В изготовлении скважинных штанговых глубинных насосов для добычи ископаемых широко используют покрытия состава NiCrBSi (никельхромборсилиций) разных марок. Их получают газопламенным напылением. Несмотря на высокую стойкость к износу, такая поверхность склонна к разрушению. Почти 38% неисправностей связаны с коррозионным растрескиванием материала под напряжением. Ученые ПНИПУ выявили основные причины этой проблемы и разработали рекомендации, которые помогут увеличить долговечность оборудования и сохранить экономическую выгоду.
Статья опубликована в журнале «Черные металлы» № 10 за 2024 год. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Элементы, которые обеспечивают работу глубинных насосов, называются плунжеры. Это пустотелые поршни, движущиеся внутри цилиндра. При перемещении вверх жидкость всасывается из скважины, а вниз — выталкивается в подъемные трубы. Для таких деталей традиционно выбирают никелевый сплав с составом покрытия NiCrBSi, предусмотренный отечественными и зарубежными стандартами. Для его получения проводят газопламенное напыление и последующее оплавление. Материал имеет высокую стойкость к износу и коррозии, но из-за состава и способа изготовления становится пористым и может содержать нерасплавленные частицы, легче подвергаясь изнашиванию.
Плунжер работает в высокоагрессивной среде с хлоридами и сероводородом, а также подвергается разрушению при многократном воздействии напряжений. Эти факторы взаимно усиливаются, нанося больше урона.
Ученые Пермского Политеха изучили поверхность деталей после эксплуатации. Для исследования использовали микроскоп и анализатор фрагментов микроструктуры твердых тел. Оказалось, что в составе нефтесодержащей среды есть существенная концентрация сероводорода (>10%) и хлоридов железа. Их наличие объясняется тем, что скважины обрабатывают соляной кислотой для растворения сульфидов, которые засоряют каналы и полости оборудования.
— Мы считаем, что при эксплуатации в средах с содержанием сероводорода и хлоридов покрытие плунжера подвергается одновременному действию коррозионного растрескивания под напряжением и контактной усталости. Трещины расположены почти перпендикулярно, что приводит к фрагментации и отшелушиванию покрытия. Чтобы ослабить влияние этих факторов, необходима коррекция содержания карбидов и боридов хрома в покрытии за счет уменьшения углерода и бора в исходном порошке, — комментирует Юрий Симонов, заведующий кафедрой «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, доктор технических наук.
— Потенциальное сокращение затрат от предотвращения даже одного случая разрушения оборудования может достигать свыше 150 тыс. руб., поэтому некоторое снижение отказов установок от коррозионного растрескивания будет иметь положительное отраслевое значение. Инвестиции в разработку новых устойчивых материалов окупятся за счет повышения надежности и уменьшения расходов на обслуживание и увеличат эффективность добычи, — поясняет Станислав Мольцен, аспирант кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, директор по качеству АО «ЭЛКАМ-Нефтемаш».
Ученые Пермского Политеха предлагают снизить расходы на ремонт и замену оборудования для нефтяных насосов с помощью корректировки содержания карбидов и боридов хрома в покрытиях для деталей насосов, чтобы сделать его более устойчивым к коррозии и механическим нагрузкам.