Погружной многоступенчатый центробежный насос и способ изготовления рабочего колеса и направляющего аппарата ступени насоса
Группа изобретений относится к машиностроению и может быть использована в погружных многоступенчатых электроцентробежных насосах для добычи нефти. Насос содержит корпус, вал и ступени, состоящие из рабочего колеса и направляющего аппарата, 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 - не более 0,3, фосфора - не более 0,2, серы - не более 0,02, железо - остальное. Поверхности рабочего колеса и направляющего аппарата содержат азотированный низкотемпературным азотированием слой. Колеса установлены на валу посредством ступицы с возможностью вращения и содержат нижнюю осевую опору колеса с опорной поверхностью, лопасти и верхнюю осевую опору с опорной поверхностью. Направляющие аппараты установлены в корпусе посредством цилиндрической обоймы, содержат опорный бурт с опорной поверхностью, цилиндрическую обойму, лопатки, нижнюю опорную поверхность. Опорные поверхности нижней осевой опоры колеса и опорного бурта направляющего аппарата содержат твердосплавные покрытия, которыми они контактируют между собой, образуя пару трения. Изобретения направлены на повышение износостойкости и коррозионной стойкости насоса. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано, например, в установках погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти.
Известен погружной электроцентробежный насос со ступнями, состоящими из направляющих аппаратов и рабочих колес, выполненных 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, опубл. 27. 07.1998.)
Недостатком насоса с данными ступенями 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 многоступенчатый центробежный насос, содержащий ступень, состоящую из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между передней поверхностью ведущего диска и ведомым покрывным диском, и из направляющего аппарата, выполненного в виде лопаточного покрывного диска, цилиндрической обоймы и лопаток, причем лопаточный покрывной диск направляющего аппарата установлен со стороны задней поверхности ведущего диска рабочего колеса, цилиндрическая обойма направляющего аппарата выполнена с кольцеобразной стенкой, расположенной поперечно, внутри цилиндрической обоймы установлены рабочее колесо и лопаточный покрывной диск, лопатки закреплены в направляющем аппарате между кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы и лопаточным покрывным диском, выбраны определенные соотношения параметров и геометрических размеров лопастей и лопаток. В конструкции применяются шайбы (кольца) из антифрикционного материала, выполняющие роль индивидуальных опор (см. патент РФ №2161737, МПК 7 F04D 1/06, F04D 13/10, опубл. 10.01.2001 г. )
Недостатком данного насоса является то, что индивидуальные осевые опоры из шайб (колец), изготовленных из антифрикционных материалов, в процессе работы насоса подвергаются значительному износу. Причем они особенно интенсивному износу подвергаются при работе насоса в среде с повышенным содержанием механических примесей. Также значительному износу подвержены буртики направляющих аппаратов, контактирующих с шайбами рабочих колес. Это приводит к необходимости частого подъема насосной установки из скважины для замены антифрикционных шайб (колец), к снижению межремонтного периода насосной установки, приводит к не ремонтопригодности направляющих аппаратов, все это снижает напорные характеристики, КПД, надежность, долговечность и эффективность насоса. С увеличением частоты вращения рабочих колес резко возрастает износ и повреждаемость осевых опор рабочих колес и направляющих аппаратов. Использование твердосплавных и керамических колец в качестве осевых опор рабочих колец и направляющих аппаратов ступеней насосов приводит к увеличению габаритов насоса, увеличивает стоимость и снижает надежность насоса вследствие того, что материалы ступени (рабочего колеса и направляющего аппарата) имеют большую разность коэффициентов линейного термического расширения. Вследствие этого нагрев при работе рабочих колес и направляющих аппаратов с твердосплавными и керамическими шайбами (кольцами) приводит к выпадению их из мест запрессовки. Другие способы крепления, такие как завальцовка, зачеканка, твердосплавных и керамических шайб неэффективны из-за хрупкости твердосплавных и керамических шайб и материала ступеней.
Известна ступень многоступенчатого центробежного насоса [RU 2450888 С2 (ООО "СТУПЕНЬ"), 10.08.2012], содержащая рабочее колесо и направляющий аппарат, выполненные литьем из чугуна следующего химического состава, мас. %: углерод 3.2-3.8, кремний 0.2-1.0, марганец 0.5-0.7, хром 0.3-0.5, медь 0.8-1.3, алюминий 1.8-4, фосфор не более 0.3, сера не более 0.02, железо - остальное. При данном химическом составе материала ступени ее поверхность при кристаллизации покрывается химически инертной твердой оксидной пленкой, которая препятствует коррозии и солеотложению и имеет сорбитную структуру.
