Совершенствование технологии изготовления деталей нефтегазового оборудования, работающих в абразивных средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Агеева, Вера Николаевна

• Агеева, Вера Николаевна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Агеева, Вера Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ НЕФТЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ С УПРОЧНЕНИЕМ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЛЯ РАБОТЫ В АБРАЗИВНЫХ СРЕДАХ.

1.1. Анализ условий работы деталей нефтегазопромыслового и транспортирующего оборудования.

1.2. Анализ требований к поверхностным слоям деталей, работающих в условиях контакта с абразивом.

1.3. Сравнительный анализ технологий упрочнения поверхностей деталей, работающих в условиях контакта с абразивом.

1.4. Анализ требований к технологическим процессам изготовления деталей при использовании операции лазерного упрочнения.

1.5. Цели и задачи работы.

ГЛАВА 2. ВЗАИМОСВЯЗЬ ОПЕРАЦИЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ ПРИ ОБЕСПЕЧЕНИИ ТРЕБУЕМОГО КОМПЛЕКСА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ.

2.1. Роль технологических параметров лазерного упрочнения в процессе формирования требуемых свойств поверхности.

2.2. Влияние предварительной термической обработки на комплекс физико-механических свойств и структурно-фазовый состав поверхностного слоя детали.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. ВЗАИМОСВЯЗЬ ОПЕРАЦИЙ ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ

3.1. Зависимость параметров шероховатости от режимов лазерной обработки.

3.2. Изучение факторов, влияющих на параметры волнистости поверхности, подвергнутой лазерному упрочнению.

3.3. Определение припуска на окончательную механическую обработку упрочненной поверхности.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ПОСЛЕ ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ.

4.1. Выбор исследуемых сталей и назначение режимов лазерного упрочнения для проведения экспериментальных исследований.

4.2. Разработка методики и определение средств проведения исследований поверхностных слоев, после лазерного упрочнения.

4.3. Результаты экспериментальных исследований упрочненных поверхностей

4.4. Методика и результаты склерометрических испытаний для оценки износостойкости упрочненных поверхностей.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО И ТРАНСПОРТИРУЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПЕРАЦИИ ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ. НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ УПРОЧНЕННЫХ

ДЕТАЛЕЙ.

5.1. Разработка технологического процесса и рекомендаций по изготовлению поршня бурового насоса УНБ-600 с использованием операции лазерного упрочнения сердечника поршня.

5.2. Разработка технологического процесса изготовления штока газокомпрессора 10ГКН с использованием технологии лазерного упрочне

5.3. Натурные испытания штоков газокомпрессоров и поршней буровых насосов, упрочненных лазерным излучением.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии изготовления деталей нефтегазового оборудования, работающих в абразивных средах»

Практика эксплуатации нефтегазопромыслового и транспортирующего оборудования показывает, что ресурс их работы ограничен главным образом интенсивным абразивным изнашиванием контактирующих поверхностей. Проблема повышения работоспособности таких поверхностей является актуальной задачей при производстве этого оборудования.

Совершенствование и создание новых технологических процессов, способствующих повышению надежности и долговечности активно изнашивающихся узлов газонефтяного и транспортирующего оборудования, обеспечивает сокращение времени простоя оборудования, снижение затрат на ремонт и расходов на основные и вспомогательные материалы, освобождение части производственных площадей.

Сравнительный анализ различных методов упрочнения показал, что применение лазерной термической обработки позволяет существенно повысить износостойкость и увеличить срок службы деталей.

Лазерное упрочнение обладает рядом преимуществ, основными из которых являются: достижение высоких физико-механических свойств упрочненного слоя, локальность обработки, отсутствие коробления, возможность обработки труднодоступных поверхностей, возможность автоматизации процесса.

