автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Управление качеством узлов электропогружного оборудования технологическими методами

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Изучение причин отказов ЭЦН

1.2. Объекты, цели и задачи исследований

Глава 2. КВАЛИМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ

ПОГРУЖНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

2.1. Ранжирование элементов У ЭЦН по частоте отказов

2.1.1. Отбор экспертов

2.1.2. Обработка результатов экспертного рпроса

2.2. Квалиметрический анализ надежности элементов (деталей, узлсЦ) электродвигателя и ЭЦН

2.2.1. Общая схема квалиметрического анализа

2.2.2. Первый этап опроса. Выявление деталей (узлов) электродвигателя и ЭЦН, ответственных за отказы оборудования

2.2.3. Второй этап опроса. Количественное оценивание влияния выявленных деталей по степени вклада в общее число отказов насосц

2.2.4. Третий этап опроса. Генерация методов повышения ресурса работы рабочих органов ЭЦН

Глава 3. АНАЛИЗ И ВЫБОР МЕТОДОВ

УПРОЧНЕНИЯ ПАР ТРЕНИЯ ЭЦН

3.1. Обзор методов поверхностного упрочнения пар трения

3.2. Изготовление деталей из износостойких материалов

3.3. Конструктивные решения по увеличению надежности пар трения ЭЦН

3.4. Выбор метода повышения износостойкости пар трения ЭЦН

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

4.1. Структура напыленного слоя

4.2. Исследование влияния технологических факторов на качество напыленного слоя

4.3. Разработка алгоритма расчета режимов напыления при электрометаллизации

4.3.1. Исследование формообразования поверхности напыленного слоя

4.3.2. Порядок выбора режимов напыления

ГЛАВА 5. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ НАПЫЛЕНИЯ И

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ

5.1. Испытание покрытий на износостойкость. Методика проведения эксперимента > =

5.1.1. Обоснование выбора схемы испытаний

5.1.2. Описание установки для проведения испытаний

5.1.3. Метод определения величины износа

5.1.4. Образцы для испытаний

5.1.5. Методика определения необходимого числа повторных опытов и обработка опытных данных

5.1.6. Выбор параметров испытаний

5.1.7. Результаты испытаний на износостойкость

5.2. Определение адгезионной прочности напыленных покрытий

5.3. Определение микротвердости покрытий

5.4. Определение пористости напыленных покрытий

5.5. Металлографический анализ напыленных покрытий

Глава 6. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ДЕТАЛЕЙ УЗЛОВ

ТРЕНИЯ ЭЦН (на примере направляющего аппарата)

6.1. Технология изготовления модифицированных направляющих аппаратов

6.1.1. Технология предварительной обработки напыляемой поверхности

6.1.2. Технология напыления

6.1.3. Методы контроля качества покрытия

6.2. Корректировка базового технологического процесса

6.3. Расчет экономического эффекта

Глава 7. КОНЦЕПЦИЯ ДОСТИЖЕНИЯ РАВНОНАДЕЖНОСТИ

На протяжении нескольких последних десятилетий проблеме повышения надежности установок электроцентробежных погружных насосов уделяется большое внимание, т.к. от их безаварийной работы в значительной степени зависит добыча нефти. Решение этой проблемы достигается различными путями: совершенствованием конструкции модулей УЭЦН, использованием высокоэффективных материалов (коррозионностойкие, неметаллические материалы и защитные покрытия), применением ингибиторов и т.п.

До сих пор работы по повышению надежности УЭЦН проводились и проводятся традиционными методами: разработчики выбирают тот или иной элемент (узел) УЭЦН, достаточно часто обуславливающий, по их суждению, отказы оборудования и проводят экспериментальные работы по исследованию возможностей повышения надежности различными способами, причем выбор самого способа также основывается, как правило, на интуиции разработчиков.

