автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Повышение ресурса разъемных конических сопряжений в гидравлической части промысловых поршневых и плунжерных насосов нанесением полимерного покрытия на одну из соприкасающихся поверхностей

л* **

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА

им. И. М. ГУБКИНА

На правах рукописи

Нур Ахмад

УДК 621.651:678.4.026

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА РАЗЪЕМНЫХ КОНИЧЕСКИХ СОПРЯЖЕНИЙ В

ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ПРОМЫСЛОВЫХ ПОРШНЕВЫХ И ПЛУНЖЕРНЫХ НАСОСОВ НАНЕСЕНИЕМ ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОДНУ ИЗ СОПРИКАСАЮЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность 05.04.07-"Машины и агрегаты нефтяной и газовой промышленности"

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-1998 г.

Работа выполнена в Российском Государственном Университете нефти и газа им. И. М. Губкина.

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Протасов В. Н.

1. Доктор технических наук, главный научный сотрудник Николич A.C.

2. Кандидат технических наук Федоров И.В.

Ведущая организация Специализированное Управление

' по строительству подземных хранилищ и бурению скважин АО "Бургазтерм" РАО "Газпром"

Защита диссертации состоится " " 1998 года

в /.5"** часов на заседании диссертационного Совета Д 053.27.03 в Российском Государственном Университете нефти и газа им. И. М. Губкина адресу: 117917, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, 65. & ЩИ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина. ■

Автореферат разослан " 0% " 1998г.

■Ученый секретарь диссертационного Совета Э. С. Гинзбург

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Развитие нефтегазовой отрасли в

значительной мере связано с совершенствованием оборудования,

применяемого в процессах бурения, добычи, транспортировки и хранения

нефти и газа, повышением его долговечности и эффективности работы.

Промысловые поршневые и плунжерные насосы являются одним из

ответственных элементов этого оборудования.

Повышенная агрессивность перекачиваемой жидкости в сочетании с'

высокими статическими и циклическими нагрузками обусловливают

возникновение и развитие различных' процессов хоррозионно-

механического разрушения металла, являющихся одной из основных

причин частных отказов элементов гидравлической части поршневых и

плунжерных насосов. В общем потоке отказов, вызванных нарушением

работоспособности гидравлической части поршневых и плунжерных

насосов, достаточно большое их число связано с потерей плотности стыка в

конических сопряжениях гнезда с седлом клапана и поршня со штоком,

выполняющих функции контактных уплотнений.

По данным Браславского Б.И., характерной причиной разгерметизации

стыка в подобных конических сопряжениях является фреттинг-коррозия. На

конической поверхности сопряжения в результате фреттинг-коррознм

образуются отдельные раковины, что приводит к изменению формы и

размеров соприкасающихся поверхностей, нарушению герметичности

уплотнения и к значительному росту усилий выпрессовки поршня со штока

и седла из гнезда клапана из-за их схватывания.

Учитывая сложность изготовления и высокую стоимость

гидрокоробок, штоков поршневых и плунжерных насосов и других

аналогичных деталей, важной задачей является изь.скание эффективных

способов повышения безотказности и долговечности неподвижных

конических сопряжений, выполняющих функции контактных уплотнений.

Цель работы. Повышение долговечности наиболее металлоемких и дорогостоящих элементов разъемных конических сопряжений, выполняющих функции контактных уплотнений в гидравлической части поршневых и плунжерных насосов нанесением полимерного покрытия на одну из соприкасающихся поверхностей. ~ ________

Научная новизна. Выявлены основные закономерности изменения усилия выпрессовки (Ошц,) и осевого смещения (Д) одного из элементов конического сопряжения с полимерным покрытием относительно другого при циклическом нагружении. Установлены три характерные стадии изменения С?ВШ1р и А во времени. На начальной стадии нагружения при увеличении числа циклов (И) и Д возрастают с большой скоростью,

что объясняется развитием наряду с упругой значительной по величине вынужденноэластической. деформации материала покрытия, приводящей к заполнению полимерным материалом свободного объема между соприкасающимися поверхностями, обусловленного погрешностями их геометрической формы и шероховатостью соприкасающихся поверхностей. С увеличением контактного давления (Р) и температуры водной среды (Т) интенсивность заполнения полимерным материалом свободного объема на этой стадии возрастает. На второй "стадии нагружения скорость изменения (2еыщ> и Д резко уменьшается, что объясняется достаточно полным заполнением полимером макро- и микрозазоров в сопряжении и, как следствие этсго, стабилизацией фактической площади контакта. На третьей стадии нагружения значения (}вьтр стабилизируются, а Д изменяется с очень малой скоростью, соответствующей скорости установившейся ползучести полимера. Продолжительность первой и второй стадии определяется деформационными характеристиками материала и толщиной покрытия.

Показано, что при насыщении материалом покрытия микронеровностей металлических поверхностей сопротивление выпрессовке обусловлено как силой трения соприкасающихся поверхностей сопряжения, так и сопротивлением полимерного материала срезу. Разработаны математические модели сопротивления выпрессовке и осевого смещения одного из элементов конического сопряжения с полимерным покрытием относительно другого при циклическом нагружении, описывающие влияние геометрических н физико-механических характеристик соприкасающихся поверхностей покрытия и металла, а также эксплуатационных факторов на

ОвыпрИД.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Выбран материал полимерного похрытня для высоконагруженного разъемного конического. сопряжения, обеспечивающий длительный ресурс базового элемента сопряжения при циклическом нагружении в условиях воздействия повышенных температур и коррозионно-акгивных сред. Для сохранения при циклическом нагружении относительного положения - элементов конического сопряжения с покрытием и обеспечения наибольшей герметичности этого сопряжения установлена .максимально допустимая толщина полимерного покрытия с учетом конусности сопряжения и ползучести полимерного материала. Результаты исследований могут быть использованы конструкторскими организациями, НИИ, предприятиями нефтегазовой промышленности, занимающимися производством, эксплуатацией и ремонтом насосов и других аналогичных видов оборудования.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на Ьй конференции молодых ученых специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой

промышленности" (Москва, 1995), а также на научных семинарах кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности ГАНГ им. И. М. Губкина.

Публикации. По теме диссертации опубликованы три работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложения.

Работа изложена на ИЦ/ листах машинописного текста, содержит рисунков и {%> таблиц. Список литературы включает¿ё наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации.

