CC BY
37
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2020, №2, Том 12 / 2020, No 2, Vol 12 https://esj.today/issue-2-2020.html URL статьи: https://esj.today/PDF/04SAVN220.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Катков Д.С., Наумова О.В., Спиридонова Е.В. Повышение надежности трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов увеличением ресурса трибосопряжений насосного оборудования // Вестник Евразийской науки, 2020 №2, https://esj.today/PDF/04SAVN220.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Katkov D.S., Naumova O.V., Spiridonova E.V. (2020). Improving the reliability of pipeline transport of oil and oil products by increasing the resource of tribological connection of pumping equipment. The Eurasian Scientific Journal, [online] 2(12). Available at: https://esj.today/PDF/04SAVN220.pdf (in Russian)
УДК 62.25:62-251 ГРНТИ 73.39.41
Катков Данила Сергеевич
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Россия
Доцент
Кандидат технических наук, доцент E-mail: syberberg@yandex.ru РИНЦ: https://www.elibrary.ru/author profile.asp?id=674883
Наумова Ольга Валерьевна
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Россия
Доцент
Кандидат технических наук, доцент E-mail: uunaumov@mail.ru РИНЦ: https://www.elibrary.ru/author_profile.asp?id=393383
Спиридонова Елена Владимировна
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», Саратов, Россия
Доцент
Кандидат технических наук, доцент E-mail: spiritlena77@yahoo.com РИНЦ: https://www.elibrary.ru/author_profile. asp?id=713953
Повышение надежности трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов увеличением ресурса трибосопряжений насосного оборудования
Аннотация. В статье дан анализ надёжности трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов в составе линейной части и насосного оборудования. Приведена статистика отказов магистральных насосных агрегатов, эксплуатируемых компанией «Транснефть». Дан анализ причин отказов магистральных насосных агрегатов. Авторами отмечено, что основной причиной отказов магистральных насосных агрегатов являются отказы торцевых уплотнений, которые могут вызываться повышенным износом пары трения, нагревом уплотнения, дефектами в изготовлении и сборке деталей и узлов торцевого уплотнения, нарушением условий эксплуатации.
В качестве ресурсолимитирующих сопряжений определены торцевые уплотнения и вал-вкладыш подшипника скольжения. Установлено, что гидродинамический режим работы пары трения вал-вкладыш является определяющим для ее ресурса. Рассмотрен гидродинамический
режим смазки пары трения вал-вкладыш в период пуска (остановки) и в период установившейся работы.
Рассмотрено явление эффекта избирательного переноса, позволяющее реализовать в паре трения вал-вкладыш подшипника скольжения безысносную ее эксплуатацию в режиме квазижикого трения. Описан механизм реализации избирательного переноса, обоснованный эффектами Ребиндера, избирательного растворения медных сплавов и эффекта Киркендала. Режим квазижидкого рения рассмотрен с точки зрения формирования на трущихся поверхностях сервовитной пленки из меди и серфинг-пленки из сложных полимерных структур, облегчающих процесс скольжения и обеспечивающих залечивание дефектов, образующихся на поверхности металла. Приведены основные направления практической реализации избирательного переноса.
Авторами предложено применение финишной антифрикционной безабразивной обработки для реализации эффекта избирательного переноса в трущихся сопряжениях нефтеперекачивающего насосного оборудования. Описан технологический процесс нанесения антифрикционного покрытия.
Ключевые слова: надёжность; ресурс; усталостное разрушение; коррозия; подшипник; трибосопряжение; избирательный перенос; финишная антифрикционная безабразивная обработка; покрытие
Магистральные трубопроводы, предназначенные для транспортировки нефти и нефтепродуктов, представляют собой сложную систему сооружений с множеством восстанавливаемых и резервированных элементов.
Техническое состояние линейной части можно охарактеризовать герметичностью, несущей способностью, качеством изоляции, состоянием средств электрохимической защиты, работоспособностью запорно-регулирующей и предохранительной арматуры.
