Антикоррозионные покрытия для нефтедобывающей техники

Постановка задачи

При постоянном увеличении объемов добычи нефти, уровень эксплуатационной нагрузки на нефтедобывающую технику чрезвычайно высок, что в свою очередь приводит к активному износу бурового оборудования.

Для многократного использования его необходимо изготавливать либо из коррозионностойких (нержавеющих) сталей, что очень дорого, либо обеспечивать буровому оборудованию, изготовленному из обычных конструкционных сталей, надежную защиту от коррозии, применяя для этого специальные защитные покрытия.

Сервисной компанией «БОРЕЦ» перед ООО «СКТБ АВТОГЕНТЕХМАШ» была поставлена задача по созданию комплекса оборудования для нанесения антикоррозионных покрытий из нержавеющей стали на внешние поверхности корпусов установок электроцентробежных насосов (установки УЭЦН для добычи нефти, ТУ 26–06–1486–87) отечественного и импортного производства.

Требования к комплексу

Параметры корпусов УЭЦН

Антикоррозионная защита поверхностей деталей должна обеспечиваться нанесением на их внешнюю поверхность слоя толщиной 350 мкм из нержавеющей стали методом газотермического напыления.

Функциональные требования

Комплекс должен обеспечивать:

Технические параметры

Выбор метода нанесения покрытия

Газотермическим напылением называют процесс получения покрытий из различных материалов, основанный на нагреве материала до жидкого состояния и его распыления с помощью газовой струи.

Сравниваемые методы

Критерии выбора

Для выбора оптимального метода нанесения покрытия исходим из технологических требований:

Преимущества электродугового напыления

В отличие от газопламенного при электродуговом напылении:

• ✓ В покрытии отсутствуют продукты сгорания горючей смеси
• ✓ Нагрев поверхности изделия значительно ниже (80–90°C)
• ✓ Выше производительность
• ✓ Выше прочность сцепления покрытия с поверхностью детали
• ✓ Скорость частиц около 250 м/с

Прочность сцепления покрытия с поверхностью оценивалась в многократных исследованиях. Перегрев напыляемых частиц выше температуры плавления повышает прочность их соединения с поверхностью металла (подложкой) и увеличивает площадь пятна химического взаимодействия.

Вывод: для подбора оборудования выбираем метод электродугового напыления.

Компоновка комплекса

На основании предъявленных требований ООО «СКТБ АВТОГЕНТЕХМАШ» провело работы по проектированию комплекса и подбору оборудования.

Линейная схема расположения

Была выбрана линейная схема расположения оборудования, как наиболее оптимально соответствующая последовательности выполняемых операций.

Рис. 1. Общий вид комплекса оборудования для нанесения антикоррозионного покрытия на корпуса УЭЦН

Принцип работы

Такая компоновка линии напыления позволяет обеспечить непрерывный цикл обработки заготовок:

Пока производится металлизация первой заготовки, вторая в синхронном режиме проходит дробеструйную обработку, что очень важно, так как заготовка поступает на участок металлизации сразу после абразивоструйной обработки.

Рольганг

Рольганг, имеющий единое управление, был разбит на три секции, что обеспечивало включение только тех секций рольганга, которые участвовали в работе.

Скорость продольной подачи заготовки определяется углом поворота блоков роликов к горизонтальной оси. Скорость вращения заготовки устанавливается с помощью цифрового привода.

Очистка воздуха

Дробеструйная обработка и металлизация заготовок производятся в герметичных камерах, к каждой из которых подключены установки очистки воздуха производства ЗАО «КОНСАР» (РФ) со степенью очистки — 99,98%, что позволяет размещать установки очистки воздуха непосредственно в цехе.

Дробеструйная обработка

Участок струйно-абразивной обработки состоит из:

Рис. 2. Камера дробеструйной обработки

Параметры дробеструйной обработки

При выборе материала для дробеструйной обработки исходят из твердости обрабатываемого материала. Чем выше твердость обрабатываемой поверхности, тем выше должно быть давление воздуха и меньше расстояние от торца сопла дробеструйного пистолета до поверхности.

Результат обработки

После дробеструйной обработки вся поверхность изделия испещрена мельчайшими канавками и выступами и имеет матовый цвет.

