潜油电泵保护器高承载止推轴承及其制备方法 技术领域：
本发明涉及油田采油领域所用的电泵保护器轴承，属于潜油电泵保护器高承载止推轴承及其制备方法。
背景技术：
随着潜油电泵机组应用的不断增加，潜油电泵机组的许多零部件都在不同程度的暴露问题，其中问题最大的是保护器止推轴承的承载力问题，由于保护器的止推轴承承载能力低，直接制约了电泵机组的应用范围，目前应用在保护器上的止推轴承为动块与静块配合的轴承，静块的材料为铸造锡青铜ZQSn10-1，该材料的承载力低，PV值为15Mpa.m/s，在60Hz频率时，提供的承载力只有0.5吨左右，不能满足潜油电泵浮动式叶轮轴向力的要求，并且铸造是在常压下进行的，晶格组织粗糙，摩擦系数高，摩擦阻力大，运行中产生大量的摩擦热；轴承研磨后精度受到很大的影响，所以在使用中很容易产生磨损；而动块地材质为15Mn渗碳、淬火，热处理后表面硬度为HRC-58～62，渗碳层厚度1.0～1.5mm。该材料的强度和耐磨性都不高，表面活性较高，当承载力不高时，能够正常工作，如果承载力增加，很容易发生磨损与静块表面发生粘和，将静块磨坏，同时经常发生热处理不当动块本身常发生龟裂，检验时很难发现，一经组装运行动志承载后，表面很快产生裂纹，直接磨损静块。而目前所采取解决的方法是2000m以上的机组泵采用部分压紧方式，这种方式与浮动式泵相比，压紧泵的叶导轮磨损大，运转一定时间后泵的止推垫片基本磨没，叶轮直接磨损导轮，很快将轮毂磨没，使叶导轮间的间隙加大；在叶导轮处形成一股回流造成泵的漏失量加大，直接影响了泵效；并且降低了泵的使用寿命。
发明内容：
为了克服现有轴承因材质的强度和耐磨性差致使止推轴承使用寿命短的不足，本发明提供潜油电泵保护器高承载止推轴承及其制备方法，该轴承具有强度高、耐磨性好及使用寿命长的特点。
本发明所采用的技术方案是：该潜油电泵保护器高承载止推轴承及其制备方法，由动块及静块组成，其特征在于：动块GCr15SiMn的主要成分按重量百分比计为C＝0.95～1.05，Si＝0.45～0.75，Mn＝0.95～1.25，Cr＝1.40～1.65，Mo＝0～0.10，P＝0～0.025，S＝0～0.025，Ni＝0～0.30，Cu＝0～0.25，Ni+Cu＝0～0.50及平衡量的Fe；静块ZYTCu-10的主要成分按重量百分比计为Sn＝8～12，Ni＝1.6～2.0，Pb＝0.8～1.2，Zn＝0.4～0.8，P＝0～0.03及平衡量的Cu。
生产上述的潜油电泵保护器高承载止推轴承的方法，包括以下次序的工艺步骤：A、动块：a、淬火温度为860℃，时间为20分钟，b、回火温度为160℃-170℃，时间为3-4小时，c、淬透层厚度2-3mm，d、PV＝45MPa.m/s，e、精研、抛光及精抛；B、静块：a、酸洗：用21％盐酸溶液清洗，b、明化处理：8％-15％铬酐+0.3％-0.5％硫酸+水溶液，浸泡15分钟，c、精研、抛光及精抛。
本发明的有益效果是：根据上述方案，在原有ZQSn10-1基础上，以提高材料的PV值为目的加添加剂和改善铸造工艺，提高铜的耐磨性和承载能力，因此经调整配方确定精铸铜的牌号为ZYTCu-10，该材质制成的静块耐疲劳寿命高、具有良好的高速性能，不易产生咬死现象；动块选用材质为ZGCr15的高铬轴承钢，主要成分为C、Cr、Mn、Si及平衡量的Fe，淬火回火硬度HRC60--64，该材质制造成的动块具有耐磨性高、淬火性好及耐疲劳寿命高，加工时用轴承研磨机进行研磨，表面粗糙度在0.5～0.1之间；因此该动块及静块配制而成的一对磨擦副强度高、耐磨性好及使用寿命长。
