Содержание к диссертации
Введение
1 Постановка задачи исследования 6
1.1 Конструктивные особенности электрических центробежных насосов как трибологической системы 6
1.2 Условия работы пар трения ЭЦН 13
1.3 Основные виды отказов и методы повышения износостойкости 20
1.4 Обзор расчетных и экспериментальных методов для определения износа радиальных пар трения 24
1.5 Постановка цели и задач исследований ..31
2 Разработка расчетного модуля для моделирования процесса изнашивания радиальных пар трения 33
2.1 Методика моделирования изнашивания радиальной пары трения в программном комплексе «Эйлер» 34
2.2 Реализация методики расчета силового взаимодействия и износа втулки и вала в программном комплексе «Эйлер» : 46
2.2.1 Описание силового элемента «вал-втулка» с расчетом износа 46
2.2.2 Описание шаблона геометрических параметров силового элемента «вал-втулка» с расчетом износа 49
2.2.3 Описание шаблона материалов пары трения силового элемента «вал-втулка» с расчетом износа 50
2.2.4 Описание команда «Расчет износа» 51
2.3 Моделирование изнашивания насосной секции ЭЦН 5-60 в программном комплексе «Эйлер» 51
2.4 Результаты расчета кинетики износа в радиальной паре трения ЭЦН 57
2.5 Результаты расчета износа в радиальных парах трения ЭЦН по длине насоса 60
2.6 Выводы к главе №2 63
3 Исследование трибологических свойств материалов для радиальных пар трения 65
3.1 Разработка экспериментального оборудования на трение и износ материалов для ЭЦН 65
3.2 Разработка универсальной системы сбора данных 67
3.2.1 Разработка подпрограмм для расчета коэффициента трения 69
3.2.2 Разработка подпрограммы для расчета процента контакта 71
3.2.3 Разработка подпрограммы для расчета температуры 72
3.3 Разработка системы сбора данных для испытаний радиальных пар трения на машине трения СМТ-1 72
3.4 Разработка методики испытаний радиальных пар трения 76
3.5 Результаты испытаний материалов для радиальных пар трения и износостойких подшипников 79
3.5.1 Исследования трибологических свойств чугунов 79
3.5.2 Исследования трибологических свойств твердых сплавов 81
3.5.2.1 Исследования трибологических свойств спеченных твердых сплавов WC-Co,WC-Ni 82
3.5.2.2 Разработка технологии детонационных наноструктурированных покрытий на основе карбида вольфрама для промежуточных подшипников ЭЦН 84
3.5.2.3 Исследование твердого сплава WC-Co, модифицированного наноструктурированным порошком WC 90
3.5.2.4 Исследование трибологических свойств наноструктурированного композиционного материала на основе диоксида циркония 95
3.5.2.5 Анализ экспериментальных данных испытаний чугунов и материалов промежуточных подшипников. Определение коэффициентов к и а 100
3.6 Выводы к главе №3 102
4 Прикладные разработки 103
4.1 Разработка высокоизносостойкого насоса ЭЦН 400-950 103
4.2 Оценка экономической эффективности применения радиально-осевого подшипника 106
4.3 Выводы к главе №4 108
Основные выводы и результаты 109
Литература
- Основные виды отказов и методы повышения износостойкости
- Описание шаблона материалов пары трения силового элемента «вал-втулка» с расчетом износа
- Разработка подпрограмм для расчета коэффициента трения
- Исследование твердого сплава WC-Co, модифицированного наноструктурированным порошком WC
Основные виды отказов и методы повышения износостойкости
При эксплуатации ЭЦН смазочной средой для пар трения; служит пластовая жидкость, которая содержит помимо; нефти воду, различные примеси, продукты солеотложений и: газ. Наибольшее влияние на процесс изнашивания деталей оказывают твердые частицы различной природы: продукты разрушения скелета нефтеносного пласта, продукты коррозионных процессов в насосе, частицы износа деталей насоса. Для оценки; загрязнения пластовой жидкости твердыми частицами используют понятие массовой доли механических примесей; которая: в зависимости от свойств месторождения, условий проведения, гидроразрыва пласта, достигает значений 0;5 г/л и выше. Но данным ОАО «ТНК-ВР» на месторождениях компании основными компонентами мехпримесей являются: кварц, плагиоклаз,, гидроокислы железа; обломки пород, мусковит и биотит, углистое вещество, карбонат.
