Металлическая труба с защитным покрытием

Полезная модель относится к технике нанесения защитных металлических покрытий преимущественно на стальные трубы, баллоны, радиаторы и другие изделия с внутренними каналами и может быть использовано для покрытий металлических труб в металлургии, машиностроении, строительной индустрии, нефтегазовой промышленности и коммунальном хозяйстве.

Технической задачей полезной модели является повышение коррозионной стойкости и стойкости к абразивному износу металлических труб.

Техническая задача достигается за счет того, что поверхность трубы выполнена в виде двух диффузионных электроэрозионных слоев, имеющих разную твердость, причем твердость нижнего переходного диффузионного слоя выше твердости материала трубы на 5-12 HRC, а твердость второго слоя выше твердости материала трубы на 12-22 HRC, при этом толщина нижнего диффузионного слоя не превышает 0,20 мм, а общая толщина упрочненного покрытия не более 0,5 мм

Полезная модель относится к технике нанесения защитных металлических покрытий преимущественно, на стальные трубы, баллоны, радиаторы и другие изделия с внутренними каналами и может использоваться в металлургии, машиностроении, строительной индустрии, нефтегазовой промышленности и коммунальном хозяйстве.

Известны способы нанесения защитных покрытий на металлические трубы (а.с. №997489, С 23 С 14/00, 1985; №1048847, С 23 С 14/32, 1987; №1592384. С 23 С 2/14, 1987; №1637898, С 23 С 14/00, 1988; №1799398, С 23 С 2/38, 1990).

Указанные способы нанесения защитных покрытий на металлические трубы включают очистку поверхности, флюсование в растворе, содержащем например хлориды лития и калия, нагрев до 350-450°С, проводку через расплав металла- покрытия и последующее охлаждение. При этом очистку поверхности труб от окалины, ржавчины, окисных пленок и других загрязнений проводят путем выполнения следующих операций: обезжиривание в щелачных растворах, промывка в воде, травление в кислоте и промывка в воде, что связано с определенными техническими и материальными затратами, а сам процесс очистки является экологически вредным.

Данные способы характеризуются низкими производительностью и качеством очистки внешней поверхности трубы, а нанесение на нее защитных покрытий связано с большими капитальными затратами и вызывает загрязнение окружающей среды.

Известен способ нанесения металлических покрытий (П-1799398, С 23 С 2/38, опубл. в бюлл. №8, 28.02.1993 г.), включающий нанесение металлических покрытий на трубы и изделия с внутренним каналом. Способ включает химическую очистку, предварительный нагрев в защитной атмосфере, обработку в расплаве флюса, находящемся в отдельной ванне, погружение в расплав металла- покрытия и скоростное охлаждение, причем обработку в расплаве флюса и в расплаве металла- покрытия осуществляют в защитной среде, в качестве которой используют инертный газ, в частности технический азот, в расплаве флюса изделия подогревают до температуры расплава металла- покрытия или выше ее. При нанесении алюминиоцинкового покрытия, содержащего 55% алюминия, 43,5% цинка и 1,5% кремния, предварительный нагрев производят до 350-470°С, и подогрев в расплаве флюса до 640-650°С при температуре плавления флюса 500-520°С.

Недостатком данного технического решения является сложность осуществления и его невысокая производительность.

Известна металлическая труба с наружным покрытием, в состав которого входит смола пиролиза горючих ископаемых, при этом основой состава покрытия является модифицированная смола пиролиза твердых горючих ископаемых, содержащая аминные, эпокси- и гидроксильные, карбонильные и карбоксильные группы (П. модель №17021, 7 В 32 В 1/08, F 16 L 58/10, опубл. 23.11.2000)

Нанесение таких защитных покрытий связано с большими капитальными затратами и с загрязнением окружающей среды.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является вакуумная обработка внутренней поверхности трубы (П-2039845, С 23 С 14/35, опубл. 20.07.1995).

