Повышение ресурса разъемных конических сопряжений в гидравлической части промысловых поршневых и плунжерных насосов нанесением полимерного покрытия на одну из соприкасающихся поверхностей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.07, кандидат технических наук Нур Ахмад

• Нур Ахмад
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нур Ахмад

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ основных причин и видов разрушения неподвижных разъемных конических сопряжений, выполняющих функции контактных уплотнений в гидравлической части промысловых поршневых и плунжерных насосов

1.2. Пути повышения безотказности неподвижных разъемных конических сопряжений в гидравлической части насосов и обоснование преимуществ конических сопряжений с полимерным покрытием на одной из соприкасающихся поверхностей

1.3. Основные требования, предъявляемые к неподвижным разъемным коническим сопряжениям с полимерным покрытием в гидравлической части промысловых поршневых и плунжерных насосов. Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ НЕПОДВИЖНЫХ РАЗЪЕМНЫХ КОНИЧЕСКИХ СОПРЯЖЕНИЙ С ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА ОДНОЙ ИЗ СОПРИКАСАЮЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ В ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ПРОМЫСЛОВЫХ ПОРШНЕВЫХ И ПЛУНЖЕРНЫХ НАСОСОВ

2.1. Предварительный выбор образцов и материалов покрытий для

лабораторных исследований

2.2. Методика исследования влияния конструкционных и эксплуатационных факторов на усилие выпрессовки охватываемого элемента конического сопряжения с полимерным покрытием после циклического нагружения

2.3. Методика исследования влияния конструкционных и эксплуатационных факторов на осевое смещение охватываемого элемента конического сопряжения с покрытием при циклическом нагружении

2.4. Методика исследования влияния силы трения в коническом сопряжении, подвергающемся циклическому нагружению, на осевое смещение и усилие выпрессовки охватываемого элемента с покрытием

2.5. Методика определения необходимого числа опытов и планирования эксперимента

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА УСИЛИЕ ВЫПРЕССОВКИ ОХВАТЫВАЕМОГО ЭЛЕМЕНТА КОНИЧЕСКОГО СОПРЯЖЕНИЯ С ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ ПОСЛЕ ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ

3.1. Влияние числа циклов нагружения конического сопряжения и максимального контактного давления на усилие выпрессовки охватываемого элемента с покрытием

3.2. Влияние толщины покрытия и температуры модельной эксплуатационной среды на усилие выпрессовки охватываемого элемента конического сопряжения с покрытием

3.3. Влияние силы трения и угла конуса в сопряжении на усилие выпрессовки охватываемого элемента с покрытием

3.4. Выводы по главе

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ОСЕВОЕ СМЕЩЕНИЕ ОХВАТЫВАЕМОГО ЭЛЕМЕНТА КОНИЧЕСКОГО СОПРЯЖЕНИЯ С ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ

НАГРУЖЕНИИ

4.1. Влияние числа циклов нагружения конического сопряжения и максимального контактного давления на осевое смещение охватываемого элемента с покрытием

4.2. Влияние толщины покрытия и температуры модельной водной среды на осевое смещение охватываемого элемента конического сопряжения с покрытием

4.3. Выводы по главе

г

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА МАКСИМАЛЬНОГО УСИЛИЯ ВЫПРЕССОВКИ И ОСЕВОГО СМЕЩЕНИЯ ОХВАТЫВАЕМОГО ЭЛЕМЕНТА С ПОКРЫТИЕМ В КОНИЧЕСКОМ СОПРЯЖЕНИИ, ПОДВЕРГАЮЩЕМСЯ ЦИКЛИЧЕСКОМУ НАГРУЖЕНИЮ

5.1. Разработка математических моделей осевого смещения и сопротивления выпрессовке охватываемого элемента с полимерным покрытием в коническом сопряжении, подвергающемся циклическому нагружению

5.2. Проверка адекватности предложенных математических моделей и разработка методики определения численных значений параметров, входящих в математические модели

ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА.. ПРИЛОЖЕНИЯ

132 135

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение ресурса разъемных конических сопряжений в гидравлической части промысловых поршневых и плунжерных насосов нанесением полимерного покрытия на одну из соприкасающихся поверхностей»

ВВЕДЕНИЕ

Дальнейшее развитие нефтегазовой промышленности в значительной мере связано с совершенствованием оборудования, применяемого для бурения скважин, добычи, транспортировки и хранения нефти и газа, повышением его долговечности и эффективности работы. В связи с этим повышение качества машин, их надежности приобретает все большее значение.

Поршневые и плунжерные насосы являются одним из ответственных элементов этого оборудования. Повышенная агрессивность перекачиваемой жидкости в сочетании с высокими статическими и циклическими нагрузками обусловливают возникновение и развитие различных процессов коррозионно-механического разрушения металла, являющихся одной из основных причин частых отказов элементов гидравлической части поршневых и плунжерных насосов.

Кроме разрушения быстроизнашивающихся деталей, например, тарели, седла клапана и поршня, частая замена которых предусмотрена техническими условиями на эксплуатацию насоса, интенсивному разрушению, вызывающему отказы, подвержены наиболее металлоемкие и дорогостоящие элементы насоса - гидравлическая коробка, шток и др.

В общем потоке отказов, вызванных нарушением работоспособности гидравлической части поршневых и плунжерных насосов, достаточно большое число отказов связано с потерей плотности стыка в разъемных неподвижных конических сопряжениях гнезда с седлом клапана и поршня со штоком, т.е. в конических сопряжениях, выполняющих функции контактного уплотнения.

Характерной причиной разгерметизации стыка соприкасающихся поверхностей в коническом сопряжении гнезда с седлом клапана и поршня со штоком является фреттинг-коррозия.

Фреттинг-коррозия - это особый вид повреждения сопряженных металлических поверхностей деталей в коррозионно-активных средах, который возникает в местах их контакта под циклической нагрузкой при наличии весьма малого взаимного перемещения.

На конических поверхностях сопряжения, выполняющего функцию контактного уплотнения, в результате фреттинг-коррозии образуются отдельные раковины, изменяются форма и размеры этих поверхностей, что приводит к нарушению герметичности сопряжения и, как следствие этого, к нарушению работоспособности насоса.

Следствием фреттинг-коррозии является также значительный рост усилий выпрессовки поршня со штока и седел из гнезд гидрокоробки. В результате этого, иногда приходится вырезать седло из гнезда и разрезать поршень на штоке с помощью газового резака, что нередко приводит к повреждению поверхности штока и гнезда гидравлической коробки.

Учитывая сложность изготовления, высокую стоимость и значительную металлоемкость гидрокоробок и штоков поршневых и плунжерных насосов, важной задачей является изыскание эффективных способов повышения безотказности и долговечности неподвижных конических сопряжений, выполняющих функции контактных уплотнений в гидравлической части поршневых и плунжерных насосов.

Заключение диссертации по теме «Машины и агрегаты нефтяной и газовой промышленности», Нур Ахмад

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что зависимости усилия выпрессовки (С)выпр ) и осевого смещения (А) одного из элементов конического сопряжения с полимерным покрытием относительно другого от числа циклов нагружения (И) и величины максимального контактного давления (Р) имеют три характерных стадии изменения, соответствующие определенным интервалам изменения N и Р. При увеличении N и Р до определенного уровня в пределах первой стадии С)вьшр и А возрастают с большой скоростью, что объясняется развитием наряду с упругой, значительной по величине вынужденноэластической деформацией материала покрытия, приводящей к интенсивному заполнению полимерным материалом свободного объема между соприкасающимися поверхностями сопряжения.

