Вплив поверхневої механоімпульсної обробки на опірність нафтогазового обладнання кавітаційному руйнуванню

Размещено на http://www.allbest.ru/

48

|

УДК 621.787:620.176.16:197.16

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України

ВПЛИВ ПОВЕРХНЕВОЇ МЕХАНОІМПУЛЬСНОЇ ОБРОБКИ НА ОПІРНІСТЬ НАФТОГАЗОВОГО ОБЛАДНАННЯ КАВІТАЦІЙНОМУ РУЙНУВАННЮ

А.І. Бассараб

В.І. Кирилів

Ю.М Никифорчин

Проблема підвищення довговічності деталей машин та елементів конструкцій, що працюють в умовах кавітації рідин, гостро стоїть в багатьох галузях виробництва. Сюди належать деталі нафтогазовидобувного (тарілки і сідла клапанів, поршні та циліндри бурових помп, захисні втулки вертлюгів) та гірничовидобувного обладнання (плунжери, тарілки та сідла перепомповуючих станцій), зовнішні поверхні гільз двигунів внутрішнього згоряння і т. п. Існує чимало методів підвищення опору робочих поверхонь деталей кавітаційній ерозії. Однак використання дорогих спеціальних сталей та покриттів не завжди економічно виправдане. З огляду на це значне зацікавлення викликає застосування механоімпульсної обробки (МІО) [1, 2], яка дає змогу спрямовано змінювати фізико-механічні властивості приповерхневого шару звичайних вуглецевих низьколегованих сталей, зокрема добиватися високої твердості та зносотривкості.

В даній роботі досліджувалася можли-вість використання МІО для підвищення тривкості сталі 40Х кавітаційно-ерозійному руйнуванню (КЕР) шляхом зміцнення в різних технологічних середовищах.

Засади механоімпульсної обробки

Технологічно метод МІО заснований на принципах, закладених у шліфувальних операціях. Замість шліфувального круга установлюють металевий диск (інструмент). При обробці циліндричних поверхонь можна використовувати токарний верстат, супорт якого обладнаний спеціальним пристроєм, а на шпинделі установлюють зміцнюючий інструмент з індивідуальним приводом. На рис. 1 показано схему зміцнення торцевих поверхонь. Інструмент 1 обертається з коловою швидкістю vі = 50…70 м / с; колова швидкість vD зміцнюваної деталі 2 не перевищує 0,03…0,18 м / с. Питомий тиск диску на оброблювану деталь сягає 0,5…0,8 ГПа, а його подача - 0,5…2 мм / об. У зону фрикційного контакту подають спеціальне технологічне середовище (ТС), яке виконує роль не тільки охолоджуючого агента, але й може бути джерелом легуючих елементів для насичення ними поверхневого шару зміцнюваної деталі. Так, навуглечення низьковуглецевих сталей робить їх придатними для поверхневого зміцнення [1]. В процесі тертя обертового диска та деталі в зоні їх контакту проходить локальний імпульсний нагрів поверхневих шарів деталі до температури 1100…1300 К. Час дії максимальних температур становить (6…10) 10-2 с. Швидкість нагріву металу в зоні контакту не перевищує (0,05…2,0) МК / с, швидкість охолодження досягає (1…10) МК / с. В зоні контакту виникають інтенсивні зсувні деформації зі швидкістю (102…103) с-1, які й забезпечують аномально високі швидкості дифузії та ефект термомеханічного зміцнення [2].

Рисунок 1 - Схема МІО торцевих поверхонь

Методика досліджень

Досліджували сталь 40Х (стан поставки), структура - ферито-перлітна. Торцеві поверхні циліндричних зразків діаметром 20 мм та висотою 8 мм зміцнювали МІО з використанням спеціального пристрою [5] в оправці (рис. 1) за режимами: частота обертання 0,33 с-1, подача 1 мм / об, глибина врізання 0,3 мм. Перед початком МІО торцеві поверхні зразків для зміцнення підрізали в оправці для зміцнення, а пізніше шліфували до чистоти Ra = 0,8...0,9 мкм. Використовували два види ТС: технологічне середовище для навуглечення [3] та водний розчин солі K4[Fe(CN)6] для комплексного насичення вуглецем та азотом [4, 6]. Фазовий склад приповерхневих шарів після зміцнення у вищеозначених ТС такий: в середовищі для навуглечення структура шару ферито-аустенітно-цементитна, з утворенням оксидів FeO та Fe3O4 на поверхні металу; в середовищі для комплексного зміцнення структура ферито-аустенітна.

