Введение к работе
Актуальность работы. Эффективность перекачки нефти по магистральным трубопроводам зависит от надежности насосного оборудования. Опыт эксплуатации показывает, что 60...30' остановок насосных агрегатов, а иногда и полностью магистрального нефтепровода, происходит по причине отказов уплотнений валов насосов. Небольшой по размером узел уплотнения требует особо пристального внимания, поскольку разгерметизаїзія насоса может привести к тя«е-«в* последствие (затопленню нефть» насосного помещения, взрывам а пожарам) и нанести значительный материальный ущерб.
Преимущества уплотнений торцового типа для этих излей виесто сальниковой набивки показаны в ряде работ. Однако их широкому применении на центробежных насосах магистоальных нефтепроводов боль-сой производительности (до 12500 мэ/ч) и высокого давления перекачки (до 6,5 Ш1а\ препятствовала малая долговечность уплотнений. Уплотнения требовали устройства специальной системы разгрузки (снижения давления в камерах уплотнений до 0,2... 1,0 Ufla) путем дросселирования и отвода част» перекачиваемой жидкости из камер уплотнения в безнапоонур емкость или на прием насосной станции, что существенно снижало к.п.д. насосных агрегатов.
Воздействие абразивных частки, находящихся в нефти, повывен-ные нагрузки в результате колебания давления уплотняемой соеды повреждает рабочие поверхности контактных колец, нарушают гер -метичность уплотнений . Упрочнение контактных поверхностей . колец пар трения путем термической обработки или другими техно -логическими методами, как показал опыт эксплуатации, недостаточ -но. Необходимы разработки и применение новых материалов, чтобы обеспечить высокуо износостойкость и долговечность уплотнений .
Из-за недостаточной изученности режимов трения и износа материалов в рабочих средах, а также механизма герметизации узкой торшаой щелью, отсутствуют обоснованные рекомендации по выбору оптимальных конструктивных параметров уплотнений и их расчету.
В результате выполненных автором исследований режимов работы уплотнений и триботехнических характеристик материалов,о диссертации осуществлено решение научной и технической проблемы повышения износостойкости, надежности и долговечности уплотнений валов центробежных насосов магистральных неі}ггепроводов, заключаереесп в создании и исследовании износостойких композиционных материалов для пар трения торцовых уплотнений на основе разнзэернистых порошков карбидов вольфрама, меди и никеля, разработке методов расчета и проектирования уплотнений.
Работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ Государственного Комитета СССР по науке и технике по повышению срока службы, экономического уровня и коэффициента полезного действия махин, оборудования и приборов на основе достижений триботехники (Постановление ГКНТ СССР № о49 от Ь кплп І96&Г,), а также плана научно-исследовательских работ Циннсфтепрона по проблеме "Совершенствование техналогического оборудования и средств перекачки нефти".
Цель работы состояла в создании научно-технических методов упрочнения контактных повесхностей деталей уплотнений, разработке износостойких композиционных материалов, технологии изготовления контактных колец, методов расчета и проектирования уплотнений и комплексного решения на их основе проблемы надежности и долговечности уплотнений вадо» центробежных насосов магистральных нефтепроводов.
Основные эачачи исследования:
исследование надежности и долговечности применяема конструкций уплотнения в зависммости от реаииов перекачки и эксплуатации насосов, анализ их отказов;
исследование и определение оптимальных конструктивных параметров уплотнения: степень гидравлической разгрузки контакт-ноЯ пар» трения, геометрия контактных колец, прочностные характеристики элементов, реявмц трения;
построение и исследование физической и математической «о-делеП мехализна герметизации торцовой цели контактной пари тре-кая;
создание износостойких ко'яозлциотяас материалов, способных работать э рабочих абраэивосодерзпчмх средах;
исследование оснопых физиио-мехадаческих и антифрякцхон-iacj характеристик коетоэнционклс материалоа на основе разнозер-дастих порошков карбида вольфрама и зависимости от компонентного состава «едгсодеряа^его прояиготаого сплава;
:'.сследояа>!>в уехалиэма из наги гани я пар трения уплотнитель-пас устройств в рабочих и абразмвосодерда^ия средах;
соэдадае иадегзадс и долгогочкых уплотн№елыагх устроЯсті. г&лоз ч рабочих колес магистральных насосса на висохие давления (5...10,0 ЫЛа) уплоткетмоЯ срзда;
разработка методов погашения к.п.д.насосного оборудования.
