Текст записки на Украинском языке-Модернизация клапана КСК9 бурового насоса НБТ-600 Насосно-циркуляционный комплекс установки для бурения скважин глубиной до 3200м-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Текст записки на Украинском языке-Модернизация клапана КСК9 бурового насоса НБТ-600 Насосно-циркуляционный комплекс установки для бурения скважин глубиной до 3200м-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин-Текст пояснительной записки выполнен на Украинском языке вы можете легко его перевести на русский язык через Яндекс Переводчик ссылка на него https://translate.yandex.ru/?lang=uk-ru или с помощью любой другой программы для перевода
4.2 Модернизация конструкции клапана.

Проанализировал выше приведен пункт, за прототипы берем:
- клапан КСК9-7 (чертеж ГП.НО-26.03.06.000 СК);
- клапан насоса АС 541044 (чертежи ГП.НО-26.03.06.000 СК).
Клапан с безударною посадкой, который изображен на чертеже ДП.НО-26.03.06.000 СК, имеет быстрый износ рабочих поверхностей и уплотнение вследствие больших давлений и скоростей в момент посадки тарелки на седло, большие опоры при прохождении жидкости в нижней части тарелки.
Усовершенствованная конструкция клапана показана на чертеже ДП.НО-26.03.06.000 СК. Ее существенные отличия заключаются в уменьшении сопротивления в нижней части клапана, путем создания поверхностей закругленной формы. Для лучшего закрытия и длительного срока работы клапана, разработанная манжета ромбовидной формы, вследствие чего исчезло верхнее кольцо.
Создание демпферной камеры получается за счет специальной конструкции нижней части. Создана щели не дает быстрое вытекание жидкости, за счет чего создается гидравлическая подушка, тарелка клапана плавно опускается на седло и прижимается манжетой.
Недостатком конструкции остаются большие скорости абразивной жидкости, вследствие чего износ конусных поверхностей тарелки и седла, а также уплотнение проходит очень быстро.
Для укрепления данных поверхностей, известны методы укрепления клапанов не дают устойчивых поверхностей к износу. Используем для укрепления поверхностей метод, который был разработан 15 лет назад, как советскими так и зарубежными научными лабораториями – покрытие алмазоподібною пленкой. Структура пленки идентична алмазной решетке с подобной твердостью алмаза.
Параметры пленок:
- толщина пленок, мкм 0,005 – 2
- твердость по Виккерсу, кг/мм2 не менее (1,3-3,0)·103
Коэффициент трения алмазоподібної пленки на воздухе низкий – 0,05-0,1. Его значение ниже при скольжении по более плотно упакованным направлениям: равен 0,12 при движении вдоль ребер грани куба, около 0,075 – вдоль диагонали грани куба, 0,05-0,07 – вдоль грани октаэдра по всем направлениям.
Коэффициент трения алмазоподібної пленки по грани кристалла алмаза на воздухе при атмосферном давлении и комнатной температуре составляет 0,05. С повышением вакуума он растет и при Р=1,3310-3 Па достигает значения 0,9. Адсорбция газов поверхностью пленки приводит к уменьшению трения. Существенное влияние окакзують адсорбированные слои также на трение в системе алмазоподібна пленка – металл. Ниже приведены значения износа алмазоподібної пленки, 10-9 г/100 м, при скольжении по нему металла со скоростью 100-200 м/с и нагрузкой 0,48 Н:
- медь 1-2;
- сталь 30-60;
- хром 200-500.
Технология получения алмазоподобных пленок в сравнении с ранее известной технологии, исключает создания высоких давлений и высоких температур. Данные отримуємі пленки, с научной точки зрения нельзя считать алмазными. Эти углеродные пленки ученые назвали алмазоподібними том, что ряд их макроскопических свойств – показатель преломления, прозрачность в инфракрасном диапазоне, диэлектрический сопротивление, а самое главное жесткость – аналогичные алмаза. И настоящие, и искусственные алмазы получаются в природе или в лабораториях при сверхвысоких температурах и давлениях. Тогда многослойные структуры графита, угля – в общем, углерода – перестраиваются и создают ромбическую структуру алмаза.
Метод синтеза алмазоподібної пленки происходит в вауумному плазматроні. При распылении графита ионами инертного газа появляется возможность управлять процессом выпадения. Так как ионы имеют электрический заряд, то действующие на них электромагнитным полем, добидобиваються смещения в нужном направлении. Ионы прихватують с собой атомы углерода и вместе с ними оседают на поверхность. Качество получаемой пленки улучшается, если поверхность при этом охлаждать до температуры жидкого азота.

