Актуальность темы
Высокая работоспособность и эксплуатационная надежность металлоконструкций, используемых при добыче и первичной переработке нефтепродукта и первыми воспринимающих его воздействие, является важнейшим показателем качества нефтегазодобывающего и перерабатывающего оборудования. Это обусловлено тем, что насосно-компрессорные трубы (далее НКТ) и насосные штанги из перечня скважинного оборудования являются наиболее ответственными и дорогостоящими элементами, используемыми при добыче нефти. Средний срок эксплуатации насосных штанг и НКТ без проведения противокоррозионной защиты составляет при добыче нефти, не содержащей сероводород и микробактерии, 8-10 лет, а в их присутствии снижается до 1-3 лет. Весьма успешным в качестве антикоррозионной меры по защите НКТ и насосных штанг в настоящее время считается использование защитных цинковых покрытий.
Исследования в области металловедения цинковых покрытий, а также защиты нефтегазового и нефтепромыслового оборудования от коррозии представлены в работах таких отечественных и зарубежных авторов, как С. Дж. Слэндер, У. К. Бойд, Е. В. Проскуркин, А. А. Тарасова, И. М. Ковенский, Н. С. Горбунов и др., а в области квалиметрии - в работах Г. Г. Азгальдова, Г. С. Гуна, Г. Ш. Шубина и др. Однако, они часто противоречивы, и кроме того, в них отсутствует системный подход к количественной оценке эксплуатационной надежности цинковых покрытий на изделиях нефтяного сортамента как основного критерия качества.
В связи с широким внедрением в производство нефтедобывающего оборудования процесса цинкования, разработка методики оценки качества цинковых покрытий разной технологии нанесения, предусматривающая использование основных показателей их свойств, является актуальной задачей для сравнительной оценки и эффективного использования трубной продукции в определенных условиях добычи нефти.
Целью работы является исследование структуры и свойств цинковых покрытий и получение на этой основе количественной зависимости для расчета критерия качества покрытий, который позволит охарактеризовать эксплуатационную надежность цинкового покрытия любой технологии нанесения.
Для достижения данной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследовать строение цинковых покрытий, полученных разными способами нанесения, а именно, структуру, химический и фазовый состав слоев покрытия, а также морфологию и кристаллическое строение фаз в покрытии.
2. Определить физико-механические и коррозионные свойства промышленных цинковых покрытий на изделиях нефтяного сортамента.
3. Обосновать и систематизировать выбор показателей качества цинковых покрытий на основе квалиметрического подхода.
4. Установить количественную зависимость показателя качества цинкового покрытия, как критерия эксплуатационной надежности, от основных показателей его свойств.
Научная новизна
1. Уточнен химический состав последовательно расположенных слоев горячего цинкового покрытия (ГЦ). На поверхности термодиффузионного (ТДЦ) и гальванического (ГВЦ) цинковых покрытий выявлено присутствие кислорода в виде оксидов.
2. Установлена связь кинетики адгезионного изнашивания покрытий с их слоистым строением. На пути трения скольжения до I. 120 м в покрытиях ТДЦ и ГВЦ основную роль играют поверхностные окислы, экранирующие контактирующие поверхности, в то время как на подобных поверхностях не окисленных ГЦ покрытий развиваются процессы адгезионного «схватывания» мягкой ц-фазы с материалом контртела и выкрашивания хрупкой 2-фазы. Увеличение пути трения от 120 до 200 м приводит к включению в процесс износа слоев 51 (в ТДЦ и ГЦ покрытиях) и /п (в ГВЦ покрытии). На пути трения от 200 до 240 м наблюдается сближение значений приведенного износа, так как начинает проявляться влияние металла основы, а при I .>240 покрытия полностью разрушаются.
3. Показано, что низкая стойкость к питтинговой коррозии ГЦ покрытия связана с двухфазностью его поверхностного слоя, состоящего из 2- и ц-фаз разного химического состава и электрохимических свойств.
4. Получена расчетная зависимость комплексного показателя качества цинкового покрытия от его свойств, позволяющая оценить его эксплуатационную надежность, а также проводить сравнительную оценку свойств и эффективности покрытий разной технологии нанесения в различных условиях эксплуатации.
Практическая значимость
1. Показана целесообразность использования покрытий в разных условиях внешнего воздействия: ГВЦ - коррозии, а ТДЦ - износа, в то время как ГЦ покрытия эффективны в коррозионной среде слабой агрессивности (например, в атмосферных условиях) и из-за их значительной толщины обеспечивают достаточно продолжительный срок их службы.