В первой главе проанализированы основные причины и виды разрушения разъемных конических сопряжений, выполняющих функции контактных уплотнений в гидравлической части промысловых поршневых и плунжерных насосов, в частности, сопряжения седла с гнездом клапана и

Л

поршня со штоком; рассмотрены пути повышения их безотказности и обосновано преимущество конических сопряжений с полимерным покрытием на одной из соприкасающихся поверхностей. Разработаны технические требования, к неподвижным разъемным коническим сопряжениям с полимерным покрытием. Сформулированы цель и задачи исследования.

В процессе работы насоса при совместном воздействии циклической нагрузки и коррозионноактивной среды в разъемных конических сопряжениях 1азвивается процесс фреттинг-коррозии, заключающейся в схватывании соприкасающихся поверхностей на отдельных участках с

последующим разрывом мест схватывания. В результате на соприкасающихся поверхностях образуются дефекты в виде раковин, изменяются форма и размеры, этих поверхностей, что приводит к потере герметичности сопряжения, а также к значительному возрастанию усилия выпрессовки быстросменных деталей: седла клапана и поршня. В ряде случаев седло невозможно выпрессовать и его приходится вырезать горелкой, что приводит к повреждению гнезда гидрокоробки.

Для предотвращения процесса фретпшг-коррозии в коническом сопряжении, подвергающемся циклическому нагружению в агрессивных средах, необходимо исключить контакт соприкасающихся металлических поверхностей. Для этого часто используются различные виды смазки, металлизация более вязким металлом (медь, свинец, цинк, бронза и др.) и фосфатироание одной из соприкасающихся поверхностей. Применение смазок в высоконагруженных соединениях неэффективно, так как смазка выдавливается и металлический контакт не устраняется. Металлизация также имеет ряд недостатков: неравномерная толщина металлизационного покрытия, низкая прочность его сцепления с основным металлом, трудоемкость и высокая стоимость процесса. Применение фосфатирования в конических сопряжениях неэффективно, так как является трудоемким и дорогостоящим процессом.

Одним из эффективных путей предотвращения фретпшг-коррозии в высоконагруженных конических сопряжениях является нанесение полимерного покрытия на одну из соприкасающихся поверхностей. Наиболее целесообразно наносить это-—покрытие на поверхность быстроизнашиваемых элементов сопряжения. В нашем случае на конические поверхности поршня и седла. '

Конические сопряжения с полимерным покрытием на одной из

поверхностей контакта в гидрокоробках нефтепромысловых поршневых и плунжерных насосов должны отвечать следующим требованиям:

1. Обладать герметичностью при давлении жидкости до 40 МПа и числе циклов нагружения не менее 2-Ю6,что соответствует максимальному ресурсу седла клапана поршневого бурового насоса.

2. Распрессовыватъся при усилиях не более 45-50% от усилия запрессовки.

3. Сопряженные элементы конического сопряжения должны сохранять исходное относительное положение для обеспечения требуемой номинальной площади контакта. Допустимое осевое смещение одного из элементов конического сопряжения относительно другого не должно превышать 1 мм.

4. Коэффициент трения (пропорциональности) на поверхностях контакта покрытия с металлом должен быть не менее 0,15, т.к. с ростом коэффициента трения снижается контактное давление на соприкасающихся поверхностях.

5. Само покрытие в рассматриваемом сопряжении должно сопротивляться растрескиванию и отслаиванию при циклическом нагружении в эксплуатационной среде при числе циклов не менее 2-106 для обеспечения герметичности.

Б работах Протасова В. Н. и Козлова В. Б. исследована герметичность сопряжения с полимерным покрытием. Длительное сохранение требуемой герметичности конт. ктным уплотнением с полимерным покрытием в стыке в значительной мере зависит от деформационных- характеристик полимерного слоя во времени, т.е. от ползучести материала покрытия. Предложенная методика расчета позволяет выбрать материал покрытия по этому параметру для разъемного конического сопряжения с покрытием на

одной из соприкасающихся поверхностей. Показателем плотности стыка является величина утечки жидкости через стык в единицу времени.

Однако, деформационные характеристики покрытия и сопротивление распрессовке конического сопряжения с Покрытием на одной из соприкасающихся поверхностей применительно к условиям работы разъемных конических сопряжений в гидравлической части поршневых и плунжерных насосов недостаточно изучены. Для разработки конструкций неподвижных разъемных конических сопряжений с полимерным покрытием, отвечающих требуемому комплексу свойств, необходимо проведение соответствующих исследований.

В соответствии с поставленной целью задачами исследования являлись:

1) исследование влияния температуры эксплуатационной среды, механических свойств материала и толщины полимерного покрытия, величины контактного давления и числа циклов нагружения на усилие выпрессовки охватываемого элемента конического сопряжения с полимерным покрытием на одной из соприкасающихся поверхностей;

2) изучение влияния величины контактного давления, физико-механических свойств материала и толщины полимерного покрытия, числа циклов нагружения и температуры эксплуатационной среды на осевое смещение одного из элементов конического сопряжения с полимерным покрытием относительно другого;

3) исследование влияния' силы трения в коюгчгском сопряжении с полимерным покрытием на усилие выпрессовки—и - осевое смещение охватываемого элемента конического сопряжения;

4) исследование влияния угла конуса в сопряжении с покрытием на усилие выпрессовки и осевое смещение охватываемого элемента

конического сопряжения; ■

5) установление функциональной зависимости сопротивления выпрессовке конического сопряжения с покрытием и осевого смещения одного из элементов • конического сопряжения относительно другого от конструкционных и эксплуатационных факторов;

6) выбор материала и геометрических параметров покрытия, обеспечивающих требования, предъявляемые к разъемному коническому сопряжению с покрытием, подвергающемуся циклическому нагружению и выполняющему функции контактного уплотнения.

Во второй главе, рассматриваются методики лабораторных исследований работоспособности неподвижных разъемных конических сопряжений с полимерным покрытием на одной из соприкасающихся поверхностей в гидравлической части промысловых поршневых и плунжерных насосов, в частности методики исследования влияния конструкционных и эксплуатационных факторов на усилие выпрессовки охватываемого элемента конического сопряжения с полимерным покрытием после циклического нагружения; влияния конструкционных и эксплуатационных факторов на осевое смещение охватываемого элемента конического сопряжения с полимерным покрытием после циклического нагружения; влияния силы трения в коническом сопряжении с покрытием, подвергающемся циклическому нагружению, на осевое смешение и усилие выпрессовки охватываемого элемента конического сопряжения.

