RU80904U1

RU80904U1 - HIGH PRESSURE PUMP PLUNGER

Info

Publication number: RU80904U1
Application number: RU2008140104/22U
Authority: RU
Inventors: Лев Христофорович Балдаев; Сергей Львович Балдаев; Виталий Владимирович Гераськин; Светлана Салаватовна Мухаметова; Евгений Анатольевич Панфилов; Сергей Геннадьевич Суслин
Original assignee: Лев Христофорович Балдаев
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2009-02-27

Abstract

Полезная модель относится к плунжерным насосам высокого давления, предназначенным в частности для нефтегазопромысловых установок. Плунжер насоса высокого давления выполнен в виде стержня из конструкционной стали. Рабочая поверхность которого выполнена с кольцевой клиновидной расточкой с образованием участка под напыление глубиной от 0,02 до 2 мм, на который посредством газотермического, преимущественно высокоскоростного газопламенного напыления, нанесено металлокерамическое покрытие на основе одного из следующих материалов: WC/CoCr, WC/Ni, Сr₃С₂/NiСr, WC/Cr₃C₂/Ni, при этом участок под напыление составляет всю длину рабочей поверхности за исключением участков, прилегающих к заходным фаскам, величина каждого из которых по длине составляет не более 5 мм. Предлагаемое покрытие защищает наружную поверхность корпуса плунжера от коррозии, истирания и растрескивания при работе в условиях гидроабразивного изнашивания.The invention relates to high-pressure plunger pumps intended in particular for oil and gas production units. The plunger of the high pressure pump is made in the form of a rod made of structural steel. The working surface of which is made with an annular wedge-shaped bore with the formation of a plot for spraying with a depth of 0.02 to 2 mm, on which, by means of a thermal, mainly high-speed flame spraying, a ceramic-metal coating is applied based on one of the following materials: WC / CoCr, WC / Ni, Cr ₃ C ₂ / NiСr, WC / Cr ₃ C ₂ / Ni, and the spraying area is the entire length of the working surface except for areas adjacent to the entrance chamfers, each of which is no more than 5 mm in length. The proposed coating protects the outer surface of the plunger housing from corrosion, abrasion and cracking when working in conditions of hydroabrasive wear.

Description

Полезная модель относится к плунжерным насосам высокого давления, предназначенным в частности для нефтегазопромысловых установок.The invention relates to high-pressure plunger pumps intended in particular for oil and gas production units.

Насосы высокого давления применяются в составе специализированных мобильных комплексов нефтегазопромыслового оборудования для цементирования и кислотной обработки скважин, гидравлического разрыва пластов, гидропескоструйной перфорации, глушения и других работ, и предназначены для перемешивания и дозированной подачи жидкостей. Насосы высокого давления работают в сложных условиях с абразивосодержащими, быстротвердеющими, коррозионными и другими агрессивными жидкими средами. От надежности нефтегазопромысловых установок, и, прежде всего насосов, во многом зависит качество проведения необходимых технологических операций и, как следствие, эффективность дальнейшей эксплуатации нефтяных и газовых скважин.High pressure pumps are used as part of specialized mobile complexes of oil and gas field equipment for cementing and acid treatment of wells, hydraulic fracturing, sandblasting, perforation and other works, and are intended for mixing and dosed supply of liquids. High pressure pumps operate in difficult conditions with abrasive-containing, quick-hardening, corrosive and other aggressive liquid media. The quality of the necessary technological operations and, as a consequence, the effectiveness of the further operation of oil and gas wells, largely depend on the reliability of oil and gas production installations, and, above all, pumps.