Кварц - природный материал, присутствует в пластовой жидкости в виде окатанных обломочных зерен неправильной и изометричной формы. В зависимости от месторождения кварц может иметь различный гранулометрический состав. Пробы, взятые на скважинах пластов АВ-1, БВ-5, показали, что в мехпримесях с преимущественным содержанием кварца, преобладающей является фракция с размером зерна 0,1...0,25 мм. Такая же фракция характерна для мехпримесей с преобладающим содержанием кварца на Ван-Еганском месторождении (пласт ПК-20). На этом же месторождении, на пластах ПК 1-2, ПК-14, замечено, что в некоторых скважинах преобладающей является фракция с размером зерна 0,01.. .0,025 мм.
Углистое вещество Рисунок 1.5 - Гранулометрический и минералогический состав мехпримесей скважины №50735 пласт АВ1-3 (по данным ОАО «ТНК-ВР»)
В работе [32] отмечается, что состав мехпримесей Самотлорского месторождения на 2/3 представлен песком с преобладающей (80%) фракцией - 0,01...0,08 мм. Исследование гранулометрического состава проб механических примесей этого же месторождения, проведенные Кудрявцевым А.А. [135] показывают, что основная их часть имеет размер зерен
Плагиоклаз представляет собой породообразующий минерал, входящий в группу алюмосиликатов. В некоторых скважинах Западной Сибири его содержание достигает 40%, при этом его присутствие не оказывает значимого влияния на гранулометрический состав мехпримесей. Карбонат - группа широко распространённых минералов солей угольной кислоты Н2С03. Одной из самых распространенных форм карбоната, содержащейся в мехпримесях является кальцит, т.е. карбонат кальция, который образуется в результате солеотложений на поверхностях рабочих ступеней ЭЦН. Наибольшей твердостью и соответственно режущим воздействием на поверхности трения обладает кварц, таблица 1.5.
Применение гидроразрыва для интенсификации добычи нефти может сопровождаться наличием в пластовой жидкости частиц проппанта, представляющего собой абразив высокой твердости [42,43]. Для приготовления проппантов используются природные пески, керамические материалы, обрезиненные пески и обрезиненные керамические материалы [44], рисунок 1.6.
Анализ размерности частиц проппанта, рисунок 1.7, показывает, что основная масса частиц представляет собой гранулы размером 0,42...0,84 мм. В процессе эксплуатации под действием давления пласта гранулы проппанта разрушаются и раскалываются на большое количество мелких осколков.
Частицы кварца, проппанта, имеющие более высокую твердость, чем материал НС, при попадании в зазор радиальной пары трения вызывают абразивное изнашивание сопряженных поверхностей. В зависимости от соотношения микротвердостей материала и абразива возможны различные механизмы разрушения поверхности [45,46]. При попадании кварца в зону трения радиальной пары трения насосной ступени из нирезиста, серого чугуна или порошковой стали происходит микрорезание поверхности материала и его интенсивное изнашивание. У высокотвердых материалов (твердый сплав, керамика) возможен механизм усталостного разрушения рабочей поверхности.
Разрушающее действие твердых частиц на материал деталей, таким образом, зависит от их твердости, размера, формы [45,46], соотношения размера частиц и зазора в паре трения. Анализ фракционного состава твердых частиц и их свойств показывает, что наибольшими абразивными свойствами обладают кварц и проппант. В этом смысле наиболее корректным термином для оценки степени разрушающей способности механических примесей является «процент содержания абразивных частиц». Размер абразивных частиц изменяется в пределах 0,01...0,84 мм.
На работоспособность пар трения скольжения оказывает влияние реологические свойства смазочной среды [1-3]. Пластовая жидкость, являющаяся смазкой, по фазовому составу состоит из нефти и воды и представляет собой водонефтяную эмульсию. Причем их соотношение изменяется в широких пределах: от практически чистой нефти до 99% воды. Пластовая жидкость с содержанием воды 40-80% обладает повышенной вязкостью по сравнению с чистой нефтью и характеризуется высокой стойкостью к разрушению.
