Соединений ремонтируемых деталей

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАПЛАВКОЙ

 

Наплавка – процесс нанесения расплавленного металла необходимого состава на поверхность детали, нагретую до температуры плавления..

Наплавка является разновидностью сварки, однако наплавочные процессы отличаются от сварочных

к процессу наплавки предъявляются следующие основные требования:

- для обеспечения заданных физико-механических свойств наплавленного слоя процесс наплавки не должен изменять исходного химического состава и структуры наносимого металла;

- для сохранения прочности ремонтируемой детали процесс наплавки не должен изменять ее исходного химического состава, структуры и напряженного состояния;

- наплавленный слой должен обладать достаточно высокой прочностью сцепления с основным металлом.

Наплавка является распространенным методом восстановления поверхностей деталей оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи, таких как валы, зубчатые колеса, муфты, звездочки, клапаны и штоки буровых насосов и многих других.

Различают ручные и механизированные виды наплавки (рис.12).

 

 

Рисунок 12 – Классификация видов наплавки

 

Наибольшее распространение на ремонтных предприятиях нефтегазовой отрасли получили ручная газовая и электродуговая наплавки, автоматическая и полуавтоматическая наплавки электрической дугой под слоем флюса и вибродуговая наплавка. Автоматическая и полуавтоматическая наплавки применяются на специализированных предприятиях при ремонте большого числа однотипных деталей.

14.РУЧНАЯ ГАЗОВАЯ НАПЛАВКА

При ручной газовой наплавке расплавление основного и наплавляемого материала осуществляется теплом, выделяющимся в процессе сгорания горючих газов в среде кислорода Наиболее распространенным применяемым газом является ацетилен.

 

Рис.13 – Схема газовой наплавки:

1 – наплавляемая деталь; 2 – газовая горелка; 3 – присадочный материал; 4 – наплавляемый металл

 

В зависимости от соотношения подаваемых в горелку ацетилена и кислорода получают нормальное, науглероженное и окислительное пламя.

Нормальное или нейтральное пламя образуется при соотношении кислорода и ацетилена, равном 1,0 – 1,2 и ограничивает окисление поверхности в зоне плавления.

Науглероживающее пламя возникает при соотношении кислорода и ацетилена 0,8 – 0,9, а окислительное при соотношении 1,2 – 1,5.

Выбор сварочного пламени влияет на качество сварного шва или наплавки и на производительность процесса.

К недостаткам газовой наплавки следует отнести неравномерность толщины наплавляемого слоя.

 

15.РУЧНАЯ ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ НАПЛАВКА

 

При электродуговой наплавке источником тепла для расплавления металлов является электрическая дуга, возникающая между электродом и металлом ремонтируемой детали. Качество наплавляемого слоя определяется:

- диаметром электрода;

- типом и маркой электрода;

- силой тока;

- напряжением на дуге;

Электроды изготавливают диаметром 1,6–12 мм и длиной 225-450 мм. Сварочный ток устанавливается в зависимости от диаметра выбранного электрода:

I _св = (20 + 4 d _эл) d _эл,

где I _св – сила сварочного тока, А; d _эл – диаметр электрода, мм.

Напряжение в дуге зависит от ее длины, которая должна быть в пределах 0,5-1,1 диаметра электрода. Обычно U _max ≤ 60 В.

Питание дуги может осуществляться постоянным или переменным током.

Для питания дуги переменным током применяют сварочные трансформаторы, а для питания дуги постоянным током используют сварочные генераторы или выпрямители.

Преимущества – простота и удобство процесса. Недостатки – низкая производительность, низкая стабильность дуги и невысокое качество наплавки.

 

16.АВТОМАТИЧЕСКАЯ НАПЛАВКА ПОД СЛОЕМ ФЛЮСА

 

При данном виде наплавки электрическая дуга горит под слоем флюса, подаваемого систематически в зону наплавки. В зоне горения дуги оплавляются поверхность детали, электрод и придегающий слой флюса. Электродная проволока по мере оплавления автоматически подается в зону дуги одновременно с флюсом. При плавлении флюса выделяется газ и образуется газовая оболочка, защищающая расплавленный металл от взаимодействия с окружающей средой и выгорания легирующих элементов.

