Підвищення довговічності клапана бурового насоса - Автореферат

Підвищення напрацювання деталей гідравлічної частини бурового насоса суттєво впливає на роботу бурового комплексу, зменшення затрат енергії при бурінні, що є важливою проблемою, адже бурові насоси є основними споживачами енергії на буровій. Високі показники напрацювання змінних деталей бурового насоса, зокрема клапана, сприяють високим виробничим показникам, зменшенню кількості змінних деталей. Тематика роботи є частиною планових державних науково-дослідних програм з розвитку нафтопромислового комплексу України і базується на результатах держбюджетних науково-дослідних робіт “Наукові обґрунтування раціональних режимів роботи та вибір основних параметрів бурового обладнання”, номер державної реєстрації № 0195 U026337, які входять в координаційний план Міністерства освіти “Наукові основи розробки нових технологій видобутку нафти і газу, газопромислового обладнання, поглибленої переробки нафти і газу з метою одержання високоякісних моторних палив, мастильних матеріалів, допоміжних продуктів і нафтохімічної сировини”. Для досягнення мети були поставлені наступні задачі: Дослідити умови роботи тарілки і сідла клапана бурового насоса і основні причини виходу їх з ладу. вибрати матеріал для виготовлення тарілки і сідла, і метод зміцнення їх робочих поверхонь. Розробити технологію виготовлення тарілки на базі лазерного зміцнення. клапан буровий насос тарілкаВиділено цикл роботи клапана і показано що на фазі відкривання, зависання тарілки та закривання клапана має місце гідро-абразивне зношення робочих поверхонь деталей клапанного вузла. В момент посадки тарілки на сідло превалюючим є ударно-абразивне зношення робочих поверхонь, яке ускладнюється гідро-абразивним зношенням і втомними навантаженнями (табл. Показано, що слабкою ланкою в клапанному вузлі є тарілка і що найбільш істотний вплив на неї чинять ударно-абразивне та гідро-абразивне зношення і втомні навантаження. У другому розділі “методика і обладнання досліджень” проведено обґрунтування вибору досліджуваного матеріалу (сталь 45Х, гартування в маслі при температурі 1113К і відпуску при температурі 793К, твердість поверхонь зразків 48-50HRC), приведено методику та обладнання газотермічного нанесення аморфізованих покриттів і лазерного поверхневого зміцнення. Тому за матеріал основи були взяті зношені деталі клапана К9 бурового насоса НБ600 тарілку і сідло.Руйнування тарілки та сідла стається під дією корозійного середовища, ударно-абразивного і гідро-абразивного впливів, носить складний, комплексний характер і може бути вязким, крихким, полідеформаційним або набуває втомного характеру. Розроблено метод нанесення аморфізованих покриттів на основі Fe-В на робочі поверхні деталей клапана К9 бурового насоса НБ 600, в тому числі на зношені. Показано, що аморфізовані покриття підвищують довговічність роботи тарілки і сідла при знакозмінних навантаженнях, приблизно на 10% переважають за довговічністю деталі, виготовлені за базовим технологічним процесом. Результатами металографічних і рентгенографічних досліджень, а також випробовувань на гідро-абразивне та ударно-абразивне зношення, тріщиностійкість показано, що лазерна обробка є ефективним способом поверхневого зміцнення деталей клапана бурового насоса і може бути рекомендована до широкого використання на практиці. Запропонована методика оцінки тріщиностійкості зміцнених лазером робочих поверхонь деталей клапанного вузла через осереднене значення критичного коефіцієнту інтенсивності напружень , що дає можливість враховувати вплив зміни структури приповерхневих шарів у результаті поверхневої обробки та експлуатаційних навантажень на їх схильність до крихкого руйнування.Дослідження напрацювання тарілок клапанів бурового насоса. //Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Підвищення довговічності клапана бурового насоса шляхом нанесення аморфізованих газотермічних покриттів на основі Fe-B.// Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Підвищення довговічності клапана бурового насоса за допомогою СО2 лазера.// Наукові нотатки: Міжвузівський збірник (за напрямком Інженерна механіка). // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВИКЛАДЕНИЙ У ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

Вперше встановлено, що на різних фазах циклу дії клапана, превалюють певні домінуючі види зношення. Руйнування тарілки та сідла стається під дією корозійного середовища, ударно-абразивного і гідро-абразивного впливів, носить складний, комплексний характер і може бути вязким, крихким, полідеформаційним або набуває втомного характеру.