Недостатком насоса с приведенными выше ступенями является то, что поверхности данной ступени, рабочего колеса и направляющего аппарата, не обладают повышенной твердостью, повышенной износостойкостью и повышенной коррозионной стойкостью, поверхности трения не обладают необходимой твердостью. При прохождении рабочей жидкости с повышенным содержанием твердых частиц и химически агрессивных компонентов по каналам рабочего колеса и направляющего аппарата по RU 2450888 будет нарушена оксидная пленка воздействием твердых частиц, далее будет происходить интенсивный эрозионный износ и коррозионный износ, которые усиливают друг друга в процессе работы насоса, и способствуют быстрому выходу его из строя. Ступени по RU 2450888 не имеют сверхвысокую твердость поверхностей трения осевых опор рабочего колеса и направляющего аппарата, как в заявленном, где твердость достигает 8,5-9 единиц по шкале Мооса. При работе насоса с рабочей жидкостью с повышенным содержанием твердых частиц и химически агрессивных компонентов поверхности осевых опор подвергнутся интенсивному эрозионному и коррозионному износу. Оксидная пленка позволит сдержать процесс износа на незначительное время.
Указанные недостатки ступени по RU 2450888 С2 снижают надежность, долговечность, межремонтный период насосной установки.
Известна ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, включающая в себя рабочее колесо, выполненное из порошкового материала, и направляющий аппарат, по меньшей мере, большая часть которого выполнена литьем из чугуна, отличающаяся тем, что чугун представляет собой серый чугун, при этом поверхностный слой материала направляющего аппарата насыщен диффундирующим веществом или сочетанием диффундирующих веществ, обеспечивающим повышение коррозионной стойкости и/или износостойкости поверхностного слоя (RU 55901 U1, 27.08.2006). Насос с данными ступенями является наиболее близким к заявленному. Недостатком насоса с данными ступенями являются низкая износостойкость и коррозионная стойкость насоса, вследствие малой твердости направляющих аппаратов (HV до 350-450), вследствие разнородности материалов рабочего колеса и направляющего аппарата, высокая стоимость насоса вследствие использования дорогих материалов для рабочего колеса, как порошковые материалы. Ступени по RU 55901 U1 имеют относительно низкую твердость поверхностей трения осевых опор рабочего колеса и направляющего аппарата, в отличие от заявленного, где твердость достигает 8,5-9 единиц по шкале Мооса. В связи с чем произойдет быстрый износ поверхностей трения осевых опор рабочего колеса и направляющего аппарата при перекачивании пластовой жидкости с повышенным содержанием твердых частиц и агрессивных веществ.
Отличия по существу заявленного насоса от известного (RU 55901 U1) заключаются в том, что рабочее колесо и направляющий аппарат полностью выполнены литьем из чугуна следующего состава, мас. %: углерод - 3,2-3,9, кремний - 0,2-1,0, марганец - 0,5-0,8, хром - 0,1-0,5, медь -0,8-1,5, алюминий - 1,7-4.0, титан - не более 0,3, фосфор - не более 0,2, сера - не более 0,02, содержат азотированный низкотемпературным азотированием слой, при этом опорная поверхность нижней осевой опоры рабочего колеса и опорная поверхность опорного бурта направляющего аппарата содержат твердосплавное покрытие, причем, рабочее колесо твердосплавным покрытием опорной поверхности нижней осевой опоры контактирует с твердосплавным покрытием опорной поверхности опорного бурта направляющего аппарата, образуя пару трения.
Из уровня техники не известна совокупность упомянутых выше отличительных признаков.
Добавление в состав чугуна легирующих элементов алюминия, хрома, титана, 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. В поверхностном слое при низкотемпературном азотировании чугуна с приведенным выше составом они образуют на глубине до 0,5 мм и более высокотвердые химические соединения: нитриды хрома, нитриды алюминия и нитриды титана, в результате чего твердость поверхности чугуна после азотирования повышается примерно в 2-2,5 раза относительно исходной до азотирования и достигает до HV, равной 850-1000 кгс/мм2, также резко повышается коррозионная стойкость поверхностного слоя за счет повышения плотности поверхностного слоя детали, что затрудняет доступ кислорода и других агрессивных элементов к элементам чугуна.
В известном RU 55901 U1 твердость поверхностей направляющих аппаратов, изготовленных из серого чугуна, значительно ниже HV: до 350-450. При такой твердости направляющих аппаратов при работе насоса в пластовой жидкости с большим содержанием твердых частиц и химически агрессивных веществ произойдет быстрый износ направляющего аппарата. Изготовление рабочих колес из порошкового материала значительно удорожает насос, так как порошковый материал значительно дороже, чем заявленный чугун приведенного состава. Применение разнородных материалов для ступени в химически агрессивной среде создаст условия для электрохимической коррозии, что ускорит разрушение ступени и насоса в целом.
