CC BY
2
обработка материалов резанием
Metal cutting
УДК 621.941.1:621.9-1/-9 Б01 10.25960/то.2020.4.3
Обеспечение герметичности шиберной задвижки путем получения необходимой шероховатости седла из титанового сплава
Л. Миргородский1, С. А. Любомудров1, С И. Миргородский2, О. Ю. Ширипа1
1 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
2 Восточно-Казахстанский государственный технический университет им . Д . Серикбаева, г. Усть-Каменогорск, Республика Казахстан
В статье изложены результаты исследования герметичности шиберных задвижек со стальным корпусом и седлом, изготовленным из титанового сплава ВТ6, в зависимости от режима токарной обработки торцевой поверхности седла. Установлена существенная зависимость параметров шероховатости торцевой поверхности седла Ra и Rz от скорости резания, подачи и глубины. Результаты приемочных испытаний шиберных задвижек на Усть-Каменогорском заводе промышленной арматуры показали, что седла из титанового сплава с параметрами шероховатости торцевой поверхности Ra/Rz = 0,219/1,375 и Ra/Rz = 0,226/1,189 (мкм) прошли испытания и соответствуют СТ1836-1917-01-А0-01-2018.
Ключевые слова: нефтедобыча, коррозионная стойкость, шиберная задвижка, титановый сплав, шероховатость, режимы резания.
Введение
Добыча нефти сопровождается попутным газом, механическими примесями и пластовой водой, которая содержит различные соли, хлориды натрия, кальция, магния, карбонаты и сульфаты, что приводит к износу оборудования и выходу его из строя. Особенно остро стоит вопрос об износе оборудования на месторождениях, которые содержат аномально большое количество меркаптановой серы и других гетероатомных соединений, а попутный газ содержит до 30 % сероводорода. К таким месторождениям относится Тенгиз [1].
Важным элементом оборудования, износ которого наносит экономический ущерб всему процессу добычи нефти, являются шиберные задвижки. Их замена приводит к простою скважин. Коррозионный износ, обусловливающий потерю герметичности шиберной задвижки, представляет большую угрозу безопасности добычи нефти и газа [2]. Поэтому поиск новых способов повышения безотказной ра-
боты шиберных задвижек является актуальным. Ранее шиберные задвижки изготавливали в основном из стали, однако в последнее время все более широкое применение находят титановые сплавы, которые в 2-3 раза эффективнее противостоят коррозионному износу под воздействием агрессивных сред и высоких температур по сравнению с деталями из коррозионно-стойкой стали [3-5]. Титановые сплавы отличаются низкой плотностью, высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью и хорошими эксплуатационными характеристиками [6]. Вместе с тем титановые сплавы являются труднообрабатываемыми материалами из-за их низкой теплопроводности и высокой химической активности. Низкая теплопроводность титанового сплава ограничивает рассеивание тепла внутри заготовки, создавая более высокую температуру в зоне резания, и в сочетании с химической активностью приводит к быстрому износу режущей кромки инструмента [7, 8]. Титановый сплав и его обработка дороже стали, однако, несмотря
Рис. 1. Износ седла привел к потере герметичности и выходу из строя задвижки в целом
Fig. 1. Seat wear led to loss of tightness and failure of the valve as a whole
на это, применение задвижек из титановых сплавов является целесообразным для нефтедобычи на шельфе [9]. Рассматривается вариант замены отдельных деталей шиберных задвижек титановыми, которые определяют их срок службы, — седел.
Проведенный анализ 10 вышедших из строя шиберных задвижек, полученных с месторождения Тенгиз, показал, что причиной выхода их из строя является утечка нефти по поверхности контакта шибер—седло из-за увеличения шероховатости рабочей поверхности седла. Износ седла шиберной задвижки показан на рис. 1, где стрелки указывают на образовавшиеся каверны. Седла были изготовлены из стали 9Х18. Срок их работы сократился до 3-12 месяцев при гарантийном сроке эксплуатации, установленном производителем, 24 месяца со дня ввода в эксплуатацию.
с седлами
Fig. 2. 3D model of a gate valve with seats
В работе исследовались влияние параметров шероховатости седел из титанового сплава для обеспечения герметичности семи новых шиберных задвижек, которые были модернизированы путем замены седел из стали 9Х18 седлами из титанового сплава ВТ6. На рис. 2 показана трехмерная модель шиберной задвижки c седлами из титанового сплава.
