СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ПОГРУЖНЫХ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ
METHOD OF PARTS TREATMENT OF SUBMERSIBLE INSTALLATIONS OF ELECTRICAL CENTRIFUGAL PUMPING EQUIPMENT

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам обработки погружного оборудования установок электрических центробежных насосов (УЭЦН), используемых в нефтедобывающей промышленности.
В настоящее время в потоке закономерных отказов системы УЭЦН-скважина большая доля принадлежит параметрическим и абсолютным отказам, вызванным асфальтосмолопарафиновыми отложениями на рабочих деталях насосов из-за адгезии на их поверхности ядер, кристаллов и конгломератов, выпадающих из перекачиваемой среды вследствие ее неравновесности. Поэтому происходит снижение или потеря подачи перекачиваемой жидкости, заклинивание или слом вала.
Перечисленные факторы входят в число основных, определяющих надежность системы. Изменение динамики их роста и влияния или полное устранение представляют серьезную проблему.
Из уровня техники известен «Способ обработки деталей машин и механизмов импульсным электромагнитным полем» (1), сущность которого в том, что обработку деталей машин и механизмов осуществляют импульсным магнитным полем, создаваемым индуктором магнитного поля с определенной частотой, напряженностью и длительностью воздействия.
Однако известный способ трудноприменим в производственных условиях и не позволяет повторно восстанавливать рабочие поверхности деталей.
Известен способ плазменного напыления износостойкого покрытия (2) на основе диоксида титана при соотношении компонентов, мас.%:
оксид алюминия (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
2,2-4,0
диоксид титана (TiO<sub>2</sub>)
54,0-74,0
диоксид циркония (ZrO<sub>2</sub>)
1,8-3,0
диоксид кремния (SiO<sub>2</sub>)
19,0-42,0
Но при нанесении покрытий плазменным методом деталь разогревается до температуры, вызывающей изменения структуры металла, что является недопустимым применительно к деталям УЭЦН.
Наиболее близким по технической сущности (прототип) к заявляемому изобретению является «Способ восстановления деталей типа вал» (3).
Сущность изобретения: вал нагревают ниже температуры отпуска для удаления смазки, подвергают его пескоструйной обработке до получения шероховатости поверхности 10-20 мкм, а затем детонационным напылением металлического порошка ПГ 10К01 или ПГ 10Н01 наносят восстановительный слой с помощью установки типа УДН («Катунь»).
Однако применение металлического порошка в данном способе не решает проблемы адгезионной активности и не дает возможности создавать деталь с заранее запрограммированными свойствами рабочих поверхностей, оставляя неизменными функциональные свойства.
Целью настоящего изобретения является разработка эффективного способа изменения структуры и свойств рабочих поверхностей деталей, таких как снижение адгезионной активности и повышение износостойкости.
Поставленная задача решается тем, что детали обрабатывают направленным потоком продуктов детонации пропан-кислородной смеси в соотношении 1:3,75 соответственно, содержащим порошок с величиной частиц не более 60 мкм на основе оксида алюминия, который дополнительно содержит диоксид циркония при следующем соотношении компонентов, мас.%:
2
диоксид циркония (ZrO) - 15,0-30,0,
2
3
оксид алюминия (AlO) - остальное.
Способ осуществляют с помощью детонационно-газовой установки (4).
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что не обнаружен источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «новизна».
2
3
2
Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку впервые подобраны условия для нанесения на поверхности деталей детонационно-газовым методом керамического покрытия на основе оксида алюминия (AlO) с добавлением диоксида циркония (ZrO) и с использованием пропана в качестве горючего газа.
Оптимальное соотношение пропана и кислорода (1:3,75) в подготовленной взрывчатой смеси создает мощность единичного взрыва, обеспечивающего разгон порошкового материала до 700-900 м/сек и разогрев до 1800°С в момент соприкосновения с деталью, при этом порошок находится в предрасплавленном состоянии.
Это позволяет получить беспористое, износостойкое покрытие, обеспечивающее улучшение комплекса эксплуатационных характеристик деталей: механических, физических, физико-химических, в том числе существенно снизить такую характеристику поверхности, как адгезионная активность, ответственную за вывод из строя рабочих органов погружного оборудования УЭЦН, не изменяя их функциональных свойств.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного результата, приводятся ниже.
Способ осуществляется следующим образом.
Обрабатываемую деталь УЭЦН устанавливают в манипулятор, обеспечивающий необходимое перемещение указанной детали на заданном расстоянии от среза ствола детонационно-газовой установки (ДГУ). Скорость перемещения детали и частоту детонационных циклов ДГУ согласовывают в соответствии с технологической инструкцией таким образом, чтобы обеспечить необходимую толщину покрытия, соответствующую ТУ, на деталь и не допустить перегрева детали продуктами детонации. Соотношение пропан-кислород в подготовленной взрывчатой смеси задают 1:3,75 соответственно. Указанное соотношение необходимо для получения мощности единичного взрыва, обеспечивающей разгон порции порошкового материала до 700-900 м/с и ее разогрев до 1800°С в момент соприкосновения с деталью. Объем и соотношение газов для детонационного цикла задается путем введения данных в контроллер, управляющий процессом.