Задачей изобретения является повышение надежности, долговечности погружного многоступенчатого центробежного насоса, снижение его себестоимости и повышение межремонтного периода.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение износостойкости и коррозионной стойкости насоса.
Данная задача решается тем, что погружной многоступенчатый центробежный насос, содержащий корпус, вал, ступени, состоящие из рабочего колеса и направляющего аппарата, выполненные литьем из чугуна следующего состава, мас. %: углерод - 3,2-3,9; кремний - 0,2-1,0; марганец - 0,5-0,8; хром - 0,1-0,5; медь - 0,8-1,5; алюминий - 1,7-4,0; титан - не более 0,3; фосфор - не более 0,2; сера - не более 0,02; железо - остальное, а поверхности рабочего колеса и направляющего аппарата содержат азотированный низкотемпературным азотированием слой, рабочие колеса установлены на валу посредством ступицы с возможностью вращения и содержат нижнюю осевую опору колеса с опорной поверхностью, лопасти, ступицу, верхнюю осевую опору с опорной поверхностью, а направляющие аппараты установлены в корпусе насоса посредством цилиндрической обоймы, содержат опорный бурт с опорной поверхностью, цилиндрическую обойму, лопатки, нижнюю опорную поверхность, при этом опорная поверхность нижней осевой опоры рабочего колеса и опорная поверхность опорного бурта направляющего аппарата содержат твердосплавное покрытие, причем рабочее колесо твердосплавным покрытием опорной поверхности нижней осевой опоры контактируют с твердосплавным покрытием опорной поверхности опорного бурта направляющего аппарата, образуя пару трения.
Кроме того, опорная поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса выполнена с возможностью контакта азотированным слоем с азотированным слоем нижней опорной поверхности направляющего аппарата, образуя пару трения.
Кроме того, опорная поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса и нижняя опорная поверхность направляющего аппарата содержат твердосплавное покрытие, при этом опорная поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса выполнена с возможностью контакта твердосплавным покрытием с твердосплавным покрытием нижней опорной поверхности направляющего аппарата, образуя пару трения.
Азотированный низкотемпературным азотированием слой выполнен толщиной от 0,03 мм до 0,5 мм, а твердосплавное покрытие поверхностей пар трения выполнено толщиной 0,03 мм - 1,0 мм. Твердосплавное покрытие может быть выполнено, например, из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля.
На фиг. 1 представлен продольный разрез заявляемого погружного многоступенчатого насоса.
На фиг. 2 представлен элемент I фиг. 1, на котором изображен фрагмент насоса со ступенями в увеличенном масштабе, где рабочие колеса твердосплавным покрытием опорной поверхности нижней осевой опоры контактируют с твердосплавным покрытием опорной поверхности опорного бурта направляющего аппарата, образуя пару трения.
На фиг. 3 представлен элемент I фиг. 1, на котором изображен фрагмент насоса со ступенями в увеличенном масштабе, где опорная поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса выполнена с возможностью контакта азотированным слоем с азотированным слоем нижней опорной поверхности направляющего аппарата, образуя пару трения.
На фиг. 4 представлен элемент I фиг. 1, на котором изображен фрагмент насоса со ступенями в увеличенном масштабе, где опорная поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса выполнена с возможностью контакта твердосплавным покрытием с твердосплавным покрытием нижней опорной поверхности направляющего аппарата, образуя пару трения.
Погружной многоступенчатый центробежный насос содержит корпус 1, вал 2, ступени 3, состоящие из рабочего колеса 4 и направляющего аппарата 5. Рабочие колеса 4 и направляющие аппараты 5 выполнены литьем из чугуна следующего состава, мас. %: углерод - 3,2-3,9; кремний - 0,2-1,0; марганец - 0,5-0,8; хром - 0,1-0,5; медь - 0,8-1,5; алюминий - 1,7-4,0; титан - не более 0,3; фосфор - не более 0,2; сера - не более 0,02; железо - остальное. Поверхности рабочего колеса 4 содержат азотированный низкотемпературным азотированием слой 6 и поверхности направляющего аппарата 5 содержат азотированный низкотемпературным азотированием слой 7. Рабочие колеса 4, установлены на валу 2 посредством ступицы 8 с возможностью вращения и содержат нижнюю осевую опору 9 колеса 4 с опорной поверхностью 10, лопасти 11, ступицу 8, верхнюю осевую опору 12 с опорной поверхностью 13. Направляющие аппараты 5, установлены в корпусе 1 насоса посредством цилиндрической обоймы 14, содержат опорный бурт 15 с опорной поверхностью 16 направляющего аппарата 5, цилиндрическую обойму 14, лопатки 17, нижнюю опорную поверхность 18. Рабочие колеса 4 твердосплавным покрытием 19 опорной поверхности 10 нижней осевой опоры 9 контактируют с твердосплавным покрытием 20 опорной поверхности 16 опорного бурта 15 направляющего аппарата 5, образуя пару трения.