Проведенный а тлиз свойств различных групп лакокрасочных материалов и покрытий на их основе, а также опыта использования, полимерных покрытий в нефтегазовой отрасли показал, что эпоксидные материалы тиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к покрытию ' дной кз соприкасающихся поверхностей разъемного

конического сопряжения, выполняющего функцию контактного уплотнения. Они применяются в жидком виде с растворителем или без него и в виде порошка. Образуют необратимые полимерные системы с высокими механическими характеристиками, достаточно высоким сопротивлением циклическому нагружению, хорошей стойкостью в минерализованных водных средах, щелочах, слабых растворах кислот, органических растворителях и ряде других сред. Обладают высокой уплотняющей способностью при контакте с металлом. Эти материалы могут отверждатъся без нагрева и ускоренно при повышенной температуре. В большинстве случаев они являются композитами.

Введение в эпоксидное связующее в качестве наполнителя цемента до 50 масс..ч. увеличивает его прочность при контактном нагружении.

В соответствии с проведенным анализом для лабораторных исследований были выбраны в качестве основы материала покрытия: безрастворительный эпоксидный грунт БЭП- 0261 СП' 2312-049-0503423993) без наполнителя и с наполнителем - цементом в количестве 50 масс.ч. В качестве отвердителя был выбран ДА-1 в количестве 20 масс.ч., позволяющий отверждать грунт как без нагрева при температуре не ниже плюс 288 °К, так и ускорено при повышенной температуре в зависимости от условий производства.

Для исследования' в лабораторных условиях работоспособности конического сопряжения с полимерным покрытием на одной из соприкасающихся поверхностей был выбран модельный образец, имитирующий коническое сопряжение седла с гнездом клапана в гидравлической части .поршневого насоса с конусностью 1:6 с соблюдением геометрического подобия линейных размеров этого сопряжения,-применительно к буровому поршневому насосу. Охватываемый элемент

модельного образца, имитирующий седло клапана, был изготовлен из стали 40Х, а охватывающий, имитирующий гнездо, из стали 35, что соответствует материалам седла и гнезда клапана бурового поршневого насоса.

Полимерное покрытие наносили на коническую поверхность охватываемого элемента образца, имитирующего седло. Выполнялись следующие операции по предварительной подготовке конической поверхности под покрытие: дробеструйная очистка, обдувка сухим сжатым воздухом и обезжиривание. Затем на подготовленную поверхность наносили эпоксидное покрытие определенной толщины с последующим отверждением при 393 "К в течение 1 часа, после чего прйизводили механическую обработку покрытия до нужных размеров с последующей сборкой конического сопряжения методом запрессовки.

Сборка конического сопряжения с полимерным покрытием производилась на рычажной установке, обеспечивающей стабильность усилия запрессовки при максимальном контактном давлении 60 МПа.

Исследование влияния конструкционных и эксплуатационных факторов на усилие выпрессовки и осевое смещение одного из элементов конического сопряжения с покрытием относительно другого проводили на специальной рычажной установке, позволяющей создавать циклическую нагрузку на образец сопряжения, находящийся в камере с модельной средой. В камере устанавливали одновременно 4 образца. Амплитуда цикла составляла 5 МПа. Частота циклов нагружения составляла 160 дв. ход./ мин.

В качестве модельной эксплуатационной среды была выбрана вода, являющаяся по данным Перлина С. М. и Протасова В. Н. наиболее активной средой, по отношению к эпоксидным материалам, способной вызвать их отслаивание с металла.

Harpes модельной среды осуществляли с помощью термостата,

обеспечивающего её циркуляцию при заданной температуре.

В качестве конструкционных факторов были выбраны толщина покрытия, равная: 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400 мкм, и угол конуса в сопряжении, равный соответственно: 1:5,1:6,1:12,1:24.

В качестве эксплуатационных факторов были выбраны - число циклов нагружения: 10s, 5-I05, Ю6, 1,5-106, 2-106, 2,5-Ю6 циклов; максимальное контактное давление: 35, 40, 45, 50, 55 и 60 МПа; температура эксплуатационной среды: 293,303,313,323,33,343 *К.

После циклического нагружения испытываемый образец-конического сопряжения вынимали из рабочей камеры, измеряли величину осевого смещения охватываемого ' элемента относительно охватывающего индикатором и затем сопряжение распрессовывалн на рычажной установке, одновременно измеряя усилие распрессовки динамометром.

Исследование силы трения соприкасающихся поверхностей сталь -покрытие проводили на плоских образцах из стати 35 в паре с указанными материалами покрытия, со смазкой и без нее. Силу трения пары сталь -покрытие определяли на установке для исследования на трение.

На основании установленных значений силы трения в паре покрытие-сталь рассчитывали значения коэффициентов пропорциональности СфР в соответствии со следующим выражением: Сфр-VS,,

где F,p- сила трения;

S[, - номинальная площадь контакта.

В третьей главе приведены результаты лабораторных исследований влияния числа циклов нагружения конического сопряжения с полимерным покрытием, максимального контактного давления на соприкасающихся поверхностях, толщины покрытия, температуры модельной среды, сллы

трения н угла конуса в сопряжении на усилие выпрессовки охватываемого элемента.

Выявлены основные закономерности изменения усилия выпрессовки элементов конического сопряжения с покрытием, от вышеуказанных факторов.

/

Установлено, что зависимость усилия выпрессовки охватываемого элемента конического сопряжения от числа циклов нагружения имеет три характерные стадии.

На первой начальной стадии нагружения усилие выпрессовки резко возрастает, что обусловлено активным заполнением материалом покрытия свободного объема между соприкасающимися поверхностями сопряжения, вследствие развития значительной по величине вынужденноэластической

J ■

деформации, приводящей к существенному увеличению . фактической площади контакта соприкасающихся поверхностей в коническом сопряжении. На второй стадии нагружения происходит плавное снижение скорости возрастания усилия выпрессовки с увеличением числа циклов нагружения, вследствие достаточно полного заполнения макро- и микрозазоров в сопряжении материалом покрытия. На третьей стадии нагружения усилие выпрессовки стабилизируется, что обусловливает стабилизацию.фактической площади контакта, а следовательно, постоянство усилия выпрессовки. С уменьшением модуля упругости материала покрытия продолжительность лервой и второй стадий циклического нагружения, обусловливающих соответственно интенсивный рост усилия выпрессовки и его постепенную стабилизацию, сокращается. С ростом контактного давления с. орость деформации полимерного покрылся при циклическом нагружешь. возрастает, что приводит к увеличению площади фактического контакта, и, как следствие этого, возрастанию усилия выпрессовки.

