Разработка сплава и технологии упрочнения клапанного узла буровых насосов

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. При решении задачи повышения долговечности клапанов поиск оптимальных форм рабочих поверхностей клапанов отодвигается на задний план и более перспективным представляется применение износостойких наплавочных материалов при реставрации изношенных и упрочнении новых деталей.

2. При работе клапанов имеет место сложная комбинация взаимодействующих типов изнашивания — гидроабразивного при проходе жидкости через щель клапана и ударно-гидроабразивного с элементами ударно-усталостного при соударениях рабочих поверхностей. Большое влияние на процесс изнашивания оказывают гидроконтактные явлений, имеющих место при соударении твердых поверхностей в жидкой среде, — аномально высокой скорости вытеснения жидкости из зазора и расклинивающего действия давления жидкости при многократных соударениях.

3. Повышенная интенсивность изнашивания в зоне контакта «металлметалл» по сравнению с зоной контакта «металл — резиновое уплотнение» является основной причиной роста амплитуды циклической деформации и преждевременного разрушения манжеты с переходом в аварийный режим гидроабразивного изнашивания деталей клапана. Сближение скоростей изнашивания в этих зонах является мощным резервом повышения долговечности клапанного узла в целом.

4. Разработана методика испытаний износостойкости сплавов, максимально приближенная к условиям работы клапанного узла буровых насосов. Ока позволяет воспроизводить процессы разрушения в зонах контакта «металл-металл» и «металл-резина», а также варьировать характер гидроконтактных явлений за счет изменения скорости соударения при постоянной энергии соударения.

5. Проведены исследования испытательного ряда, составленного из сплавов-представителей различных структурных lpyim в трех режимах гидроабразивного изнашивания. Было установлено, что максимальную износостойкость в условиях гидроабразивного изнашивания, осложненного наличием ударных нагрузок и гидроконтактных явлений, проявили сплавы с метастабильным ау-стенитом (MAC) и дополнительным карбидным упрочнением. MAC были также вне конкуренции по критерию сближения интенсивностей гидроабразивного изнашивания при наличии и отсутствии ударных нагрузок (в зонах контакта «металл + металл» и «металл + резина» в клапанном узле).

6. В результате проведения многофакторного эксперимента получен оптимальный состав сплава для упрочнения рабочих поверхностей клапанных узлов буровых насосов. Оптимизация проводилась по пяти параметрам оптимизации с применением функции желательности при решения компромиссной задачи и метода крутого восхождения при движении в область оптимума. Полученный сплав типа 70Х7Г6Ф1 несколько уступает по износостойкости сплаву-прототипу ВСНУОЗН-7, однако заметно превосходит его по важнейшим параметрам, определяющим эксплуатационную надежность наплавленных покрытий (стойкость к горячим трещинам, деформация зарождения трещины и стойкость к отслоению).

7. Разработана порошковая проволока для автоматической наплавки ПП-70Х7Г6Ф1. Микроструктура наплавленного ею металла состоит из мета-стабильного аустенита, дополнительно упрочненного мелкодисперсными карбидами ванадия. Сплав отличается высокой склонностью к фазовому наклепу.

8. Разработана технология нанесения упрочняющего покрытия на рабочие поверхности деталей клапанов, которая апробирована на практике. Ее применение позволяет повысить долговечность работы клапанов буровых насосов в 1,8−2,2 раза.

1. Верзилин О. И. Современные буровые насосы. М.: Машиностроение, 1971.-256 с.

2. Мкртчан Я. С. Повышение эффективности эксплуатации буровых насосных установок. -М.: Недра, 1984. -207 с.

3. Караев М. А. Гидравлика буровых насосов. М.: Недра, 1975. — 184 с.

4. Николич А. С. Поршневые буровые насосы. М.: Недра, 1973. — 224 с.

5. Чиняев И. А. Поршневые кривошипные насосы. М.: Машиностроение, 1983. 176 с.

6. Николич А. С. Основные параметры режимы эксплуатации буровых насосов и оборудования нагнетательной магистрали промывочной жидкости.// Сб. «Поршневые буровые насосы». Тр. Гипронефтемаш. Вып. 3(13).- М.: Недра, 1966.-С. 14−73.

7. Типовые сменные детали гидравлической части поршневых буровых насосов / Ю. Р. Китаин, Р. А. Камм, А. В. Овчинникова, А. С. Николич // Сб. «Поршневые буровые насосы». Тр. Гипронефтемаш. Вып. 3(13).- М.: Недра, 1966.-С. 189−216.

