Деталь ступени погружного центробежного насоса и способ ее изготовления

 

Изобретения относятся к гидромашиностроению и могут быть использованы в насосах для добычи нефти и других агрессивных жидкостей с высоким содержанием абразивных частиц. Деталь выполнена из литой чугунной заготовки. Материал заготовки содержит от 1,1 до 3,0% углерода и не менее 70% аустенита. По крайней мере одна из поверхностей детали образована путем пластической деформации соответствующей поверхности заготовки ультразвуковым инструментом с обеспечением формирования на поверхности детали обогащенного карбидами слоя толщиной не менее 2 мкм, такого, что содержание сложных карбидов в указанном слое, по меньшей мере, в три раза превышает содержание карбидов в остальном объеме детали. Содержание карбидов в обогащенном карбидами слое находится в пределах от 3 до 20%. Поверхность детали, подвергаемая пластической деформации, сформирована путем механической обработки поверхности заготовки, например, путем токарной или фрезерной обработки. Изобретения направлены на повышение коррозионной стойкости и износостойкости детали с одновременным уменьшением времени приработки трущихся поверхностей, снижение требований к материалу заготовки и качеству ее черновой обработки при сохранении высоких механических свойств чугуна по всему объему заготовки, 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретения относятся к гидромашиностроению и могут быть использованы при создании центробежных насосов, предназначенных для добычи нефти и других агрессивных жидкостей с высоким содержанием абразивных частиц.

Известна деталь ступени погружного центробежного насоса и способ ее изготовления, описанные в патенте RU 2116515 С1, 27.07.1998, F 04 D 1/06. Деталь выполняют из литой чугунной заготовки и подвергают упрочняющей обработке с целью повышения ее износостойкости.

Указанное техническое решение принято за прототип для всех изобретений заявленной группы.

Недостатком прототипа является то, что упрочняющая обработка, заключающаяся в закалке заготовки из перлитного или перлитно-ферритного чугуна, модифицированного редкоземельными металлами, на мартенситную структуру с последующим низким отпуском, не обеспечивает комплексного повышения надежности и долговечности ступени насоса за счет повышения коррозионной и износостойкости и обеспечения высоких эксплуатационных и технологических характеристик.

Таким образом, задача, на решение которой направлены заявленные изобретения, состоит в создании ступени погружного центробежного насоса, предназначенной для использования в агрессивной среде и в условиях, благоприятствующих высокому абразивному износу, а также в разработке способа ее изготовления.

Технический результат, достигаемый при реализации каждого из заявленных изобретений, состоит в повышении коррозионной стойкости детали в агрессивной среде и повышении ее износостойкости с одновременным уменьшением времени приработки трущихся поверхностей, а также снижении требований к материалу заготовки и качеству ее предварительной черновой обработки, при сохранении высоких механических свойств чугуна по всему объему заготовки.

Конструкция детали ступени погружного центробежного насоса, обеспечивающая достижение указанного выше технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.

Деталь ступени погружного центробежного насоса выполнена из литой чугунной заготовки. При этом в отличие от детали известной конструкции материал заготовки содержит от 1,1 до 3,0% углерода и не менее 70% аустенита. По крайней мере, одна из поверхностей детали образована путем пластической деформации соответствующей поверхности заготовки ультразвуковым инструментом с обеспечением формирования на поверхности детали обогащенного карбидами слоя толщиной не менее 2 мкм, такого, что содержание сложных карбидов в указанном слое, по меньшей мере, в три раза превышает содержание карбидов в остальном объеме детали.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения содержание карбидов в обогащенном карбидами слое может находиться в пределах от 3 до 20%.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения поверхность детали, подвергаемая пластической деформации, сформирована путем механической обработки поверхности заготовки.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения поверхность детали, подвергаемая пластической деформации, сформирована путем токарной обработки поверхности заготовки.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения поверхность детали, подвергаемая пластической деформации, сформирована путем фрезерной обработки поверхности заготовки.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения пластической деформации может быть подвергнуто не менее 70% соответствующей поверхности заготовки.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения рабочий орган ультразвукового инструмента в процессе пластической деформации поверхности заготовки может перемещаться по нормали к поверхности с частотой от 20 до 150 кГц и амплитудой не менее 3 мкм.

