Увеличение срока эксплуатации нефтепромыслового оборудования за счет замены материала деталей

Усложнение условий эксплуатации нефтяных месторождений в Западной Сибири требует использования для изготовления деталей и узлов промыслового оборудования ранее не применявшихся в таких случаях материалов. Перспективными в этом отношении являются алюминиевые сплавы, которые обладают высокими коррозионной стойкостью и чистотой поверхности, на них отсутствуют искрообра-зование и парафиноотложение. Кроме того, возможность создания на поверхности алюминиевых сплавов оксидного слоя позволяет повысить их износостойкость до уровня (или выше) стальных материалов, используемых в настоящее время. Одним из активно применяемых промышленных способов формирования износостойких покрытий на алюминиевых сплавах является толстослойное анодирование. Его сущность заключается в электрохимическом наращивании оксида алюминия за счет поверхностного слоя металла, погруженного в электролит, основу которого составляют серная, щавелевая или сульфосалициловая кислоты. Основными технологическими параметрами являются электрический режим процесса, состав и температура электролита.

С целью интенсификации формирования оксидного покрытия в зону реакции вводят кислород, перекись водорода и другие окислители [1]. Перспективным в этом плане может оказаться применение озона. Озон известен как сильный универсальный окислитель [2], редокс-потенциал которого (2,07 В) по величине

уступает только фтору (2,87 В). Озон окисляет серебро, золото, платину, причем известно получение иона Ag³⁺ [3]. Отмеченная активность озона обусловлена появлением в ходе взаимодействия так называемого синглетного кислорода ¹О 2 в электронно-возбужденном состоянии и других активных радикалов. Использование озона при анодировании алюминиевых сплавов затруднено его недостаточной растворимостью в кислотах (до 0,27 г/л в серной), а также заметным разложением при столкновении с поверхностью материала (вероятностный коэффициент разложения для дюралюминия составляет 10^-7, а для оксида алюминия с различной пористостью – 10^-5 -10^-6 [3]).

В работе исследовали влияние озона на процесс анодирования сплавов Д16 и АЛ9 в водном растворе серной кислоты с концентрацией от 2,5 до 20 мас.%. Эксперименты провели с образцами размерами 30х30х2 мм при температуре (0 ± 1)⁰С и содержании озона в воздушной смеси – 1,3% и 5%. От известных исследуемая технология отличается тем, что в окислительную зону подается раствор мета-стабильной озоно-воздушной смеси, которая весьма реакционноспособна. При этом она находится под действием электрического поля в прианодном двойном электрическом слое. Микротвердость HV оксидных покрытий измеряли на поперечных шлифах с помощью прибора ПМТ-3 при нагрузке на индентор 0,196 Н, износостойкость определяли по уменьшению толщины покрытия при скольжении со смазкой контр-тела из стали ШХ9 со скоростью 1,5-2,0 м/с и нагрузке 49 Н. Рентгеноструктурные исследования выполнили на ДРОН-3 в диапазоне углов 2θ = 20⁰ - 60⁰ в Со Кα -излучении. Расшифровку рентгенограмм провели на основе данных американской картотеки ICPDS.

На рис. 1 приведены зависимости толщины оксидного покрытия от времени в процессе анодирования в режиме падающей мощности (при начальном напряжении 75 В), который обычно позволяет формировать пленки большей толщины по сравнению с гальвано-статическим.

Рис. 1. Изменение толщины анодного покрытия на сплаве АЛ9 при содержании озона в смеси с воздухом: -♦- 1%; -■- 3%, -▲- 5%

Видно, что повышение концентрации озона в смеси с воздухом от 1 до 5% увеличивает конечную толщину оксида алюминия на 30%. При этом при малом содержании озона рост покрытия практически стабилизируется к 40-й минуте процесса, а при 5%-ном он продолжается до 50-й минуты, т.е. окислительный потенциал обогащенной озоном смеси выше. Результаты определения величин микротвердости и износа оксидных покрытий, полученных при анодировании с начальным напряжением 75 В и различным содержанием озона в смеси с воздухом приведены на рис. 2 и 3.