Опорная поверхность 13 верхней осевой опоры 12 рабочего колеса 4 выполнена с возможностью контакта азотированным слоем 21 с азотированным слоем 22 нижней опорной поверхности 18 направляющего аппарата 5, образуя пару трения.
Как правило, рабочие колеса насосов коррозионно-износостойкого варианта имеют три осевые опоры: верхнюю 12 от "всплытия" ступеней и две основные - нижнюю 9 и среднюю 23 (для двухопорных ступеней). В таких насосах обеспечивается повышенная защита вала 2 насоса от коррозии и износа ступицей 24 направляющего аппарата 5, одновременно являющейся опорой для средней осевой опоры 23 рабочего колеса 4.
Кроме того, опорная поверхность 13 верхней осевой опоры 12 рабочего колеса 4 и нижняя опорная поверхность 18 направляющего аппарата 5 могут содержать твердосплавные покрытия 25 и 26 соответственно, при этом опорная поверхность 13 верхней осевой опоры 12 рабочего колеса 4 выполнена с возможностью контакта твердосплавным покрытием 25 с твердосплавным покрытием 26 нижней опорной поверхности 18 направляющего аппарата 5, образуя пару трения.
Азотированный низкотемпературным азотированием слой выполнен толщиной от 0,03 мм до 0,5 мм, а твердосплавное покрытие поверхностей пар трения выполнено толщиной 0,03 мм - 1,0 мм. Твердосплавное покрытие может быть выполнено, например, из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля. Азотированный слой и твердосплавные покрытия могут быть выполнены и большей толщины.
В процессе работы насоса вследствие вращения расположенных на валу 2 и скрепленных посредством ступиц 8 рабочих колес 4 относительно неподвижных направляющих аппаратов 5 перекачиваемая жидкость поступает в основание 27 секции насоса, проходит через основание 27 и направляется в ступени насоса 3. Перекачиваемая жидкость поступает в тракты между лопастями 11 вращающегося рабочего колеса 4 и движется от его центра к периферии. При этом рабочее колесо 4 создает напор перекачиваемой жидкости. Далее жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 5, в которых осуществляются разворот и направление потока на рабочее колесо 4 следующей ступени. Проходя через ступени насосов, головку 28 секции насоса перекачиваемая жидкость продолжает движение вверх.
При прохождении пластовой жидкости с содержанием твердых частиц в трактах между лопастями 11 рабочего колеса 4 и лопатками 17 направляющего аппарата 5 происходит механическое и коррозионное изнашивание каналов рабочих колес и направляющих аппаратов. С увеличением содержания химически агрессивных компонентов и твердых частиц в пластовой жидкости увеличивается коррозионное и механическое изнашивание ступеней и насоса в целом. Причем рабочие колеса 4 и направляющие аппараты 5 особенно интенсивному износу подвергаются при совместном воздействии на них повышенного содержания механических примесей и агрессивных компонентов пластовой жидкости. Азотированный низкотемпературным азотированием слой поверхностей рабочего колеса и направляющего аппарата, изготовленных из приведенного выше состава чугуна, имеет повышенную твердость и высокую коррозионную стойкость даже в пластовой жидкости с повышенным содержанием химически агрессивных компонентов и твердых частиц. Повышение твердости и коррозионной стойкости поверхностей рабочего колеса и направляющего аппарата ступеней повышает надежность, долговечность и межремонтный период насосов.
При работе насоса рабочие колеса 4 создают усилия, которые передаются опорной поверхностью 10 нижней осевой опоры 9 рабочего колеса 4 на опорную поверхность 16 и воспринимаются опорным буртом 15 направляющего аппарата 5. При этом рабочее колесо 4 твердосплавным покрытием 19 опорной поверхности 10 осевой опоры 9 опирается на твердосплавное покрытие 20 опорной поверхности 16 опорного бурта 15, образуя пару трения. Усилие от опорного бурта 15 посредством цилиндрической обоймы 14 передается на корпус 1 насоса. При работе насоса в режиме "всплытия" рабочих колес осевые силы направлены снизу вверх. При этом рабочие колеса 4 создают усилия, которые передаются опорной поверхностью 13 верхней осевой опоры 12 рабочего колеса 4 на нижнюю опорную поверхность 18 направляющего аппарата 5. При этом рабочее колесо 4 азотированным слоем 21 опирается на азотированный слой 22 нижней опорной поверхности 18 направляющего аппарата 5, образуя пару трения. Усилие от опорной поверхности 18 посредством лопаток 17, цилиндрической обоймы 14 направляющего аппарата 5 передается на корпус 1 насоса.