Способ изготовления ступени погружного центробежного насоса, обеспечивающий достижение указанного выше технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.

Способ изготовления детали ступени погружного центробежного насоса заключается в том, что из чугуна, содержащего от 1,1 до 3,0% углерода, отливают заготовку детали с обеспечением содержания аустенита в охлажденной заготовке не менее 70%. По крайней мере, одну поверхность заготовки подвергают последовательно механической обработке и пластической деформации. Пластическую деформацию осуществляют путем однократного перемещения по указанной поверхности инструмента, воздействующего на участки поверхности с ультразвуковой частотой в направлении, приближенно, нормальном к соответствующему участку поверхности, таким образом, что обеспечивается формирование на поверхности детали обогащенного карбидами слоя толщиной не менее 2 мкм, такого, что содержание сложных карбидов в указанном слое, по меньшей мере, в три раза превышает их содержание в остальном объеме детали.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения содержание карбидов в обогащенном карбидами слое может находиться в пределах от 3 до 20%.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения механическую обработку поверхности заготовки осуществляют путем токарной обработки.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения механическую обработку поверхности заготовки осуществляют путем фрезерной обработки.

На фиг.1 изображено рабочее колесо ступени погружного центробежного насоса.

На фиг.2 изображен рабочий орган ультразвукового инструмента в процессе пластического деформирования поверхности заготовки.

Деталь ступени погружного центробежного насоса, например рабочее колесо 1, изготавливают следующим образом.

Из чугуна типа "нирезист", содержащего 1,7% углерода, отливают заготовку детали, которую охлаждают в режиме, обеспечивающем содержание аустенита в охлажденной заготовке 90%, содержание сложных карбидов в объеме заготовки составляет 6,0%, неустранимые примеси - 0,7%.

Содержание углерода менее 1,1% не обеспечивает возможность насыщения поверхностного слоя заготовки требуемым количеством карбидов в процессе пластического деформирования поверхности, причем возможность образования требуемого количества карбидов в поверхностном слое обеспечивается при содержании аустенита в охлажденной заготовке более 70%. Содержание углерода более 3,0% затрудняет процесс пластического деформирования поверхности заготовки.

Отлитую охлажденную заготовку, для обеспечения требуемых размеров, подвергают черновой токарной обработке, включающей в себя обработку поверхности А, контактирующей с втулкой направляющего аппарата соответствующей ступени насоса, и поверхности В, контактирующей с втулкой направляющего аппарата нижней ступени. Указанные поверхности рабочего колеса наиболее подвержены гидроабразивному износу под воздействием взвешенных в перекачиваемой жидкости наносов. Твердость крупных включений и наносов в пластовой жидкости достигает 5-5,5 по шкале Мооса, при этом содержание абразива обычно находится в пределах от 0,1 до 0,2%, что делает процесс износа весьма активным, причем его интенсивность возрастает с увеличением числа ступеней в секции насоса. Гидроабразивный износ ведет к снижению энергетических характеристик гидромашины и увеличению потребляемой энергии, а также требует значительных затрат на ремонтные работы.

Затем поверхности А и В подвергают пластическому деформированию путем однократного перемещения по поверхности 2 (см. фиг.2) ультразвукового инструмента, содержащего установленные в корпусе блок питания, ультразвуковой генератор, магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором (волноводом), на торцевой части которого закреплен излучатель с контактным рабочим органом 3 шаровидной формы, воздействующим на участки поверхности с ультразвуковой частотой в направлении, приближенно, нормальном к соответствующему участку поверхности.

