Технологическое обеспечение износостойкого микропрофиля поверхности цилиндров скважинных штанговых насосов алмазным хонингованием

В нефтяной промышленности для глубинной добычи нефти широко применяются скважинные штанговые насосы (СШН). От надежности этих насосов в значительной степени зависит экономическая эффективность нефтедобывающих предприятий. Поэтому повышение надежности скважинных штанговых насосов является актуальной задачей для снижения себестоимости добываемой нефти.

Средняя наработка на отказ отечественных скважинных штанговых насосов в последние годы’Значительно возросла и составляет порядка 300 — 400 суток работы. Однако средняя наработка на отказ у зарубежных штанговых насосов превышает 700 суток.

Причинами отказов скважинного оборудования, по данным ведущих нефтедобывающих предприятий, являются внешние по отношению к насосам причины: обрыв штанг, штоков и насосно — компрессорных труб, а-также отказы собственно насосов. Последние составляют около 30% от общего числа отказов, причём в 72% происходит запарафинивание клапанов, а в 18% - износ плунжерной пары. Стоимость изготовления и ремонта клапанной пары несопоставимо’мала в сравнении с изготовлением и ремонтом пары цилиндрплунжер. Поэтому выбор технологии изготовления и упрочнения именно этих деталей насоса во многом определяет эксплуатационные свойства и стоимость насоса в целом. Одним из наиболее эффективных способов повышения износостойкости пары цилиндр — плунжер является формирование высококачественных поверхностных слоев этой пары.

В таких сопряжениях плунжер подвергается плазменному напылению, а внутренние поверхности цилиндров этих насосов — азотированию. Из практики известно, что плунжер изнашивается в процессе эксплуатации значительно меньше цилиндра. Кроме того, стоимость его изготовления и ремонта существенно ниже, чем цилиндра. Поэтому повышение износостойкости поверхности цилиндра является актуальной задачей.

Технологический процесс изготовления цилиндра включает в себя правку,' расточку, предварительное хонингование, чистовое хонингование и азотирование. В значительной степени износостойкость азотированного слоя определяется величиной исходной шероховатости поверхности, подготовленной под азотирование, а также формой микрорельефа обработанной поверхности. Последней операцией перед азотированием является чистовое хонингование, поэтому представляется актуальным создание теоретических предпосылок для комплексного прогнозирования формирования параметров шероховатости поверхности цилиндра на этапе окончательной операции (алмазного хонингования) перед азотированием, обеспечивающих износостойкий микропрофиль поверхности цилиндра.

Благодаря работам известных ученых Бабичева А. П., Герасимова С. А., Ку-доярова Р.Г., Куликова СМ.,. Левина Б. Г., Маталина А. А.,.Новоселова Ю. К., Серебренника Ю. Б., Фрагина И. Е. и других созданы научные основы процесса хонингования размерного алмазного хонингования жесткими брусками на металлических и органических связках, изучены вопросы точности и качества поверхности деталей машин.

Проведенный анализ работ показал, что все известные теоретические работы в области мониторинга и прогноза зависимости параметров шероховатости от условий хонингования ограничиваются рассмотрением вопросов формирования высотных свойств неровностей микропрофиля (Ra, Rmax, Rq). В то же время отсутствуют методики прогнозирования свойств неровностей в направлении длины профиля (jSm, A. a, D), а также относительной опорной длины профиля tp.

Созданию научных основ процесса трения и износостойкости пар трения посвящены работы ученых Крагельского И. В., Рыжова Э. В., Сухова С. А., Фе-дорченко И.М., Шнайдера Ю. Г. и других. В этих работах показаны широкие возможности алмазно-абразивной обработки при создании повышенной несущей поверхности деталей. Однако это не позволяет прогнозировать износостойкость азотированных поверхностей в зависимости от исходных параметров шероховатости поверхности цилиндров, подготовленных под азотирование хо-нингованием. Прежде всего, это связано с использованием базовой технологии операции хонингования, ограничено из-за недостаточной изученности механизма образования микропрофиля обработанной поверхности, отсутствия соответствующих математических моделей и программного обеспечения. Поэтому, решение вопросов прогнозирования параметров шероховатости поверхности деталей в процессе алмазного хонингования под азотирование с целью повышения их износостойкости является весьма актуальной научно-технической проблемой.

