Российские ученые в два раза повысили стойкость нержавейки для нефтяной отрасли
Ученые из Новосибирска усилили поверхность нержавеющей стали с помощью электронно-лучевой наплавки. Такой материал в два раза лучше выдержал износ и коррозию в условиях, близких к работе нефтедобывающего оборудования.
Источник: Иллюстрация предоставлена Е.Бушуевой. Топография поверхностей материалов, изношенных гидроабразивной струей при угле атаки 90°.
МОСКВА, 11 июня. /Новости науки/. Специалисты Новосибирского государственного технического университета НЭТИ и Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН в два раза повысили износостойкость и коррозионную стойкость хромоникелевой нержавеющей стали. Для этого они нанесли на ее поверхность упрочняющий слой на основе боридов железа и хрома. Результаты опубликованы в журнале «Металлург».
Хромоникелевая аустенитная сталь широко используется в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. Она устойчива к коррозии, пластична и относительно недорога. Из нее можно делать детали сложной формы. Это важно для оборудования, которое работает под землей и сталкивается с водой, солями, газами и другими агрессивными веществами.
Главная проблема такой стали — слабая стойкость к износу. В нефтяном оборудовании на металл часто действует поток жидкости с твердыми частицами. Такой гидроабразивный износ похож на работу множества мелких лезвий: частицы песка и породы царапают поверхность, оставляют задиры и трещины. В агрессивной среде это ускоряет коррозию и сокращает срок службы деталей.
«Нержавеющая сталь достаточно пластичная, поэтому ей сложно сопротивляться потоку воды с частичками твердого песка. Абразив действует как миллион ножей, которые вонзаются в поверхность. Сначала появляются задиры, царапины, трещины, а учитывая то, что в это же время на материал действует агрессивная среда, то и антикоррозионная стойкость нержавейки сильно снижается», — пояснила доцент кафедры материаловедения в машиностроении НГТУ НЭТИ, кандидат технических наук Евдокия Бушуева.
Чтобы решить эту проблему, ученые укрепили только верхний слой стали. Они использовали смесь порошков бора и железа. Обработку провели методом электронно-лучевой наплавки на промышленном ускорителе электронов ЭЛВ-8 в ИЯФ СО РАН.
При таком методе мощный электронный пучок расплавляет поверхность металла вместе с порошком. После охлаждения на стали формируется прочный защитный слой. По словам исследователей, его толщина достигает нескольких миллиметров. При этом слой не имеет пор и прочно соединяется с основой.
«Мы можем создавать на материале более толстый поверхностный слой, чем при лазерной наплавке, лишенный пористости и слабого сцепления с основой, характерных для плазменного напыления. Если лазерная наплавка работает с толщиной не более десятка микрон, то у нас получается слой в несколько миллиметров, лишенный пор», — сказал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Михаил Голковский.
Он отметил, что метод также отличается высокой производительностью. Средняя скорость обработки составляет около 2 кв. м в час. Еще одно преимущество — обработка идет в атмосфере, а не в вакуумной камере. Это упрощает технологию и может быть важно для промышленного применения.
После наплавки образцы испытали в условиях, близких к экстремальной работе нефтяного оборудования. Тесты на гидроабразивный износ провели в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН. На образцы воздействовали мощным потоком воды с частицами оксида алюминия, а также песком с воздухом.
Испытания показали, что упрочненная нержавеющая сталь изнашивается в два раза медленнее, чем обычная. Затем образцы проверили в агрессивной коррозионной среде. Ученые воссоздали воздействие кислотных растворов, которые могут применять при авариях и заклинивании нефтедобывающего оборудования.
В таких случаях используют смеси с плавиковой, серной, соляной и азотной кислотами. Они быстро растворяют породу, но могут повреждать и металл оборудования. Новый образец оказался в два раза более стойким к коррозии по сравнению с обычной нержавеющей сталью.
