RU238109U1 - Шибер с износостойким и коррозионноустойчивым покрытием - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к нефтегазовой области, а именно к устройствам для закачки жидкостей с высоким давлением, агрессивных жидкостей, жидкостей обработки скважин при проведении гидроразрыва пласта, а также жидкостей при освоении скважин, применяемым для обработки пластов в целях интенсификации добычи углеводородов, а также проведения других технологических операций при капитальном или текущем ремонте нефтяных, газовых, газоконденсатных и водозаборных и водонагнетательных скважин. Технический результат полезной модели заключается в повышении износостойкости и коррозионной устойчивости рабочей поверхности шибера, обеспечиваемыми наличием функционального покрытия. Шибер с износостойким и коррозионноустойчивым покрытием, содержащий пластину с отверстием для регулирования потока жидкости через задвижку, выполненную с возможностью возвратно-поступательного движения в плоскости, перпендикулярной траектории потока, имеющую в указанном отверстии зафиксированную сменную защитную шиберную вставку, и шток для крепления с рукояткой, на рабочей поверхности шибера имеется двухслойное покрытие, где первый слой состоит из смеси наночастиц оксида хрома и наночастиц нитрида бора в количественном соотношении 2:1 и имеет толщину 200-260 мкм, а второй слой выполнен в виде сверхтвердой алмазоподобной пленки толщиной 110-120 нм, при этом твердость двухслойного покрытия составляет 36-37 ГПа. 1 ил.

Description

Область техники, к которой относится техническое решение

Полезная модель относится к нефтегазовой области, а именно к устройствам для закачки жидкостей с высоким давлением, агрессивных жидкостей, жидкостей обработки скважин при проведении гидроразрыва пласта, а также жидкостей при освоении скважин, применяемым для обработки пластов в целях интенсификации добычи углеводородов, а также проведения других технологических операций при капитальном или текущем ремонте нефтяных, газовых, газоконденсатных и водозаборных и водонагнетательных скважин.

Уровень техники

Основным рабочим элементом шиберных задвижек высокого давления является шибер, который имеет отверстие для регулирования потока жидкости через задвижку, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения в плоскости, перпендикулярной траектории потока

Шибер в процессе эксплуатации подвергается воздействию высоких давлений, агрессивных жидкостей и абразивных материалов (таких как проппант, кварцевый песок, механические примеси при отработке скважин), что приводит к его износу и разрушению. Вследствие абразивного и коррозионного воздействия происходит износ элементов задвижки, что при достижении критических значений приводит к поломке и выводу оборудования из эксплуатации.

В связи с этим задача разработки конструкции шибера с повышенной сопротивляемостью поверхности износу и коррозионному разрушению является актуальной и экономически востребованной.

Наиболее часто для упрочнения поверхности изделий в промышленном производстве затворных устройств и задвижек применяют химико-термическую обработку (азотирование, цементацию и т.п.), электродуговую наплавку, плазменное напыление износостойких покрытий и другие методы повышения механической прочности и коррозионной стойкости поверхностного слоя.

Известны конструкция шиберной задвижки [Патент RU 57409 U1, опубл. 10.10.2006], которая содержит корпус с перепускным каналом, направляющие, которые выполнены в виде жестко зафиксированных в корпусе пластин из стойкого к коррозии и/или абразивному износу материала и снабжены окнами, соответствующими перепускному каналу по форме и площади проходного сечения, шиберную пластину из стойкого к коррозии и/или абразивному износу материала, размещенную между направляющими пластинами по скользящей посадке, и привод возвратно-поступательного перемещения шиберной пластины между позициями «Закрыто» и «Открыто». Для повышения надежности перепускной канал корпуса футерован гильзами, которые, по меньшей мере, частично изготовлены из стойкого к коррозии и/или абразивному износу материала, служат упорами для направляющих пластин и зафиксированы в корпусе от осевого смещения упорными резьбовыми втулками, а шиберная пластина имеет в верхней части окно для прохода текучей среды.

Недостатком данной конструкции является недостаточно высокая стойкость поверхности шиберной пластины к механическому и коррозионному разрушениям, приводящим к снижению эксплуатационной надежности и долговечности.