Техническое состояние нефтеперекачивающих станций определяется надежностью работы энергомеханического оборудования, электрооборудования, технологических и вспомогательных инженерных сооружений и коммуникаций.
Бесперебойная работа магистральных, подпорных и вспомогательных насосов оказывает значительное влияние на надежность эксплуатации трубопроводных систем. Их отказ может привести к значительным потерям, ущербу, авариям, поэтому их необходимо рассматривать как ответственные объекты.
Протяженность действующих трубопроводов компании «Транснефть» составляет более 72 тыс. км, из которых более 19 тыс. км приходятся на нефтепродуктопроводы. Нефть и нефтепродукты перекачивают около 2400 магистральных насосов в составе 87 нефтеперекачивающих станций [1]. Однако несмотря на активную динамику развития нефтедобывающей отрасли, большая часть насосного оборудования эксплуатируется более 30 лет. Длительная эксплуатация насосного оборудования, в условиях, высоких температур, давлений и агрессивных сред, с включениями абразивных частиц, приводит к его быстрому моральному и физическому износу.
Надежность магистральных насосов в настоящее время остается недостаточной.
Основной причиной отказов магистральных насосных агрегатов являются отказы торцевых уплотнений, которые могут вызываться повышенным износом пары трения, нагревом уплотнения, дефектами в изготовлении и сборке деталей и узлов торцевого уплотнения, нарушением условий эксплуатации.
Таблица 1
Структура отказов магистральных насосов
Причина отказа Число отказов, %
Торцевые уплотнения валов 30,4
Подшипники 15,4
Ошибки обслуживающего персонала 12,1
Маслосистема 9,3
Повышенная вибрация 4,3
Система утечек и разгрузки 3,9
Прочие 24,6
Составлено авторами
Вследствие досрочного выхода из строя торцевых уплотнений в центробежных насосах. Средняя наработка насосов до выхода из строя торцевых уплотнений составляет около 1000ч при установленном ресурсе 8000 ч. [2].
Второй по значимости проблемой (15,4 %) является выход из строя подшипников, вызванный усталостным разрушением, нарушением гидродинамического режима смазки, плохим качеством масла, их некондиционностью, большим осевым смещением ротора электродвигателя или вала насоса.
Отказы механической части и маслосистемы в большинстве случаев происходят из-за дефектов (повреждения, неисправности) опорных узлов, а также редукторов, муфт, деталей и узлов магистральных насосных агрегатов, омываемых маслом.
Большинство исследователей сходятся во мнении, что определяющими сопряжениями для ресурса магистральных насосов являются торцевые уплотнения и подшипники, т. е. элементы воспринимающие динамические нагрузки.
Основными причинами выхода из строя подшипников скольжения являются усталостное разрушение вкладыша подшипника, вызванное неправильным подбором материала вкладыша подшипника, ошибками при монтаже и механическими разрегулировками в процессе эксплуатации, изменение режима работы пары трения вал-вкладыш с жидкостного на полужидкоснтый или граничный.
Последнее может быть вызвано попаданием в зону трения абразива из смазочного материала или перекачиваемой среды, агрессивное воздействие которой, в свою очередь, может спровоцировать возникновение эрозионных процессов на поверхности металла, а присутствие растворенных в нефти и нефтепродуктах газов и пара - развитие коррозионных процессов и кавитационное изнашивание [3].
Гидродинамический режим работы пары трения вал-вкладыш является определяющим для ее ресурса.
Самый опасный, с точки зрения режима граничного трения, период в ее работе - это пуск (рис. 1а).
В этот момент на рабочих поверхностях деталей узлов трения скольжения отсутствует масляная пленка, а вал опирается на подшипник. В начальный период работы (рис. 1б), наблюдается отсутствие устойчивого масляного клина.
При возрастании же частоты вращения вал, захватывая смазку, проталкивает ее в самую узкую часть клиновидной щели, и эта смазка приподнимает вал, одновременно смещая его в сторону, обратную направлению качения. Достигнув определенной частоты вращения, нагруженный вал всплывает в подшипнике, и рабочие поверхности разделяются слоем смазки
[4].