Однако, использование этого метода упрочнения в уже существующих технологических процессах изготовления деталей машин затрудняется из-за отсутствия сведений о влиянии различных операций технологического процесса на эффективность и результат упрочнения. В то же время технологический процесс изготовления деталей наряду с упрочнением поверхностного слоя должен обеспечить необходимую точность обработки, геометрию и шероховатость поверхности, что также требует изучения влияния технологии упрочнения на эти характеристики.

Таким образом, изучение влияния основных операций технологического процесса изготовления детали на формирование требуемых характеристик качества ее поверхностного слоя и разработка на основе полученных закономерностей технологического процесса, на всех своих этапах способствующего повышению износостойкости поверхности, является актуальной задачей.

В связи с этим, целью настоящей работы является разработка технологического процесса изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания, с использованием операции лазерного упрочнения, обеспечивающего формирование комплекса определенных физико-механических свойств и геометрических характеристик поверхности.

В диссертации поставлены следующие задачи: а) исследовать возможные варианты технологического процесса изготовления деталей, упрочняемых лазерной обработкой, с учетом геометрических требований к упрочняемой поверхности; б) определить характеристики основных операций технологического процесса изготовления деталей, оказывающих наибольшее влияние на формирование требуемого комплекса свойств изнашивающейся поверхности; в) исследовать влияние предварительной термической обработки на назначение режимов и характеристики операции лазерного упрочнения; г) установить взаимосвязь между требуемой глубиной упрочненного слоя и необходимостью проведения дополнительной механической обработки поверхности детали; д) определить возможность формирования требуемого комплекса физико-механических свойств при лазерном упрочнении стальных деталей с различным содержанием углерода; е) определить припуск на чистовую механическую обработку в зависимости от эффективности и режимов лазерного упрочнения.

Научная новизна работы заключается в установлении алгоритма и определении параметров управления точностью геометрических размеров деталей, изготовленных с использованием операции лазерного упрочнения, установлении закономерности между величиной технологических межоперационных припусков на механическую обработку деталей и режимами лазерного упрочнения, определении влияния операции предварительной термической обработки на выбор режимов лазерного упрочнения на сталях с разным содержанием углерода.

Диссертация включает следующие основные разделы:

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Агеева, Вера Николаевна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная для нефтяной и газовой промышленности задача совершенствования технологических процессов изготовления деталей машин, работающих в абразивных средах.

1. Полученные зависимости, определяющие влияние предварительной термической обработки детали на обеспечение требуемого состояния поверхности в сталях с разным содержанием углерода, позволяют определить минимально допустимое значение погонной плотности мощности для операции лазерного упрочнения.

2. Назначение операции финишной механической обработки должно учитывать влияние лазерного упрочнения на изменение первоначальных макро- и микрогеометрических характеристик поверхности вследствие потери шероховатости при оплаве и объемного эффекта.

3. Установленные закономерности изменения шероховатости поверхности от режимов лазерной обработки, показывают возрастание параметров шероховатости с увеличением энерговклада в обрабатываемую поверхность.

4. С учетом размеров упрочненного слоя, содержания углерода в материале детали и объема мартенситной составляющей, сформированной в результате лазерной обработки, определено изменение линейных размеров поперечного сечения детали.

5. На основе полученных закономерностей влияния режимов лазерного упрочнения на шероховатость и линейные размеры упрочненного слоя разработана методика расчета припуска на финишную механическую обработку детали.

6. При использовании термодинамических закономерностей твердых растворов проведена оценка влияния содержания углерода на структурно-фазовые превращения в поверхностном слое и определен диапазон сталей, гарантирующих увеличение износостойкости при лазерном упрочнении.

7. Сравнительная оценка износостойкости поверхностей, полученных в результате лазерного упрочнения на сталях с разным содержанием углерода, методом склерометрирования позволила подтвердить правильность предложенного подхода к выбору режимов технологии лазерного упрочнения.

8. На основе предложенной методики разработаны новые технологические процессы изготовления поршня бурового насоса и штока газокомпрессора, рекомендованные для внедрения на предприятиях отрасли.