Экспериментально установлено, что формирование на поверхности детали обогащенного карбидами слоя оптимальной толщины h, равной 8 мкм, с содержанием сложных карбидов 18% обеспечивается при режиме пластической деформации, предусматривающем перемещение рабочего органа 3 по нормали к поверхности с частотой 140 кГц и амплитудой 3 мкм, если воздействию подвергается не менее 70% обрабатываемой поверхности заготовки.

Пластическое деформирование упомянутых поверхностей рабочего колеса существенно уменьшает их шероховатость, а обогащение поверхностного слоя сложными карбидами в сочетании с механическим упрочнением обеспечивает возможность исключения процесса микрорезания обработанных поверхностей абразивными частицами, характерного для работы деталей ступеней насосов известных конструкции. Кроме того, снижение шероховатости поверхности детали и обогащение поверхности карбидами обеспечивает повышение коррозионной стойкости обработанных поверхностей и соответственно повышение надежности и долговечности ступени насоса.

Рабочее колесо ступени погружного центробежного насоса работает следующим образом.

Рабочее колесо 1 посредством шпоночного соединения устанавливают на приводном валу внутри направляющего аппарата ступени (на чертеже не показаны) таким образом, что рабочее колесо через антифрикционную шайбу опирается на опорный бурт направляющего аппарата нижней ступени, а поверхности А и В размещаются во втулках направляющего аппарата. Рабочее колесо 1 приводят во вращение относительно неподвижного направляющего аппарата, при этом лопасти 4 рабочего колеса обеспечивают перекачку пластовой жидкости.

Формула изобретения

1. Деталь ступени погружного центробежного насоса, выполненная из литой чугунной заготовки, отличающаяся тем, что материал заготовки содержит от 1,1 до 3,0% углерода и не менее 70% аустенита, а, по крайней мере, одна из поверхностей детали образована путем пластической деформации соответствующей поверхности заготовки ультразвуковым инструментом с обеспечением формирования на поверхности детали обогащенного карбидами слоя толщиной не менее 2 мкм, такого, что содержание сложных карбидов в указанном слое, по меньшей мере, в три раза превышает содержание карбидов в остальном объеме детали.

2. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что содержание карбидов в обогащенном карбидами слое находится в пределах от 3 до 20%.

3. Деталь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что поверхность детали, подвергаемая пластической деформации, сформирована путем механической обработки поверхности заготовки.

4. Деталь по п.3, отличающаяся тем, что поверхность детали, подвергаемая пластической деформации, сформирована путем токарной обработки поверхности заготовки.

5. Деталь по п.3, отличающаяся тем, что поверхность детали, подвергаемая пластической деформации, сформирована путем фрезерной обработки поверхности заготовки.

6. Деталь по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что пластической деформации подвергнуто не менее 70% соответствующей поверхности заготовки.

7. Деталь по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что рабочий орган ультразвукового инструмента в процессе пластической деформации поверхности заготовки перемещается по нормали к поверхности с частотой от 20 до 150 кГц и амплитудой не менее 3 мкм.

8. Способ изготовления детали ступени погружного центробежного насоса, заключающийся в том, что из чугуна, содержащего от 1,1 до 3% углерода, отливают заготовку детали с обеспечением содержания аустенита в охлажденной заготовке не менее 70%, по крайней мере, одну поверхность заготовки подвергают последовательно механической обработке и пластической деформации, причем пластическую деформацию осуществляют путем однократного перемещения по указанной поверхности инструмента, воздействующего на участки поверхности с ультразвуковой частотой, в направлении, приближенно, нормальном к соответствующему участку поверхности, таким образом, что обеспечивается формирование на поверхности детали обогащенного карбидами слоя толщиной не менее 2 мкм, такого, что содержание сложных карбидов в указанном слое, по меньшей мере, в три раза превышает их содержание в остальном объеме детали.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что содержание карбидов в обогащенном карбидами слое находится в пределах от 3 до 20%.

10. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что механическую обработку поверхности заготовки осуществляют путем токарной обработки.

11. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что механическую обработку поверхности заготовки осуществляют путем фрезерной обработки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2