Эксплуатация. Эксплуатация и ремонт машин и оборудования нефтяных и газовых пр. Лекция Особенности эксплуатации машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
Условия смазки трущихся поверхностей. 1. Смазка трущихся деталей – важнейший фактор, влияющий на долговечность маши- ны. При различных видах трения в зависимости от качества и количества смазки коэффициент трения сопряженных пар изменяется в сотни раз (от 0,001 до 0,25). Поэтому в каждом конкретном случае для уменьшения износа и трения надо применять смазки определенного сорта. Смазка должна обеспечивать в первую очередь уменьшение износа, а затем уже снижать силы трения. Для обеспечения стабильности свойств смазочных масел в них вводят соответствующие присадки - противоокислительные, противокоррозионные, моющие. На изнашиваемость деталей большое влияние оказывает наличие абразива, его физико-механические свойства и размер. Детали бурово- го и НП оборудования и инструмента выходят из строя в основном из-за абразивного износа, ино- гда усиленного усталостным и коррозионным разрушением. Установлена следующая взаимосвязь между износом стали и твердостью абразива. 1) Износ не зависит от разности твердостей абразива и стали, если твердость абразивных зе- рен значительно превышает твердость испытуемой стали. 2) Если твердость абразивных зерен ниже твердости стали, то износ зависит от разности твердостей и быстро уменьшается с увеличением этой разницы. Установлено, что с увеличением размера зерна абразива износ повышается лишь до опре- деленного критического размера зерна, а затем остается постоянным и уже не зависит от разме- ра зерна абразива. При защите узлов трения от проникновения абразивных частиц их износ по- нижается. Существуют следующие способы защиты от износа сопрягаемых деталей: 1) Минимальное закругление свободной кромки натирающего стыка. 2) Отсутствие тупого угла между плоскостями. 3) Уменьшение зазора между поверхностями трения, как следствие увеличения чистоты по- верхностей трения. 4) Создание ограждающей набивки в виде колец и прокладок. 5) Создание ограждающего козырька. 6) Отсасывание абразива. 7) Промывка или продувка трущихся поверхностей. 2. Начальный и предельный зазоры. При оценке работоспособности деталей их размеры и технические характеристики делятся на нормальные, допустимые и предельные. Нормальными называют размеры и другие технические характеристики детали, соответ- ствующие рабочим чертежам. Допустимыми называют параметры детали, отличающиеся от нормальных, но не снижаю- щие еѐ работоспособности. Предельными называются параметры, соответствующие предельному состоянию детали, при достижении которого дальнейшее еѐ использование в машине не допустимо. Допустимые размеры деталей определяют и назначают исходя из предельных, установле- ние которых представляет наибольшую сложность. Работоспособность оборудования и его дета- лей ограничивается величиной зазоров и натягов в сопряжениях, которые определяются при кон- струировании и осуществляются при его изготовлении и ремонте. 20 S max – установленный начальный зазор S пр – зазор в соединении после приработки S max доп – максимальный допустимый зазор. Физическая долговечность деталей определяется запасом зазора на износ, т.е. разностью между начальным зазором и максимально допустимым зазором. Предельным износом называется такая величина износа деталей, при которой дальнейшая работа сопряжения становится ненадежной и экономически нецелесообразной. Признаки предель- ного износа деталей могут быть сведены к следующим трем критериям: 1) Техническому (износ, недопустимый по соображениям прочности). 2) Технологическому (снижение качества работы). 3) Экономическому (снижение производительности, увеличение расхода топлива, убытки от простоев и т.д.). 3. Методы измерения износа. Наиболее распространенные методы измерения износа можно разделить на четыре группы: методы микрометража, методы искусственных баз, интегральные методы, методы радиоактивных индикаторов. Методы микрометража основаны на непосредственном измерении деталей до и после ра- боты, приборами для линейных измерений. Недостатком этих методов является затруднитель- ность непрерывного (в процессе эксплуатации) измерения износа. Методы микрометража трудо- емки и требуют значительного времени испытания, т.к. при малых значениях износа погрешности приборов часто соизмеримы с величиной износа. Методы искусственных баз заключаются в том, что на поверхности, износ которой иссле- дуется, наносятся углубления в виде пирамиды или дугообразной лунки. Ось углубления должна быть направлена нормально к поверхности износа. По уменьшению размеров периметра углубле- ния судят о величине износа. Углубление наносится вдавливанием алмазной четырехгранной пи- рамиды, которая применяется для измерения твердости. В практике наиболее широко применяется нанесение дугообразной лунки вращающимся резцом. Этот метод в несколько раз эффективнее предыдущего, т.