СТУПЕНЬ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА И НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ СТУПЕНИ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Техническое решение относится к гидромашиностроению и может быть использовано при изготовлении погружных центробежных насосов для добычи нефти, содержащих детали, выполненные методами порошковой металлургии, и к способам газовой низкотемпературной химико-термической обработки металлов, а именно, серого чугуна и пористых спеченных изделий на основе железа.
В патентах RU 2220327 С2, 27.12.2003 и RU 24517 U1, 10.08.2002 описана ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса включающая в себя рабочее колесо, выполненное из литейного аустенитного модифицированного чугуна типа "Нирезист" (ТУ 26-06-1305-95) и направляющий аппарат, выполненный из металлического порошкового материала, что обеспечивает высокие антифрикционные свойства пары трения, образуемой поверхностями втулок рабочего колеса и направляющего аппарата, а также повышение коррозионной стойкости и износостойкости ступени.
Наиболее близким аналогом (прототипом) первого технического решения заявленной группы полезных моделей является ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, описанная в патенте RU 24518 U1, 10.08.2002 и включающая в себя рабочее колесо, выполненное
из порошкового материала и направляющий аппарат, выполненный из "нирезиста".
Недостатком описанных аналогов и прототипа является высокая себестоимость деталей из "нирезиста".
Наиболее близким аналогом (прототипом) второго технического решения заявленной группы полезных моделей является направляющий аппарат двухопорной ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса (см., частности, патенты US 4781531 А, 01.11.1988 US 6979174 В2, 21.12.2005), включающий в себя стакан с центральным отверстием в нижней стенке, наружную крышку с центральным отверстием и размещенные между нижней стенкой и крышкой направляющего аппарата профилированные лопатки. Стакан, крышка и лопатки направляющего аппарата выполнены из серого чугуна. Направляющий аппарат также включает в себя втулку, выполненную из твердого сплава, которая размещена в центральном отверстии нижней стенки и закреплена в центральном отверстии наружной крышки направляющего аппарата.
Недостатком прототипа является усложнение процесса изготовления направляющего аппарата, связанное с необходимостью создания надежного соединения между втулкой и нижней крышкой направляющего аппарата.
Таким образом, задача, на решение которой направлена заявленная группа полезных моделей, состоит в создании ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса для добычи нефти с рабочим колесом выполненным методами порошковой металлургии и направляющим аппаратом,
выполненным из серого чугуна.
Технический результат, достигаемый при реализации первого технического решения из заявленной группы полезных моделей, заключается в обеспечении повышенной коррозионной стойкости и износостойкости ступени, а также в обеспечении возможности повышения напора ступени, при одновременном снижении требований к материалу, используемому для изготовления направляющего аппарата, с обеспечением возможности выравнивания коррозионной и износостойкости рабочих органов ступени.
Технический результат, достигаемый при реализации второго технического решения из заявленной группы полезных моделей, заключается в повышении надежности, долговечности и ремонтопригодности направляющего аппарата без существенного повышения требований к материалу, используемому для изготовления направляющего аппарата, и сложности его изготовления.
Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса включает в себя рабочее колесо, выполненное из порошкового материала, и направляющий аппарат, по меньшей мере, большая часть которого выполнена литьем из чугуна. При этом в отличии от прототипа чугун представляет собой серый чугун, при этом поверхностный слой материала направляющего аппарата насыщен диффундирующим веществом или сочетанием диффундирующих веществ, обеспечивающим повышение коррозионной стойкости и/или износостойкости поверхностного слоя.
Кроме того, в частном случае реализации первой полезной модели заявленной
группы направляющий аппарат ступени может быть подвергнут химико-термической обработке.
Кроме того, в частном случае реализации первой полезной модели заявленной группы рабочее колесо может быть подвергнуто химико-термической обработке, обеспечивающей повышение коррозионной стойкости и/или износостойкости поверхностного слоя материала рабочего колеса.
Кроме того, в частном случае реализации первой полезной модели заявленной группы химико-термическая обработка может включать в себя газовое азотирование.
Кроме того, в частном случае реализации первой полезной модели заявленной группы на верхней поверхности ведущего диска рабочего колеса могут быть выполнены отделенные друг от друга ориентированные в радиальном направлении выступы, боковые поверхности которых расположены под ненулевым углом к радиусу ведущего диска рабочего колеса, проходящему через этот выступ, при этом выступы расположены по окружности ведущего диска на приближенно одинаковом угловом расстоянии относительно друг от друга и выполнены с возможностью выполнения функции дополнительных лопастей рабочего колеса.
Направляющий аппарат ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса включает в себя стакан с центральным отверстием в нижней стенке, наружную крышку с центральным отверстием и размещенные между нижней стенкой и крышкой профилированные лопатки, при этом стакан, крышка и лопатки направляющего аппарата выполнены из серого чугуна.
