CC BY
35
УДК 621.004.18
КОНВЕРСИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ И РЕМОНТА ДЕТАЛЕЙ НЕФТЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Ю.Н. Вивденко, В.В. Жильцов, А.Я. Котляров, Г.И. Супрунов
С учетом износа основных фондов топливо энергетического комплекса России одним из решений по поддержанию оборудования ТЭК в рабочем состоянии является применение конверсионных технологий для ресурсосберегающего восстановления и ремонта деталей нефтегазового оборудования. Показаны структура, возможности и результаты применения данных технологий. Представлены примеры восстановления деталей нефтегазового оборудования.
По оценке Минтопэнерго [1], в результате сокращения инвестиций ввод в действие производственных мощностей во всех отраслях ТЭК снизился в 2-4,5 раза. Износ основных фондов достиг уфожающих размеров: в нефтегазовой и угледобывающей промышленности более 50%; в электроэнергетике 40% оборудования электростанций выработало свой ресурс; примерно 45% протяженности нефтепроводов и 25% газопроводов эксплуатируется более 20 лет. С учетом сложившейся в России неблагоприятной экономической обстановки возникает уместный вопрос: что необходимо делать на ближайшую перспективу? Да, какое-то оборудование после десятилетий эксплуатации неизбежно приходится заменять как по техническому состоянию, так и по причине морального старения, несоответствия современным требованиям безопасности, экологии и прочим причинам. Вместе с тем не вызывает сомнений, что значительная часть оборудования может обрести вторую жизнь после ремонтно-восстановитепьных работ и реконструкции, организованных с использованием современных материалов и технологий, прежде всего конверсионных [2].
Технологии восстановления и ремонта деталей нефтегазового оборудования с использованием комплектных наборов специализированных станков, инструмента, оснастки для реализации адаптированных высоких технологий оборонного комплекса становятся все более привлекательными на рынке нефтегазового оборудования. Они занимают особое место в решении проблем материало- и ресурсосбережения. Их применение позволяет производить многократное восстановление и ремонт изношенных деталей с одновременным повышением их износостойкости, долговечности, работоспособности и других потребительских свойств по требованиям эксплуатации на нефтегазодобывающих предприятиях. Использование указанных технологий уже в настоящее время позволяет гарантировать полное восстановление, включая усталостную долговечность и ресурс, таких деталей нефтегазового оборудования, как втулки, поршни, направляющие и накладки, лопатки и крыльчатки винтов, опор, корпусов, клиновые, шаровые, шиберные затворы, корпуса, винты и уплотнения для запорной арматуры; серийное и одиночное воспроизводство деталей для импортного оборудования с подбором отечественных аналогов конструкционных материалов [3], в т.ч. пластмасс, резин, разного рода покрытий и т.д.. по всему циклу восстановления деталей и узлов. Многолетний опыт разработки и освоения технологий восстановления деталей авиационной, транспортной техники, оборудования для энергетики и нефтегазодобычи показывает, что при оптимизации условий восстановления удается снизить себестоимость восстановленной детали по сравнению с вновь изготовленной не менее чем в 2 раза. Восстановление деталей как направление нефтегазового машиностроения имеет следующие достоинства:
размеры наносимого восстановительного слоя можно регулировать от нескольких до сотых долей мм;
размерную обработку детали до и после нанесения восстановительного слоя выполняют, как правило, на обычном металлообрабатывающем оборудовании;
широкая возможность управления физико-механическими свойствами нанесенного восстановительного слоя путем регулирования состава наносимого материала, его последующего легирования, модифицирующей обработки, упрочнения методами оплавления, пластического деформирования и другими методами технологического воздействия;
возможность сочетания необходимых эксплуатационных разных свойств частей детали, например, несущая основа с заданными требованиями прочности и поверхностный слой с необходимыми триботехническими, антикоррозионными, прочностными, твердыми и другие функционально обусловленные сочетания;
условия не восстанавливать первоначальные свойства материала изготовленной 3-5 лет назад детали, не отвечающие современным возросшим требованиям эксплуатации, а формировать поверхностный слой с улучшенными характеристиками.