8. Айрапетов Л. С. Исследование работы клапанов поршневых буровых насосов и разработка методики их расчета. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: МИНХ и ГП им. И. М. Губкина, 1980. — 124с.

9. Карелин В. Я. Изнашивание лопастных насосов. М.: Машиностроение, 1983, — 168 с.

10. Бабаев С. Г., Степанянц В. Г. Причины низкой долговечности тарелок и седел клапанов буровых насосов// Машины и нефтяное оборудование 1965. -№ 7.-С. 11−15.

11. Darchin G. Stable fur Erdolbohrgerade // Stahle und Eisen -83.-1963.13.

12. Панасюк В. В., Теплый М. И. Определение контактных напряжений при внутреннем соприкосновении твердых тел// Прикладная механика.-1971 Т. VIL-ВыпЛ.-С. 3−8.

13. Александров В. М., Ромалис Б. Л. Контактные задачи в машиностроении. -М.: Машиностроение, 1986. 176 с.

14. О природе ударного износа металлов/ В. Н. Виноградов, Г. К. Шрей-бер, Г. М. Сорокин и др.//Сб. «Долговечность газонефтепромыслового оборудования и инструмента».- вып.81. М.- Недра, 1968. — С. 3−12.

15. Бабаев С. Г., Гаджисв М. М. Повышение долговечности тарельчатых клапанов и уплотнительных узлов буровых насосов. М.: ВНИИОЭНГ, 1 973 107 с.

16. Альбом течений жидкости и газа: Пер. с англ. /Сост. М. Ван-Дейк-М.: Мир, 1986.-184 с.

17. Козырев С. П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации М.: Машиностроение, 1971, — 240 с.

18. Берг Г. Поршневые, крыльчатые и ротационные насосы. 4.1. Перев с нем. Л.-М.: ОНТИ НКТП, 1933. 254 с.

19. Эрозия: Пер. с англ./Под ред. К. Пирс М.: Мир, 1982 — 464 с.

20. Галахов М. А., Гусятников П. Б., Новиков А. П. Математические модели контактной гидродинамики. М.: Наука, 1985. — 296 с.

21. Фомин В. В. Гидроэрозия металлов. М.: Машиностроение, 1 966 292 с.

22. Лившиц Л. С., Гринберг Н. А., Куркумелли Н. Г. Основы легирования наплавленного металла. -М.: Машиностроение, 1969 187 с.

23. Фрумин И. И. Современные типы наплавленного металла и их классификация // Сб. «Теоретические и технологические основы наплавки. Наплавленный металл». Киев: Наукова думка, 1977. — С.3−17.

24. Тененбаум М. М. Сопротивление абразивному изнашиванию. М.: Машиностроение, 1976.-271 с.

25. Попов В. А., Брыков Н. Н., Дмитричеико Н. С. Износостойкость пресс-форм огнеупорного производства. М.: Металлургия, 1971. -157 с.

26. Кащеев В. Н. Абразивное разрушение твердых тел М.: Наука, 1970. -247 с.

27. Львов П. Н. Основы абразивной износостойкости деталей строительных машин. -М.: Стройиздат, 1970. -71с.

28. Swain М. V. Microfracture about scratches in brittle solids// Proceeding of Royal Society. London: 1979. — A366. 1727. — P. 575 — 597.

29. Урванцев JI.А. Эрозия и защита металлов. М.: Машиностроение, 1966.-236 с.

30. Животовский Л. С., Смойловская Л. А. Техническая механика гидросмесей и грунтовые насосы. М.: Машиностроение, 1986 — 224 с.

31. Клейс И. Р., Уузмыйс Х. Х. Износостойкость элементов измельчителей ударного действия. -М.: Машиностроение, 1986 160 с.

32. Тушинский Л. И. Теория и технология упрочнения металлических сплавов. Новосибирск: Наука, 1990. — 306 с.

33. Богачев И. Н Кавитационное разрушение и кавитационностойкие стали. -М.: Металлургия, 1972. 189 с.

34. Вальдма Л. Э., Кюбарсепп Я. П. Гидроабразивная износостойкость спеченных термообработмшых твердых сплавов. // Трение и износ. 1983. -ТА-№ 6.-С. 1046−1050.

35. Berns II., Fisher A. Verschleibwiderstand carbidreicher Ilartauftragim-gen // Haten. Techn. Mittwoch. 1982. — V. 37. — № 3. — S. 134−139.

36. Гринберг H. A., Дзыкович И. Я., Николаенко M.P. Химическая и структурная неоднородность и механические свойства износостойких легированных наплавок.// Сварочное производство. -1974. № 3. — С. 7−9.