Направляющий аппарат также включает в себя втулку, размещенную в центральном отверстии нижней стенки и закрепленную в центральном отверстии наружной крышки направляющего аппарата. При этом в отличии от прототипа наружный поверхностный слой указанных элементов направляющего аппарата насыщен диффундирующим веществом или сочетанием диффундирующих веществ, обеспечивающим повышение коррозионной стойкости и/или износостойкости поверхностного слоя, а также увеличение объема соответствующих элементов направляющего аппарата. Втулка выполнена из пористого порошкового материала, имеющего более высокую способность к адсорбции диффундирующего вещества чем серый чугун и/или более высокое значение коэффициента диффузии упомянутого диффундирующего вещества в порошковом материале, чем в сером чугуне и/или большее сродство к диффундирующиму веществу чем серый чугун.
Кроме того, в частном случае реализации второй полезной модели заявленной группы направляющий аппарат может быть подвергнут химико-термической обработке.
Кроме того, в частном случае реализации второй полезной модели заявленной группы химико-термическая обработка может включать в себя газовое азотирование.
Кроме того, в частном случае реализации второй полезной модели заявленной группы порошковый материал может представлять собой порошок хромсодержащей и/или молибденсодержащей стали.
Изготовление рабочего колеса ступени методами порошковой металлургии
позволяет обеспечить повышенную коррозионную стойкость и износостойкость, а также изготавливать рабочие колеса нетрадиционной конструкции, например, появляется возможность выполнить дополнительные лопасти на ведущем диске рабочего колеса (при изготовлении такого рабочего колеса литьем потребуется применения специальных дорогостоящих технологий), что обеспечивает существенное повышение напора ступени, особенно при малых подачах (см. патент RU 2218482 С1, 10.12.2003).
Выполнение направляющего аппарата из азотированного серого чугуна, (возможны и другие варианты химико-термической обработки (ХТО)), обеспечивает снижение требований к материалу, используемому для изготовления направляющего аппарата ступени, и обеспечивает возможность выравнивания коррозионной стойкости и износостойкости рабочих органов ступени за счет подбора соответствующих типов и режимов ХТО для направляющего аппарата (с учетом типа и режима ХТО рабочего колеса, если осуществляется обработка обоих рабочих органов).
Выполнение из порошкового материала втулки направляющего аппарата, внутренняя цилиндрическая поверхность которой образует пару трения с соответствующей внешней цилиндрической поверхностью рабочего колеса (или отдельной втулки для некоторых ступеней одноопорной конструкции) и, соответственно, наиболее подвержена механическому износу, позволяет обеспечить повышение износостойкости ступени, при этом надежное соединение между втулкой и нижней крышкой направляющего аппарата осуществляется в процессе химико-термической обработке без дополнительных технологических
операций.
Заявленный способ соединения втулки стакана направляющего аппарат позволяет при ремонте насоса отделить втулку без разрушения остальных элементов направляющего аппарата и заменить ее аналогичной втулкой большего диаметра.
Возможность осуществления каждой из полезных моделей заявленной группы подтверждается описанием конструкции и технологии изготовления рабочих органов двухопорной ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, выполненной в соответствии с настоящей полезной моделью.
Описание сопровождается графическими материалами, на которых изображено следующее.
На Фиг.1 изображены элементы заготовки рабочего колеса ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса
На Фиг.2 изображено рабочее колесо в сборе.
На Фиг.3 изображены элементы заготовки направляющего аппарата ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса.
На Фиг.4 изображен направляющий аппарат в сборе.
На Фиг.5 изображена ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса в сборе.
Предварительно двухсторонним прессованием формируют из порошковой стали части заготовки рабочего колеса 1 ступени погружного центробежного насоса: верхний (ведущий) диск 2 рабочего колеса, нижний (ведомый)
диск 3 с лопастями 4 и втулку 5. На верхнем диске 2 формуют отделенные друг от друга ориентированные в радиальном направлении выступы 6, расположенные по окружности ведущего диска и представляющие собой дополнительные лопасти рабочего колеса, которые обеспечивают повышенный напор при малых подачах и стабильные характеристики при работе в двух- или трехфазных газожидкостных средах.
Затем собирают заготовку совместно с пропиточным брикетом из порошка на основе сплава меди. Помещают собранную заготовку в печь и нагревают печь до температуры спекания порошка (около 1100°С), которая превышает температуру плавления пропиточного брикета, в результате происходит диффузионная сварка частей заготовки и инфильтрация легкоплавкого компонента - расплава меди через поры по всему объему заготовки. В результате получают деталь с остаточной пористостью от 5 до 25%. Нежелательно снижать остаточную пористость менее 5%, так как это снижает эффективность химико-термической обработки, а в случае увеличения пористости выше 25% начинает снижаться механическая прочность спеченного пористого изделия и его коррозионная стойкость.
После спекания контактные поверхности детали (внешнюю поверхность втулки 5 и пр.) подвергают механической обработке для удаления поверхностного слоя, сформированного при спекании и пропитке, а также для получения необходимой чистоты поверхности и геометрических размеров.
Методом литья в песчаную форму изготавливают из серого чугуна стакан 6 направляющего аппарата 7 с центральным отверстием 14 в нижней
стенке 8, наружную крышку 9 с центральным отверстием 10 и расположенные между нижней стенкой 8 и крышкой 9 профилированные лопатки 11.