Кроме того, опорная поверхность 13 верхней осевой опоры 12 рабочего колеса 4 и нижняя опорная поверхность 18 направляющего аппарата 5 могут содержать твердосплавные покрытия 25 и 26 соответственно, например, из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля. При этом рабочее колесо 4 твердосплавным покрытием 25 опирается на твердосплавное покрытие 26 нижней опорной поверхности 18 направляющего аппарата 5, образуя пару трения. Усилие от опорной поверхности 18 посредством лопаток 17, цилиндрической обоймы 14 направляющего аппарата 5 передается на корпус 1 насоса. На опорную поверхность13 верхней осевой опоры 12 рабочего колеса 4 и нижняя опорную поверхность 18 направляющего аппарата 5 твердосплавное покрытие наносится для насосов, работающих при высоких частотах в пластовых жидкостях с высоким содержанием высокой твердости твердых частиц.
При попадании твердых частиц на опорные поверхности пары трения твердосплавное покрытие - твердосплавное покрытие или азотированный слой - азотированный слой, частицы разрушаются или края частиц округляются, за счет того, что твердосплавное покрытие и азотированный слой тверже частиц механических примесей пластовой жидкости. Это приводит к снижению износа узлов и деталей насоса, в первую очередь ступеней насоса. Высокая твердость и коррозионная стойкость опорных поверхностей из твердосплавного покрытия и азотированного слоя увеличивает срок службы пары трения осевых опор ступеней как направляющих аппаратов, так и рабочих колес, приводит к повышению надежности, долговечности, снижению себестоимости насосной установки и к увеличению межремонтного периода эксплуатации насоса, соответственно и насосной установки в целом. Малая толщина твердосплавного покрытия и азотированного слоя по сравнению с шайбами из антифрикционных материалов позволяет уменьшить длину ступени, соответственно уменьшить длину насоса или увеличить количество ступеней, соответственно повысить напор.
Известен способ изготовления ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, где деталь выполняют из литой чугунной заготовки и подвергают упрочняющей обработке с целью повышения ее износостойкости (см. патент РФ №2116515, F04D 1/06, опубл. 27. 07.1998.)
Недостатком насоса с данными ступенями 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 способ [RU 2450888 С2 (ООО "СТУПЕНЬ"), 10.08.2012] изготовления рабочего колеса и направляющего аппарата ступени многоступенчатого центробежного насоса, включающий ввод алюминия под поверхность расплава при температуре 1420°C-1460°C, последующий нагрев до температуры разлива и модифицирование в этом промежутке времени сплава введением лигатур с получением чугуна, в состав которого входят, мас. %: углерод 3.2-3.8, кремний 0.2-1.0, марганец 0.5-0.7, хром 0.3-0.5, медь 0.8-1.3, алюминий 1.8-4, фосфор не более 0.3, сера не более 0.02, железо остальное, проводят заливку расплава в литейную форму, выбивку отливки, термическую обработку отливок, механическую обработку отливок рабочего колеса и направляющего аппарата. При данном химическом составе материала ступени ее поверхность при кристаллизации покрывается химически инертной твердой оксидной пленкой, которая в определенной степени препятствует коррозии и солеотложению и имеет сорбитную структуру. Данный способ является ближайшим аналогом заявляемого способа изготовления рабочего колеса и направляющего аппарата.
Отличие заявленного способа от известного, заключается в том, что ввод алюминия под поверхность расплава осуществляют при температуре 1410°C-1480°C, получают чугун следующего состава, мас. %: углерод - 3,2-3,9; кремний - 0,2-1,0; марганец - 0,5-0,8; хром - 0,1-0,5; медь - 0,8-1,5; алюминий - 1,7-4.0; титан - не более 0,3; фосфор - не более 0,2; сера - не более 0,02; железо - остальное, термическую обработку отливок осуществляют с нагревом до температуры 550°C-600°C, охлаждение производят на воздухе, производят механическую обработку отливок рабочего колеса и направляющего аппарата, низкотемпературное азотирование поверхностей полученных деталей при температуре не более 600°C, проводят подготовку поверхностей пар трения рабочего колеса и направляющего аппарата к нанесению на них твердосплавного покрытия, проводят нанесение необходимой толщины на поверхности пар трения твердосплавного покрытия, проводят механическую обработку поверхностей пар трения рабочего колеса и направляющего аппарата из твердосплавного покрытия до необходимой толщины с необходимой шероховатостью и точностью.