С увеличением концентрации О3 микротвердость возрастает от 5,5 до 7,4 ГПа, т.е. на 34%, а величина износа снижается в 2,5 раза. Естественно, что большей износостойкостью обладают покрытия с большей величиной НV. При этом следует отметить, что после 40-50 мин анодирования микротвердость начинает уменьшаться. По-видимому, начинает увеличиваться пористость покрытия из-за продолжительного взаимодействия с серной кислотой. Повышение микротвердости покрытия с обогащением озоном газовой смеси обусловлено увеличением кристаллической составляющей в покрытии. Например, по данным рентгеноструктурного анализа анодных осадков, полученных при начальном напряжении 75 В, интенсивность линии (400) γ-Al2O3 возросла более чем в 2 раза при изменении концентрации О3 от 1 до 5% (это не говорит, конечно, что доля γ-Al2O3 в покрытии также увеличилась вдвое, т.к. линейная связь в этом случае отсутствует). При этом доля аморфной составляющей в покрытии уменьшилась, о чем свидетельствует сокращение на рентгенограмме гало в интервале углов 2θ = 20-400.

Рис. 2. Величина микротвердостей анодированных покрытий на сплаве Д16 при содержании озона в смеси с воздухом: -♦- 1%; -■- 3%, -▲- 5%

Рис. 3. Влияние концентрации озона в смеси с воздухом на износ анодированных образцов сплава Д16

Известно [4], что окисление алюминия в водных электролитах происходит с участием различных ионов: О^-, О^2-, ОН^-, SO^2- 4 , однако исследований по оценке доли влияния указанных анионов на процесс формирования анодного покрытия не проводилось. Можно предположить, что применение озоно-воздушной смеси для барботажа электролита повышает роль кислорода в какой-либо его форме (учитывая химическую активность озона) и снижает степень влияния других окислителей. Таким образом, из возможных схем образования оксида алюминия в рассматриваемом процессе:

Al³⁺+SO^2- 4 →Al 2 (SO 4 ) 3 →Al 2 O 3 ; Al+H 2 O→Al(H 2 O)³⁺ 6 → Al 2 O 3 ; Al+ O 3 + H 2 O→ Al 2 O 3 +O 2 +H⁺;

Al+¹O 2 → Al 2 O 3;

Al3++O-→ Al2O3 , более предпочтительными становятся 3 последние.

На основе полученных данных разработана технология анодирования реальных деталей нефтепромыслового оборудования, изготовленных из алюминиевых сплавов вместо конструкционных сталей. В частности, из сплава Д16 изготовили насадки и камеры смешения струйного насоса, обоймы подшипников скольжения, защитные рубашки, направляющие аппараты и межсекционные уплотнения насосов системы поддержания пластового давления. Анодированные алюминиевые детали успешно эксплуатируются в агрессивных средах при отсутствии ударных нагрузок. Например, внутренние и наружные поверхности упрочненных элементов струйного насоса после испытаний, проведенных непосредственно на нефтяных промыслах, имели незначительные очаговые разрушения, в то время как на серийно изготовленных деталях наблюдали значительные коррозионные повреждения электрохимического характера. Толщина оксидного покрытия корпуса шестеренчатого насоса из сплава АЛ9 составила 30-40 мкм. После эксплуатационных испытаний в течение 2200 ч (3 месяца круглосуточно) величина износа составила 20-26 мкм, в то время как у серийных корпусов – 148-163 мкм после 12481560 ч работы. Таким образом, применение озоно-воздушной смеси при анодировании алюминиевых сплавов позволяет получать оксидные покрытия с повышенной износостойкостью. Анодированные детали из алюминиевых сплавов могут успешно заменить изделия из стали, облегчая конструкцию в целом и повышая износо- и коррозионную стойкость.

Выводы

• 1.    Установлено, что применение озоновоздушной смеси для барботажа электролита при анодировании сплавов алюминия интенсифицирует процесс и увеличивает конечную толщину оксидного покрытия на 30% (при повышении концентрации озона в смеси с воздухом от 1 до 5%).

• 2.    С увеличением концентрации озона в смеси с воздухом от 1 до 5% микротвердость покрытия возрастает от 5,5 до 7,4 ГПа, а величина износа анодированных образцов снижается в 2,5 раза. Полученный результат обусловлен увеличением кристаллической составляющей в покрытии.

• 3.    На основе полученных данных разработана технология анодирования деталей нефтепромыслового оборудования из алюминиевых сплавов, которые успешно заменили серийные стальные изделия при непосредственной эксплуатации на нефтяных промыслах.