Рисунок 1.8- Зависимость вязкости от процентного содержания воды в нефти [11] (1 смешиваемые жидкости: пресная вода и нефть Д1 Шкаповского месторождения, 2 пресная вода и нефть Арланского месторождения)
Особенности образования и свойства водонефтяных эмульсий достаточно подробно описаны в работах [49, 11, 13], где приведены также формулы для расчета вязкости эмульсий. На рисунке 1.8 представлена зависимость вязкости эмульсии от процентного содержания воды в нефти при Т=295-298С, образующейся при прохождении этой смеси через 5 ступеней насоса ЭЦН-6-160 [11].
Описание шаблона материалов пары трения силового элемента «вал-втулка» с расчетом износа
Послеэксплуатационный анализ ЭЦН в компаниях ОАО «ТНК-ВР Холдинг», «Сургутнефтегаз» показывает, что наиболее часто встречающимся видом повреждения деталей является износ. Изнашиванию подвержены все типы пар трения насосной ступени, рисунок 1.10(а,б), подшипников скольжения, рисунок 1.10(в,г). Износ радиальных пар трения ЭЦН может достигать нескольких миллиметров. При значительном износе ступиц РК происходит износ периферии дисков, рисунок 1.10(a), и ответных поверхностей НА, рисунок 1.10(6). В дальнейшем может изнашиваться вал, рисунок 1.10(д).
Результаты, полученные Н.И. Смирновым по исследованию влияния износа пар трения насосных секций на их эксплуатационные характеристики, показали, что наблюдается определенная корреляция между износом радиальных пар трения и вибрацией установки. Вызванные износом динамические процессы могут привести к отказу функционирования установки по критерию усталостной прочности корпусных деталей [57,60], рисунок 1.10(ж), либо разрушению вала, рисунок 1.10(e). Разбор ЭЦН после испытаний секций на ресурс показал, что распределение износа радиальных пар трения по длине носит нетривиальный характер, рисунок 1.11. При величине износа концевого подшипника 4,5 мм значение виброскорости в соответствующей точке на корпусе достигает 70 мм/с. Причем максимально допустимая величина у нового насоса - 4 мм/с.
Таким образом, износ радиальных пар трения самым существенно влияет на вибрационную характеристику ЭЦН и условия возникновения отказа функционирования по критерию прочности.
Виброскорость насосной секции в начальный и конечный моменты времени и износ радиальных опор рабочих ступеней после испытаний на износ (точки - значения износа радиальных пар трения, кривая t - вибрация корпуса в начальный момент времени, tl — через 6 ч 28 мин) При использовании промежуточных износостойких подшипников также наблюдается их износ, рисунок 1.10 (в), и хрупкое разрушение подшипников, рисунок 1.10(г). Использование высокотвердых материалов на основе керамики приводит к тому, что внутренняя втулка подшипника разрушается по шпонпазу. При этом может произойти заклинивание вала и его разрушение, рисунок 1.10(e), что также относится к отказу функционирования установки.
В работах [57-61,129,130] отмечено, что износ пар трения насосных ступеней влияет также на выходные характеристики насоса: напор, дебит, к.п.д. Кинетика давления на выходе насоса в процессе испытаний насосной секции на изнашивание, полученная тем же автором, рисунок 1.12, показывает снижение давления в зависимости от увеличения зазоров в насосных ступенях. Уменьшение давления или дебита установки ниже определенного уровня приводит к параметрическому отказу установки. 510
Кроме снижения наработки на отказ износ насосных ступеней приводит к большим материальным издержкам при их ремонте или замене на новые, что повышает стоимость эксплуатации оборудования. Поэтому для повышения износостойкости деталей ЭЦН применяют ряд конструкторско-технологических методов.
Известны методы повышения износостойкости радиальных пар трения путем применения износостойких радиальных подшипников скольжения, устанавливаемых через определенное расстояние [134].
