Передовые технологии и оборудование ионного азотирования

Главный технический эксперт Богданов Владислав Васильевич, тел.: 8 908 271-61-41
Директор Оборин Алексей Владимирович

Создание высококачественных и долговечных скважинных штанговых насосов (СШН) является важнейшей задачей повышения эффективности нефтедобычи. Разработанная технология упрочнения повышает ресурс насосов в несколько раз, а экономические выгоды от внедрения составят миллионы рублей с одной скважины.

На последних выставках «Нефть. Газ. Химия.», проходивших в ВЦ «Пермская Ярмарка» в 2006-2008 гг. наша фирма представила новые достижения в области технологии ионного азотирования и карбонитрирования, которые эффективно используются для упрочнения широкой номенклатуры изделий в различных отраслях промышленности, в частности в нефтедобыче.

На совместном совещании НК ОАО «ЛУКОЙЛ», ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» и ЗАО «ПКНМ» было принято решение по организации высокотехнологичного производства азотированных цилиндров СШН.

В России насосами СШН оборудовано около 58% всех действующих скважин, для ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» эта цифра достигает 71%, в США — до 90%. Такому нефтепромысловому оборудованию, как СШН, «по зубам» самая тяжелая нефть – высоковязкая, с большим содержанием свободного газа и механических примесей, а также осложненные условия эксплуатации в глубоких высокодебитных скважинах.

В целях повышения качества и эксплуатационной надежности штанговых насосов впервые разработана усовершенствованная технология ионно-вакуумного азотирования (ИВА) в импульс-плазме. Разработчиком технологии Владиславом Богдановым были предложены новые принципы проектирования азотированных покрытий и ноу-хау по оптимизации упрочнения прецизионно-точных цилиндров штанговых насосов. Приоритетные решения обеспечили высококачественное защитное покрытие и требуемую размерную точность при упрочнении внутренней поверхности длинномерных цилиндров.

«Известно, что при изготовлении насосов главной и самой сложной деталью является прецизионно-точный цилиндр, — говорит Владислав Богданов. — К сожалению, изготовители насосов из-за недостаточного уровня технологий не могут обеспечить бездеформационное и высококлассное упрочнение деталей. Для того чтобы достичь нормативных требований, азотированные цилиндры с высокой твердостью покрытия подвергаются правке и хонингованию, что недопустимо. В результате нарушается азотированная рабочая поверхность и резко снижается ее износо-коррозионная стойкость. Также стоит отметить, что существующая нормативно-техническая документация регламентирует недостаточные требования к качеству покрытий, которые отражают давно устаревшую и затратную технологию печного азотирования. В конечном итоге подобные цилиндры с дефектами в составе скважинных штанговых насосов поступают на нефтепромыслы и имеют низкие эксплуатационные свойства».

Цилиндро-плунжерная пара – это простая и идеальная конструкция, существующая уже более 100 лет, и её можно сделать практически «вечной», если обеспечить преимущественное качество деталей. Однако производители прилагают усилия, чтобы изменить саму конструкцию насоса – со вставным цилиндром, гибким плунжером, уплотнительными кольцами и т. п. Кроме того, часто выбирают ошибочное направление на сверхглубокое азотирование, что не решает проблему, а может лишь усугубить её. Поэтому в действительности при её изготовлении необходимо обоснованно проектировать и оптимизировать технологию азотирования для формирования высококачественных покрытий с конкретным назначением. Подконтрольные испытания десяти насосов, изготовленных по новой технологии, достигли более 3000 суток безотказной наработки в осложненных условиях добычи на нефтепромыслах «ЛУКОЙЛ-Пермь» и в настоящее время продолжается их успешная эксплуатация. Отметим, что средняя наработка отечественных и импортных скважинных штанговых насосов составляет 300-600 суток.

Серийное производство СШН с внедрением передовой технологии ИВА создано в ЗАО «ПКНМ», где успешно в 2006 г. освоена высоко производительная автоматизированная установка ЙОН-200И2.

Конструкция двухкамерной установки (200 кВт, импульс-плазма 10кГц, ∅ 2,0х10м) и ноу-хау технологии ИВА по бездеформационному упрочнению обеспечили высокое качество и свойства цилиндров, экономичность и полную экологичность процессов.

При этом было достигнуто:

• 50% экономии энергоресурсов;
• Увеличение производительности более чем в 3 раза;
• Многократное повышение эксплуатационной надежности и гарантийного ресурса СШН за счет формирования высокотвердых покрытий HV 1100 - 1200 (HRC 72 - 74), превышающих твердость абразивных частиц (кварц, гранит) и лучшего сочетания износо-коррозионных и антифрикционных свойств для трибосопрягаемых поверхностей цилиндро-плунжерной пары;
• Эффективное внедрение новой технологии ИВА для расширенной номенклатуры упрочняемых деталей (штоки, плунжера, ротора, гидроцилиндры, замки НКТ, переводники, корпусные детали, инструмент).

Все приоритетные способы ИВА, внедренные для серийного упрочнения высокоточных длинномерных цилиндров, штоков, плунжеров, замковых соединений и других ответственных деталей, защищены 8 патентами РФ и частными техническими решениями на ноу-хау технологии.