Наиболее близким к предлагаемому решению является конструкция шибера в составе шиберной задвижки высокого давления [Патент RU №229717, МПК: F16K3/02, F16K25/04, 22.10.2024], содержащая корпус с каналом, направляющим поток жидкости через задвижку, шибер, имеющий форму пластины с отверстием для регулирования потока жидкости через задвижку, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения в плоскости, перпендикулярной траектории потока, причем шибер размещен с зазором между седлами с кольцевыми канавками, в указанном канале зафиксированы сменные защитные втулки и расположенные с каждой стороны от шибера, а в указанном отверстии шибера зафиксирована сменная защитная шиберная вставка.

Недостатком данной конструкции является недостаточно высокая стойкость поверхности шиберной пластины к механическому и коррозионному разрушениям, приводящим к снижению эксплуатационной надежности и долговечности.

Раскрытие сущности полезной модели

Задачей полезной модели является повышение эксплуатационной надежности и долговечности конструкции шибера.

Технический результат полезной модели заключается в повышении износостойкости и коррозионной устойчивости рабочей поверхности шибера, обеспечиваемыми наличием функционального покрытия.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемой конструкции шибера с износостойким и коррозионноустойчивым покрытием, содержащей пластину с отверстием для регулирования потока жидкости через задвижку, выполненную с возможностью возвратно-поступательного движения в плоскости, перпендикулярной траектории потока, имеющую в указанном отверстии зафиксированную сменную защитную шиберную вставку, и шток для крепления с рукояткой, согласно решению, на рабочей поверхности шибера имеется двухслойное покрытие, где первый слой состоит из смеси наночастиц оксида хрома и наночастиц нитрида бора в количественном соотношении 2:1 и имеет толщину 200-260 мкм, а второй слой выполнен в виде сверхтвердой алмазоподобной пленки толщиной 110-120 нм, при этом твердость двухслойного покрытия составляет 36-37 ГПа.

Конструкция шибера с износостойким и коррозионноустойчивым покрытием изготовлена из конструкционных сталей. Формирование первого слоя двухслойного покрытия осуществляется способом наплавки путем расплавления смеси наночастиц оксида хрома и наночастиц нитрида бора под воздействием непрерывного лазерного излучения. Формирование второго слоя в виде сверхтвердой алмазоподобной пленки осуществляется ионно-лучевой обработкой в вакуумной среде углекислого газа пучком ионов аргона.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведена конструкция шибера с износостойким и коррозионноустойчивым покрытием: 1 - пластина, 2 - отверстие шибера, 3 - сменная защитная шиберная вставка, 4 - шток, 5 - рабочая поверхность шибера, 6 - двухслойное покрытие, где первый слой состоит из смеси наночастиц оксида хрома и наночастиц нитрида бора, а второй слой выполнен в виде сверхтвердой алмазоподобной пленки.

Осуществление полезной модели

Шибер с износостойким и коррозионноустойчивым покрытием (фиг.1) имеет в пластине 1 отверстие 2 для прохождения потока жидкости через задвижку. В отверстии 2 зафиксирована сменная защитная шиберная вставка 3. Пластина 1 имеет рабочую поверхность 5, подверженную абразивному и коррозионному воздействиям во время эксплуатации шибера. Пластина 1 шибера посредством штока 4 соединяется с рукояткой шиберной задвижки (на фиг. не показана).

На рабочей поверхности 5 имеется двухслойное покрытие 6, где первый слой состоит из смеси наночастиц оксида хрома и наночастиц нитрида бора, а второй слой выполнен в виде сверхтвердой алмазоподобной пленки, который получен в результате ионно-лучевой обработки в вакуумной среде углекислого газа пучком ионов аргона. Двухслойное покрытие 6 имеет твердость в диапазоне значений 36-37 ГПа и обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и долговечности конструкции шибера за счет повышения износостойкости и коррозионной устойчивости его рабочей поверхности 5.

Устройство работает следующим образом.

Для перекачки жидкости включают насос и перемещают шибер из положения «Закрыто» в положение «Открыто». Шибер перемещается в плоскости, перпендикулярной траектории потока, между открытым положением, в котором жидкость протекает через отверстие 2 со сменной защитной шиберной вставкой 3, и закрытым положением, в котором поток жидкости ограничен. Управление перемещением шибера осуществляется с помощью штока 4, соединенного с рукояткой задвижки (на фиг. не показана).