Резиновое уплотнение также будет быстро изнашиваться. Устойчивость резины к износу можно повысить за счет армирования ее не тканью, а полимерными волокнами, которые прочны и устойчивы к износу. Наполнением будет каучук СКН-18+СКН-40, которые применяются при изготовлении износостойкой резины ИРП-1294-1[30023]. В качестве полимерных волокон будут использоваться переплетены органические (арамидные) и углеродные волокна.

Свойства резины ИРП-1294-1:
- предел прочности при растяжении, МПа 15
- относительное удлинение, % 300
- остаточное удлинение, % 18
- твердость по ТМ-2 78-85
Свойства вглецево-органического волокна:
- об'мний содержание углеродных волокон, % 38
- об'мний содержание органических волокон, % 22
- модуль упругости Е, ГПа 165
- прочность при изгибе, МПа 820
- прочность при сжатии, МПа 530
- ударная вязкость, кДж/м2 260

4.3 Совершенствование цилиндро-поршневой пары

В наше время для изготовления цилиндровых втулок используют стали марок 15, 12ХН3, 12ХН2, 40ХН; также изготавливают втулки из двух частей, внутренняя часть которой изготовлена из высоко хромистого материала чугуна марки 260Х28, а внешняя – из среднеуглеродистых конструкционных сталей. Укрепление поверхностей данных материалов составляет 50-65 HRC.
В качестве материала используем сталь марки 40ХН, а укрепление поверхности выполним как у клапанов – алмазоподібною пленкой.
Конструкцию поршня оставляем такой как она есть – сборной конструкции. Изменим материал уплотняющей манжеты использовав материал, который был разработан для уплотняющего кольца манжеты, только наполнением будут уже использоваться каучуки СКН-18+СКН-40 + искусственный графит, который будет использоваться в качестве антифрикционного самозмащувального материала.

4.1 Анализ конструкционных материалов и укрепление клапанных узлов.

На сегодняшнее время существует много конструкций клапанов и методов их укрепления. Разные фирмы производители бурового оборудования, которые изготавливают клапаны буровых насосов используют собственные разработки, которые отличаются друг от друга конструкцией, материалом и укреплением.
В настоящее время существуют такие конструкции клапанов, рисунок 2.1.
На рисунке 2.1 изображен клапан с уплотняющим кольцом на седле, что уменьшает массу и улучшает динамические качества клапана. Однако практика эксплуатации показала, что клапан менее долговечны чем клапаны с уплотнениями на тарелке.
На рисунке 2.2 изображен клапан с уплотняющим кольцом постоянной толщины и острой уплотнительной кромкой; этот клапан обладает небольшим ресурсом долговечности при высоких давлениях. Нижняя направляющая крестовина закреплена на клапане, что увеличивает его массу и негативно влияет на работу клапана. [Ильский,Миронов].
На рисунке 2.3 изображен клапан с уплотняющим кольцом кругового сечения с двумя опорными поверхностями – на коническом поясе тарелки и торцьовій части нижней направляющей. [Ильский,Миронов].
На рисунке 2.4 изображен клапан с уплотняющим кольцом большой толщины; ромбовидная форма обеспечивает высокую долговечность. Конструкция клапана облегченная, тарель снабжена стержнем, движущимся в направляющих втулках седла и верхней крышке. Посадка тарели осуществляется одновременно на конический поясок и крестовину седла[Ильский,Миронов].
Согласно в клапанных узлах проходит процесс ударно-абразивного и гидроабразивного износа, в среде значительных удельных давлений и действия турбулентных потоков. Эти факторы и значительные перепады давления на

1-седло; 2-тарелка; 3-уплотнение тарелки; 4-пружина; 5,8-втулки направляющие верхняя и нижняя; 6-фиксатор; 7-крестовина направляющая;

Рисунок 9 - Клапан с уплотняющим кольцом на седле


1-седло; 2-тарелка; 3-уплотнение тарелки; 4-пружина; 5,8-втулки направляющие верхняя и нижняя; 6-фиксатор; 7-крестовина направляющая; 9-уплотнение седла

Рисунок 10 – Клапан с утолщенным ободом кольца


1-седло; 2-тарелка; 3-уплотнение тарелки; 4-пружина; 5-втулки направляющие верхняя и нижняя

Рисунок 11 – Клапан с круглым уплотнительным кольцом


1-седло; 2-тарелка; 3-уплотнение тарелки; 4-пружина; 5-втулки направляющие верхняя и нижняя

