НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ СТУПЕНИ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Полезная модель относится к области насосостроения и может быть использовано для изготовления рабочих органов (ступеней) погружных центробежных и центробежно-вихревых насосов, предназначенных для откачки пластовых вод с высокой концентрацией абразивных частиц.
Известны коррозионностойкие ступени погружного насоса, содержащие направляющий аппарат и рабочее колесо, а в случае одноопорной конструкции и втулку защитную вала, изготовленные из материала типа нирезист состава: 3% С, 1-2,8% Si, 13,5-17,5% Ni, 1,5-2,5% Cr, 5,5-7,5% Cu, 0,012% S, oct. Fe (Вихман В.Г., Филиппов В.Н. Погружные центробежные износостойкие насосы для добычи нефти: Экспресс-информация. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, №6, 1989; ТУ 26-06-1305-81 Отливки рабочих органов погружных центробежных насосов для добычи нефти из чугуна аустенитного модифицированного типа "Нирезист").
Недостатком ступеней из таких материалов является низкая износостойкость в абразивной среде бурта направляющего аппарата, составляющего совместно с шайбой рабочего колеса пару трения осевого подшипника ступени.
Известна радиальная пара трения в ступенях погружных насосов, работоспособная при повышенном содержании абразивных частиц, элементы которой выполнены из порошковой медистой стали с добавлением в любой элемент пары хрома и молибдена (Патент №2114334 РФ, F16C 33/12, опубл. 27.06.98 г.).
К недостаткам ступеней из такого материала относится низкая стойкость к абразивному износу.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является направляющий аппарат ступени погружного многоступенчатого электроцентробежного насоса, содержащий выполненные из порошкового материала цилиндрический корпус, верхний диск, имеющий отверстие, окруженное по краю буртом, нижний диск, направляющие лопасти, расположенные между дисками (Патент №2193115 РФ, F04D 13/08, опубл. 20.11.2002).
Для изготовления направляющего аппарата использован материал, содержащий: С - 0-1,5% и медь - 10-20%, в который при необходимости повышения коррозионной и абразивной стойкости добавляют никель и молибден, а медь вводят методом пропитки (инфильтрации). Подобные порошковые материалы, пропитанные медью, принято называть псевдосплавами сталь-медь (Смышляева Т.В., Шацов А.А. Псевдосплавы сталь-медь с дисперсной карбидной фазой // Перспективные материалы. Технологии. Конструкции. Красноярск, 1998, вып.4, с.53-56).
Недостатком этого технического решения является необходимость введения дорогостоящих легирующих элементов и недостаточная стойкость бурта направляющего аппарата к абразивному износу.
Настоящая полезная модель обеспечивает повышение износостойкости конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в направляющем аппарате ступени погружного многоступенчатого электроцентробежного насоса, содержащем выполненные из псевдосплава сталь-медь цилиндрический корпус, верхний диск, имеющий отверстие, окруженное по краю буртом, нижний диск, направляющие лопасти, расположенные между дисками, согласно изобретению, на верхней поверхности бурта сформирован слой с повышенной твердостью с использованием лазерной термической обработки.
Слой с повышенной твердостью выполнен с зоной оплавления, глубина которой не превышает 0,05-0,1 мм и плавно уменьшается от центра к краям, а ширина равна 0,35-0,4 от ширины бурта. При этом общая глубина слоя повышенной твердости, распространенного по всей ширине бурта, составляет 0,5-1,2 мм.
Формирование посредством лазерной термической обработки (ЛТО) слоя повышенной твердости с указанными параметрами существенно повышает стойкость бурта к абразивному износу благодаря снижению остаточных напряжений растяжения по краям зоны оплавления.
Выбранные размеры зоны оплавления минимизируют шероховатость, что позволяет уменьшить объем или полностью отказаться от дальнейшей обработки поверхности (шлифовки), то есть сократить число операций изготовления направляющих аппаратов. Формирования зоны оплавления с глубиной, превышающей 0,1 мм, не целесообразно, так как при этом в слое высокой твердости возникают участки с высоким уровнем остаточных напряжений, а при глубине зоны оплавления менее 0,05 мм формируется слой повышенной твердости, толщина которого недостаточна для защиты бурта от износа.
На фиг.1 представлен заявляемый направляющий аппарат; на фиг.2 - микроструктура фрагмента слоя повышенной твердости в поперечном сечении бурта, перпендикулярном направлению движения пучка лазера при ЛТО; на фиг.3-5 вид поверхности буртов с разной зоной оплавления после шлифовки на глубину 0,1 мм.
Направляющий аппарат состоит (фиг.1) из цилиндрического корпуса 1, верхнего диска 2 и нижнего диска 3, между которыми размещены направляющие лопасти 4, образующие обратные каналы. На верхнем диске 2 имеется отверстие 5, окруженное по краю буртом 6. Верхний слой 7 бурта 6 имеет повышенную твердость и сформирован с помощью ЛТО.
В слое с повышенной твердостью 7 (фиг.2) посередине верхней поверхности бурта по окружности образуется зона оплавления 8, глубина которой плавно уменьшается от середины к краям, далее идет окружающая ее прослойка с частичным оплавлением 9. Ниже и с обеих сторон зоны оплавления находится зона термического влияния (ЗТВ) 10. На краю зоны термического влияния 10 формируется переходная зона 11. Далее идет основной объем бурта 6 со структурой 12, в которой при ЛТО не произошло видимых изменений.
