石油钻杆内壁离子渗氮技术与工艺研究

摘要

石油钻杆在服役过程中易发生腐蚀、磨损等失效事故，内涂层防护效果欠佳，离子渗氮方法潜力巨大，但常规离子渗氮技术无法实现钻杆这类大长径比管件内壁的渗氮处理，并且常规离子渗氮工艺容易存在渗氮层薄、脆性大、渗氮层硬度梯度大等问题。针对上述问题，本文提出采用独立阳极离子渗氮技术来实现大长径比管件内壁的离子渗氮处理，并研究了循环变温+氩气复合离子渗氮工艺，探究工艺参数对钻杆渗氮后渗氮层的组织性能的影响。本文设计了放置于渗氮炉体内的独立阳极及其夹持固定装置，独立阳极材质选为304不锈钢，形状为截面呈圆形的等直径实心棒材。尺寸方面设计了两种长度的独立阳极，分别为Φ10mm×600mm的L600半炉短棒和Φ10mm×1700mm的L1700贯穿长棒。并根据独立阳极渗氮试验结果，在本试验条件下，独立阳极选用Φ10mm×1700mm贯穿长棒更为合适。与常规离子渗氮相比，经过循环变温+氩气复合离子渗氮工艺后，渗氮层的显微硬度梯度较小，表面硬度也有一定程度的下降，渗氮层厚度增加，最大厚度可达0.462mm，渗氮试样的延伸率也增大，最大可达8.6%。常规离子渗氮试样在扭转到45°时渗氮层表面出现裂纹，表层脆性较大，而循环变温+氩气复合离子渗氮工艺试样渗氮层表面始终未产生裂纹，渗氮层的脆性有所降低。对循环变温+氩气复合离子渗氮工艺的工艺参数进行正交优化，得出影响渗氮试样综合性能的因素由主到次依次为高温温度、高低温保温时间、低温温度和气体比例。在本试验条件下获得最佳性能的最优参数组合为高温温度540℃、低温温度460℃、高低温保温时间1h（即高低温循环4次）、气体比例N2∶H2∶Ar=1∶3∶1。本课题的研究成果可为钻杆的氮化处理提供理论支持，并为油田节省大量的材料和成本的投入，具有很高的科研及经济价值。

目录

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 石油钻杆国内外应用现状

1.2.1石油钻杆生产现状及发展趋势

1.2.2 石油钻杆失效分析

1.3 离子渗氮技术研究现状

1.3.1 离子渗氮机理

1.3.2 离子渗氮新技术

1.4 独立阳极技术研究现状

1.4.1 离子渗氮设备发展现状

1.4.2 独立阳极技术

1.5 课题主要研究内容及目标

第二章 试验材料和方法

2.1 试验设备

2.2 试验材料

2.2.1 钻杆材料

2.2.2 气体材料

2.2.3 试样预处理设备及材料

2.3 试验方案

2.3.1 独立阳极离子渗氮试验方案

2.3.2 循环变温+氩气复合离子渗氮工艺试验方案

2.4 渗氮层性能测试方法

2.4.1 显微组织分析

2.4.2 显微硬度测试及渗氮层厚度分析

2.4.3 力学性能测试

2.4.4 耐蚀性能测试

2.4.5 耐磨性能测试

2.4.6 显微形貌分析

第三章 独立阳极的设计及其离子渗氮试验研究

3.1 引言

3.2 独立阳极的设计

3.2.1 材质选择

3.2.2 形状设计

3.2.3 尺寸选择

3.2.4 夹持及固定方式设计

3.3独立阳极相关计算

（1）独立阳极中电压降的计算

（2）独立阳极的挠度计算

3.4 独立阳极离子渗氮试验结果分析

3.4.1 独立阳极温度场分析

3.4.2 渗氮层显微组织分析

3.4.3 显微硬度与渗氮层厚度分析

3.4.4 耐蚀性分析

3.4.5 耐磨性分析

3.4.6 试验结果综合分析

3.5 本章小结

第四章 循环变温+氩气复合离子渗氮工艺及其组织性能研究

4.1 引言

4.2 显微组织分析

4.3 显微硬度及渗氮层厚度分析

4.3.1 渗氮层硬度分析

4.3.2 试样表面硬度分析

4.3.3 渗氮层厚度分析

4.4 力学性能分析

4.4.1 拉伸试验性能分析

4.4.2扭转试验性能分析

4.5 耐蚀性能分析

4.5.1 盐雾试验分析

4.5.2电化学腐蚀试验分析

4.6 耐磨性能分析

4.7 正交试验结果综合分析

4.8 本章小结

结论

参考文献

附录

致谢