Научно-техническая концепция технологии и организации ремонта с применением конверсионных разработок включает базовый вариант, содержащий следующие основные ресурсосберегающие технологии и их комбинации:
плазменно-дуговое напыление с термообработкой многофункциональных покрытий из материалов любого класса (черные и цветные металлы, керамика, композиционные и сверхтвердые материалы) толщиной от 1,5 до 3,0 мм;
ионно-плазменное и ионно-лучевое упрочнение изнашиваемых поверхностей высоконагруженных деталей - толщина покрытия от 5 до 25 мкм (многократное увеличение ресурса, оптимальные триботехнические свойства, теплостойкость, коррозионная стойкость, алмазо-подобные покрытия без изменения размеров) [4];
точное литье по выплавляемым моделям с последующей обработкой сложнофасонных поверхностей с точностью до + 0.005 мм;
порошковая металлургия, в том числе с использованием композиционных составов, включая карбидные, для долговечных пар трения (подшипники скольжения, подпятники, втулки, вкладыши и т.п.) [5];
вибродуговая автоматическая наплавка для восстановления поверхностей со стабилизацией размеров;
лазерная сварка и упрочнение, в т.ч. разнородных материалов, обработка отверстий и сложнофасонных поверхностей;
сварка с локальным охлаждением дисперсионно-твердеющих сплавов (заварка дефектов: трещин, раковин, сколов, и др.);
механическая обработка с использованием высокопроизводительного режущего инструмента, в т.ч. осна-
щенного сверхтвердыми материалами, высокоэффективных финишных операций с подводом электрического тока и ультразвуковых колебаний (гидроабразивных, виброабразивных, абраэивно-экструзионных, электроабразивных и др., в том чиспе для обработки нежестких сложнофасонных деталей из труднообрабатываемых сплавов и сверхтвердых композиционных материалов, в частности, из углерод-карбидо-кремниевых композиций).
Указанные комплексы технологий, инструмента, оснастки и оборудования образуют технологические линии оптимального для заказчиков состава по ремонту и восстановлению деталей нефтегазового оборудования. Их использование может производиться по многовариантным организационным схемам: от отдельных технологий или единичных поставок оборудования, инструмента, оснастки, до разработки специализированных проектов ремонтных производств (запорной и фасонной арматуры трубопроводов, насосных агрегатов, компрессоров, редукторов и др. зубчатых передач, гидравлической аппаратуры, электрических машин и пр.), включая проектирование групповых технологических процессов и ос-
настки, создание АСУ ТП и автоматизированных испытательных стендов, проектирование и изготовление специального оборудования, монтаж, отладка и сдача «под ключ» заказчику. Выбор организационной схемы производится на основании технико-экономического анализа конкретной проблемы ремонта и восстановления нефтегазового оборудования, на основании которого формируются совместно с заказчиком технические предложения и план работ по проблеме.
Маршрут типового технологического процесса восстановления деталей нефтегазового оборудования, как правило, содержит следующие основные операции:
очистка и разборка агрегата, составление подетальной дефектной ведомости;
проверка детали на наличие неустранимых дефектов (сквозные трещины, промоины, сколы, вырывы и т.п.);
определение химического состава материала изношенной детали, условий ее эксплуатации, условий работы в узле с учетом взаимодействия со смежными деталями и подбор марки современного материала (см. табл. 1);
Таблица 1
Марки отечественных порошков, их химический состав и основные свойства для восстановления и ре-
Марка порошка Химический состав по элементам в % Характеристика покрытия
Ре N1 Сг С Другие
СНГН 1-4.5 Осн. 14-19 0,5-1,1 БЯ-б; В 3,24,7 Высокая износостойкость НРс 50-60 и коррозионная стойкость Траб = 600°С
ВСНГН Основа -сплав типа СНГН \Л/С 35, 80, 88 Весьма высокая износостойкость и коррозионная стойкость НЯс 56-62
ПГ-СРЗ до 5 Осн. 13,5-16,5 0,4-0,7 812,5-3,5; В 2-2,8 Коррозионная и износостойкость НРс 45, Траб = 600°С
Пг-СР4 До 5 Осн. 15-18 0,6-1,0 313-4,5; В 2,8-3,8 Коррозионная и износостойкость НРс 55, Траб = 600°С
ВНп-20 - 20±2 - - \Л/С80±2 Защита от абразивного износа
КХНп-30 - 30 - - Сг3С2 70 Защита от износа и коррозии
ПТ-НА-01 - 94,5-96 - - А14-5,5 Промежуточный слой с высокой прочностью адгезии, защита от коррозии, самооплавление
ПТ-Ю10Н - 90 - - А110 Промежуточный слой с высокой прочностью адгезии, защита от коррозии, самооплавление
ПТ-Ю5Н - 95 - - А1 5 Промежуточный слой с высокой прочностью адгезии, защита от коррозии, самооплавление
НПГ-75 - 75±2 - 25±2 Твердая смазка
Примечание: выбор состава порошковой композиции выбирают из условия обеспечения требуемых параметров восстановленной поверхности детали (прочность и твердость, коэффициент трения и отсутствие структурных составляющих, склонных к схватыванию с материалом пары, коррозионная стойкость и др.)