Материалы и методы
Изготовление седел шиберных задвижек осуществлялось на токарном станке с ЧПУ CTX 510 ecoline. Обработка торцевых поверхностей седел выполнялась в двух последовательных режимах: черновой и чистовой обработки. В качестве заготовки был использован пруток диаметром 90 мм. Во всех экспериментах используемые инструменты и способы охлаждения во время обработки были идентичными. В качестве режущего инструмента для черновой обработки использовался инструмент PSKNR 2525M с твердосплавной пластиной SNMG 15 06 12-SM 1105 с радиусом при вершине 1,2 мм. Черновое точение выполнялось за 3 хода, шероховатость поверхности после черновой обработки не измерялась. Чистовая обработка выполнялась за 3 хода с использованием инструмента DVPNL 2525M 16 с твердосплавной пластиной VNMG 16 04 04-SM 1115 с радиусом при вершине 0,4 мм. Выбор инструмента и режимов был основан на рекомендациях компании Sandvik [10, 11].
Таблица 1
Характеристика смазочно-охлаждающей жидкости
Table 1
Characteristics of the cutting fluid
Параметр Значение Метод тестирования
Плотность при 15 °С, г/мл 0,98 DIN 51 757
Кинематическая вязкость при 40 °С, мм2/с 55 DIN 51 562-1
Коррозионная стойкость эмульсии >5 %, балл 0-0 DIN 51 360-2
рН 5 % эмульсии 9,5 DIN 51 369
Коэффициент ручного рефрактометра (Тестро) 1,3 FLV-T 5
П р и м е ч е н и е. FLV — метод испытаний лаборатории FUSH Europe Schmierstoffe GmbH.
ЕЦШ№РАБ)ТК|
Обработка титановых сплавов обычно происходит с низкой скоростью резания и с непрерывной подачей смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), которая обеспечивает отвод тепла, препятствует образованию трещин и предотвращает быстрый износ пластины [12]. В работе использовался традиционный способ подачи СОЖ, который позволяет достичь меньшей шероховатости поверхности, чем без подачи СОЖ, но несколько большей, чем при минимальной подаче СОЖ под давлением со скоростью потока 100 мл/ч [13]. При выборе СОЖ использовались рекомендации компании FLUX, основанные на проведенных тестах, демонстрирующих более длительную службу режущего инструмента, безопасность для здоровья и наименьшую способность к образованию пены. Была выбрана СОЖ ECOCOOL Global 10 UK. Параметры сма-зочно-охлаждающей жидкости представлены в табл. 1.
Шероховатость торцевых поверхностей седел измерялась на портативном устройстве MarSurf PS 10, длина трассирования составляла 1,5 мм. Измерения проводились в четырех точках по окружности и далее вычислялись средние значения Ra и Rz (разброс составлял не более 10 %). Измерение шероховатости седла прибором MarSurf PS 10 показано на рис. 3.
Рис. 3. Измерение параметров шероховатости седла прибором MarSurf PS 10
Fig. 3. Measurement of seat roughness parameters with the MarSurf PS 10 device
Результаты
Результаты измерения шероховатости (про-филограммы) для семи исследованных седел приведены на рис. 4.
Таблица 2 Table 2
Зависимость параметров шероховатости от режимов резания
Dependence of roughness parameters on cutting conditions
Седло Вид обработки Глубина t, мм Подача S, мм/об Скорость v, м/мин Шероховатость, мкм
Sandvick Практика Sandvick Практика Sandvick Практика Ra Rz
1-е Черновая 1-8 2 0,26-0,47 0,15 50-20 50 - -
Чистовая 0,15-2 0,15 0,05-2 0,10 60-55 60 0,533 2,654
2-е Черновая 1-8 2 0,26-0,47 0,25 50-20 50 - -
Чистовая 0,15-2 0,10 0,05-2 0,15 60-55 60 0,737 3,567
3-е Черновая 1-8 2 0,26-0,47 0,15 50-20 50 - -
Чистовая 0,15-2 0,15; 0,10; 0,05 0,05-2 0,10 60-55 60 0,724 3,582
4-е Черновая 1-8 2 0,26-0,47 0,25 50-20 50 - -
Чистовая 0,15-2 0,10 0,05-2 0,05 60-55 60 0,219 1,375
5-е Черновая 1-8 2 0,26-0,47 0,25 50-20 50 - -
Чистовая 0,15-2 0,10 0,05-2 0,05 60-55 90 0,403 1,995
6-е Черновая 1-8 2 0,26-0,47 0,25 50-20 50 - -
Чистовая 0,15-2 0,10 0,05-2 0,05 60-55 120 0,353 1,726
