Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса и способ ее изготовления

Группа изобретений относится к машиностроению и может быть использована в установках погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти. Рабочее колесо и направляющий аппарат ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса выполнены литьем из чугуна следующего состава, масс.%: углерода - 3,2-3,9; кремния - 0,2-1,0; марганца - 0,5-0,8; хрома - 0,1-0,5; меди - 0,8-1,5; алюминия - 1,7-4,0; титана - 0,0-0,2; фосфора - не более 0,2; серы - не более 0,02; железо - остальное, а поверхности рабочего колеса и направляющего аппарата содержат азотированный низкотемпературным азотированием слой толщиной от 50 мкм до 300 мкм. Группа изобретений направлена на повышение надежности насоса, снижение его себестоимости и увеличение межремонтного периода. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в установках погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти.

Известна ступень, используемая в погружных электроцентробежых насосах, включающая направляющий аппарат и рабочее колесо, выполненные из лигированного чугуна нирезиста (Вихман Р.Г., Филиппов В.Н. Погружные центробежные износостойкие насосы для добычи нефти / Экспресс-информация: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, №6, 1989). Недостатком данной ступени является высокая стоимость и недостаточная износостойкость в пластовых жидкостях с высоким содержанием абразивных частиц.

Известна ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса и способ ее изготовления, где деталь выполняют из литой чугунной заготовки и подвергают упрочняющей обработке с целью повышения ее износостойкости (см. патент РФ №2116515, F04D 1/06, 27.07.1998).

Недостатком данной ступени 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 за счет повышения защиты от солеотложения, коррозионной и абразивной износостойкости и обеспечения высоких эксплуатационных и технических характеристик погружного центробежного насоса.

Известен скважинный электроцентробежный насосный агрегат для добычи нефти, содержащий рабочее колесо и направляющий аппарат ступени насоса. (Заявка на изобретение 2004126782/2 от 08.09.2004 г.).

Недостатком рабочего колеса и направляющего аппарата ступени насоса данной полезной модели является то, что пары трения рабочее колесо - направляющий аппарат и графит в его составе при работе с пластовыми жидкостями с высокой массовой концентрацией твердых частиц обладает повышенной склонностью к задиру, что приводит к малым значениям нагрузок заклинивания пары рабочее колесо - направляющий аппарат. Это может привести к разрушению ступеней, шлицевых соединений валов, слому вала и снижению надежности насосной установки.

Задачей группы изобретений является повышение надежности погружного многоступенчатого центробежного насоса, снижение его себестоимости и повышение межремонтного периода.

Технический результат достигается тем, что ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, содержащая рабочее колесо и направляющий аппарат, выполненные литьем из чугуна следующего состава, масс.%: углерода - 3,2-3,9; кремния - 0,2-1,0; марганца - 0,5-0,8; хрома - 0,1-0,5; меди - 0,8-1,5; алюминия - 1,7-4.0; титана - 0,0-0,2; фосфора - не более 0,2; серы - не более 0,02; железо - остальное, а поверхности рабочего колеса и направляющего аппарата содержат азотированный низкотемпературным азотированием слой толщиной от 50 до 300 мкм.

Способ изготовления рабочего колеса и направляющего аппарата ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, обеспечивающий решение приведенного выше задачи, включает ввод алюминия под поверхность расплава при температуре 1400-1470°C, последующий нагрев до температуры разлива и модифицирование в этом промежутке времени сплава введением лигатур с получением следующего состава, масс.%:

углерода - 3,2-3,9

кремния - 0,2-1,0

марганца - 0,5-0,8

хрома - 0,1-0,5

меди - 0,8-1,5

алюминия - 1,7-4,0

титана - 0,0-0,2

фосфора - не более 0,2

серы - не более 0,02

железо - остальное,

заливку расплава в литейную форму, выбивку отливки и обрубку литников отливок, термическую обработку отливок с нагревом до температуры 550-600°C с охлаждением на воздухе, механическую обработку отливок до окончательных размеров рабочего колеса и направляющих аппаратов, а низкотемпературное антикоррозионное азотирование их поверхностей осуществляют при температуре не более 600°C.

На чертеже представлены рабочее колесо и направляющий аппарат ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса.

Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса состоит из рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2. Рабочие колеса 1 состоят из верхнего основного диска 3 с верхней осевой опорой 4, ступицы 5, нижнего покрывного диска 6 с нижней осевой опорой 7, лопастей 8, закрепленных между верхним диском 3 и нижним диском 6. Ступицы 5 рабочих колес 1 скреплены с валом 9 насоса посредством шпонок 10. Направляющий аппарат 2 содержит лопаточный покрывной диск 11 с опорной поверхностью 12, ступицу 13, цилиндрическую обойму 14 с кольцеобразной стенкой 15, лопатки 16, опорный бурт 17.

