Способ обработки стальных деталей нефтегазодобывающего оборудования

 

Изобретение относится к области химико-термической обработки стальных деталей, в частности нефтегазодобывающего оборудования, и может быть использовано для повышения стойкости стальных деталей против усталостного разрушения, коррозии и износа в топливно-энергетической, металлургической и машиностроительной отраслях промышленности при металлообработке. Способ предусматривает предварительную обработку поверхности деталей дробью диаметром 0,4 - 0,8 мм, нитроцементацию при 500 - 600^o C в течение 4 - 6 часов и последующее оксидирование, осуществляемое путем охлаждения деталей после нитроцементации в воде. 1 табл.

Изобретение относится к способам повышения стойкости стальных изделий против коррозии, износа и усталостного разрушения методом термического поверхностного упрочнения и может быть использовано в топливно-энергетической, металлургической, машиностроительной и др. отраслях промышленности при металлообработке.

Известен способ повышения эксплуатационных свойств деталей, изготовленных из высоколегированных сталей методом последовательного насыщения деталей вначале азотом или азотом и углеродом с последующим контролируемым окислением поверхности кислородом непосредственно после насыщения.

Недостатком известного способа является нестабильность получения высокого качества поверхностных слоев; возможность получения слоев с ухудшенными физико-механическими свойствами ввиду неудовлетворительной плотности окисной пленки и наличия дефектов в ней при газовом окислении, что снижает коррозионную стойкость и износостойкость деталей. В связи с этим такой метод не может быть использован для повышения стойкости деталей трубопровода (трубы НКТ, муфты НКТ, переводники, штанги, детали насосов и др.) нефтегазодобывающего оборудования, подвергающихся в процессе эксплуатации в скважине химическому, механическому и термическому воздействиям смеси нефти, минерализованной пластовой воды и присутствующими в ней механическими примесями, а также агрессивных газов CO₂ и H₂S. При этом скважинная среда подается по трубопроводу под давлением 21 МПа и передвигается наверх со значительной скоростью, в результате чего температура деталей трубопровода и привода насоса в месте забора скважинной среды нередко достигает температуры +80^o C.

Кроме того, насыщение поверхности деталей кислородом или другим кислородсодержащим газом неэкономично с точки зрения организации мест складирования, хранения и доставки баллонов с соответствующих предприятий, наличия обменной тары и т.п. в период, когда интенсивно растут цены на нефтепродукты и технологические газы, а также требует строго соблюдения техники безопасности с целью исключения пожаро-взрывобезопасной обстановки на термическом участке.

Известен способ химико-термической обработки, (ХТО), повышающий коррозионную стойкость и износостойкость стальных деталей, включающий нагрев деталей в воздушной среде до 360 400^o C c выдержкой 10 30 мин; выдержку в азотсодержащей среде при 570 680^o C, затем оксидирование в газовой смеси, состоящей из кислорода и азота с соотношением 1:3 1:5 в течение 5 10 с; охлаждение ведут в воде, после чего осуществляют отпуск в масле с добавлением 0,5 10% серы при 120 140^o C в течение 30 40 мин. Реализация этого метода позволяет повысить коррозионную стойкость и износостойкость деталей тормозной аппаратуры семейства автомобилей ЗИЛ в 1,2 1,3 р по сравнению с известными методами.

Недостатком процесса является большая трудоемкость процесса (12 16 час), значительный расход дефицитных материалов и транспортных перевозок с одной технологической операции на другую.

Кроме того, как впрочем и любое другое упрочняющее диффузионное покрытие, известный способ приводит к значительному снижению пластических свойств материалов (ударной вязкости, удлинения, сжатия), в результате чего усталостная (циклическая) прочность материала невысока. В связи с этим известный способ был реализован для деталей, работающих в условиях атмосферной коррозии и дорожного износа (детали семейства автомобилей ЗиЛ). Для тяжелонагруженных деталей, таких как детали нефтегазодобывающего оборудования и других, работающих на циклическую прочность при знакопеременных нагрузках и износе в условиях коррозионно-активных сред, известный метод применен быть не может.

Целью настоящего изобретения является повышение стойкости стальных деталей, в том числе деталей нефтегазодобывающего оборудования, к коррозии, износу и усталостным разрушениям.

Поставленная цель достигается тем, что перед известным способом химико-термической обработки дополнительно вводится операция подготовки рабочей поверхности детали дробеструйной обработкой, а процесс охлаждения после химико-термической обработки совмещают с оксидированием и осуществляют в воде с температуры выдержки 560^oC600^o C.