Наличие на рабочей поверхности 5 пластины 1 двухслойного покрытия 6, где первый слой состоит из смеси наночастиц оксида хрома и наночастиц нитрида бора, а второй слой выполнен в виде сверхтвердой алмазоподобной пленки, обеспечивает ее повышенную износостойкость и коррозионную устойчивость, что, в свою очередь, приводит к повышению долговечности конструкции.

Исследования показали, что оптимальными значениями параметров проведения процесса лазерной наплавки смеси наночастиц оксида хрома и наночастиц нитрида бора в количественном соотношении 2:1 на рабочую поверхность шибера являются следующие: мощность лазерного излучения в непрерывном режиме воздействия 16-18 Вт, диаметр лазерного пятна 0,7-1,0 мм, скорость обработки 100-150 мм/с. При уменьшении значений указанных параметров эффект упрочнения не наблюдается, а при их увеличении первый слой двухслойного покрытия характеризуется грубой, неоднородной структурой, обусловленной образованием множества дефектных участков в виде пережогов и наплывов. В указанном диапазоне параметров происходит расплавление наночастиц оксида хрома и наночастиц нитрида бора под воздействием непрерывного лазерного излучения и формирование слоя толщиной 200-260 мкм. Количественное соотношение наночастиц оксида хрома и наночастиц нитрида бора 2:1 в смеси установлено экспериментальным путем и является наиболее целесообразным для получения слоя с повышенными значениями износостойкости и коррозионной устойчивости.

Исследования показали, что оптимальными значениями ионно-лучевого формирования второго слоя двухслойного покрытия в виде сверхтвердой алмазоподобной пленки в вакуумной среде углекислого газа пучком ионов аргона являются следующие: доза ионов аргона Ф=3500 мкКл/см², энергия E=75 кэВ. В результате ионно-лучевой обработки в вакуумной среде углекислого газа пучком ионов аргона образуется сверхтвердый алмазоподобный слой. При энергетическом воздействии имплантируемых ионов аргона в углеродсодержащей среде в поверхностном слое адсорбированных молекул углекислого газа происходят процессы диссоциации и ионизации молекул. Это приводит к возникновению заряженных радикалов, синтез которых стимулируется энергетическим воздействием внедряемых ионов аргона с характерным профилем распределения и контролируется поступлением электронов из нижележащего металла. По мере увеличения толщины получаемого алмазоподобного слоя поступление электронов к поверхности затрудняется и при достижении толщины 120 нм рост слоя прекращается.

При уменьшении или превышении значений вышеприведенных параметров процесса ионно-лучевой обработки упрочненной рабочей поверхности шибера в вакуумной среде углекислого газа пучком ионов аргона выраженный эффект упрочнения не наблюдается. В указанном диапазоне параметров происходит формирование сверхтвердого алмазоподобного слоя толщиной 110-120 нм.

Двухслойное покрытие имеет величину твердости 36-37 ГПа, а компоненты, входящие в его состав, обладают высокими защитными свойствами, что обеспечивает повышение стойкости рабочей поверхности шибера к абразивному изнашиванию в 1,5-2 раза и повышение коррозионной устойчивости в агрессивных средах в 2-2,5 раза. Это, в свою очередь, приводит к повышению эксплуатационной надежности и долговечности конструкции шибера.

Таким образом, предложенная конструкция шибера с износостойким и коррозионноустойчивым покрытием обладает повышенной стойкостью к механическому и коррозионному видам разрушений рабочей поверхности, за счет чего существенно повышается эксплуатационная надежность конструкции и значительно увеличивается срок эксплуатации шибера без проведения восстановительного ремонта либо его замены.

Claims (1)

1. Шибер с износостойким и коррозионноустойчивым покрытием, содержащий пластину с отверстием для регулирования потока жидкости через задвижку, выполненную с возможностью возвратно-поступательного движения в плоскости, перпендикулярной траектории потока, имеющую в указанном отверстии зафиксированную сменную защитную шиберную вставку, и шток для крепления с рукояткой, отличающийся тем, что на рабочей поверхности шибера имеется двухслойное покрытие, где первый слой состоит из смеси наночастиц оксида хрома и наночастиц нитрида бора в количественном соотношении 2:1 и имеет толщину 200-260 мкм, а второй слой выполнен в виде сверхтвердой алмазоподобной пленки толщиной 110-120 нм, при этом твердость двухслойного покрытия составляет 36-37 ГПа.