Для повышения износокоррозионностойкости ступеней и насоса в целом и снижения удельной осевой нагрузки на рабочее колесо 1 и на направляющий аппарат 2 верхний диск 3 колеса может иметь со стороны пазухи 18 осевую опору 19, которая имеет возможность опираться на осевую опору 20 ступицы 13 направляющего аппарата 2, образуя пару трения.

Погружной многоступенчатый центробежный насос работает следующим образом.

В процессе работы насоса вследствие вращения расположенных на валу 9 и скрепленных посредством ступиц 5 рабочих колес 1 относительно неподвижных направляющих аппаратов 2 перекачиваемая жидкость поступает в основание (условно не показано) секции насоса, проходит через основание и направляется в ступени насоса. Перекачиваемая жидкость поступает в тракты между лопастями 8 вращающегося рабочего колеса 1 и движется от его центра к периферии. При этом рабочее колесо 1 создает напор перекачиваемой жидкости как за счет циркуляционных сил, так и за счет кориолисовых сил. Далее жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 2, в которых осуществляется разворот и направление потока на рабочее колесо следующей ступени. Проходя через ступени насосов, головку (условно не показано) секции насоса, перекачиваемая жидкость продолжает движение вверх.

При прохождении пластовой жидкости с содержанием твердых частиц в трактах между лопастями рабочего колеса и направляющего аппарата происходит механическое и коррозионное изнашивание в зонах прохождения пластовой жидкости каналов рабочих колес и направляющих аппаратов. С увеличением содержания химически агрессивных компонентов в пластовой жидкости увеличивается коррозионное и механическое изнашивание ступеней и насоса в целом. Причем рабочие колеса и направляющие аппараты особенно интенсивному износу подвергаются при совместном воздействии на них при работе насоса среды с повышенным содержанием механических примесей и агрессивных компонентов пластовой жидкости.

Способ изготовления рабочего колеса и направляющего аппарата ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, включающий ввод алюминия под поверхность расплава при температуре 1400-1470°C, последующий нагрев до температуры разлива и модифицирование в этом промежутке времени сплава введением лигатур с получением следующего состава, масс.%: углерода - 3,2-3,9, кремния - 0,2-1,0, марганца - 0,5-0,8, хрома - 0,1-0,5, меди - 0,8-1,5, алюминия - 1,7-4,0, титана - 0,0-0,2, фосфора - не более 0,2, серы - не более 0,02, железо - остальное, заливку расплава в литейную форму, выбивку отливки и обрубку литников отливок, термическую обработку отливок с нагревом до температуры 550-600°C с охлаждением на воздухе, механическую обработку отливок до окончательных размеров рабочего колеса и направляющего аппарата и низкотемпературное азотирование их поверхностей на глубину 50-300 мкм при температуре не более 600°C.

Добавление в состав чугуна легирующих элементов алюминия, титана, хрома, в указанных выше пропорциях, где каждый из перечисленных химических элементов занимает свою нишу в кристаллической решетке железа, при азотировании увеличивает скорость азотирования в глубину детали и значительно повышает твердость азотированного слоя. Заливку расплава в литейную форму проводят через литниковую чашу. После остывания из формы извлекают отливку, отделяют литниковую систему, удаляют облой и проводят термическую обработку отливок с нагревом до температуры 550-600°C. После термообработки производится механическая обработка деталей ступени в соответствии с размерами чертежа. Готовые рабочие колеса и направляющие аппараты ступени поступают на участок низкотемпературного азотирования. При азотировании происходит процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя рабочих колес и направляющих аппаратов азотом при нагреве в азотосодержащей среде. При этом происходит повышение твердости поверхности изделия, выносливости и износостойкости, стойкости к кавитационным воздействиям, повышение коррозионной стойкости в водосодержащих средах, в атмосфере, в кислотных и щелочных средах. Процесс низкотемпературного азотирования проводят, в основном, в газовых средах - смеси азота и аммиака, диссоциированного аммиака. Для активации процесса в насыщенную среду вводится кислород или воздух. Также для ускорения процесса насыщения азотом поверхностей деталей ступени азотонасыщенные среды дополняются углерод-насыщенными средами, т.е. кроме диссоциированного аммиака присутствуют природный газ, светильный газ, эндогаз, пары спирта или керосина. Температура процесса азотирования не превышает 600°C и как правило составляет 540-600°C. Нагрев до 600°C не вызывает структурных и геометрических изменений в деталях ступеней, изготовленных вышеуказанным способом. Вышеуказанный способ изготовления рабочих колес и направляющих аппаратов ступеней погружного многоступенчатого центробежного насоса придает деталям ступени высокую поверхностную твердость и прочность, не изменяющуюся при нагреве до 400-450°C.