9. Сравнительные натурные испытания штоков газокомпрессоров и поршней буровых насосов, упрочненных лазерной обработкой, показали повышение ресурса работы этих деталей в 2 - 2,5 раза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Агеева, Вера Николаевна, 2003 год

1. Ansell G.S., Pradhan R. "Kinetics and thermodynamics of martensite transformation in athermal Fe-C-Ni-Cr alloys" в кн. Мартенситное превращение. -Киев: Наукова думка, 1978, - с. 219-223.

2. Аванесов B.C., Аракелов Г.А. Цехмистренко П.М. Технология изготовления деталей буровых замков Экспресс информация. ЦИНТИхимнефте-маш, серия ХМ-9, 1987. - №2.

3. Аванесов B.C., Вабищевич П.Н., Зуев М.А., Попков А.Г., Стеклов О.И. Формирование микрорельефа поверхностей трения с помощью лазерного излучения. // Физика и химия обработки материалов. 1995. - №2.

4. Аванесов B.C., Зуев М.А., Стеклов О.И. Исследование микрорельефа поверхности стали при лазерной обработке в режиме сильного оплавления. // Сварочное производство. 1995. - №8.

5. Аванесов B.C., Мохов И.В., Аракелов Г.А. К вопросу о выборе поглощающих покрытий при чистовом лазерно-механическом точении. Деп. в ЦИНТИхимнефтемаш, 1986. №1430 -1.

6. Астаникевич Б.М., Зиновьев Г.С. Восстановление кулачковых валов тепловозных двигателей лазерной обработкой. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1996. - №12.

7. Бабаев С.Г. Надежность нефтепромыслового оборудования. М.: Недра, 1987.-264 с.

8. Белый А.В., Макушок Е.М., Поболь И.Л. Поверхностная упрочняющая обработка с применением концентрированных потоков энергии / Под ред. В.И. Беляева. Минск: Наука и техника, 1990. - 179 с.

9. Блантер М.Е. Фазовые превращения при термической обработке стали. -М.: Металлургиздат, 1962. 268 с.

10. Ю.Бокштейн С.З. Строение и свойства металлических сплавов М.: Металлургия, 1971. - 496 с.11 .Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование. Под общей редакцией Гусмана A.M. и Порожского К.П.: Научное издание. Екатеринбург: УГГГА, 2002. 592 с.

11. Бурцев В.М., Васильев А.С., Дальский A.M. и др. Технология машиностроения. Учебник для вузов. В 2 т. М.: Изд-во МГТУ им.Баумана, 1998. -563 с.

12. З.Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Износостойкость сталей и сплавов. М.: Нефть и газ, 1994. - 417 с.

13. Н.Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Доценко В.А. Абразивное изнашивание бурильного инструмента. М.: Недра, 1980. - 206 с.

14. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Колокольников М.Г. Абразивное изнашивание. М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.

15. Газы и углерод в металлах. Под ред. Фром Е., Гебхардт Е. М.: Металлургия, 1980. - 710 с.

16. Гаркунов Д.Н. Триботехника: Учебник для студентов втузов. -2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.

17. Григорьев B.C., Курносов И.Е., Волчек И.И. Шероховатость и волнистость поверхности. Эксплуатационные требования и методы контроля параметров. Пенза: 1982, - 146 с.

18. Григорьянц А.Г. Шиганов И.Н. Оборудование и технология лазерной обработки материалов. М.: Высшая школа, 1990. - 159 с.

19. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989. - 304 с.

20. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981. - 224 с.

21. Егоров М.Е., Дементьев В.И., Дмитриев B.JI. Технология машиностроения. М.: Высшая школа, 1976. - 534 с.

22. Жуков А.А. Геометрическая термодинамика сплавов железа. М.: Машиностроение, 1979, -232 с.24.3айт В. Диффузия в металлах. М.: Иностранная литература, 1958. - 381 с.