7-е Черновая 1-8 2 0,26-0,47 0,25 50-20 50 - -
Чистовая 0,15-2 0,10 0,05-2 0,05 60-55 160 0,226 1,189
mm R — Profile ISO 166 10-21 lc = 0,25 mm
2.0r
-2.0 L
mm R — Profile ISO 16610-21 lc = 0,25 mm 4.0r---------
It = 1,5 мм In = 0,25 mm/s
1-е седло
-4.0
lt = 1,5 мм ln = 0,25 mm/s
2-е седло
mm R — Profile ISO 166 10-21 lc = 0,25 mm 4.0
mm R — Profile ISO 16610-21 lc = 0,25 mm 2.0
-4.0------------L-----------J-------------L-----------J-----------J -2.0L
1,5 It = 1,5 мм In = 0,25 mm/s
4-е седло
lt = 1,5 мм ln = 0,25 mm/s
3-е седло
mm R — Profile ISO 16610-21 lc = 0,25 mm 4.0
-4.0
lt = 1,5 мм ln = 0,25 mm/s
5-е седло
1,5
Рис. 4. Профилограммы шероховатости поверхности седел
Fig. 4. Profilograms of saddle surface roughness
mm R — Profile ISO 16610-21 lc = 0,25 mm 2.0
-2.0
lt = 1,5 мм ln = 0,25 mm/s
6-е седло
mm R — Profile ISO 16610-21 lc = 0,25 mm 1.0
-1.0
lt = 1,5 мм ln = 0,25 mm/s
7-е седло
В табл. 2 приведены данные по режимам резания (рекомендуемые 8ап^1ек и используемые на практике) и параметры шероховатости Яа и Я2 для семи седел.
Седла 1-3 были изготовлены с разными глубиной и подачей, но с одинаковой скоростью резания на черновых и чистовых режимах обработки. Седло 1 по сравнению с седлами 2 и 3 обладает наименьшей шероховатостью поверхности. Применение минимальных глубин резания в седле 3 на последних ходах ухудшило параметры шероховатости по срав-
нению с седлом 1. Увеличение подачи при изготовлении седла 2 по сравнению с 1 и 3 привело к самому худшему результату. Седла 4-7 были изготовлены с одинаковыми глубиной, подачей и скоростью резания на черновых режимах, но с разной скоростью резания на чистовых режимах обработки. Очевидно, что подача оказывает существенное влияние на параметры шероховатости поверхности, особенно это видно при сравнении седел 2 и 4, где все остальные параметры резания полностью идентичны, а уменьшение подачи при-
0
0
0
0
0
0
0
вело к уменьшению значений Яа и Я2 более чем в 3 раза. Увеличение скорости до 90 и 120 м/мин при изготовлении седел 5 и 6 способствовало увеличению параметров шероховатости. Однако на скорости 160 м/мин, при изготовлении седла 7, удалось получить шероховатость, примерно равную лучшему результату у седла 4. Как видно из таблицы, в экспериментах параметры шероховатости поверхности изменялись от Яа = 0,737, Я2 = 3,567 до Яа = 0,219, Я2 = 1,375 мкм. Наименьшие значения параметров шероховатости получены при минимальной и максимальной скоростях резания. График зависимости параметров шероховатости от скорости резания для седел 4-7 показан на рис. 5.
Допустимое значение параметра Яа для стальных седел регламентируется документом РД 153-34.1-39.603-99: параметр шероховатости поверхности Яа не должен превышать 0,16 мкм. При этом параметр Я2 не регламентируется. Вместе с тем параметр Я2 может оказывать большее влияние на герметичность, поэтому он указывается в проведенном исследовании.
Шиберные задвижки с установленными в них седлами (7 штук) из титановых сплавов были переданы на Усть-Каменогорский завод промышленной арматуры для проведения стандартных для шиберных задвижек приемочных испытаний. Согласно актам испытаний шиберные задвижки с седлами 4 (Яа = 0,219, Я2 = 1,375) и 7 (Яа = 0,226, Я2 = 1,189) прошли приемочные испытания и соответствуют СТ 1836-1917-01-0А-01-2018. Остальные шиберные задвижки испытания не прошли.
Выводы
1. Приемочные испытания шиберных задвижек с седлами из титанового сплава показали возможность обеспечения герметичности задвижки путем подбора режима чистовой обработки торцевой поверхности седел.
2. Наименьшие значения параметров шероховатости, мкм, поверхности (Яа/Я2 = 0,219/ /1,375 и Яа/Я2 = 0,226/1,189) были получены при скоростях резания 60 и 160 м/мин.