Данное решение осуществляется путем ионного азотирования в разряде низкого давления. При реализации магнетронного разряда между внутренней поверхностью трубы и разрядным электродом- анодом образующиеся ионы азота, ускоряясь в катодном падении, попадают на внутреннюю поверхность трубы. Часть этих ионов, диффундируя внутрь, приводят к образованию в верхнем слое устойчивых нитридных соединений, которые и обусловливают изменение его свойств.

Разность потенциалов создается между катодом- изделием, изготовленным из немагнитной нержавеющей стали, и анодом, изготовленным из немагнитного материала с длиной не меньше длины обрабатываемого изделия, а воздействие плазмы осуществляют при наложении на разрядную зону скрещенного с электрическим потенциалом магнитного поля, при этом плотность тока разряда поддерживают равной 15-20 мА/см ², давление азота равным 2-5 Па, а магнитную индукцию равной 10-20 мТл.

Недостатком данного способа является, то что создается защитное покрытие с недостаточной коррозионной стойкостью.

Кроме того известные упрочняющие покрытия, обладающее хорошей адгезией к материалу трубы, имеет относительно низкую твердость и низкий уровень сжимающих напряжений, либо имеют высокую микротвердость, но недостаточную прочность сцепления с материалом изделия. В результате этого покрытие легко подвергается абразивному износу, в нем быстро зарождаются и распространяются трещины, приводящие к разрушению покрытия, что снижает стойкость труб.

Наибольший интерес при этом представляют методы, с помощью которых достигается значительное упрочнение поверхностных слоев труб, находящихся в агрессивной среде.

Основным достоинством такой поверхностной обработки является сочетание высокой твердости и прочности поверхностного слоя с вязкостью и высокой пластичностью основы упрочняемых труб.

Значительный эффект поверхностного упрочнения достигается за счет повышения не только твердости, но и износо- и коррозионной стойкости рабочей поверхности труб.

Для реализации указанных достоинств в промышленных условиях представляют интересы методы упрочнения концентрированными потоками энергии, в том числе с использованием электрических разрядов.

Наиболее простым при этом является способ электроэрозионного легирования.

Электроэрозионное легирование особенно эффективно для повышения износостойкости и абразивной стойкости труб в условиях их острейшего дефицита.

Технической задачей полезной модели является повышение коррозионной стойкости и стойкости к абразивному износу металлических труб.

Техническая задача достигается за счет того, что поверхность трубы выполнена в виде двух диффузионных электроэрозионных слоев, имеющих разную твердость, причем твердость нижнего диффузионного слоя выше твердости материала трубы на 5-12 HRC, а твердость второго диффузионного слоя выше твердости материала трубы на 12-22 HRC. При этом толщина нижнего диффузионного слоя не превышает 0,20 мм, а общая толщина упрочненного покрытия не более 0,5 мм.

Технология электроэрозионного легирования обладает рядом существенных достоинств:

- не требует специальной подготовки поверхностей, необходимо лишь полностью очистить их от грязи и полностью удалить следы жира и масла;

- обеспечивает высокую прочность сцепления слоя покрытия с основным материалом;

- не оказывает влияния на основную структуру металла;

- придает поверхностным слоям покрытия требуемые эксплуатационные качества;

- повышает стойкость упрочненных изделий в 2-4 раз в сравнении с не упрочненными;

- позволяет экономить дорогостоящие трубные стали;

- исключает нагрев или допускает незначительный нагрев обрабатываемой поверхности в процессе электроискрового легирования, который не может изменить ее геометрию и физико-механические свойства;

- отличается простотой технологического процесса, малогабаритностью и транспортабельностью оборудования.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, где показана металлическая труба с упрочненной легированной поверхностью.

Металлическая труба состоит из основного материала 1, выполненного из трубных марок сталей и нанесенного твердосплавными электродами электроэрозионного покрытия в виде двух диффузионных слоев 2 и 3, которые имеют разную твердость.