 

Данным способом наплавляют плоские, цилиндрические, конические и фасонные поверхности. Обычно слой флюса составляет 40-60 мм над слоем наплавляемого шва.

Преимуществами автоматической наплавки под слоем флюса по сравнению с ручной электродуговой наплавкой являются:

- высокая производительность процесса;

- высокое качество наплавленного слоя;

- возможность широкого регулирования свойств наплавленного слоя;

Недостатками данного способа являются:

- высокая доля основного металла в наплавленном слое;

- невозможность восстановления отверстий малого диаметра;

 

17.АВТОМАТИЧЕСКАЯ НАПЛАВКА В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

При данном виде наплавки защитный газ, подаваемый в зону наплавки под избыточным давлением, изолирует сварочную дугу и плавильное пространство от кислорода и азота воздуха

 

Наплавку ведут на постоянном токе, в результате чего уменьшается глубина проплавления и увеличивается содержание электродного металла в наплавляемом слое. Наплавку в среде защитных газов применяют, когда невозможна или затруднена подача флюса и удаление шлаковой корки, например при наплавке мелких деталей, внутренних поверхностей и при наплавке деталей сложной формы.

Преимущества способа- высокая производительность, простота ведения и управления процессом.

Недостатки – сложность работы на открытом воздухе (например срыв струи газа под действием ветра), высокая стоимость инертных газов.

18.АВТОМАТИЧЕСКАЯ ВИБРОДУГОВАЯ НАПЛАВКА

Данный вид наплавки основан на использовании тепла кратковременной электрической дуги, возникающей в момент разрыва цепи между вибрирующим электродом и наплавляемой поверхностью. Отличительной особенностью вибродуговой наплавки является возможность получения наплавленного слоя малой толщины 0,3-2,5 мм, охлаждение поверхности наплавки

 

 

Автоматическую вибродуговую наплавку применяют для наращивания изношенных внутренних и наружных цилиндрических поверхностей, таких как шейки валов, штоки буровых насосов, замки бурильных труб.

Преимуществами вибродуговой наплавки являются возможность получения тонких и прочных покрытий, малая глубина зоны термического влияния, небольшой нагрев детали и незначительное выгорание легирующих элементов электродной проволоки.

Недостатками этого вида наплавки являются неравномерная твердость, наличие газовых пор и трещин, снижение усталостной прочности наплавляемых деталей.

 

19ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТАЛЛИЗАЦИЕЙ

 

Процесс металлизации заключается в нанесении расплавленного металла на специально подготовленную поверхность детали распылением его струей воздуха или газа. Частицы расплавленного металла, ударяясь о поверхность детали, заполняют предварительно созданные на поверхности неровности, в результате чего происходит их механическое закрепление, а также возникает молекулярное схватывание между наплавляемым и основным металлом. В результате закалки, окисления и наклепа частиц напыляемого металла твердость материала покрытия повышается.

Различают следующие виды металлизации:

- электродуговая;

- газовая;

- высокочастотная;

- плазменная;

- детонационная.

 

 

При электродуговой металлизации две электрически изолированные друг от друга электродные проволоки перемещаются механизмом подачи При выходе из наконечников проволоки пересекаются и под действием возникающей при этом электрической дуги концы их расплавляются.

Преимущества способа – высокая производительность процесса.

Недостатки – значительное выгорание легирующих элементов, окисление напыляемого металла, низкие механические свойства напыленного слоя, большие потери металла при напылении.

 

При газовой металлизации проволоку напыляемого металла расплавляют смесью (кислород + горючий газ, например ацетилен), а распыление осуществляют сжатым воздухом или инертным газом. Рекомендуемое расстояние от сопла до детали 100-250 мм.

Преимущества. Газовая металлизация обеспечивает получение покрытий высокого качества. Выгорание легирующих элементов и содержание окислов в напыленном слое при газовой металлизации значительно меньше по сравнению с электрометаллизацией.

Недостатком газовой металлизации является необходимость в гоючем газе и более высокая стоимость покрытия.