2. Разработаны рекомендации по использованию дополнительной операции оксидирования муфт НКТ путем повышения давления воздуха в печи до 50 кПа на завершающей стадии охлаждения деталей после нанесения ТДЦ покрытия. Внедрение разработанных рекомендаций на участке термодиффузионного цинкования муфт на предприятии ОАО «Первоуральский новотрубный завод» позволило повысить износостойкость покрытия в 1,5 раза, что подтверждено актом внедрения.
3. Разработанная методика расчета комплексного показателя качества цинковых покрытий рекомендована к использованию при сертификации и стандартизации трубной продукции с покрытиями любой технологии нанесения при соответствующих показателях свойств и коэффициентов их весомости.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты рентгеноструктурных и микрорентгеноспектральных исследований, позволивших выявить наличие на поверхности ТДЦ и ГВЦ покрытий кислорода, связанного в оксиды цинка.
2. Результаты исследования питтинговой коррозии, показавшие преимущество ТДЦ и ГВЦ покрытий с окисленным поверхностным слоем, перед ГЦ покрытием, содержащем на поверхности £- и ц-фазы, характеризующиеся низким потенциалом питтингообразования.
3. Результаты трибологических испытаний при трении скольжения,
установившие преимущество ТДЦ и ГВЦ покрытий перед ГЦ покрытием с мягкой ц-фазой, что объясняется экранированием оксидами их поверхности от адгезионного взаимодействия с контртелом.
4. Уравнение расчета показателя качества цинковых покрытий, позволившее классифицировать ТДЦ, ГЦ и ГВЦ покрытия по эксплуатационной надежности в соответствии с коэффициентами 0,77; 0,58 и 0,35, отвечающих хорошему среднему, удовлетворительному среднему и удовлетворительному ниже среднего уровня свойств.
5. Результаты промышленного опробования разработанной рекомендации по использованию дополнительной операции оксидирования муфт НКТ после нанесения ТДЦ покрытия с оценкой достижения их более высокой износостойкости.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены и обсуждены на IX Межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика коммерческой деятельности» (Красноярск, 2008 г.), Х Международной научно-технической уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2009 г.), XI Международной научно-технической уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2010 г.), VIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов (Москва, 2011 г.), XII Международной научно-технической уральской школе- семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2011 г.), I
Международной интерактивной научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии» (Екатеринбург, 2012 г.), XXI Уральской школе металловедов-термистов (Магнитогорск, 2012 г.), II Международной интерактивной научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии» (Екатеринбург, 2012 г.), XIII Международной научно-технической уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2012 г.).
Публикации
По материалам работы опубликовано 12 работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 3 приложений; изложена на 121 страницах, включает 37 рисунков, 27 таблиц, список литературы содержит 115 наименований.
1. Исследована структура и свойства трех видов промышленных цинковых покрытий на трубных сталях 45, 30Г2, 37Г2Ф и 37Г2С разной группы прочности. Показано, что покрытия имеют существенные различия по толщине, твердости, коррозионной стойкости и структуре, но при одинаковой технологии цинкования значения этих показателей практически не зависят от металла основы.
2. Уточнен в сравнении с литературными данными фазовый состав покрытий. Показано, что ГЦ покрытие состоит из нескольких слоев: Г, 51, £ и ц-фаз с разным содержанием цинка в соответствии с фазовой диаграммой Ге- Zn. ГВЦ и ТДЦ покрытия более однородны, но отличаются друг от друга фазовым составом. ТДЦ покрытие содержит Г-фазу состава Fe3Zn10, имеющую сложную кубическую решетку, и 51-фазу состава FeZn10с гексагональной кристаллической решеткой, а также оксиды цинка ZnO.
3. Установлена причина высокой адгезионной износостойкости ТДЦ покрытия, имеющего минимальные значения приведенного весового износа Am/Lи коэффициента трения f,связанная с присутствием в поверхностных слоях покрытия оксидов цинка и твердой 51-фазы.
4. Объяснена низкая стойкость к питтинговой коррозии ГЦ покрытия присутствием на его поверхности двух фаз ц и £ разного химического состава и электрохимических свойств.
5. Разработана методика комплексной оценки качества цинковых покрытий, согласно которой ТДЦ покрытие следует отнести к покрытиям с повышенной эксплуатационной надежностью и рекомендовать его использование как стандартизированную технологию для муфт и НКТ в нефтедобывающей промышленности.
6. Разработаны рекомендации по повышению эксплуатационной надежности цинковых покрытий путем дополнительного окисления поверхности покрытия после его нанесения, заключающиеся в дополнительном оксидировании поверхности ТДЦ покрытий (имеется акт использования разработки) и обязательном пассивирования ГВЦ покрытий, что повышает их адгезионную износостойкость и коррозионные свойства.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