Применяется комбинированный метод повышения износостойкости и радиальных и осевых пар трения [34, 35] за счет использования радиальных и осевых износостойких подшипников скольжения из керамических материалов - «пакетная» сборка. Одним из методов повышения износостойкости ЭЦН является метод «компрессионной» сборки PC [33], при котором сборка насосных ступеней осуществляется таким образом, что рабочие колеса опираются ступицами друг на друга без зазоров, рисунок 1.4(6), и все вместе на гидродинамический подшипник в гидрозащите. За счет применения этих и других методов, в том числе различных
Как показал анализ отказов ЭЦН износ радиальных пар трения значительно влияет на динамику системы. Расчет динамики ЭЦН с учетом изнашивания радиальных пар трения остается актуальной задачей до настоящего времени. В работах А.А. Богданова, посвященных ЭЦН, описывается лишь сложность задачи точного расчета формы изгиба вала и вопрос влияния износа на динамику насоса остается неисследованным [10]. Наиболее проработана методика расчета динамики ЭЦН с учетом изнашивания методом конечных элементов в работах Смирнова Н.И. [57-61 129,130], где показано, что изнашивание радиальных сопряжений в процессе эксплуатации приводит к увеличению динамики насоса до критического уровня, при котором наступает отказ функционирования. Использование существующих программных комплексов на основе метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния корпусных деталей ЭЦН с учетом износа связано с решением контактной задачи в парах трения. Нелинейный характер контактных задач, а также большое количество пар трения усложняют процесс решения. В работах Смирнова Н.И. и др. при определении НДС фланцево - болтового соединения ЭЦН износ в подшипниках задавали с помощью изменяющейся во времени величины зазора. В действительности предельный износ радиальной пары трения может достигать существенно больших величин, рисунок 1.10(д). Вращение вала в этом случае происходит с размыканием контакта в парах трения и с большими прогибами, что затрудняет использование МКЭ. Для более точного расчета динамики насоса с учетом износа необходимо проводить расчет износа радиальной пары трения в процессе работы. Существуют несколько подходов к расчету радиальных пар трения на износ.
Наиболее близкими к ЭЦН по объекту исследования расчетами износа занимались Дроздов Ю.Н., Мудряк В.И. [27-29, 70]. В работах [27-29] основное внимание уделяется повышению трибологической надежности подшипников скольжения центробежных насосов для перекачки воды (ЭЦВ). Авторами разработаны научные основы обеспечения надежности подшипника скольжения, разработана методика испытаний материалов для подшипников, на основании которой сделаны выводы о применимости в подшипниках скольжения тех или иных материалов. В работах не рассматривается система насосного агрегата в целом, нет анализа влияния износа подшипников на ее динамику и рабочие характеристики.
Разработка подпрограмм для расчета коэффициента трения
Послеэксплуатационный анализ ЭЦН показал, что радиальные пары трения в насосе имеют сложную форму износа, зависящую от формы движения вала. В таких условиях решение задачи расчета износа получено с помощью построения профиля контактирующих поверхностей в векторной форме. Реализованная с помощью программного комплекса «Эйлер» методика расчета износа радиальных пар трения позволяет получить результат при различных формах движения вала, соответственно при разных формах износа вала и втулки. Для решения задачи использовали зависимость интенсивности изнашивания материалов от давления и скорости (2.16), эмпирические коэффициенты в которой необходимо получать экспериментально.
Расчеты в программном комплексе «Эйлер» износа ЭЦН, как системы радиальных пар трения, показали хорошую корреляцию с экспериментальными данными. Результаты расчетов показали, что износ радиальных пар трения неоднороден по окружности, что объясняется прецессионной формой движения вала насоса и подтверждается экспериментальными данными.
С помощью разработанной модели проведен расчет изнашивания насоса с износостойкими подшипниками, применение которых, как показали расчеты, снижает износ ЭЦН и уровень вибрации корпуса. 3 Исследование трибологических свойств материалов для радиальных пар трения
Целью главы является исследование трибологических свойств материалов насосных ступеней и износостойких подшипников ЭЦН. Для этого необходимо разработать методику испытаний, позволяющую проводить опыты на трение и износ материалов значительно отличающихся друг от друга по твердости.
Разработка экспериментального оборудования на трение и износ материалов для ЭЦН Для испытаний на трение и износ образцов типа «вал-втулка» существует ряд испытательных стендов и методик. Их подробный обзор приведен в работе [73]. Основными недостатками существующего оборудования являются то, что оно не адаптировано под эксплуатационные условия ЭЦН, имеет устаревшие системы сбора и обработки данных. Поэтому для проведения необходимых исследований на трение и износ была модернизирована машина трения 2070 СМТ-1 по следующим направлениям.