к. точнее и требует меньшей продолжительности испытаний. Интегральными методами можно определить лишь суммарный износ детали по поверхно- сти трения. К этой группе относится взвешивание детали для фиксирования потери в весе. количе- ство изношенного металла можно установить по его содержанию в масле. Современные методы количественного анализа позволяют с высокой точностью определить очень малые количества ча- стиц износа в пробе масла. Этот метод широко применяется для исследования качества новых ма- сел. 21 Наиболее современными являются методы радиоактивных индикаторов. В принципе этот метод заключается в том, что в материал исследуемой детали вводится радиоактивный изо- топ. Вместе с продуктами износа в масло попадают атомы радиоактивного изотопа в количестве пропорциональном величине износа. По интенсивности его излучения в пробе судят о величине износа. Применяются различные методы активирования деталей: введение активированного изо- топа при плавке; нанесение радиоактивного электролитического покрытия; установка радиоактив- ных вставок; облучение нейтронами. Методы радиоактивных индикаторов очень чувствительны. Наиболее совершенным в этой группе является метод нейтронно-активационного анализа. 4. Химико-тепловые повреждения. К наиболее характерным разновидностям химико-тепловых повреждений относятся короб- ление, раковины и коррозия. Коробление деталей, как правило, является результатом воздействия высоких температур, приводящего к возникновению внутренних напряжений. Такие повреждения наблюдаются при нарушении теплового режима блоков ДВС, при неправильной технологии изготовления сварных конструкций, например, металлических оснований под буровое оборудование и т.п. Раковины являются результатом местных циклических воздействий высокой температуры на рабочие поверхности деталей, приводящих к точечному разрушению материала. Наиболее ха- рактерным примером такого разрушения служат раковины на уплотнительных поверхностях кла- панов ДВС. Коррозия поверхностей деталей происходит под действием химических и электрохимиче- ских реакций среды. Она характеризуется и отслаиванием поверхностных слоев детали. Буровое и нефтегазопромысловое оборудование эксплуатируется под открытым небом или в среде, содер- жащей различные химические соединения (сероводород), которые, вступая в реакцию с металлом детали, оказывают на неѐ вредное действие. Аналогично воздействуют на материал детали раз- личные кислоты, содержащиеся в смазочных маслах и топливе. Одним из примеров повреждения деталей бурового оборудования в результате коррозии может служить разрушение основных эле- ментов главной и вспомогательной опор ротора, колец и шаров. Явления коррозии начинаются с повреждения поверхности и постепенно распространяются вглубь металлических деталей машин как во время их эксплуатации, так и при хранении. наиболее распространенная коррозия – химическая, представляющая собой соединение металла с кислоро- дом воздуха. Известна коррозия, проявляющаяся в равномерном разрушении всей поверхности деталей, в образовании отдельных участков коррозии (местная) и в межкристаллическом разъеди- нении по всему сечению детали, в разрушении металла по границам его зерен (интеркристаллит- ная) и в разрушении одной или нескольких структурных составляющих металла (селективная). В результате коррозии в металлических деталях не только изменяется внешний вид, но так же снижаются механические свойства и меняются размеры деталей, что является главной опасно- стью. В качестве защиты от коррозии используют окраску (лаки, краски), применяют легирован- ние деталей (хром, никель, медь), покрытие специальными мастиками (битум, бакелит), создание защитной окисной пленки (оксидирование, анодирование), коррозиостойкого металлического слоя (цинкование, лужение, гальванические методы, металлизация) и применение коррозиостойких не- металлических материалов. 5. Методы повышения износостойкости деталей. Долговечность машины в значительной степени зависит от сроков службы еѐ деталей. наибольшие усилия детали машин в процессе работы воспринимают своими поверхностными слоями. Абразивный износ и коррозия начинаются с поверхности детали. Усталостное разрушение начинается с появления трещин в поверхностном слое детали, которые постепенно распространя- ются вглубь. При трении изнашиванию подвергаются так же поверхностные слои детали. Поэтому поверхностное упрочнение деталей широко применяется при изготовлении и ремонте бурового и НП оборудования. 