Исследование деталей нефтегазового оборудования, восстановленных плазменной наплавкой

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

УДК 622.691:621.791.92А17

Исследование деталей нефтегазового оборудования, восстановленных плазменной наплавкой

Р. М. Абулхазипова,

Альметьевский государственный нефтяной институт, Л. Л. Назипов,

ООО «Татнефть-РНО-МехСервис», О. И. Тарабарин,

Камская государственная инженерно-экономическая академия

Ключевые слова: реновация, наплавка, методы плазменной наплавки, плазмотрон, износ, микротвердость, микроструктура.

В рамках совместной деятельности Альметьевского государственного нефтяного института и предприятия ООО «Татнефть-РНО-МехСервис» были изучены особенности технологии плазменной наплавки, проведен анализ параметров износа наружной поверхности вала редуктора Ц2НШ-450 (750). Получены результаты исследования микроструктуры и микротвердости поверхностного слоя, восстановленного методом плазменной наплавки.

Сегодня важнейшей проблемой в области нефтедобычи является высокий процент износа нефтедобывающего оборудования, сроки эксплуатации многих типов которого превышают 30 лет. На наш взгляд, имеются три варианта выхода из сложившейся ситуации.

1. Полная замена изношенного и морально устаревшего оборудования. Это потребует огромных инвестиций в нефтедобывающую промышленность, что в сложившейся ситуации экономического кризиса и низких цен на нефть нереально.

2. Замена изношенных деталей новыми, что потребует значительных затрат на запасные части.

3. Реновация изношенных поверхностей деталей с последующей механической обработкой.

Опыт эксплуатации изделий машиностроения, в том числе нефтедобывающего оборудования, показал, что второй вариант — замена изношенных деталей новыми — экономически оправдан для изделий специализированного производства (например, подшипников качения), а также деталей небольшой массы и, конечно, для тех случаев, когда оборудование подверглось значительному коррозионному износу, не позволяющему провести восстановление.

Третий вариант — восстановление работоспособности различного оборудования — широко применяется на практике. Так, например, восстановленных блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания, особенно большой массы, используется в 2,5 раза больше, чем новых, восстановленных коленчатых валов — в 1,9 раз больше, картеров коробок передач — в 2,1 раза. О преимуществах этого варианта свидетельствует и то, что себестоимость процесса восстановления для многих деталей не превышает 75 % стоимости новых, а расход материала снижается в 15-20 раз.

Важным показателем эффективности применения процессов реновации деталей является значительное уменьшение числа технологических операций примерно в 5-8 раз по сравнению с технологическими процессами изготовления новых деталей.

Реновация деталей нефтегазового оборудования стала одним из важнейших показателей хозяйственной деятельности крупных ремонтных, специализированных малых предприятий. Фактически создана новая отрасль производства — восстановление изношенных деталей. По ряду наименований наиболее металлоемких и дорогостоящих деталей вторичное потребление восстановленных деталей значительно больше, чем потребление новых запасных частей. Высокая экономи-

электрофизические и электрохимические методы обработки

ческая эффективность предприятий, специализирующихся на восстановлении деталей, обеспечивает им конкурентоспособность в условиях рыночного производства.

Реновацию изношенных деталей осуществляют различными методами: сваркой, наплавкой, металлизацией, электролитическим покрытием, электроискровой и электромеханической обработкой, напайкой, заливкой антифрикционными сплавами и полимерными материалами и др. Хорошо зарекомендовали себя методы пластической деформации.

Многообразие методов восстановления обусловлено различными факторами: маркой материала детали, ее конструкцией, видами дефектов, величиной износа и прочими особенностями.

Одним из предприятий, занимающихся изготовлением нефтепромыслового оборудования (НПО) и запасных частей к нему, ремонтом, техническим диагностированием и лабораторными исследованиями материалов, является предприятие ООО «Татнефть-РНО-МехСервис».

Обзор методов плазменной наплавки

Плазменная наплавка (рис. 1) — это процесс нанесения покрытий плазменной струей, когда деталь включена в цепь тока нагрузки. В данном случае с помощью плазменной струи нагреваются поверхность восстанавливаемой детали и наносимый материал. Материал перемещается плазменной струей. Температура ее может превышать 20 000 К [1].

Плазменная струя представляет собой движущийся газ, в котором значительная часть атомов ионизирована, а концентрация электронов и отрицательных ионов равна концентрации положительных ионов.

Плазменную струю получают перемещением газа через электрическую дугу и сжатием этой струи. Сжатие сечения струи выполняют водоохлаждаемым соплом или магнитным полем. При таком сжатии резко возрастает температура газа и значительно повышается напряжение дуги.

