ПЛУНЖЕР НАСОСА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к плунжерным насосам высокого давления, предназначенным в частности для нефтегазопромысловых установок.
Насосы высокого давления применяются в составе специализированных мобильных комплексов нефтегазопромыслового оборудования для цементирования и кислотной обработки скважин, гидравлического разрыва пластов, гидропескоструйной перфорации, глушения и других работ, и предназначены для перемешивания и дозированной подачи жидкостей. Насосы высокого давления работают в сложных условиях с абразивосодержащими, быстротвердеющими, коррозионными и другими агрессивными жидкими средами. От надежности нефтегазопромысловых установок, и, прежде всего насосов, во многом зависит качество проведения необходимых технологических операций и, как следствие, эффективность дальнейшей эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Плунжеры работают в условиях трения скольжения, под воздействием агрессивной среды. При этом их конструкционные нагрузки не так велики, чтобы оправдать их изготовление целиком из материалов, обладающих высокой твердостью и коррозионной стойкостью. За годы эксплуатации данных деталей было предложено ряд решений задачи упрочнения и защиты от коррозии рабочей поверхности плунжеров, а именно закалка, азотирование, гальванические покрытия, наплавка. Однако каждое из этих решений имеет свои ограничения по применимым средам, экологической чистоте процесса и стоимости и расходу материала.
Известен плунжер насоса высокого давления из конструкционной стали с нанесенным на его рабочую поверхность износостойким и
коррозионностойким покрытием. Покрытие нанесено на поверхность плазменным методом напыления (Даутов Т.М., Газаров Р.Е. Новое поколение плунжерных насосов высокого давления производства ОАО «Ижнефтемаш». Журнал «Нефтяное хозяйство». - 2003 г. - №7).
Однако не всякое покрытие, несмотря на наличие свойств износостойкости и коррозионной стойкости, может обеспечить высокий ресурс работы плунжера в условиях действия особо агрессивных сред, например при цементировании или кислотной обработке скважин. Кроме того, плазменный метод напыления допускает остаточную пористость покрытия, снижающую его коррозионную стойкость.
Известен плунжер насоса высокого давления, предназначенный для закачки раствора для цементирования нефтяных или газовых скважин, выполненный в виде цилиндра из конструкционной стали, при этом наружная боковая поверхность цилиндра выполнена с хромовым отполированным покрытием (Патент РФ №73408, 2008 г.).
Данное покрытие является, во-первых, дорогим, а во-вторых, допускающим коррозию базового материала плунжера ввиду возможности проникновения жидкости через поры хромового покрытия. Кроме того, хромовое покрытие, как правило, наносится очень тонким слоем (толщина покрытия составляет 0,1 мм), что при эксплуатации плунжера приводит к его механическому повреждению и, как следствие, выходу плунжера из строя.
Задачей, на решение которой направлено заявленное решение, является повышение гарантированного ресурса эксплуатации плунжера, за счет формирования на его поверхности защитного слоя, который, обладая высокими адгезионными характеристиками и низкой пористостью, обеспечивает надежную долговременную защиту рабочей поверхности плунжера от коррозии и абразивного истирания в тяжелых условиях эксплуатации.
3
2
3
2
Задача решается тем, что в плунжере насоса высокого давления, выполненном в виде стержня из конструкционной стали с цилиндрической рабочей поверхностью и заходными фасками, рабочая поверхность стержня выполнена с кольцевой клиновидной расточкой с образованием участка под напыление глубиной от 0,02 до 2 мм, на который посредством газотермического, преимущественно высокоскоростного газопламенного напыления, нанесено металлокерамическое покрытие на основе одного из следующих материалов: WC/CoCr, WC/Ni, СrС/NiСr, WC/CrC/Ni, при этом участок под напыление составляет всю длину рабочей поверхности за исключением участков, прилегающих к заходным фаскам, величина каждого из которых по длине составляет не более 5 мм.
Газотермические методы напыления позволяют сформировать тонкий слой защитного покрытия, обладающего высокой адгезией к основному материалу и низкой пористостью.
Метод высокоскоростного газопламенного напыления позволяет произвести покрытие при низкой температуре без оплавления, что исключает внесение внутренних напряжений в корпус плунжера. Относительно низкая температура газовой струи и отсутствие свободного кислорода обеспечивает низкое содержание оксидов в покрытии, что способствует повышению его коррозионной стойкости.