Предварительные испытания на машине трения 2070 СМТ-1 по кинематической схеме «вал - втулка» обнаружено, что при использовании стандартной системы нагружения образцов наблюдается «краевой эффект». Неточность изготовления образцов, жесткая связь наружного образца со штоком, момент, возникающий от силы трения, приводят к смещению наружного образца при приложении нагрузки, рисунок 3.1(6), что ведет к изменению эпюры контактных давлений. УТТТЩ
Для устранения этого недостаток стандартного нагружающего устройства применяется шарнирное крепление обоймы с наружным образцом к штоку, рисунок 3.2. В этом устройстве наружный образец 8 закреплен в обойме 6, нагрузка на которую передается через две проушины от вилки 5. Шток 1, жестко связанный с вилкой 5, перемещается в вертикальной плоскости в двух керамических подшипниках скольжения 6. Подшипники не дают штоку перемещаться в горизонтальной плоскости под действием момента от силы трения электрически изолируют нагруженный образец от корпуса. При проведении экспериментов с разработанной системой нагружения при больших нагрузках возникает задир посередине площадки контакта в соответствии с эпюрой контактных давлений. Конструкция разработанного нагружающего устройства защищена патентом РФ (патент РФ № 2356026).
Взамен морально и технически устаревшего блока управления двигателем постоянного тока был установлен привод постоянного тока Lynx 16 производства компании Control Techniques.
На основе анализа основных кинематических схем, применяемых при трибологических испытаниях, а также регистрируемых параметров был предложен системный подход к решению вопроса автоматизированного сбора данных при трибологических испытаниях. В среде графического программирования LabVIEW [80-84] разработаны подпрограммы (виртуальные приборы), для измерения трибологических параметров в зависимости от схемы движения, геометрии контакта и типа измерительного датчика, таблица 3.1.
Кинематические схемы разбиты по типу регистрируемого сигнала. Например, при испытаниях по схемам «вал - втулка», «вал - колодка», «палец - вал» измерение коэффициента трения осуществляется с помощью регистрации момента сопротивления вращающегося вала, следовательно, необходимо разработать единую программу для сбора и обработки сигнала. Для каждой кинематической схемы разработаны подпрограммы, называемые в Lab VIEW «виртуальными приборами».
Исследование твердого сплава WC-Co, модифицированного наноструктурированным порошком WC
Исследуемые твердые сплавы имеют гетерогенные структуры, состоящие из высокотвердого карбида вольфрама и связующей фазы, в качестве которой используют кобальт или никель [105]. Поскольку параметры, влияющие на процесс изнашивания твердого сплава, такие как содержание кобальта, твердость, коэффициент интенсивности напряжений Кіс, размер зерна WC, соотношение твердости абразива и твердости материала, условия работы могут сильно различаться, то механизм изнашивания твердых сплавов может быть разным. Считают, что при абразивном изнашивании обычных твердых сплавов действуют следующие механизмы:
Пластическое пропахивание [95,96]. Авторами работы [95] после испытаний с абразивом было замечено, что у твердых сплавов с большим содержанием кобальта и относительно невысокой твердостью (HV3o-860, содержание кобальта 24%) на поверхности трения после испытаний видны следы пропахивания.
Изнашивание многих твердых сплавов системы WC-Co происходит в 2 этапа: выдавливание кобальтовой связки под действием циклических касательных усилий со стороны абразива и последующее растрескивание и отделение частиц карбида вольфрама. Растрескивание и последующее выкрашивание WC [95, 96, 93, 89]. Одним из механизмов изнашивания твердых сплавов при абразивном воздействии является растрескивание. При испытаниях твердых сплавов с абразивом (алмаз, оксид алюминия) на поверхности трения появляются следы растрескивания. Зарождение и распространение трещины в материале может происходить по нескольким механизмам: по границе зерна WC или по самому зерну. Иногда отмечают сетку подповерхностных трещин (трещины Палмквиста) [96], которые приводят к отколу блоков частиц карбида вольфрама.