Плазменную струю относят к мощным тепловым источникам, которые обеспечивают интенсивность ввода тепла, намного превосходящую скорость теплоотвода. Плотность энергии в плазменной струе в 10-50 раз выше, чем в электрической дуге. Плазма обладает отличной электропроводностью, высокой скоростью течения, в определенных условиях превышающей скорость звука [1].

По виду применяемого присадочного материала известные способы плазменной наплавки можно разделить на три основные группы:

Плазменной дугой с плавящимся электродом

Рис. 1. Классификация способов плазменной наплавки

1) наплавка проволокой или прутками;

2) наплавка по неподвижной присадке, уложенной или каким-либо образом закрепленной на наплавляемой поверхности;

3) наплавка порошком.

Плазменная наплавка нашла применение при восстановлении ответственных деталей, к которым, например, относятся: коленчатые, кулачковые и распределительные валы, валы турбокомпрессоров, оси, крестовины карданных шарниров, направляющие оборудования, щеки и седла задвижек, шнеки экструдеров и др. Область применения способа — нанесение тонкослойных покрытий на нагруженные детали с малым износом. Плазменная наплавка тонкослойных покрытий составляет конкуренцию процессам нанесения гальванических покрытий. При плазменной наплавке получают покрытия толщиной 0,2-6,5 мм и шириной 1,2-45,0 мм. Если наносится легкоплавкий

Рис. 2. Схемы плазменной наплавки с вводом присадочного порошка в дугу внутри плазмотрона: а — вместе с плазмообразующим газом; б — через электродную камеру; в — через боковое отверстие в канале сопла; г — через воронкообразную щель между соплами

материал, то возможно нанесение покрытия с проплавлением очень тонких поверхностных слоев без оплавления поверхности.

Приведем краткий обзор плазменно-порош-ковой наплавки, которая позволяет существенно расширить круг сплавов, наплавляемых механизированным способом, так как необходимые для нее присадочные порошки могут быть получены практически из любого наплавочного сплава независимо от степени его легирования, твердости, пластичности и других свойств. Благодаря незначительному проплавлению основного металла, хорошему формированию, оптимальной толщине и высокому качеству наплавленного слоя она, по сравнению с другими способами наплавки, обеспечивает более экономное расходование наплавочных материалов, сокращает затраты на последующую механическую обработку поверхностей деталей, повышает срок службы последних. Процесс плазменно-порошковой наплавки легко поддается автоматизации.

Этот метод благодаря минимальному про-плавлению основного металла (2-3 %) обеспечивает получение наплавленного металла с высокими физико-химическими свойствами.

Плазменная наплавка с присадкой порошка в наибольшей степени отличается от других способов плазменной наплавки применя-

Рис. 3. Схемы плазменной наплавки с внешней подачей присадочного порошка через отверстие в торце сопла «углом назад»

емыми материалами, оборудованием и технологическими возможностями.

В отличие от плазменного напыления, при котором источником нагрева порошка служит струя плазмы, генерируемая дугой косвенного действия электрод — сопло, а изделие является электрически нейтральным, наплавку с присадкой порошка выполняют плазменной струей прямого действия или двумя плазменными струями — прямого и косвенного действия с общим электродом. При этом используют различные схемы ввода порошка в дугу, которые можно разделить на две группы, отличающиеся тем, что в одной порошок вводят в струю внутри плазмотрона (рис. 2), а в другой — вне его (рис. 3) [3, 4].

В зависимости от конструкции плазмотрона для наплавки применяют присадочные порошки с размером частиц от 45 до 250 мкм [5], реже — до 400 мкм, получаемые, как правило, путем распыления жидкого металла инертным газом или водой.

Плазмотроны с внутренней подачей порошка используют для наплавки композиционных слоев, если присадочным материалом являют-

ся механические смеси порошков сплава-связки и карбидов вольфрама, ниобия или ванадия [5]. Содержание карбидов в смеси может достигать 75-80 % по массе. Размер их зерен от 20 до 200 мкм. В остальных случаях применяют раздельную подачу порошков карбида и сплава-связки.

Газовая среда при плазменной наплавке состоит из трех потоков: 1) плазмообразующий поток (обычно аргон) сжимает и стабилизирует дугу и защищает вольфрамовый электрод от окисления; 2) защитный поток предохраняет от окисления сварочную ванну (аргон, гелий, азот, смеси газов); 3) транспортирующий поток при плазменно-порошковой наплавке (аргон, гелий, азот, смеси газов).

Производительность плазменно-порошковой наплавки порошком в зависимости от мощности плазмотронов составляет 4-10 кг наплавленного металла в час. Реальная производительность наплавки зависит от размеров и формы изделия, толщины наплавляемого слоя, типа присадочного порошка и других факторов и находится в пределах 0,8-6,0 кг/ч.