具体实施方式：
下面结合具体实施例将对本发明作进一步说明：
潜油电泵保护器高承载止推轴承由动块及静块组成，动块GCr15SiMn的主要成分按重量百分比计为C＝0.95～1.05，Si＝0.45～0.75，Mn＝0.95～1.25，Cr＝1.40～1.65，Mo＝0～0.10，P＝0～0.025，S＝0～0.025，Ni＝0～0.30，Cu＝0～0.25，Ni+Cu＝0～0.50及平衡量的Fe，经淬火温度860℃，时间为20分钟，回火温度160℃-170℃，时间3-4小时，处理后硬度达到了HRC60--64，淬透层厚度2～3mm；静块ZYTCu-10的主要成分按重量百分比计为Sn＝8～12，Ni＝1.6～2.0，Pb＝0.8～1.2，Zn＝0.4～0.8，P＝0～0.03及平衡量的Cu；上述方案中的动块的加工工艺流程为：原材料准备→下料→车加工→钻孔→车加工检查→经热处理时，淬火温度为860℃，回火温度为160℃-170℃，硬度HRC60--64→磨加工→线切割→去除氧化皮、硬车→精研→抛光→精抛，表面轮廓算术平均偏差Ra为0.05～0.1μm→终检→清洗、防锈、包装；静块的加工工艺流程为：精铸毛坯→检查→车加工→去锐角毛刺→切、铣槽→钻孔→攻丝→去毛刺处理→磨加工→精车→清洗除油→酸洗时用21％盐酸溶液清洗→明化处理时用8％-15％铬酐+0.3％-0.5％硫酸+水溶液，浸泡15分钟→精研→抛光→精抛→终检→清洗、涂防锈油、包装，静块中酸洗与明化处理的目的是去除止推轴承静块表面的毛刺与氧化皮，以获得光亮的金属表面，同时增加止推轴承的耐蚀性能。
为了考察止推轴承动、静块的综合性能及动态性能，设计制造了一台台架试验机，该试验机可试验止推轴承的摩擦系数、摩擦系数接触亚表面的温度、磨损量、润滑油的油温控制及止推轴承的承载能力。
在试验过程中，在止推轴承动块和静块之间施加载荷，并根据试验要求施加不同的载荷和调节动块转速，通过传感器测出静导体圆周切线方向的拉力，计算动、静块之间的摩擦扭矩、摩擦力和摩擦系数，同时可检测控制尚未润滑油油温和磨损量。
试验时，载荷采用逐级加载，逐步调速，试验油温150℃，对不同材料的止推轴承进行台架试验。
表一为止推轴承台架试验结果： 表一 止推轴承型号540保护器540保护器387保护器387保护器静块：RC4-07动块：RC4-08静块：RC4-07动块：RC4-08静块：B1-06动块：B1-05静块：B1-06动块：B1-05材料静块ZQSn-1ZCuSn10P1ZYTCu-10ZCuSn10P1动块W18Cr4VZGCr15GCr15SiMnZGCr15最大加载载荷(N)30000300003000030000有效接触面积(mm2)4252425223062306承载比压(N/mm2)7.057.0513.016.50最大转速(r/min) 3000 2540 3000 2540最高油温(℃) 229 236 224 197油温升温(℃) 79 86 74 47最高亚表面温度(℃) 251 258 243 223亚表面温升(℃) 101 108 93 73磨擦力矩(N.M) 6.28 7.1 3.79 1.79 摩擦系数 0.0063 0.0049 0.0049 0.0053磨损量动块(mm) 0.005 0.004 0.004静块(mm) 0.0018 0.02 0.0015
实验结果：1、从表一台架试验结果表明：ZYTCu-10止推轴承静块材料显著特点是承载比压几乎是其它材料的2倍，是高承载止推轴承可选的理想材料。