Наименьшая
Центр bona
а
толщина смазочного слоя б
Рисунок 1. Положение вала в подшипнике в состоянии покоя (а) и при работе (б) (разработано авторами)
Наука о повышении работоспособности и долговечности машин базируется на теоретических и прикладных разработках в области трения и износа деталей машин, выполненных Д.Н. Гаркуновым, Б.И. Костецким, И.В. Крагельским, Н.М. Любарским, М.М. Хрущовым, А.В. Чичинадзе, Буденом и др. [5-12].
В настоящее время вышеописанные проблемы в существующем насосном и оборудовании магистрального нефтепроводного транспорта решаются применением при изготовлении подшипников скольжения антифрикционных материалов на основе баббитовых сплавов.
Это обосновано необходимостью реализации эффекта избирательного переноса [5-7;
Эффект избирательного переноса был открыт в 1956 г. Д.Н. Гаркуновым и И.В. Крагельским. Значительный вклад в исследование его механизма и реализации внесли отечественные и зарубежные ученые В.И. Балабанов, А.А. Полякова, Г. Польцер, И. Ланге и
Механизм избирательного переноса в паре трения бронза-сталь объясняется на начальной стадии трения эффектом избирательного растворения медных сплавов, эффектом Ребиндера и эффектом Киркендала [15-18].
В процессе трения происходит избирательное растворение медного сплава (баббита), а разность потенциалов, возникающая между трущимися поверхностями, приводит к образованию в смазочном материале мицелл на основе меди с размером частиц 1/100 мкм. В начальный момент контакта, когда медь заряжена положительно, мицеллы разрушаются на поверхности меди. Затем происходит перезарядка, и аналогичный процесс протекает уже на стальной поверхности. После переноса части свободной меди на стальную поверхность, растворяется следующая порция бронзы. При этом процесс переноса меди на стальную поверхность осуществляется порциально. Частицы меди с бронзовой поверхности переносятся на контактирующие микровыступы шероховатостей стальной поверхности, а затем происходит заполнение впадин неровностей.
В результате механизма вакансионно-дислокационного замещения на поверхностях трения образуется слой свободной меди толщиной 1...2 мкм (сервовитная пленка), после чего процесс переноса прекращается и наступает режим пассивации.
13].
др. [14-18].
Пленка повышает износостойкость поверхностей на два порядка и снижает силы трения на один порядок по сравнению с аналогичными условиями трения при граничной смазке [14].
Если по каким-то причинам (попадание крупного абразива, действие коррозионной среды и т. д.) медная пленка разрушается, процесс растворения бронзы возобновляется, и происходит «залечивание» разрушенного участка.
Также между трущимися поверхностями образуется дополнительный слой, предохраняющий их от непосредственного контакта и облегчающий скольжение - «серфинг-пленка», представляющий собой высокомолекулярные соединения и полимеры трения.
Таким образом дальнейший процесс осуществляется в режиме квазижидкого трения.
Но реализация эффекта избирательного переноса возможна лишь при установившемся режиме работы пары трения. На начальной же стадии, когда растворение бронзы еще не произошло, а сопряжение подвергается серьезным нагрузкам, возникает потребность в наличии покрытия уже способного к избирательному переносу.
Подобное покрытие можно получить методом финишной антифрикционной безабразивной обработки в качестве суперфинишной операции при обработке посадочных поверхностей нового вала насоса или по завершении капитального ремонта.
Наибольший интерес представляет нанесение металлического (медного) покрытия фрикционно-механическим и фрикционно-химическим способами.
Обрабатываемую поверхность обезжиривают, а перед нанесением покрытия покрывают раствором (глицерином или смесью двух частей глицерина и одной части 10%-ного раствора соляной кислоты), который в процессе трения разрыхляет оксидную пленку на поверхности стали, пластифицирует поверхность медного сплава и создает условия для схватывания его со сталью.
Взаимодействие продуктов превращения глицерина и других органических веществ, содержащихся в технологических средах, приводит также к образованию высокомолекулярных соединений и полимеров трения.