В пределах второй стадии скорость возрастания С)выпр и А с увеличением N и Р существенно снижается в связи с достаточно полным заполнением полимером макро- и микрозазоров в коническом сопряжении. При более высоких значениях N и Р величина С)вьшр стабилизируется, что обусловливает стабилизацию фактической площади контакта, а А изменяется незначительно вследствие очень малой деформации полимерного материала на установившейся стадии ползучести. Наибольшие предельные значения N и Р соответствующие первой и второй стадиям зависят от модуля упругости и толщины материала покрытия.

2. Показано, что увеличение толщины полимерного покрытия (8) в коническом сопряжении до определенного значения вызывает повышение С>выпр и А. Зависимости СЬыпр. =/(8) и А = ф(8) имеют три характерные стадии изменения. На первой стадии, соответствующей малым толщинам полимерного покрытия, скорость возрастания С)вьшр и А низкая, так как силы адгезии существенно ограничивает деформацию тонкого полимерного слоя. На второй стадии, соответствующей большим толщинам покрытия, с увеличением 5 скорость возрастания (Звыпр и А достаточно высокая, что обусловлено существенным возрастанием деформации полимерного слоя, вследствие значительного снижения влияния сил адгезии на ее развитие. На третьей стадии значение С)выпр стабилизируется вследствие стабилизации фактической площади контакта, а А изменяется с очень малой скоростью, соответствующей скорости установившейся ползучести материала покрытия. Наибольшие предельные значения 5 на первой и второй стадиях зависят от модуля упругости материала покрытия.

3. Выявлено, что зависимости С)вьшр и А от температуры (Т) имеют две характерных стадии изменения. На первой стадии с увеличением Т С)вьшр и А существенно возрастают в связи с ростом деформации материала покрытия вследствие снижения его модуля упругости. На второй стадии с ростом Т скорости изменения (Звыпр и А существенно снижаются вследствие стабилизации модуля упругости материала покрытия.

4. Установлены основные закономерности изменения ((5выпр ) и А от силы трения ( Бхр ) на соприкасающихся поверхностях и от конусности этих поверхностей. Зависимость (2ВЫПр и А от Ртр имеет линейный характер. До и после циклического нагружения с увеличением Ртр <Звьтр возрастает, а с ростом конусности снижается. Однако после циклического нагружения абсолютная величина С>Выпр существенно выше, что объясняется насыщением полимерным материалом микровпадин металлической поверхности, приводящим к его срезу при выпрессовке и, как следствие этого, увеличению 0Выпр После циклического нагружения с увеличением удельной силы трения (() А незначительно снижается, а с уменьшением конусности она наоборот возрастает, что объясняется увеличением деформации полимерного слоя вследствие повышения контактного давления.

5. Разработаны математические модели сопротивления выпрессовке и осевого смещения одного из элементов конического сопряжения с полимерным покрытием относительного другого, описывающие влияние геометрических и физико-механических характеристик соприкасающихся поверхностей и эксплуатационных факторов на и А. Адекватность предложенных математических моделей подтверждена экспериментально.

6. На основании выполненных аналитических и экспериментальных исследований для покрытия одного из элементов конического сопряжения, подвергающегося циклическому нагружению выбран в качестве материала покрытия безрастворительый эпоксидный грунт БЭП-0261, обеспечивающий выполнение технических требований, предъявляемых к разъемному коническому сопряжению с покрытием, выполняющему функции контактного уплотнения в гидравлической части поршневых и плунжерных насосов, а также в других аналогичных объектах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нур Ахмад, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1976.

2. Ашмарин И.П., Васильев H.H., Амбросов В.А. Быстрые методы статистической обработки и планирование экспериментов. Изд. Ленинградского университета. 1971.

3. Бартенев Г.М., Лаврентьев В.В. Трение и износ полимеров. Л.: Химия, 1972.

4. Белый В.А., Довгяло В.А., Юркевич О.Р. Полимерные покрытия. - Минск: Наука и техника, 1976.

5. Белый В.А., Егорников Н.И., Плескачевский Ю.М. Адгезия полимеров к металлам. Минск: Наука и техника, 1971.

