ВведениеАнализ литературных источников показал, что возможными причинами отказов буровых насосов являются [1, 2]:– абразивный износ из-за содержания твердых частиц в промывочной жидкости;– ударный режим работы клапанных пар и динамические нагрузки;– коррозионное воздействие перекачиваемых сред;– усталостные разрушения вследствие старения материалов;– отклонения геометрических параметров деталей (износ посадочных поверхностей).Одной из основных причин отказов буровых насосов при эксплуатации нефтегазовых скважин является абразивный износ цилиндровых втулок, контактирующих с промывочной жидкостью, содержащей частицы выбуренной породы. Традиционно применяемые материалы (высокоуглеродистые и легированные стали) не всегда обеспечивают требуемый ресурс, а их замена сопряжена со значительными затратами. По данным эксплуатационной статистики, доля отказов буровых насосов, связанных с износом втулок, достигает 30–40 % от общего числа неисправностей, что делает данную деталь одним из наиболее критичных элементов насосного оборудования. В связи с этим актуальной задачей является разработка эффективных методов поверхностного упрочнения, позволяющих повысить износостойкость деталей из конструкционных сталей, в частности из стали 20. При этом перспективным направлением считается использование недорогих углеродистых сталей с последующей локальной модификацией поверхности, что способствует снижению себестоимости детали при сохранении высоких эксплуатационных свойств. Перспективным подходом является анодная электролитно-плазменная обработка (АЭПО), совмещающая цементацию и закалку в электролите [3]. В отличие от традиционных методов химико-термической обработки АЭПО обеспечивает нагрев детали до температур закалки за несколько секунд и позволяет формировать упрочненный слой без значительного роста зерна и деформации изделия. Цель статьи – оценка влияния АЭПО на износостойкость стали 20 и расчет ожидаемого увеличения наработки на отказ втулок буровых насосов. Материалы и методы исследованияОбразцы из стали 20 (0,20 % C) после отжига подвергали АЭПО в электролите состава 10 % NH₄Cl + 8 % глицерина (водный раствор) при напряжении 250–280 В, силе тока 3–6 А, температуре 950 °С в течение 3 мин. Охлаждение (закалка) проводилось непосредственно в электролите. Для сравнения испытывали необработанные образцы (исходное состояние).Испытания на абразивную износостойкость проводили на установке с монолитным абразивом (шлифовальный круг марки 25А25СМ16КБ2, электрокорунд белый, твердость 2100 HV) по схеме, представленной на рис. 1.  Рис. 1. Установка для испытаний трением по монолитному абразивуFig. 1. Installation for friction testing on a monolithic abrasive Режимы испытаний: скорость вращения круга – 40 об/мин; радиальное перемещение образца – 2 мм/об; контактная нагрузка – 0,8 кгс/см2; время испытания – 20 с; путь трения – 7,8 м; диаметр круга – 250 мм. Массовый износ определяли на электронных аналитических весах Vibra AF 225 DRCE с точностью ±0,0001 г как разность масс образца до и после испытания. Износостойкость (И, г–1) рассчитывали, как величину, обратную массовому износу: И = 1/G. Для каждого состояния было проведено по 10 испытаний с последующей статистической обработкой по критерию Стьюдента при уровне значимости 0,05. Результаты и обсуждениеИзносостойкость исходного и обработанного образцов Результаты 10 испытаний для образца без упрочнения и образца после АЭПО приведены в табл. 1.  Таблица 1Table 1Износ образцов с упрочнением и без упрочнения, гWear of samples with and without hardening, gИзнос образца без упрочненияИзнос образца с упрочнением1 испытание0,04051 испытание0,02532 испытание0,09332 испытание0,01713 испытание0,00663 испытание0,01754 испытание0,05744 испытание0,02125 испытание0,05865 испытание0,01876 испытание0,04386 испытание0,02537 испытание0,04457 испытание0,01468 испытание0,08798 испытание0,01749 испытание0,02659 испытание0,01710 испытание0,041710 испытание0,017  Для образца без упрочнения массовый износ варьируется от 0,0066 до 0,0933 г, что связано с неоднородностью исходной феррито-перлитной структуры и разной ориентацией структурных составляющих относительно направления трения. Высокий разброс значений (более чем в 14 раз между минимальным и максимальным износом) объясняется тем, что в исходной структуре стали 20 перлитные колонии и ферритные зерна имеют различную твердость и по-разному сопротивляются абразивному воздействию. В процессе трения мягкий феррит интенсивно удаляется, а более твердый перлит выступает в роли локального барьера, что приводит к неравномерному изнашиванию поверхности. Для образца после АЭПО разброс значений значительно меньше (износ от 0,0146 до 0,0253 г), что свидетельствует о формировании однородного упрочненного слоя.