37. Супрун В. К. Абразивный износ грунтовых насосов и борьба с ним. -М.: Машиностроение, 1972 104 с.

38. Гарбер М. Е. Отливки из белых износостойких чугунов. М.: Машиностроение, 1972. 112 с.

39. Цыиин И. И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства. М.: Металлургия, 1983 176 с.

40. Терек А. Байка Л. Легированный чугун конструкционный материал. — Пер. с польского. — М.: Металлургия, 1978 — 208 с.

41. Сильман Г. И. Чугуны. Рекомендации по выбору вида и марки чугуна для литых деталей машин и оборудования. Брянск. БГИТА, 1999. -55 с.

42. Износостойкость и структура твердых наплавок/ М. М. Хрущев, М. А. Бабичев, Е. С. Беркович и др. М.: Машиностроение, 1971; 95 с.

43. Лейначук Е. И. Электродуговая наплавка деталей при абразивном и гидроабразивном износе. Киев: Наукова думка, 1985. — 160 с.

44. Шехтер С. Я., Резницкий A.M. Наплавка металлов. М.: Машиностроение, 1982.-71 с.

45. Стойкость легированных сплавов при изнашивании абразивными частицами /Л.Г. Смолякова, В. И. Тихонович, П. Е. Порядчепко и др.// Сб. «Литые износостойкие материалы». Киев: ИПЛ АН УССР, 1972. — С. 11−20.

46. Хомусько Ф. А. Исследование гидроабразивной и кавитационной износостойкости наплавленного металла.-Автоматическая сварка. 1968. — № 6. -С. 60−64.

47. Повышение долговечности деталей газонефтепромыслового оборудования механизированной наплавкой/ Я. М. Кершенбаум, Н. Н. Кошелев, Н. А. Прохоров и др.// Сб. «Долговечности газонефтепромыслового оборудования и инструмента». -М.: Недра, 1968. С. 88−92.

48. Виноградов B.II., Сорокин Г. М., Албагачиев А. Ю. Изнашивание при ударе. М.: Машиностроение, 1982.-192 с.

49. Гринберг Н. А., Петров И. В., Никаноров М. И. Методика исследования стойкости наплавленного металла против ударно-абразивного изнашивания // Сварочное производство. -1977. -№ 7. С. 24−27.

50. Хрущев М. М., Бабичев М. А. Абразивное изнашивание. М.: Наука, 1970. -251 с.

51. Петров И. В., Домбровская И. К. Повышение долговечности рабочих органов дорожных машин наплавкой. М.: Транспорт, 1970. — 104 с.

52. Виноградов В. Н., Сорокин Г. М., Шрейбер Г. К. Ударно-абразивный износ буровых долот. -М.: Недра, 1975 167 с.

53. Геллер Ю. А., Евтушенко А. Т., Моисеев В. Ф. Износостойкость штам-повых сталей в зависимости от их состава и структуры //Сб. «Износ и долговечность оборудования и инструмента». -М.: Недра, 1972. С. 14 020.

54. Георгиева И. Я. Трип-стали новый класс высокопрочных сталей с повышенной пластичностью // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1976. — № 3. — С. 18−26.

55. Филиппов М. А., Литвинов B.C., Немировский Ю. Р. Стали с метаста-бильньтм аустенитом, М: Металлургия, 1988, — 256 с.

56. Самсонов Г. В., Виницкий И. М. Тугоплавкие соединения, — М.: Металлургия, 1976. -560 с.

57. Жуков А. А., Сильман Г. И., Фрольцов М. С. Износостойкие отливки из белых комплексно-легированных белых чугунов. М.: Машиностроение, 1984.-104 с.

58. Слободинский И. Н., Софрошенков А. Ф. Износостойкие белые ванадиевые чугуны. Литейное производство. — 1975. — № 9. -С. 10−11.

59. Maratray F. Alloyed abrasion and wear resisting white irons// Foundry Technology for the '80s. University of Warwick. Birmingham, 1979. — P. 7.1−7.13.

60. Лившиц Б. Г. Металлография M: Металлургия, 1990. — 236 с.

61. Бунин К.11. Строение чугуна. -М.: Металлургия, 1972. 160 с.

62. Рожкова Е. В., Гарбер М. Е., Цыпин И. И. Влияние марганца на превращения аустенита белых хромистых чугунов. Металловедение и термическая обработка металлов. — 1981; № 1. — С. 48−54.

