eng
Выпуск #3/2008
А.Чирков, Д.Корякин.
Лазерно-плазменное нанесение покрытий на резьбы насосно-компрессорных труб
Лазерно-плазменное нанесение покрытий на резьбы насосно-компрессорных труб
Просмотры: 4025
Ресурс работы и надежность резьбового соединения "труба-муфта" насосно-компрессорных труб (НКТ) в условиях нефтедобычи не удовлетворяет современным требованиям промышленности. Такая резьба НКТ выдерживает не более 5–7 "свинчиваний-развинчиваний", так как подвергается интенсивному абразивному и коррозионному износу. Одним из способов повышения надежности и ресурса работы таких труб является лазерное нанесение резьбовых покрытий. О полученных результатах и идет речь ниже.
На сегодня разработаны и успешно внедрены достаточно много различных технологий нанесения таких покрытий, использующих: газотермические методы напыления (высокоскоростное – HVAF, плазменное – APS, газопламенное – Flame Spray); сверхзвуковое газопламенное напыление (HVOF); газопламенное напыление с последующим оплавлением; газопламенное напыление шнуровыми материалами и газодинамическое напыление.
Каждая технология нанесения покрытий имеет свои преимущества и недостатки, определяющие их области применения. Так, технологии газотермического напыления имеют ряд недостатков, которые характерны практически для всех методов нанесения покрытий и не позволяют применять данные технологии для нанесения покрытий на трубные резьбы. К ним относятся:
* невозможность получать качественное покрытие толщиной менее 50 мкм;
* высокая неравномерность толщины покрытия (если она <50 мкм), превышающая ±20 мкм;
* низкая адгезионная прочность наносимого покрытия (менее 80 МПа), не гарантирующая его надежности, особенно при работе в тяжелых условиях эксплуатации.
Анализ указанных технологий нанесения покрытий с помощью газотермического метода показал, что ни одна из них не удовлетворяет всему комплексу требований, предъявляемых к покрытию, наносимому на резьбы НКТ: по толщине, допускам на толщину, износостойкости и уплотнительности, коррозионной стойкости, антифрикционности и шероховатости поверхности (Rz≥20 мкм).
Одной из современных тенденций развития технологий обработки материалов является применение гибридных и комбинированных технологий лазерной обработки: лазерно-светолучевых, лазерно-дуговых, лазерно-плазменных, лазерно-индукционных, лазерно-ультразвуковых и тандемные лазерных.
Гибридные и комбинированные лазерно-плазменные технологии позволяют в значительной мере устранить недостатки, присущие плазменному нанесению покрытий, устранив полностью или частично недостатки, присущие газотермическим методам напыления.
Сегодня покрытие, наносимое на резьбы НКТ, должно быть:
* износостойким, обладающим свойствами твердой смазки: быть уплотнительным, противозадирным, антифрикционным;
* защищать резьбу от коррозии в агрессивных нефтепромысловых средах, содержащих сероводород и углекислый газ;
* иметь прочное сцепление с основой;
* быть сплошным и равномерным с толщиной покрытия 30–40 мкм и шероховатостью Rz<20 мкм.
Требование к износостойкости и уплотнительности покрытия достаточно противоречивы. Так, износостойкость предполагает высокую твердость, а уплотнительность выдвигает требование высокой пластичности наносимого покрытия. Нанесение высококачественного покрытия с такими свойствами и толщиной в несколько десятков микрон является трудной технологической задачей.
Для ее решения был предложен лазерно-плазменный способ нанесения покрытий на резьбы труб НКТ. Для его реализации использовался волоконный лазер модели ЛС-2 компании "IPG" (рис.1).
Внешний вид резьбы у НКТ с нанесенным покрытием лазерно-плазменным методом показан на рис.2.
Проведенные металлографические исследования шлифов поверхностного слоя (рис.3) не выявили пористости покрытия и показали высокую равномерность толщины покрытия.
Оценка качества защитного покрытия проводилась по следующим критериям:
* По внешнему виду покрытия – установили:
o покрытие прочно сцеплено с основным металлом, сплошное, равномерное, шероховатое;
o вздутия, раковины, трещины, наросты и отслоения отсутствуют;
o цвет покрытия однородный – красно-желтый.
* По механическим свойствам металла резьбы – установили:
o свойства металла после нанесения покрытия остались в пределах требования ГОСТ 633 для группы прочности "Д";
o временное сопротивление σв составило 70 кгс/мм2 (при норме не менее 66,8 кгс/мм2);
o предел текучести σт – 45,4 кгс/мм2 (при норме – 38,7–56,2 кгс/мм2);
o относительное удлинение δ5 – 26,8% (при норме не менее 14,3%).
По шагу резьбы, высоте профиля, углам наклона сторон профиля – установили: после нанесения покрытия все указанные показатели остались в норме.
Кроме того на всех образцах отмечалось увеличение против исходного значения натяга резьбы по резьбовому калибру.