Нами предпринята попытка оптимизировать процедуру выявления элементов (узлов) УЭЦН, наиболее часто обуславливающих отказы, а также и процедуру поиска наиболее перспективных средств (способов) повышения надежности этих элементов. При этом мы использовали методику квалимет-рического анализа, ранее нашедшую применение для выявления негативных факторов технологического процесса производства, что позволяло повысить качество выпускаемой продукции.

В данной работе квалиметрический анализ использован для решения проблемы, не связанной непосредственно с технологией производства, но направленной на поиск путей повышения качества и надежности изделия. Такая задача, по-видимому, впервые поставлена в аспекте ее решения методом ква-лиметрии.

Применение в данной работе для выявления структуры отказов электропогружного оборудования именно квалиметрического анализа объясняется следующими соображениями.

Статистические методы (например, корреляционный и регрессионный анализ) в настоящее время исчерпали свои возможности как средство повышения качества продукции [4], т.к. качество (и его составляющая - надежность) - принципиально субъективная категория и не может быть повышена и оценена без экспертных оценок. Получение и обработка экспертных оценок непременно требует применения тех методов, которые разработаны в квали-метрии. Даже при формировании набора факторов, влияющих на надежность, следует привлекать специалистов-экспертов. Далее, статистические методы не позволяют определить минимальное количество данных, необходимых для анализа, в случае нестационарности процесса, порождающего эти данные [90], т.е. у нас нет оснований считать собранную статистическую информацию репрезентативной. О том, что поток отказов электропогружного оборудования не является стационарным, говорит хотя бы факт обновления фонда скважин и соответствующее ему изменение общего фона условий эксплуатации. Кроме того, во многих работах показано [96], что точность экспертных оценок не ниже точности выборочного статистического исследования. И, наконец, выполнение квалиметрического анализа возможно в относительно сжатые сроки [99].

Накопленный к настоящему времени опыт эксплуатации УЭЦН показывает, что ресурс их работы, а также длительность межремонтного цикла, в значительной степени зависит от качества изготовления деталей рабочих органов и условий эксплуатации.

В процессе эксплуатации трибосопряжения деталей ЭЦН подвергаются изнашиванию в условиях среды, обладающей высокой коррозионной активностью, обусловленной ее высокой минерализацией, содержанием сероводорода и углекислого газа, что приводит к их преждевременной потере способности выполнять свое функциональное назначение.

В большинстве случаев нарушение работоспособности рабочих органов ЭЦН является результатом различных физико-химических процессов, происходящих на их поверхности, а возникновение и интенсивность протекания этих процессов в значительной степени определяется физико-механическими свойствами и микрорельефом поверхностей пар трения. Это подтверждает необходимость проведения работ по повышению качества поверхности рабочих органов погружных центробежных насосов. 7

Можно с уверенностью сказать, будущее в области увеличения срока службы и повышения надежности погружных центробежных насосов принадлежит технологическим методам поверхностного упрочнения, в частности, газотермическим методам нанесения износостойких покрытий, т.к. традиционные методы либо в достаточно высокой степени исчерпали свой резерв, либо ведут к существенному удорожанию погружного оборудования. В настоящей диссертационной работе и проведены исследования, целью которых было, в частности, следующее: выбор материала покрытия, метода его нанесения, обеспечивающих повышение качества поверхностей пар трения рабочих органов погружных электронасосов, и разработка технологического процесса нанесения износостойкого покрытия с учетом специфики предварительной и последующей обработки напыляемых поверхностей, имеющих форму тел вращения. Кроме того, построение данной работы определялось стремлением отработать алгоритм действий: от квалиметрического анализа (выявление слабых мест конструкции и выбора технологического метода повышения надежности) до практической реализации принятого на стадии квалиметрического анализа решения с адаптацией выбранного метода упрочнения под конкретное изделие.

Результаты работы нашли отражение также в учебно-методических изданиях [9, 66].

Настоящая диссертационная работа создала предпосылки для постановки и решения ряда других задач. Например, о развитии алгоритма повышения надежности в плане ужесточения его формализации. Это может быть достигнуто выполнением квалиметрического анализа на этапе выбора метода повышения надежности и для алгоритмизации методики расчета режимов упрочнения.