Плунжеры работают в условиях трения скольжения, под воздействием агрессивной среды. При этом их конструкционные нагрузки не так велики, чтобы оправдать их изготовление целиком из материалов, обладающих высокой твердостью и коррозионной стойкостью. За годы эксплуатации данных деталей было предложено ряд решений задачи упрочнения и защиты от коррозии рабочей поверхности плунжеров, а именно закалка, азотирование, гальванические покрытия, наплавка. Однако каждое из этих решений имеет свои ограничения по применимым средам, экологической чистоте процесса и стоимости и расходу материала.Plungers operate under sliding friction, under the influence of an aggressive environment. At the same time, their structural loads are not so large as to justify their manufacture entirely from materials having high hardness and corrosion resistance. Over the years of operation of these parts, a number of solutions to the problem of hardening and corrosion protection of the plunger working surface have been proposed, namely hardening, nitriding, galvanic coatings, and surfacing. However, each of these solutions has its own limitations on the applicable environments, the environmental cleanliness of the process and the cost and consumption of the material.

Известен плунжер насоса высокого давления из конструкционной стали с нанесенным на его рабочую поверхность износостойким и Known plunger for a high pressure pump made of structural steel with wear-resistant applied on its working surface and

коррозионностойким покрытием. Покрытие нанесено на поверхность плазменным методом напыления (Даутов Т.М., Газаров Р.Е. Новое поколение плунжерных насосов высокого давления производства ОАО «Ижнефтемаш». Журнал «Нефтяное хозяйство». - 2003 г. - №7).corrosion resistant coating. The coating is applied to the surface by a plasma spraying method (Dautov TM, Gazarov RE. A new generation of high-pressure plunger pumps manufactured by OAO Izhneftemash. Journal of Oil Industry. - 2003 - No. 7).

Однако не всякое покрытие, несмотря на наличие свойств износостойкости и коррозионной стойкости, может обеспечить высокий ресурс работы плунжера в условиях действия особо агрессивных сред, например при цементировании или кислотной обработке скважин. Кроме того, плазменный метод напыления допускает остаточную пористость покрытия, снижающую его коррозионную стойкость.However, not every coating, in spite of the presence of wear and corrosion resistance properties, can provide a high service life of the plunger under conditions of action of particularly aggressive environments, for example during cementing or acid treatment of wells. In addition, the plasma spraying method allows for residual porosity of the coating, which reduces its corrosion resistance.

Известен плунжер насоса высокого давления, предназначенный для закачки раствора для цементирования нефтяных или газовых скважин, выполненный в виде цилиндра из конструкционной стали, при этом наружная боковая поверхность цилиндра выполнена с хромовым отполированным покрытием (Патент РФ №73408, 2008 г.).A known plunger of a high pressure pump designed to inject a solution for cementing oil or gas wells, made in the form of a cylinder of structural steel, while the outer side surface of the cylinder is made with polished chrome coating (RF Patent No. 73408, 2008).

Данное покрытие является, во-первых, дорогим, а во-вторых, допускающим коррозию базового материала плунжера ввиду возможности проникновения жидкости через поры хромового покрытия. Кроме того, хромовое покрытие, как правило, наносится очень тонким слоем (толщина покрытия составляет 0,1 мм), что при эксплуатации плунжера приводит к его механическому повреждению и, как следствие, выходу плунжера из строя.This coating is, firstly, expensive, and secondly, allowing corrosion of the base material of the plunger due to the possibility of penetration of fluid through the pores of the chrome coating. In addition, the chrome coating, as a rule, is applied with a very thin layer (coating thickness is 0.1 mm), which during operation of the plunger leads to mechanical damage and, as a consequence, the plunger breaks down.

Задачей, на решение которой направлено заявленное решение, является повышение гарантированного ресурса эксплуатации плунжера, за счет формирования на его поверхности защитного слоя, который, обладая высокими адгезионными характеристиками и низкой пористостью, обеспечивает надежную долговременную защиту рабочей поверхности плунжера от коррозии и абразивного истирания в тяжелых условиях эксплуатации.The problem to which the claimed solution is directed is to increase the guaranteed service life of the plunger by forming a protective layer on its surface, which, having high adhesive characteristics and low porosity, provides reliable long-term protection of the plunger working surface from corrosion and abrasion in difficult conditions operation.

