高减摩性钻杆耐磨带药芯焊丝项目工作报告

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1、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

2、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毀、抗内压强度，重则造成套管柱挤毀、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

3、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

4、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

5、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I960年（

6、Duwez首次采用快淬方法制得Au70Si30非晶合金薄带卜1989年。这段时期，人们主要通过提高冷却速率（2104K/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

7、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°C/s，最小的仅为0.1°C/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lmm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

8、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