Оценку износоустойчивости покрытия проводили методом многократного "свинчивания-развинчивания" резьбового соединения "ниппель НКТ с резьбовым лазерно-плазменным покрытием (ЛПП) – муфта без резьбового покрытия" на автоматической установке САМ Р-4.5/П-К трубной линии участка отделки и сдачи НКТ. Результаты контроля свидетельствуют о достаточно высокой износоустойчивости покрытия. После 40 циклов "свинчивания-развинчивания" покрытие на основной резьбовой поверхности сохранилось и не подверглось существенным разрушениям.
Исследования стойкости покрытия общей коррозии в сероводородсодержащей среде производили по методике "ВНИИТнефть". Скорость коррозии нанесенного покрытия сопоставима со скоростью коррозии основного металла, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к НКТ.
Каждая технология нанесения покрытий имеет свои преимущества и недостатки, определяющие их области применения. Так, технологии газотермического напыления имеют ряд недостатков, которые характерны практически для всех методов нанесения покрытий и не позволяют применять данные технологии для нанесения покрытий на трубные резьбы. К ним относятся:
* невозможность получать качественное покрытие толщиной менее 50 мкм;
* высокая неравномерность толщины покрытия (если она <50 мкм), превышающая ±20 мкм;
* низкая адгезионная прочность наносимого покрытия (менее 80 МПа), не гарантирующая его надежности, особенно при работе в тяжелых условиях эксплуатации.
Анализ указанных технологий нанесения покрытий с помощью газотермического метода показал, что ни одна из них не удовлетворяет всему комплексу требований, предъявляемых к покрытию, наносимому на резьбы НКТ: по толщине, допускам на толщину, износостойкости и уплотнительности, коррозионной стойкости, антифрикционности и шероховатости поверхности (Rz≥20 мкм).
Одной из современных тенденций развития технологий обработки материалов является применение гибридных и комбинированных технологий лазерной обработки: лазерно-светолучевых, лазерно-дуговых, лазерно-плазменных, лазерно-индукционных, лазерно-ультразвуковых и тандемные лазерных.
Гибридные и комбинированные лазерно-плазменные технологии позволяют в значительной мере устранить недостатки, присущие плазменному нанесению покрытий, устранив полностью или частично недостатки, присущие газотермическим методам напыления.
Сегодня покрытие, наносимое на резьбы НКТ, должно быть:
* износостойким, обладающим свойствами твердой смазки: быть уплотнительным, противозадирным, антифрикционным;
* защищать резьбу от коррозии в агрессивных нефтепромысловых средах, содержащих сероводород и углекислый газ;
* иметь прочное сцепление с основой;
* быть сплошным и равномерным с толщиной покрытия 30–40 мкм и шероховатостью Rz<20 мкм.
Требование к износостойкости и уплотнительности покрытия достаточно противоречивы. Так, износостойкость предполагает высокую твердость, а уплотнительность выдвигает требование высокой пластичности наносимого покрытия. Нанесение высококачественного покрытия с такими свойствами и толщиной в несколько десятков микрон является трудной технологической задачей.
Для ее решения был предложен лазерно-плазменный способ нанесения покрытий на резьбы труб НКТ. Для его реализации использовался волоконный лазер модели ЛС-2 компании "IPG" (рис.1).
Внешний вид резьбы у НКТ с нанесенным покрытием лазерно-плазменным методом показан на рис.2.
Проведенные металлографические исследования шлифов поверхностного слоя (рис.3) не выявили пористости покрытия и показали высокую равномерность толщины покрытия.
Оценка качества защитного покрытия проводилась по следующим критериям:
* По внешнему виду покрытия – установили:
o покрытие прочно сцеплено с основным металлом, сплошное, равномерное, шероховатое;
o вздутия, раковины, трещины, наросты и отслоения отсутствуют;
o цвет покрытия однородный – красно-желтый.
* По механическим свойствам металла резьбы – установили:
o свойства металла после нанесения покрытия остались в пределах требования ГОСТ 633 для группы прочности "Д";
o временное сопротивление σв составило 70 кгс/мм2 (при норме не менее 66,8 кгс/мм2);
o предел текучести σт – 45,4 кгс/мм2 (при норме – 38,7–56,2 кгс/мм2);
o относительное удлинение δ5 – 26,8% (при норме не менее 14,3%).
По шагу резьбы, высоте профиля, углам наклона сторон профиля – установили: после нанесения покрытия все указанные показатели остались в норме.
Кроме того на всех образцах отмечалось увеличение против исходного значения натяга резьбы по резьбовому калибру.
Оценку износоустойчивости покрытия проводили методом многократного "свинчивания-развинчивания" резьбового соединения "ниппель НКТ с резьбовым лазерно-плазменным покрытием (ЛПП) – муфта без резьбового покрытия" на автоматической установке САМ Р-4.5/П-К трубной линии участка отделки и сдачи НКТ. Результаты контроля свидетельствуют о достаточно высокой износоустойчивости покрытия. После 40 циклов "свинчивания-развинчивания" покрытие на основной резьбовой поверхности сохранилось и не подверглось существенным разрушениям.
Исследования стойкости покрытия общей коррозии в сероводородсодержащей среде производили по методике "ВНИИТнефть". Скорость коррозии нанесенного покрытия сопоставима со скоростью коррозии основного металла, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к НКТ.
Отзывы читателей