Задача решается тем, что в плунжере насоса высокого давления, выполненном в виде стержня из конструкционной стали с цилиндрической рабочей поверхностью и заходными фасками, рабочая поверхность стержня выполнена с кольцевой клиновидной расточкой с образованием участка под напыление глубиной от 0,02 до 2 мм, на который посредством газотермического, преимущественно высокоскоростного газопламенного напыления, нанесено металлокерамическое покрытие на основе одного из следующих материалов: WC/CoCr, WC/Ni, Сr₃С₂/NiСr, WC/Cr₃C₂/Ni, при этом участок под напыление составляет всю длину рабочей поверхности за исключением участков, прилегающих к заходным фаскам, величина каждого из которых по длине составляет не более 5 мм.The problem is solved in that in the plunger of the high-pressure pump, made in the form of a rod made of structural steel with a cylindrical working surface and entry chamfers, the working surface of the rod is made with an annular wedge-shaped bore with the formation of a section for spraying with a depth of 0.02 to 2 mm, on which by thermal spraying, preferably a high-speed flame spraying, coated cermet coating based on one of the following materials: WC / CoCr, WC / Ni , Cr ₃ C ₂ / NiSr, WC / Cr ₃ C ₂ / Ni, wherein the portion under n dusting of the entire length of the working surface except in the areas adjacent to the lead-in chamfer, the magnitude of each of which the length is not more than 5 mm.

Газотермические методы напыления позволяют сформировать тонкий слой защитного покрытия, обладающего высокой адгезией к основному материалу и низкой пористостью.Thermal spraying methods allow the formation of a thin layer of protective coating with high adhesion to the base material and low porosity.

Метод высокоскоростного газопламенного напыления позволяет произвести покрытие при низкой температуре без оплавления, что исключает внесение внутренних напряжений в корпус плунжера. Относительно низкая температура газовой струи и отсутствие свободного кислорода обеспечивает низкое содержание оксидов в покрытии, что способствует повышению его коррозионной стойкости.The method of high-speed flame spraying allows coating at low temperature without reflow, which eliminates the introduction of internal stresses into the plunger body. The relatively low temperature of the gas stream and the absence of free oxygen provides a low oxide content in the coating, which contributes to an increase in its corrosion resistance.

Применение для напыления порошковых металлокерамических материалов, таких как карбид вольфрама на кобальт-хромовой связке (WC/CoCr), карбид вольфрама на никелевой связке (WC/Ni), карбид хрома на никель-хромовой связке (Сr₃С₂/NiСr) или смесь карбида вольфрама и карбида хрома на никелевой связке (WC/Cr₃C₂/Ni) в сочетании с высокоскоростным методом их напыления позволяет получить покрытие, отличающееся высокой твердостью, адгезией, коррозионной стойкостью при толщине, не Application for spraying powdered cermet materials such as tungsten carbide on a cobalt-chromium bond (WC / CoCr), tungsten carbide on a nickel bond (WC / Ni), chromium carbide on a nickel-chromium bond (Cr ₃ C ₂ / NiCr) or a mixture tungsten carbide and chromium carbide on a nickel bond (WC / Cr ₃ C ₂ / Ni) in combination with a high-speed method of spraying them allows to obtain a coating characterized by high hardness, adhesion, corrosion resistance at a thickness not

превышающей сотен микрон. Сквозная пористость у такого покрытия отсутствует, а общая пористость не превышает процента.exceeding hundreds of microns. The through porosity of such a coating is absent, and the total porosity does not exceed a percent.