Газовая металлизация широко используется для напыления тугоплавких сплавов и металлов(титана)

 

20.ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ

При пропускании электрического тока большой плотности через газовую среду газ ионизируется. Наряду с положительно и отрицательно заряженными ионами в ионизированном газе содержатся электроны и нейтральные атомы. Такое состояние вещества называется плазмой.

 

 

В зависимости от схемы включения электрической цепи различают следующие виды плазменной дуги – открытая, закрытая и комбинированная (рис.20). При плазменной металлизации применяется закрытая плазменная дуга (образуется, когда анодом является сопло).

 

 

Рисунок 20 – Электрические схемы плазменно-дуговых установок

а – закрытая; б – открытая; в – комбинированная

 

В качестве источника постоянного тока используют полупроводниковые выпрямители, а в качестве плазмаобразующего газа применяют аргон, гелий, азот, водород или их смеси. Плазменную металлизацию применяют обычно для напыления тугоплавких металлов и их соединений, например, вольфрама, окиси алюминия, карбидов, боридов и цветных сплавов.

Основной недостаток плазменной металлизации – высокая хрупкость напыленного слоя.

21.ДЕТОНАЦИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ

 

При данном способе распыление порошкового материала производят на специальной установке с использованием энергии, выделяющейся при мгновенном сгорании взрывчатой смеси.

Чтобы обеспечить достаточную прочность сцепления напыленного слоя с основным металлом, необходимо придать восстанавливаемой поверхности шероховатость

К преимуществам металлизации относятся: высокая производительность и экономичность процесса, повышенная твердость напыленного металла, повышенная износостойкость покрытий при жидкостном трении

Недостатки способа – невысокая прочность сцепления напыленного слоя с основным материалом, неоднородность покрытия, снижение усталостной прочности ремонтируемой детали до 50%.

Металлизацию применяют для восстановления изношенных плоских, цилиндрических наружных и внутренних поверхностей, получения антифрикционных и коррозионностойких покрытий, восстановления посадок.

 

22.ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКИМ

НАРАЩИВАНИЕМ

 

Гальваническое наращивание металла на поверхность детали основано на процессе электролиза.

 

 

Теоретическое количество вещества, выделяющегося при электролизе на катоде, согласно закону Фарадея, определяется по формуле:

 

G_Т = СIT,

 

где G_Т – количество вещества, осаждаемое на катоде, г; С - электрохимический эквивалент, г/(А∙ч); I – сила тока, А; T – время протекания электрического тока через электролит, ч.

В качестве источника постоянного тока используются генераторы напряжением 6…12 В и силой тока 250…5000 А.

Качество покрытия зависит от тщательности предварительной подготовки поверхности.

Хромирование применяют при ремонте штоков насосов, гильз цилиндров двигателей и насосов, гнезд подшипников,

Осталивание применяют при наращивания изношенных поверхностей в корпусных деталях, наружных поверхностей бронзовых втулок

Меднение применяют для восстановления размеров бронзовых втулок, вкладышей подшипников, для облегчения приработки трущихся поверхностей.

Никелирование вследствие невысокой твердости и малой износостойкости осажденного слоя применяется для восстановления поверхностей в неподвижных сопряжениях.

 

 

23.НАПЛАВКА МЕТАЛЛОВ ТРЕНИЕМ

 

Процесс наплавки металлов трением заключается в плавлении наносимого металла за счет теплоты, выделяющейся при трении и соединении его с восстанавливаемой деталью при повышенных температуре и давленииРазличают аксиальную и радиальную схемы наплавки трением.

Аксиальная схема основана на использовании сжимающих усилий, параллельных оси вращения наплавляемой заготовки или инструмента для обеспечения давления на массу наплавляемого металла

Радиальная схема предусматривает использование усилий, нормальных к оси вращения и поверхности трения наплавляемой заготовки или инструмента.

 

Т_{пл (1,2)} >> Т_{пл 3}

 

Основными технологическими параметрами процесса наплавки трением являются окружная скорость v и давление Р на поверхности трения. относительная скорость на поверхности трения v = 2,5 – 6 м/с; давление Р = 0,2…0,6 МПа.