Затем осуществляют либо осаждение на поверхность слоя меди из металлоплакирующей жидкой среды в процессе активации поверхности инструментами из резины или фетра (фрикционно-химический способ), либо покрытие наносится натиранием поверхности вала цилиндром изготовленным из композиционного материала в присутствии рабочей среды (как правило раствор серной кислоты), пластифицирующей основной металл (фрикционно-механический способ).
Полученное покрытие обладает не только благоприятными антифрикционными и антикоррозионными свойствами, но и лучше адсорбирует смазочный материал, оказывая влияние на величину краевого угла смачиваемости [19-21].
В.И. Балабановым были сформулированы основные направления путей практической реализации избирательного переноса [15]:
1. Применение трущихся пар, которые дают избирательный перенос.
2. Применение трущихся пар с предварительным нанесением слоя для реализации эффекта безызносности.
3. Применение смазочных материалов с металлосодержащими компонентами, обеспечивающими процессы формирования сервовитной пленки.
4. Применение оптимальных конструкций узлов трения для реализации избирательного переноса.
5. Обеспечение работы узла трения в условиях (давление, скорость, температура), характерных для реализации избирательного переноса в данной паре трения при данном смазочном материале.
6. Комплексное использование нескольких условий реализации избирательного переноса при трении.
С учетом вышеизложенного, наибольший интерес для повышения надежности трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов увеличением ресурса трибосопряжений насосного оборудования на основе реализации эффекта избирательного переноса, представляет именно комбинированное применение антифрикционных сплавов для изготовления их подшипников скольжения в сочетании с финишной антифрикционной безабразивной обработкой посадочных поверхностей вала.
Именно в этом случае наиболее полно реализуется весь комплекс положительных свойств избирательного переноса и возможность получения максимальных результатов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Официальный сайт ПАО «Транснефть» [Электронный ресурс]. URL: https://www.transneft.m/pressroom/rgn/?print=1 (дата обращения 15.02.2020).
2. Машков Ю.К. Повышение эффективности нефтеперекачивающих станций магистральных нефтепроводов [Электронный ресурс] / Ю.К. Машков, А.А. Гладенко, З.Н. Овчар // «СибВПКнефтега-2000» - этап реализации. - Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/povyshenie-effektivnosti-nefteperekachivayuschih-stantsiy-magistralnyh-nefteprovodov/viewer (дата обращения 15.02.2020).
3. Кунина П.С. Анализ дефектов опорных элементов газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов / П.С. Кунина, Е.И. Величко, А.Е. Нижник, А.В. Музыкантова, М. Абессоло // Журнал «Территория «НЕФТЕГАЗ». - вып. 4. - М: ЗАО «Камелот паблишинг», 2016. - C. 68-74. - ISSN 2072-2745.
4. Казарцев В.И. Ремонт машин / В.И. Казарцев. - М.-Л.: Сельхозиздат, 1981. -583 с.
5. Основы трибологии: учебник для вузов / под ред. А.В. Чичинадзе. - М.: Центр «Наука и техника», 1995. - 777 с.
6. Крагельский И.В. Узлы трения машин / И.В. Крагельский, Н.М. Михин. - М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.
7. Гаркунов Д.Н. Триботехника / Д.Н. Гаркунов. - М., 2001. - 614 с.
8. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах / Б.И. Костецкий. - Киев.: Техника, 1979. - 396 с.
9. Любарский И.М. Металлофизика трения / И.М. Любарский, Л.С. Палатник. - М.: Металлургия, 1976.
10. Хрущов М.М. Абразивное изнашивание / М.М. Хрущов, М.А. Бабичев. - М.: Наука, 1970. - 252 с.
11. Engel-Herbert H. Rtibpaarungen-Beispiele fur die Wirkung von phusikalischen Gesetzen der Selbstorganisation / H. Engel-Herbert, Schumann. - Smierungstechnik, Berlin 18. (1987). - S. 74-78.
