Химический состав и механические свойства материалов рабочих органов насосов типа ЭЦН

Химсостав	Материалы рабочих органов российских насосов	Материалы рабочих органов фирмы REDA
Чугун СЧОЗЦ01Б ТУ 26-4111-001-88	Чугун ЧН16ВТГХШ ТУ 26-06- 1305-95	ЖГр1Д15 ТУ 3631-001-24064238-94	Ni-Resist, тип I	Ni-Resist, тип Д-4 (сплав REDA 5530)
Железо			81—87,5
Углерод	3,2—3,9	2,7—3,1	0,5—1,0	—	—
Никель	—	15—17	—
Медь	—	6,1—8	12,0—18,0
Хром	<0,12	0,7—1,5	—
Кремний	2,1—2,7	1,2—1,9	—
Молибден	—	—	—	—
Церий	<0,03	—	—	—	—
Бор	<0,01	—	—	—	—
Марганец	0,4—0,6	0,85—1,5	—	—	—
Сера	<0,05		—	—	—
Фосфор	<0,3	—	—	—	—
Механические свойства
Твердость по Бринелю	130—180	120—180	100—140*	120—160	180—220
Предел проч­ности, кг/мм^2	12,5 (на растя­жение)	18 (на сжатие)	18 на сжатие)	**	**

Примечания.

* — большее значение соответствует технологическому процессу «спекания од­нов­ре­мен­но с инфильтрацией медью, меньшее — введению меди в шихту до спекания»;

** — сведения отсутствуют.

 

Цериево-бористый чугун СЧОЗЦ01Б применяется в основ­ном для насосов обыч­ного исполнения.

Цериево-бористый чугун отличается от обычного серого чу­гуна весьма мел­кой микроструктурой и повышенными эксплуа­тационными свойствами. Одним из отрицательных технологи­ческих свойств цериево-бористого чугуна яв­ляется его склон­ность к отбелу в тонких частях отливки.

Чугун аустенитный модифицированный с большим содержа­нием никеля и меди применяется в износостойких и коррозионностойких насосах.

Американские, китайские и европейские фирмы отливают рабочие органы из «нирезиста» — чугуна, близкого по составу к аустенитному корро­зион­нос­той­кому чугуну.

Литейные свойства цериево-бористого чугуна и аустенитного коррозион­нос­тойкого чугуна значительно отличаются: коррозионностойкий чугун обла­дает повышенными усадочными свой­ствами и имеет высокую температуру за­лив­ки.

Аустенитный коррозионностойкий чугун склонен к мартенситному прев­ра­щению, сопровождающемуся увеличением объе­ма отливки при низких тем­пе­ратурах. Поэтому весьма важным свойством аустенитного коррозион­нос­той­ко­го чугуна является «ростоустойчивость» при температурах минус 55—60 °С.

Рост зерна и нестабильную твердость отливки можно устра­нить строгим соб­людением химического состава шихтовых ма­териалов и технологического рег­ламента литья.

Конструкция ступеней насосов создает определенные техно­логические слож­ности в их производстве из-за малых диамет­ральных габаритов деталей, узких гидравлических каналов, тон­ких профилей лопаток, а также высоких тре­бо­ваний к шерохо­ватости поверхностей.

Традиционная технология изготовления ступеней российскими произ­во­ди­те­лями — литье, причем, гидравлические каналы вы­полняются в песчаных стерж­нях.

В погружных насосах используются две принципиально раз­личные конст­рук­ции рабочих органов: с цилиндрическими и с наклонно-цилиндрическими фор­мами лопаток.

В рабочих органах с цилиндрическими лопатками образую­щие ци­линд­ри­чес­ких лопаток параллельны оси детали, что позволяет при изготовлении ли­тей­ных стержней извлекать все ло­патки стержневого ящика, формирующего стер­жень, одним дви­жением, параллельным основной оси отливки. Зна­чи­тель­но слож­нее изготовление литейного стержня рабочих органов с наклон­но-ци­линд­рическими лопатками, так как образующие таких ло­паток не параллельны оси насоса. Лопатки стержневого ящика, формирующего стержень, изв­ле­кают­ся из него под определен­ным углом к основной оси. Для обеспечения движения ло­паток стержневого ящика механическим способом требуется весьма сложная конст­рукция стержневой оснастки.

