Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия¹ ; АО «ЭЛКАМ-Нефтемаш», Пермь, Россия²

И. Ю. Соколов, аспирант кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» (МТО)¹, генеральный директор², эл. почта: aspirantsokolovivan@elkam.ru

С. Н. Мольцен, аспирант кафедры МТО¹, директор по качеству², эл. почта: stanislav@vputehod.ru

А. В. Кравченко, аспирант кафедры МТО¹, начальник отдела технического контроля², эл. почта: andrew@vputehod.ru

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия¹ ; ООО «Металлпром», Пермь, Россия²

Д. А. Никитин, магистр¹, специалист по качеству², эл. почта: 89_87@bk.ru

Показано, что Ni – Cr – B – Si-покрытие плунжеров штанговых скважинных насосов, работающих в Башкирии и Удмуртии, может быть подвержено коррозионному растрескиванию при циклических напряжениях в условиях воздействия соляной кислоты, сульфидов и хлоридов. Эти специфические повреждения существенно снижают надежность и долговечность плунжеров. Установлено, что почти перпендикулярное расположение развивающихся в покрытии трещин приводит к его фрагментации и отшелушиванию, формируя типичную морфологию повреждений Ni – Cr – B – Si-слоя, полученного методом газопламенного напыления. Сделано предположение о многостадийном механизме зарождения и развития трещин: появлении коррозионных каверн-очагов; зарождении в них радиальных трещин коррозионного растрескивания под напряжением, развивающихся в глубь покрытия; развитии подповерхностных осевых трещин контактной усталости. Процесс разрушения покрытия завершается его отслоением до тонкой светлотравящейся прослойки, которая остается на поверхности исследуемых плунжеров. Микроструктура покрытия состоит из матричного твердого раствора на основе никеля и представляет рактически замкнутую сетку смеси твердых фаз, включая карбиды и бориды хрома. Обнаружена переходная зона у границы покрытия и металла основы с измененной структурой, устойчивой к разрушению, вызванная диффузией входящих в состав покрытия элементов в материал основы. Рекомендованы меры по уменьшению охрупчивающих факторов, включая коррекцию содержания карбидов и боридов хрома в покрытии, а также модификацию длины плунжеров. Проведена оценка экономической эффективности улучшения устойчивости покрытия к сероводороду, включая снижение затрат.

Исследование выполнено при поддержке АО «ЭЛКАМ-нефтемаш».
Коллектив авторов выражает особенную благодарность зав. кафедрой «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ доктору технических наук, профессору Юрию Николаевичу Симонову.

