Підвищення зносостійкості деталей фонтанної арматури шляхом нанесення зміцнюючих покриттів детонаційно-газовим методом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет

"Харківський політехнічний інститут"

УДК 622.279.5

Спеціальність 05.02.08 - технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення зносостійкості деталей фонтанної арматури шляхом нанесення зміцнюючих покриттів детонаційно-газовим методом

Римчук Данило Васильович

Харків-2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України та в Воєнізованій газорятувальній протифонтанній частині "ЛІКВО" - філії дочірньої компанії "Укргазвидобування" національної акціонерної компанії "Нафтогаз України" Міністерства палива та енергетики.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Борисевич Володимир Карпович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", м. Харків, директор Міжнародного науково-дослідного інституту нових технологій і матеріалів.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, старший науковий співробітник Жолткевич Микола Дмитрович, Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування Міністерства промислової політики України, директор;

- кандидат технічних наук Сергєєв Сергій Валерійович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", старший викладач кафедри "Технологія виробництва авіаційних двигунів".

Провідна установа Відкрите акціонерне товариство "Мотор Січ" Державного комітету промислової політики України, м. Запоріжжя.

Захист відбудеться " 31 " жовтня 2002 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".

Автореферат розісланий " 20 " вересня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Узунян М.Д.

Анотації

Римчук Д.В. Підвищення зносостійкості деталей фонтанної арматури шляхом нанесення зміцнюючих покриттів детонаційно-газовим методом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - технологія машинобудування. - Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2002.

Дисертація присвячена вирішенню науково-технічної задачі, що полягає в розробці технологічного процесу підвищення зносостійкості деталей фонтанної арматури для газових свердловин шляхом нанесення зносостійких покрить детонаційно-газовим методом із застосуванням порошкових матеріалів на основі оксидної і титано-карбідної кераміки.

У роботі зроблено аналіз експлуатаційних характеристик елементів запірної арматури, що забезпечує їхню працездатність протягом тривалого періоду безперервної роботи.

Результати дослідження впроваджені у виробництво на свердловинах Юліївського і Яблунівського родовищ із загальним економічним ефектом 500,64 тис. грн.

Ключові слова: фонтанна арматура, оксидна, титано-карбідна кераміка, технологічний процес, детонаційно-газове покриття, режими нанесення, швидкість зношування, питомий тиск.

Рымчук Д.В. Повышение износостойкости деталей фонтанной арматуры путем нанесения упрочняющих покрытий детонационно-газовым методом. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения. - Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", Харьков, 2002.

Диссертация посвящена решению научно-технической задачи, которая заключается в разработке технологического процесса повышения износостойкости деталей фонтанной арматуры для газовых скважин путем нанесения износостойких покрытий детонационно-газовым методом с применением порошковых материалов на основе оксидной и титано-карбидной керамики.

Актуальность работы обуславливается недостатком научно обоснованных рекомендаций по повышению эксплуатационных характеристик запорных элементов (шибер, седло) фонтанной арматуры, работающих в условиях высоких температур, абразивности и коррозионной среды, большого числа операций открытия и закрытия задвижек.

В работе выполнен анализ эксплуатационных характеристик элементов запорной арматуры, обеспечивающих их работоспособность в течение длительного периода безотказной работы.

Разработан комплексный научно-обоснованный подход к исследованию, разработке технологии нанесения упрочняющих покрытий и достоверному определению их эффективности применительно к деталям фонтанной арматуры.

Установлено, что упрочняющие детонационно-газовые покрытия, нанесенные на рабочие поверхности запорных элементов, позволяют сохранять герметичность фонтанной арматуры и их способность открываться и закрываться под высоким давлением в течение срока, который превышает срок службы серийно изготавливаемых элементов из стали 30Х 13 с азотированием.

Однако отсутствие четких закономерностей изнашивания сопрягаемых деталей запорной арматуры, научно-обоснованных рекомендаций по выбору режимов нанесения упрочняющих покрытий, технологии последующей их механической обработки, а также надежного автоматизированного оборудования, обеспечивающего необходимое качество покрытий и достаточно высокую производительность, являются тормозом, сдерживающим внедрение этого прогрессивного метода в промышленное производство.

В результате аналитического исследования разработана математическая модель локального изнашивания с учетом особенностей контактного взаимодействия пары "шибер-седло" и на этой основе установлены рассчетные зависимости для оценки толщины упрочняющего покрытия и геометрии деталей после их нанесения.

Предложены расчетные зависимости для оценки заполнения ствола детонационно-газовой установки, обеспечивающие качественное формирование детонационного покрытия на поверхности напыляемых деталей.

На основе предложенного метода разработана новая конструкция запорного узла, обеспечивающая дополнительное снижение перепада давлений и повышение коррозионной стойкости (патент Украины 29108 А "Запірний вузол").

Разработана и изготовлена установка, обеспечивающая возможность нанесения многокомпонентных покрытий и формирование переходных слоев с изменяющейся по толщине концентрацией различных компонентов.

Экспериментально установлено, что покрытия на основе оксида алюминия, титана и титано-карбидной керамики обеспечивают адгезию к стальной подложке на уровне 3,5 - 12 кгс/ммІ с достаточно плотным и равномерным по толщине слоем высокой твердости и задиростойкости, а триботехнические характеристики покрытия исключают процессы охватывания и переноса материала.

Разработана технология промышленного нанесения износостойких покрытий на детали запорной арматуры и соответствующие циклограммы, реализующие оптимальные режимы работы детонационно-газовой установки.