Минимальная толщина наплавленного слоя при внутренней подаче порошка равна 0,25 мм, при внешней — 0,5 мм. Наибольшая высота однослойного валика в обоих случаях составляет 5-6 мм. Возможность нанесения сравнительно тонких слоев с малым проплавлени-ем основного металла — важное достоинство плазменной наплавки порошком.

Объект реновации

Объектом реновации являлся вал редуктора Ц2НШ-450 (750). Габаритные размеры тихоходного вала редуктора Ц2НШ-750 составляют 1930 мм в длину и около 190 мм в диаметре, масса вала — 330 кг металла.

В качестве материала для изготовления вала принята сталь 40Х, допускающая термическое или химико-термическое упрочнение. Для этой марки стали применяют объемную закалку, которая обеспечивает твердость поверхности 45-50 НИСд.

На рис. 4 приведено процентное распределение отказов для редукторов Ц2НШ-450 (а) и Ц2НШ-750 (б), из которого следует, что основной причиной отказов является износ подшипников и зубьев. В табл. 1 приводятся параметры дефектации тихоходного вала.

Результаты исследования наплавленного слоя

На предприятии ООО «Татнефть-РНО-МехСервис» восстановление ведомого вала

1

б)

5

6

7 (1,60 %) 8 (40,30 %

Рис. 4. Причины отказов редукторов: а — Ц2НШ-450; б — Ц2НШ-750

1 — износ зубьев; 2 — излом тихоходного вала; 3 — выход из строя подшипника на тихоходном валу; 4 — выход из строя подшипника на промежуточном валу;

5 — выход из строя подшипника на быстроходном валу;

6 — трещина крышки промежуточного вала; 7 — износ корпуса; 8 — износ подшипников

Таблица 1

Параметры дефектации тихоходного вала

Поверхность вала Размер износа поверхности, мм

Под манжету 1,2

Под подшипник 0,1

Под колесо 0,1

редуктора производят вибродуговой наплавкой на установке УД 209, при этом используют электродную проволоку СВ-08Г2С диаметром 1,3 мм и получают толщину наплавленного слоя до 5 мм.

На предприятии также внедрена плазмен-но-порошковая наплавка деталей плоской формы, при этом используют порошок ПР-НХ16СР3 и получают толщину наплавленного слоя до 1,2 мм. На основе результатов исследования этой наплавки было принято решение о модернизации и автоматизации оборудования для плазменной наплавки валов. При плазменно-порошковой наплавке тел вращения использовали порошок ПР-НХ16СР3, получая при этом толщину наплавленного слоя до 0,5 мм.

Микроструктура изучалась и фотографировалась на металлографическом микроско-

электрофизические и электрохимические методы обработки

Рис. 5. Микроструктура стали 40Х: а — микроструктура наплавленного слоя без дефектов; б — микроструктура зоны контакта (без дефектов); в — микроструктура зоны термического влияния (с незначительными микротрещинами из-за действия остаточных напряжений); г — микроструктура основного металла

Рис. 6. Дефекты наплавленного слоя по глубине, х100: а — снимок наплавленного слоя в срединной его части; б, в — трещина выходит на поверхность слоя

пе «Неофот-2» при 100- и 500-кратном увеличении (рис. 5, а—г и 6, а—в). На рис. 6, а отчетливо видна микротрещина, образовавшаяся из-за возникших при наплавке остаточных напряжений. Трещина значительной длины проходит по всему слою. Возможно, одной из причин появления такого дефекта явилась нестабильность процесса наплавки. На рис. 6, б показаны фрагменты слоя с дефектом в виде трещины, которая при малоцикловом или многоцикловом нагружении может перейти в магистральную трещину и привести к разрушению материала.

Выводы

Преимущества плазменной наплавки по сравнению с другими способами нанесения покрытий сводятся к следующему. Гладкая и ровная поверхность покрытий позволяет оставлять припуск на обработку 0,4-0,9 мм. Малая глубина проплавления

и небольшая зона термического влияния (3-6 мм) обусловливают долю основного металла в покрытии < 5 %. Малое вложение тепла в обрабатываемую деталь обеспечивает небольшие деформации и термические воздействия на структуру основы. При восстановлении обеспечивается высокая износостойкость наплавленных поверхностей. Наблюдается снижение усталостной прочности деталей на 10-15 %, что намного меньше, чем при использовании некоторых других видов наплавки.

Термический КПД наплавки в 2-3 раза выше, чем при электродуговом процессе. Производительность процесса достигает 0,4-5,5 кг/ч.