Литейные стержни рабочих органов с цилиндрическими ло­патками фор­муют­ся в настоящее время на пескострельных по­луавтоматах по «горячим ящи­кам», т.е. с использованием термо­реактивных смол в качестве крепителя [22].

Стержни рабочих органов с наклонно-цилиндрическими ло­патками фор­муют­ся из сырых стержневых смесей на пескострельных машинах с ручной раз­боркой стержневых ящиков и с последующей тепловой сушкой стержней.

Качество отливок значительно зависит от стабильности тех­нологических про­цессов: качества песка, крепителей, смол, плот­ности набивки стержней, форм и прочности стержней.

Требования к качеству отливок рабочих органов установлены ТУ-26-06-4111-001-88 и ТУ 26-06-1305-95, в которых оговарива­ются требования к отлив­кам по точности, шероховатости, рако­винам, спаям, недоливам и т.д.

Отклонение по ширине в меридиональном сечении рабочих каналов свыше плюс 0,3, минус 0,2 мм, наличие дефектов, уве­личивающих гидравлическое соп­ротивление каналов — шерохо­ватости, приливов, раковин и т.д., сверх раз­ре­шаемых ТУ, при­водит к снижению параметров ступени и насоса по напору и КПД ниже допустимых.

Шероховатость отливок находится в пределах Rz 40...80 мкм по ГОСТ 2789-83.

Этот интервал характерен для отливок рабочих органов, из­готавливаемых как российскими предприятиями, так и фирма­ми США, Китая и Европы. Более низ­кую (Rz10) шерохова­тость позволяет получить альтернативная тради­цион­но­му ли­тью технология получения заготовок методом порошковой ме­тал­лур­гии, разработанным АО «Новомет», которая предусмат­ривает:

- приготовление шихты требуемого химического состава;

- изготовление прессовок фрагментов (разный химический состав фраг­мен­тов позволяет придать им после спекания требу­емый комплекс фи­зи­ко-химических свойств);

- сборка фрагментов в детали;

- спекание деталей с одновременным соединением прессо­вок-фраг­мен­тов в единые заготовки по оригинальной запатен­тованной технологии;

- механическая обработка заготовок;

- пропитка готовых изделий составами, затрудняющими солеотложение и повышающими коррозионную стойкость.

Порошковая технология изготовления ступеней позволяет существенно по­высить КПД насосов (рис. 5.160) [22].

Рис. 5.160. Характеристики степеней насосов ЭЦНМ, изготовленных по порошковой технологии:

— СН5-50 — серийная ступень:

— СНВ5-50 — новая, высоконапорная ступень

 

Порошковая технология позволила АО «Новомет» произво­дить к насосам вы­соконапорпые ступени новой, запатентован­ной конструкции, которые раз­ви­вают повышенный по сравне­нию с серийными ступенями напор на режимах ма­лых и боль­ших подач. Форма напорной характеристики высоконапорной сту­пе­ни удовлетворяет эксплуатационным требованиям освоения скважин после ре­мон­та, хотя при этом КПД высоконапорных ступеней по сравнению с ана­ло­гич­ны­ми ступенями, изготовлен­ными по порошковой же технологии, несколько сни­жается.

Высокие гидравлические характеристики насосов обеспечи­вает материал рай­тон, который фирма REDA использует наряду с нирезистом для изго­тов­ле­ния рабочих органов насосов низкой и средней производительности [22].

Райтон — полифенилиновая сульфидная смола (полисульфон), созданная фир­мой «Philips Petroleum Co» (США) для из­готовления деталей и покрытий. Ма­териал характеризуется от­личной химической сопротивляемостью и спо­соб­ностью не те­рять своих свойств при температурах до 232 °С. Райтон исполь­зует­ся для изготовления рабочих колес насосов. В шифрах таких насосов опу­ще­на буква «N», обозначающая нирезист, например, насос D1400.