Розроблено метод нанесення аморфізованих покриттів на основі Fe-В на робочі поверхні деталей клапана К9 бурового насоса НБ 600, в тому числі на зношені. Показано, що аморфізовані покриття підвищують довговічність роботи тарілки і сідла при знакозмінних навантаженнях, приблизно на 10% переважають за довговічністю деталі, виготовлені за базовим технологічним процесом. Напрацювання відновлених деталей складало 60-80% величини напрацювання деталей до відмови. Використання газотермічних аморфізованих покриттів є ефективним не тільки для зміцнення робочих поверхонь деталей клапанного вузла, але і для відновлення цих деталей. Основним недоліком використання таких покриттів є недостатня міцність зчеплення їх з основою, що негативно впливає на стійкість деталей до ударно-абразивного зношення.

Результатами металографічних і рентгенографічних досліджень, а також випробовувань на гідро-абразивне та ударно-абразивне зношення, тріщиностійкість показано, що лазерна обробка є ефективним способом поверхневого зміцнення деталей клапана бурового насоса і може бути рекомендована до широкого використання на практиці.

Розроблено метод лазерної обробки робочих поверхонь тарілки і сідла клапана К9 бурового насоса НБ 600. Встановлено, що високі показники працездатності деталей клапанного вузла досягаються при швидкості обробки 40-45мм/с, при W=1000Вт, dп=4мм, кроці обробки S=2,8мм.

Запропоноване лазерне технологічне устаткування для зміцнення поверхонь деталей клапанного вузла.

Запропонована методика оцінки тріщиностійкості зміцнених лазером робочих поверхонь деталей клапанного вузла через осереднене значення критичного коефіцієнту інтенсивності напружень , що дає можливість враховувати вплив зміни структури приповерхневих шарів у результаті поверхневої обробки та експлуатаційних навантажень на їх схильність до крихкого руйнування. Висока тріщиностійкість зразків після лазерного гартування, визначена за рекомендованою вище методикою підтвердила доцільність використання даного методу для зміцнення робочих поверхонь деталей клапанного вузла.

З метою підвищення запасу втомливої міцності та опору крихкому руйнуванню тарілки клапана на основі аналізу напруженого стану в технічну документацію клапана К9 на ВАТ “Дрогобицький машинобудівний завод” пропонується внести зміни: радіус галтелі збільшити з 2 до 5мм, а висотний параметр шорсткості зменшити з Ra80 до Ra20. Дана пропозиція втілена в практику діяльності підприємства.

Побудовані принципово нові технологічні маршрути виготовлення тарілки клапана з поверхневим лазерним гартуванням, яке водночас є викінчувальною обробкою.

Згідно розробленого технологічного маршруту, який базується на поверхневому зміцненні лазерним гартуванням, розроблена експериментальна партія тарілок клапанів і проведені порівняльні натурні експерименти по встановленню напрацювань тарілок, виготовлених за діючою на Дрогобицькому машинобудівному заводі технологією, яка базується на гартуванні СВЧ, та тарілок, виготовлених згідно запропонованої технології. Отримали оцінки залежності середнього значення напрацювання тарілок як зміцнених гартуванням СВЧ, так і лазерним випромінюванням від тиску і швидкості протікання бурового розчину в клапані. Встановлено, що при збільшенні подачі насоса, яка веде до підвищення тиску та швидкості протікання бурового розчину через клапан, створюються такі умови, що енергія удару тарілки при закриванні клапана зменшується. Це веде до збільшення напрацювання тарілок.

Для тарілок зміцнених гартуванням СВЧ тиск і швидкість протікання бурового розчину в однаковій мірі впливають на величину напрацювання тарілки. Для тарілок зміцнених лазерним гартуванням вплив тиску бурового розчину є домінуючим, а швидкість протікання має незначний вплив, тобто тарілки мають вищу стійкість до гідро-абразивного зношення.

Промислові випробовування показали, що напрацювання клапанних вузлів, тарілки яких були зміцнені лазерним гартуванням, в 1,2рази більші у порівнянні з напрацюванням при гартуванні СВЧ.