Сейчас для добычи нефти активно используют штанговые скважинные насосные установки, которые эксплуатируются в агрессивных средах под высоким давлением. Цилиндр и поршень в них подвержены износу, поэтому для повышения прочности проводят ионно-плазменное азотирование.

Ученые Пермского Политеха внесли корректировки в технологический процесс изготовления оборудования. Это позволит значительно снизить затраты на ремонт скважины и замену насоса для нефтедобывающих компаний.

Статья опубликована в журнале «Черные металлы» № 10 за 2024 год. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Биметаллический цилиндр для поршня насоса изготавливают из обечайки (металлической короткой трубы), и лейнера (вставки из нержавеющей стали). Последний делают из стали 08Х17Т, которую также применяют в машиностроении, строительстве, пищевой промышленности и автомобилестроении. Лейнер поступает на предприятие в сварном состоянии. Для повышения износостойкости его внутреннюю поверхность подвергают азотированию — насыщению поверхности азотом. В результате получается высококачественное покрытие с определенной структурой и составом. Но неравномерное распределение твердости по всем зонам сварного шва может привести к разрушению и отделению слоев материала. Для качественного азотированного слоя нужна стабильная ровная структура всей насыщаемой поверхности, она гарантирует высокие эксплуатационные характеристики изделия.

Ученые Пермского Политеха исследовали азотируемость деформированного лейнера из стали 08Х17Т со сварным швом и влияние состава насыщающей среды на конечный результат. Для снижения хрупкости слоев процесс проводили в азотно-водородных средах с различным содержанием аргона и добавками метана.

«Мы выяснили, что в среде аммиака твердость азотированного слоя в центре сварного шва существенно выше, чем в других его зонах. Это отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках изделия. Азотирование в среде аргона, азота, водорода и метана при температуре 500 °C и длительности выдержки 12 часов позволяет сформировать по всей внутренней поверхности лейнера равномерный упрочненный слой, включая зону сварного шва», — комментирует Ольга Силина, доцент кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Результаты исследования ученых Пермского Политеха позволили внести корректировки в технологический процесс азотирования биметаллических цилиндров с лейнером из стали 08Х17Т. Для компаний-производителей это значительно снизит репутационные риски, а также уменьшит затраты на ремонт скважины и замену насоса, повысив эффективность добычи нефти.