восстановление рабочей документации на деталь (чертежи, технические требования, технические условия;
термообработка (отпуск, отжиг, нормализация, релаксация напряжений и др.)
подготовка рабочих поверхностей под восстановление (удаление точечных дефектов, снятие дефектного слоя, вырезка изломов вырывов, формирование рельефа, обезжиривание и т.п.);
восстановление рабочей поверхности ( наплавка, заварка трещин и крупных дефектов, в т.ч. с принудительным охлаждением зоны плазменное напыление, специальными металлопластами, приваркой части, гальваническими покрытиями), см. табл. 3;
изготовление сложнофасонных деталей методами литья по выплавляемым моделям, порошковой металлургии, точной штамповки, обработки на станках с ЧПУ;
термообработка восстановленного слоя и детали в целом (оплавление в защитных средах, закалка, старение и пр.);
контроль параметров восстановленного слоя (прочность сцепления с подложкой, толщина, твердость, по-
ристость и др.), см. табл. 4, 5;
механическая обработка рабочих поверхностей с обеспечением заданных критериев точности, шероховатости, остаточных напряжений; балансировка и контроль ОТК; сборка изделия и проведение приемо-сдаточных испытаний на стендах, в т.ч. с использованием автоматизированных систем контроля и регулировки (вибропараметры, утечки, температурные параметры, технические характеристики агрегата и пр.); окраска, консервация, упаковка; оформление технической документации (акты приемки, паспорта).
Такой подход был использован, например, при ремонте деталей клапана со сферическими поверхностями запорно-регулирующей арматуры нефтегазового оборудования, отработавшего по 15-20 лет. Применение конверсионных технологий подготовки поверхностей изношенных деталей к формированию восстановительного слоя, нанесение этого слоя плазменным напылением с управлением нанесения его толщины, последующей тер-
мообработки, упрочнения и автоматизированной обработки позволили исключить необходимость применения дорогостоящего стеллита для изготовления новых деталей. Поверхностный слой был сформирован с твердостью 62-64 НЯс. При этом точность обработки составляла +0,005 мм и шероховатость обработанных поверхностей составляла 0,16-0,32 мкм. Ресурс узлов увеличен с 3 до 4,5-6 месяцев эксплуатации в непрерывном режиме.
Другим примером ремонта и восстановления можно назвать технологическую линию для восстановления втулок и других высоконагруженных деталей буровых насосов. Технологический процесс восстановления содержит следующие основные операции: входной контроль на трещины; отжиг; удаление изношенного слоя, нарезка резьбы, плазменно-дуговое напыление износостойкого покрытия; оплавление покрытия из самофлюсующегося твердого сплава; шлифовка внутреннего диаметра в размер и контроль.
Технология отработана на комплексе оборудования следующего состава: шахтная (камерная) печь с температурой нагрева 1100 град.; установка плазменного на-
пыления типа УПУ-8М; универсальный плазматрон; полуавтомат плазменно-дугового напыления типа 15В-Б; полуавтомат для абразивно-струйной обработки типа 487Р; установка для рассева порошков мод.029; сушильный шкаф мод. СНОЛЗ,5.3,5,3\ЗИЗ; токарно-винторезный станок мод. 163; внутришлифовальный станок мод. 2М229ВФ2И; универсальные контрольно-измерительные средства.