Установлено, что зависимость усилия выпрессовки охватываемого элемента конического сопряжения с полимерным покрытием от контактного давления имеет три характерные стадии. На первой стадии скорость возрастания усилия выпрессовки при повышении контактного давления наиболее высокая* что объясняется существенным возрастанием деформации материала полимерного покрытая в стыке соприкасающихся поверхностей, обусловленной активным заполнением полимерным материалом свободного объема между соприкасающимися поверхностями сопряжения. На второй стадии соответствующей более высоким значением Р скорость возрастания усилия выпрессовки существенно снижается с увеличением Р, что объясняется существенным снижением скорости деформации полимерного материала вследствие достаточно полного заполнения свободного объема между соприкасающимися поверхностями сопряжения. На третьей стадии значение усилия выпрессовки стабилизируется и практически не зависит от контактного давления.

Увеличение толщины покрытия, сформированного на одной из соприкасающихся поверхностей конического сопряжения, вызывает повышение усилия выпрессовки. С увеличением толщины покрытия облегчается развитие его деформации при циклическом нагружении, вследствие снижения тормозящего эффекта сил адгезии между покрытием и металлом на развитие деформации полимерного слоя. Это приводит к возрастанию площади фактического контакта, и, как следствие этого, к возрастанию усилия выпрессовки.

Снижение модуля упругости • материала покрытия вызывает возрастание его деформации при той же толщине покрытия.

Повышение температуры вызывает снижение модуля упругости материала покрытия и, как следствие этого, возрастание его деформации,

что приводит к более интенсивному заполнению свободного объема между соприкасающимися поверхностями сопряжения полимерным материалом. Более быстрым насыщением полимерным материалом свободного объема.в коническом сопряжении с ростом температуры объясняется сокращение времени стабилизации усилия выпрессовки.

Установлено, что при нанесении полимерного покрытия из выбранных материалов на одну из поверхностей конического сопряжения сопротивление выпрессовке после циклического нагружения определяется как силой трения соприкасающихся поверхностей покрытие - металл, так и сопротивлением срезу. При выпрессовке происходит срез материала покрытия, что подтверждается наличием после распрессовки частиц материала покрытия на сопряженной с ним поверхности металла. При этом трение происходит как по контакту "покрытие-металл", так и по контакту "покрытие-покрытие".

С уменьшением конусности на соприкасающихся поверхностях величина усилия выпрессовки существенно возрастает, что объясняется как ростом осевой составляющей силы трения, так и увеличением площади фактического контакта.

В четвертой глаце приведены результаты лабораторных исследований влияния числа циклов нагружения конического сопряжения с покрытием, максимального контактного давления на соприкасающихся поверхностях, удельной силы трения, угла конуса^ сопряжении, толщины покрытия и температуры модельной водной среды на осевое смещение (Д) охватываемого элемента сопряжения.

Установлено, что величина осевого смещения одного из элементов конического сопряжения с полимерным покрытием относительно другого существенно зависит от времени циклического нагружения. Скорость

осевого смещения (Д) .непостоянна во времени, что обусловливает три характерных стадии изменения Д . На первой стадии скорость возрастания Д наибольшая, что объясняется активным заполнением материалом покрытия свободного объема между соприкасающимися поверхностями сопряжения,

вследствие развития значительной по величине вынужденноэластической

/ .

деформацией материала ~ покрытия. На второй стадии вынужденноэластическая деформация покрытия продолжает развиваться, но с меньшей скоростью. При этом происходит достаточно полное заполнение микрозазороз сопряженной с покрытием металлической поверхности, что вызывает дополнительное осевое смещение элементов конического сопряжения относительно друг друга, однако, скорость изменения Д на этой стадии существенно снижается. На третьей стадии нагружения осевое смещение увеличивается незначительно, что обусловлено установившейся скоростью ползучести полимерного слоя.

Выявлено, что зависимость Д охватываемого элемента конического сопряжения с покрытием от контактного давления при постоянном числе циклов нагружения имеет три характерные стадии.

На первой стадии скорость возрастания Д при повышении Р наибольшая. На второй стадии, соответствующей более высоким значениям Р, скорость возрастания Л существенно снижается вследствие достаточно полного заполнения свободного объема между соприкасающимися поверхностями сопряжения полимерным материалом, что приводит к снижению деформации полимерного слоя и, как результат этого, к уменьшению осевого смещения. На третьей стадии возрастание осевого смещения незначительно и " определяется зависимостью скорости установившейся ползучести полимерного материала от величины растягивающей нагрузки. С увеличением силы трения величина контактного

давления на покрытие при постоянной осевой нагрузке уменьшается. С увеличением конусности величина контактного давления на поверхности сопряжения также уменьшается, что приводит к снижению контактного давления в сопряжении, и как следствие этого к уменьшению деформации полимерного слоя. В результате снижается величина Д в коническом сопряжении с покрытием. ' _

С увеличением толщины (5) полимерного покрытия Д возрастает, что объясняется увеличением деформации полимерного слоя вследствие снижения тормозящего действия силы адгезии на ее развитие. С ростом температуры Д также возрастает, в связы с уменьшением модуля упругости материала покрытия и, как следствие этого, возрастанием деформации материала покрытия. После стабилизации площади фактического контакта увеличение (Т) оказывает незначительное влияние на осевое смещение.

В пятой главе представлены разработанные математические модели сопротивления выпрессовке и осевого смещения одного из элементов конического сопряжения с полимерным покрытием относительно другого при циклическом нагружении, описывающие влияние конструкционных и эксплуатационных факторов на (Звыпр и Д . Рассматривается методика определения численных значений параметров, входящих в математические модели. Приведены результаты проверки адекватности этих моделей.