Выполнение рабочей поверхности стержня с кольцевой клиновидной расточкой с образованием участка под напыление глубиной от 0,02 до 2 мм, является операцией предварительной обработки поверхности, являющейся одним из важнейших факторов, определяющих прочность сцепления напыленного покрытия с основным металлом. Такая механическая обработка плунжера позволяет обеспечить износостойкость покрытию, предназначенному для работы в условиях больших нагрузок. Нанесение покрытия на обработанный участок под напыление, составляющий всю длину рабочей поверхности плунжера за исключением участков, прилегающих к заходным фаскам, величина каждого из которых по длине составляет не более 5 мм, позволяет обеспечить защиту практически всей поверхности плунжера, исключая при этом образование сколов покрытия после его нанесения при его последующей шлифовке, а также при эксплуатации плунжера.The implementation of the working surface of the rod with an annular wedge-shaped bore with the formation of a plot for spraying with a depth of 0.02 to 2 mm, is the surface pre-treatment operation, which is one of the most important factors determining the adhesion strength of the sprayed coating to the base metal. This mechanical processing of the plunger allows to provide wear resistance to the coating, designed to work under heavy loads. Coating the treated area for spraying, which is the entire length of the working surface of the plunger with the exception of areas adjacent to the entrance chamfers, the size of each of which is no more than 5 mm in length, can protect almost the entire surface of the plunger, eliminating the formation of chips after coating its application during its subsequent grinding, as well as during operation of the plunger.

На фиг.1 представлен общий вид плунжера насоса высокого давления нефтепромысловой установки; на фиг.2 - вид А фиг.1; на фиг.3 - вид Б фиг.1.Figure 1 presents a General view of the plunger of the high pressure pump of an oil field installation; figure 2 is a view a of figure 1; figure 3 is a view B of figure 1.

Плунжер в виде цилиндра 1 изготовлен из конструкционной или низкоуглеродистой стали. Наружная поверхность цилиндра 1 предварительно обработана, для чего на ней выполнена предварительная клиновидная расточка 2 под покрытие 3. Глубина расточки может составлять от 0,02 до 2 мм. Длина расточки и, соответственно, участка под напыление составляет всю длину рабочей поверхности за исключением участков 4, прилегающих к заходным фаскам 5, величина каждого из которых по длине составляет не более 5 мм.The plunger in the form of a cylinder 1 is made of structural or low carbon steel. The outer surface of the cylinder 1 is pre-treated, for which a preliminary wedge-shaped bore 2 is made under it under the coating 3. The depth of the bore can be from 0.02 to 2 mm. The length of the bore and, accordingly, of the deposition area is the entire length of the working surface, with the exception of sections 4 adjacent to the entrance chamfers 5, the length of each of which is no more than 5 mm in length.

На подготовленную поверхность нанесен слой износо и коррозионно-стойкого покрытия 3, толщина которого соответствует глубине расточки 2.A layer of wear and corrosion-resistant coating 3 is applied to the prepared surface, the thickness of which corresponds to the depth of the bore 2.

Слой покрытия 3 нанесен методом высокоскоростного газопламенного напыления порошкового металлокерамического материала, выбранного из следующего числа: WC/CoCr, WC/Ni, Cr₃C₂/NiCr, WC/Cr₃C₂/Ni.The coating layer 3 is applied by high-speed flame spraying of a cermet powder selected from the following: WC / CoCr, WC / Ni, Cr ₃ C ₂ / NiCr, WC / Cr ₃ C ₂ / Ni.

При работе плунжера защитный слой покрытия 3 предохраняет его наружную поверхность от коррозии, возникающей в результате взаимодействия с агрессивной средой. Кроме того, этот защитный слой, обладая высокой твердостью и высокими адгезионными характеристиками, предохраняет наружную поверхность плунжера от абразивного истирания в тяжелых условиях скважинного бурения или эксплуатации скважин.During the operation of the plunger, the protective layer of the coating 3 protects its outer surface from corrosion resulting from interaction with an aggressive environment. In addition, this protective layer, having high hardness and high adhesive characteristics, protects the outer surface of the plunger from abrasion in difficult conditions of borehole drilling or well operation.