Хорошие результаты при восстановлении деталей плазменной наплавкой дает применение порошковых материалов. В этом случае:

• возможны изменения в широких пределах толщины покрытия (0,1-7,0 мм), скорости (0,5-25 м/мин) и производительности наплавки (0,6-15 кг/ч), ширины шва (1-45 мм) и состава наплавляемого металла за счет изменения применяемых материалов и режимов процесса;

• обеспечивается простота управления вводом тепла в материал детали и глубиной его про-плавления независимо от подачи материала;

• облегчается выбор присадочного материала для получения покрытий (в том числе композиционных) различных составов и структур с заданными свойствами путем смешения разных порошков;

• достигается минимальный припуск на механическую обработку покрытий;

• возможна автоматизация процесса;

• обеспечивается наиболее продолжительная непрерывная работа оборудования для плазменно-порошковой наплавки по сравнению с газопламенной наплавкой.

Таким образом, исследования показали, что свойства наплавленного металла при плаз-менно-порошковой наплавке превосходят свойства основного металла. Микротвердость наплавленного слоя составила 620-894 НУ, а микротвердость основного металла — 405-420 НУ, т. е. наблюдается увеличение твердости в 1,5-2,0 раза. По результатам исследований, проведенных на предприятии ООО «Татнефть-РНО-МехСервис», определили, что при плаз-менно-порошковой наплавке возникают трещины, поэтому необходимо создать комплекс мер по стабилизации параметров наплавки. Также выяснили, что при вибродуговой наплавке получается неоднородная структура, возникают дефекты в виде ликвации, пор и т. д. В дальнейшем предприятие ООО «Татнефть-

РНО-МехСервис» планирует автоматизировать процесс плазменно-порошковой наплавки, что позволит устранить трещины.

Литература

1. Пантелеенко Ф. И., Лялякин В. П., Иванов В. П., Константинов В. М. Восстановление деталей машин: Справочник. М.: Машиностроение, 2003. 672 с.

2. Гладкий П. В., Переплетчиков Е. Ф., Ряб-цев И. А. Плазменная наплавка. Киев: Экотехно-логия, 2007. 292 с.

3. Gage R. M., Nestor O. H., Yenni D. M. Collimated electric arc-powder deposition process // USA patent 3016447. Jan. 9. 1962. Nov. 2. 1959.

4. Dilthey Ul., Kabatnik L. Zentral Pulverzufuhr beim Plazmauftragschweißen // Schweißen and Schneiden. 1998. H. 12. S. 766-771.

5. Irmer W., Hentschel K. Plazmaauftragsschweißen Pulverformiger Zusatzwerkstoffe // Schwei ßtechnik (B). 1969.- 19. Н 5. S. 193-197.

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ПОЛИТЕХНИКА» ПРЕДСТАВЛЛЕТ

Григорьев Л. Л.

Холодная штамповка

Справочник / Л. Л. Григорьев, К. М. Иванов, Э. Е. Юргенсон; Под ред. Л. Л. Григорьева. - СПб.: Политехника, 2009. - 665 с. ISBN 978-5-7325-0668-6

Справочник подготовлен взамен широко известного производственникам справочника В. П. Романовского. В новый справочник вошли наиболее актуальные задачи технологической подготовки холодноштамповочного производства, обобщены технологические возможности и методы совершенствования техники и технологии холодной штамповки. Показано, что даже в условиях крупносерийного и массового производств изделий различного назначения, имеются большие резервы для повышения его эффективности за счет широкого использования гибких технологических систем группового поточного производства в автоматических линиях штамповки.

Выход книги весьма актуален для отечественной промышленности. Ведь именно холодная штамповка позволяет изготавливать изделия мирового уровня, обладающие малой металлоемкостью из сортового и листового проката с коэффициентом использования материала до 80 % и более. Наивысшую производительность обеспечивает многорядная штамповка из широкого рулонного материала на автоматизированных комплексах.

Материал книги базируется на новых ГОСТах и международных стандартах. Справочник хорошо систематизирован и иллюстрирован.

В части 1 изложены характеристика хо-лодноштамповочного производства и его тех-

нологическая подготовка, рассмотрено оборудование производств заготовительного, листо-штамповочного и объемной штамповки.

В части 2 рассмотрены вопросы конструирования и изготовления штампов для холодной штамповки. Дано описание типовых штампов для разрезки сортового проката на прессах, штампов разделительных, формоизменяющих, комбинированных, для мелкосерийного производства.

В части 3 дано описание операций резки, вырубки, пробивки, гибки и вытяжки. Определены критерии выбора пресса. Изложены технологические процессы холодной обработки давлением, штамповки неметаллических материалов и объемной штамповки.

В Приложении приведена информация о системах маркировки сталей в различных странах.

Справочник рекомендуется специалистам в области холодноштамповочного производства и студентам машиностроительных вузов.

Заказы на книгу c оплатой по наличному и безналичному расчету или наложенным платежом принимаются в отделе реализации издательства

по тел.: (812)571-61-44, тел./факсу (812)312-44-95, по e-mail: masha@polytechnics.spb.ru

Цена: 1100 руб.