3. Применение более эффективного охлаждения при резании с использованием М^Ъ
Rz, мкм Я„, мкм
4,0 г 1,0
3,6 0,9
3,2 0,8
2,8 0,7
2,4 0,6
2,0 0,5
1,6 0,4
1,2 0,3
0,8 0,2
0,4 0,1
-Rs- n
\ -, / A N
С / / Л 4 □
j Д i \ \ д
\
20 40 60 80 100 120 140 160 v, м/мин
Рис. 5. Зависимость параметров шероховатости поверхности от скорости резания
Fig. 5. Dependence of surface roughness parameters on cutting speed
lubrication (минимальная подача СОЖ под давлением), возможно, позволит дополнительно снизить шероховатость поверхности.
Литература [References]
1. Dorogochinskaya V. A., Angelova L. A., Kogan L. O., Gol'dshtein K. R., Semanyuk R. N. Comprehensive scheme for investigation of composition of Tengiz crude / Plenum Publishing Corporation. 1993. P. 182-187.
2. Jiang Long, Feng Chun, Liu Huiqun, Wang Le, Han Lihong, Feng Yaorong, Li Fangpo, Lu Caihong, Zhu Lijuan, Wang Hang, Yang Shangyu. Deformation Stability of a Low-Cost Titanium Alloy Used for Petroleum Drilling Pipe // Materials Science Forum. Trans Tech Publications, 2019. P. 887-891.
3. Nippon steel corporation. Features of titanium building materials. 2019. P. 1-20.
4. Mitsuo Ishii, Michio Kaneko, Takashi Oda. Titanium and Its Alloys As Key Materials for Corrosion Protection Engineering // Nippon steel technical report. 2003. N 87. P. 49-56.
5. Pohrelyuk I. M., Fedirko V. M., Tkachuk O. V., Proskurnyak R. V. Corrosion resistance of titanium alloys with oxynitride coatings in concentrated inorganic acids // Materials Science. 2014. Vol. 50, N 2. P. 269-276. DOI 10.1007/s11003-014-9717-4
6. Goutam Devaraya Revankar, Raviraj Shettyb, Shri-kantha Srinivas Raoc, Vinayak Neelakanth Gaitonded. Analysis of Surface Roughness and Hardness in Titanium Alloy Machining with Polycrystalline Diamond Tool under Different Lubricating Modes. 2014. P. 1010-1022.
7. Che-Haron C. H., Jawaid A. The Effect of Machining on Surface Integrity of Titanium Alloy Ti-6% Al-4% V. // Journal of Materials Processing Technology. 2005. Vol. 166. P. 188-192.
8. Kali Dass, Chauhan S. R. Machinability Study of Titanium (Grade-5) Alloy Using Design of Experiment Technique. 2011. P. 609-621.
9. Шашкова Ю. Применение титановых полуфабрикатов при изготовлении современных установок шельфовой нефтедобычи и энергоустановок // Экспозиция Нефть Газ. 2008. № 3/Н (64). С. 30-33. [Shashkova Yu. Application of titanium semi-finished products in the manufacture of modern offshore oil production and power plants. Expoziciya Neft Gaz. 2008, no 3/N (64), pp. 30-33. (In Russ.)]
10. Ларионова Т. А., Любомудров С. А., Ларионов Е. О. Методика определения рациональных режимов резания и геометрии режущего инструмента при точении титановых сплавов на основе математической модели образования погрешностей // Металлообработка. 2020.
№ 2. С. 49-57. DOI 10.25960/mo.2020.2.49 [Lariono-va T. A., Lyubomudrov S. A., Larionov E. O. Methods for determining rational cutting conditions and cutting tool geometry when turning titanium alloys based on a mathematical model of the formation of errors. Metal-loobrabotka. 2020, no 2, pp. 49-57. DOI 10.25960/mo. 2020.2.49 (In Russ.)]
11. Любомудров С. А. Ротаренко О. Ю. Влияние параметров резания на качество поверхностного слоя при точении титановых сплавов / Научный форум с международным участием Неделя науки СПбПУ // Материалы научно-практической конференции. СПб.: Изд-во Поли-техн. ун-та, 2015. Ч. 2. С. 281-285. [Lyubomudrov S. A., Rotarenko O. Yu. Influence of cutting parameters on the quality of the surface layer during turning of titanium alloys. Scientific forum with international participation SPbPU Science Week. Materials of the scientific and practical conference. Saint Petersburg: Publishing house of Polytechnic. un-that. 2015, pt. 2. pp 281-285. (In Russ.)]