Ионными технологиями азотирования и упрочняемой продукцией заинтересовались многие российские предприятия и ряд фирм ближнего и дальнего зарубежья.

Компетентное мнение

Алексей СЛИВНЕВ, главный механик МЭМО ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь»:

Новую технологию ионно-вакуумного азотирования можно считать настоящим прорывом в создании эффективных способов упрочнения цилиндров СШН, что впервые обеспечило получение высокоточных деталей насоса идеальных по размерам, форме канала и высококлассному качеству азотированного покрытия.

Испытания показали многократное увеличение безотказной работы штанговых насосов в осложненных условиях нефтепромыслов. По результатам промысловых испытаний принято решение о широком применении упрочненных насосов на всех территориально-производственных предприятиях НК «ЛУКОЙЛ».

Кроме доказанных технико-эксплуатационных достоинств внедрение этого оборудования принесет колоссальные экономические выгоды, связанные с сокращением количества ремонтов скважин и увеличением нефтедобычи.

Герман БЕРЕСНЕВ, доктор технических наук, профессор ПГТУ;
Игорь СИНАНИ, доктор технических наук, профессор ПГТУ;
Юрий ЧЕРНИКОВ, кандидат технических наук:

Достигнутые результаты высокого качества и эксплуатационной надежности упрочненных ИВА-цилиндров штанговых насосных установок основаны на изученных ведущим экспертом Владиславом Богдановым закономерностях формирования структурно-энергетического состояния азотированных покрытий на конструкционных сталях.

Предложенные им принципы проектирования и оптимизации бездеформационной технологии нанесения регулируемых защитных покрытий обеспечили требуемую размерную точность прецизионных цилиндров и их безотказную работоспособность в жестких условиях эксплуатации.

Ранее аналогичные подходы и приоритетные технологии упрочнения различных ответственных изделий были разработаны В. Богдановым и эффективно внедрены на многих ведущих предприятиях оборонной промышленности.

Доктор Соломон Берман, президент IBC Coatings Technologies, INC (США):

Американские фирмы-производители не имеют бездеформационной технологии азотирования цилиндров с высокотвердыми и стойкими покрытиями.

Созданные технологии и достигнутые результаты в сложных условиях работы по долговечности азотированных насосов заслуживают наивысшей оценки.

Доктор Александр ВАРХОШКОВ, генеральный директор фирмы «ИОНИТЕХ» (Болгария):

Проблема создания новых технологий по упрочнению деталей штанговых насосов актуальна сегодня во всем мире. Для нового производства привлечена и наша фирма, для чего созданы три крупных проекта на предприятиях России и Казахстана, где внедрены в серийное производство наши современные установки ЙОН-И с импульс-плазмой для эффективного ионного азотирования и карбонитрирования подобных деталей.

Эта тематика также раскрыта в следующих выступлениях и статьях:

Доклад «Новая технология бездеформационного ионного азотирования скважинных штанговых насосов».
(Международная конференция НК «Лукойл», ООО «Лукойл-Пермь» 14-15.03.06 г.
Семинар на международной выставке «Нефть. Газ. Химия» 27-30.11.06 г., г. Пермь.)

Доклад «Прогрессивная технология ионного азотирования для повышения стойкости и надёжности штампо-прессового инструмента».
(I Международная конференция и выставка «Инструмент для прессования алюминия»14-16.11.07 г., г.Москва.)

Доклады «Новые принципы конструирования упрочняемых изделий и оптимизация технологии ионного азотирования и карбонитрирования».
(VII Международный конгресс по термообработке материалов 11-14.12.1990 г., г. Москва.
Международный конгресс по материаловедению и термообработке 15-18.09.1996 г., г. Варна, Болгария.)

Статья «Лучшие насосы для нефтяного дела».
(Журнал «Техсовет» № 11, 2006 г.)
Показаны результаты успешного внедрения новой технологии бездеформационного азотирования прецизионно-точных цилиндров (ст. 38Х2МЮА (1.8509)) и высокие технико-экономические показатели серийного производства штанговых насосов на Пермской компании нефтяного машиностроения.

Статья «Вечные насосы».
(Корпоративная газета «Пермская нефть» № 25 от 28.12.06 г.)
Показано состояние и перспективы применения ресурсосберегающей и высокопроизводительной технологии азотирования для ответственных изделий глубино-насосного оборудования. Даны результаты успешной эксплуатации насосов СШН, обладающие преимущественной надёжностью и долговечностью (в 3-4 раза) в сравнении с другими аналогами. Представлены положительные отзывы главных специалистов НК «Лукойл-Пермь».

Статья «Ионное азотирование сталей».
(Сборник «Термическая, химико-термическая и лазерная обработка сталей и титановых сплавов», г. Пермь, 1989 г.)
В результате исследований кинетики формирования, морфологии структурных зон и свойств азотированного слоя разработана диаграмма рекомендуемых режимов ионного азотирования конструкционных сталей, что позволяет конструкторам и технологам обосновано проектировать рациональные режимы обработки с учетом чертежных требований и условий эксплуатации конкретных деталей, а также прогнозировать параметры упрочнения для широкой номенклатуры существующих и вновь создаваемых сталей.