По результатам исследования процесса механической обработки деталей разработана технология и режимы шлифования различных видов покрытий, обеспечивающие заданную производительность и качество эксплуатационного слоя деталей фонтанной арматуры.

Результаты исследования внедрены в производство на скважинах Юльевского и Яблуновского месторождений с общим экономическим эффектом 500,64 тис. грн.

Ключевые слова: фонтанная арматура, оксидная, титано-карбидная керамика, технологический процесс, детонационно-газовое покрытие, режимы нанесения, скорость изнашивания, удельное давление.

D.V. Rymchuk. Improvement of wear resistance of gusher fittings parts by application of reinforcing vacuum-vapour coating. - Manuscript

Thesis Submitted to Competition for Academic Degree of Candidate of Technical Science in Speciality - Machine-Building Techniques. - National Technical University "KHARKIV POLYTECHNIC INSTITUTE", Kharkiv, 2002

The Thesis deals with development of an industrial process for improvement of wear resistance of gusher fittings parts for gas wells through application of wear resistant coatings by vacuum-vapour method with the use of powder materials and on the basis of oxide-base and titanium-carbide-base cermets.

The Paper analyzes the operation performance of those components of shut-off valves that provide their serviceability and trouble-free operation for a long time.

The results of this study are introduced and practically used in Yulyevskoye and Yablunovskoye fields with total economic efficiency of 500640 UAH.

Key words: gusher fittings, oxide-base cermet, titanium-carbide-base cermet, industrial process, vacuum-vapour coating, application modes, wear rate, specific pressure.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Фонтанна арматура призначена для обладнання гирла фонтануючих нафтових та газових свердловин з метою їх герметизації, контролю і регулювання режиму експлуатації. Засувки встановлюють у фонтанній арматурі та іншому гирловому обладнанні з метою герметичного перекриття прохідних отворів.

Тема розроблялася для прямоточних засувок з ручним управлінням. Тип ущільнення в затворі - метал до металу з ущільнюючим мастилом. Свердловинне середовище - корозійне, нафта, газ, газоконденсат із вмістом механічних домішок до 25 мг/л, сумарним вмістом СО₂ і H₂S до 6% і пластової рідини до 80% за об'ємом. Режим роботи засувки - цілодобовий, безперервний протягом кількох років.

Під час експлуатації запірні елементи засувок (шибер та сідла) піддаються певним руйнівним впливам робочим середовищем. Це гідро- і газодинамічне спрацювання, а також корозія робочих ущільнюючих поверхонь шибера та сідел у результаті контакту із свердловинним середовищем. Останній несприятливий фактор діє постійно, протягом усього періоду експлуатації, незалежно від того відкрита чи закрита засувка. Він є основним руйнівним фактором, оскільки навіть незначна зміна фізико-механічних властивостей ущільнюючих поверхонь запірних елементів може призвести до повної втрати працездатності засувки. Як правило, це прихоплення робочих поверхонь однієї до іншої, заклинювання шибера, внаслідок чого різко зростає зусилля, необхідне для обертання привідного гвинта аж до його руйнування.

Аналіз існуючих затворів прямоточних засувок показав, що вони не можуть забезпечити тривалу працездатність фонтанної арматури при жорстких умовах експлуатації: високій температурі, абразивності та корозійності середовища, великій кількості операцій відкриття та закриття засувок тощо.

Особливого значення у зв'язку з цим набуває можливість зміцнення робочих поверхонь деталей методом детонаційно-газового нанесення покриттів.

Зміцнюючі детонаційні покриття, що нанесені на робочі поверхні запірних елементів, дозволяють зберегти герметичність засувок та їх здатність відкриватися та закриватися під високим тиском протягом терміну, який перевищує строк служби засувок, що виготовляються серійно із сталі 30Х 12 з азотуванням.

Ефективність застосування детонаційних покриттів пов'язана насамперед із збільшенням строку служби зміцнених деталей. При цьому збільшення витрат на їх виготовлення значно нижче порівняно з отриманою економією від збільшення строку їх служби. Крім того детонаційне зміцнення у ряді випадків дозволяє замінити дорогі сталі та кольорові метали на більш дешеві недефіцитні матеріали за рахунок додавання необхідних експлуатаційних властивостей тільки робочим поверхням, на які безпосередньо впливають несприятливі фактори, замість зміцнення деталі у цілому. Все це обумовлює одержання значної економії матеріальних та енергетичних ресурсів, а також поліпшення екологічної ситуації.

Таким чином, розробка та широке впровадження технології створення на робочих поверхнях запірних елементів засувок експлуатаційного шару з фізико-механічними характеристиками, що забезпечують оптимальні умови експлуатації, є однією з актуальних наукових і практичних задач підвищення технічного рівня і строку служби фонтанних арматур і іншого запірного обладнання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи виконувалася відповідно до програми "Критичні технології в машинобудуванні" у рамках договорів № 7001 від 30.01.97 р. та № 7020 від 05.01.98 р.

Мета і задачі дослідження. Підвищення експлуатаційних характеристик запірної арматури шляхом підбору найбільш перспективних матеріалів, складу покриттів і оптимізації технологічних параметрів його нанесення.