Из уровня техники неизвестна упомянутая выше совокупность отличительных признаков.
Недостатком насоса [RU 2450888 С2 (ООО "СТУПЕНЬ"), 10.08.2012] с приведенными выше ступенями является то, что поверхности данной ступени, рабочего колеса и направляющего аппарата, не обладают повышенной твердостью, повышенной износостойкостью и повышенной коррозионной стойкостью, поверхности трения не обладают необходимой твердостью. При прохождении рабочей жидкости с повышенным содержанием твердых частиц и химически агрессивных компонентов по каналам рабочего колеса и направляющего аппарата по RU 2450888 будет нарушена оксидная пленка воздействием твердых частиц, далее будет происходить интенсивный эрозионный износ и коррозионный износ, которые усиливают друг друга в процессе работы насоса, и способствуют быстрому выходу его из строя. Ступени по RU 2450888 не имеют высокой твердости поверхностей трения осевых опор рабочего колеса и направляющего аппарата. При работе насоса с рабочей жидкостью с повышенным содержанием твердых частиц и химически агрессивных компонентов поверхности осевых опор подвергнутся интенсивному эрозионному и коррозионному износу. Оксидная пленка позволит сдержать процесс износа на незначительное время. Указанные недостатки ступени по RU 2450888 С2 снижают надежность, долговечность, межремонтный период насоса и насосной установки в целом.
Задачей изобретения является повышение надежности, долговечности погружного многоступенчатого центробежного насоса, снижение его себестоимости и повышение межремонтного периода.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение износостойкости и коррозионной стойкости насоса.
Способ изготовления рабочего колеса и направляющего аппарата ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, включающий ввод алюминия под поверхность расплава при температуре 1410°C-1480°C, последующий нагрев до температуры разлива и модифицирование в этом промежутке времени сплава введением лигатур с получением следующего состава, мас. %: углерод - 3,2-3,9; кремний - 0,2-1,0; марганец - 0,5-0,8; хром - 0,1-0,5; медь - 0,8-1,5; алюминий - 1,7-4,0; титан - не более 0,3; фосфор - не более 0,2; сера - 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°C-600°C с последующим охлаждением на воздухе, механическую обработку отливок рабочего колеса и направляющего аппарата, низкотемпературное азотирование поверхностей полученных деталей при температуре не более 600°C, подготовку поверхностей пар трения рабочего колеса и направляющего аппарата к нанесению на них твердосплавного покрытия, последующее нанесение необходимой толщины на поверхности пар трения твердосплавного покрытия, последующую механическую обработку поверхностей пар трения рабочего колеса и направляющего аппарата из твердосплавного покрытия до необходимой толщины с необходимой шероховатостью и точностью.
Нанесение необходимой толщины на поверхности пар трения твердосплавного покрытия проводится методом газовоздушного сверхзвукового напыления. Твердосплавное покрытие может состоять из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля.
Кроме того, подготовка поверхностей пар трения рабочего колеса и направляющего аппарата к нанесению на них твердосплавного покрытия может включать в себя снятие не менее 0,03 мм верхней части азотированного слоя. Это улучшает шероховатость поверхностей и создает условия для повышенной адгезии твердосплавного покрытия к подложке, т.е. к опорным поверхностям рабочего колеса и направляющего аппарата. Это повышает надежность, долговечность и межремонтный период насоса.
Кроме того, поверхности пар трения азотированный слой - азотированный слой опорной поверхности верхней осевой опоры рабочего колеса и нижней опорной поверхности направляющего аппарата после низкотемпературного азотирования подвергаются алмазному выглаживанию. Это улучшает шероховатость и плотность поверхностей пар трения, что снижает износ и коррозию опорных поверхностей, соответственно повышает надежность, долговечность и межремонтный период насоса.
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°C-600°C с последующим охлаждением на воздухе. После термообработки производится механическая обработка деталей ступени в соответствии с размерами чертежа. Обработка поверхностей пар трения проводится с учетом последующего нанесения твердосплавного покрытия и с учетом того, что опорная поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса может быть выполнена с возможностью контакта азотированным слоем с азотированным слоем нижней опорной поверхности направляющего аппарата, образуя пару трения.
После механической обработки 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°C-600°C. Нагрев до 600°C не вызывает структурных и геометрических изменений в деталях ступеней, изготовленных вышеуказанным способом. Низкотемпературное азотирование вышеуказанным способом 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.