12. Bouden F.P. Friction - An Introduction to Tribology / F.P. Bouden, D. Tabor. - London, Heinemann, 1973. - Р. 128.
13. Крагельский И.В. Основы расчетов на трение и износ / И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.
14. Поляков А.А. Дислокационно-вакансионный механизм избирательного переноса / А.А. Поляков // Эффект безызносности и триботехнологии. - 1992. - № 3-4. -С. 3-10.
15. Балабанов В.И. Повышение долговечности двигателей внутреннего сгорания сельскохозяйственной техники реализацией избирательного переноса при трении: дис. ... д-ра техн. наук. / Балабанов В.И. - М., 1999. - 342 с.
16. Polzer G. Selektiven Übertragung und Reibbeschichten / G. Polzer. - Zwikkau, 1988. - 88 s.
17. Польцер Г. Использование трения для нанесения покрытий на рабочие поверхности цилиндров двигателей / Г. Польцер, Мюллер, И. Ланге // Долговечность трущихся деталей машин. - 1996. - Вып. 1. - С. 88-96.
18. Куксенова Л.И. Оценка трибологической эффективности покрытий после финишной антифрикционной безабразивной обработки / Л.И. Куксенова, Ю.А. Назаров, Л.М. Рыбакова // Тезисы докладов междунар. конгр. «Защита-95» / Академия нефти и газа им. Губкина. - М., 1995. - С. 158.
19. Arieta F.G. Experimental technique to determine the wettability of surfaces of lubricating oils / F.G. Arieta, D.T. Gawne // Mater. Sci. - 1966, Vol. 21. - N. 5. - P. 1793-1800.
20. Osipov L.I. Surface chemistry / L.I. Osipov // American chemistry society monograph serie. - Renhold publigking corporation. - New York, 1962. - P. 481.
21. Major Correction Powder Deffraction File, Inorganic, CPDS. - Swartwore, Pensylvania, USA, 1987.
Katkov Danila Sergeevich
Yuri Gagarin state technical university of Saratov, Saratov, Russia
E-mail: syberberg@yandex.ru
Naumova Olga Valerevna
Yuri Gagarin state technical university of Saratov, Saratov, Russia
E-mail: uunaumov@mail.ru
Spiridonova Elena Vladimorovna
Saratov state agrarian university named after N.I. Vavilov, Saratov, Russia
E-mail: spiritlena77@yahoo.com
Improving the reliability of pipeline transport of oil and oil products by increasing the resource of tribological
connection of pumping equipment
Abstract. The article analyzes the reliability of the pipeline transport of oil and oil products as part of the linear part and pumping equipment. The failure statistics of the main pumping units operated by Transneft are presented. The analysis of the causes of failure of the main pumping units is given.
The authors noted that the main cause of failures of main pumping units is the failure of mechanical seals, which can be caused by increased wear of the friction pair, heating of the seal, defects in the manufacture and assembly of parts and components of the mechanical seal, and violation of operating conditions. As resource-limiting interfaces, mechanical seals and a plain bearing shaft are defined. It has been established that the hydrodynamic mode of operation of a friction-shaft-liner pair is crucial for its resource. The hydrodynamic regime of lubrication of the friction pair of the shaft-liner during the start-up (stop) and during the steady-state operation is considered.
The phenomenon of the effect of selective transfer is considered, which makes it possible to realize it's useless operation in the quasi-fluid friction mode in a friction pair. The mechanism of the implementation of selective transfer, justified by the effects of Rebinder, selective dissolution of copper alloys and the Kirkendal effect, is described.
The regime of quasi-liquid rhenium is considered from the point of view of forming a servovitic film of copper and a surfing film of complex polymer structures on friction surfaces, facilitating the sliding process and providing healing of defects formed on the metal surface. The main directions of the practical implementation of selective transfer are given.
The authors proposed the use of finish anti-friction unabrasive treatment to realize the effect of selective transfer in the rubbing joints of oil-pumping equipment. The technological process of applying an antifriction coating is described.
Keywords: reliability; service life; fatigue failure; corrosion; bearing; tribological conjugation; selective transfer; finish anti-friction unabrasive treatment; coating