Потребность нефтяного машиностроения в обеспечении износостойкости и работоспособности СШН с одной стороны и недостаточная изученность влияния условий процесса хонингования на шероховатость обработанной поверхности и износостойкость азотированных поверхностей с другой стороны предопределили необходимость выполнения данной работы. Основная цель которой.

— обеспечение износостойкого микропрофиля азотированных поверхностей на основе направленного улучшения исходной шероховатости хонингуемых отверстий, подготовленных под азотирование.

Научная новизна работы состоит в том, что:

— произведено математическое моделирование рабочей поверхности хонинго-вального бруска на основе метода поиска оптимального решения в задачах со многими критериями с учётом нормального закона распределения размеров зёрен и разработана математическая модель прогнозирования формирования шероховатости хонингуемой поверхности элементарными режущими профилями;

— разработана математическая модель и программное обеспечение интенсивности износа пары цилиндр — плунжер СШН, позволяющая прогнозировать величину износа в зависимости от физико-механических свойств материала цилиндра, вида контакта, параметров шероховатости поверхности цилиндра Rmax и Sm, а также относительной опорной длины профиля tp;

— экспериментально показано, что хонингование брусками на металлической связке не позволяет получать износостойкий микропрофиль обработанной" поверхности, а только хонингование эластичными брусками обеспечивает малые значения высотных параметров шероховатости и достаточно большие значения величин относительной опорной длины профиля. Это предопределяет в конечном итоге значительно меньший износ поверхности пары цилиндр — плунжер СШН;

— доказано, что величина износа пары цилиндр — плунжер зависит не только от высотных параметров шероховатости поверхностей цилиндров, подготовленных хонингование под азотирование, а также в. значительной степени от параметров, связанных со свойствами неровностей в направлении длиныпрофиля и величины относительной опорной длины профиля.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— разработана технология алмазного хонингования цилиндров насосов, изготовленных из стали 38Х2МЮА, в том числе, произведён подбор характеристик алмазных брусков по виду связки, параметров режима хонингования, а также их сочетания, обеспечивающие получение износостойкого микропрофиля азотированной поверхности цилиндров;

— разработанная технология алмазного хонингования эластичными брусками цилиндров под азотирование позволяет сохранять первоначальную группу посадки для пары цилиндр — плунжер при длительной эксплуатации СШН;

— разработана специальная хонинговальная головка, отличающаяся меньшим углом конуса и технологичностью конструкции;

— создана установка, имитирующая работу СШН и позволяющая проводить испытания износа пары цилиндр — плунжер в условиях, имитирующих работу этой пары в скважине.

Основные положения диссертации докладывались в 2006. 2008 г. г. на научно-технических конференциях и семинарах. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях по списку ВАК.

ТЕРМИНОЛОГИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ.

V{ - скорость вращения хонинговальной головки, м/минг, — чистота вращения хонинговальной головки, об/мин;

V2 — скорость возвратно-поступательного движения хонинговальной головки, м/минп2 — число двойных ходов хонинговальной головки, дв. ходов/минd0 — диаметр обрабатываемого отверстия, мм- 10 — длина обрабатываемого отверстия, ммширина хонинговального бруска, мм- /б — длина хонинговального бруска, мм- /гбр — высота хонинговального бруска, ммz — число брусков в хонинговальной головкеR — радиус рабочей поверхности брусков, ммh — толщина эластичного подслоя, ммS — толщина жесткого алмазоносного слоя, мм;

1 пр — длина перебега хонинговальных брусков за пределы обрабатываемого отверстия в процессе хонингования, ммР — величина давления брусков на обрабатываемую поверхность, МПаSр — радиальная подача хонинговальных брусков за один двойной ход хонинговальной головки, мкм/дв.хода — угол скрещивания (угол подъема траекторий движения режущих зерен на обрабатываемой поверхности), град.

V2 а — arete —.

Ух.

Т хонмашинное время хонингования одной заготовки, мин или секо.