На продолжительность наплавки влияют площадь наплавляемой поверхности, сечение заготовки, толщина наносимого слоя металла и его теплофизические характеристики.

Мощность (КВт), необходимая для реализации процесса, может быть подсчитана по следующей эмпирической формуле

 

N = A – D,

 

где D – наибольший диаметр поверхности трения;

A – коэффициент, равный 0,4 для наплавки цветных металлов и 0,6 для наплавки черных металлов.

Преимущества способа – стабильность химического состава и сохранение исходных механических свойств металла в наплавленном слое, прочное сцепление основного и наплавленного металлов, возможность получения заданных свойств наплавленного слоя путем применения при наплавке комбинированной шихты, высокая экономичность процесса.

Недостатки – невозможность нанесения более тугоплавких, чем основной материал металлов, ограниченные размеры наплавляемых поверхностей, необходимость изготовления специальных приспособлений или сменных вкладышей к ним для наплавки деталей каждого типа.

Процесс наплавки трением целесообразно применять для ремонта изношенных и изготовления биметаллических деталей и для поверхностного упрочнения деталей. Особенно эффективен данный процесс для ремонта деталей типа втулок.

В нефтегазовой отрасли данным способом ремонтируются резьбовые соединения, золотники и клапаны нефтяной арматуры, подвижные и антифрикционные кольца.

 

24.ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ

ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАННИЕМ

 

Восстановление первоначальных размеров рабочих поверхностей пластическим деформированием осуществляется за счет перераспределения материала детали.

 

 

При восстановлении поверхностей пластическим деформированием необходимо, чтобы выполнялись следующие основные требования:

- наличие запаса материала на нерабочих участках ремонтируемой детали;

- достаточная пластичность материала;

- механические свойства отремонтированной детали должны быть не ниже, чем у новой;

- объемы механической и термической обработки должны быть минимальными;

- при восстановлении данным методом закаленных или поверхностно-упрочненных поверхностей необходимо предварительно произвести отпуск или отжиг детали.

Различают следующие основные методы восстановления изношенных поверхностей пластическим деформированием: осадка, раздача, обжатие, вытяжка и накатка (рисунок 23).

 

Осадка применяется для увеличения наружных размеров сплошных и полых деталей и уменьшения внутренних размеров полых деталей за счет снижения их высоты. При

Раздача применяется для увеличения наружных размеров детали при сохранении или незначительном изменении ее высоты.

Обжатие используется для уменьшения размера внутренней поверхности полой детали за счет уменьшения размера ее наружной поверхности.

Вытяжка применяется для увеличения длины детали за счет местного сужения ее поперечного сечения на небольшом участке

Накатка применяется для увеличения наружных, или уменьшения внутренних размеров детали за счет выдавливания металла на отдельных участках поверхностей.

Правка применяется для восстановления формы деформированных деталей.

 

Преимуществами ремонта деталей пластическим деформированием являются высокое качество восстановления поверхности, использование стандартного оборудования, отсутствие потребности в наращивании металла, т.е. экономичность процесса.

Недостатки метода – ограниченная номенклатура ремонтируемых деталей, необходимость в некоторых случаях в повторной термической обработке и потребность в специальной оснастке для ремонтируемых деталей каждого типоразмера.

На ремонтных предприятиях нефтегазовой отрасли указанный метод используют для восстановления изношенных поверхностей бронзовых втулок подшипников скольжения, шестерен (осадка

 

25.СОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ И ИХ ОТДЕЛЬНЫХ ЧАСТЕЙ МЕТОДАМИ СВАРКИ, ПАЙКИ И СКЛЕИВАНИЕМ

Сваркой называется процесс образования неразъемного соединения деталей или их отдельных частей вследствие межатомарного взаимодействия или действия сил молекулярного сцепления. Сваркой соединяют металлы и неметаллические поверхности, например, стекло, пластмассы и др

В зависимости от сварочных свойств и условий сварки основные виды конструкционных сталей можно разделить на следующие группы:

- сварка без предварительного подогрева и последующей термообработки – конструкции и детали из малоуглеродистых сталей и неответственные конструкции из среднеуглеродистых сталей;

- сварка с предварительным подогревом до температуры 200ºС и отпуском после сварки при температуре 600-650ºС – конструкции из закаливающихся низколегированных и среднеуглеродистых сталей;

- сварка с предварительным и сопутствующим подогревом до 250-400ºС с последующим отпуском – сложные узлы и конструкции из низко и среднелегированных сталей;

- сварка с предварительным и сопутствующим подогревом до 250-260 ºС с последующей термической обработкой в зависимости от марки стали – узлы и конструкции из высокоуглеродистых и легированных сталей с особыми свойствами.