Для реалізації мети необхідно вирішити такі задачі:

- визначити основні закономірності зношення спряжених деталей запірної арматури;

- розробити розрахункову схему і методику визначення зношення спряжених деталей запірної арматури;

- здійснити розрахункову оцінку зношення спряжених деталей

- запірної арматури;

- визначити матеріал покриття;

- провести комплекс лабораторних і виробничих досліджень режимів і особливості технології нанесення зносостійких покриттів методом детонаційно-газового зміцнення;

- розробити виробничу технологію детонаційно-газового зміцнення деталей фонтанної арматури;

- впровадити результати дослідження у виробництво.

Об'єкт дослідження. Технологічний процес виготовлення запірної арматури.

Предмет дослідження. Підвищення експлуатаційних характеристик робочих поверхонь запірної арматури методом детонаційно-газового зміцнення.

Методи дослідження. У процесі виконання роботи проведені теоретичні та експериментальні дослідження на базі наукових основ технології машинобудування, тертя та зношення механізмів. Теоретичні дослідження зносостійкості деталей пар тертя включали фізичні основи тертя, основні закономірності зношування деталей запірної арматури, розрахункову оцінку їх надійності.

Експериментальні дослідження поєднали розробку методів і устаткування для проведення випробовувань на зношення зразків із різними видами покриттів та використанням машини тертя і спеціального стендового устаткування, а також випробовування у виробничих умовах на діючих газових свердловинах.

Для дослідження зміни стану робочих поверхонь деталей запірної арматури у процесі проведення випробувань використовувалися таки методи: ваговий, профілеграфування, термометричний, мікротвердомірів, оптичної металографії.

Отримані результати оброблялися з використанням засобів обчислювальної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів

Наукова новизна одержаних результатів полягає:

1. Вперше розроблений комплексний науково обґрунтований підхід до досліджень, розробки технології нанесення зміцнюючих покриттів і достовірного визначення їх ефективності стосовно деталей запірної арматури.

2. Розроблена математична модель локального зношення з урахуванням особливостей контактної взаємодії пари "шибер-сідло".

3. Отримані аналітичні залежності для оцінки товщини зміцнюючих покриттів і геометрії деталей після їх нанесення.

4. Запропоновані розрахункові залежності для оцінки заповнення ствола установки детонаційно-газового зміцнення, що забезпечують якісне формування детонаційного покриття на поверхні деталей, що зміцнюються.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені та впроваджені у виробництво методичні рекомендації і технологія нанесення зміцнюючих покриттів, які забезпечують підвищення експлуатаційних характеристик деталей запірної арматури.

Розроблено обладнання і технічні засоби для нанесення зміцнюючих покриттів, які мають високу продуктивність і надійність.

Запропонована технологія і режими механічної обробки детонаційних покриттів після їх нанесення.

Достовірність отриманих результатів підтверджується використанням сучасного математичного апарату випробуваних методик, а також впровадженням результатів проведених досліджень у виробництво.

Особистий внесок здобувача. У процесі виконання роботи здобувачем особисто розроблена розрахункова модель оцінки зношення спряжених деталей запірної арматури, виявлені фізична сутність та основні закономірності зношення пари "шибер-сідло", і на цій основі запропоновані матеріали та метод нанесення зміцнюючих покриттів, сформульовані вимоги до них, розроблені методики проведення експериментальних досліджень і виробничих випробовувань, запропонована виробнича технологія, яка підвищує працездатність запірної арматури.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи були висвітлені на двох наукових конференціях, трьох семінарах з проблем надійності і довговічності деталей машин (ХНДІТМ, 1997 - 1999 рр.), науково-практичній конференції "Стан і перспективи розвитку розвідувального та експлуатаційного буріння й закінчення свердловин в Україні" (Харків, 1998 р.), ХІ Міжнародному науково-технічному семінарі "Високі технології: розвиток та кадрове забезпечення" (Харків - НТУ "ХПІ" - Алушта, 2001 р.).

Публікації. Основні матеріали роботи опубліковано в 7 наукових статтях.

Структура й об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та 4 додатків. Повний обсяг дисертації викладений на 210 сторінках, з них 8 ілюстрацій по тексту, ілюстрацій на 37 сторінках, 27 таблиць по тексту, таблиць на 8 сторінках, список використаних літературних джерел з 88 найменувань на 8 сторінках.

Зміст роботи

У вступі йдеться про призначення об'єкта, який досліджується, особливості та умови його експлуатації, обґрунтовується актуальність теми, а також коротко розкривається мета і завдання дослідження, наукова новизна і практична цінність дисертаційної роботи, ступінь апробації отриманих результатів.

У першому розділі аналізуються експлуатаційні характеристики елементів запірної арматури, що забезпечують їх працездатність. Відзначається, що для забезпечення герметичності запірного вузла необхідно довести до мінімуму зазор між шибером і сідлом, забезпечивши необхідний контакт їх ущільнюючих поверхонь.

Іншим важливим моментом, що характеризує працездатність засувки, є легкість управління нею, здатність вільного і легкого (без заїдань) пересування шибера відносно сідел при робочому тиску середовища. Ця властивість характеризується триботехнічними параметрами пари "шибер-сідло".

Указані основні причини виходу з ладу запірних елементів фонтанної арматури.

Розглянуті праці вчених і виробників, присвячені дослідженню сучасних систем і технологій нанесення газотермічних покриттів для підвищення надійності і працездатності важко навантажених деталей, які працюють в умовах теплового і корозійного впливу.

Дослідження М.Х. Шоршорова, Ю.А. Варламова, Л.М. Демиденка, М.І Анісімова показали, що на якість нанесеного захисного покриття значно впливають його товщина, побудова технологічного процесу і вибір оптимальних параметрів.

