ПЛУНЖЕР НАСОСА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к нефтегазопромысловым установкам с плунжерными насосами высокого давления.
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 нефтегазопромысловой установки 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 достаточную пористость покрытия, снижающую коррозионную стойкость покрытия.
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 хромовой пластины. Кроме того, хромовое покрытие, как правило, наносится очень тонким слоем (толщина покрытия составляет 0,1 мм), что не исключает его механического повреждения при эксплуатации плунжера.
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 скважинного бурения.
Задача решается тем, что в плунжере насоса высокого давления, выполненным в виде стержня из конструкционной стали с износостойким и
3
2
3
2
коррозионностойким покрытием на его рабочей поверхности, покрытие выполнено посредством высокоскоростного газопламенного напыления порошкового металлокерамического материала, выбранного из следующего числа: WC/CoCr, WC/Ni, CrC/NiCr, WC/CrC/Ni, причем покрытие нанесено на всю рабочую поверхность плунжера за исключением прилегающих к его торцам участков, величина каждого из которых по длине плунжера составляет не более 5 мм.
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.
Высокоскоростной метод 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.
Нанесение покрытия на всю рабочую поверхность плунжера за исключением прилегающих к его торцам участков, величина каждого из которых по длине плунжера 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 чертеже представлен общий вид плунжера насоса высокого давления нефтепромысловой установки.
3
2
3
2
Плунжер в виде цилиндра 1 изготовлен из конструкционной или низкоуглеродистой стали. На наружную поверхность цилиндра 1 нанесен слой износо и коррозионно-стойкого покрытия 2. Слой 2 нанесен методом высокоскоростного газопламенного напыления порошкового металлокерамического материала, выбранного из следующего числа: WC/CoCr, WC/Ni, СrС/NiСr, WC/CrC/Ni. Покрытие нанесено на всю наружную поверхность плунжера за исключением прилегающих к его торцам участков 3, величина каждого из которых по длине плунжера составляет не более 5 мм.
При работе плунжера защитный слой 2 предохраняет его наружную поверхность от коррозии, возникающей в результате взаимодействия с агрессивной средой. Кроме того, этот защитный слой, обладая высокими твердостью и 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 всю поверхность плунжера за исключением прилегающих к торцам цилиндра участков, составляющих 3 мм по длине плунжера от каждого из торцов. 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 всю поверхность плунжера за исключением прилегающих к торцам цилиндра участков, составляющих 2 мм по длине плунжера от каждого из торцов. 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.