Експерименти на КЕР проводили у водогінній воді середньої твердості (рН 6,3...6,8, твердість 3,8...4,1 мг-екв./л) на магнітострикторі УЗДН-1 за частоти 22 кГц та амплітуди А коливань магнітостриктора у діапазоні 4...55 мкм. Періодично реєстрували вагові втрати зразка W (з точністю 0,00005 г)‚ що дає змогу будувати часові залежності швидкості руйнування lgW - lg‚ а з них визначати інкубаційний період i (час до появи вагових втрат вищих за втрати від корозії) та Wst - усталену швидкість КЕР. Випробування здійснювалося за схемою з нижнім розміщенням зразків (рис. 2). У відповідності з раніше проведеними дослідженнями [7] значення зазора між зразком та випромінювачем приймали 0,5 мм.

Рисунок 2 - Схема магнітострикційних випробувань з нижнім розміщенням зразка

Результати дослідження та їх обговорення

На рис. 3 зображено типовий вид кінетичних кривих КЕР досліджуваної сталі 40Х у вихідному стані та після МІО з використанням середовища для комплексного насичення. Для вихідного стану (крива 1) спостерігається властивий для такого виду випробувань характер зміни швидкості КЕР в часі: за стрімким зростанням швидкості наступає її сповільнення та стабілізація на певному рівні Wst. У випадку поверхневого зміцнення (крива 2) можна зауважити наявність уже трьох таких ділянок, кожна з яких характеризується своїм максимальним та стабілізованим значенням швидкості КЕР. Це, на нашу думку, відбиває існування трьох зон у приповерхневому шарі (рис. 4): власне зміцненого шару, перехідної зони та основного матеріалу. Подібні кінетичні криві КЕР були отримані раніше [8] для металів з покриттями і дають можливість окремо характеризувати опір руйнуванню покриття та основи. Що стосується впливу МІО на інкубаційний період, то, очевидно, експериментальні значення I є характеристикою лише зміцненого шару. Загалом можна стверджувати про високу ефективність застосування МІО для підвищення опору КЕР. Так, за випробувань при амплітуді 50 мкм МІО підвищує на порядок інкубаційний період та зменшує в 5 разів стабілізовану швидкість КЕР зміцненого шару.

Рисунок 3 - Кінетичні криві КЕР сталі 40Х у вихідному стані (1) та після МІО в середовищі для комплексного насичення (2) при А = 50 мкм

Рисунок 4 - Мікроструктура та мікротвердість сталі 40Х після МІО

Випробування в широкому діапазоні амплітуд магнітостриктора А дали змогу отримати цілий спектр кінетичних кривих КЕР, на основі яких стало можливим побудувати в залежності від А як інкубаційного періоду, так і стабілізованої швидкості різних ділянок приповерневого шару (рис. 5). Звертає на себе увагу різний характер залежностей, які стосуються інкубаційного періоду (рис. 5 а). Так для матеріалу у вихідному стані (крива 1) інкубаційний період вважається пропорційним амплітуді А. Звідси незначна чутливість до цього параметра інкубаційного періоду може свідчити, що у випадку інтенсивного поверхневого зміцнення рівень I визначається менше опором механічному руйнуванню, а більше - хімічним опором матеріалу. Це підтверджують результати електрохімічних досліджень, які показують підвищення поляризаційного опору від 14 до 40 кОм / см2. деталь нафтогазовий механоімпульсний магнітострикційний

Рисунок 5 - Залежності інкубаційного періоду і (а) та стабілізованої швидкості КЕР Wst (б) від амплітуди випробувань А сталі 40Х у водогінній воді

Стабілізована швидкість КЕР (рис. 5 б) зміцненого шару і перехідної зони залежить від амплітуди випробувань. Проте позитивний ефект від зміцнення виявився лише для порівнянно низьких А і суттєво зростає з її зниженням.