Порівняльний аналіз деяких характеристик і процесів з'єднання матеріалів, які наносяться газотермічним напилюванням, наведений у роботах А. Хасуі, О. Морігакі, R.A. Miller, C.E. Lowell, W.P. Beach та інших, підтверджує переваги детонаційно-газових покриттів, серед яких можна виділити високу міцність зчеплення, низьку пористість, можливість нанесення на остаточно оброблені поверхні.

Незважаючи на значну кількість публікацій, присвячених газо-детонаційному нанесенню покриттів, практично відсутні теоретичні й експериментальні дослідження закономірностей зношення спряжених деталей запірної арматури, які зміцнені цим методом. У літературі відсутні розрахункові залежності для оцінки надійності спряжених деталей запірної арматури з покриттями.

Дослідження А.І. Долматова, Е.Є. Балагова, В.М. Власенка дозволяють зробити висновок про те, що газо-детонаційне нанесення покриттів на деталі запірної газової арматури є багатофакторним об'єктом дослідження з яскраво вираженою нестандартністю, рівень якої суттєво впливає на вибір технологічних параметрів і обладнання.

Тому створення наукових основ технології нанесення газо-детонаційних покриттів на деталі запірної арматури є першорядною задачею. При цьому слід враховувати такі особливості:

- процес газо-детонаційного нанесення носить імпульсний характер;

- властивості покриттів визначаються рядом характеристик, у тому числі структурою, фазовим складом, мікротвердістю, міцністю зчеплення, характером розподілення елементів у покритті;

- у покриттях мають місце внутрішні напруження, що виникають внаслідок усадки при остиганні часток покриття;

- шорсткість покриття залежить від багатьох факторів, але насамперед від грануляції матеріалу, який напилюється, та від режимів напилювання;

- необхідна механічна обробка покриттів, мета якої, з одного боку, надати деталі, яка напилюється, певні геометричні розміри, а з другого - створити необхідну мікрогеометрію, виходячи з конкретних умов експлуатації.

Удосконалювання обладнання для газо-детонаційного нанесення покриттів повинно вестися з урахуванням переведення його на робочу суміш - природний газ-кисень замість ацетилен-кисневої і повну автоматизацію процесу.

На підставі проведеного аналізу сформульовані мета і завдання проведення даної роботи.

У другому розділі висвітлені результати дослідження зносостійкості деталей пар тертя запірної арматури, що поєднують такі фактори: фізичні основи тертя, основні закономірності зношення деталей, розрахункову оцінку надійності зношення спряжених деталей запірної арматури.

У процесі експлуатації на деталі фонтанної арматури впливають ряд факторів, що їх руйнують.

Це гідро- і газо-абразивне зношування бічних циліндричних поверхонь прохідних отворів, що має місце при відкритій засувці і русі через неї робочого середовища. Зношення під дією цього фактора стає дуже істотним при позаштатній ситуації, коли засувка закрита не повністю. У цьому випадку вона починає працювати в режимі "штуцера", швидкість потоку робочого середовища зростає і спостерігається так звана "щілинна ерозія", що приводить до розмивання країв прохідних отворів (як на шибері, так і на сідлах) і втрати працездатності засувки у цілому.

Інший руйнівний - це корозія деталей під дією середовища свердловини.

Вуглекислий газ і сірководень, що містяться у продукції свердловин, інтенсивно розчиняються у воді з утворенням вугільної і сірководневої кислоти, що дисоціюють з утворенням іонів: Н+, НСО 3-, СО 32-, НS- і S2- (водневий показник рН розчину при цьому знижується). Тим самим створюються умови для виникнення і розвитку корозії, що відбувається в середовищі електроліту або електрохімічної корозії.

Метали і сплави, завжди хімічно і фізично неоднорідні, складаються з комплексу анодних і катодних ділянок, що являють собою мікроскопічні гальванічні пари. Корозія в електроліті протікає на межі метал-електроліт, у результаті чого електрони від більш активного металу переходять до менш активного. Таким чином, більш активний метал окислюється.

У сталях основною домішкою заліза є карбід заліза Fe3C (цементит). Це з'єднання менш активне, ніж залізо. Численні мікрогальванічні елементи, що утворюються, можна продемонструвати схемою:

Залізо тут виконує роль анода і розчинюється, а вкраплення цементиту служать катодом - на них виділяється водень.

Застосування методу детонаційно-газового напилювання дозволяє не тільки зміцнювати робочі поверхні деталей, але і створювати їх нові конструктивні форми, що обумовлюють поліпшення експлуатаційних характеристик засувок.

З метою удосконалення запірного вузла в дисертації розроблена нова його конструкція, у якій за рахунок виконання на шибері кільцевого розточення і нанесення антикорозійного покриття забезпечується додаткове зниження перепаду тиску і підвищення корозійної стійкості, що разом обумовлює зниження зусилля відкриття (закриття) на привідному пристрої запірного вузла і підвищення ресурсу, а також зниження металоємності.

При відносному русі спряжених деталей запірної арматури між контактуючими поверхнями неминуче виникає тертя. Внаслідок цього вони піддаються зношенню, інтенсивність якого залежить від умов взаємодії пар, що труться.

Відмінною рисою виникаючого тертя є його дисипативний характер, тобто тертя завжди супроводжується переходом механічної енергії в інші її види. Диспанція енергії при терті приводить до нагрівання поверхонь, їхньому окислюванню, зношенню й іншим змінам у зоні контакту.