При длительном циклическом нагружении конического сопряжения с

полимерным покрытием происходит заполнение микровпадин сопряженной *

с покрытием металлической поверхности, обусловливающее осевое смещение одного нз элементов рассматриваемого нами конического сопряжения с покрытием относительно другого.

Величина этого сме?.цения может быть найдена га уравнения: А = К Ь , . (])

где К- константа, зависящая от угла конуса; К^З.Упа, Ь - сближение соприкасающихся поверхностей.

По данным Демкина Н.Б. величина сближения соприкасающихся шероховатых жестких поверхностей

Ь=есв Кт>, , / (2)

где йи«- максимальная высота выступов шероховатой поверхности;- - • -е с5 -относительное сближение поверхностей. Подставив (2) в (1) получим:

Л = К Ес5 , (3)

При расчете величины сближения соприкасающихся шероховатых поверхностей полимерное покрытие- металл необходимо учитывать развитие деформации полимерного материала во времени. В этом случае выражение (3) примет вид:

А = К е1б(т) Ига11 , (4)

По данным Протасова В.Н: г

(5)

в(х)=

1-Я

С"к 2_ Р, +ЗР,

Д1+И)

- + ОР-т Е с

+ ет

(7)

Подставив (5), (б) и (7) в (4) получим:

ИМ

Спк 2

1-Я Д1 + и)

Рс ЗРс

+ БР'

'(х-е-Р*

КпЛ

+ ет

г

(8)

Уравнение (8) представляет собой математическую модель осевого смещения одного ю элементов конического сопряжения с полимерным покрытием относительно другого и описывает влияние геометрических и физико-механических характеристик соприкасающихся поверхностей на величину этого смещения.

Известно, что исходная величина усилия выпрессозки охватываемого элемента конического сопряжения, в основном зависит от силы трения на сопрягаемых поверхностях. Однако, после длительного циклического нагружения конического сопряжения с покрытием на одной из соприкасающихся поверхностей происходит достаточно полное насыщение микровпадин сопряженной с покрытием металлической поверхности.

2t

Поэтому при распрессовке конического сопряжения происходит срез материала покрытия на отдельных площадках. В этом случае величина усилия выпрессовки определяется как силой трения между соприкасающимися поверхностями покрытие - металл и покрытие -

покрытие, так и сопротивлением материала покрытая срезу. Тогда

i

максимально возможное усилие выпрессовки с учетом предела прочности материала покрытия при срезе может быть представлено выражением: Q™ =2FTpcosa+QK, (9)

где F-ф- сила трения;

QK - усилие, зависящее от предела прочности покрытия при срезе.

Усилие QK при насыщенном контакте полимерного покрытия с

металлической поверхностью описывается уравнением:

QK=TCpe3-SMl!1S!,.Dn. -cosa, (Ю)

где Терез - предел прочности материала покрытия при срезе;

З.такр.ви-площаяь микровпадин металлической поверхности,

заполненных полимерным материалом.

По данным Демкина Н.Б площадь микровпадин шероховатой

поверхности описывается уравнением:

(П)

где v', Ь'-эквивалентные параметры кривой поверхности; SB - номинальная, площадь контакта. Согласно Бартеневу Г.М, силу трения полимерного материала с металлической поверхностью можно определить из следующего выражения: '

(12)

где Сфр- коэффициент пропорциональности, определяемый

-эмккр. ea *

2ós

экспериментально;

Бф - плошадь фактического контакта;

В нашем случае 8ф=5„

Подставив (10), (11), (12) в (9) получим:

• ОЕьгаР= 2 СфР Б,, соза + Т,ро соза

Уравнение (13) представляет собой математическую модель сопротивления выпрессовке элемента конического сопряжения с покрытием, описывающую влияние геометрических и физико-механических характеристик соприкасающихся поверхностей покрытие - металл на усилие выпрессовки.

Для проверки адекватности математических моделей сопротивления выпрессовке и осевого смещения одного из ' элементов конического сопряжения с покрытием относительно другого были сопоставлены расчетные и экспериментальные значения усилия выпрессовки и осевого смещения. Отклонение расчетных и экспериментальных данных не превышает 5%, что свидетельствует об адекватности разработанных математических моделей и правомерности их использования при оценке работоспособности конических сопряжений с покрытием на одной из соприкасающихся поверхностей в рассматриваемых условиях их применения.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что зависимости усилии выпрессовки (Qвылp ) и осевого смещения (Д) одного из элементов конического сопряжения с полимерным покрытием относительно другого от числа циклов нагружения

1

Ж

(13)

(И) и величины максимального контактного давления (Р) имеют три характерных стадии изменения, соответствующие определенным интервалам изменения N и Р. При увеличении N и Р до определенного уровня в пределах первой стадии <3шпр и Д возрастают с большой скоростью, что объясняется развитием наряду с упругой, значительной по величине вынужденноозластияеской деформацией материала покрытия, приводящей к интенсивному заполнению полимерным материалом свободного объема между соприкасающимися поверхностями сопряжения.

В пределах второй стадии скорость возрастания Ошлф и Д с увеличением N и Р существенно снижается в связи с достаточно полным заполнением полимером макро- и микрозазоров в коническом сопряжении. При более высоких значениях N и Р величина Отлщ> стабилизируется, что обусловливает стабилизацию фактической площади контакта, а Д изменяется незначительно вследствие очень малой деформации полимерного материала на установившейся стадии ползучести. Наибольшие предельные значения N и Р соответствующие первой и второй стадиям зависят от модуля упругости и толщины материала покрытия.

2. Показано, что увеличение толщины полимерного, покрытия (5) в коническом сопряжении до определенного значения вызывает повышение С?швр и Д .Зависимости 0.ПШ(р. =/(5) и Д = <р(2) имеют три характерные стадии изменения. На первой стадии, соответствующей малым толщинам полимерного покрытия, скорость возрастания Ои.шр и Д низкая, так как силы адгезии существенно ограничивает деформацию тонкого полимерного слоя. На второй стадии, соответствующей большим толщинам покрытия, с увеличением 2 скорость возрастания (Заьтр и Д достаточно высокая, что обусловлено существенным возрастанием деформации полимерного слоя, вследствие значительного снижения влияния сил адгезии на ее развитие. На

третьей стадии значение Р„ипр стабилизируется вследствие стабилизации фактической площади контакта, а Л изменяется с очень малой скоростью, соответствующей скорости установившейся ползучести материала покрытия. Наибольшие предельные значения 5 на первой и второй стадиях зависят от модуля упругости материала покрытия.