3
2
3
2
Применение для напыления порошковых металлокерамических материалов, таких как карбид вольфрама на кобальт-хромовой связке (WC/CoCr), карбид вольфрама на никелевой связке (WC/Ni), карбид хрома на никель-хромовой связке (СrС/NiСr) или смесь карбида вольфрама и карбида хрома на никелевой связке (WC/CrC/Ni) в сочетании с высокоскоростным методом их напыления позволяет получить покрытие, отличающееся высокой твердостью, адгезией, коррозионной стойкостью при толщине, не
превышающей сотен микрон. Сквозная пористость у такого покрытия отсутствует, а общая пористость не превышает процента.
Выполнение рабочей поверхности стержня с кольцевой клиновидной расточкой с образованием участка под напыление глубиной от 0,02 до 2 мм, является операцией предварительной обработки поверхности, являющейся одним из важнейших факторов, определяющих прочность сцепления напыленного покрытия с основным металлом. Такая механическая обработка плунжера позволяет обеспечить износостойкость покрытию, предназначенному для работы в условиях больших нагрузок. Нанесение покрытия на обработанный участок под напыление, составляющий всю длину рабочей поверхности плунжера за исключением участков, прилегающих к заходным фаскам, величина каждого из которых по длине составляет не более 5 мм, позволяет обеспечить защиту практически всей поверхности плунжера, исключая при этом образование сколов покрытия после его нанесения при его последующей шлифовке, а также при эксплуатации плунжера.
На фиг.1 представлен общий вид плунжера насоса высокого давления нефтепромысловой установки; на фиг.2 - вид А фиг.1; на фиг.3 - вид Б фиг.1.
Плунжер в виде цилиндра 1 изготовлен из конструкционной или низкоуглеродистой стали. Наружная поверхность цилиндра 1 предварительно обработана, для чего на ней выполнена предварительная клиновидная расточка 2 под покрытие 3. Глубина расточки может составлять от 0,02 до 2 мм. Длина расточки и, соответственно, участка под напыление составляет всю длину рабочей поверхности за исключением участков 4, прилегающих к заходным фаскам 5, величина каждого из которых по длине составляет не более 5 мм.
На подготовленную поверхность нанесен слой износо и коррозионно-стойкого покрытия 3, толщина которого соответствует глубине расточки 2.
3
2
3
2
Слой покрытия 3 нанесен методом высокоскоростного газопламенного напыления порошкового металлокерамического материала, выбранного из следующего числа: WC/CoCr, WC/Ni, CrC/NiCr, WC/CrC/Ni.
При работе плунжера защитный слой покрытия 3 предохраняет его наружную поверхность от коррозии, возникающей в результате взаимодействия с агрессивной средой. Кроме того, этот защитный слой, обладая высокой твердостью и высокими адгезионными характеристиками, предохраняет наружную поверхность плунжера от абразивного истирания в тяжелых условиях скважинного бурения или эксплуатации скважин.
Пример реализации 1: На наружную поверхность плунжера методом высокоскоростного газопламенного напыления нанесли покрытие на основе порошка карбида вольфрама на кобаль-хромовой связке толщиной 250 мкм. Каждая частица напыляемого порошка содержит частицы карбида вольфрама, диспергированные в материале связки (СоСr). Покрытие нанесено на расточенную до глубины 0,25 мм поверхность плунжера за исключением прилегающих к заходным фаскам участков, составляющих по 3 мм по длине плунжера от каждой фаски. Пористость покрытия составила <1%, адгезия - >80 МПа. Твердость покрытия - 1150 HV0,3. Нанесенное покрытие позволяет повысить ресурс плунжера при работе в условиях гидроабразивного изнашивания в 4 раза по сравнению с азотированием и 4-6 раз по сравнению с гальваническим хромированием.
Пример реализации 2: На наружную поверхность плунжера методом высокоскоростного газопламенного напыления нанесли покрытие на основе порошка карбида хрома на никель-хромовой связке толщиной 200 мкм. Покрытие нанесено на расточенную до глубины 0,2 мм поверхность плунжера за исключением прилегающих к заходным фаскам участков, составляющих 2 мм по длине плунжера от каждой фаски. Пористость покрытия составила <1%, адгезия - >80 МПа. Твердость покрытия - 900 HV0,3. Нанесенное покрытие позволяет повысить ресурс плунжера в 2-3
раза по сравнению с азотированием и 4 раза по сравнению с гальваническим хромированием.
Предлагаемое покрытие защищает наружную поверхность корпуса плунжера от коррозии при работе в очень агрессивной среде и, кроме того, обладая высокой твердостью, эластичностью и плотностью покрытия (99,5%), хорошо противостоит истиранию и растрескиванию.