Сведения об авторах
Миргородский Лев — аспирант кафедры «Технология машиностроения», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, e-mail: mirgorodskiy_lev@ mail.ru
Любомудров Сергей Александрович — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Технология машиностроения», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, e-mail: Lyubomudrow@yandex.ru
Миргородский Сергей Иванович — кандидат технических наук, доцент, преподаватель кафедры, Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Д. Серикбаева, 070004, г. Усть-Каменогорск, ул. Протозанова, д. 69, Республика Казахстан, e-mail: serg.mirg@yandex.ru
Ширипа Ольга Юрьевна — аспирант кафедры «Технология машиностроения», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, e-mail: olga.rotarenko@ mail.ru
Для цитирования: Миргородский Л., Любомудров С. А., Миргородский C. И., Ширипа О. Ю. Обеспечение герметичности шиберной задвижки путем получения необходимой шероховатости седла из титанового сплава. Металлообработка, 2020, № 4, c. 3-9. DOI 10.25960/mo.2020.4.3
UDC 621.941.1:621.9-1/-9 DOI 10.25960/mo.2020.4.3
Ensuring the tightness of the gate valve by obtaining the necessary roughness of the seat made of titanium alloy
L. Mirgorodskiy1, S. A. Lyubomudrov1, S. I. Mirgorodskiy2, O. Y. Shiripa1
1 Saint Petersburg state PoLytechnicaL University by Peter the Great, St . Petersburg, Russia
2 East Kazakhstan State Technical University by D . Serikbaev, Ust-Kamenogorsk, Republic of Kazakhstan
The article presents the results of the study of the tightness of gate valves with the steel body and the seat made of titanium alloy VT6, depending on the mode of turning the end surface of the seat. A significant dependence of the roughness parameters of the end surface of the seat Ra and Rz on the cutting speed, feed and depth is established. The results of acceptance tests of gate valves at the Ust-Kamenogorsk industrial valve plant showed that the titanium alloy seats with the parameters of the end surface roughness Ra/Rz = 0,219/1,375 microns and Ra/Rz = 0,226/1,189 microns were tested and they correspond to ST 1836-1917 -01-A0-01-2018.
Keywords: oil production, corrosion resistance, gate valve, titanium alloy, roughness, cutting conditions.
MEIAlL/pOBRABOTKA
ÜÜUViy
Information about the authors
Lev Mirgorodskiy — Postgraduate at the Department of „Engineering technology", Saint Petersburg State Polytechnical University by Peter the Great, 29, Poiytekhnicheskaya str., Saint Petersburg, 195251, Russia, e-mail: mirgorodskiy_lev@ mail.ru
Sergey A. Lyubomudrov — Candidate of Engineering Sciences, Docent, Head at the Department of „Engineering technology", Saint Petersburg State Polytechnical University by Peter the Great, 29, Poiytekhnicheskaya str., Saint Petersburg, 195251, Russia, e-mail: Lyubomudrow@yandex.ru
Sergey I. Mirgorodskiy — Candidate of Engineering Sciences, Docent, East Kazakhstan State Technical University by D. Serikbaev, 69, str. Protozanov, Ust-Kamenogorsk, 070004, Republic of Kazakhstan, e-mail: serg.mirg@yandex.ru
Olga Yu. Shiripa — Postgraduate at the Department of „Engineering technology", Saint Petersburg State Polytechnical University by Peter the Great, 29, Poiytekhnicheskaya str., Saint Petersburg, 195251, Russia, e-mail: olga.rotarenko @ mail.ru
For citation: Mirgorodskiy L., Lyubomudrov S. A., Mirgorodskiy S. I., Shiripa O. Y. Ensuring the tightness of the gate valve by obtaining the necessary roughness of the seat made of titanium alloy. Metalloobrabotka, 2020, no 4, pp. 3-9. DOI 10.25960/mo.2020.4.3
Уважаемые коллеги!
Открыта постоянная редакционная подписка на научно-производственный журнал «МЕТАЛЛООБРАБОТКА». Журнал учрежден и издается АО «Издательство «Политехника» с 2001 г.
Тематика: обработка материалов резанием, давлением, электрофизические и электрохимические методы обработки; новые технологии и материалы.
Тираж 1500 экз., объем от 60 с., периодичность — 6 номеров в год, стоимость одного номера — 700 руб. Постоянным подписчикам 10%-ная скидка. С 2003 г. журнал включен в Перечень ВАК.
Приглашаем к сотрудничеству авторов: научные статьи, одобренные редколлегией, редактируются и печатаются бесплатно.
Для рекламодателей по запросу высылаем расценки.
Подписные индексы: по каталогу «Роспечать» — № 14250.