3. Выявлено, что зависимости (^шир и Д от температуры (Т) имеют две характерных стадии изменения. На первой стадии с увеличением Т <ЗВЬтр и Д существенно возрастают в связи с ростом деформации материала покрытия вследствие снижения его модуля упругости. На второй стадии с ростом Т скорости изменения Оаьтр и Д существенно _ снижаются вследствие стабилизации модуля упругости материала покрытия.

4. Установлены основные закономерности изменения ((^¡л^.) и А от силы трения ( Рф.) на соприкасающихся поверхностях и от конусности этих поверхностей. Зависимость С)выпр и Л от Ггр имеет линейный характер. До и после циклического нагружения с увеличением С^ыпр возрастает, а с ростом конусности снижается. Однако после циклического нагружения абсолютная величина (^выпр существенно выше, что объясняется насыщением полимерным материалом микровпадин металлической поверхности, приводящим к его срезу при выпрессоьке и, как следствие этого, увеличению (2ш„р. После циклического нагружения с увеличением удельной силы трения (/) Д незначительно снижается, а с уменьшением конусности она наоборот возрастает, что объясняется увеличением деформации полимерного слоя вследствие повышения контактного давления.

5. Разработаны математические модели сопротивления выпрессовке и осевого смещения одного из элементов конического сопряжения с полимерным покрытием относительного другого, описывающие влияние геометрических и физико-механических характеристик соприкасающихся

поверхностей и эксплуатационных факторов на (Зшир. и Д. Адекватность предложенных математических моделей подтверждена экспериментально.

б. На основании выполненных аналитических и экспериментальных исследований для покрытия одного из элементов конического сопряжения, подвергающегося циклическому нагружению выбран в качестве материала покрытия 'безрастворительый эпоксидный грунт БЭП-026],

обеспечивающий выполнение технических требований, предъявляемых к разъемному коническому сопряжению с покрытием, выполняющему функции контактного уплотнения в гидравлической части поршневых и плунжерных насосоз, а также в других аналогичных объектах.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Нур Ахмад. Повышение долговечности гидравлической части промысловых насосов. Тезисы докладов. Конференция молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. М.: Нефть и газ, 1995.

2. Нур Ахмад. Показатели качества неподвижных контактных уплотнений в виде разъемных конических сопряжений с полимерным покрытием на одной из соприкасающихся поверхностей в гидравлической части поршневых и плунжерных насосов. Тезисы докладов Второй всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. М: Нефть и газ, 1997.

3. Нур Ахмад. Исследование работоспособности неподвижных разъемных конических сопряжений с покрытием на одной из соприкасающихся поверхностей в гидравлической части поршневых и плунжерных насосов. Тезисы докладов научно-технической конференции, посвященной 850-летию г. Москвы. М.: Нефть и газ, ¡997.

Заказ т

Тираж 100

Отдел оперативной полиграфии РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина

/

/ / 1 У

/

/

/

/

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА

им.И.М.ГУБКИНА

На правах рукописи

НУР АХМАД

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА РАЗЪЕМНЫХ КОНИЧЕСКИХ СОПРЯЖЕНИЙ В ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ПРОМЫСЛОВЫХ ПОРШНЕВЫХ И ПЛУНЖЕРНЫХ НАСОСОВ НАНЕСЕНИЕМ ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОДНУ ИЗ СОПРИКАСАЮЩИХСЯ

ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность 05.04.07 - "Машины и агрегаты нефтяной и

газовой промышленности"

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор ПРОТАСОВ В.Н.

Москва-1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 6

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ основных причин и видов разрушения неподвижных разъемных конических сопряжений, выполняющих функции контактных уплотнений в гидравлической части промысловых поршневых и плунжерных насосов....................................... 8

1.2. Пути повышения безотказности неподвижных разъемных конических сопряжений в гидравлической части насосов и обоснование преимуществ конических сопряжений с полимерным покрытием на одной из соприкасающихся поверхностей............ 11

1.3. Основные требования, предъявляемые к неподвижным разъемным коническим сопряжениям с полимерным покрытием в гидравлической части промысловых поршневых и плунжерных насосов. Цель и задачи исследования....................................... 16

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ НЕПОДВИЖНЫХ РАЗЪЕМНЫХ КОНИЧЕСКИХ СОПРЯЖЕНИЙ С ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА ОДНОЙ ИЗ СОПРИКАСАЮЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ В ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ПРОМЫСЛОВЫХ ПОРШНЕВЫХ И ПЛУНЖЕРНЫХ НАСОСОВ

2.1. Предварительный выбор образцов и материалов покрытий для

лабораторных исследований................................................... 33

2.2. Методика исследования влияния конструкционных и эксплуатационных факторов на усилие выпрессовки охватываемого элемента конического сопряжения с полимерным покрытием после циклического нагружения.............................. 41

2.3. Методика исследования влияния конструкционных и эксплуатационных факторов на осевое смещение охватываемого элемента конического сопряжения с покрытием при циклическом нагружении..................................................................... 50

2.4. Методика исследования влияния силы трения в коническом сопряжении, подвергающемся циклическому нагружению, на осевое смещение и усилие выпрессовки охватываемого элемента с покрытием..................................................................... 53

2.5. Методика определения необходимого числа опытов и планирования эксперимента................................................ 57

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА УСИЛИЕ ВЫПРЕССОВКИ ОХВАТЫВАЕМОГО ЭЛЕМЕНТА КОНИЧЕСКОГО СОПРЯЖЕНИЯ С ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ ПОСЛЕ ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ

3.1. Влияние числа циклов нагружения конического сопряжения и максимального контактного давления на усилие выпрессовки охватываемого элемента с покрытием.................................... 62

3.2. Влияние толщины покрытия и температуры модельной эксплуатационной среды на усилие выпрессовки охватываемого элемента конического сопряжения с покрытием........................ ЭД

3.3. Влияние силы трения и угла конуса в сопряжении на усилие выпрессовки охватываемого элемента с покрытием..................... 78

3.4. Выводы по главе.................................................................. 91

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ОСЕВОЕ СМЕЩЕНИЕ ОХВАТЫВАЕМОГО ЭЛЕМЕНТА КОНИЧЕСКОГО СОПРЯЖЕНИЯ С ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ

НАГРУЖЕНИИ

4.1. Влияние числа циклов нагружения конического сопряжения и максимального контактного давления на осевое смещение охватываемого элемента с покрытием.................................... 95

4.2. Влияние толщины покрытия и температуры модельной водной среды на осевое смещение охватываемого элемента конического сопряжения с покрытием...................................................... 109

4.3. Выводы по главе.................................................................. 116

г

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА МАКСИМАЛЬНОГО УСИЛИЯ ВЫПРЕССОВКИ И ОСЕВОГО СМЕЩЕНИЯ ОХВАТЫВАЕМОГО ЭЛЕМЕНТА С ПОКРЫТИЕМ В КОНИЧЕСКОМ СОПРЯЖЕНИИ, ПОДВЕРГАЮЩЕМСЯ ЦИКЛИЧЕСКОМУ НАГРУЖЕНИЮ

5.1. Разработка математических моделей осевого смещения и сопротивления выпрессовке охватываемого элемента с полимерным покрытием в коническом сопряжении, подвергающемся циклическому нагружению........................... 120

5.2. Проверка адекватности предложенных математических моделей и разработка методики определения численных значений параметров, входящих в математические модели........................ 127

ВЫВОДЫ.........

ЛИТЕРАТУРА.. ПРИЛОЖЕНИЯ

132 135 138

ВВЕДЕНИЕ

Дальнейшее развитие нефтегазовой промышленности в значительной мере связано с совершенствованием оборудования, применяемого для бурения скважин, добычи, транспортировки и хранения нефти и газа, повышением его долговечности и эффективности работы. В связи с этим повышение качества машин, их надежности приобретает все большее значение.

Поршневые и плунжерные насосы являются одним из ответственных элементов этого оборудования. Повышенная агрессивность перекачиваемой жидкости в сочетании с высокими статическими и циклическими нагрузками обусловливают возникновение и развитие различных процессов коррозионно-механического разрушения металла, являющихся одной из основных причин частых отказов элементов гидравлической части поршневых и плунжерных насосов.

Кроме разрушения быстроизнашивающихся деталей, например, тарели, седла клапана и поршня, частая замена которых предусмотрена техническими условиями на эксплуатацию насоса, интенсивному разрушению, вызывающему отказы, подвержены наиболее металлоемкие и дорогостоящие элементы насоса - гидравлическая коробка, шток и др.

В общем потоке отказов, вызванных нарушением работоспособности гидравлической части поршневых и плунжерных насосов, достаточно большое число отказов связано с потерей плотности стыка в разъемных неподвижных конических сопряжениях гнезда с седлом клапана и поршня со штоком, т.е. в конических сопряжениях, выполняющих функции контактного уплотнения.

Характерной причиной разгерметизации стыка соприкасающихся поверхностей в коническом сопряжении гнезда с седлом клапана и поршня со штоком является фреттинг-коррозия.

Фреттинг-коррозия - это особый вид повреждения сопряженных металлических поверхностей деталей в коррозионно-активных средах, который возникает в местах их контакта под циклической нагрузкой при наличии весьма малого взаимного перемещения.

На конических поверхностях сопряжения, выполняющего функцию контактного уплотнения, в результате фреттинг-коррозии образуются отдельные раковины, изменяются форма и размеры этих поверхностей, что приводит к нарушению герметичности сопряжения и, как следствие этого, к нарушению работоспособности насоса.

Следствием фреттинг-коррозии является также значительный рост усилий выпрессовки поршня со штока и седел из гнезд гидрокоробки. В результате этого, иногда приходится вырезать седло из гнезда и разрезать поршень на штоке с помощью газового резака, что нередко приводит к повреждению поверхности штока и гнезда гидравлической коробки.

Учитывая сложность изготовления, высокую стоимость и значительную металлоемкость гидрокоробок и штоков поршневых и плунжерных насосов, важной задачей является изыскание эффективных способов повышения безотказности и долговечности неподвижных конических сопряжений, выполняющих функции контактных уплотнений в гидравлической части поршневых и плунжерных насосов.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ основных причин и видов разрушения неподвижных разъемных конических сопряжений, выполняющих функции контактных уплотнений в гидравлической части промысловых поршневых и

плунжерных насосов

Наиболее уязвимым элементом поршневых и плунжерных насосов является гидравлическая часть и, особенно, имеющиеся в ней разнообразные неподвижные разъемные соединения, выполняющие функции контактных уплотнений, в частности, конические сопряжения седла клапана с гнездом гидрокоробки и штока с поршнем.

Основное назначение подобных сопряжений состоит в обеспечении герметичности соединения при обеспечении легкой сборки и разборки.

Седло клапана изготовляют из сталей 40Х, 40ХНМА, а гидравлическую коробку из стали 35Л. Сопрягаемые конические поверхности седла клапана и гнезда гидрокоробки образуют неподвижное разъемное соединение и имеют твердость соответственно НЯС 55-60 и НВ 220-250 [15].

Посадка седла в гнездо гидрокоробки производится с конусностью 1:6. Применение указанной конусности при посадке седла в гнездо обеспечивает простоту конструкции и достаточно высокую герметичность высоконагруженного разъемного соединения гидрокоробки с седлом клапана без дополнительного промежуточного уплотнительного эластичного элемента.

В насосах двухстороннего действия сопрягаемые поверхности поршня и штока выполняются с конусностью 1:12 или 1:24. Сопрягаемая с поршнем

поверхность штока в насосах двухстороннего действия имеет высокую твердость. Рабочая поверхность штока подвергается износу, поэтому шток изготовляют из цементируемых легированных сталей марок 12ХН, 20ХНЗА или калящихся сталей марок 40Х, 40ХН, 38ХМЮН с нагревом токами высокой частоты и закалкой поверхности на глубину 2-5 мм до твердости НЯС 52-58. Твердость сердцевины штока НВ 280-320. Сердечник поршня, сопрягаемый со штоком, изготовляют из стали 70, имеющей твердость НВ 290-300 [15].

Для обеспечения герметичности неподвижного разъемного соединения поршня со штоком применяется коническое сопряжение, без использования каких-либо дополнительных уплотняющих деталей. При достаточной силе затяжки такое соединение является герметичным.

