автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка сплава и технологии упрочнения клапанного узла буровых насосов

ВВЕДЕНИЕ.

1.ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Конструктивные схемы поршневых буровых насосов

1.2. Анализ конструкций деталей клапанов.

1.3. Характер износа деталей клапанов.

1.4. Гидродинамический анализ.

1.5. Выводы.

2. ВЫБОР СПЛАВОВ -ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ.

2.1. Анализ процессов разрушения металлов в условиях работы клапанного узла.

2.1.1. Гидроабразивное изнашивание.

2.1.2. Ударно-абразивное изнашивание.

2.2.Анализ систем легирования и структуры износостойких сплавов.

2.2.1. Легирующие элементы в хромистых белых чугунах и сталях.

2.2.2. Структура и свойства хромистых сталей.

2.2.3. Метастабильные аустенитные стали.

2.3. Составление испытательного ряда

3. ИСПЫТАНИЯ СПЛАВОВ-ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ

3.1. Разработка методики испытаний.

3.2. Результаты испытаний.

3.3. Выводы.

4. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА НАПЛАВОЧНОГО СПЛАВА.

4.1. Постановка задачи на многофакторный эксперимент.

4.2. Методики определения параметров оптимизации.

4.2.1. Методика определения склонности к ГТ.

4.2.2. Испытания на отслоение.

4.2.3. Методика определения деформации зарождения трещины.

4.3, Определение размеров факторного пространства

4.4. Построение матрицы эксперимента.

4.5. Результаты эксперимента.

4.5.1. Построение уравнений регрессии.

4.5.2. Расчет функций желательности.

4.5.3. Движение в область оптимума.

4.6. Расчет порошковой проволоки.

4.7. Выводы.

5. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРОВЕРКА.

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 «металл -металл» 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.

109

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, 1973107 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, 1966292 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. 14020

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.: Машиностроение; София: 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 проволоки- Сварочное 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.