Рис. 1. Запірний вузол у положенні "Закрито". 1 - корпус; 2 і 5 - кільцеві розточення; 3 і 6 - сідла; 4 - шибер; 7, 8, 9 і 10 - захисні покриття.

У даному випадку має місце сухе тертя, при якому на поверхнях немає змащення, вони покриті тільки окисними плівками і адсорбованими плівками води та газу.

Відносний зсув поверхонь за наявності взаємного притягання і прилипання супроводжується розривами молекулярних зв'язків, що вимагає витрати енергії в незворотній формі. Особливо велику силу тертя (тангенціальну) треба прикласти, якщо зв'язок між тілами порушується не у місці контакту, а всередині металу, на деякій глибині від поверхні. Це можливо при сильній адгезії й наклепі контактуючих виступів. Руйнування такого з'єднання приводить до значних ушкоджень поверхні тіл, що труться. Тому дуже важливим фактором при терті є відмінності у міцності шарів, що знаходяться нижче. Якщо зв'язок менш міцний порівняно з матеріалом, що знаходиться нижче, то має місце позитивний градієнт механічних властивостей по глибині, тобто

, (1)

де - руйнівне напруження в площині ковзання;

z - координата, перпендикулярна цій площині.

У зв'язку з подвійною адгезійно-деформаційною природою тертя і зношення силу тертя можна розділити на дві частини, що взаємно впливають одна на іншу:

F = Fад + Fдеф. (2)

Молекулярна Fад складова виникає в результаті подолання опору зрушення контактуючих тіл, викликаного молекулярним притягуванням. Механічна складова Fдеф викликана пружним і пластичним відтискуванням мікронерівностей контактуючих тіл, що вкарбовуються одне в одне.

Враховуючи, що адгезійна і деформаційна складові сили тертя і нормальна реакція дорівнюють відповідно:

,

де ' і n - дотична і нормальна напруга на контакті;

А 2 - фактична площа торкання;

А 2 - сума проекцій площадок торкання на площину перпендикулярну силі тертя.

Для коефіцієнта тертя отримаємо такий вираз:

. (3)

При пружному деформуванні шорсткуватого шару при терті механічна складова коефіцієнта тертя звичайно набагато менша від адгезійної, і коефіцієнт тертя в першому наближенні дорівнює:

. (4)

При пластичному відтискуванні матеріалу одиничною нерівністю навантаження сприймається тільки фронтальною частиною виступу. Для виступу сферичної форми радіуса r коефіцієнт тертя дорівнює:

, (5)

де a - зближення при ковзанні.

Аналіз кривих зношення, отриманих у результаті лабораторних і виробничих випробувань, показав наявність трьох яскраво виражених ділянок зношування.

I - ділянка початкового, або зношення припрацювання. Вона характеризується підвищеною швидкістю зношування. Це пов'язано з притиранням дотичних поверхонь, зміною їх мікро- і макрогеометрії.

II - ділянка нормального зношення. Має місце рівномірне зношування спряжених поверхонь з мінімальною інтенсивністю.

III - ділянка прискореного зношення. Характеризується різким зростанням інтенсивності зношування. Експлуатація тертьового вузла в цей період неприпустима, тому що вона може привести до відмовлень і повного виходу вузла із ладу.

Для деталей запірної арматури період прискореного зношення не допускається.

Результати випробувань показали, що при правильно вибраному матеріалі покриттів елементів, що труться, забезпеченні оптимальної технології їх нанесення і складання, крива зношення має слабко виражену початкову ділянку І.

Для розрахунку різних характеристик працездатності із аналізу виключалися ділянка І припрацювального зношення і ділянка прискореного зношення ІІІ. Ділянка ІІ апроксимувалася прямою лінією:

(6)

де U - зношення при ковзанні;

- швидкість зношування;

t - час;

jл - лінійна інтенсивність зношування;

S - шлях тертя.

Одним із головних факторів, що визначають швидкість зношування пари "шибер-сідло", яка спрягається, є питомий тиск. Тиск на поверхні тертя (Р) і швидкість відносного ковзання (Vc) є основними параметрами, пов'язаними з конструкцією і кінематикою спряження. При цьому слід мати на увазі, що для розрахунку надійності конструкції треба знати закономірності для зони стаціонарного зношення.

Взагалі швидкість зношування може бути виражена залежністю:

, (7)

де - коефіцієнт зношення, що характеризує матеріал пари тертя й умови зношування.

Для даного випадку = 0,04 0,008 і визначений за результатами експерименту, m = 1,5 3,0, n = 1.

З формули (7) випливає, що при n = 1 зношення не залежить від швидкості відносного ковзання, а лише від шляху тертя.

Опираючись на природу дискретного торкання твердих тіл, інтенсивність зношування оцінюється формулою:

, (8)

де - відношення глибини впровадження одиничної нерівності до її радіуса;

- відношення номінального тиску до фактичного;

- постійна, що характеризує розподіл нерівностей по висоті;

- число циклів до руйнування нерівностей.

Як видно з формули (8), інтенсивність зношування оцінюється добутком безрозмірних відношень.

У спряженні "шибер-сідло" контакт між елементами носить пружний характер, для якого відношення дорівнює 0,005-0,009.

Відношення у даному випадку за результатами експериментів змінюється в межах 0,008-0,01.

Деталі спряження "шибер-сідло" виготовляються із шорсткістю поверхні Ra = 0,63, що відповідає .

За результатами експериментальних досліджень фрикційного тертя установлено, що .

Аналітичні залежності зношування спряженої пари "шибер-сідло" з достатньою точністю можуть бути отримані, виходячи з таких міркувань.