6. Белый В.А., Пинчук Л.С. Ведение в материаловедение герметизирующих систем. - Минск: Наука и техника, 1980.

7. Браславский Б.И., Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: ВНИИБТ, 1972.

8. Буба Джоханнот. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: МИНГ им. И.М.Губкина, 1992.

9. Гоник A.A. Коррозия нефтепромыслового оборудования и меры ее предупреждения. - М.: Недра, 1976.

10. Гришанин К.И., Мелегина О.И., Сычев В.В., Фокин И.Н., Левина П.Н. Повышение долговечности деталей, подверженных фреттинг-коррозии. Тр. Ростов-на-Дону, Институт инж. ж.-д. транс., 1983, №170.

11. Гуль В.Е. Структура и прочность полимеров. - М.: Химия, 1971.

12. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. -М.: Машиностроение, 1981.

13. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. - М.: Наука, 1970.

14. Дж. Ферри. Вязкоупругие свойства полимеров.

15. Ильский A.JL, Миронов Ю.В., Чернобыльский А.Г. Расчет и конструирование бурового оборудования. - М.: Недра, 1985.

16. Кершенбаум Я.М., Аванесов B.C. Технология изготовления и ремонта замков для бурильных труб. - М., 1971.

17. Козлов В.Б. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -М.: МИНГ им. И.М.Губкина, 1990.

18. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. - М.: Машиностроение, 1984.

19. Литвинов В.М. Повышение надежности нефтепромысловых насосов. - М.: Недра, 1978.

20. Лихтман В.И., Ребиндер П.А., Карпенко Г.В. Влияние поверхностно активной среды на процессы деформации металлов. Изд. АН СССР, 1954.

21.Мачевская P.A., Мочалова О.С. Подготовка поверхности под окраску. -М.: Химия, 1971.

22. Моисеев Ю.Б., Заиков Г.Е. Химическая стойкость полимеров в агрессивных средах. - М.: Химия, 1979.

23. Мкртычан Я.С. Повышение эффективности эксплуатации буровых насосных установок. - М.: Недра, 1984.

24. Николич A.C. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования. - М.: Машиностроение, 1975.

25. Николич A.C. Основания модернизации насосного комплекса буровых установок. -М.: ЦНИИТЕХХимнефтемаш, 1990.

26. Рябченков A.B., Муравкин О.Н. Фреттинг-коррозия металлов и способы их защиты. Сб. "Коррозия и защита металлов в машиностроении", книга 92, Машгиз, 1959.

27. Протасов В.Н. Полимерные покрытия нефтепромыслового оборудования. -М.: Недра, 1994.

28. Протасов В.Н. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. - М.: МИНГ им. И.М.Губкина, 1988.

29. Протасов В.Н. Защита нефтегазопромысловой запорной и регулирующей арматуры полимерными покрытиями. Сер Коррозия и защита нефтегазовой промышленности. - М.: ВНИИОЭНГ, 1980.

30. Протасов В.Н., Козлов В.Б. Исследование деформации полимерных покрытий при контактном нагружении. Ж. Лакокрасочные материалы и их применение. М.: Химия, 1987, №5.

31. Протасов В.Н. Полимерные покрытия в нефтяной промышленности. М.: Недра, 1985.

32. Саакиян Л.С., Ефремов А.П. Защита нефтегазопромыслового оборудования от коррозии. - М.: Недра, 1982.

33. Саакиян Л.С., Ефремов А.П., Соболева И.А. Повышение коррозионной стойкости нефтегазопромыслового оборудования. — М.: Недра, 1988.

34. Санжаровский А.Т. Физико-механические свойства полимерных и лакокрасочных покрытий. - М.: Химия, 1978.

35. Тынный А.Н. Прочность и разрушение полимеров при воздействии жидких сред. - Киев: Наукова думка, 1975.

36. Яковлев А.Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий. Л.: Химия, 1981.