При эксплуатации насоса в пластовой жидкости с повышенным содержанием механических примесей и агрессивных компонентов величины износа у ступени из нирезиста (наиболее часто применяемый материал ступеней для коррозионноизносостойких насосов) даже несколько больше чем у ступени, изготовленной из чугуна заявленным способом.
Максимальная глубина азотирования 0,5 мм 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 Мооса, и с высокой частотой вращения колес, частотой вращения колес до 10000 об/мин и более. Легирующие добавки хрома (0,1-0,5)%, алюминия (1,7-4,0)%, титана (не более 0,3)% являются нитридообразующими. В поверхностном слое при низкотемпературном азотировании чугуна с приведенным выше составом и способом они образуют на глубине до 0,5 мм и более высокотвердые химические соединения: нитриды хрома, нитриды алюминия и нитриды титана, в результате чего твердость поверхности чугуна после азотирования повышается примерно в 2-2,5 раза относительно исходной до азотирования и достигает до HV, равной 850-1000 кгс/мм2, также резко повышается 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 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.
После низкотемпературного азотирования проводится подготовка поверхностей пар трения рабочего колеса и направляющего аппарата к нанесению на них твердосплавного покрытия. Подготовка поверхностей пар трения рабочего колеса и направляющего аппарата к нанесению на них твердосплавного покрытия может включать в себя снятие не менее 0,03 мм верхней части азотированного слоя. Это улучшает шероховатость поверхностей и создает условия для повышенной адгезии твердосплавного покрытия к подложке, т.е. к опорным поверхностям рабочего колеса и направляющего аппарата. Это повышает надежность, долговечность и межремонтный период насоса. Далее проводится нанесение необходимой толщины на поверхности пар трения твердосплавного покрытия, например, из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля.
Твердосплавное покрытие на опорные поверхности может наноситься, например, методом газовоздушного сверхзвукового напыления. При этом обеспечивается повышенная адгезия твердосплавного покрытия к опорным поверхностям за счет диффузии расплавленного сплава в материал опорной поверхности, механического сцепления с неровностями опорной поверхности, химического соединения сплава с материалом опорной поверхности. После нанесения покрытия поверхности трения обрабатываются с шероховатостью, необходимой для поверхностей трения подшипников скольжения. Высокая твердость опорных поверхностей из твердосплавных покрытий увеличивает срок службы пары трения ступени как рабочего колеса, так и направляющего аппарата, приводит к повышению надежности, снижению себестоимости насоса и к увеличению межремонтного периода эксплуатации насоса, соответственно и всей насосной установки. Высокая температурная стойкость, высокая теплопроводность твердосплавного покрытия, высокая прочность и плотность сцепления с основным металлом (подложкой) способствует повышенному отводу тепла из зоны трения пар трения, что повышает надежность и долговечность работы пары трения, соответственно и ступени.
При попадании твердых частиц на опорные поверхности пары трения твердый сплав - твердый сплав, азотированный слой - азотированный слой частицы разрушаются или края частиц округляются за счет того, что твердосплавное покрытие и азотированный слой тверже частиц механических примесей пластовой жидкости. Это приводит к снижению износа узлов и деталей насоса, в том числе и ступеней насоса, приводит к повышению надежности, долговечности погружного многоступенчатого центробежного насоса, снижению ее себестоимости и повышению межремонтного периода эксплуатации насоса.
Малая толщина твердосплавного покрытия по сравнению с шайбами из антифрикционных материалов позволяет уменьшить длину ступени, соответственно уменьшить длину насоса или увеличить количество ступеней, соответственно повысить напор. Это позволяет снизить себестоимость насоса. Твердосплавное покрытие на опорную поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса и нижняя опорную поверхность направляющего аппарата наносится для наиболее сложных условий работы.
Толщина твердосплавного покрытия, так же как и толщина азотированного низкотемпературным азотированием слоя поверхностей рабочего колеса и направляющего аппарата, выполняется исходя из параметров пластовой жидкости и условий работы насосной установки. Для работы в пластовых жидкостях с незначительным содержанием твердых частиц с невысокой твердостью, массовая концентрация твердых частиц до 0,2 г/л с твердостью до 5 баллов по шкале Мооса, и со средней частотой вращения колес, частотой вращения колес до 3000 об/мин, толщина твердого сплава на опорных поверхностях выполняется в пределах 0,03-0,2 мм. Для работы в пластовых жидкостях со средним содержанием твердых частиц с твердостью до 7 баллов по шкале Мооса и со средней частотой вращения колес, до 5000 об/мин, толщина твердого сплава на опорных поверхностях выполняется в пределах 0,2-0,35 мм. 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 Мооса, и с высокой частотой вращения колес, частотой вращения колес до 10000 об/мин и более, толщина твердого сплава на опорных поверхностях выполняется в пределах 0,35-0,5 мм.