Снижение затрат на приобретение новых втулок составило 50%; повышение ресурса ремонтмой втулки по сравнению с новой - 30%; сокращены расходы на перевозку втулок с завода.
Конверсионные технологии ресурсосберегающего восстановления и ремонта деталей, предлагаемые в межрегиональной целевой программе «СибВПКнефте-газ-2000», без принципиальных изменений могут быть рекомендованы для эффективного ремонта и восстановления деталей энергетического, транспортного агропромышленного и прочего оборудования различных классов.
Таблица 2
Материал покрытия Мощность, кВт Расход плазмо-образующего газа, л/мин Расход порошка кг\час Дистанция напыления, мм Коэффициент использования порошка, % Прочность Сто,. МПа
ПТ-Ю10Н 20 45 4 во 75 50-60
(ПГ-СР4)+(ПТ-Ю10Н)+(НПГ-75) 20 45 3,5 80 70 45-55
(КХМ-1 )+(ПТ-Ю10Н)+(НПГ-75) 20 45 3 80 70 45-55
(КХН„-30)+(НПГ-75) 20 45 3 80 65 40-50
Примечание: преимущественная грануляция порошков композиций от 40 до 100 мкм.
Таблица 3
Твердость и пористость износостойких покрытий___
Материал покрытия (композиции) Микротвердость, Нц 50 Твердость по Роквеллу, HRc Пористость в %
(ПГ-СР4)+(ПТ-Ю10Н)+(НПГ-75 400-1350 28-32 10-12
(КХНл-30)+(НПГ-75) 350-1000 26-30 14-16
(КХМ-1 )+(ПТ-Ю10Н)+(НПГ-75) 450-800 30-32 13-14
Примечание: пористость покрытий определяется методом гидростатического взвешивания и сравнением микрошлифов с эталоном.
Таблица 4
Материал покрытия (композиции) Параметр износа, мг/час Коэффициент трения
Основной материал детали 2,0 0,006
(ПГ-СР4)+(ПТ-Ю10Н)+(НПГ-75 1,2 0,005
(КХНг-30)+(НПГ-75) 1,0 0,004
(КХМ-1 ЖПТ-Ю10Н)+(НПГ-75) 0,8 0,004
Примечание: триботехнические характеристики износостойких покрытий исследовались на машине трения МИ-1. В качестве контртела использовался ролик из Р18, а призматические колодки изготавливались из материала восстанавливаемой детали и покрывались исследуемыми композициями. Испытания проводились в условиях граничного трения (1-2 капли масла с мин.) при нагрузке 5 Мпа.
Литература
1. Яновский А.Б. и др. Оборудование для ТЭК. Состояние и перспективы/Жонверсия в машиностроении.-1998.-Ns5-C.5-15.
2. Вивденко Ю.Н., Жильцов В.В., Котляров А.Я. Проблемы долговечности и ремонта нефтегазового оборудованиям/Рынок нефтегазового оборудования СНГ,-1997.-№8.-С.59-61.
3. Братухин А.Г. Развитие производства перспективных для оборонных отраслей промышленности материалов на базе металлургического комплекса России // Вестн. машиностроения.-1997.-№3.-С.36-39.
4. Логунов A.B. Восстановление деталей ГТД из титановых и никелевых сплавов методом лазерной модификации газотермических покрытий//Вестн. машиностроения.-! 992.-№6-7.-С.56-59.
5. Файншмидт Е.М., Создание безотходных технологических процессов производства спеченных деталей в машиностроения // Вестн. машиностроения.-1997.-С.28-32.
30.03.99 г.
ВИВДЕНКО Юрий Николаевич - доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения Омского государственного технического университета.
ЖИЛЬЦОВ Валерий Васильевич - кандидат технических наук, директор межрегиональной целевой программы «СибВПКнефтегаз-2000».
КОТЛЯРОВ Александр Яковлевич - кандидат технических наук, ведущий специалист дирекции межрегиональной целевой программы «СибВПКнефтегаз-2000».
СУПРУНОВ Геннадий Иванович - ведущий специалист Омского научно-исследовательского института технологии и организации производства двигателей.
