книги / Эксплуатация оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи
..pdfДетали обрабатывают с применением охлаждающей жидкости (эмульсола 5-8 %, кальцинированной технической соды 0,2 %, остальное - вода). Детали, хромированные гладким хромом, шли фуют кругами из электрокорунда на керамической связке зерни стостью 46-50 и твердостью С1-С2. Окружная скорость враще ния круга и детали соответственно 30-40 м/с и 15-20 м/мин.
Детали после осталивания обрабатывают на токарных или шлифовальных станках в зависимости от припуска, твердости покрытия, требуемой точности и шероховатости поверхности. Покрытия с твердостью НВ < 200 обрабатывают обычным ре жущим инструментом, а с НВ 400-450 - твердосплавными рез цами и шлифованием. Покрытия твердостью НВ > 400-460 шлифуют кругами из электрокорунда на бакелитовой связке зер нистостью 40-25 и твердостью СМ2-СМ1.
В условиях ремонтного производства в ряде случаев прихо дится точить детали из закаленной стали. При этом используют ся твердосплавные резцы с пластинками из твердых сплавов групп ВК и ТК (ВК8 и Т15К6). Для закаленных сталей приме няют резцы с отрицательным передним углом (у = -10ч—15°) и углом наклона главной режущей кромки X = 5ч-10°. Иногда угол X достигает 45° Режимы резания закаленных сталей: v = 80ч- ч-120 м/мин; 5 = 0,1ч-0,2 мм/об., t = 0,5ч-1 мм.
При точении деталей из закаленной стали они могут прини мать бочкообразную форму из-за отжима суппорта вследствие значительных радиальных сил. Учитывая необходимость получе ния требуемой точности, детали обрабатывают в несколько про ходов.
В результате применения твердосплавных покрытий возраста ет износостойкость деталей, но существенно ухудшается и обра батываемость. Иногда покрытие нельзя использовать из-за труд ностей, возникающих при механической обработке.
10.7. СОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ
ИИХ ОТДЕЛЬНЫХ ЧАСТЕЙ МЕТОДАМИ СВАРКИ, ПАЙКИ И СКЛЕИВАНИЯ
СОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ СВАРКОЙ
Сваркой называется процесс образования неразъем ного соединения деталей или их отдельных частей вследствие межатомарного взаимодействия или действия сил молекулярного сцепления. Сваркой соединяют металлы и неметаллические ма териалы, например, стекло, пластмассы и др. При сварке метал-
391
лов, за исключением холодной сварки, производят местный на грев соединяемых частей до перехода их в пластическое (сварка давлением) или в расплавленное состояние (сварка плавлением). Стремятся, чтобы металл шва обладал одинаковыми свойствами с основным металлом. Это определяет подбор присадочного ма териала и режима сварки.
На ремонтных предприятиях нефтегазовой отрасли для ре монта стальных деталей, в основном, применяют ручную, электродуговую и реже ручную газовую сварку. Для деталей из чугу на обычно используют ручную газовую сварку и реже электродуговую. Для ремонта деталей из цветных металлов применяют ручную газовую или аргоно-дуговую сварку.
Дуговая сварка основана на использовании тепла, выделяемо го электрической дугой, возникающей между скрепляемыми де талями и электродом, который является одновременно присадоч ным материалом. Питание сварочной дуги осуществляется от источника переменного или постоянного тока. Основными эле ментами режима ручной электрической сварки являются диаметр электрода, сварочный ток, тип и марка электрода, напряжение горения дуги, род и полярность тока, скорость сварки и положе ние шва в пространстве. От элементов режима сварки зависят глубина провара и ширина шва. Причем глубина провара при сварке переменным током на 15-20 % меньше, чем при сварке постоянным током обратной полярности. Для предохранения расплавленного металла сварочного шва от окисления применя ют флюсы или защитные газы.
Газовая сварка заключается в нагревании горелкой кромок скрепляемых деталей и присадочного материала (в виде прутков или проволоки), состав которого зависит от марки свариваемых металлов. Мощность горелки определяется толщиной сваривае мых деталей и температурой плавления их материала.
Оборудование, используемое при ремонте деталей сваркой, такое же, как и при сварке новых деталей. Сваркой соединяют отдельные части деталей, заваривают трещины, раковины и уст раняют другие дефекты. В процессе сварки происходит значи тельный разогрев соответствующей части детали. В результате после остывания появляются местные термические напряжения, которые могут вызвать коробление детали и появление трещин в сварочном шве и околошовной зоне. Кроме того, в околошовной зоне может измениться структура металла и нарушиться термо обработка. Снижение вредного влияния сварки на качество отре монтированных деталей достигается путем предварительного равномерного прогрева детали и последующего отпуска для сня тия остаточных напряжений. Деформирование деталей преду-
392
преждается использованием кондукторов или другим способом фиксирования свариваемых частей.
