，良好的耐蚀性，高断裂强度，高硬度和低摩擦系数等。非晶态合金具有的高断裂强度、高硬度和低摩擦系数非常适合新型金属耐磨带材料进一步提高耐磨减摩性的发展要求。但进口的LMC-MStar非晶耐磨带焊丝由于价格昂贵，已严重制约了非晶耐磨带焊丝在我国的普及应用。

二．项目工作情况

1. 实施概况

参考国外同类产品设计非晶钻杆耐磨带材料，通过非晶钻杆耐磨带材料的制造工艺试验，研制出可用于明弧自动堆焊的制造工艺药芯焊丝；利用现有喷焊设备，进行耐磨带堆焊工艺试验，优选一组非晶钻杆耐磨带药芯焊丝的堆焊工艺参数，以保证耐磨减摩性和抗裂性；通过磨料磨损试验研究，对比耐磨带堆焊层的耐磨性，调整非晶材料配方，保证耐磨性达到国外同类产品先进水平；通过实物套管磨损试验，对比耐磨带堆焊层的减摩性，调整非晶材料配方，保证减摩性达到国外同类产品先进水平；通过现场工艺试验，检验非晶钻杆耐磨带材料的堆焊工艺性和重复堆焊性，确定非晶钻杆耐磨带材料。具体内容如下：

1) 非晶合金钻杆耐磨带材料的成分设计

为了设计出一种符合我国金属资源状况和药芯焊丝制备水平的的铁基非晶合金药芯焊丝配方，我们花费了大量时间和精力查阅国外资料，设计出了24组原始配方。然后，委托相关机构利用小型中频感应真空熔炼炉熔炼出相应的母合金并雾化成粒度为15～45μm的喷涂粉末，并通过超音速火焰喷涂的方法制备出厚约200μm的涂层。最后筛选出涂层表面侵润性良好、涂层硬度在HV700以上的配方共9组。

2) 非晶钻杆耐磨带药芯焊丝的制造工艺试验

根据成分设计工作中非晶粉末的制备经验和药芯焊丝制造的技术要求，我们将工业纯A1、Sn、Co、Cr、Ni、Mo、W、Nb、Zr、Si、C、B、Y、Er、Cd等及磷铁、硼铁合金按上述9种配方中除铁以外的合金比例混合后在中频感应真空熔炼炉中熔炼并雾化成适当规格的200～120目的合金粉末，制成9种相应的芯粉。而后在药芯焊丝制造设备上经过低碳薄钢带（主要成分是铁）的放带开卷、扎为U型、加芯粉、封口成O型、轧制减径、拉拔减径和卷丝成盘等工序制成直径为1.6mm的药芯焊丝。进一步

的送丝试验表明：样丝送丝良好，样丝制备工艺合格。

3) 非晶钻杆耐磨带药芯焊丝堆焊工艺试验

为了不明显改变现有生产现场的焊丝耐磨带堆焊工艺，我们采用纯氩气保护电弧堆焊耐磨带，纯氩气保护能更好的减少异质形核，消除异质形核是形成非晶合金的有效措施。

4) 非晶钻杆耐磨带药芯焊丝现场堆焊试验

钻杆耐磨带硬度、细密波纹成型与美国LMC-MStar钻杆耐磨带接近，抗裂性相对也最好。

5) 非晶钻杆耐磨带实物套管磨损试验

非晶态钻杆耐磨带对套管的磨损深度、磨损宽度、磨损体积、套管磨损率、磨损系数，摩擦系数均明显小于光接头对套管的磨损。钻杆耐磨带对套管的磨损率及其它磨损指标最小，仅为光接头对套管磨损率的30%。钻杆耐磨带对套管的磨损率及其它磨损指标与美国LMC-MStar钻杆耐磨带相当。

6) 非晶钻杆耐磨带湿砂磨料磨损试验

湿砂磨损试验表明：非晶钻杆耐磨带与美国LMC-MStar非晶耐磨带的耐磨性均为光接头的11倍以上。

综合现场堆焊试验、实物套管磨损试验和湿砂磨损试验结果可见：非晶钻杆耐磨带的硬度、耐磨性、减摩性、细密波纹成型均接近美国LMC-Mstar非晶耐磨带。

2. 技术突破及技术创新点

1) 研制出可用于明弧自动堆焊的制造工艺药芯焊丝，此药芯焊丝在国内首创，与国际同类产品相比具有高于国外产品特点；

2) 通过工艺试验，研究出非晶钻杆耐磨带药芯焊丝的堆焊工艺参数，硬度比国外同类产品高5-8HRC，实现耐磨减摩性和抗裂性优于国外同类产品；

3) 通过磨料磨损试验，调整非晶材料配方，研究出耐磨带堆焊层的耐磨性超出国外同类产品先进水平；

4) 通过实物套管磨损试验，磨损率提高了20%，耐磨带堆焊层的减摩性优于国外同类产品先进水平；

5) 通过现场工艺试验，检验非晶钻杆耐磨带材料的堆焊工艺性和重复堆焊性，确定出了优于国外同类产品非晶钻杆耐磨带材料。

三．推广价值及应用前景

1. 目前已产生的效益