Рабочие колеса из райтона превосходят по коррозионной абразивной и вы­со­котемпературной стойкости рабочие колеса из нирезиста из-за низкой теп­лос­тойкости шайбы из фенольного ламината, применяемой в металлических ко­ле­сах

Рабочие колеса и направляющие аппараты ЭЦН фирмы EST изго­тав­ли­вают­ся литьем из сплава Туре 1 Niresist (ASTM Ф436).

Корпуса изготавливаются из низкоуглеродистой стали (С1035 или экви­ва­лент­ной).

Материалом модуль-головки является низкоуглеродистая сталь (С 1026 или эквивалентная).

Валы изготавливаются из высокопрочной нержавеющей ста­ли (Nitronic 50 или эквивалентной). Концы валов имеют шлицы в соответствии SAE. Ма­те­риа­лом муфты валов является высоко­прочная нержавеющая сталь или сплав К-500 Monel.

Болты для соединения секций насоса изготавливаются из стали A151 3140, 4037 или 5137. Имеются также болты из сплава К-500 Monel.

Все кольцевые уплотнения отливаются из высоконасыщенного нитрила, используемого также в погружных электродвига­телях.

Сетка входного модуля изготавливается из нержавеющей стали.

Для снижения отложений солей и парафинов применяются эпоксидные и теф­лоновые покрытия. Толщина эпоксидного — 0,1—0,2 мм, тефлонового — 0,025—1,8 мм. Напы­ление твердого покрытия (вольфрам, карбид хрома) по­вы­шает абразивостоикость ступени.

Особенности конструкции насосов, характеризующиеся большим соот­но­ше­нием длины к диаметру и высокими нагрузками в корпуса и валы, обус­лав­ли­вают высокие требования к точности их изготовления и прочностным ха­рак­те­ристикам (табл. 5.74, 5.75) [22].

Для условий работы в активнокоррозионной среде фирма REDA выпускает на­сосы с корпусными деталями (модуль насоса, входной модуль, головка) из спла­ва Redalloy (редаллой) представляющего собой ферритную сталь, содер­жа­щую 0,008% углерода.

 

Таблица 5.74

Требования к корпусам насосов

Наименование	Технические требования фирмы Сentrilift	По ТУ 14-3-1941-94
Непрямолинейность оси внутренней по­верх­ности, мм на 1000 мм	0,08	0,15
Допуск на внутренний диаметр, мм	0,078	0,12
Допуск на наружный диаметр, мм	0,279	0,36—0,53
Шероховатость внутренней поверхности	Ra 1,6	Ra 1,6—4,5
Предел текучести, МПа
Вид обработки внутренней поверхности	хонингование, растачивание	без обработки

Таблица 5.75

Технические требования к валам насосов

Показатель	Материал
К-Монель (США)	ОЗХ14Н7В ТУ 14-1-3645-83	Н65Д29-ЮТ-ИШ (К -Монель) ТУ 14-1-3917-85
Максимальная кривизна на 1 м, мм	0,028	0,15	0,15
Предел прочности, ГПа	1,08—,09	0,930, не менее	0,930
Предел текучести, ГПа	0,99—1,02	0,785, не менее	0,780
Относительное удлинение, %	23,3—25,6	10, не менее	11, не менее
Относительное сужение, %	54—54,7	50, не менее	20, не менее

 

Основные конструктивные отличия насосов американского производства:

· осевая сила от валов насоса передается осевой опоре, поме­шенной в про­текторе.

· наличие насосов с частично или полностью фиксирован­ными на валу рабочими колесами модуль-секции.

Более свободная посадка по сопряжению «направляющий аппарат — рас­точ­ка корпуса насоса» (табл. 5.76) и установка резиновых колец, помешенных в это сопряжение.

 

Таблица 5.76