Керамика для нефтяной и газовой промышленности

Способность керамических материалов противостоять износу в условиях гидрои аэроабразивного воздействия, а также коррозийная стойкость к агрессивным жидкостям обусловили применение керамики для деталей химического и нефтяного машиностроения.

Детали нефтяного и нефтехимического оборудования, работающие в тяжелых условиях гидрои аэроабразивного износа, коррозионного и температурного воздействия, подвергаются быстрому изнашиванию. Например, стойкость штуцерных втулок фонтанной арматуры нефтепромыслового оборудования из стали 40 X при наличии 2% песка в струе добываемой нефти составляет всего 2 ч. Сильный износ отверстий штуцерных втулок, увеличение размеров их критического сечения приводит к нарушению режима эксплуатации, образованию песочной пробки и часто полной остановке работы нефтяных скважин. Низкая стойкость этих узлов приводит к повышенным эксплуатационным затратам на замену изношенных деталей, особенно в условиях морской нефтедобычи. Керамические детали из твердых тугоплавких материалов обладают значительным преимуществом по сравнению с металлическими сплавами. Изучение стойкости некоторых материалов при гидроабразивном износе фонтанной арматуры нефтяных скважин при скорости истечения 17 м/с и давлении жидкости 0,35 МПа, содержащей кварцевый песок со средним размером частиц 0,4 — 0,6 мм, т. е. в условиях, имитирующих работу скважин в наиболее тяжелом режиме показало, что износостойкость штуцерных втулок из оксида алюминия (ЦМ-332), твердого сплава ВК-20, карбида ниобия на никельмолибденовой связке и сплава на основе карбида и диборида титана оказалась соответственно в 10; 8; 3,5 и 3 раза выше стойкости втулки-эталона из стали 40Х. Корундовый материал нашел также применение для изготовления опорного кольца торцевого уплотнения пары корунд-графит в электронасосах для нефтедобычи, срок службы которого определяет ресурс насоса в целом.

В настоящее время освоено производство штуцерных втулок и торцевых уплотнений из оксида алюминия (рис. 7.7), что позволило обеспечить бесперебойное снабжение месторождений Каспийского бассейна. Использование корундовых деталей в условиях гидроабразивного износа, как показал опыт, экономически целесообразно при относительно низких скоростях истечения жидкости. При увеличении же скоростей истечения жидкости до 100 — 120 м/с и при содержании в ней до 4 — 5% (по массе) абразивных включений корундовые материалы заметно уступают твердым сплавам.

Рис. 7.7. Штуцерные втулки и кольца торцевых уплотнений из корундовых материалов (массовое содержание АЬОЗ — 99,5%).

Серийно выпускаемые насадки для оснащения промывочных узлов буровых долот изготовляются в настоящее время из вакуумоплотной минералокерамики ВК-94−1, содержащей массовую долю оксида алюминия 94%. Ресурс работы таких буровых насадок типа НКВ и НГДУ составляет 15 — 25 ч при ресурсе работы собственно долота до 60 и более часов, что предопределяет необходимость повышения износостойкости буровых насадок. За рубежом в качестве материала для насадок применяют твердые сплавы типа ВК-8. Однако учитывая постоянно возрастающий дефицит вольфрама и кобальта, входящих в состав твердых сплавов, в России были проведены сравнительные испытания насадок из различных опытных материалов при скоростях истечения до 100 — 120 м/с при работе на промывочных жидкостях, содержащих до 5% абразивных включений. Полученные результаты показывают, что корундовые материалы в условиях жесткого гидроабразивного воздействия уступают керамике на основе бескислородных соединений.

В табл. 7.12 и 7.13 приведены составы и физико-механические свойства различных керамических материалов, используемых в нефтяном и газовом машиностроении. Относительная объемная износостойкость этих материалов (табл. 7.13) определена по отношению к стали 45 твердостью HV = 2 ГПа в нормализованном состоянии. Номера сплавов в обеих таблицах совпадают.

Таблица 7.12.

Состав и особенности получения керамических материалов

Окончание табл. 7.12

Таблица 7.13.

Физико-механические свойства некоторых керамических материалов, испытанных на износостойкость в струе на центробежном ускорителе.

Анализ данных табл. 7.12 и 7.13 показывает, что износостойкость корундовых материалов (в табл. 7.12 и 7.13 под номерами 6, 7, 10, 11) при обоих углах атаки, как правило, уступает по износостойкости не только керметам, но и стали 45, хотя они превосходят ее по твердости в пять раз. Определяющим свойством при этом является недостаточная прочность керамических материалов, поэтому оксидно-нитридная керамика (№ сплава 1), обладающая наряду с высокой твердостью повышенной по сравнению с другими корундовыми материалами прочностью, существенно превосходит их и по износостойкости. Металлокерамические сплавы (№ 8, 12 — 16) имеют повышенную прочность по сравнению с керамическими и, как правило, повышенную износостойкость. Сплавы на основе диборида титана с содержанием металла от 12 до 25% по массе (сплавы № 13 — 16) имеют оптимум свойств при массовой доли связки 15%, когда также наблюдается корреляция между прочностью и износостойкостью.