При работе насоса конические сопряжения седла с гнездом и штока с поршнем подвергаются действию переменного давления жидкости, что обусловливает соответствующий пульсирующий режим циклического нагружения. В случае отсутствия необходимого натяга, герметичность сопряжения может быть нарушена вследствие осевого смещения одного из элементов конического сопряжения под действием знакопеременной нагрузки. В результате возникает промыв этих поверхностей протекающей через образовавшийся зазор жидкостью, движущейся с большой скоростью.

В процессе работы насоса под действием циклической нагрузки в рассмотренных конических сопряжениях происходят многократные, очень малые осевые смещения соприкасающихся поверхностей относительно друг друга, что обусловливает протекание фреттинг-процесса на соприкасающихся поверхностях. Это особый вид изнашивания контактирующих поверхностей, совершающих под нагрузкой очень малые повторные перемещения.

Эксплуатационные среды, перекачиваемые поршневыми насосами, обычно обладают высокой коррозионной активностью. Несмотря на герметичность рассматриваемых сопряжений, происходит проникновение агрессивной среды через микрозазоры в стыке соприкасающихся поверхностей, что обусловливает развитие процесса фреттинг-коррозии, т.е. сочетание фреттинга с коррозией, приводящее к схватыванию сопрягаемых поверхностей и последующему разрушению мест схватывания при каждом цикле нагружения. Это вызывает изменение формы и размеров менее твердой коническои поверхности, появление на ней раковин. В результате происходит нарушение плотности стыка в коническом сопряжении с последующим промывом соприкасающихся поверхностей абразивосодержащей жидкостью, проникающей в разгерметизировавшийся стык с высокой скоростью. Поршень и седло клапана относятся к числу быстроизнашиваемых деталей одноразового использования с ограниченным ресурсом. Но одновременно разрушаются сопряженные с ними поверхности штока и гнезда гидрокоробки, относящиеся к дорогостоящим деталям длительного использования.

При этом образуются следующие виды дефектов, обусловливающие потерю герметичности сопряжения:

1) локальные дефекты в виде раковин, продольных и

кольцеообразных канавок на конических поверхностях;

2) изменение формы и размеров конической поверхности в целом.

В процессе эксплуатации промысловых поршневых и плунжерных насосов часто возникают трудности при смене износившихся седла клапана и поршня. Это является следствием процесса фреттинг-коррозии. Выпрессовка седла из гидравлической коробки и поршня со штока с помощью съемника часто затруднена, так как усилие, развиваемое съемником, оказывается

недостаточным для выпрессовки. Основной причиной трудности выпрессовки седел из клапанных гнезд и поршня со штока, связанной со значительными выпрессовочными усилиями, является схватывание поверхностей вследствие фреттинг-коррозии.

В ряде случаев, седло приходится вырезать горелкой, что приводит к повреждению гнезда гидрокоробки.

Учитывая, что гидрокоробка и шток насоса относятся к числу наиболее дорогостоящих элементов гидравлической части насоса, а также в связи с тем, что седло и поршень являются быстросменными деталями с ограниченным ресурсом, наиболее важной проблемой является предотвращение разрушения вследствие фреттинг-коррозии поверхности гнезда гидрокоробки, сопрягаемой с седлом, и конической поверхности штока, сопрягаемой с поршнем.

Важность этой проблемы обусловлена и тем, что ремонт гидрокоробки и штока является трудоемким и дорогостоящим процессом.

1.2. Пути повышения безотказности неподвижных разъемных конических сопряжений в гидравлической части насосов и обоснование преимуществ конических сопряжений с полимерным покрытием на одной из соприкасающихся поверхностей

Так как основной причиной нарушения работоспособности неподвижных разъемных конических сопряжений, выполняющих функции контактных уплотнений в гидравлической части насосов, является фреттинг-коррозия, приводящая к их разгерметизации, основным направлением повышения безотказности подобных сопряжений является предотвращение

возникновения и развития указанного процесса. Одним из перспективных путей борьбы с фреттинг-коррозией является исключение металлического контакта сопряженных поверхностей.

В промышленности для предотвращения и замедления процесса фреттинг-коррозии в стыке соприкасающихся металлических поверхностей часто используются различные виды смазки. Однако, применение смазок в высоконагруженных соединениях обычно не эффективно, так как смазка при больших контактных давлениях выдавливается из стыка, и, поэтому, металлический контакт поверхностей полностью не устраняется.

Для повышения несущей способности слоя смазки в нагруженном сопряжении применяются твердые смазки с дисульфидом молибдена. Как следует из работы [7], применение смазок с дисульфидом молибдена для пары седло-гнездо не только не дает положительного результата, но и увеличивает активность процесса фреттинга, что связано с уменьшением коэффициента трения на контакте.

В ряде случаев используются цилиндрические сопряжения седла с гнездом и поршня со штоком. Герметичность сопряжения в этом случае обеспечивается специально установленным эластичным уплотнением. Например, в цементировочных насосах седло в гнезде гидравлической коробки уплотняется резиновым кольцом круглого сечения [19].

Но, вследствие пульсации давления перекачиваемой жидкости в гидрокоробке при работе насоса происходит циклическое нагружение уплотнительного кольца, что вызывает его деформирование и, как результат этого, циклическое перемещение относительно контактирующей с ним цилиндрической поверхности расточки гнезда. Попадающие в стык между соприкасающимися поверхностями седла и гнезда абразивные частицы,

содержащиеся в прокачиваемой жидкости, шаржируются в поверхность резины и вызывают абразивный износ поверхности гнезда, соприкасающейся с уплотнительным кольцом, что приводит к износу, и, как следствие этого, к потере герметичности сопряжения.

Проведенное обследование технического состояния цилиндрической поверхности гнезда клапана, соприкасающейся с уплотнительным кольцом, показало [8], что на ней образуется канавка, являющаяся следствием износа. Ширина этой канавки достигает 30 мм, а глубина колеблется от 1,5 мм до 3 мм.

Одним из путей предотвращения фреттинг-коррозии и обеспечения герметичности разъемных соединений является нанесение на одну из соприкасающихся поверхностей более вязкого металла методом металлизации. В качестве вязкого материала применяют различные, достаточно пластичные металлы: алюминий, медь, свинец, цинк, бронзу и др. Используемые для металлизации металлы могут быть в виде порошка, стержней, проволоки.

Нанесение пластичного металлического слоя на од