23. Зуев М.А. Формирование микрогеометрических характеристик качества поверхностного слоя деталей лазерной обработкой: Автореф. дис. . канд. тех. наук. -М.; 1995.

24. Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Николаев Н.М. Оборудование для добычи нефти и газа: В 2 т. М.: ВНИИОЭНГ, 2001.-304 с.

25. Ильин Н.Н., Курочкин Ю.В., Солдатов В.Ф., Степанов В.В., Шаравин С.И. Модификация профиля поверхности лазерной обработкой. // Применение лазеров в народном хозяйстве. М.: НИЦТЛ АН СССР, 1985. - 42-43 с.

26. Кершенбаум В.Я. Механотермическое формирование поверхностей трения. М.: Машиностроение, 1987. - 232 с.

27. Кершенбаум В.Я., Пащенко М.И., Черемисинов Е.М., Дымшиц А.В. Лазерная технология в химическом и нефтяном машиностроении. М.: Машиностроение, 1988. - 111 с.

28. Коваленко B.C. Упрочнение деталей лучом лазера, Киев: Вища школа, 1987. - 147 с.

29. Коваленко B.C., Верхотуров А.Д., Головко Л.Ф. Лазерное и электроэрозионное упрочнение материалов. М.: Наука, 1986. - 276 с.

30. Коганов И.А. и др. Исследования в области технологии механической обработки и сборки. Сборник научных трудов. Тула: ТПИ, 1981.

31. Комбалов B.C. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ. -М.: Наука, 1974. 112 с.

32. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев: Техника, 1970. - 385 с.

33. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. М.: Машиностроение, 1990. - 256 с.

34. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.

35. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Камбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. - 524 с.

36. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин: Справочник. М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.

37. Крестовников А.Н., Вигдорович В.Н. Химическая термодинамика. М.: Металлургия, 1973. - 256 с.

38. Криштал М.А. Механизм диффузии в железных сплавах. М.: Металлургия, 1972. - 399 с.

39. Кудинов В.В., Иванов М.В. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. -М.: Машиностроение, 1981.

40. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надежности деталей машин. М.: Машиностроение, 1993, - 304с.

41. Курдюмов Г.В., Утевский JI.M., Энтин Р.И. Превращения в железе и ста ли. М.: Наука, 1977. - 236 с.

42. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, И.В. Зуев. М.: Машиностроение , 1985. - 496 с.

43. Лачинян Л.А. Работа бурильной колонны. М.: Недра, 1979. - 207 с.

44. Леонтьев П.А., Чеканова Н.Т., Хан М.Г. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1986. - 142 с.

45. Лившиц Л.С. Наплавочные материалы и технология наплавки для повышения износостойкости и восстановления деталей машин // Сварочное производство. 1991. - №1.

46. Ломаев Г.В. ХаранжевскийЕ.В. Упрочняющая обработка поверхности методом высокоскоростной лазерной перекристаллизации. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2002. - №3.

47. Ляхович Л.С. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник. М.: Металлургия, 1981.

48. Мазеин А.А., Бякин П.И. Повышение износостойкости деталей шламовых насосов методом газотермического напыления. Нефтяное хозяйство, 1987. - №4.

49. Машиностроение: Энциклопедия в 40 т. т. 3-5: Технология сборки в машиностроении. Раздел 3: Технология производства машин / Гусев А.А., Павлов В.В., Андреев А.Г. и др.; Под ред. Белянина П.Н. М.: Машиностроение, 2001. - 637 с.

50. Мкртычан Я.С. Повышение эффективности эксплуатации буровых насосных установок. М.: Недра, 1984. - 207 с.

51. Могутнов Б.М., Томилин И.А., Шварцман J1.A. Термодинамика железоуглеродистых сплавов. М.: Металлургия, 1972 г. - 328 с.

52. Мур Д. Основы и применение трибоники. Перевод с англ. М.: МИР, 1978. - 487 с.