63. Абразивная и ударно-абразивная стойкость сплавов Fe-C-Cr-B / В. М. Мозок, В. А. Гавриш, Г. Н. Гордань, Ю.В. Хохлов/7 Сб. «Теоретические и технологические основы наплавки. Наплавленный металл». Киев: Наукова думка, 1977.-С 37−34.

64. Юзвенко А. А., Мозок В. М., Павлова Т. А. Легирование наплавленного металла бором. Автоматическая сварка. — 1973 — № 6. — С. 51−53.

65. МеськинВ.С. Основы легирования стали. -М.: Металлургиздат, 1959. -668 с.

66. Бабаекин Ю. З., Шипицын С. Я., Афтандильянц Е. Г. Экономное легирование стали. Киев: Наукова думка, 1987. — 188 с.

67. Горский В. В., Иванова Е. К., Немошкаленко В. В. Микрорентгеноспек-тральное исследование карбидных фаз в C-Fe-Cr-V и C-Fe-Cr-Nb сплавах // Физика металлов и металловедение-1978 -Т. 46 -Вып. 1. С.82−85.

68. Снаговский Л. М., Васильев Э. Я., Сапунов Ю. Н. Улучшение комплекса механических свойств хромистых чугунов//Сб. «Повышение служебных свойств высоколегированных литых сталей и чугунов». М.: МДНТП, 1987;С. 97−101.

69. Винокур Б. Б., Пилюшенко В. А., Касаткин О. Г. Структура конструкционной легированной стали. М.: Металлургия, 1983. — 216 с.

70. Гудремон Э. Специальные стали. Справочник. Т. 2. Пер. с нем. -М.: Металлургия, 1966. — 527 с.

71. Лякишев Н. П., Тулин Н. А., Плинер ЮЛ. Легирующие сплавы и стали с ниобием. М.: Металлургия, 1987. — 192 с.

72. Разработка наплавочных материалов для деталей типа тормозных шкивов, бегунков и колес слитковоза /Б.В. Степанов, Б. В. Филимонов, Г. А. Кондратьева и др.// Сварочное производство. -1975. ~ № 1. С. 35−37.

73. Вязников Н. Ф. Легированная сталь. М.: Металлургиздат, 1963.-272с.

74. Геллер Ю. А. Инструментальные стали М.: Металлургия, 1968.-568 с.

75. Попов B.C., Брыков И. И., Ткаченко Ю. М. О влиянии скорости охлаждения на структуру износостойкой наплавки// Сварочное производство. -1976. -№ 10.-С. 25−26.

76. Воротников В. Я., Горючкин С. С. Сплав для поверхностною упрочнения элементов клапанного узла буровых насосов// Сб. «Свака и родственныетехнологии в машиностроении и электронике».- Вып. 3. Липецк: ЛГТУ, 2001.-С. 74−75.

77. Поверхностные слои трения и износостойкость легированной ванадием стали/ В. В. Горский, Е. К. Иванова, В. И. Тихонович и др.//Трение и износ. -1981. -Т.2.-№ 2. С. 277−282.

78. Ланская К. А., Куликова Л. В., Яровой В. В. Микролегирующие и примесные элементы в низколегированных Cr-Mo-V стали. М.: Металлургия, 1989.-176 с.

79. Кошелев И. К. Технология механизированной наплавки деталей строительной техники.// Сварочное производство. -1992. № 5. — С. 10−11.

80. Лптоиов В. А., Кондратьев И. А. Повышение стойкости высокохромистого наплавленного металла против образования горячих трещин//Сб «Наплавка износостойких и жаропрочных сталей и сплавов. Наплавочные материалы», — Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1983. -С. 47−52.

81. Бармин Л. Н. Гусев В.П. Разработка износостойких наплавочных материалов и процессов их наплавки// Сб «Современные способы наплавки и их применение». -Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1982. -С. 56−58.

82. Фрумин И. И., Кондратьев И. А. Порошковая проволока ПП-25Х5МФС для наплавки прокатных валков//Автоматическая сварка.-1968.-№ 10.-С. 56−58.

83. Сагарадзе В. В., Уваров А. И. Упрочнение аустенитных сталей. М.: Наука, 1989.-270 с.

84. Богачев И. Н., Еголаев В. Ф. Струкгура и свойства железомар1 анцевых сплавов. -М.: Металлургия, 1973.-295 с.

85. Износостойкие стали с нестабильным аустенитом для деталей нефтепромыслового оборудования/ В. Н. Виноградов, Л. С. Лившиц, С. И. Платова и др.//Вестник машиностроения.-1982, — № 1.~С. 26−29.