Перспективным также представляется исследование вопроса о регламентации показателей надежности при проведении работ по стандартизации с привлечением средств квалиметрии и через рекомендации по применению методов поверхностного упрочнения. Это особенно актуально в отношении погружного оборудования, т.к. нормативная база на УЭЦН в настоящее время устарела и является разрозненной, поэтому назрела необходимость в ее пересмотре [101]. Подобную работу можно считать начатой с выходом ТУ 3639-094-07519648-96 «Аппараты направляющие погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти с износостойким покрытиями», в которых использованы результаты данной диссертации (см. Приложения).

Особый интерес, по мнению автора, представляет работа по практической реализации концепции, выдвинутой в главе 7 и изложенной в [100]. Не

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена научная проблема в сфере управления качеством продукции, связанная с эффективностью мероприятий по повышению надежности электропогружного оборудования. Структура и содержание данной работы соответствуют целям и задачам, сформулированным в главе 1 и далее достигнутым (решенным), что выражается в разработке и реализации алгоритма, указанного в п. 1 «Общих выводов», а также в практическом внедрении результатов исследований, подтвержденном соответствующими актами (см. Приложения).

1. Азгальдов Г. Г. Количественная оценка качества продукции - квалимет-рия. М.: Знание, 1986.

2. Азгальдов Г. Г., Райхман Э. П. О квалиметрии. М.: Изд-во стандартов, 1973.

3. Азгальдов Г. Г. Теория и практика оценки качества товаров (основы квалиметрии). М.: Экономика, 1982.

4. Андрианов Ю. М., Субетто А. И. Квалиметрия в приборостроении и машиностроении. Л.: Машиностроение, 1990.

5. Андрияхин В. М. Процессы лазерной сварки и термообработки. М.: Наука, 1988.

6. Антошин Е. В. Газотермическое нанесение покрытий. М.: Машиностроение, 1974.

7. Белащенко В. Е., Вахалин В. А. О формировании газотермических покрытий на плоских поверхностях // Теория и практика газотермического нанесения покрытий. Тезисы докладов VIII всесоюзного совещания, т. 1. Рига: Зи-натне, 1980.

8. Белый А. В., Карпенко Г. Д., Мышкин Н. К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. М.: Машиностроение, 1991.

9. Богодухов С.К, Пичугин В. Ф., Исхаков А. Р., Бондаренко В. А., Ягелло О. И. Технология обработки упрочненных и восстановленных поверхностей. М.:РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 1999.

10. Браун Э. Д., Евдокимов Ю. А., Чичинадзе А. В. Моделирование трения и изнашивания в машинах. М.: Машиностроение, 1982.

11. Вальма Л. Э. Лабораторные испытания металлов на износостойкость при трении с абразивной прослойкой. Труды ТаллинПИ, серия А, № 237, Таллин, 1965.

12. Виноградов В. Н., Сорокин Г. М., Колоколъников М. Г. Абразивное изнашивание. М.: Машиностроение, 1990.

13. Виноградов В. Н., Сорокин Г. М. Механическое изнашивание сталей и сплавов. М.: Недра, 1996.

14. Виноградов В. Н., Сорокин Г. М. Износостойкость сталей и сплавов. М.: Нефть и газ, 1994.

15. Власов В. М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей. М.: Машиностроение, 1987.

16. Ворошнин Л. Г., Ляхович Л. С. Борирование стали. М.: Металлургия, 1978.

17. Гаркунов Д. Н. Повышение износостойкости деталей машин. М.: Маш-гиз, 1960.

18. Гаркунов Д. Н. Экспериментальное исследование влияние площадей трения на отношение весовых износов // Исследования по физике твердого тела. АН СССР, 1957.

19. Гинзбург Э. С., Гинзбург С. Э. Состояние рынка погружных насосов в России и его перспективы // Надежность и сертификация оборудования для нефти и газа, 1997, Пилотный номер.

