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摘 要

针对大位移水平井旋转导向支撑翼的无磁耐磨要求，采用二氧化碳气体保护堆焊方法分别在310S钢和P550钢上使用药芯焊丝进行了无磁耐磨涂层堆焊制备。

通过金相组织分析、硬度测试和磁导率测试等分析了不同焊丝对堆焊层硬度和磁导率的影响。结果表明：HD-15药芯焊丝在P550堆焊层硬度最高可达HRC57.43，相对磁导率为1.049，钒元素在堆焊过程中与碳形成碳化钒，不仅可以使得磁导率显著降低，而且可以通过细化晶粒使得堆焊层的硬度得到显著提高。

关键词: 310S钢 P550钢 堆焊 硬度 磁导率

Surfacing welding preparation and performance study of non-magnetic wear-resistant coating

ABSTRACT

For the non-magnetic and wear resistance requirements of rotary guide support wing in the large-displacement horizontal well, the non-magnetic and wear resistance coating were prepared on 310S steel and P550 steel using the flux-cored wires by carbon dioxide gas shielded surfacing method, respectively.

Various test methods including metallographic phase observation, hardness test and magnetic permeability test were carried out to analyze the influence of different welding wires on the hardness and permeability of the weld overlay. The results show that the surfacing layer hardness of HD-15 flux-cored wire in P550 steel is up to HRC57.43, and the relative magnetic permeability is 1.049. Vanadium forms carbon vanadium with carbon during the surfacing process, which can not only significantly reduce the magnetic permeability, but the hardness of the weld overlay layer can also be significantly improved by refining the crystal grains.

Key words: 310S steel; P550 steel; surfacing; hardness; magnetic permeability

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.2无磁硬质合金涂层的研究现状 2

1.2.1 无磁硬质合金简介 2

1.2.2 无磁硬质合金涂层的研究进展 2

1.3 堆焊技术 3

1.3.1 堆焊发展现状 3

1.3.2 堆焊技术 4

1.3.3 堆焊技术的应用 5

1.4 本文研究目的和主要内容 6

第二章 实验材料和方法 8

2.1 实验材料 8

2.1.1 母材材料 8

2.1.2 焊丝材料 8

2.2实验方法 8

2.3 实验设备和涂层性能检测 9

2.3.1 实验设备 9

2.3.2 性能检测 11

第三章 CO2气保焊堆焊层形貌及性能研究 13

3.1 涂层的宏观结构 13

3.2 堆焊层的微观组织 14

3.3 堆焊层的硬度 16

3.3堆焊层的磁导率 17

第四章 经济性分析 19

第五章 结论 21

参考文献 22

致谢 25

第一章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

在经济和科技高度发达的21世纪，各个领域对于石油的需求量依然很大，因此对于信息化、自动化的石油钻井钻具的需求也不断提升。旋转导向钻井理论技术的研究最早开始于20世纪80年代末期。我国虽然近几年在旋转导向系统关键技术上取得了重大突破，但在工作性和自动化程度上与国外还有很大差距。由旋转导向工具与测量传输仪器联合组成的旋转导向钻井系统是目前国际先进的钻井导向设备（图1.1），不仅可以自动、快捷地调整井斜和方位，大大提高钻井速度和钻井安全性，而且还可以精确控制和跟踪井眼轨迹，完全适用于目前开发的某些特殊油藏的超深井、高难定向井、水平井、智能井、大位移井等需要,很大程度上降低了石油勘探、钻井的成本^[1]。

图1.1 导向头结构图

图1.2 导向头横截面示意图

当石油钻井中的旋转导向头在井下工作时，为了使得不旋转的外套不跟着钻柱一起旋转，在其周围均匀分布三个支撑翼肋（如图1.2所示），支撑于井壁，同时通过液压系统和井下CPU来控制3个支撑翼肋的支出的动力和液压力的大小，最终达到控制偏置力的大小和方向的目的，从而实现控制导向钻井。

旋转导向石油钻井系统在井下钻进过程中，能量和信号传输要求无线传输，测量设备在进行井下探测时，要求传输过程中保持无磁化，因为设备的磁化会干扰油井钻进过程中能量和信号的传输，因此井底钻探无磁化显得更加重要。

1.2无磁硬质合金涂层的研究现状

1.2.1 无磁硬质合金简介

无磁硬质合金是一种耐腐蚀、硬度高、弱磁或无磁以及较小的热膨胀系数等特性的合金材料。硬质合金是以元素周期表第ⅣA、ⅤA、ⅥA族难熔金属碳化物(例如碳化钨)，以铁族过渡族金属(钴、镍、铁)作为粘结相，一般采用传统的粉末冶金烧结方法冶炼而成^[2]。钴的居里点770℃，镍的居里点1120℃、铁的居里点354℃，这三金属都具有磁性，所以在一般条件下以这三种金属元素作为粘结相加入难容金属碳化物制备而成的硬质合金都具有一定磁性。其中铁和钴的居里点比较高，所以当把铁和钴作为硬质合金的粘结相时，很难将其居里点降到室温以下，而把镍作为粘结相时，可以通过多种方法将其居里点降至室温以下获得无磁硬质合金，所以用镍做粘结剂是制取无磁合金的必备条件^[3]。

1.2.2 无磁硬质合金涂层的研究进展

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