Введение к работе
Актуальность работы. Большинство деталей нефтедобывающего оборудования, изготавливаемых из конструкционных и инструментальных сталей, эксплуатируются в экстремальных промышленных условиях. Основным препятствием для широкого использования гидромеханической щелевой перфорации обсадных труб нефтяных скважин является низкая прочность режущего накатного диска. Условия работы накатных дисков являются крайне жесткими. Диски находятся в агрессивной среде, содержащей сероводород, и подвергаются значительным механическим нагрузкам. В этих условиях основными причинами отказов накатных дисков являются изнашивание режущей кромки и хрупкое разрушение вследствие коррозионного растрескивания.
Традиционные способы улучшения качества машиностроительных материалов во многом исчерпали свои резервы. Диффузионные металлические покрытия – наиболее перспективный способ повышения работоспособности деталей изготовленных из конструкционных металлов и сплавов, работающих в различных эксплуатационных условиях, особенно для защиты от воздействия агрессивных сред. Они имеют хорошую связь с основным металлом, которая достигается в результате образования твердых растворов или химических соединений.
В настоящее время многие вопросы получения покрытий в среде легкоплавких металлов изложены недостаточно. Имеются ограниченные сведения о получении этим методом многокомпонентных покрытий. Получение многокомпонентных покрытий в условиях двухкомпонентной диффузии на сталях и сплавах в жидкометаллических транспортных расплавах требует выявления закономерностей формирования покрытий и создания новых способов управления составом и структурой покрытий. Оценка эксплуатационных свойств конструкционных материалов с защитными диффузионными покрытиями требует проведения исследований их коррозионной стойкости и прочностных свойств применительно к условиям работы нефтедобывающего оборудования.
В частности, разработка способа упрочнения и защиты от коррозионного растрескивания режущих накатных роликов гидромеханических перфораторов, работающих в условиях одновременного воздействия сероводородсодержащих агрессивных сред и больших динамических нагрузок является весьма актуальной. Актуальность работы подтверждена грантом «Производство режущего инструмента для гидромеханических скважинных перфораторов».
Целью работы является разработка научных и технологических основ получения, в условиях двухкомпонентной диффузии, многокомпонентного упрочняющегося, коррозионностойкого диффузионного покрытия на основе Ni и Cu, обладающего характеристиками, удовлетворяющими эксплуатационным требованиям нефтедобывающего оборудования и установление закономерностей его формирования в жидкометаллических расплавах.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи теоретического и прикладного характера:
исследовать физико-химические процессы получения многокомпонентных покрытий, при двухкомпонентной диффузии, в жидкометаллических растворах.
обосновать выбор насыщающей среды и режимов насыщения.
исследовать влияние параметров технологического процесса на кинетику формирования никель-медных покрытий на конструкционных материалах.
исследовать влияние параметров технологического процесса на состав, структуру и характер распределения легирующих элементов покрытия в диффузионном слое.
установить оптимальные технологические режимы получения многокомпонентного Ni-Cu покрытия при двухкомпонентном насыщении.
установить оптимальный режим термической обработки режущих накатных роликов с диффузионным никель-медным покрытием.
оценить влияние диффузионного насыщения и термической обработки на коррозионно-механические свойства материалов.
разработать технологический процесс получения упрочняющихся, коррозионностойких никель-медных покрытий применительно к режущим накатным роликам гидромеханических перфораторов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих научных результатах, которые выносятся на защиту:
-
Обнаружено явление активизации процесса формирования многокомпонентного Ni-Cu покрытия на легированных сталях при двухкомпонентном насыщении в жидкометаллическом расплаве на основе cвинца за счёт введения в него 0,75…1,0 % (вес.) лития. Активизация процесса вызвана более высокой термодинамической активностью лития к компонентам стали, что приводит к раскислению оксидных плёнок, находящихся на поверхности стали.
-
Обнаружено явление деформационного упрочнения диффузионного Ni-Cu покрытия в результате пластической деформации. Высказана гипотеза, что деформационное упрочнение вызвано дисперсионным расслоением твёрдого раствора в системе Ni-Cu при концентрации легирующих элементов Ni 54 % (масс.), Cu 26 % (масс.) в результате действующих напряжений.
-
Установлены кинетические зависимости формирования многокомпонентного диффузионного Ni-Cu покрытия в условиях двухкомпонентного насыщения в жидкометаллических растворах Pb и эвтектики Pb-Li. На основании экспериментов определён характер распределения элементов в диффузионном слое в зависимости от технологических режимов насыщения.
Научная новизна проведённых исследований подтверждена патентом РФ на изобретение № 2271265.
Практическая значимость и реализация результатов работы в промышленности. Совокупность полученных в работе научных данных использована для разработки основных технологических решений по формированию диффузионных Ni-Cu покрытий и установлению режимов последующей термической обработки деталей нефтедобывающего оборудования.
Разработанный способ упрочнения режущих накатных роликов, включающий химико-термическую и термическую обработки в едином технологическом цикле положен в основу создания технологического процесса упрочнения режущих накатных роликов гидромеханических перфораторов. Разработанная технология позволяет увеличить эксплуатационный срок работы режущих накатных роликов в 2…3 раза, сократить в 2…5 раз технологическое время на перфорацию скважин, за счет увеличения скорости резания, сократив тем самым период внеэксплуатационного простоя нефтяных скважин.
Разработано оборудование для реализации технологического процесса упрочнения режущих накатных роликов.
Проведены стендовые и промышленные испытания режущих накатных роликов при перфорации обсадных труб нефтяных скважин. Полученные результаты показали высокую надежность режущих накатных роликов с покрытиями в условиях сероводородсодержащей агрессивной среды и больших динамических нагрузок. Режущие накатные ролики упрочнённые по разработанной технологии внедрены на ООО «Екатеринодар Бизнес».
Ожидаемый экономический эффект от внедрения созданных научно-технических и технологических решений по упрочнению режущих накатных роликов для перфорации обсадных труб нефтяных скважин в районе г. Когалым Тюменской области составляет 1200000 рублей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: международной научной конференции “FISITA 2004” г. Барселона, Испания; научно-практической конференции “Технологическое обеспечение качества машин и приборов”, г. Пенза, Россия, 2004; III международной конференции “Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследование, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий”, автономная республика Крым, Украина, 2004; II международной научно-технической конференции “Металлофизика, механика материалов и процессов деформирования”, г. Самара, Россия, 2004; IV всероссийской научно-практической конференции “Инновации в машиностроении”, г. Пенза, Россия, 2004; International Surface Engineering Congress (ISEC). Surface Modification Technologies (SMT), St. Paul, Minnesota, USA, 2005.
Результаты работы представлялись на выставке “Hannover Messe-2005”, Ганновер, Германия.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе одна работа опубликована в центральном рецензируемом издании. По материалам работы получен патент Российской Федерации на изобретение № 2271265.
Работа выполнялась на кафедре материаловедения и автосервиса Кубанского государственного технологического университета в соответствии с госбюджетной темой № 4.2.01-05 «Разработка и освоение новых технологических процессов получения и производства деталей с особыми физико-механическими свойствами», а также по гранту “Производство режущего инструмента для гидромеханических скважинных перфораторов” конкурса 2005 года.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов и результатов работы, библиографического списка из 190 источников и 3 приложений. Работа содержит 157 страниц машинописного текста, 45 рисунков и 11 таблиц. В приложениях помещены акты промышленных испытаний и о внедрении результатов работы.