20. Гличев А. В. и др. Квалиметрия наука об измерении качества // Стандарты и Качество, 1968, № 1.

21. Голего Н. Н., Бублик И. Н. Динамика процессов изнашивания пар трения // Тезисы докладов Всесоюзного семинара, т. 2. Рыбинск, 1972.

22. ГОСТ 17433-80 Промышленная чистота. Сжатый воздух. Классы загрязненности.

23. ГОСТ 23554.1-79 СУКП. Экспертные методы оценки качества промышленной продукции. Организация и проведение экспертной оценки качества продукции.

24. ГОСТ 23554.2-81 СУКП. Экспертные методы оценки качества промышленной продукции. Обработка значений экспертных оценок качества продукции.

25. ГОСТ 28844-98 Покрытия газотермические упрочняющие и восстанавливающие. Общие требования.

26. ГОСТ 2999-75 Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу.

27. ГОСТ 3647-80 Материалы шлифовальные. Классификация. Зернистость и зерновой состав. Методы контроля.

28. ГОСТ 9.304-87 ЕСКЗС. Покрытия газотермические. Общие требования и методы контроля.

29. ГОСТ 9450-76 Измерение твердости вдавливанием алмазных наконечников.

30. Григорьянц А. Г., Сафонов А. Н. Методы поверхностной лазерной обработки. М.: Высшая школа, 1987.

31. Гончаренко В. П., Воронов И. Н., Великих В. С., Картавцев В. С. Деформация сталей при лазерной закалке // Металловедение и термическая обработка металлов, 1982, № 9.

32. Гуляев А. П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977.

33. Дорожкин Н. Н., Петюшев Н. Н. Дуговая газопорошковая наплавка. Минск: Беларусь, 1989.

34. Дроздов Ю. Н. Определение интенсивности изнашивания деталей машин // Вестник машиностроения, 1980, № 6.

35. Зверев А. И., Шаривкер С. Ю., Астахов Е. А. Детонационное напыление покрытий. Л.: Судостроение, 1979.

36. Зотеев В. С., Тихомирова В. А. О воспроизводимости результатов испытаний на изнашивание на лабораторных машинах // Заводская лаборатория, 1966, №3.

37. Ивашко В. С., Белоцерковский М. А., Буйкус К. В. Восстановление деталей узлов трения активированной дуговой металлизацией // Автоматическая сварка, 1999, № 4.

38. Износостойкие материалы в химическом машиностроении. Справочник. П/р Виноградова Ю. М. Л.: Машиностроение, 1977.

39. Икрамов У. А., Махкамов К. X. Методика расчета абразивного износа подшипников скольжения // Тезисы докладов республиканской конференции. Ашхабад, 1979.

40. Икрамов У. А., Махкамов К. X. Расчет и прогнозирование абразивного износа. Ташкент: ФАН, 1982.

41. Исследование стабильности процесса нанесения защитных покрытий и разработка основ создания автоматизированного оборудования плазменного напыления. Отчет по научно-исследовательской работе. НИИПМ, д.с.п.

42. Исхаков А. Р. Повышение качества поверхности деталей рабочих ступеней промысловых центробежных насосов, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИНХиГП 1982.

43. Карасик И. И. Методы трибологических испытаний в национальных стандартах стран мира. М.: Центр «Наука и Техника», 1993.

44. Кендэл М. Ранговые корреляции. М.: Статистика, 1975.

45. Кершенбаум В. Я. Механотермическое формирование рабочих поверхностей узлов трения // Долговечность трущихся деталей машин 1. М.: Машиностроение, 1986.

46. Конаков С. П., Виноградов В. Н., Черемисинов Е. М. Проблемы повышения надежности и долговечности погружных электронасосов // Эффективность упрочняющих технологий в химическом и нефтяном машиностроении. М.: НПО «Химмаштехнология», 1988.