Авторы работы считают, что технология может продлить срок службы деталей нефтяного оборудования, которое работает в тяжелых условиях. Полученные результаты стали частью большого цикла исследований по созданию упрочняющих покрытий для стали и других конструкционных материалов.
Исследование выполнили специалисты НГТУ НЭТИ, ИЯФ СО РАН и Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН. Результаты опубликованы в журнале «Металлург». Метод обработки — электронно-лучевая наплавка на промышленном ускорителе электронов ЭЛВ-8.
Хромоникелевая аустенитная сталь широко используется в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. Она устойчива к коррозии, пластична и относительно недорога. Из нее можно делать детали сложной формы. Это важно для оборудования, которое работает под землей и сталкивается с водой, солями, газами и другими агрессивными веществами.
Главная проблема такой стали — слабая стойкость к износу. В нефтяном оборудовании на металл часто действует поток жидкости с твердыми частицами. Такой гидроабразивный износ похож на работу множества мелких лезвий: частицы песка и породы царапают поверхность, оставляют задиры и трещины. В агрессивной среде это ускоряет коррозию и сокращает срок службы деталей.
«Нержавеющая сталь достаточно пластичная, поэтому ей сложно сопротивляться потоку воды с частичками твердого песка. Абразив действует как миллион ножей, которые вонзаются в поверхность. Сначала появляются задиры, царапины, трещины, а учитывая то, что в это же время на материал действует агрессивная среда, то и антикоррозионная стойкость нержавейки сильно снижается», — пояснила доцент кафедры материаловедения в машиностроении НГТУ НЭТИ, кандидат технических наук Евдокия Бушуева.
Чтобы решить эту проблему, ученые укрепили только верхний слой стали. Они использовали смесь порошков бора и железа. Обработку провели методом электронно-лучевой наплавки на промышленном ускорителе электронов ЭЛВ-8 в ИЯФ СО РАН.
При таком методе мощный электронный пучок расплавляет поверхность металла вместе с порошком. После охлаждения на стали формируется прочный защитный слой. По словам исследователей, его толщина достигает нескольких миллиметров. При этом слой не имеет пор и прочно соединяется с основой.
«Мы можем создавать на материале более толстый поверхностный слой, чем при лазерной наплавке, лишенный пористости и слабого сцепления с основой, характерных для плазменного напыления. Если лазерная наплавка работает с толщиной не более десятка микрон, то у нас получается слой в несколько миллиметров, лишенный пор», — сказал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Михаил Голковский.
Он отметил, что метод также отличается высокой производительностью. Средняя скорость обработки составляет около 2 кв. м в час. Еще одно преимущество — обработка идет в атмосфере, а не в вакуумной камере. Это упрощает технологию и может быть важно для промышленного применения.
После наплавки образцы испытали в условиях, близких к экстремальной работе нефтяного оборудования. Тесты на гидроабразивный износ провели в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН. На образцы воздействовали мощным потоком воды с частицами оксида алюминия, а также песком с воздухом.
Испытания показали, что упрочненная нержавеющая сталь изнашивается в два раза медленнее, чем обычная. Затем образцы проверили в агрессивной коррозионной среде. Ученые воссоздали воздействие кислотных растворов, которые могут применять при авариях и заклинивании нефтедобывающего оборудования.
В таких случаях используют смеси с плавиковой, серной, соляной и азотной кислотами. Они быстро растворяют породу, но могут повреждать и металл оборудования. Новый образец оказался в два раза более стойким к коррозии по сравнению с обычной нержавеющей сталью.
Авторы работы считают, что технология может продлить срок службы деталей нефтяного оборудования, которое работает в тяжелых условиях. Полученные результаты стали частью большого цикла исследований по созданию упрочняющих покрытий для стали и других конструкционных материалов.
Исследование выполнили специалисты НГТУ НЭТИ, ИЯФ СО РАН и Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН. Результаты опубликованы в журнале «Металлург». Метод обработки — электронно-лучевая наплавка на промышленном ускорителе электронов ЭЛВ-8.
