Александр Полушин, директор ООО «Центр защитных покрытий — Урал»,
Пермь
Одной из причин выхода из строя глубинного штангового насоса является износ трущихся поверхностей пары цилиндр-плунжер, обусловленный наличием в добываемой жидкости песка. Вследствие абразивного износа возрастает проникновение в зазор между цилиндром и плунжером вместе с жидкостью песка и других механических примесей, образование за счет этого сверхнормативного перетока жидкости через зону трения, дальнейшее увеличение износа и т. д. Другим фактором разрушения поверхности плунжера является коррозионный износ. В результате с увеличением износа плунжера постепенно снижается производительность насоса, а затем он выходит из строя.
Для увеличения стойкости к гидроабразивному и коррозионному износу плунжера штангового погружного нефтедобывающего насоса и тем самым увеличения срока его службы была разработана технология высокоскоростного напыления на поверхность плунжера наноструктурированного покрытия. Напыление осуществляется модернизированной пушкой, напоминающей реактивный двигатель. В пушку подается керосин с кислородом, который, сгорая, образует реактивную струю. Одновременно в струю впрыскивается аргон или другой инертный газ с порошком для напыления, в данном случае — карбидом вольфрама. Порошок разогревается в горячей реактивной струе до 0,8-0,9 температуры своего плавления и при ударе о поверхность напыляемой детали налипает на ней, образуя покрытие.
Отработка технологических режимов нанесения покрытия проводилась на роботизированном комплексе высокоскоростного напыления. Для выбора параметров напыления применялось диагностическое оборудование, позволяющее контролировать температуру и скорость частиц в потоке. Металлографические исследования шлифов образцов с покрытиями проводились на полуавтоматическом микротвердомере, а также на растровом электронном и просвечивающем электронном микроскопах. С помощью высокоразрешающей растровой и просвечивающей микроскопии были получены снимки поверхности покрытий, подтвердившие формирование требуемой наноструктурности.
Испытания на эрозионный износ твердыми частицами в потоке жидкости, а также на коррозионную стойкость в соляном тумане, показали, что нанопокрытие WC/Co/Cr имеет в 1,5 раза большую стойкость к износу по сравнению с серийно применяемыми при производстве плунжеров штанговых насосов самофлюсами. В результате разработок получена шероховатость поверхности товарного образца с Ra = 0,25…0,3 мкм.
Ввиду высокой твердости (более 70 HRC) полученного покрытия для обработки заготовок резанием необходимо использовать режущий инструмент, изготовленный из сверхтвердого материала с большим периодом стойкости. Для выбора марки такого материала сравнили сверхтвердые материалы, в результате чего было выбрано алмазное шлифование и подобраны оптимальные режимы обработки покрытия.
Пять плунжеров с наноструктурированным покрытием в составе погружных нефтедобывающих насосов НВ1Б-32-01А испытывались в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» в скважинах, осложненных выносом механических примесей и химически агрессивной средой. Контрольная эксплуатация двух насосов длилась 180 суток, после чего два плунжера, прошедшие упомянутые промысловые испытания, были направлены на исследование в ООО «Технологические системы защитных покрытий».
Исследования показали, что геометрические размеры и шероховатость поверхности плунжеров после проведенных испытаний остались в пределах допуска и они пригодны для дальнейшей эксплуатации. Испытания трех других насосов продолжаются до наступления их отказа. Они проработали уже более года, в то время как обычные плунжеры в особо агрессивных средах работают в среднем не более шести месяцев.
На нашем предприятии спроектирована и изготовлена многопозиционная установка для нанесения наноструктурированных покрытий на плунжеры нефтедобывающих штанговых насосов. Ее внедрение позволило в 9 раз увеличить производительность напыления. Получаемая продукция после высокотемпературного воздействия, в отличие от аналогов, не требует дополнительно операций оплавления и правки. При этом сохраняются свойства самого металла плунжера. Применение разработанной технологии позволяет также многократно ремонтировать плунжеры. На разработанную технологию и товарный образец подана заявка на патент.
Для газотермического напыления на металлические поверхности износостойкого и корозионностойкого покрытия исследовались различные материалы, в том числе твердые сплавы на основе карбидов вольфрама и карбидов хрома, сплавы на основе железа, никеля и др., механические смеси металлокерамики и матричных сплавов и наноструктурированные сплавы металлокерамики. Результаты исследований позволили расширить номенклатуру обрабатываемых подобным образом деталей. В частности, технология газотермического напыления внедрена в производстве защитных втулок вала направляющего аппарата погружных центробежных насосов.