В связи с тем, что дробеструйная обработка создает не только шероховатость поверхности, но и разрушает имеющуюся на ней окисную пленку, то данную операцию рекомендуется выполнять непосредственно перед нанесением покрытия.

Чем меньше разрыв во времени между подготовкой поверхности детали к напылению, тем выше прочность сцепления нанесенного слоя с деталью.

Участок металлизации

Для проведения процесса электродуговой металлизации применяется аппаратура КДМ-5, изготовленная в ООО «СКТБ АВТОГЕНТЕХМАШ».

Параметры процесса

Состав оборудования

Рис. 3. Камера металлизации

Нанесение покрытия

Нанесение покрытия на заготовку производится методом электродугового напыления, где расплавленный металл под воздействием струи сжатого воздуха, подаваемого из сопла, отрывается от проволок, одновременно распыляясь на множество мельчайших частиц.

Характеристики частиц

Механизм формирования покрытия

За время полета жидкие частицы в зависимости от величины сил поверхностного натяжения приобретают сферическую, каплевидную или осколочную форму и покрываются окисной пленкой.

Разогретые и пластичные частицы металла, образовавшиеся при плавлении проволок и перемещенные струей сжатого воздуха, ударяются о поверхность детали.

Процесс сцепления

За счет кинетической энергии, у летящих с большой скоростью частиц при ударе о поверхность:

1. Окисная оболочка разрушается
2. Жидкий металл смачивает поверхность
3. Заполняет неровности
4. Плотно контактирует с поверхностью
5. Происходит мгновенная закалка частиц

Многослойное нанесение

В нашем случае наносится покрытие из нержавеющей стали марки Х18Н10Т. В качестве материала используется проволока диаметром 1,6 мм.

Покрытие наносится в три слоя, толщина каждого слоя 115–120 мкм.

Результаты испытаний

Прочность сцепления

На основании проведенных испытаний прочность сцепления равна 250–280 кгс/см².

Прочность сцепления проверялась по клеевой методике на цилиндрических образцах диаметром 20 мм.

Пористость и плотность

Пористость и плотность наравне с прочностью сцепления являются важными параметрами покрытия. Количество пор и их размеры, следовательно, и плотность напыленного металла в зависимости от условий металлизации изменяются в широких пределах.

В нашем случае пористость составила 4–5%.

Пропитка покрытия

Для уменьшения количества пор в покрытии, кроме выбора оптимального технологического режима напыления, полученное покрытие пропитывают составом на основе эпоксидной смолы с последующей покраской.

Применение технологии

Газотермическое напыление относится к ресурсосберегающим и реновационным технологиям, сферы применения которых во всех отраслях промышленности будут только расширяться.

Пример применения электродугового напыления

Уникальность комплекса

Работу, выполненную по созданию комплекса для нанесения антикоррозионных покрытий на корпуса электроцентробежных насосов, можно отнести к разряду уникальных, так как потребность в подобном оборудовании невелика и такой комплекс может быть востребован в очередной раз не скоро.

Многообразие применения

Но если внимательно рассмотреть технологические возможности созданного оборудования, то можно увидеть многообразие его применения.

Электродуговой метод напыления позволяет только за счет изменения технологических параметров применять различные металлы, такие как алюминий, цинк, медь, латунь, бронза и др., для получения защитного или восстанавливающего покрытия.

Области применения

Покрытия могут наноситься на различные детали цилиндрической формы:

• ✓ Валы
• ✓ Трубы
• ✓ Столбы освещения
• ✓ Другие цилиндрические изделия

Наносимые металлизационные покрытия позволяют:

• ✓ Обеспечить защиту основного материала от коррозии от 20 до 50 лет и более
• ✓ Восстановить изношенные поверхности с приданием изделиям новых свойств (повышенной износостойкости)
• ✓ Получить на диэлектрической поверхности токопроводящий слой

Заключение

Созданный комплекс электродугового напыления обеспечивает:

Комплекс представляет собой современное решение для антикоррозионной защиты нефтедобывающего оборудования с возможностью применения в различных отраслях промышленности.

А. К. Никитин
Генеральный директор
ООО «СКТБ АВТОГЕНТЕХМАШ»