Articles

Буровой инструмент, используемый в газовой и нефтяной промышленности, в процессе эксплуатации изнашивается или ломается, что приводит к уменьшению его срока службы и необходимости его замены. Для его упрочнения, как правило, наносят слой твердосплавного покрытия различными методами. Наиболее оптимальным по производительности, цене и качеству, является метод порошковой плазменной наплавки (ППН). Достоинства метода плазменной наплавки заключаются в следующем: высокая производительность наплавки — выше 25 кг/ч; эффективность метода — около 85 %; низкая растворимость основного металла в наплавленном слое (до 5%); высокое качество наплавленного металла; минимальные потери присадочного материала; возможность наплавки относительно тонких слоев (0,5-5,0 мм).

АННОТАЦИЯ. Развитие современных энергетических газовых турбин предполагает увеличение мощности, уменьшение расхода топлива, увеличение общей надежности функционирования турбины и, как следствие, увеличение ресурса. В связи с этим возникает потребность в инновационных подходах к совершенствованию и разработке нового поколения металлических и керамических материалов для деталей и покрытий различного функционального назначения, обладающих повышенной стойкостью к разрушению в условиях воздействия циклических термомеханических напряжений и агрессивных сред.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: газотермическое напыление, термобарьерные покрытия, теплозащитные покрытия, газотурбинные установки, рабочие лопатки, сопловые лопатки.

Развитие технологических процессов ремонта не стоит на месте, и на данный момент существуют методы защиты новых и восстановления изношенных деталей, позволяющих эффективно решать ряд проблем — износ трущихся деталей, снижение коэффициента трения, гидроабразивный износ, коррозию и др. Ведущие западные фирмы давно используют покрытия различного функционального назначения в своей продукции. Клапана двигателей внутреннего сгорания в процессе эксплуатации изнашиваются, что приводит к уменьшению их срока службы и необходимости дорогостоящего ремонта двигателя внутреннего сгорания.
Для их упрочнения, как правило, наносят защитный слой покрытия различными методами. Из существующих способов плазменной наплавки наибольшее распространение получила плазменно-порошковая наплавка как наиболее универсальный метод.

Безотказность машин определяется стабильностью ресурсов восстановленных деталей, которая зависит от правильного выбора способа восстановления и строгого соблюдения технологического процесса.Из-за удорожания техники и запасных частей к ней и резкого снижения покупательной способности сельских товаропроизводителей АПК республики, восстановление изношенных деталей является самым доступным способом поддержания парка машин в работоспособном состоянии. В представленных ниже материалах приведен перечень рекомендуемых для восстановления деталей тракторов и сельхозмашин в условиях МТС, способы восстановления и перечень необходимого оборудования и материалов.

Характерной особенностью плазменных методов нанесения покрытий является возможность получения покрытий из простых веществ, сплавов, безкислородных соединений, оксидов, композиционных материалов и др., в качестве основного материала (подложки) использовать металлы, стекло, керамику, пластмассы. Композиционные порошки по строению делят на плакированные и конгломератные. Плакированная частица представляет собой ядро одного материала, покрытого одним или несколькими слоями других материалов. Конгломератные частицы сформированы из множества исходных частиц.

Добыча – погружное оборудование

• Антикоррозионная защита корпусов;
• Антифрикционные покрытия;
• Направляющие аппараты;
• Гильзы газосепараторов.

С помощью газотермического напыления решаются задачи многократного продления ресурса оборудования нефтяной и газовой промышленности, металлургии, химии и нефтехимии. По косвенной оценке (количество продаваемого оборудования) насыщенность европейской промышленности выше оснащенности российских предприятий примерно в 350 - 400 раз, что прямо сказывается на конкурентоспособности отечественных деталей и оборудования. 
К числу наиболее перспективных методов нанесения газотермических покрытий относятся плазменный и высокоскоростной газопламенный (HVOF)-процессы. Назначение и область применения плазменного напыления порошковыми материалами – нанесение покрытий со специальными свойствами: (коррозионностойких, жаростойких, теплозащитных, антифрикционных и т.д.) при изготовлении и ремонте деталей и узлов, подвергающихся во время работы воздействию высоких нагрузок и интенсивному изнашиванию.

На сегодняшний день данная технология защиты внутренней поверхности адсорберов включена как обязательная в регламент ежегодных планово-предупредительных ремонтов, произведено напыление всех колонн абсорберов, используемых в «Газпром Добыча Астрахань», на двух колоннах проведено ремонтное напыление.

Экономический эффект заказчика составил несколько сотен миллионов рублей за четыре года работы. Эффект складывается из следующих факторов:

• Сокращение затрат на приобретение новых колонн (ранее колонна подлежала замене каждые 6 лет).
• Сокращение затрат на монтажные/демонтажные и пусконаладочные работы.

Технология и метод ее применения одобрены органами технического надзора России, имеются согласования от проектных организаций, положительные отзывы заказчиков. В настоящее время ведутся работы по исследованию применения наноструктурированных покрытий.