Выполнение таким образом насоса и изготовление приведенным выше способом рабочих колес и направляющих аппаратов ступеней насоса позволяет повысить надежность, долговечность погружного многоступенчатого центробежного насоса, снизить ее себестоимость и повысить межремонтный период.
1. Погружной многоступенчатый центробежный насос, содержащий корпус, вал, ступени, состоящие из рабочего колеса и направляющего аппарата, выполненные литьем из чугуна следующего состава, мас. %:
| углерод- | 3,2-3,9 |
| кремний | 0,2-1,0 |
| марганец- | 0,5-0,8 |
| хром | 0,1-0,5 |
| медь | 0,8-1,5 |
| алюминий | 1,7-4.0 |
| титан | не более 0,3 |
| фосфор | не более 0,2 |
| сера | не более 0,02 |
| железо | остальное |
а поверхности рабочего колеса и направляющего аппарата содержат азотированный низкотемпературным азотированием слой, рабочие колеса установлены на валу посредством ступицы с возможностью вращения и содержат нижнюю осевую опору колеса с опорной поверхностью, лопасти, ступицу, верхнюю осевую опору с опорной поверхностью, а направляющие аппараты установлены в корпусе насоса посредством цилиндрической обоймы, содержат опорный бурт с опорной поверхностью направляющего аппарата, цилиндрическую обойму, лопатки, нижнюю опорную поверхность, при этом опорная поверхность нижней осевой опоры рабочего колеса и опорная поверхность опорного бурта направляющего аппарата содержат твердосплавное покрытие, причем рабочее колесо твердосплавным покрытием опорной поверхности нижней осевой опоры контактирует с твердосплавным покрытием опорной поверхности опорного бурта направляющего аппарата, образуя пару трения.
2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что опорная поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса выполнена с возможностью контакта азотированным слоем с азотированным слоем нижней опорной поверхности направляющего аппарата, образуя пару трения.
3. Насос по п. 1, отличающийся тем, что опорная поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса и нижняя опорная поверхность направляющего аппарата содержат твердосплавное покрытие, при этом опорная поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса выполнена с возможностью контакта твердосплавным покрытием с твердосплавным покрытием нижней опорной поверхности направляющего аппарата, образуя пару трения.
4. Насос по любому из пп. 1, 2, 3 отличающийся тем, что азотированный низкотемпературным азотированием слой выполнен толщиной от 0.03 мм до 0.5 мм, а твердосплавное покрытие поверхностей пар трения выполнено из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля толщиной 0,03 мм - 1,0 мм.
5. Способ изготовления рабочего колеса и направляющего аппарата ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, включающий ввод алюминия под поверхность расплава при температуре 1410°C-1480°C, последующий нагрев до температуры разлива и модифицирование в этом промежутке времени сплава введением лигатур с получением следующего состава, мас. %:
| углерод | 3,2-3,9 |
| кремний | 0,2-1,0 |
| марганец | 0,5-0,8 |
| хром | 0,1-0,5 |
| медь | 0,8-1,5 |
| алюминий | 1,7-4.0 |
| титан | не более 0,3 |
| фосфор | не более 0,2 |
| сера | 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°C-600°C с последующим охлаждением на воздухе, механическую обработку отливок рабочего колеса и направляющего аппарата, низкотемпературное азотирование поверхностей полученных деталей при температуре не более 600°C, подготовку поверхностей пар трения рабочего колеса и направляющего аппарата к нанесению на них твердосплавного покрытия, последующее нанесение необходимой толщины на поверхности пар трения твердосплавного покрытия, последующую механическую обработку поверхностей пар трения рабочего колеса и направляющего аппарата из твердосплавного покрытия до необходимой толщины с необходимой шероховатостью и точностью.
6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что твердосплавное покрытие состоит из карбида вольфрама со связкой из кобальта или карбида вольфрама со связкой из никеля.
7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что нанесение необходимой толщины на поверхности пар трения твердосплавного покрытия проводится методом газовоздушного сверхзвукового напыления.
8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что подготовка поверхностей пар трения рабочего колеса и направляющего аппарата к нанесению на них твердосплавного покрытия включает в себя снятие верхней части азотированного слоя не менее 0,03 мм.
9. Способ по п. 5, отличающийся тем, что поверхности пар трения азотированный слой - азотированный слой опорной поверхности верхней осевой опоры рабочего колеса и нижней опорной поверхности направляющего аппарата после низкотемпературного азотирования подвергаются алмазному выглаживанию.