Пример реализации 1: На наружную поверхность плунжера методом высокоскоростного газопламенного напыления нанесли покрытие на основе порошка карбида вольфрама на кобаль-хромовой связке толщиной 250 мкм. Каждая частица напыляемого порошка содержит частицы карбида вольфрама, диспергированные в материале связки (СоСr). Покрытие нанесено на расточенную до глубины 0,25 мм поверхность плунжера за исключением прилегающих к заходным фаскам участков, составляющих по 3 мм по длине плунжера от каждой фаски. Пористость покрытия составила <1%, адгезия - >80 МПа. Твердость покрытия - 1150 HV0,3. Нанесенное покрытие позволяет повысить ресурс плунжера при работе в условиях гидроабразивного изнашивания в 4 раза по сравнению с азотированием и 4-6 раз по сравнению с гальваническим хромированием.Implementation example 1: A coating based on a tungsten carbide powder on a cobalt-chromium bond 250 μm thick was applied to the outer surface of the plunger by high-speed flame spraying. Each particle of the sprayed powder contains tungsten carbide particles dispersed in a binder material (CoCr). The coating is applied to the surface of the plunger, bored to a depth of 0.25 mm, with the exception of sections adjacent to the inlet chamfers, comprising 3 mm along the length of the plunger from each chamfer. The coating porosity was <1%, adhesion -> 80 MPa. The hardness of the coating is 1150 HV0.3. The applied coating allows to increase the plunger resource when working in conditions of hydroabrasive wear by 4 times compared to nitriding and 4-6 times compared to galvanic chrome plating.

Пример реализации 2: На наружную поверхность плунжера методом высокоскоростного газопламенного напыления нанесли покрытие на основе порошка карбида хрома на никель-хромовой связке толщиной 200 мкм. Покрытие нанесено на расточенную до глубины 0,2 мм поверхность плунжера за исключением прилегающих к заходным фаскам участков, составляющих 2 мм по длине плунжера от каждой фаски. Пористость покрытия составила <1%, адгезия - >80 МПа. Твердость покрытия - 900 HV0,3. Нанесенное покрытие позволяет повысить ресурс плунжера в 2-3 Implementation Example 2: A coating based on a powder of chromium carbide on a nickel-chromium bond 200 μm thick was applied to the outer surface of the plunger by high-speed flame spraying. The coating is applied to the surface of the plunger, bored to a depth of 0.2 mm, with the exception of sections adjacent to the input chamfers, which are 2 mm along the length of the plunger from each chamfer. The porosity of the coating was <1%, adhesion -> 80 MPa. The hardness of the coating is 900 HV0.3. The applied coating allows to increase the plunger resource by 2-3

раза по сравнению с азотированием и 4 раза по сравнению с гальваническим хромированием.times compared to nitriding and 4 times compared to galvanic chromium plating.

Предлагаемое покрытие защищает наружную поверхность корпуса плунжера от коррозии при работе в очень агрессивной среде и, кроме того, обладая высокой твердостью, эластичностью и плотностью покрытия (99,5%), хорошо противостоит истиранию и растрескиванию.The proposed coating protects the outer surface of the plunger housing from corrosion when operating in a very aggressive environment and, in addition, having high hardness, elasticity and density of the coating (99.5%), it is well resistant to abrasion and cracking.

Claims

The plunger of the high-pressure pump, made in the form of a rod made of structural steel with a cylindrical working surface and inlet chamfers, characterized in that the working surface of the rod is made with an annular wedge-shaped bore with the formation of a section for spraying with a depth of 0.02 to 2 mm, on which by means of gas-thermal predominantly high-speed flame spraying, coated cermet coating based on one of the following materials: WC / CoCr, WC / Ni , Cr ₃ C ₂ / NiCr, WC / Cr ₃ C ₂ / Ni, wherein the sprayed plot e is the entire length of the working surface except in the areas adjacent to the lead-in chamfer, the magnitude of each of which the length is not more than 5 mm.