Предлагаемый способ позволяет увеличить адгезионную прочность защитного покрытия; изменить напряженное состояние поверхностного слоя, создав в нем сжимающие остаточные напряжения; предотвратить или ослабить охрупчивающее влияние покрытия на свойства материала.

Созданное за счет дробеструйной обработки напряженное состояние поверхности способствует ускорению процессов диффузии при последующей химико-термической обработке. В результате формируется более качественный слой без резкой границы с основным металлом, что способствует увеличению сопротивления развитию трещин при переходе ее из диффузионного слоя в основной металл, повышению величины ударной вязкости и усталостной прочности материала, а, следовательно, повышению эксплуатационной стойкости и надежности стальных изделий в целом.

Охлаждение в воде обеспечивает высокое качество окисной пленки и увеличивает ее плотность за счет обработки поверхности паром, образующимся при охлаждении детали с температуры химико-термической обработки 560 600^o C в воде и образования паровой рубашки, что увеличивает коррозионную стойкость материала изделия. Образующийся ниже мартенсит с твердостью Hv=1200 800 кг/мм² повышает прочностные свойства, износостойкость и усталостную прочность стальных деталей.

Следует также отметить, что техническая вода, используемая в предлагаемом способе, является наиболее дешевым технологическим материалом, позволяющим получать качественную окисную пленку с хорошей адгезией к основному металлу за одну стадию обработки, в то время как в известном способе окисная пленка создается в несколько стадий сначала в газовой смеси, состоящей из кислорода и азота в соотношении 1:3 1:5, в течение 5 10 с, затем в воде, после чего осуществляют отпуск в масле с добавлением 0,5 10% серы при 120 - 140^o C в течение 30 40 мин. С этой точки зрения предлагаемый способ экономичен и менее трудоемок по сравнению с известным.

Предлагаемый способ состоит из известных в практике термообработки технологических операций, но их совокупность и определенная последовательность являются новыми и позволяют получить новый эффект повысить стойкость стальных деталей к коррозии, износу и усталостным разрушениям. Следовательно, предложенное решение является новым и соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ обладает широкими функциональными возможностями, по сравнению с известным, так как позволяет заменить дорогостоящие, стратегические дефицитные высоколегированные и нержавеющие стали на более дешевые среднелегированные, низколегированные и углеродистые, детали из которых после обработки по предлагаемому методу не уступают по стойкости выше указанным.

Предлагаемый способ повышения стойкости стальных изделий является экологически чистым технологическим процессом, не требующим создания дорогостоящих очистных сооружений и утилизации вредных отходов.

Пример. Детали трубопровода нефтегазодобывающего оборудования (насосно-компрессорные трубы, муфты), изготовленные из сталей 45, 40Х подвергали обработке по следующим режимам.

1 режим. Дробеструйная обработка рабочей поверхности технической дробью диаметром 0,6 мм в течение 4 мин. Нагрев до 580^o C в газовой смеси 70% NH₃ +30% эндогаза, выдержка 5 ч, охлаждение в воде.

Через 720 ч испытаний наблюдали 1 2 питтинга коррозии. Скорость общей коррозии составила 0,0252 мм/год; потеря веса при испытании на износ 1,4 мг; число циклов до разрушения 263000.

Затем изменяли только время дробеочистки и время выдержки при химико-термической обработке.

2 режим. Дробеструйная обработка поверхности дробью диаметром 0,4 мм, время дробеочистки 3 мин. Выдержка при ХТО=4 час.

3 режим. Дробеструйная обработка поверхности дробью диаметром 0,8 мм в течение 5 мин. Выдержка при ХТО=6 час.

4 режим. Дробеструйная обработка дробью диаметром 0,6 мм в течение 2 мин. Выдержка при ХТО=3 час.

5. Дробеструйная обработка дробью диаметром 0,6 мм в течение 6 мин. Выдержка при ХТО=7 час.

Испытания на коррозионную стойкость в экстремальных условиях (применительно к деталям нефтегазодобывающего оборудования) проводили на стенде фирмы "Сумитомо" (Япония) в условиях ВНИИТнефти (г. Самара) в течение 720 часов.

Условия испытания на стенде: среда 5% раствор NaCl, насыщенный H₂S и CO₂ до парциальных давлений 1,5 МПа (2,2 вес.) и 3,0 МПа (0,8 вес.) соответственно; температура среды 80^o C; давление 21 МПа.