Це зумовило суттєве підвищення порогової амплітуди Аth від 20 мкм (вихідний стан, крива 1) до 40 мкм (зміцнена поверхня, крива 2). З практичної точки зору важливою є роль поверхневої обробки в підвищенні опору КЕР саме при низьких, близьких до реальних умов, кавітаційних навантаженнях. Неефективність МІО при високих значеннях А пояснюється порівнянно незначною товщиною шару. Адже за високих А зона процесу КЕР перекриває товщину зміцненого шару, тому його роль перестає бути відчутною.

Про ефективність МІО з використанням розчину солі K4[Fe(CN)]6 можна судити на основі вимірів мікротвердості зміцненої поверхні (рис. 6). В процесі зміцнення торцевих поверхонь циліндричних зразків має місце краєвий ефект, який полягає в тому, що при переміщенні зони фрикційного контакту (ФК) до периферії зміцнюються умови термопластичного деформування. Нагрітий метал тече, утворюючи облой, тиск в зоні ФК знижується і відповідно знижуються фізико-механічні властивості зміцненого шару біля краю зразка. Разом з тим спостерігається п'ятикратне збільшення мікротвердості на поверхні порівняно з Н сталі у вихідному стані, а глибина зміцнення перевищує 1 мм. Все це свідчить про високий ступінь зміцнення сталі в даному ТС.

Рисунок 6 - Мікротвердість сталі 40Х після МІО в середовищі для комплексного насичення на глибині від поверхні

Порівняння розподілу мікротвердості зміцненого шару до (рис. 6) та після кавітації різної інтенсивності та тривалості (рис. 7) показало, що кавітаційне навантаження знеміцнює попередньо зміцнену поверхню. Цей ефект зростає з підвищенням амплітуди кавітації. Разом з тим глибина шару, чутливого до дії кавітації, перевищує товщину шару, сформованого при МІО. Так, якщо після МІО рівень Н на глибині 1,5 мм від поверхні відповідає мікротвердості вихідного стану металу, то після випробувань на кавітацію Н становить 2,5…3 ГПа проти 2,1 ГПа для даної сталі до МІО. Зрозуміло, що підвищення рівня мікротвердості на глибині, яка перевищує зміцнений МІО шар, зумовлено саме дією кавітації, що діє на метал подібно до гідроімпульсної обробки [2].

Результати дослідження КЕР сталі після зміцнення в ТС для навуглечення подані на рис. 8. МІО забезпечує підвищення інкубаційного періоду, зниження стабілізованої швидкості у всьому діапазоні амплітуд. Порівняння за ефективністю двох використаних в роботі ТС показує дещо нижчий рівень I для зразка, обробленого в ТС для навуглечення, що може бути зумовлено низькими корозійними характеристиками сформованого шару [5]. З іншого боку, високі характеристики за параметром Wst пояснюються перш за все більшою товщиною шару, а також можливим наводнюванням поверхні в результаті термодеструкції ТС даного типу, стадії розпаду якого за подібних умов детально описані раніше [9]. Підтвердженням можливості наводнювання є низький рівень корозійно-електрохімічних характеристик. Поляризаційний опір Rp зміцненої поверхні становить 8 кОм / см2, тоді як вихідний стан даної сталі характеризується рівнем Rp ~ 14 кОм / см2. Відомо, що наводнювання спричинює зниження корозійно-електрохімічних характеристик [5, 10, 11], а рівень цього зниження залежить від виду та режиму наводнювання [11]. Зокрема, в роботі [5] показано, що Rp досліджуваної сталі після МІО в ТС для хромування при застосуванні попереднього наводнювання в 5 разів нижчий, ніж без нього (10 і 50 кОм / см2 відповідно). Звідси МІО в середовищі для комплексного насичення більш ефективне для захисту від КЕР низької інтенсивності, а в ТС для навуглечення - за високих рівнів кавітаційного навантаження.

На основі проведених досліджень можна зробити висновок, що МІО сталей придатне для підвищення опору КЕР конструкційних сталей. Однак можливість використання цієї технології з метою антикавітаційного захисту потребує подальших досліджень в напрямку добору змцнюючих технологічних середовищ та режимів обробки. Значного ефекту можна очікувати також при використанні комплексного захисту у випадках, де його застосування є можливим.

Література