53. Николич А.С. Поршневые буровые насосы. М.: Недра, 1978, - 202 с.

54. Новое в области испытаний на микротвердость. Сборник научных трудов. -М.: Наука, 1974. -271с.

55. Основы трибологии ( трение, износ, смазка) / Браун Э.Д., Буше Н.А., Буя-новский И.А. и др./Под ред. А.В. Чичинадзе: Учебник для технических вузов. М.: Центр «Наука и техника», 1995. - 778 с.

56. Повышение качества и надежности продукции, выпускаемой предприятиями Минхиммаша, за счет совершенствования технологии и оборудования для термической и химико-термической обработки. М.: ЦИНТИ-химнефтемаш, 1980.

57. Пукас В.В. Прогрессивные технологические способы повышения долговечности деталей машин. Киев: Техника, 1978.

58. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. -176 с.

59. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1954.-296 с.

60. Рыкалин Н.Н., Зуев И.В., Углов А.А. Основы электроннолучевой обработки материалов. М.: Машиностроение, 1978. - 239с.

61. Салахова Л.Р., Ахадов М.С., Кубадов О.А. Повышение долговечности деталей скважинных насосов методом кратковременного газового азотирования. В сб. трудов « Повышение надежности нефтепромыслового оборудования». Баку: АзИнефтехим, 1986.

62. Сафонов А.Н. Алексеенко С.И. Исследование структуры стали 40X10С2М после обработки поверхности СОг лазером непрерывного действия. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1996. - №12.

63. Сафонов А.Н. Изучение структуры и твердости поверхности железоуглеродистых сплавов после их оплавления лазерным излучением. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1999. - №1.

64. Сафонов А.Н. Основные направления эффективного использования лазерной техники для технологической обработки сплавов. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1997. - №7.

65. Сафонов А.Н. Структура и микротвердость поверхностных слоев железоуглеродистых сплавов после лазерной закалки. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1996. - №2.

66. Сафонов Б.П. Научно-методические основы синтеза трибосистемы применительно к изнашиванию сталей абразивом. Автореф. дис. д-ра техн. наук. М.: 1991. 50 с.

67. Склерометрия. Сборник научных трудов. М.: Наука, 1968. - 220 с.

68. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. - 318 с.

69. Суслов А.Г., Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. М.: Машиностроение, 1987. - 208 с.

70. Сорокин Г.М. Трибология сталей и сплавов: Учебник для вузов. М.: Недра, 2000. - 317 с.

71. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. / Под ред. А.Г. Косило-вой и Р.К. Мещерякова.- 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1985. - 656 с.

72. Счастливцев В.М., Мерзаев Д.А., Тайзетдинова А.Г. Термодинамика мартенситного превращения в сплавах железо-углерод // ФММ, Т.63, Вып. 5. 1987.-943 -950 с.

73. Тененбаум М.М. Сопротивление абразивному изнашиванию. М.: Машиностроение, 1976. - 270 с.

74. Технология химического и нефтяного машиностроения и новые материалы. Серия ХМ 9. Обзорная информация. Аванесов B.C., Авербух Б.А. Повышение долговечности быстроизнашивающихся деталей нефтяного оборудования. - М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1988. - 39 с.

75. Уманский В.Б., Костенко А.А., Худик Ю.Т. Упрочнение деталей металлургического оборудования. М.: Металлургия, 1991. - 176 с.

76. Федосов А.И., Федосов С.А. Компьютерная программа для расчета параметров термического цикла при импульсном поверхностном нагреве твердого тела. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2001. -№12.

77. Хачатурян А.Г. Теория фазовых превращений и структура твердых растворов. М.: Наука, 1974. - 983 с.81 .Храпач Г.К. Надежность работы поршневых газоперекачивающих агрегатов. М.: Недра, 1978. - 190 с.

78. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. М.: Наука, 1970. -251 с.

79. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Исследование изнашивания металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1960. - 317 с.