МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ТРУБА С ЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Полезная модель относится к средствам для добычи нефти, преимущественно из скважин с коррозионно-активной средой и может быть использована в качестве корпусов погружных электродвигателей и электронасосов, а также для другого скважинного оборудования.
Из практики производства погружных насосов и электродвигателей известно применение труб высокой точности в качестве корпусных труб. Указанные трубы изготавливают из стали 22ГЮ (ТУ 14-3Р-47-2001), изделия из которой не обладают повышенной износо- и коррозионной стойкостью. Указанные ТУ не предусматривают каких-либо путей повышения коррозионной стойкости корпусных труб, что является недостатком данных труб.
Известна труба насосно-компрессорной или буровой колонны (свидетельство РФ №10823, F16L 15/08, опубл. 16.08.1999), которая содержит соединительную муфту и переходник на резьбовых концах с рабочими поверхностями, выполненными износостойкими, например с помощью химико-термической обработки. Недостаток данной конструкции состоит в том, что не обеспечивается повышенная коррозионная стойкость трубы.
Известна насосно-компрессорная труба (патент РФ №72262, Е21В 17/01, опубл. 10.04.2008), повышение коррозионной стойкости и износостойкости которой достигается нанесением на ее наружную поверхность покрытия в виде напыленного слоя.
Использование таких труб в качестве корпусов для оборудования, как показали производственные испытания, не всегда обеспечивает стойкость, удовлетворяющую установленным требованиям. Кроме того, напыленное покрытие значительно увеличивает стоимость труб и существенно усложняет технологию производства труб высокой точности.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является металлическая труба с защитным покрытием на внутренней поверхности (патент РФ №58059, В23Н 1/00, опубл. 10.11.2006). Повышение коррозионной стойкости и износостойкости данной трубы достигается тем, что покрытие выполнено в виде двух электроэрозионных слоев различной твердости, при этом толщина внутреннего слоя не превышает 0,2 мм, а общая толщина упрочненного покрытия не более 0,5 мм.
В указанном техническом решении покрытие наносят на металлическую основу, в частности, как указано в примере, на трубу из коррозионно-стойкого материала, что, в ряде случаев, вообще не требует специальных мер по защите от коррозии. Кроме того, рабочую поверхность трубы легируют для повышения твердости. В данном случае коррозионная защита обеспечивается за счет снижения износа трубы, т.е. для таких условий работы, когда износ трубы происходит преимущественно за счет эрозии от абразивного воздействия среды.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении срока службы металлических труб, в частности прецизионного назначения, в высокоагрессивных коррозионных средах.
Поставленная задача решается за счет того, что в металлической трубе с защитным покрытием, выполненной в виде металлической основы и двух слоев диффузионного покрытия, один из которых выполнен с повышенной стойкостью к абразивному износу, согласно полезной модели, металлическая основа выполнена из низколегированной стали, содержащей марганец и алюминий, защитное покрытие выполнено азотированным, преимущественно на наружной поверхности трубы, при этом толщина стенки трубы выполнена без изменения исходного размера, а внутренний диффузионный слой - коррозионностойким.
Выполнение металлической трубы с защитным покрытием, например по наружной поверхности, состоящим из двух слоев, внешний из которых выполнен износостойким, а внутренний (расположенный в металлической основе на большем расстоянии от наружной поверхности трубы) - с повышенной коррозионной стойкостью, позволяет более эффективно защитить трубу от коррозии. В данном случае слой с повышенной коррозионной стойкостью защищен от воздействия абразивных частиц среды износостойким слоем. Поэтому коррозионностойкий, но менее износостойкий слой служит дольше, и труба лучше защищена от коррозии, чем в том случае, когда износостойкого слоя нет или он прилегает к металлической основе.
Двухслойное диффузионное покрытие эффективно также и в тех случаях, когда коррозия происходит не только вследствие абразивного воздействия среды, но и при проникновении коррозионной среды внутрь металической основы, например, кислорода, солей и др. Слой защитного покрытия, выполненный с повышенной коррозионной стойкостью, в структуре которого, в частности содержание е-фазы составляет не менее 2/3, значительно эффективнее препятствует образованию продуктов коррозии.
Выполнение защитного покрытия азотированным позволяет получать трубы с защитным диффузионным слоем без увеличения исходной толщины стенки трубы, что принципиально важно для корпусных труб, являющихся прецизионными и использующихся в насосных системах, при сборке труб с резьбой и т.п. Кроме того, изготовление труб с различной структурой защитных слоев и, как следствие, свойствами позволяет повысить стойкость труб с минимальными затратами, особенно труб из недорогих низколегированных сталей, содержащих марганец и алюминий, например 22ГЮ.
Использование такой трубы в качестве корпусной трубы обеспечивает ее эффективную работу в скважинах с абразивной и коррозионноактивной средой, что значительно увеличивает межремонтный период работы скважинного оборудования (например, погружных насосов и электродвигателей), снижает количество спуско-подъемных операций и, как следствие, повышает эффективность скважины.
Металлическую трубу с повышенной коррозионной стойкостью и износостойкостью наружной поверхности за счет азотирования получают, например следующим образом. Трубу из стали 22ГЮ помещают в герметически закрытую камеру, нагревают до температуры 600÷700°С и подают аммиак, который разлагается на водород и азот. Азот, внедряясь в металл, образует при температуре порядка 700°С коррозионностойкую ε-фазу. Продолжительность процесса составляет не более 1 часа. Затем температуру снижают до 540±40°С и процесс насыщения железа азотом идет с образованием α- и γ-фаз, а также с образованием нитридов марганца и алюминия - основных легирующих элементов стали 22ГЮ. Присутствующие в стали 22ГЮ также хром, титан и другие элементы образуют с атомарным азотом, выделяющимся при диссоциации аммиака, нитриды, которые вместе с α- и γ-фазами образуют износостойкий слой на наружной стороне трубы в поверхностном слое.
При необходимости исправления возможных дефектов формы трубы на первом этапе азотирования (при нагреве до температуры 700°С) процесс приостанавливают, трубу извлекают из камеры и выполняют правку до обеспечения прецизионной точности трубы по кривизне до 0,15 мм/м и по внутреннему диаметру с отклонением не более 0,12 мм, а затем подвергают второму этапу азотирования при нагреве до температуры 500÷580°С.
Предлагаемая металлическая труба была изготовлена и испытана в качестве корпусной трубы при работе на скважинах ООО «ЛУКОЙЛ-Коми» трех погружных электродвигателей (ПЭД) следующих типов:
22-117АП - наработка 1511 суток без ремонтных работ,
32-117АП - наработка 924 суток без ремонтных работ,
45-117АП - наработка 1193 суток без ремонтных работ
при обычной средней наработке ПЭД с корпусами из стали 22ГЮ - 200÷250 суток.
При проведении лабораторных исследований на общую коррозию установлено, что образцы, изготовленные из предлагаемой трубы, показали стойкость в 3,5÷3,75 раза выше, чем образцы труб из стали 22ГЮ и в 2,5 раза выше, чем образцы из труб с напыленным слоем.
Использование предлагаемой металлической трубы с защитным покрытием обеспечивает работу оборудования в высокоагрессивных коррозионных средах в течение длительного времени, увеличивает межремонтный период, кроме того, позволяет снизить расходы за счет использования труб из недорогих низколегированных сталей и существенно повысить эффективность нефтедобычи с применением погружного оборудования.