Данный способ изготовления не требует значительных энергетических и материальных затрат. Низкотемпературное азотирование может проводиться в печах для газового азотирования с использованием установок управления газонапуском.

Величины износа ступеней из чугуна, изготовленного вышеуказанным способом, и нирезиста, наиболее часто используемого в настоящее время сплава для коррозионно-износостойких погружных многоступенчатых центробежных насосов, приведены в таблице 1.

Таблица 1
№ п/п	Ступень	Исходная масса образцов, г	Масса образцов после 40 час испытаний, г	Величина масссового износа, г	Величина износа, %
1	Ступень, изготовленная из чугуна заявленным способом	119,776	119,615	0,152	0,1269
2	Ступень, изготовленная из чугуна нирезист	153,397	153,198	0,199	0,1297

Из таблицы следует, что величины износа практически одинаковы, у ступени из нирезиста износ даже несколько больше, чем у ступени, изготовленной из чугуна заявленным способом.

Максимальная глубина азотирования 300 мкм с максимальным содержанием титана выполняется для наиболее сложных условий работы: для работы в пластовых жидкостях с повышенным содержанием твердых частиц с высокой твердостью массовая концентрация твердых частиц до 1,0 г/л и более с твердостью до 7 баллов по шкале Маосса, и с высокой частотой вращения колес, частотой вращения колес до 15000 об/мин. Легирующие добавки хрома (0,1-0,5)%, алюминия (1,7-4,0)%, титана (0,0-0,2)% являются нитридообразующими, в поверхностном слое при низкотемпературном азотировании чугуна с приведенным выше составом и способом они образуют на глубине до 300 мкм высокотвердые химические соединения: нитриды хрома, нитриды алюминия и нитриды титана, в результате чего твердость чугуна после азотирования повышается примерно в 2 раза относительно исходной до азотирования и достигает до HV, равной 850-1000 кг/мм², также резко повысилась коррозионная стойкость поверхностного слоя за счет повышения плотности поверхностного слоя детали, что затрудняет доступ кислорода и других агрессивных элементов к элементам чугуна. Приведенный выше чугун с низкотемпературным азотированием обладает твердостью поверхностного слоя на глубине до 300 мкм в 2-2,5 раза большей, чем наиболее часто применяемый для этих условий легированный чугун нирезист, коррозионной стойкостью не уступает нирезисту, по цене дешевле примерно в два раза.

Выполнение таким образом ступеней насоса позволяет повысить надежность погружного многоступенчатого центробежного насоса, снизить ее себестоимость и повысить межремонтный период.

1. Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, содержащая рабочее колесо и направляющий аппарат, выполненные литьем из чугуна следующего состава, масс.%:
углерода - 3,2-3,9
кремния - 0,2-1,0
марганца - 0,5-0,8
хрома - 0,1-0,5
меди - 0,8-1,5
алюминия - 1,7-4,0
титана - 0,0-0,2
фосфора - не более 0,2
серы - не более 0,02
железо - остальное, а поверхности рабочего колеса и направляющего аппарата содержат азотированный низкотемпературным азотированием слой толщиной от 50 до 300 мкм.

2. Способ изготовления рабочего колеса и направляющего аппарата ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, включающий ввод алюминия под поверхность расплава при температуре 1400-1470°C, последующий нагрев до температуры разлива и модифицирование в этом промежутке времени сплава введением лигатур с получением следующего состава, масс.%:
углерода - 3,2-3,9
кремния - 0,2-1,0
марганца - 0,5-0,8
хрома - 0,1-0,5
меди - 0,8-1,5
алюминия - 1,7-4,0
титана - 0,0-0,2
фосфора - не более 0,2
серы - не более
0,02 железо - остальное,
заливку расплава в литейную форму, выбивку отливки и обрубку литников отливок, термическую обработку отливок с нагревом до температуры 550-600°C с охлаждением на воздухе, механическую обработку отливок до окончательных размеров рабочего колеса и направляющего аппарата и низкотемпературное азотирование их поверхностей на глубину 50-300 мкм.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что низкотемпературное азотирование поверхностей рабочего колеса и направляющего аппарата осуществляют при температуре не более 600°C.