Порошковый материал представляет собой механическую смесь оксида алюминия с добавлением диоксида циркония с размером частиц не более 60 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%
2
диоксид циркония (ZrO) - 15,0-30,0,
2
3
оксид алюминия (AlO) - остальное.
Диоксид циркония добавляют для улучшения адгезионных и когезионных свойств в системе деталь-покрытие.
Таким образом получают на рабочей поверхности детали керамическое покрытие с низкой адгезионной активностью и повышенной износостойкостью.
Пример 1. Опыты проводили с помощью ДГУ (4), для обработки использовали рабочее колесо УЭЦН, которое закрепили в манипуляторе, обеспечивающем необходимое перемещение детали на расстоянии 110 мм от среза ствола ДГУ. Соотношение газов пропан-кислород задали равным 1: 3,75 соответственно путем введения данных в контроллер. Порцию порошкового материала, поступающего в ствол ДГУ, взяли в соотношении, мас.%:
2
диоксид циркония (ZrO) - 10,0,
2
3
оксид алюминия (AlO) - остальное.
Величина частиц порошкового материала - 60 мкм. Скорость детонационного потока регистрировали пьезоэлектрическими датчиками. Температуру определяли при помощи пирометра Термоскоп-300-2С.
Пример 2. Аналогично примеру 1, порцию порошкового материала брали в соотношении, мас.%:
диоксид циркония - 15,0,
оксид алюминия - остальное.
Пример 3. Аналогично примеру 1, порцию порошкового материала брали в соотношении, мас.%:
диоксид циркония - 25,0,
оксид алюминия - остальное.
Пример 4. Аналогично примеру 1, порцию порошкового материала брали в соотношении, мас.%:
диоксид циркония - 30,0,
оксид алюминия - остальное.
Пример 5. Аналогично примеру 1, порцию порошкового материала брали в соотношении, мас.%:
диоксид циркония - 35,0,
оксид алюминия - остальное.
Испытания колес рабочих УЭЦН, обработанных с разным соотношением смеси диоксида циркония и оксида алюминия, показали, что содержание в порошке диоксида циркония менее 15,0 не оказывает существенного влияния на триботехнические характеристики покрытия, а увеличение доли диоксида циркония свыше 30,0 ведет к изменению характеристик покрытия, выходящих за рамки решаемой задачи.
Оптимальным соотношением является, мас.%:
диоксид циркония - 25,0,
оксид алюминия - остальное (пример 3).
Ресурс работы обработанных таким образом рабочих колес УЭЦН увеличился в 2,5-3 раза за счет улучшения комплекса эксплуатационных характеристик, в том числе снижения адгезионной активности и увеличения износостойкости рабочих поверхностей.
Опыты проводились также с шарошками бурового долота, их ресурс удалось повысить в 1,5 раза.
Пример 6. Аналогично примеру 3, соотношение пропан-кислород устанавливали равным 1:3,0.
Пример 7. Аналогично примеру 3, соотношение пропан-кислород устанавливали равным 1:3,5.
Пример 8. Аналогично примеру 3, соотношение пропан-кислород устанавливали равным 1:4.
Опыты, описанные в примерах 6, 7, 8, показали, что устойчивая работа установки (ДГУ) для напыления керамического состава возможна при соотношении пропан-кислород 1:3. При увеличении доли кислорода в газовой смеси наблюдается увеличение скорости и температуры потока, однако при увеличении содержания кислорода более 3,75 температура начинает снижаться, что отрицательно сказывается на структуре покрытия (снижается адгезия, увеличивается пористость).
Исходя из вышеизложенного оптимальным соотношением пропан-кислород является 1:3,75.
Таким образом, описанный способ обработки деталей погружных УЭЦН позволяет наносить высококачественные покрытия с низкой остаточной пористостью и адгезионной активностью, которые способны эффективно противостоять сильному износу, действию агрессивных сред и повышенных нагрузок.
С помощью данного способа можно улучшить и даже полностью изменить поверхностные свойства деталей, получить запрограммированное качество поверхности.
Применение данного способа позволяет повысить надежность и долговечность рабочих деталей УЭЦН, обеспечивает экономию материальных средств за счет увеличения срока службы узлов и механизмов, замены дорогостоящих конструкционных материалов более дешевыми.
Способ может применяться как для обработки новых деталей, так и для восстановительного ремонта бывших в эксплуатации рабочих органов УЭЦН.
Источники информации
1. Патент РФ №2299249, МПК С21D 1/04, 2005.
2. Патент РФ №2191217, МПК С23С 4/10, 2000.
3. А.с. СССР №1754396, МПК В23Р 6/00, 1990 (прототип).
4. Патент РФ на п.м. №53186, МПК В05В 7/20, 2005.