Научная норнзна работ эаядсчззгся а том. что в иеЯ впер-гиз:
- на основа обобщения собственных исследогануД м резудіта-
тоо мс&лгдогаяаЯ других авторов предяозеки пути поолккяя кадез-
і'остя м долговечности ушотютедьмоЯ техники і~нтрсбеяасс насо
сов магистральных нефтепроводов, обеспечивайте ефективності
перекаики, снижения утечки нефти и нефтепродуктов, загазованности, пожароопасности, повышение степени автоматизации насосных станций;
установлены закономерности распределения давления уплотняемой среды по ширине контактного пояска, разработана модель механизма герметизации узкой торцовой щелью, доказано, что течение жидкости в узких (микронных) целях не подчиняется общим законам гидродинамики, а работа торцового уплотнения характеризуется граничным режимом трения и поверхностно-молекулярным взаимодействием сил на контакте;
по результатам исследований триботехнических характеристик созданы износостойкие композиционные материалы, с заданными механическими свойствами, из раэнозернистых пороаков карбидов металлов и кедесодержзщих соединений, защищенные авторскими свидетельствами И226353, 436881 и 770246;
путем широких экспериментальных исследований выявлен режим избирательного переноса пар трения в нефти и нефтепродуктах, доказана управляемость режима трения за счет подбора состава композиционного материала, установлены эмпирические зависимости коэффициента трения от скорости скольжения, удельного на-гружения контакта и свойств уплотняемых сред;
выявлены закономерности изнашивания контактных колец торцового уплотнения при работе в абраэивосодержацих средах, при отом установлено, что на износ колец наибольшее влияние оказывает абразивные частицы, по крупности соизмеримые с величиной торцовой щели;
. - показано, что износостойкость композиционного материала на основе карбида вольфрама, меди и никеля зависит от крупности зерен карбида вольфрама (релита) в шихте, а оптимальная зернистость релита 0,45...0,65 мм;
і I
- теоретически, экспериментально и в эксплуатации доказана эффективность применения индивидуальной систем; охла.гд?"и,і тор-цоьих уплотнения, оснораннал на использоьйнии циркуляции нефти под действием гидродинамического капора.
Практическая ценность. Ег.т.олненіь:е исследования лозголилм создать для магистральных нлссссо ііадс:;>.і:е и долгогечіе;е конструкции уплотнения галоп торцового типа, дсг-ег.тн г.ракінчегчм до ііулл объемнее протечки нефти (нефтепродуктов) через уплотнения, устранить систему гидравлического затвора уплотнения ьедо."., повысить кх псхзрсбезопаснисть, значительно сократить загазованность по.'.;й-і;ениП насосных станций и территории, перейти на автоматически;1. ргжии эксплуатации нассеккх станций.
Елорр'-г а отечествен!'.:;?, практике били созданы торцоьпе уплотнения, способные- обеспечить Еысокуя герметизации ьала при рабочих дарленилх 5,0 МПа и давлениях слрессовки до 10,0 V-:a, что позволило устранить систе'/у гидравл/.ческоЯ разгрузки уплотнений, пересмотреть технелогнчегсх'ув с^'вязку ьасосоа вспомогательными трубопроводами, лсьиснть К.л./). J.'acocftiX агрегатов на 1...3%. проводить опрессоуку технологической ОбкЯЗХИ COPMCCTHO С НїіССССМ без ого разборки (снятия ротора и установки заглулек). Это су -цестзеи.чэ сократило сроки г??одц s эхеллуатапп;; ь.човї. строящихся насосных станциЛ. разработанное торцось-'О упле-: асния типа Льі ноз-еолили проводить :.'..і:огократ!г,'п очистку трубиг.рсиодов и разжо стло->аниЛ з резервуарах без замену торцогых уллотнекмЛ на насосах. Созданы износостойкие композиционные катари&ш, способів работать в одноименно!! ларе гренил. разработанное кокпозму-сніге материалы на основе карбида вольфрама, меди и никеля наили сирокое применение а качестве олор скольжения и пар трения в касосострое-нпи, нефтелрс;.5іСЛозоЯ и буровой технике и других отраслях народ-
ного хоэкйстоа.
