Актуальность работы
Одной из основных причин выхода из строя нефтяных штанговых глубинных насосов (ШГН) является неисправность клапанной пары, вызванная абразивным и коррозионным износом. Возникновение негерметичности клапанной пары приводит к снижению производительности или полному прекращению работы насоса.
Для добычи лёгкой и средней нефти, к которым относятся марки Siberian Light, Urals и Brent, наиболее востребованы клапанные пары из стеллитов, представляющих собой группу сплавов на основе хрома и кобальта. В настоящее время клапанные пары из стеллитов производятся методом порошковой металлургии, который, несмотря на достаточно высокие эксплуатационные характеристики получаемых изделий, не избавлен от определенных недостатков, а именно:
• Повышенный износ поверхности из-за наличия остаточной пористости, т.к. поры служат концентраторами напряжений и местами зарождения трещин. В процессе работы в порах может застревать абразивный материал, что приводит к увеличению степени износа поверхности контртела. Кроме того, наличие пор снижает коррозионную стойкость за счет увеличения площади взаимодействия поверхности с агрессивной средой.
• Сложность техпроцесса получения металлических порошков мелких фракций, приводящая к удорожанию стоимости изготовления продукции.
В связи с этим актуальной задачей является создание способа получения клапанных пар с высокими ударно-абразивными свойствами методом литья, лишенных озвученных выше недостатков.
Степень разработанности темы исследования
Большая часть работ отечественных ученых в области исследования клапанных пар посвящена сравнительной оценке стойкости стеллитовых клапанных пар различных производителей, полученных методом порошковой металлургии. Работы зарубежных исследователей главным образом затрагивают вопросы изучения свойств стеллитов с различным содержанием легирующих элементов безотносительно области их применения.
В данной диссертационной работе решена задача создания литейных сплавов на основе кобальтовых стеллитов для отливок шаров и седел клапанных пар, превосходящих по абразивной и коррозионной стойкости изделия, полученные методом порошковой металлургии.
Цель работы
На основании результатов теоретического и экспериментального исследования условий работы клапанных пар ШГН создать литейные сплавы для получения шара и седла клапанной пары, отличающиеся повышенной износостойкостью и коррозионной стойкостью.
В ходе исследования основное внимание было уделено решению следующих задач:
1. Разработать литейные сплавы для клапанных пар ШГН,
превосходящие по эксплуатационным свойствам используемые в
промышленности порошковые стеллиты.
2. Изучить влияние содержания легирующих элементов и технологических параметров литья на структуру и эксплуатационные свойства деталей клапанных пар.
3. Разработать технологию изготовления заготовок клапанных пар методом литья...
В заключении работы сформулированы выводы и общие научные и практические результаты исследования.
1. Исследована возможность применения для получения литых заготовок сплава Stellite 20, используемого в порошковой металлургии. Проведенный микроструктурный и фазовый анализ литого Stellite 20 показал наличие крупнозернистой структуры и высокого содержания хрупкой интерметаллидной ц фазы, склонной к выкрашиванию (около 20%).
2. Исследовано влияние технологических параметров, в частности скорости охлаждения, на микроструктуру кобальтовых стеллитов. Установлено, что различные способы увеличения скорости охлаждения поверхностного слоя металла через поверхность литейное формы не оказывают заметного влияния на микроструктуру литого сплава Stellite 20 по причине высокого теплового сопротивления формы. Глубина измельченного слоя составила не более 0,10,15 мм, что значительно меньше припуска на механическую обработку.
3. Установлено, что изменение концентрации различных легирующих элементов (главным образом C, Cr и W) в пределах марки сплава Stellite 20 не позволяет получить необходимый фазовый состав с содержанием ц фазы в пределах 10-12%. После расширения диапазона легирования за рамки химического состава сплава Stellite 20 был определен состав опытного литейного сплава Mk1. В рамках сплава Mk1 были отдельно выделены сплавы Mk1s и Mk1b для отливок «Седло» и «Шар» соответственно. Анализ этих сплавов показал наличие значительно более мелкой структуры, по сравнению со сплавом Stellite 20(Л), а также твердость 50-55 и 55-58 ед. HRC соответственно для Mkls и Mklb, что удовлетворяет требованиям API 11AX.
4. Изучено влияние термовременной обработки на сплавы Stellite 20(Л) и сплав Mk1. При нагреве до температуры 1700°С и последующем охлаждении в обоих случаях наблюдался гистерезис вязкости. После выдержки в течение 30 минут при температуре 1700°С в обоих сплавах наблюдалось измельчение крупных карбидов M7C3 и более равномерное распределение мелких карбидов M23C6 в объеме металла. Показатели твердости сплавов Stellite 20(Л) и Mk1 до и после термовременной обработки не изменились и составили 51-53 и 55-58 ед. HRC соответственно.
5. Показано, что при испытании на износ по закрепленному абразиву износостойкость кобальтовых стеллитов главным образом зависит от твердости структурных составляющих сплава и занимаемой ими суммарной площади, но не зависит от их размера и формы. При износе по незакрепленному абразиву напротив размер и форма карбидов имеют большое влияние, поскольку от их распределения главным образом зависит степень неравномерности износа мягкой кобальтовой матрицы.
6. Установлено, что при газоабразивном изнашивании при малых углах атаки (а<30°) исследуемые сплавы не обладают заметной разницей в степени износостойкости, т.к. механизм износа схож с износом по незакрепленному абразиву. По мере увеличения угла атаки абразива износ наиболее твердых сплавов, возрастает по причине изменения механизма изнашивания с микрорезания на удар, что приводит к выкрашиванию хрупких твердых фаз - крупных карбидов и интерметаллидов. Износ относительно пластичного сплава В3К с увеличением угла атаки значительно уменьшился, т.к. энергия ударного воздействия абразива расходуется главным образом на деформацию пластичной кобальтовой матрицы. Сплавы Mk1b и Mk1s показали сопоставимый друг с другом уровень износостойкости при различных углах атаки абразива. По сравнению с порошковым Stellite 20 оба опытных сплава показали меньшую степень износа при углах атаки 75-90°...