1. American Petroleum Institute. API 11AX: Specification for subsurface sucker rod pumps and fittings. 13th ed., Washington, D.C. : API Publishing Services, 2022. — 218 p.
2. NACE Standard MR-0176-2020. Material Requirements. Metallic Materials for Sucker-Rod Pumps for Corrosive Oilfield Environments. P. 7.
3. ГОСТ 31825–2012. Штанги насосные, штоки устьевые и муфты к ним. Технические условия. — Введ. 01.01.2014.
4. Corrosion resistance of chemical production equipment: Methods for protecting equipment from corrosion. Ref. ed. / Ed. B. V. Strokana, A. M. Sukhotina. — L. : Chemistry, 1987. — 280 p.
5. Simunovic K., Saric T., Simunovic G. Different approaches to the investigation and testing of the Ni-based self-fluxing alloy coatings — A review. Part 1: Generalfacts, wear and corrosion investigations // Tribol. Trans. 2014. Vol. 57. P. 955–979.
6. Соколов И. Ю., Симонов Ю. Н., Мольцен С. Н., Кравченко А. В. Влияние технологии нанесения и структуры NiCrBSi-покрытия на образование трещин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2023. Т. 25. № 3. С. 23–36.
7. Heidersbach R. Metallurgy and corrosion control in oil and gas production. Published by John Wiley& Sons, Inc., 2011. — 293 p.
8. Пумпянский Д. А., Пышминцев И. Ю., Выдрин А. В., Кузнецов В. И. и др. Основы металловедения и технологии производства труб из коррозионно-стойких сталей. — М. : Металлургиздат, 2023. — 682 с.
9. Brown B. F. Stress corrosion cracking control measures. National Bureau of Standards. Monograph, Vol. 156. Washington. 1977. P. 65–66.
10. Штремель М. А. Разрушение. В 2 кн. Кн. 1. Разрушение : монография. — М. : Изд. дом МИСиС, 2015. — 976 с.
11. ГОСТ 1050–2013. Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия. — Введ. 01.01.2015.
12. ГОСТ 19281–2014. Прокат повышенной прочности. Общие технические условия. — Введ. 01.01.2015.
13. Fauchais P., Heberlein J., Boulos M. Thermal spray fundamentals, from powder to part, 1st ed. — New York, NY, USA : Springer, 2014. — 1566 p.
14. ГОСТ 18895–97. Сталь. Метод фотоэлектрического спектрального анализа. — Введ. 01.01.1998.
15. Kuroda S., Clyne T. W. The quenching stress in thermally sprayed coatings // Thin Solid Films. 1991. Vol. 200, Iss. 1. P. 49–66. DOI: 10.1016/0040-6090(91)90029-W
16. Попов А. А., Попова Л. Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита: Справочник термиста. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Металлургия, 1965. — 495 с.
17. Макаров А. В., Соболева Н. Н., Малыгина И. Ю., Осинцева А. Л. Формирование износостойкого хромоникелевого покрытия с особо высоким уровнем теплостойкости комбинированной лазерно-термической обработкой // Металловедение и термическая обработка металлов. 2015. № 3 (717). С. 39–46.
18. Makarov A. V. et al. Improving the properties of a rapidly crystallized NiCrBSi laser clad coating by high-temperature processing // J. Crystal Growth. 2019. Vol. 525, Iss. 6. 125200.
19. Симонов Ю. Н., Георгиев М. Н. Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов : монография. — Пермь : Изд-во ПНИПУ, 2013. С. 79–80.
20. Šimunović K., Franz M., Marić G. Investigation and estimation of residual stress in flame sprayed and fused NiCrBSi coatings // Metalurgija. 2008. Vol. 47, Iss. 2. P. 93–97.
21. Skulev H., Malinov S., Sha W., Basheer P. A. M. Microstructural and mechanical properties of nickel-base plasma sprayed coatings on steel and cast iron substrates // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 197, Iss. 2-3. P. 177–184. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2005.01.039
22. Habib K. A., Cano D. L., Serrano-Mira J. et al. Impact of microstructure on remelting parameters and mechanical behavior of thermally sprayed NiCrBSi coating // J. Therm Spray Tech. 2024. Vol. 33. P. 290–307. DOI: 10.1007/s11666-023-01684-1
23. Yoshida S. et al. Direct observation of indentation deformation and cracking of silicate glasses // J. Mater. Res. 2015. Vol. 30, Iss. 15. P. 2291–2299.
24. Valean P.-C., Kazamer N., Pascal D.-T., Muntean R. et al. Characteristics of thermally sprayed NiCrBSi coatings before and after electromagnetic induction remelting process // Acta Polytechnica Hungarica. 2019. Vol. 16. P. 7–18.
25. Lebaili S., Durand-Charee M., Hamar-Thibault S. The metallurgical structure of as-solidified Ni - Cr - B - Si - C hardfacing alloys // J. of Material Science. 1988. Vol. 23, Iss. 10. P. 3603–3611.
26. Houdková Š., Smazalová E., Vostˇrák M., Schubert J. Properties of NiCrBSi coating, as sprayed and remelted by different technologies // Surf. Coat. Technol. 2014. Vol. 253. P. 14–26.
27. Kazamer N., Muntean R., Vălean P. C., Pascal D. T. et al. Comparison of Ni-based self-fluxing remelted coatings for wear and corrosion applications // Materials. 2021. Vol. 14. 3293. DOI: 10.3390/ma14123293

28. Симонов Ю. Н. Физика прочности и механические испытания металлов. — Пермь : Издательство ПНИПУ, 2017. С. 4.
29. Davis J. R. Handbook of thermal spray technology, 1st ed.; ASM International: Materials Park, OH, USA; Novelty, OH, USA, 2004. — 338 p.
30. Harsha S., Dwivedi D. K., Agarwal A. Influence of CrC addition in Ni-Cr-Si-B flame sprayed coatings on microstructure, microhardness and wear behavior // Int. J. Adv Manuf Technol. 2008. Vol. 38. P. 93–101. DOI: 10.1007/s00170-007-1072-2
31. Cameron D. C. Films and coatings: technology and recent development. Elsevier, 2014. P. 239–240.
32. Ганина Н. И., Захаров А. М., Оленичева В. Г., Петрова Л. А. Диаграммы состояния металлических систем, опубликованные в 1984 году. Выпуск XXIX. — М. : ВИНИТИ, 1986. — 524 с.
33. Surface engineering / Handbook Vol. 5, ASM International, 1994. — 1449 p.
34. Tucker R. C. Thermal Spray Technology. ASM Handbook, Vol. 5A. 2013. P. 60–64.
35. Alloy phase diagrams. ASM Handbook, ASM International. 2003. — 1741 p.
36. ISO 14920:2015. Thermal spraying — Spraying and fusing of self-fluxing alloys.
37. Callister W. D., JR. Materials science and engineering. An introduction. John Wiley and Sons, Inc., Wiley 2014. — 990 p.