VMerобъем металла, снятый с заготовки за цикл хонингования, см ;

GMexвес металла, снятый с заготовки за цикл хонингования, гк — количество двойных ходов хонинговальной головки за время хонингования одной заготовки, дв. ходов/ Т хонпрвеличина снимаемого припуска металла на диаметр обрабатываемого отверстия за цикл хонингования, мкмt — средняя толщина срезаемого слоя металла брусками за цикл хонингованияА, а — средний линейный (радиальный) износ хонинговального бруска за цикл хонингования, мкмо.

Vac — объем алмазоносного слоя, изношенного за цикл хонингования, мм ;

G, а — вес алмазов, израсходованных за цикл хонингования, мгка — удельный расход алмазов — весовое количество алмазов в мг, затраченное на снятие 1 грамма металла, мг/г- /б — суммарная рабочая поверхность комплекта брусков хонинговальной головки, см2- f6p = z-b6p-l5p.

Ra, Rz — стандартные параметры шероховатости поверхности детали, мкмRa исх — среднее арифметическое отклонение профиля исходной шероховатости, мкмRa 0g — среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости обработанной поверхности, мкмRmax — наибольшая высота профиля, мкмSm — средний шаг неровностей профиля, ммS — средний шаг местных выступов профиля, ммRq — среднее квадратичное отклонение профиля, мкмD — плотность выступов профиляtp — относительная опорная длина профиля, tp ——-100%. tp исх ~ величина относительной опорной длины профиля исходной поверхности, % - tp об — величина относительной опорной длины профиля обработанной поверхности, %- г| - опорная длина профиля, мм- - базовая длина, ммт — средняя линия профиляр — значения уровня сечения профиля, % - Ха — средняя длина волны профиля, мкмАс — контурная площадь контактаАа — номинальная площадь контактао.

0 — упругая постоянная материала, t) — —-—- А ц — коэффициент Пуассона;

Е — модуль Юнга, МПарс — контурное давление, МПара — номинальное давление, МПа;

Rbрадиус волны, мкм;

Нв — высота волны, мкм;

От ~ предел текучести материалаd — диаметр пятна контактап — число циклов, приводящих к разрушению деформируемого объемаb, v~ параметры кривой опорной поверхности, tp = bsv.

Основные выводы по работе сводятся к следующему:

1. Разработана математическая модель и программное обеспечение прогнозирования формирования шероховатости обработанной поверхности при алмазном хонинговании. На основе данных о рабочей поверхности хонинговальных брусков построены элементарные режущие профили по известным координатам вершин зёрен и их радиусам. Определены координаты образующей профиля поверхности инструмента и проведено моделирование процесса образования микропрофиля обработанной поверхности. Разработанная математическая модель учитывает основные параметры характеристики алмазных брусков и позволяет прогнозировать формирование как высотных параметров шероховатости, так и параметров, связанных со свойствами неровностей в направлении длины профиля, а также опорных кривых моделируемых поверхностей.

2. Разработана математическая модель и программное обеспечение зависимости величины интенсивности износа в зависимости от физико-механических свойств, параметров шероховатости поверхностей трения и вида контакта. Для решения контактных задач деформации в процессе износа пары трения цилиндр — плунжер форма неровностей принята сферической, как наиболее простая и обеспечивающая наиболее близкие результаты к экспериментальным данным, поэтому при моделировании использовались математические зависимости для кругового сегмента.

Разработанное программное обеспечение позволяет прогнозировать величину износа пары цилиндр — плунжер СШН в зависимости от вида контакта, параметров шероховатости поверхности цилиндра Rmax и Sm, а также относительную опорную длину профиля tp.