47. Конаков С. П., Тумаков В. Ю. Проблемы повышения долговечности электропогружных насосов с применением полимерных покрытий // Эффективность упрочняющих технологий в химическом и нефтяном машиностроении. М.: НПО «Химмаштехнология», 1988.

48. Корнейчук Н. И. Гальваномеханический способ восстановления деталей машин // Новые технологические процессы восстановления деталей машин. Кишинев: Штиинца, 1988.

49. Крагельский И. В., Добычин M. Н., Комбалов В. С. основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977.

50. Крагельский И. В., Харач Г. М. О расчете износа поверхностей трения // Расчетные методы оценки трения и износа. Брянск: Приокское книжное изд-во, 1975.

51. Кугелъ Р. В. Проблемные вопросы развития ускоренных испытаний долговечности машин и их элементов // Стандарты и качество, 1966, № 3.

52. Кудинов В. В., Бобров Г. В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. М.: Металлургия, 1992.

53. Кудинов В. В., Иванов В. М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. М.: Машиностроение, 1981.

54. Кудинов В. В., Пекшее Ю. П., Белащенко В. Е., Солоненко О. П., Сафиул-лин В. А. Нанесение покрытий плазмой. М.: Наука, 1990.

55. Кулик А. Я., Борисов Ю. С., Мнухин А. С., Никитин М. Д. Газотермическое напыление композиционных порошков. Л.: Машиностроение, 1985.

56. Лабунец В. Ф., Ворошнин Л. Г., Киндрачук М. В. Износостойкие борид-ные покрытия. Киев; Тэхшка, 1989.

57. Лазаренко Г. П., Лоскутов В. С., Рогожин В. М., Сакселъцев В. Г. Закономерности формообразования напыляемых покрытий // Теория и практика газотермического нанесения покрытий. Тезисы докладов VIII всесоюзного совещания, т. 1. Рига: Зинатне, 1980.

58. Леонтьев Н. Л. Статистическая обработка результатов наблюдений. Гослесбумиздат, 1952.

59. Леонтьев П. А., Хан М. Г., Чеканова Н. Т. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1986.

60. Литвак Б. Г. Экспертная информация. Методы получения и анализа. М.: Радио и связь, 1982.

61. Малышев В. Н., Голуб М. В. Структура и триботехнические характеристики износостойких композиционных материалов и покрытий // Долговечность трущихся деталей машин 4. М.: Машиностроение, 1990.

62. Манохин А. И., Шоршоров М. X Развитие порошковой металлургии. М.: Наука, 1988.

63. Маталин А. А. Технология машиностроения. М.: Машиностроение, 1985.

64. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. М., 1994.

65. Методы квалиметрии в машиностроении. П/р Кершенбаума В. Я., Хва-стуноваР. М. М.: Технонефтегаз, 1999.

66. Надежность и долговечность машин. П/р Костецкого Б. И. Киев: Техника, 1975.

67. Никитин М. М. Технология и оборудование вакуумного напыления. М.: Металлургия, 1992.

68. Панкова Л. А., Шнейдерман М. В. Последовательная процедура экспертного опроса // АиТ, 1975, № 8.

69. Петренко В. И., Стоянов В. И. Применение электрохимического шлифования // Новые технологические процессы восстановления деталей машин. Кишинев: Штиинца, 1988.

70. Петренко В. П., Стоянов В. И., Петров Ю. И. и др. Электрохимическое шлифование с применением металлизированных абразивных кругов на керамической связке. Принципиальные особенности процесса // Электронная обработка материалов, 1986, № 6.

71. Петров Ю. И. Перспективные способы восстановления деталей машин // Новые технологические процессы восстановления деталей машин. Кишинев: Штиинца, 1988.

72. Проников А. С. Методы расчета машин на износ // Расчетные методы оценки трения и износа. Брянск: Приокское книжное изд-во, 1975.

73. Протасов В. Н. Защита нефтегазопромысловой и регулирующей арматуры полимерными покрытиями. М.: ВНИИОЭНГ, 1980.