22 6. Термические и химико-термические методы упрочнения деталей. Термическая обработка производится путем нагрева, выдержки и охлаждения деталей с це- лью получения необходимой структуры металла, которая влияет на его механические свойства, прочность, твердость, износостойкость и обрабатываемость. Термической обработке подвергаются железоуглеродистые сплавы и некоторые сплавы цветных металлов. В машиностроении широко распространена термическая обработка стали. ос- новными видами термической обработки являются: отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Отжиг заключается в нагреве детали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и затем последующем медленном охлаждении (2 0 - 3 0 С в 1 мин.) до температуры охлаждающего воздуха. Отжиг применяется для снижения твердости, повышения пластичности, снятия внутренних напряжений, устранения структурной неоднородности, улучшения обрабаты- ваемости и подготовке детали к последующей термической обработке. В зависимости от цели от- жиг производится при различных режимах. Различают отжиг полный, неполный, диффузионный, низкий и рекрилизационный. В ремонтном деле применяют полный и неполный отжиг – нагрев стали с содержанием углерода до 0,8 % до 750 0 -760 0 С, а с меньшим содержанием углерода до 930 0 -950 0 С с выдержкой при этих температурах и медленном охлаждении в печи. Неполный отжиг – нагрев стали с любым содержанием углерода до 750 0 -760 0 С. Снижается внутреннее напряжение и улучшается обрабатываемость поковок и проката. Нормализация – разновидность полного отжига, отличается тем, что охлаждение обрабаты- ваемой детали после выдержки в течении 5-6 ч при температуре нагрева производится на воздухе. Целью нормализации является улучшение микроструктуры металла, обрабатываемости, устране- ние наклепа после обработки резанием и подготовка к последующей термической обработке. нор- мализацией улучшают структуру металла после цементации, ковки и штамповки, сварки деталей. Закалка – нагрев детали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении в воде, масле, водных растворах солей и других жидкостях с последующим отпуском. Целью закалки является получение высокой твердости, износостойкости и прочности металла. Закалке подвергаются стали с содержанием углерода не менее 0,35 %. Температура нагрева зависит от марки стали и находится в пределах 770 0 - 850 0 С. Закаленные детали обладают высокой твердостью (НВ 500-600) и износостойкостью, но имеют низкую вязкость и пластич- ность. Для устранения этих дефектов применяют поверхностную закалку. Нагрев детали при по- верхностной закалке производится тремя способами: токами высокой частоты, газо-кислородным пламенем и в электролите. Отпуск – операция применяемая после закалки для снижения внутренних напряжений, хрупкости и твердости. При отпуске деталь нагревают до 150 0 -160 0 С, выдерживают при этой тем- пературе 1-2 часа и охлаждают в воде. Различают низкий, средний и высокий отпуски, они отли- чаются температурой нагрева 5.1 Химико-термическая обработка стали, вызывает изменение химического состава струк- туры и свойств поверхностного слоя деталей и является разновидностью поверхностной термиче- ской обработки. Изменение химического состава достигается путем проникновения в нагретую сталь из окружающей среды углерода, азота, алюминия, бора и т.д. различают следующие виды обработки : цементация, азотирование, цианирование, алитирование, барирование. 5.2 Упрочнение деталей армированием твердыми сплавами. Эффективным методом поверхностного упрочнения сталей является наплавка твердых сплавов. Они содержат карбиды хрома, ванадия, титана и др. металлов и характеризуются высокой твердостью, износостойкостью, прочностью и химической стойкостью. Твердые сплавы произво- дятся как порошкообразные, литые, электродные и металлокерамические. Порошкообразные – сталинит, вокар наносятся путем наплавки на поверхность. Ими наплавляют детали не требующие последующей механической обработки. Литые – стеллит, сормайт – прутки Ø 5-8 мм. Наплавляются с помощью газового или электродугового способа и применяются для деталей машин работающих на истирание. 23 Электродные – изготавливают в виде трубчатых электродов или металлических электро- дов с легирующими износоустойчивыми обмазками. Электроды наплавливаются эл.дуговым спо- собом. Металлокерамические сплавы обладают высокой твердостью и износостойкостью при температуре 700 0 - 800 0 С и применяются в основном для оснащения режущего инструмента. 