Потребовалось освоение плазменных методов нанесения покрытий с различными служебными свойствами. Плазменная технология нанесения покрытий весьма универсальна. Она позволяет наносить твёрдые покрытия:
керамические, хромоникелевые (порошками ПГСР 3,4), пористые, монолитные (после оплавления при температуре 1100 оС), мягкие (соединения меди, олова, алюминия и т. д.)

Другим направлением, требующим серьезных материальных затрат на ремонт и закупку нового оборудования взамен изношенного, является перерабатывающая промышленность. В процессе эксплуатации основного технологического оборудования ООО «Астраханьгазпром» - дочерней структуры ОАО «ГАЗПРОМ», возникла проблема коррозионного и эрозионного износа и язвенной коррозии внутренней поверхности корпусов колонн абсорбера очистки природного газа от сероводорода, с содержанием последнего до 26%. В рамках контракта с ООО «Астраханьгазпром» была разработана новая технология и изготовлено роботизированное оборудование для нанесения защитного покрытия методом высокоскоростного газотермического напыления внутренних поверхностей колонн без их демонтажа. После успешного проведения работ по защите первой колонны, всё оборудование было передано на баланс ООО «Астраханьгазпром». Одновременно с этим была передана лицензия на нанесение данного типа покрытий на колонны абсорбера и проведено обучение персонала. ООО «ТСЗП» осуществляет авторский надзор, в то время как работы по напылению проводят силами ООО «Астраханьгазпром». По результатам контроля за период более чем трехлетней эксплуатации колонн-абсорберов, отремонтированных методом газотермического напыления был сделан вывод предотвращении процесса коррозионно-эрозионного износа, который составляет менее 0,1мм по сравнению с 8-10мм в год колон без покрытия. Данная технология включена как обязательная в регламент ежегодных плановопредупредительных ремонтов, исследования проводились при непосредственном участии « ВНИИГАЗ», после чего были выданы рекомендации о целесообразности применения данной технологии защиты от сероводорода на других газоперерабатывающих предприятиях .

Не станем изобретать велосипед и обратимся к американскому опыту. Там уже много лет используется защита поверхностей от коррозии и износа с помощью газотермического напыления. При этом проведённый мониторинг на протяжении 30 лет показал техническую и экономическую эффективность применения данных технологий, в том числе в высоко-агрессивных средах (морская и речная вода, атмосфера с повышенным содержанием сернистых выбросов и т.д.) В качестве материала покрытия используется не полимер или порошковая краска. На поверхности конструкций из черного металла газотермическим напылением создается тонкое – 150-200 мкм покрытие из металла с необходимыми свойствами – кислотостойкого, термостойкого, декоративного…
Нанесенное покрытие имеет на порядок более высокую стойкость к абразивному износу, чем любой лакокрасочный материал. Для повышения защиты возможно комплексное использование металлического покрытия с последующей пропиткой полимерной композицией. Металлическое покрытие обеспечивает защиту от коррозии и износа, полимер закрывает поры и обеспечивает дополнительную защиту поверхности. Комплексное покрытие обеспечивает 20-25 лет службы без коррозии. 

• Высокоскоростное газопламенное напыление.
  В основе метода лежит нагрев порошковых частиц с одновременным ускорением их при нанесении до сверхзвуковых скоростей. Частицы порошка посредством газовой струи переносятся на деталь, обладая высокой кинетической энергией, которая при ударе о подложку превращается в тепловую. В качестве напыляемых материалов используются различные металлические и металлокерамические порошки. Достигается прочность сцепления более 80 МПа, Пористость менее 1%, Твердость до 72 HRC.
• Плазменное напыление.
  В качестве плазмообразующего газа используется аргон, а в качестве вторичного газа – водород, азот или гелий. Порошковый материал расплавляется при попадании в плазменную дугу и кристаллизуется на поверхности детали. Для напыления может использоваться практически любой порошковый материал – металлические сплавы, металлокерамика и керамика. Достигается прочность сцепления до 80 МПа, Пористость менее 1-5%, Твердость до 70 HRC.
• Газопламенное напыление.
  Проволока распыляется в потоке сгорающего в кислороде газа (ацетилена или пропана). Сжатым воздухом расплавленный материал переносится на деталь, где происходит кристаллизация и формирование покрытия. В качестве материалов используется проволока. Достигается прочность сцепления до 40 МПа, Пористость 1-8%, Твердость до 55 HRC.

