Устройство предназначено для использования в области нефтепромыслового оборудования при проектировании, изготовлении, использовании и ремонте плунжерных насосов высокого давления.

В нефтяной промышленности для глубинной добычи нефти широко применяются скважинные штанговые насосы. От надёжности этих насосов в значительной степени зависит экономическая эффективность нефтедобывающих предприятий. Поэтому повышение надёжности скважинных штанговых насосов является актуальной задачей для снижения себестоимости нефти.

Высокий ресурс работы плунжеров насоса достигается за счёт нанесения на поверхность плунжера износостойких коррозионно-стойких металлокерамических, керамических покрытий с низким коэффициентом трения, а также покрытий из сплавов методом высокоскоростного напыления.

Среди наиболее распространённых методов упрочнения поверхности плунжера насоса высокого давления являются цементация поверхности, азотирование поверхности, гальваническое хромирование, нанесение покрытия на основе самофлюсующихся сплавов методами газотермического напыления с последующим оплавлением.

Указанные методы не обеспечивают регулирование твёрдости по толщине, не обеспечивают достаточную износостойкость, не решается задача обеспечения низкой пористости.

Кроме того, покрытия, наносимые на устройства, которые используются в промысловых службах и, в частности, в нефтегазовых скважинах, должны обладать высокой устойчивостью к диффузии пластовых газов и жидкостей.

Такими покрытиями могут являться наноструктурированные, функционально-градиентные покрытия, обеспечивающие более высокую износостойкость и сплошность, а также адгезию с подложкой и когезию покрытия.

Из уровня техники известен плунжер 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.).

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.

Задачей, на решение которой направлено заявленное решение, является повышение гарантированного ресурса эксплуатации плунжера, за счет формирования на его поверхности наноструктурированного функционально-градиентного слоя покрытия, обладающего высокими адгезионными и когезионными характеристиками и низкой пористостью, обеспечивает надежную долговременную защиту рабочей поверхности плунжера от коррозии и абразивного истирания в тяжелых условиях эксплуатации.

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 покрытие на основе одного из следующих материалов: WC/CoCr с наноструктурированной составляющей, WC/Ni с наноструктурированной составляющей, Cr ₃ C ₂ /NiCr с наноструктурированной составляющей, WC/Cr ₃ C2/Ni с наноструктурированной составляющей, 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.

Газотермические методы напыления позволяют сформировать тонкий слой защитного покрытия, обладающего высокой адгезией к основному материалу и низкой пористостью.

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.

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 (СгэСг/NiCr) или смесь карбида вольфрама и карбида хрома на никелевой связке (WC/Cr ₃ C ₂ /Ni) в сочетании с высокоскоростным методом их напыления позволяет получить покрытие, отличающееся высокой твердостью, адгезией, коррозионной стойкостью при толщине, не превышающей сотен микрон. Сквозная пористость у такого покрытия отсутствует, а общая пористость не превышает процента.

Введение в покрытие нансотруктурированной составляющей, позволяет получить покрытие, обеспечивающее более высокую износостойкость и сплошность, а также адгезию с подложкой и когезию покрытия.

Выполнение рабочей поверхности стержня с кольцевой клиновидной расточкой с образованием участка под напьшение 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.

На чертеже представлен общий вид плунжера насоса высокого давления нефтепромысловой установки.

Плунжер в виде цилиндра 1 изготовлен из конструкционной или низкоуглеродистой стали. На наружную поверхность цилиндра 1 нанесен слой наноструктурированного, функционально-градиентного покрытия 2. Слой 2 нанесен методом высокоскоростного газопламенного напыления порошкового металлокерамического материала, выбранного из следующего числа: WC/CoCr с наноструктурированной составляющей, WC/Ni с наноструктурированной составляющей, Cr3C2/NiCr с наноструктурированной составляющей, WC/Cr3C2/Ni с наноструктурированной составляющей. Покрытие нанесено на всю наружную поверхность плунжера за исключением прилегающих к его торцам участков 3, величина каждого из которых по длине плунжера составляет не более 5 мм.

При работе плунжера защитный слой 2 предохраняет его наружную поверхность от коррозии, возникающей в результате взаимодействия с агрессивной средой. Кроме того, этот защитный слой, обладая высокими твердостью и адгезионными характеристиками, предохраняет наружную поверхность плунжера от абразивного истирания в тяжелых условиях скважинного бурения или эксплуатации скважин. Пример реализации 1 : На наружную поверхность плунжера методом высокоскоростного газопламенного напыления нанесли наноструктурированное, функционально-градиентное 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 (СоСг). 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.

Пример реализации 2: На наружную поверхность плунжера методом высокоскоростного газопламенного напыления нанесли наноструктурированное, функционально-градиентное 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 раза по сравнению с азотированием и 4 раза по сравнению с гальваническим хромированием.

Предлагаемое покрытие защищает наружную поверхность корпуса плунжера от коррозии при работе в очень агрессивной среде, обладает высокой твердостью, эластичностью, плотностью покрытия (99,5%), хорошо противостоит истиранию и растрескиванию., а также обеспечивает адгезию с подложкой и когезию покрытия.