Роалилаиия работы в промышленности. Торцоние уплотнения типа Упі'. с парами трения из износостойких композиционных материалов по а. с. ' H2u;b3 и чобЬЫ серийно изготавливается Глаытрансне^ть^ (нино компания "Трансноіть") на центрально Л базе проіізьодстЕЄішс-rj обслуживания (г.Гомоль). За период с І9У5 по І9Ь0 годи торпог-ьміг уплотнениями УН И были оснащены ііОііУ насосов. Li период с 19Ы по настоящее время их сериПныИ выпуск составляет в среднем 000 комплектов в год. Экономил от внедрения на одном насосе составляет 1, тис. оуо'леП в год. Общая экономия по Главтранснсі}ти составила более 2,о млн.рублеЯ.
Созданы и действует участки пэоояковои металлургии по производству контактных колеи в обьединенип "Багне^ть" (г.Октябрьский, Баск'.тия), Управлении Уоало-Снбнрскнмн магистральными нефтепровода'.;;! (г.Уііа), заводе "Екгидвомаа" (г.Бердянск, Украина); с 191*9 года серийное изготовление износостойких контактних колон начато на заводе порошковой металлургии (г.Молодечно, Беларусь).
Уплотнения с резервным узлом задитн от выброса нефти в насосное помещение (а.с. if ПьоООЗ) проели понемочные испытания (март I9tBr.) и серийно изготавливаются с 19^7 года. Прошли комплексную апробацию торцовые уплотнения рабочих колес насосов магистральных нефтепроводов (а.с. )н І243-І46).
Основные положение, вкноекмне на ла:цит.у:
результаты экспериментальных и теоретических исследования, выявивших закономерности и связи конструктиЕнга параметров торце-еых уплотнении со свойствами уплотнадмоР. среды, величиной1 нагру-жения и скоростью скольжения на контакте пары трения;
результаты исследований утечки уплотняемой среди через тор-
7 иовиП зазор уплотнения, механизм герметизации узкой торпочап щель», ойосноаиэакциП влияние покерхиостно-ислекуляр-юго взаимодействия рабочих поверхностей контактных колец и .тид::ост:і на ео утечку и запирание и вдлн;
теоретическое обоснование создания износостойких композиционных материалов из размозерннетих порошке» карбидои кетлллон путем спекания и пропитки их исдеиодорг.а.'цичи многокомпонентными сплазами и результати исследовании антиірикнионних и износних свойств таких маїорналоь ь рабочих абразиі!Осодг;р~а;:;нх средах;
мсодика расчети л проектирования тор;:оьнх уплотнения валов моцних ионтробсяіих насосои магистральных нч{тепройояоа, эа-хлвчесцагся г определении оптимальной степени гидравлической разгрузки, эеличимч нагружония и размеров контактних колеи пар трения, виборе материален.