74. Протасов В. Н. Полимерные покрытия в нефтяной промышленности. М.: Недра, 1985.

75. Протасов Г. А., Алътшулер Д. Ф. Газотермические покрытия в химическом машиностроении и методы определения их свойств. М.: ЦИНТИХимнф-темаш, 1982.

76. Райхман Э. П. ,Азгалъдов Г. Г. Экспертные методы в оценке качества товаров. М.: 1974.

77. Расчет надежности насоса 1ЭЦНК6-1000-300. М.: ОКБ БН, 1991.

78. Сафонов А. H. Применение лазерной техники в народном хозяйстве // Аналитический обзор. Выпуск № 43, М.: ВНТИЦ, 1992.

79. Скорыгин Ю. В. Ускоренные испытания деталей машин и оборудования на износостойкость. Минск: Наука и Техника, 1972.

80. Слободяников Б. А. Совершенствование технологии плазменной наплавки // Эффективность упрочняющих технологий в химическом и нефтяном машиностроении. М.: НПО «Химмаштехнология», 1988.

81. Соколов И. К., Пузряков А. Ф. Съем металла при абразиво-струйной обработке // Теория и практика газотермического нанесения покрытий. Тезисы докладов XII научно-технической конференции. Дмитров: 1992.

82. Сорокин Г. М. Взаимосвязь механических свойств сталей и их износостойкость. М.: Нефть и газ, 1995.

83. Соснин Н. А., Тополянский П. А., Вичик Б. JJ. Плазменные покрытия (технология и оборудование). С.-Пб.: 1992.

84. Справочник нормировщика-машиностроителя, т. 2, п/р Стружестраха Е. И. М.: Машгиз, 1961.

85. Суденков Е. Г., Румянцев С. И. Восстановление деталей плазменной металлизацией, М.: Высшая школа, 1980.

86. Тюрин Ю. М., Василевич А. П. К проблеме обработки рядов ранжировок // Статистические методы анализа экспертных оценок. М., 1977.

87. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти. Международный транслятор. П/р Алекперова В. Ю. Кершенбаума В. Я. М.: Техно-нефтегаз, 1999.

88. Халъворсон M. Visual BASIC. Шаг за шагом. М.: Эком, 1998.

89. Халъд А. Математическая статистика с техническими приложениями. М.: Иностранная литература, 1956.

90. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. М.: Машиностроение, 1985.

91. Хвастунов Р. М. Экспертные методы квалиметрии. М., 1998.

92. Хвастунов Р. М. Экспертные оценки при построении математических моделей. М.: МИРЭА, 1978.159

93. Хрущов М. М., Бабичев М. А. Абразивное изнашивание. М.: Наука, 1970.

94. Хрущов М. М., Беркович Е. С. Определение износа деталей машин методом искусственных баз. М.: АН СССР, 1959.

95. Шнейдерманы М. В. Методы сбора и обработки экспертной информации для оценки параметров сложных объектов, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: АН СССР. Ин-т проблем управления (автоматики и телемеханики), 1977.

96. Шоршоров М. X., Харламов Ю. А. Физико-химические основы детона-ционно-газового напыления покрытий, М.: Наука, 1978.

97. Шпинев В. М., Маликов И. И., Прохоров В. Б. О расчете износа деталей машин // Материалы Всесоюзной научной конференции «Теория трения, износа и смазки». Ташкент: ТашПИ, 1976.

98. Ягелло О. И. Квалиметрический анализ и разработка путей повышения надежности установок ЭЦН // Менеджмент контроля качества Надежность и контроль качества, 1999, № 10.

99. Ягелло О. И. Концепция достижения равнонадежности // Качество: теория и практика, 1999, № 3.

100. Ягелло О. И. У ЭЦН требует стандарта // Надежность и сертификация оборудования для нефти и газа, 1999, № 2.

101. Ясъ Д. С., Подмоков В. Б., Дяденко Н. С. Испытания на трения и износ. Методы и оборудование. Киев: Техшка, 1971.