Из порошок хромсодержащей или молибденсодержащей стали формуют заготовку втулки 12 направляющего аппарата, затем осуществляют спекание с инфильтрацией расплавом меди аналогично описанному выше с обеспечением остаточной пористости втулки в пределах 15-20%.
Втулку 12 размещают в отверстии 14 нижней стенки 8 и закрепляют в отверстии 10 наружной крышки 9, обеспечивая посадку с небольшим натягом.
Затем проводят ХТО направляющего аппарата для повышения его коррозионной и износостойкости, а также выравнивания указанных характеристик рабочих органов ступени или проводят ХТО обоих рабочих органов, при этом выравнивание характеристик рабочих органов может быть обеспечено за счет специального подбора соответствующих типов и режимов ХТО направляющего аппарата и рабочего колеса, однако технология ХТО обеих деталей может быть и одинаковой.
Ниже описан вариант химико-термической обработки направляющего аппарата, которую проводят следующим образом.
Помещают направляющий аппарат 7 в муфельную печь установки для химико-термической обработки, включающую в себя также каталитическую колонну с нагревательными элементами, емкости для азотсодержащего и кислородсодержащего газов, смеситель и магистрали для подвода газов от емкостей к смесителю, а также для подвода смеси газов к каталитической колонне
и от колонны к печи. В каталитической колонне смесь газов нагревают и пропускают через каталитическую сетку при температуре около 600°С. При этом каталитическая колонна расположена таким образом, что смесь газов поступает в полость печи сразу после прохода смеси газов через каталитическую сетку.
В качестве азотосодержащего газа используют аммиак, а в качестве кислородосодержащего - осушенный воздух. В качестве катализатора используют металл платиновой группы, например иридий, сдвигающий реакций окисления водорода в сторону формирования атомарного кислорода и атомарного азота.
Обрабатываемую деталь выдерживают в атмосфере, образованной указанной смесью газов, подвергнутой воздействию катализатора, в течение примерно 5 часов при температуре около 650°С.
В результате азотирования на поверхности направляющего аппарата формируется упрочненный слой толщиной до 0,5 мм твердостью до HV 350-450.
Поверхностный слой, образующийся за счет диффузионного насыщения поверхности обрабатываемой детали в результате описанной химико-термической обработки, изменяет структурно-энергетическое состояние поверхности, оказывая влияние не только на физико-химические свойства поверхности, но и на объем деталей. Пористый порошковый материал втулки 12 направляющего аппарата, представляющий собой порошок хромсодержащей или молибденсодержащей стали, обладает большим сродством к азоту и
более высоким значением коэффициента диффузии азота чем серый чугун, а также большей способностью к адсорбции азота вследствие его пористости, в связи с этим объем порошковой втулки в процессе ХТО увеличивается в большей степени, чем объем чугунной части направляющего аппарата. Втулка 12 размещена в отверстии 10 крышки 9, то есть является охватываемой деталью и в связи с тем, что объем втулки в процессе ХТО увеличивается в большей степени, чем объем крышки 9 обеспечивается надежное соединение втулки с наружной крышкой направляющего аппарата без дополнительных технологических операций.
При ремонте насоса втулку 12 можно отделить от чугунной части направляющего аппарата и заменить ее аналогичной втулкой несколько большего диаметра.
Кроме того, прессование втулки 12 может быть произведено, таким образом, чтобы обеспечить более высокую смачиваемость порошкового материала, определяемую формой и размером пор, создаваемых в процессе прессования, в зоне соединения втулки с крышкой 9 направляющего аппарата по сравнению со свободным концом 13 втулки 12. Таким образом путем изменения смачиваемости порошкового материала указанной части втулки может быть обеспечена требуемая прочность соединения без существенного изменения свойств основной части втулки.
Для обеспечения повышенной коррозионной стойкости и антифрикционных свойств пористого порошкового материала как рабочее колесо 1, так и направляющий аппарат 7 могут быть подвергнуты обработке, отличающейся
от описанной выше тем, что в качестве азотосодержащего газа используют закись азота, в качестве кислородосодержащего - углекислый газ, а в качестве катализатора используют окись алюминия. Обработку проводят при температурном интервале 450-600°С в течение 5,5 ч, а затем подвергают деталь окислительному нагреву при температуре 300-570°С до образования поверхностного объемного слоя окислов меди и без специального принудительного охлаждения деталь опускают в ванну с минеральным маслом или со смесью минерального и синтетического масел для охлаждения, закалки и формирования поверхностной пленки из продуктов пиролиза масел.
За счет создания на азотированной поверхности объемного слоя продуктов пиролиза значительно уменьшаются показатели остаточной пористости порошкового материала, а в процессе работы центробежного насоса происходит формирование гидрофобной пленки, обеспечивающей повышение КПД ступени и уменьшение износа соответствующего элемента пары трения, образующейся между внутренней цилиндрической поверхностью 15 втулки 12 и внешней цилиндрической поверхностью 16 втулки 5 рабочего колеса.