Сварка деталей из чугуна связанна с определенными технологическими трудностями. Структура чугуна существенно изменяется при нагреве, и после быстрого охлаждения в зоне сварного шва образуется «белый» чугун, отличающийся повышенной твердостью и хрупкостью. В зависимости от состояния свариваемых деталей различают три способа сварки чугуна:

- холодна;

- полугорячая;

- горячая.

Холодная сварка, т.е. без предварительного подогрева, применяется при ремонте неответственных деталей простой формы и не требующих последующей механической обработки

Сварка алюминия и его сплавов усложняется химической активностью алюминия, который, соединяясь с кислородом, образует окись алюминия – тугоплавкое (2050 ºС) и неэлектропроводное соединение.

Сварка меди и медных сплавов выполняется теми же способами, что и алюминия.

25.СОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ПАЙКОЙ

Пайкой называют процесс образования неразъемного соединения нагретых поверхностей металла, находящихся в твердом состоянии, при помощи расплавленных сплавов, имеющих меньшую температуру плавления по сравнению с температурой плавления основного металла

Различают мягкие (легкоплавкие) и твердые (тугоплавкие) припои. Мягкие припои в основном состоят из олова и свинца, имеют температуру плавления 400-500 ºС и сравнительно невысокую механическую прочность. Температура плавления твердых припоев, состоящих из меди, цинка, серебра, никеля и других металлов, выше 500 ºС.

 

26.СКЛЕИВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ

Склеивание металлов основано на способности некоторых неметаллических материалов образовывать достаточно прочные связи с металлом. Клеи для металлов обычно приготовляют на основе термореактивных или термопластичных полимеров, которые после отверждения обладают достаточно высокой механической прочностью (когезионная прочность) и хорошим сцеплением с металлом (адгезионная прочность).

По внешнему виду клеи для металлов можно разделить на жидкие, пастообразные, пленочные и порошкообразные.

В зависимости от температуры отверждения различают клеи горячего и холодного отверждения. «Холодные» клеи не требуют подогрева в процессе склеивания, но обладают меньшей прочностью и теплостойкостью в сравнении с «горячими» клеями.

Физико-механические свойства клеевых соединений металлов в значительной степени зависят от технологии склеивания, основными этапами которой являются:

- подготовка поверхностей к склеиванию (очистка и обезжиревание);

- приготовление клеевого состава (правильность дозировки отдельных компонентов);

- нанесение клея на поверхность (способ нанесения клея, его количество, режимы подсушивания нанесенного клея перед соединением поверхностей);

- отверждение клеевого слоя (продолжительность выдержки, температура и давление в процессе отверждения);

Толщина клеевого слоя оказывает существенное влияние на прочность соединения. Ее увеличение вызывает рост внутренних напряжений и увеличение числа дефектов в полимерной прослойке, следствием чего является снижение прочности соединения. Для большинства клеев оптимальна клеевая прослойка толщиной 0,05-0,1 мм.

На ремонтных предприятиях склеивание применяют для следующих работ:

- соединения частей разрушенных деталей;

- заделка свищей, трещин и раковин;

- посадка втулок в гнезда взамен запрессовки, приварки или пайки;

- восстановление и упрочнение прессовых посадок подшипников качения и скольжения;

Преимущества: Применение клеев значительно упрощает технологический процесс ремонта деталей, ускоряет его и снижает стоимость ремонта.

Недостатки клеевых соединений:

- невысокая температура эксплуатации (как правило, не превышает 200-300ºС);

- склонность к «старению» при воздействии различных внешних факторов;

- низкая прочность при неравномерном отрыве.