Апробация работы. Результати исследований, состаьликцие содержание диссертации докладывались на псесосотгс и международна со-педаниях и семинарах, ко^/грениига и іистааках, => той числе:
на ЬсесоизкоЛ научно-технической конкуренции по компрессорному мостостроению (г.Казань, октябрь, 1971г.);
на научно-технических коніергніпі/сс преподавателей и еотруд-никоь Уфимского не^тяюго института (г.У.^я, I97'd,... I960 г.г\),
ни суминиро Научного Сойота по трении И сказкам АН СССР "ИзйиоаталышЯ перенос пои трении и его эконсическая э4<5ектив~ кэсгь" (р.Нэскиа, 19/2 г.);
на семинаре "Пснмннепиа избирательного пеоеноса а узлах тоз-пия «ааин" о павильона "Стандарта СССР" В;51Х (г.Москва, май, 19/5 г.);
на Усе союзном каучно-тахническеч совещании "Уплотнения ротора і; uoHTDc6s-ni'jx насосов и хомпрессооов" (г.Стой, сентябрь, 1976 г.);
на расширенном заседании научно-методического созета и секции нефтяной и газовая прэ::лЕленности научно-технического совета Минвузе С'^С?» несведённого 60-летии ВеликоЛ Октябрьской социалнс-тмчасксЯ руаолвции (г.лосква, КИНлиГП им.И.К.Губкина» октябрь, 1977 г.);
"ч Всесоюзной конференции но динамика и прочности нефтепро-мыслоього оборудопания (г.Баку, октябрь, 1977 г.);
на рссп^СликанехсЯ нпучно-техническоЛ ко;>~-ерснцип "Повна методу пош^енил изпсссстоР.кссти узлов трения на основе кэбира -тельного переноса"(р.Николаев, февраль, 1970 г.);
па II йиесоаэисм ьиучне-тихнчческом соьедзьиа "Пути повышения надежности м унификации уплотнений рстороз центробежных насосов v- коїаірессорор" (г.Су», сентябрь, 1979 г.);
i;a li Уральской зональне.'! нг.учио-техн;ічгс.<о;і конференции "Лроірйссиаіоіо методы псропсэд-сЯ металлургия о мазинострсении" (г. Оренбург. Iv-50r.);
на заседании комиссии Государственного Комитета СССР по науке is технике по вкедрекив в производство гезульт&тоз научка-ис-следовательскнх работ, проведпьсих о высших /чгОк-тх завгденкгх (г.г.:ос!(г,а,алрель, 1920 г.);
па совместном заседант: секции ".Чаде:я«эсгъ г технике". ІПС Госстандарта CCJ? я Отдела иадиноегрзания Государственного Комитета СХР по де;:а;и изобретений и открытки (г.Москва, Леяраль. 1933 г.);
на оаседании коллегии Государственного Комитета СССР по науке и технике по обсуздзпиэ плана !5!Р "Попшекие срок;; сг/ж'ы, технического состояния и коэффициента полезного дейстьия оборудования, магии и приборов на основе последних достиланні; трибо -техники" на Ї9В5-І990 г.г. (г.Косква, декабрь, І93-* г.);
на ІУ Вл»ссяэнс»4 научно-техническом совещании п" уплотни -тельно.1 технике (г.Сумы, сентябрь, IS65 г.);
на международной научной кон{-еренцим нТр*нме, износ и смазочные материалы" Іг.Таакент. мая, ISS5 г.);
на ІїсесовзноЯ научно-практической конференции "Теория и практика соз^лния, испытания и оксплуатіции трийотехннческих систем" (г.Лндропов, 1905 г.};
на У Зсесссэнсм научио-тсхничоскоы совещании по уплотнитель-иой технике (г.Суми, сентябрь, 1923 г.);
на совещаниях и семичграх Главных «еханикоя и Главиьэс специалистов Глаитрпнсн<зти Министерства иефтянсЛ ирогдоздениосги 1972 ... 1332 г.г. и др.
Grutkuo и прсіслїленше образца экспонировались на ЦЦНХ СССР в павильоне "П&Іґгяная промышленность":
цгнтройечииЯ ипгистральшЯ насос, 1977 г.;
кольца пар траннл о твердосплавним контактоц к торцэвш уплотнениям врсщалдихся галоп, ЮТЗ г.;
торцовое уплотнение цэнтрс5е.тзз.'х !.;агистралыа/х насосов, IWI и 1976 р.г.;
и s ласильона "1!л^шостргенив"
- «одьца коитчктше с износостойкой рабочей поьерхностья,
1936 г.,
з. также на международно!! пигтавк^ "Наука, техника w экономика. Белорусской СС?" d Польской Неродной республике, 1936 р.
«втор работы, .:« достигнутые успехи в развитии-народного хозяйства CCJP, награжден Главным Ксмлтетсм СДЦ1Х СССР бронзове;*, серебряной и золотой медалями ДДОС.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 115
научи х работах, из которых: 15 иэооретений, книга, три научно-тематических обзора, 60 статей (одна ояублихогана за рубежом), 22 отчета по заверхешап: научно-исследовательским работам.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 9 основных разделов, основные выводов, списка литература из 170 нлмменоса; иЯ и прллокениЛ. СбциЯ объем работы -;02страницьі, включая 105 рисункол, 56 таблиц и приложения.