Высокой твердостью обладают зоны 8-10, в переходной зоне 11 твердость резко падает. В объеме бурта 6 на всю глубину (до 3-4 мм) микротвердость остается постоянной на уровне 400 HV, что несколько выше, чем микротвердость материала до ЛТО (250-300 HV).
Структура зоны оплавления 8 состоит из стальной матрицы (преимущественно в мартенситном состоянии) с дисперсными выделениями меди. Микротвердость в зоне оплавления составляет величину 700 -800 HV. Структура зоны термического влияния (ЗТВ) 10 состоит из стальной матрицы (мартенсит + небольшое количество остаточного аустенита), в которой включения меди остаются в том же виде, как и в исходном материале. Микротвердость в мартенситных участках ЗТВ находится в пределах от 700 до 1000 HV.
В слое с частичным оплавлением 9 в ходе ЛТО происходит плавление медной составляющей, но так как стальной каркас при этом остается в твердом состоянии, то диспергирования структуры, как в зоне 8, не происходит.
Подбором режимов ЛТО обеспечивается формирование в бурте 6 зоны оплавления 8 глубиной 0,05-0,1 мм и шириной - 0,35-0,4 от ширины бурта 6, при которой слой с повышенной твердостью распространен на глубину до 0,5-1,2 мм. При ЛТО пучок лазера направляют перпендикулярно верхней поверхности бурта 6, при этом в наилучшем исполнении центр пучка лазера движется по середине ширины бурта по окружности (например, за счет вращения детали вокруг своей оси), что гарантирует равномерность упрочнения поверхности по обе стороны от зоны оплавления за один проход.
При работе ступени шайба рабочего колеса скользит по упрочненной поверхности бурта 6 направляющего аппарата. Вместе они выполняют роль осевого подшипника ступени. Абразивный износ бурта происходит под воздействием абразивных частиц, имеющихся в перекачиваемой жидкости, которые попадают между буртом и шайбой. В исполнении с резиновой шайбой в первую очередь изнашивается бурт. Поэтому повышение твердости поверхностного слоя бурта значительно увеличивает износостойкость всей конструкции.
В таблице показаны результаты сравнительных ресурсных испытаний направляющего аппарата центробежно-вихревой ступени насоса 2 ВННП5-79, серийно выпускаемого ЗАО «Новомет-Пермь» (образец 4), заявляемого направляющего аппарата (образец 2) и направляющих аппаратов, имеющих на внешней поверхности бурта зону оплавления с глубиной, выходящей за пределы заявляемых (образцы 1, 3) при использовании одинакового рабочего колеса и резиновых шайб. Направляющие аппараты были изготовлены из псевдосплава углеродистая сталь-медь (ЖГр1Д15) с шириной бурта 4 мм. Параметры ЛТО, размеры зон оплавления образцов и результаты испытания приведены в таблице.
Ресурсные испытания проводились в следующих условиях:
- среда - вода + кварцевый песок (10 г/литр);
- частота вращения - 2910 об/мин;
3
- расход насоса - номинальный (80±8 м/сут);
- время испытания - 4 ч.
Как видно из таблицы, износ бурта заявляемого направляющего аппарата (образец 2) по сравнению с серийно выпускаемым (образец №4) на 35% меньше. Прирост износостойкости образцов 1 и 3 несколько меньше, соответственно, 18 и 29%.
Таблица
№ образца
Режим обработки
Зона оплавления
Ширина зоны плавления/ширина бурта
Износ бурта, мм
Прирост износостойкости, %
(W/S), (кВт/см<sup>2</sup>)
ν, мм/мин
диаметр пятна d, мм
глубина, мм
ширина, мм
1
12
0,8
3,2
0,287
2,49
0,623
0,42
18
2
8
1,2
3,99
0,090
1,46
0,365
0,33
35
3
8
0,8
3,99
0,170
2,31
0,578
0,36
29
4
без ЛТО
-
-
-
0,51
Примечания:
W - используемая мощность лазера;
W/S - плотность мощности в пучке лазера;
ν - скорость перемещения пучка лазера.
Фиг.3 иллюстрирует преимущество образца 2 перед образцами 1 (фиг.4) и 3 (фиг.5), которое проявляется при шлифовке верхней поверхности бурта на глубину порядка 0,1 мм. На образцах 1 и 3, имеющих глубину зоны оплавления более 0,1 мм и ширину свыше 0,4 ширины бурта, после стадии шлифовки буртов видно, что с обеих сторон от зоны оплавления 8 образуются кольцевые лунки выкрашивания 13, что показывает высокий уровень остаточных напряжений растяжения в этих областях, чем и объясняется низкая стойкость к износу образцов во время ресурсных испытаний, по сравнению с образцом 2, в котором лунок выкрашивания нет.
Таким образом, повышение износостойкости заявляемого направляющего аппарата достигается при ЛТО поверхности бурта не только за счет изменения микроструктуры и повышения твердости материала, но и благодаря отсутствию в слое повышенной твердости участков с высоким уровнем остаточных напряжений.
В указанных примерах использовался псевдосплав углеродистая сталь-медь, в котором нет легирующих элементов. Аналогичные результаты могут быть достигнуты в случае использования легированной стальной матрицы при условии сохранения восприимчивости материала к закалке.