Підвищення довговічності торцевих ущільнень нафтогазопромислових відцентрових насосів

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі – підвищенню довговічності торцевих ущільнень нафтогазопромислових насосів шляхом використання металокерамічних композитів на основі вищого карбіду хром для виготовлення ущільнюючих кілець із високою стійкістю до терморозтріскування та високим рівнем антифрикційних властивостей. Металокерамічні кільця виготовляли шляхом просочування пористих заготовок із карбіду хрому (Cr3C2) мідно-нікель-марганцевим розплавом (Cu60Ni20Mn20) у вакуумі. Оцінку ефективності застосування розробленого матеріалу для виготовлення кілець торцевих ущільнень проводили шляхом експериментального визначення його механічних і триботехнічних властивостей. Для визначення теплофізичних властивостей металокерамічного матеріалу було проведено просторове моделювання його структури. Проведені експериментальні та теоретичні дослідження показали, що для пари SiC по Cr3C2–Cu60Ni20Mn20 температурний перепад у зоні контакту є практично у 3 рази нижчим порівняно із традиційною парою SiC по SiC. Це передбачає суттєво вищі показники стійкості проти термічного розтріскування. Промислові випробовування кілець показали, що запропонована комбінація матеріалів кілець дозволяє підвищити довговічність торцевих ущільнень у 2 рази порівняно із серійними за даними планового техогляду.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-практической задачи - повышению долговечности торцевых уплотнений нефтегазопромысловых насосов путем использования металлокерамических композитов для изготовления уплотнительных колец с высокой устойчивостью к терморастрескиванию и высоким уровнем антифрикционных свойств. Показано, одной из основных причин выхода строя торцевых уплотнений является хрупкое разрушение уплотнительных колец, что обусловлено перепадом температур в зоне трения. Терморастрескивание возникает в условиях появления сухого трения на начальных стадиях работы или при аварийных режимах. Проанализированы основные современные типы материалов, используемых для изготовления колец и выявлены их преимущества и недостатки. Показано, что в условиях работы, где возникает высокий риск появления сухого трения использования пар колец с керамических материалов является нерациональным. На основе этого предложено использовать для изготовления колец металлокерамические композиты с матрицей на основе медно-никель-марганцевых сплавов, которые обладают свойством упрочнятся за счет старения. Выбран метод получения колец торцевых уплотнений, а именно пропитка пористого керамического каркаса расплавом в вакууме. На основе сравнительного анализа свойств и стоимости керамических материалов для изготовления колец был выбран высший карбид хрома (Cr3C2). Для оценки эксплуатационных характеристик колец было предложено комплексное определение механических и триботехнических свойств материала, а также стендовые испытания на спроектированном полупромышленном стенде, использование которого позволяет измерять температуру в зоне контакта и коэффициент трения. Проведен анализ структуры, химического и фазового состава материала колец методами электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и рентгеновского фазового анализа. По результатам исследований было установлено характер распределения и форму зерен Cr3C2 в композите и его фазовый состав. На основе этого было смоделировано объемную структуру композита, по параметрам которой были определены теплофизические свойства материала колец. На основе решения уравнения теплопроводности Фурье с применением интегрального преобразования Лапласа при заданных граничных условиях было получено уравнение, описывающее распределение температур и температурные перепады в зоне контакта колец. Расчеты показали, что для пары SiC по Cr3C2 -Cu60Ni20Mn20 температурный перепад в зоне контакта практически в 3 раза ниже по сравнению с парой SiC по SiC. Это предполагает существенно более высокие показатели стойкости к термическому растрескиванию. Проведены испытания металлокерамических материалов колец на фрикционную теплостойкость, по результатам которых установлено, что на поверхностях трения в паре SiC по Cr3C2−Cu60Ni20Mn20 формируется пластический богатый медью термостойкий поверхностный слой с высокими антифрикционными свойствами. Формирование поверхностного слоя происходит при скоростях скольжения от 1 до 5 м / с при давлении равного 1 МПа. Определены механические свойства металлокерамического материала колец (твердость, трещиностойкость, прочность во время изгиба) и установлено, что при выдержке материала колец 400 ° С в течение 10 ч. твердость и прочность материала возрастают на 23% и 17% соответственно. Таким образом, повышение температуры которое имеет место при работе торцевых уплотнений для разработанного композита имеет положительный эффект. Установлено, что износостойкость металлокерамического материала колец в условиях абразивного износа при трении по закрепленному абразиву превышает износостойкость исследованных высокохромистых сплавов (Т-620, Т-590, сормайт ЦС-1), что объясняется высоким содержанием карбидной фазы. Эксплуатационные испытания пары колец SiC по Cr3C2 -Cu60Ni20Mn20 было осуществлено на Долинском газоперерабатывающем заводе (структурное подразделение ОАО Укрнафта) на линии газофракционирующей установки предназначенной для разделения широкой фракции углеводородов на узкие. Для испытаний кольца были установлены на насос 4НГ5 × 2, предназначенный для перекачки сжиженного пропана в соответствии с действующим технологическим регламентом. Промышленные испытания колец показали, что предложенная комбинация материалов колец позволяет повысить долговечность торцевых уплотнений в 2 раза по сравнению с серийными по данным планового техосмотра.

The thesis is dedicated to the solution of the actual scientific and technical problem – increasing the durability of the mechanical seals of oil and gas centrifugal pumps by using metal-ceramic composites for the production of sealing rings with high thermal cracking resistance and high level of antifriction properties. Metal-ceramic rings were made by pressureless infiltration of chromium carbide (Cr3C2) porous performs with copper-nickel-manganese melt (Cu60Ni20Mn20). An assessment of the effectiveness of the application of the developed material for the manufacture of rings of mechanical seals was carried out by means of an experimental determination of its mechanical and tribotechnical properties. To determine the thermophysical properties of the metal-ceramic material, a spatial modeling of its structure was carried out. The conducted experimental and theoretical studies have shown that for SiC by Cr3C2-Cu60Ni20Mn20 pair the temperature gradient in the contact zone is practically 3 times lower than in the traditional SiC by SiC pair. This implies significantly higher resistance to thermal cracking. Industrial testing of rings has shown that the proposed combination of materials of rings can increase the durability of mechanical seals by 2 times compared with serial data from the planned inspection.