Для деталей запірної арматури характерне виникнення нерівномірного зношення спряжених поверхонь, що пояснюється складним характером взаємодії деталей, з одного боку, і впливу важких умов експлуатаційного середовища - з іншого.

Задача аналітичного розрахунку зношення деталей фонтанної арматури, з достатньою для практики точністю може вирішуватися, виходячи з таких допущень:

- величина зношення (U) пропорційна шляху тертя (S) і величині питомого тиску (Р). Таким чином:

, (9)

де U1 і U2 - відповідно зношення спряжених деталей - шибера і сідла;

- початкова епюра питомих тисків при зношуванні зберігається, тобто її перерозподілом у результаті зношення поверхонь зневажаємо;

- крива розподілу (х) переміщення шибера на довжині сідла відома. Ординати цієї кривої характеризують ту частку шляху тертя, що приходиться на дане положення засувки.

Закон відносного переміщення деталей і крива розподілу їхнього ходу (х) визначаються призначенням виробу і режимом його роботи.

При визначенні форми зношування поверхні шибера і сідла засувки приймемо такі позначення:

U(x) - величина лінійного зношення шибера (U1), що визначається по довжині х при ;

U(l) - величина лінійного зношення сідла (U2), що визначається по довжині l при ;

L - максимальний хід шибера;

l - довжина спряженої поверхні сідла;

р = f(l) - рівняння епюри тиску;

y = (х) - крива розподілу загального шляху тертя;

S - шлях тертя, який проходить кожна точка шибера за проміжок часу, що розглядається;

К - коефіцієнт зношення, що показує величину лінійного зношення (мкм) при дії тиску рівного 1 МПа протягом шляху тертя 1 км для даної пари матеріалу за даних умов зношування;

К 1 - коефіцієнт зношення матеріалу шибера;

К 2 - коефіцієнт зношення матеріалу сідла.

Кожна точка сідла зношується протягом усього шляху тертя S і на неї діє постійний тиск, обумовлений рівнянням Р=f(l), де крива зношення буде подібна епюрі тиску і виражається рівнянням:

(10)

Величина лінійного зношення шибера U(х) на довжині х при виражається залежністю:

(11)

Ця формула є загальною для різних випадків. При цьому ліміти інтегрування визначаються залежно від того, яка ділянка епюри тиску впливає на дану точку шибера з координатою х.

У третьому розділі викладена розробка технології та обладнання для нанесення зносостійких покриттів на деталі запірної арматури.

Відмінною особливістю модернізованої установки детонаційно-газового зміцнення є можливість нанесення багатокомпонентних покриттів і формування перехідних шарів, в яких змінюється по товщині концентрація різних компонентів. Для цього установка укомплектована чотирма порошковими дозаторами, що автоматично перемикаються, а також додатковим газовим трубопроводом, що використовується для подачі або газоподібного палива, або кисню. Це дозволяє наносити багатошарові композиційні покриття із різних порошкових матеріалів з перехідними шарами, які вміщують матеріали напилювання в необхідному співвідношенні. зносостійкість свердловина детонаційний кераміка

Для покриттів деталей запірної арматури були вибрані покриття на основі оксидної і титано-карбідної кераміки. Вони мають цілий ряд таких властивостей: висока механічна міцність, твердість, хімічна стійкість, необхідні електрофізичні властивості, що дозволяють застосовувати їх в умовах нормальних і помірно-високих температур.

Пошук оптимальних режимів напилювання виконувався із застосуванням ЕОМ на основі розробленої програми, що враховує фізичні процеси, які проходять у стволі детонаційно-газової установки, і дозволяє розраховувати швидкість і температуру частинок напилювання та продуктів детонації, а також динаміку зміни цих параметрів.

Установлено, що на критичну товщину покриття суттєво впливає твердість серцевини. При її недостатній твердості виникає продавлювання шару покриття. Щоб запобігти цьому, необхідна термообробка серцевини. Замір критичної товщини дифузійного шару на доведених зразках показав, що вона знаходиться в межах 8 - 18 мкм.

Для встановлення несучої можливості системи "шар-серцевина" достатньо визначити величину критичної сили Ркр, при якій проходить продавлювання шару, відповідну їй критичну товщину дифузійного шару hкр і величину місцевого зминання . Для визначення максимальної величини критичної сили отримано вираз:

, (12)

де



- модуль зрушення, МПа;

Епр - приведений модуль пружності, МПа.

Для розрахунку критичної товщини дифузійного шару отримано вираз:

, (13)

де

;

2 - коефіцієнт Пуассона абразивної частинки покриття;

аб - критична напруга абразивної частинки.

Загальна деформація системи "шар-серцевина" визначалась із виразу:

, (14)

де - пружна складова деформації, мм;

- пластична складова деформації, мм.

Пружна складова

визначається рівнянням Герца.

К - коефіцієнт, який залежить від форми і пружних властивостей тіл, які співударяються.

Пластична складова визначається на основі емпіричної залежності Ішлінського Ю.А.:

. (15)

У результаті оптимізації режимів напилювання оксиду алюмінію, титану і титано-карбідної кераміки розроблені відповідні циклограми, які реалізують оптимальні режими роботи детонаційно-газової установки.

Оптимальними є такі режими напилювання порошків:

- Al2O3, ПТ 88Н 12 - розмір частинок 40-60 мкм, глибина завантаження 0,4 м, початкове положення контактної межі RK=0,88-0,92 м, розведення горючої суміші флегматизуючим газом до 30%;

- TiC+25%Ni - розмір частинок 40-60 мкм, глибина завантаження 0,4 м, початкове положення контактної межі RK=1,12-1,17 м, розведення горючої суміші флегматизуючим газомІ5-30%.