86. Филиппов М. А., Зильберштейн Р. А., Луговых В. Е. Фазовые превращения и упрочнение нестабильных аустенитных сталей при пластической деформации и ударном нагружении// Металловедение и термическая обработка металлов. 1981.-№ 9. С. 38−40.

87. Износостойкие наплавочные материалы и высокопроизводительные методы их обработки /И.А. Толстов, М. Н. Семиколенных, Л. В. Баскаков, В.А. Коротков// М.: Машиностроение, 1992 284 с.

88. Коватенко О. И. Структура и износостойкость хромомарганцевой стали, легированной карбидообразующими элементами/7 С. «Повышение износостойкости литых материалов».- Киев: ИПЛ АН УССР, 1983 С. 32−38.

89. Повышение износостойкости молотков молотковых дробилок/ В. И. Григоркин, И. В. Франценюк, И. П. Галкин и др.// Металловедение и термическая обработка металлов. 1974 — № 4 — С. 68−71.

90. Бармин Л. Н. Наплавка деталей металлургического оборудования высокопрочными сталями// Сб «Теоретические и технологические основы наплавки. Наплавочные материалы». -Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1978. -С. 30−34.

91. Гринберг Н. А., Арабей А. Б. Износостойкие наплавочные материалы для упрочнения трущихся поверхностей в условиях абразивного и гидроабразивного изнашивания // Сварочное производство 1992, — № 5 — С. 7−9.

92. Драгилев Б. Л. Структура и свойства экономнолегированного наплавочного материала для деталей из стали 110Г13Л // Сб. «Новые процессы наплавки, свойства наплавленного металла и переходной зоны. Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1984. -С. 86−90.

93. Горючкин С. С., Воротников В. Я., Артеменко Ю. А. Разработка методики испытаний на гидроабразивное изнашивание с учетом гидроконтактных явлений. Курск: КГТУ, 2000. — 11 с. — Депонировано в ВИНИТИ под № 3058-В00 от 05.12.2000 г.

94. Юзвенко А. А., Шимановский В. И. Влияние трещин на газоабразивный износ наплавленного металла. Автоматическая сварка. — 1971; № 9. — С. 61−62.

95. Горячие трещины при сварке жаропрочных снлавов/М.Х. Шоршо-ров, А. А. Ерохин, Т. А. Чернышева и др. // М.: Машиностроение, 1973; 224 с.

96. Прохоров Н. Никол. Технологическая прочность сварных швов в процессе кристаллизации. -М.: Металлургия, 1979. -248 с.

97. Holdcroft Р.Т. A simple cracking test for use with argon arc welding. -British Welding Journal. 1955. — V. 2. — № 10. — P. 471s — 475s.

98. Макаров Э. Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей. -М: Машиностроение, 1981; 247 с.

99. Венци С., Прист А., Мей М. Влияние инерционной нагрузки при ударных испытаниях с осциллографированием //В кн. «Ударные испытания металлов.-М.: Мир, 1973.-С. 157- 174.

100. Воротников В. Я., Иванов С. В., Артеменко Ю. А. Методика определения стойкости наплавочных сплавов к ударным нагрузкам. Автоматическая сварка. — 1983. № 9. — С. 61 — 62.118.

101. Новик Ф. С., Арсов Я. Б. Оптимизация процессов технологии машиностроения методами планирования экспериментов. М.: МашиностроениеСофия: Техника, 1980, — 304 с.

102. Тамразов A.M. Планирование и анализ регрессионных экспериментов в технологических исследованиях. Киев: Наукова думка, 1987. — 176 с.

103. Harrington Е. The desirability function. Industrial Quality Control. -1965.-v. 21.-№ 10. -p. 494−498.

104. Кочева Г. Н., Разиков М. И. Методика расчета порошковой проволокиСварочное производство. 1968. — № 8 — С. 34 — 37.

105. Петров Г. Л. Сварочные материалы.- Л.: Машиностроение- 1972,—280 с,.

106. ТИХОМИРОВ В. Б. Планирование и анализ эксперимента. М: Легкая индустрия, 1974. -263 с.

107. КАССАНДРОВА О.Н., ЛЕБЕДЕВ В. В. Обработка результатов наблюдений. -М.: Наука, 1970. 89 с.

108. ЗЕЙДЕЛЬ А. Н. Элементарные оценки ошибок измерений. -М.:Наука, 1967. -104 с.

109. РУМШИНСКИЙ Л. З. Математическая обработка результатов эксперимента. -М.: Наука, 1971.-192 с.