Оценку защитных свойств покрытия проводили на образцах из трубной и муфтовой сталей (ст. 45 и ст. 40Х) размером 20 х 40 х 3 и Ф 4,7 х 31,7 мм по внешнему виду, скорости общей и питтинговой коррозии, изменению электрического потенциала и анодным поляризационным кривым. Определение скорости общей и питтинговой коррозии проводили на коррозионометре "Карратер" модели 1172, фирмы "Магма" (США). Определение электрического потенциала и снятие анодных поляризационных кривых производили на потенциостате П5827М в условиях ВНИИТнефти.

Испытания на износостойкость в условиях сухого трения проводили на лабораторной установке модели "ПЛМ" дискового типа в условиях Уральского политехнического института им. С.М.Кирова по схеме "диск-палец".

С целью моделирования реальных условий работы пары "труба-штанга" использовали диски из стали 40Х, пальцы из стали 40, размером Ф 8,2 х 15 мм.

Испытания на износостойкость проводили при постоянной величине удельного давления 0,5 МПа и скорости скольжения 0,7 м/с, соответствующей начальному интервалу скоростей испытания на износ (0,37 6,0 м/с).

Величину износа оценивали по абсолютной потере массы пальца до и после испытания и величине приведенного износа (потеря массы образца, отнесенная к единице пути трения мг/км).

Износостойкость покрытий резьбовых соединений "труба-муфта" определяли посредством последовательного 1; 4; 9; 13; 17; 21 кратного свинчивания-развинчивания фрагментов "труба-муфта" при помощи цепного ключа с крутящим моментом 80 кгс до сбега резьбы с оценкой сплошности покрытий в условиях ВНИИТнефти, при этом 21 свинчивание-развинчивание соответствует 5-и годам службы трубопровода нефтегазодобывающего оборудования; 5 7 - соответствует 1 году и менее службы.

Оценку нарушения сплошности определяли по осаждению контактной меди из 3% раствора CuSO₄ в течение 1 минуты.

Сравнительную оценку циклической прочности предлагаемого и известного способа проводили на круглых образцах ⊘ 8 мм, изготовленных из сталей 40 и 40Х в малоцикловой области испытаний по ГОСТ 25.502-79.

Испытания проводили на электрогидравлической испытательной машине EUS-20 производства ФРГ при пульсирующем растяжении. Максимальная нагрузка при статическом нагружении 20 тнс, минимальная 1 тнс. Циклическая нагрузка принималась 55% от максимальной статической нагрузки. Малоцикловые усталостные испытания проводили на базе 5 х 10⁴ циклов, позволяющие оценить сопротивление преждевременному разрушению при возможном повышении уровня номинальных напряжений выше величины предела текучести, в соответствии с рекомендациями ГОСТ 2860-65. Частота нагружения составляла 10 Герц; величину асимметрии цикла производили в пределах P=0,1.

В таблице 1 представлены результаты испытаний.

Анализ результатов по усталостной прочности показывает, что граничные значения заявляемых параметров, обеспечивают наилучшие результаты.

Дробеструйная обработка дробью в течение 2 мин является недостаточной для изменения напряженного состояния поверхностного слоя материала и создания в нем достаточных сжимающих напряжений, в результате при последующей химико-термической обработке процессы диффузии протекают медленно, формируется слой небольшой толщины с резкой границей к основному металлу, ударная вязкость материала падает, количество циклов до разрушения уменьшается с 263000 циклов до 208000.

Увеличение времени дробеструйной обработки свыше 5 мин практически не улучшает усталостную прочность материала (количество циклов до разрушения 213000) и увеличивает трудоемкость операции дробеочистки.

Увеличение времени выдержки при химико-термической обработке свыше 6 часов нецелесообразно, т.к. практически не улучшает усталостную прочностью материала (количество циклов до разрушения составило 243000). Снижение выдержки до 3 час резко снижает усталостную прочность материала до 198000 циклов. По сравнению с известным методом предлагаемый способ увеличивает усталостную прочность в 3 раза.

Реализация предлагаемого способа позволяет повысить коррозионную стойкость и износостойкость деталей нефтегазодобывающего оборудования более, чем в 10 раз, а количество свинчиваний-развинчиваний увеличивается в 3 раза, что особенно важно для деталей нефтегазодобывающего оборудования, т.к. срок службы труб и муфт увеличивается с 1 года до 4 5 лет.

Формула изобретения

1 Способ обработки стальных деталей нефтегазодобывающего оборудования, включающий нитроцементацию и последующее оксидирование поверхности, отличающийся тем, что предварительно поверхность детали подвергают дробеструйной обработке технической дробью диаметром 0,4 - 0,8 мм в течение 3 5 мин, нитроцементацию проводят при 560 - 600ºС в течение 4 6 ч, а оксидирование ведут путем охлаждения в воде с температуры нитроцементации.

РИСУНКИ

Рисунок 1