Для осуществления предлагаемого технического решения обрабатываемую металлическую трубу подвергают электроэрозионной обработке известными способами. В зависимости от исходных физико-химических свойств обрабатываемой поверхности устанавливают режимы обработки и вид легирующего материала- электрода.

Опытное опробование предлагаемого решения проводили на бурильных трубах, произведенных из титановых сплавов. Трубы диаметром 100 мм имели длину 1250 мм. Общая площадь упрочнения составила 3200 см². Процесс упрочнения проводили на разных режимах при емкостях разрядных конденсаторов 800, 950, 1100 мкФ и частоте 100 Гц.

На внутреннюю поверхность трубы наносили упрочняющее покрытие в виде двух слоев, имеющих разную твердость, причем твердость нижнего диффузионного слоя была выше твердости материала трубы на 5-12 HRC, а твердость второго диффузионного слоя выше твердости материала трубы на 12-22 HRC. При этом толщина нижнего диффузионного слоя не превышала 0,20 мм, а общая толщина упрочненного покрытия не превышала 0,5 мм.

В процессе электроискрового легирования были опробованы электроды из разных материалов и разной твердости, в том числе - твердые сплавы, высокоуглеродистые сплавы, белые чугуны, а также графитовые электроды.

Данные по твердости и толщине упрочняющих слоев были получены опытно-экспериментальным путем. Именно при соотношениях, которые отмечены выше, были получены наилучшие показатели по прочностным характеристикам у упрочняемых труб.

Лучшие показатели были получены при нанесении нижнего диффузионного слоя электродами Ni- Cr, и при нанесении верхнего диффузионного слоя электродами из сплава Т15К6

Пример конкретного выполнения

Электроискровое легирование титановых бурильных труб Ф 100 мм проводили на токарном станке при следующих параметрах:

- скорость перемещения суппорта с устройством

При этом было установлено, что уровень износостойкости внутренней поверхности труб, легированных твердосплавными электродами оказался значительно выше, чем у неупрочненных контрольных образцов.

Как видно из таблицы №1 коррозионная стойкость титановых буровых труб с упрочненной внутренней поверхностью выше в 1,9-2,4 раза в сравнении с обычными неупрочненными трубами и в 1,3-1,5 в сравнении с упрочненными по способу-прототипу.

Предлагаемое решение позволяет существенно повысить износостойкость труб и сократить расход дорогостоящих трубных сталей.

Кроме того, наилучшие показатели по износо и коррозионной стойкости труб были достигнуты при твердости 1-го упрочненного слоя на 5-12 HRC превышающей твердость самой трубы, а твердость 2-го и последующих слоев превышает твердость материала трубы на 12-22 HRC. При этом толщина нижнего диффузионного слоя не превышала 0,20 мм, а общая толщина упрочненного покрытия была не более 0,5 мм.

Высокая мощность установки электроискрового легирования и обдув электрода азотом способствует образованию равномерного микрорельефа упрочненного слоя в каждый период обработки. Это обеспечивает увеличение стойкости труб и повышение производительности обработки.

Достоинством данного технического решения является высокая прочность сцепления нанесенного материала электрода с основой материала трубы за счет оптимальных режимов процесса.

Таким образом заявляемое техническое решение полностью выполняет поставленную задачу.

1. Металлическая труба с защитным покрытием, состоящая из металлической основы и нанесенной на нее защитного покрытия, отличающаяся тем, что защитное покрытие выполнено в виде двух электроэрозионных слоев, имеющих разную твердость, причем твердость нижнего слоя выше твердости материала трубы на 5-12 HRC, а твердость второго слоя выше твердости материала трубы на 12-22 HRC.

2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что толщина нижнего диффузионного слоя не превышает 0,20 мм, а общая толщина упрочненного покрытия не более 0,5 мм.