Центральной задачей в современной развитии техники является повышение долговечности и надежности узлов и деталей металлургической, химической и нефтеперабатывающей, аэрокосмической и других отраслей техники за счет уменьшения интенсивности изнашивания и коррозии различных деталей за счет применения газотермических покрытий. Все это тесно связано с совершенствованием материалов и технологических процессов нанесения функциональных покрытий со специальными свойствами К числу наиболее перспективных методов нанесения газотермических покрытий относятся плазменный и высокоскоростной газопламенный (HVOF)-процессы. Назначение и область применения плазменного напыления порошковыми материалами – нанесение покрытий со специальными свойствами: (коррозионно-стойких, жаростойких, теплозащитных, антифрикционных и т.д.) при изготовлении и ремонте деталей и узлов, 

В газовой, нефтяной и нефтехимической промышленностях − насосно-компрессорное и турбинное оборудование: посадочные места роторов; лопатки и диски паровых, газовых турбин и компрессоров; уплотнительные поверхности на роторе и статоре; подшипники скольжения; посадочные места подшипников и уплотнительных поверхностей статора; рабочие поверхности колёс и лопастей; штоки и плунжеры; элементы торцевых уплотнений; трубопроводная арматура: уплотнительные поверхности клиновых, шаровых и шиберных задвижек; уплотнительные поверхности приводных элементов; поверхности гидро- и пневмоприводов; электродвигатели: роторы; посадочные места корпусных элементов.

Нанесение теплозащитных покрытий на лопатки ГТД позволяет значительно повысить их ресурс работы. В связи с этим представляет интерес изыскание материала покрытия с оптимальными свойствами, обеспечивающими выполнение этой задачи. Одним из таких материалов является оксид циркония. Из всех оксидов (наиболее стойких химических соединений, имеющих высокие температуры плавления), оксид циркония имеет минимальную теплопроводность и наиболее пригоден для целей теплозащиты (рис.1). С увеличением пористости (рис.2) коэффициент теплопроводности значительно падает. Для использования в качестве теплозащиты коэффициент теплопроводности покрытия не должен превышать 3 Вт/м.К.(для лопатки турбины ГТД). При плазменном напылении керамики пористость покрытия достигает 15- 20% и более, а это значит, что коэффициент теплопроводности покрытия < 1,5 Вт/м.К Таким образом, ZrO2 наиболее пригоден для применения. Однако в отличие от многих оксидов ZrO2 имеет полиморфизм. При нагреве моноклинная структура ZrO2 последовательно превращается в тетрагональную и кубическую. Охлаждение приводит к обратной модификации, причем переход из одной формы кристаллической решетки в другую связан с объемным изменением материала и его разрушением.

В связи с усложнением условий добычи все более востребованной в добыче нефти становится механизированная добыча, от 60 до 90% скважин в зависимости от месторождения снащены УЭЦН. Это обусловлено высокой производительностью, легкостью обслуживания, как следствие, низкой себестоимостью добываемой нефти. Однако сероводород, соли, механические примеси резко снижают ресурс работы УЭЦН Задачи продления ресурсов могут решаться применением специальных материалов корпусов или применением защитных покрытий.
Применение специальных материалов ограничивается высокой себестоимостью самих материалов, трудностью последующей их обработки. Применение спецсталей решает проблему продления ресурса не во всех условиях, то есть их широкое применение неизбежно потребует резкого увеличения вариаций исполнения УЭЦН а значит, увеличения их цены. Все большое значение во всем мире приобретает применение покрытий. Опыт Shell, Chevron, Texaco, BP, массово применяющих защитные покрытий для продления ресурса УЭЦН, показывает, что наиболее востребованы покрытия для защиты от коррозии корпуса, двигателя и гидрозащиты УЭЦН.

Плазменное напыление. В качестве плазмообразующего газа используется аргон, а в качестве вторичного газа – водород, азот или гелий. Порошковый материал расплавляется при попадании в плазменную дугу и кристаллизуется на поверхности детали. Для напыления может использоваться практически любой порошковый материал – металлические сплавы, металлокерамика и керамика.
Газопламенное напыление. Проволока распыляется в потоке сгорающего в кислороде газа (ацетилена или пропана). Сжатым воздухом расплавленный материал переносится на деталь, где происходит кристаллизация и формирование покрытия. В качестве материалов используется любая проволока диаметром 3,00…3,17 мм

Проведенный анализ показывает, что при использовании современных технологий реально в течение длительного периода поддерживать оборудование в работоспособном состоянии без замены его новым. Это позволит примерно на 30% снизить затраты на капитальный ремонт, увеличить межремонтный пробег оборудования, обеспечить достаточный запас времени для технического перевооружения предприятий.

На основе структурного анализа компоновки и функционального назначения технологических установок можно выделить следующие основные детали и узлы эксплуатируемого оборудования, для которых при ремонте эффективно использование газотермических методов нанесения покрытий.

В 1989 г. на специализированном участке металлизации напылением электродепо <Измайлово> Московского метрополитена была выпущена установочная партия вагонных осей типов РУI, РУIШ в количестве 20 шт. с напыленными буксовыми шейками по технологической инструкции И32-ВНИИЖТ-0503/3-87. Сформированные на Московском локомотиворемонтном заводе колесные пары с этими осями в период 1992…1994 гг. проходили эксплуатационную проверку на Экспериментальном кольце ст. Щербинка под гружеными полувагонами при нагрузке 27 тс на ось.

Результаты испытаний удовлетворительные: после пробега более 350 тыс. км износ покрытия в норме; отколов, выкрашивания, трещин, следов коррозии не имеется. Квалификационная комиссия пришла к выводу, что все оси с напыленными шейками пригодны к дальнейшей эксплуатации.