Небольсин Д.М., д.т.н. Сухочев Г.А.

Воронежский государственный технический университет,

Россия

Комбинированная обработка внутренних поверхностей

Подземное нефтегазовое оборудование работает при комплексном воздействии нестабильных динамических нагрузок, повышенных температур, агрессивной среды, содержащей соединения водорода, на проточных поверхностях в местах концентрации загрязнений откладываются парафины, газовый конденсат и песок. В такой агрессивной среде наибольшим воздействиям подвержены длинномерные детали проточной части (корпуса, стволы, переводники). От надежности и долговечности деталей подземного нефтегазового оборудования зависит работа комплекса в целом, при выходе оборудования из строя наносится непоправимый ущерб экологии, теряются огромные денежные средства.

Предлагаемый способ комбинированной обработки с использованием токопроводящих микрогранул и газожидкостной рабочей среды перспективна для достижения высокого качества поверхностного слоя внутренних поверхностей длинномерных деталей. Обоснована возможность достижения заданных технологических параметров процесса за счет учета влияния особенностей комбинированного воздействия в газожидкостных средах на механизм формирования поверхностного слоя с высокими показателями по шероховатости и наклепу. На рис. 1 показаны основные стадии предложенного способа комбинированной обработки. Обработка поверхностей по предлагаемому способу заключается в подаче на обрабатываемые поверхности вращающейся детали потока микрошариков сжатым воздухом, и процесс обработки проводят в газожидкостной слабопроводящей среде с наложением низковольтного электрического поля. На рис. 1,а показана нестабильность исходного макрорельефа поверхности. Внутренние рабочие поверхности, особенно длинномерных деталей, имеют в большинстве случаев различные пазы и полости, недопустимые уступы, трещины и погрешности формы, выходящие зачастую за допуски на номинальные размеры. Формирование благоприятного для различного рода эксплуатационных свойств поверхностного слоя проходит в два этапов. Во-первых, на исходную дефектную поверхность 1 (рис. 1,б) с направлением к ней 4 под углом не более 60° подают микрошарики 2 более крупной фракции (150-200 мкм), которые за счет деформационного сдвига перераспределяют выступы и впадины и залечивают микродефекты. Наличие жидкостной токопроводящей среды 3 образует постоянно обновляющуюся пленку жидкости и препятствует перегреву мест соударений гранул с поверхностью и образованию остаточных напряжений растяжения, а также ускоряет процесс за счет явления анодного растворения материала. Затем, подают более мелкую фракцию микрошариков 2 (до 50 мкм), которая окончательно выравнивает микроповерхность (рис. 1,в). Выравнивание микрогеометрии значительно зависит от скорости анодного растворения в месте микровыступа 6, которая в момент контакта шарика с деталью через жидкостную токопроводящую пленку 5 резко увеличивается из-за повышения удельной проводимости в месте соударения и тогда время обработки составляет не более 15 с на участок пятна распыла. Нефтегазовое оборудование имеет внушительные габариты. В связи с этим настройка процесса происходит при проверке и корректировке предварительно рассчитанных режимов на имитаторе внутренней прерывистой поверхности (рис. 2). Механизм комбинированного воздействия представляет собой комбинацию двух процессов, происходящих одновременно: механического воздействия гранул на внутреннюю прерывистую поверхность и анодного растворения при низких напряжениях, исключающих короткие замыкания между гранулами и обрабатываемым материалом [1]. Анодный процесс растворения микронеровностей происходит под действием тока в слабопроводящей жидкой пленке технической воды, подаваемой в зону обработки в распыленном до капельной фракции виде одновременно с микрогранулами.

Рис. 2. Имитатор с плоскими образцами в установке эжекторного типа

Окисные пленки на микрогранулах и на заготовке истончаются и разрушаются, при этом достигается плотность тока, необходимая для анодного растворение поверхностного слоя материала заготовки. Разреженная капельная фракция жидкостной составляющей практически не мешает микрогранулам получать от напора сжатого воздуха кинетическую энергию, достаточную для деформирования и осадки микровыступов и подается в зону обработки отдельно от микрогранул.

Чтобы единичного контакта или серии контактов было достаточно для выравнивания микрогеометрии за счет механического воздействия и анодного растворения осуществляется управление энергией соударений. Так как микрогранулы подают в зону обработки струйным методом, то и параметры процесса изменяют регулированием кинетической энергии потока, варьируя расход и давление сжатого воздуха. Конкретную концентрацию капельной фракции устанавливают экспериментально на настроечном имитаторе, исходя из обеспечения постоянной жидкостной пленки. Процесс осадки микровыступов проходит два этапа: микрогранулами более крупной и более мелкой фракций.

Впервые для этих целей в зоне обработки использована газожидкостная токопроводящая среда, создаваемая распыливанием жидкости до капельной фракции. Разработаны режимы комбинированной обработки, включающие механическое воздействие и анодное растворение: напряжение источника питания - 5-10 В; время обработки каждого участка поверхности – 30 с; угол соударения потока микрошариков с поверхностью Δa=60°± 5°; диаметр сопла – 8 мм; скорость вращения шпинделя установки - 20–30 мин^-1; давление сжатого воздуха в струйном аппарате – 0,2–0,4 МПа; рабочая среда – металлические шарики сферической формы диаметром 50–150 мкм в газожидкостной токопроводящей среде с использованием промышленной воды; расход газожидкостной слабопроводящей среды – 2 м³/мин. Достигнутые технологические показатели: для конструкционных сталей R_а=0,16–0,32 мкм, разброс по степени наклепа ±3%; для заготовок из легированных сталей R_а=0,16-0,25 мкм, разброс по степени наклепа ±2%. Разработанные режимы позволяют управлять комбинированным процессом формообразования поверхностей глубоких полостей и отверстий с целью получения стабильных технологических показателей поверхностей для их защиты в процессе эксплуатации.

Испытания нагруженных деталей в условиях эксплуатации показали положительные результаты, что подтвердило правомерность результатов исследований, приведенных в работе. Достигнуты стабильные (разброс значений в пределах 2,5-4,0%) показатели шероховатости и степени наклепа (разброс значений в пределах 3%), что позволяет расширить возможности создателей новой техники по назначению лучшей шероховатости и оптимизировать показатели работоспособности и надежности изделий подземного нефтегазового оборудования в период его эксплуатации.

Литература:

1. Сухочев Г.А. Технологии производительного формирования комбинированными методами поверхностей полостей и каналов под нанесение защитных покрытий / Г.А. Сухочев, Е.Г. Смольянникова, С.Н. Коденцев, Д.М. Небольсин // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2009. – № 11. – С. 49–54.