2、在转速为3000r/min，载荷30000N的条件下，除ZCuPb10Sn10在载荷15000N擦伤停试外，其余均达到了30000N载荷，ZYTCu-10材料PV值达到157MPa.m/s，台架试验所测得的摩擦系数应力动压油膜的摩擦系数，并且在试验过程中，一旦油膜破坏或处于边界润滑状态，轴承马上出现异常磨损，发生失效现象，所以润滑的特性及润滑油膜的状态对轴承的承载力有重要影响。
3、止推轴承材料特性在潜油电机启动和停机时对止推轴承产生影响，因为在潜油电机启动和停机时止推轴承牌边界润滑状态，轴承材料必须能承受这种状态的摩擦，需要材料具有良好的摩擦磨损性能。
4、止推轴承的表面粗糙度和平行度对轴承性能影响很大，在试验过程中，动块表面粗糙度如达不到Ra0.2μm，平整度不好，在加载时很快出现擦伤，形不成油膜，出现异常磨损，所以在制造上止推轴承时应严格控制轴承表面粗糙度和平等度。
5、所研制的ZYTCu-10静块和动块满足潜油电泵保护器止推轴承的使用要求，是性能优异的高承载止推轴承。
6、止推轴承表面特性、材料特性、润滑油特性对止推轴承性能影响较大；在设计、制造安装和使用时应严格控制。
以上实验只表明台架实验的结果，应用具体现场所取得的效果，
见表二： 表二 井号电机功率KW泵型和级数(stages) 下井日期停机日期 电机保护器扬程M止推轴承承载力N TS-10 350 QN120/124 03，5，24正在运行高承载高承载3210 32100 TAE-0.5 350 QN120/183 03，4，7正在运行高承载高承载3120 31200 He-13 350 QN120/181 03.5.12正在运行高承载高承载3070 30700 Un-42 210 QN70/163 03.4.10正在运行高承载高承载2700 27000 Un-21 210 QN55/236 03.4.30正在运行高承载高承载2850 28500 He-8 170 QN120/62 03.9.4正在运行高承载高承载2200 22000 ET-6 330 QN120/186 03.4.9正在运行高承载高承载3130 31300 BAW-20 240 QN70/192 03.9.12正在运行高承载高承载2980 29800 He-24 220 QN120/110 03.9.15正在运行高承载高承载2430 24300 MS-6 170 QN55/162 03.9.19正在运行高承载高承载2250 22500
因此，潜油电泵保护器高承载止推轴承，在原有ZQSn10-1基础上，以提高材料的PV值为目的加添加剂和改善铸造工艺，提高铜的耐磨性和承载能力，因此经调整配方确定精铸铜的牌号为ZYTCu-10，该材质制成的静块耐疲劳寿命高、具有良好的高速性能，不易产生咬死现象；动块选用材质为ZGCr15的高铬轴承钢，主要成分为C、Cr、Mn、Si及平衡量的Fe，经淬火回火处理后硬度达到了HRC60-64，该材质制造成的动块具有耐磨性高、淬火性好及耐疲劳寿命高，加工时用轴承研磨机进行研磨，表面粗糙度在0.05--0.1之间；因此该动块及静块配制而成的一对磨擦副强度高、耐磨性好及使用寿命长。
表二中提供了我公司在苏丹大尼罗河公司应用的高承载止推轴承12口井的井号及油井的深度，自2003年4月7日第一套高承载止推轴承下井投产以来，运转寿命最长的已经达到了半年，泵效都在规定的58％±5的范围内，多次受到了大尼罗河公司的表扬，同时为公司创造了经济效益1500万美元。