5.3 Упрочнение деталей методом механического наклепа. Наличие на поверхности деталей неровностей приводит к концентрации напряжений и снижению усталостной прочности. Уменьшить это можно путем механического наклепа поверх- ности, создающего остаточные сжимающие напряжения и увеличивающего механические свой- ства поверхностного слоя. При этом твердость увеличивается в поверхностном слое на глубине 0,1-3 мм. Существует 2 способа механического наклепа: обкатка и друбьеструйное упрочнение. Обкатка – производится на токарных, сверлильных станках при помощи закаленных роли- ков и применяется после чистовой обработки. Дорбьеструйное упрочнение деталей производится при помощи воздействия потока дроби на поверхность детали в специальной камере. Механическому наклепу подвергаются валы, оси, пружины и др. детали для повышения усталостной прочности и долговечности. 5.4 упрочнение деталей методом гальванического покрытия. Гальваническое покрытие поверхностей основано на электролизе и применяется для повы- шения износостойкости и защиты от коррозии. В качестве электролита используется хромовый ангидрид или серная кислота, а в качестве анода, например – медь. Этот метод не нашел широко- го распространения при ремонтах бурового и НП оборудования. Литература: 1. Кузнецов «Обследование и ремонт бурового оборудования». 2. Авербух и др. «Ремонт и монтаж бурового и НП оборудования». 24 Эксплуатация и ремонт машин и оборудования НиГ промыслов. Лекция 6. Смазка и спецжидкости, применяемые при эксплуатации машин Наименьший износ трущихся пар наблюдается при жидкостном трении. Трения поверхно- стей, например, шейки (цапфы) вала и вкладыша подшипника предотвращает масляный клин, ко- торый образуется между ними при вращении вала. В этом случае изнашивание происходит в ре- зультате трения смазки о металлическую поверхность. Смазка уменьшает энергетические потери на трение и охлаждает трущиеся поверхности. Механизм изнашивания при этом обуславливается механическим разрушением окисной пленки, образующейся на поверхности трения. Интенсив- ность изнашивания в данном случае минимальная и поэтому всегда надо стремиться к созданию условий жидкостного трения, если это позволяют конструктивные особенности механизма. С точки зрения гидродинамической теории смазки процесс жидкостного трения состоит в следующем. В подшипнике скольжения пространство между цапфой вала и кольцом подшипника заполнено маслом, причем в состоянии покоя цапфа находится в нижнем положении (рис.а). Рис. 1. Положение вала в подшипнике: а – в покое; б – в процессе вращения; R – реакция опоры; е – эксцентриситет. При вращении вала смазка, приобретая определенную скорость, постепенно отжимает цапфу по ходу вращения влево и подклиниваясь под неѐ, приподнимает цапфу. В результате цап- фа будет постепенно смещаться влево и вверх, как бы выплывать. Ось цапфы при этом будет пе- ремещаться по траектории, близкой к полуокружности и при n= ∞ совпадет с осью подшипника. гидродинамическое давление смазки, развивающиеся вследствие движения в пространстве между цапфой и подшипником, уравновешивает внешнее давление на цапфу поскольку площади попе- речных сечений этого пространства различны в радиальном направлении, щель приобретает фор- му клина. При движении смазки отдельные еѐ слои перемещаются с различными скоростями по отношению друг к другу, поэтому возникает жидкостное трение. Закон жидкостного трения мож- но представить следующей формулой: dh d Q F где F- сопротивление трения, Н - абсолютная вязкость, Па с Q – площадь трущихся поверхностей, м 2 - относительная скорость скольжения, м/с h – толщина слоя смазки, м 25 На основании этого закона и ряда экспериментов получена формула, устанавливающая условия, при которых обеспечивается всплытие цапфы: l d SP nd h 1 36 18 2 min где h min – толщина слоя масла в самом тонком месте, мм n – частота вращения вала, об/мин d – диаметр цапфы, мм l –длина цапфы, мм S – наибольший зазор в состоянии покоя, мм P – удельная нагрузка на вал, Па При увеличении значений µ и n цапфа всплывает. Это подтверждается тем, что жидкост- ное трение надежно обеспечивается в скоростных машинах (турбины, быстроходные станки). Для нормальной работы деталей, как это следует из формулы, главное значение имеют ве- личина первоначального зазора и качество смазки. Осуществить постоянство условий для обеспе- чения жидкостного трения невозможно, т.к. при запуске машины цапфа переходит из нижнего по- ложения в верхнее при полужидкостном трении, что приводит к изнашиванию сопряженной пары. Такое положение возникает при изменениях режима работы машины и особенно при еѐ перегруз- ке, когда снижается скорость вращения n и увеличивается нагрузка P. |