Рисунок 12 – Клапан с ромбовидным уплотняющим кольцом
клапане приводят к ухудшению условий работы и разрушение его рабочих поверхностей и уплотнение.
Так износ деталей клапанной пары из разных материалов приведен на рисунке 2.1 [Мкртичана]. С которого можно сказать, что наибольшей износостойкостью обладают стали марок: Х12М и ХВГ (инструментальные), 40ХН2МА (конструкционная легированная), 50ХФА (пружинная) и 20ХН3А (цементуєма). Их износостойкость в 1,8-3 раза больше эталонной стали марки 40Х, в зависимости от вида износа.
В основном надежность и долговечность клапанного узла определяется качеством и сроком службы уплотнения (манжеты). Разрушение уплотнения обусловлено попаданием в него абразива, а также в результате накопления абразива в местах контакта с другими деталями. После разрушения манжеты происходит быстрое разрушение рабочих поверхностей деталей клапана.
По исследованиям долговечность манжеты определяется в основном втомною прочностью резины, потому что она в процессе работы клапана несет многократные циклические нагрузки. В связи с этим, манжета должна быть достаточно прочной, нафтостійкою, должна владеть: минимальным накоплением оставь-ных деформаций сжатия, высокой твердостью для запо - бегание ее втисканню в зазор между тарелкой и седлом, высокой стойкостью к циклическим нагрузкам и гидроабразивной эрозии; форма и размеры манжеты должны быть такими, чтобы вы-ключати концентраторы напряжений в местах контакта ее с деталями клапана, а также для равномерного распределения напряжений. При работе клапанного узла в ман-жети не должно возникать значительных напряжений сжатия и растяжения.
Установлено, что недостаточная чистота поверхности галтели и использования для изготовления тарелки высокопрочной стали 40ХН2МА с объемным закалом снижают значение коэффициента, характеризующего влияние состояния поверхности и свойств поверхностного слоя на предел выносливости, и повышают значение коэффициента чувствительности к асимметрии цикла и эффективного коэффициента концентрации напряжений. Рекомендуется устранения усталостного разрушения диска тарелки поверхностным химико-термическим или термическим упрочнением рабочих поверхностей.
Использование среднеуглеродистой стали с поверхностным закаливанием не дает положительных результатов для решения проблемы долговечности тарелки вследствие получения недостаточной пластичности и большой толщины закаленного слоя ТВЧ. Обоснована эффективность использования стали 20ХНЗА, которая после нитроцементации тарелки на глубину 2мм имеет поверхностную твердость выше 60НRС, а после закалки или газовой цементации имеет 60НRС, как лучшего материала по сравнению со сталью 40ХН2МА, которая укрепляется объемной закалкой до твердости 56-60НRС, с соблюдением границы статической прочности σв=1900МПа и границы багатоцикло-ной прочности σ-1=800Мпа, для изготовления тарелок. Форсирование режимов бурения и рост давления насосов, что превышает 10МПа, вызывающий частые случаи хрупкого разрушения тарелок из стали 40ХН2МА. При эксплуатации тарелок из стали 20ХНЗА наблюдали устойчивость к гидро-абразивного износа.
Однако показано, что детали изготовлены из стали 40ХНМА укреплены объемной закалкой с отпуском на твердость HRC 48-53 могут допускать износа опорных поверхностей на большую глубину, так как объемная закалка и отпуск укрепляют деталь по всему объему, в отличие от цементации или поверхностной закалке ТВЧ.
.В. Мыльников и Е.Л.Мархасіп рекомендуют легированные, конструкционные стали, например 40Х с закалкой тарелки СВЧ, а седел-объемной закалкой на твердость 43-46НRС.
Фирма "Оі1wуе11" использует для изготовления деталей клапана FК-1 поковки термообработанных легированных высококачественных сталей (tор guality), что способствует получению повышенной твердости в зоне износа, а до клапана FК-А тарелка цементируется, седло объемно закаливается в печи с контролируемой атмосферой. Фирма "Nаtіоnаl” термически обрабатывает тарелки для обеспечения вязкой сердцевины и высокой твердости рабочих поверхностей. Фирма "ТRW Mission” рабочие поверхности тарелки клапана Supreme хромує, для клапана Super Servise укрепляет тарелку и седло цементацией, посадочные поверхности хромируются. Итак, основной тенденцией иностранных фирм является использование высококачественных легированных сталей. Термическая обработка должна обеспечивать высокие физико-механические свойства поверхностных слоев рабочих поверхностей упрочненных деталей.
Итак тарелка и седло должны изготавливаться из материала, который будет иметь комплексные свойства: высокую ударно-абразивную и гидро-абразивную устойчивость, сопротивление усталостном разрушению. Обычные серийные марки сталей -среднеуглеродистые и низкоуглеродистые, легированные не должны одновременно весь комплекс необходимых свойств. То есть стоит вопрос об использовании более прогрессивных методов поверхностного упрочнения рабочих поверхностей деталей клапанного узла, которые бы повышали долговечность его работы.