3. Проведённые экспериментальные исследования процесса алмазного хонингования цилиндров брусками на металлической связке показали, что наибольшее влияние на формирование шероховатости оказывает зернистость алмазных брусков. Концентрация алмазов, угол сетки хонингования и время оказывают незначительное влияние на шероховатость только в первоначальный период хонингования. При дальнейшем хонинговании устанавливается однородный рельеф поверхности, характерный для данной зернистости и формируется установившийся микропрофиль. Показано, что хонингование брусками на металлической связке не позволяет обеспечить достаточно малые значения высотных параметров шероховатости и достаточно большие значения величин относительной опорной длины профиля. Поверхности цилиндров, обработанные алмазными брусками на металлической связке и полуэластичными брусками, имеют малую несущую способность, обусловленную небольшой величиной относительной опорной длины профиля, которая соответственно составляет 5. 10% на относительной высоте сечения 30.35% и 6.30% при уровне сечения 30.40%. Такая поверхность цилиндров приводит к достаточно большому диаметральному износу пары цилиндр — плунжер, величина которого может достигать 16,4 мкм, поэтому появляется вероятность изменения группы посадки в процессе эксплуатации СШН, особенно в тех случаях, когда величина первоначального зазора находится вблизи максимально допустимого зазора соответствующей группы.

4. Экспериментально установлено, что при хонинговании эластичными брусками обеспечивается величина относительной опорной длины профиля 95.97% при уровне сечения 30.40%. Получение поверхности обработанных цилиндров с такой большой опорной поверхностью объясняется возможностью погружения алмазных зерен в эластичный слон и малой глубиной резания отдельными зернами. Большие значения относительной опорной длины профиля в сочетании с малой величиной шероховатости Ra = 0,06 мкм, обеспечиваемые при хонинговании эластичными брусками, предопределяют в конечном итоге значительно меньший износ поверхности пары цилиндр — плунжер СШН. Хонингование эластичными брусками обеспечивает величину диаметрального износа пары цилиндр — плунжер в пределах до 4 мкм, что позволяет при эксплуатации СШН практически во всех случаях сохранять первоначальную группу посадки.

5. Разработанные методики и спроектированная технологическая оснастка для исследования процесса алмазного хонингования позволили с достаточной точностью и достоверностью определить производительность операции хонингования, шероховатость обработанной поверхности, связанную с высотными свойствами неровностей (среднее арифметическое отклонение профиля Ra, наибольшая высота неровностей профиля Rmax, среднее квадратичное отклонение профиля Rq) — со свойствами неровностей в направлении длины профиля (средний шаг неровностей Sm, средняя длина волны профиля А. а, плотность выступов профиля D) и с формой неровностей профиля (относительная опорная длина профиля tp), а также исследовать влияние микропрофиля исходной поверхности цилиндров после хонингования на износостойкость пары азотированный цилиндр — плунжер.

6. Проведенная проверка подтвердила удовлетворительную сходимость результатов расчётов по математическим моделям с экспериментом, а, следовательно, адекватность математических моделей. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными параметров шероховатости находится в пределах 0,2. 11,7%. Максимальное расхождение для относительной опорной длины профиля tp не превышает 13%. Разработанная математическая модель для прогнозирования параметров шероховатости хонингуемой поверхности вполне применима для практического использования.

7. Практическая реализация результатов исследований осуществлена при разработке и внедрении технологической операции алмазного хонингования на ЗАО «ПКНМ» при изготовлении цилиндров СШН. Существующая технология алмазного хонингования цилиндров СШН на ЗАО «Пермская компания нефтяного машиностроения» включает операцию хонингования поверхности цилиндров алмазными брусками на металлической связке АС4 100/80 100 М2−01 и вторую операцию брусками зернистостью АС4 63/50 100 М2−01, что позволяет получать шероховатость хонингованной поверхности Ra в пределах 1,0.1,2 мкм с достаточно малой опорной поверхностью. Для технологического обеспечения оптимального микрорельефа поверхности необходимо проводить предварительную операцию хонингования поверхности цилиндров алмазными брусками характеристикой АС4 100/80 100 М2−01 и окончательное хонингование эластичными брусками характеристикой АСМ 28/20 100 ВЗ-07, что позволяет обеспечивать шероховатость хонингованной поверхности Ra до 0,2 мкм с достаточно большой опорной поверхностью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненного комплекса исследований осуществлено теоретическое и практическое решение актуальной проблемы технологического обеспечения износостойкого микропрофиля поверхности цилиндров СШН алмазным хонингованием. Теоретически и экспериментально доказана выдвинутая гипотеза, заключающаяся в том, что исходная шероховатость хонингуемых поверхностей цилиндров СШН под последующее азотирование в значительной степени влияет на износостойкость пары цилиндр — плунжер.