Одним из перспективных направлений развития твердых сплавов является разработка наноструктурированного твердого сплава [88] и покрытий на его основе. Размер зерна структурной составляющей твердого сплава влияет на его трибологические свойства и входит во многие критерии, определяющие износостойкость материала. В работе [89] авторами обнаружено, что износостойкость возрастает с уменьшением зерна WC и выявлена зависимость износостойкости твердых сплавов в условиях в себя коэффициент интенсивности напряжений Кіс, твердость Н и размер зерна карбида вольфрама Dwc. Испытания проводились по кинематической схеме «палец-диск» при нагрузке ЮН, в качестве абразива использовался алмаз. В работах [90, 91] приводятся результаты испытаний твердых сплавов системы WC-Co, из которых также видно повышение износостойкости с уменьшением зерна карбида вольфрама. Испытания проводились по кинематической схеме «диск - плоскость» в условиях абразивного изнашивания. Однако, не во всех работах, посвященных исследованию твердых сплавов, отмечается однозначное повышение износостойкости с уменьшением зерна WC. В работе [92] авторы приводят результаты трибологических испытаний твердых сплавов со средним размером зерна карбида вольфрама от одного до семи микрон, из которых видно увеличение объемной интенсивности изнашивания с уменьшением размера зерна WC. Стоит отметить одну из особенностей условий проведения испытаний — малый размер используемого абразива (1...10 мкм). В работах [93, 94] авторы обнаружили повышенную износостойкость наноструктурированных сплава системы WC — Со. Авторы отмечают, что при испытаниях в одинаковых условиях (в качестве абразива использовался ZrC ) механизм изнашивания наноструктурированного твердого сплава с размером зерна D=70 нм отличается от механизма разрушения поверхности мелкозернистого материала с размером зерна карбида вольфрама D=l,2 мкм. На поверхности трения наноструктурированного твердого сплава наблюдаются продукты износа в форме чешуек. Процесс разрушения включает в себя развитие трещины в подповерхностной зоне, вызванное силами трения, и удаление частицы материала. В аналогичных условиях изнашивание твердого сплава с мелкозернистой структурой сопровождается выдавливаем связующей фазы с последующим выкрашивание зерна WC. Уменьшение зерна WC ведет к увеличению твердости и снижению трещиностойкости, рисунок 3.17. Влияние размера зерна монокарбида на механические свойства спеченных твердых сплавов, определенное на основе анализа литературных источников, описано автором в работе [87].
Наноструктурированный карбид вольфрама также используется для нанесения износостойких покрытий. Среди технологий нанесения покрытий на основе WC наибольшее распространение получили плазменная технология (APS, VPS), высокоскоростные технологии (HVOF, HVAF), детонационная технология (DS), холодное напыление (cold-spray), газопламенное напыление (flame spray), электроискровое напыление. Одной из проблем при напылении является высокая степень разложения монокарбида в процессе напыления. Свойства покрытий сильно зависят от технологии, поэтому разработке технологии нанесения наноструктурированного покрытия WC-Co было уделено много времени.
Результаты отработки режимов напыления с использованием детонационной технологии представлены автором в работе [111]. Выбор в пользу детонационной технологии сделан автором после анализа способов нанесения наноструктурированных покрытий WC-Co и их свойств. Анализ литературных источников [112 - 125] показал, что при использовании наноструктурированного карбида вольфрама при напылении твердость получаемого покрытия существенно увеличивается.
Для газотермического напыления наноструктурированного покрытия на основе WC-Co использовали порошок марки Mechanomade 301 фирмы M.B.N. S.r.l. (Италия) с содержанием кобальта 12%. Размер зерна WC в порошке составляет 17 нм, размер гранул порошка 10-53 мкм, рисунок 3.20(a). В качестве материала для сравнения использовали покрытие, напыленное тем же способом из микропорошка Amdry 9831 фирмы Sulzer Metco, содержащего 17% кобальта (Dwc =1...3 мкм). На рисунке 3.20(б,в) представлены результаты исследований микроструктуры покрытий на оптическом микроскопе. Напыление проводилось с использованием детонационной установки АДУ «Обь» Хаминцевым Б.Г.