Физико-механические механизмы повышения износостойкостиПовышение сопротивления абразивному изнашиванию после АЭПО обусловлено двумя основными факторами. Во-первых, формирование мартенситной структуры в поверхностном слое (микротвердость – до 927 HV) значительно увеличивает сопротивление микрорезанию и микроцарапанию абразивными частицами [3]. Во-вторых, наличие сжимающих остаточных напряжений в модифицированном слое, характерное для закаленных сталей, препятствует зарождению и распространению микротрещин при циклическом контакте с абразивом. Кроме того, следует отметить, что высокая твердость упрочненного слоя способствует «залечиванию» микроповреждений в процессе трения за счет пластической деформации тонкого поверхностного слоя, что дополнительно замедляет развитие износа.На основе данных табл. 1 рассчитана износостойкость (И = 1/G) для каждого испытания. Результаты статистической обработки представлены в табл. 2. Таблица 2Table 2Статистические показатели износостойкости стали 20 до и после АЭПОStatistical indicators of wear resistance of steel 20 before and after AEPTПоказательБез упрочненияПосле АЭПОСредняя износостойкость, г–123,4858,45Стандартное отклонение±6,12±3,54Коэффициент вариации, %26,16,1  По полученным данным была построена  гистограмма (рис. 2) с указанием величины ошибки. Рис. 2. Сравнительная гистограмма износостойкости стали 20 до и после АЭПОFig. 2. Comparative histogram of wear resistance of steel 20 before and after AEPT Установлено, что анодная электролитно-плазменная обработка повышает износостойкость стали 20 в 2,5 раза (с 23,5 до 58,5 г–1). При этом разброс результатов снижается в 4 раза (коэффициент вариации уменьшился с 26,1 до 6,1 %), что указывает на высокую воспроизводимость метода и формирование равномерного упрочненного слоя.Оценка увеличения наработки на отказ втулок буровых насосовНа основании полученных данных выполнен оценочный расчет ожидаемого ресурса втулки из стали 20 после АЭПО. Согласно [4], средняя наработка на отказ втулки бурового насоса из серийно выпускаемой стали в исходном состоянии составляет около 200–250 ч. Поскольку износостойкость пропорциональна ресурсу детали в условиях абразивного изнашивания, можно ожидать, что после АЭПО наработка на отказ возрастет также в 2,5 раза и достигнет 500–625 ч (табл. 3). Таблица 3Table 3Оценка увеличения наработки на отказ втулки бурового насосаEvaluation of increased operating time for failure of the drilling pump sleeveСостояние втулкиИзносостойкость, г–1Ожидаемая наработка на отказ, чИсходная (без обработки)23,5200–250После АЭПО (сталь 20 + цементация + закалка)58,5500–625  Полученный результат хорошо согласуется с известными данными о том, что формирование мартенситной структуры в поверхностном слое малоуглеродистых сталей позволяет значительно повысить сопротивление абразивному изнашиванию [4, 5]. Дополнительным преимуществом АЭПО является сохранение вязкой феррито-перлитной сердцевины, что особенно важно для втулок буровых насосов, работающих в условиях динамических и ударных нагрузок. Выводы1. АЭПО стали 20 в электролите NH₄Cl + глицерин (950 °С, 3 мин) повышает абразивную износостойкость в 2,5 раза по  сравнению  с  исходным  состоянием (с 23,5 до 58,5 г–¹).2. Разброс значений износостойкости после обработки снижается в 4 раза (коэффициент вариации 6,1 против 26,1 %), что подтверждает формирование однородного упрочненного слоя и высокую воспроизводимость метода.3. Оценочный расчет показывает, что применение АЭПО для втулок буровых насосов из стали 20 позволит увеличить наработку на отказ с 200–250 до 500–625 ч, т. е. в 2,5 раза.4. Полученные результаты обосновывают целесообразность использования АЭПО для повышения ресурса деталей нефтегазового оборудования, работающих в условиях абразивного изнашивания.