У четвертому розділі показані результати експериментальних досліджень властивостей експериментальних характеристик детонаційно-газових покриттів.

Для проведення досліджень властивостей покриттів було виконано детонаційно-газове напилювання зразків. Порошкові матеріали перед напилюванням проходили стандартну підготовку: просіювання і сушіння. Перед напилюванням зразків були виконані розрахунки і оптимізація режимів детонаційного напилювання.

У процесі експериментів досліджувались властивості покриттів на основі оксиду алюмінію, титану і титано-карбідної кераміки. Метою дослідження було визначення відповідності властивостей цих покриттів експлуатаційним характеристикам запірної арматури.

У ході досліджень визначались: фазовий склад покриття, локальне розподілення хімічних елементів по перетину покриття, його структура, твердість, адгезія, корозійна стійкість, антифрикційні властивості, задиро- і зносостійкість.

У задачу дослідження входило також визначення наявності дефектів у покритті в зоні його контакту з підкладкою.

Дослідження проводились із застосуванням металографічного мікроскопу Неофіт-21 при збільшенні х 100…500 для оцінки величини і розподілу мікротвердості по довжині та товщині покриття.

Мікрорентгенівський аналіз для визначення локального хімічного складу покриття і його неоднорідності виконувався на приладі МАР-2 при напрузі, що прискорює, 35 і 50 кВ.

Рентгеноструктурні дослідження фазового складу покриттів і вимірювання залишкових напруг проводились на дифрактометрі ДРОН-2 з монохроматизацією відбитого пучка.

Дослідження для визначення корозійної стійкості покриттів проводились на зразках з використанням спеціального стенда.

Дослідження для визначення задиростійкості покриттів проводились із застосуванням спеціально спроектованого і виготовленого випробувального пристрою на розривній машині Р-0,5.

На підставі результатів експериментальних лабораторних досліджень установлено, що детонаційно-газові покриття на основі оксиду алюмінію, титану і титано-карбідної кераміки мають комплекс властивостей, необхідних для зміцнення деталей фонтанної арматури, а саме: адгезію до сталевої підкладки на рівні 3,5 - 12 кгс/ммІ, достатньо щільний і рівномірний за товщиною шар високої твердості і задиростійкості.

При застосуванні нікель-алюмінієвого підшару адгезія до сталевої підкладки виростає на 30-45% і дорівнює 4,85 - 5,5 кгс/ммІ.

Триботехнічні характеристики покриття Al2O3, а саме: низький коефіцієнт тертя і відсутність задирів - свідчать про високу сумісність при терті, тобто відсутність процесів схоплювання і переносу матеріалу.

У дослідженому інтервалі робочих тисків триботехнічні характеристики пари тертя Al2O3 практично не змінювались і залишалися на достатньо високому рівні.

Установлено, що покриття ПТ 88Н 12+(TiC+25%Ni) також повністю задовольняє умовам роботи запірних елементів засувок фонтанної арматури, маючи достатню корозійну стійкість і зберігаючи свої триботехнічні характеристики в широкому інтервалі навантажень.

Основним методом механічної обробки детонаційно-газових покриттів є шліфування. Дослідження для оцінки ефективності шліфування зміцнюючих покриттів різними абразивними матеріалами проводились для таких показників: Nеф - ефективна потужність шліфування; q - відносна витрата алмазів; Мш - маса матеріалу, знятого за одиницю часу; Кшо - відносний коефіцієнт шліфування.

За результатами дослідження процесу механічної обробки детонаційно-газового покриття деталей фонтанної арматури розроблена технологія і режими шліфування різних видів покриттів. Установлено, що шліфувальні круги із хромотитанистого електрокорунду мають необхідні характеристики, які забезпечують задану продуктивність і якість експлуатаційного шару деталей фонтанної арматури.

У п'ятому розділі дано техніко-економічне обґрунтування отриманих результатів, промислових випробовувань їх впровадження.

Виготовлення промислової партії зміцненої арматури дозволило уточнити режими детонаційно-газового зміцнення її запірних органів порошками Al2O3, ПТ 88Н 12 и TiC+25%Ni, які були одержані в процесі експериментальних досліджень. При цьому встановлено якісну і кількісну їх відповідність. На підставі цього розроблена промислова технологія виготовлення деталей засувок фонтанної арматури.

Виробничі випробовування засувок фонтанної арматури, на запірні органи яких нанесені зміцнюючі покриття детонаційно-газовим методом, виконані на свердловинах № 3 Юлїївського ГКР ГПУ "Харківгазвидобування" і №№ 54, 58 Яблунівського ГКР ГПУ "Полтавагазвидобування" відповідно до запропонованої методики, дозволили оцінити працездатність запропонованої конструкції запірних органів засувок фонтанної арматури. При цьому встановлено, що понад трьох років експлуатації на Юліївськом ГКР і понад двох років на Яблунівському ГКР збереглась повна герметичність запірних вузлів, а зношення геометричних параметрів робочих поверхонь (із запропонованим покриттям) пари "шибер-сідло" не спостерігалось. У результаті зносостійкість останніх підвищилася в 3-4 рази порівняно з виробами, що випускаються серійно.

Ефективність застосування зміцнюючих детонаційних покриттів досягається за рахунок скорочення витрат, що пов'язані із заміною фонтанної арматури при виході її з ладу (вартість ремонтних робіт, недобір продукції із свердловини, втрати газу і газового конденсату під час очищення свердловини після ремонту, виплати за викид в атмосферу шкідливих речовин), а також затрат на придбання нової фонтанної арматури.

Економічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи на двох родовищах склав 500640 грн.

Висновки

1. У результаті теоретичних і експериментальних досліджень розроблений технологічний процес нанесення детонаційно-газовим методом зносостійких покриттів на деталі фонтанної арматури на основі оксиду алюмінію, титану і титано-карбідної кераміки з наперед заданими властивостями.

2. Розроблено математичну модель локального зношування з урахуванням контактної взаємодії пари "шибер-сідло".

3. У результаті теоретичного дослідження виявлені й обґрунтовані основні закономірності зношування спряжених деталей "шибер-сідло" за швидкістю елементарних актів руйнування робочої поверхні, і на цій основі сформульовані умови необхідної герметичності деталей фонтанної арматури.

4. Установлено, що 64% засувок негерметичні через щілинну ерозію шибера і сідла, 28% - через корозію шибера і сідла, 5% - через ерозію і 3% - з інших причин.

5. На підставі запропонованої методики встановлені технологічні режими нанесення покриттів з урахуванням таких енергетичних параметрів: швидкості, температури часток і скорострільності, а також їхнього впливу на умови формування і міцність зчеплення покриття з підкладкою.

6. Розроблено математичну модель фізичних процесів, які відбуваються в стволі детонаційно-газової установки, що дозволило встановити швидкість і температури напилюючих часток, а також динаміку зміни цих параметрів.

7. Установлено, що швидкісні характеристики є цілком припустимими для всіх глибин завантаження порошку і для всіх розмірів часток. Так, для великих часток розміром 60 мкм швидкість на зрізі ствола склала 500 м/с. Максимальна температура при глибині завантаження 0,6 і 0,8 м досягалася на початку розгону часток.

8. У результаті аналітичного дослідження отримані залежності для визначення величини критичної сили Ркр, при якій відбувається продавлювання шару покриття і відповідна їй товщина дифузійного шару, що дозволило встановити несучу здатність системи "шар-серцевина" зміцнених деталей.

9. Дано практичні рекомендації з вибору матеріалів для нанесення зносостійких покриттів на деталі фонтанної арматури. Приведено оптимальні технологічні режими нанесення покриттів, які розраховані з використанням запропонованої математичної моделі процесу. Так, при нанесенні покриттів на основі Al2O3 тиск газу повинен скласти 1,2 кгс/смІ, температура 18-20С, довжина ствола 1200 мм, скорострільність 4-8 пострілів/с (tциклу = 250 м/с), момент запалювання пальної суміші - 225 мс.

10. Модернізовано устаткування для нанесення покриттів детонаційно-газовим методом із підвищеною скорострільністю, що забезпечує рівномірність покриття по всьому периметру деталей фонтанної арматури. Дано рекомендації щодо підвищення ефективності й енергозбереження матеріалів покриття.

11. Виконано техніко-економічне обґрунтування технологічного процесу нанесення зносостійких покриттів на деталі фонтанної арматури. Впровадження результатів проведених досліджень на Юліївському ГКР ГПУ "Харківгазвидобування" дозволило одержати економічний ефект на одній свердловині в розмірі 176,64 тис. грн. Впровадження результатів проведених досліджень на Яблунівському ГКР ГПУ "Полтавагазвидобування" дозволило одержати економічний ефект на двох свердловинах у розмірі 324 тис. грн.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Римчук Д.В., Подольський Б.М., Власенко В.М. Оптимізація режимів детонаційно-газового зміцнення запірних елементів засувок фонтанної арматури // Нафтова і газова промисловість. - 1997. - № 3. - С. 50 - 51.

2. Рымчук Д.В. Исследование обрабатываемости детонационных покрытий // Информационные технологии: наука, техника технология, образование, здоровье. - Харьков: ХГПУ. - 1998. - Вып. 6, часть четвертая. - С. 194 - 196.

3. Рымчук Д.В. Определение триботехнических характеристик детонационных покрытий на запорных элементах фонтанных арматур // Информационные технологии: наука, техника технология, образование, здоровье. - Харьков: ХГПУ. - 1998. - Вып. 6, часть четвертая - С. 197 - 200.

4. Рымчук Д.В. Определение коррозионной стойкости детонационных покрытий // Информационные технологии: наука, техника технология, образование, здоровье. - Харьков: ХГПУ. - 1998. - Вып. 6, часть четвертая - С. 201 - 204.

5. Подольский Б.А., Власенко В.М., Римчук Д.В. Оборудование и технология детонационно-газового упрочнения элементов задвижек фонтанной арматуры // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 1999. - Вып. 63. - С. 60 - 65.

6. Запірний вузол. Деклараційний патент на винахід № 29108 А. Україна, МКВ Е 21В 33/00 / Римчук Д.В., Радковський В.Р., Подольський Б.А., Власенко В.М. Заявлено 09.01.98 р. Опубл.16.10.00 р. Бюл. № 5. - 11 с.

7. Рымчук Д.В., Мовшович А.Я. Расчетная оценка надежности изнашивания сопрягаемых деталей запорной арматуры // Високі технології в машинобудуванні. - Харків: ХТУ "ХПІ". - 2001. - Вип. 1. - С. 235 - 238.

Размещено на Allbest.ru

...