Электродуговая сварка сопряжена с относительно большой глубиной провара основного металла, поэтому для тонкостенных деталей с толщиной стенки менее 4 мм применяется газовая и электроконтактная сварка. Подготовка деталей к сварке заключа ется в очистке зоны сварки до металлического блеска, V- или X- образной разделке кромок стыкуемых частей под угол 80-100° в стыке. Следы нефтепродуктов удаляют в процессе предваритель ного прогрева до температуры 250-300 °С.
Электродуговая сварка стальных деталей выполняется пла вящимся электродом с качественным покрытием, предотвра щающим быстрое охлаждение шва и защиту расплава от воздей ствия кислорода и азота окружающей среды. Структура малоуг леродистых сталей почти не изменяется под воздействием темпе ратуры. Эти стали хорошо свариваются любым способом. Чем выше содержание углерода, тем ниже температура плавления, тем труднее сваривается сталь из-за ее склонности к закалке и образованию околошовных трещин. В зависимости от сварочных свойств и, следовательно, условий сварки основные виды конст рукционных сталей можно разделить на следующие группы:
сварка без предварительного подогрева и последующей термо обработки - конструкции из малоуглеродистых сталей и неот ветственные конструкции из среднеуглеродистых;
сварка с предварительным подогревом до температуры 200 °С и отпуском после сварки при температуре 600-650 °С - конст рукции из закаливающихся низколегированных и среднеуглеро дистых сталей;
сварка с предварительным и сопутствующим подогревом до 250-400 °С с последующим отпуском - сложные узлы и конст рукции из низколегированных и среднелегированных сталей;
сварка с предварительным и сопутствующим подогревом до 250-260 °С с последующей термической обработкой в зависимо сти от марки стали - узлы и конструкции из высокоуглероди стых сталей и легированных сталей с особыми свойствами.
Отечественной промышленностью выпускается большая но менклатура типов и марок электродов применительно к различ ным свойствам материалов, условиям работы деталей и способам сварки.
Полуавтоматическая и автоматическая сварка выполняется углеродистыми или легированными электродными проволоками под флюсом.
Сварка деталей из чугуна связана с определенными техноло гическими трудностями. Структура чугуна существенно изменя-
ется при нагреве, и после быстрого охлаждения в зоне сварного шва образуется белый чугун, отличающийся повышенной твердо стью и хрупкостью. В зависимости от состояния свариваемых деталей различают три способа сварки чугуна: холодная, полугорячая и горячая.
Холодная сварка, т.е. без предварительного нагрева, применя ется при ремонте неответственных деталей простой формы, с малым объемом наплавки и не требующих последующей механи ческой обработки. Детали можно сваривать стальными электро дами с защитно-легирующими покрытиями, чугунными, медными или медно-никелевыми (из монель-металла) электродами со спе циальными покрытиями. Для уменьшения зоны прогрева мате риала сварка ведется короткими участками длиной 100-120 мм. Сварка каждого следующего участка начинается после остывания предыдущего до температуры 60-80 °С.
Для холодной сварки чугуна применяют стальные электроды с соответствующими покрытиями. Сварку можно вести перемен ным или постоянным током. Сварной шов можно усилить пред варительной установкой шпилек из малоуглеродистой стали. При этом кромки деталей обрабатываются под угол 45° каждая. Шпильки устанавливают в шахматном порядке на резьбе пер пендикулярно к скошенной и околошовной поверхностям.
Металл сварного шва, близкий по химическому составу к ос новному металлу, можно получить при сварке чугунными элек тродами. Прутки электродов изготовляют из чугуна марок А и Б. Марки А применяют для горячей сварки, марки Б - для любого вида сварки. Чугунные прутки чаще используют при газовой сварке. Сварка сплавами цветных металлов (электродуговая или газовая) обеспечивает хорошие пластические свойства соедине ний и упрощает механическую обработку швов. Для холодной сварки можно применять медные электроды или сплавы на ни келевой основе.
Полугорячая сварка чугуна ведется с подогревом детали до 300-400 °С в печах или ацетилено-кислородным пламенем. Электродуговая сварка может выполняться низкоуглеродистыми стальными электродами с обмазкой. Газовая сварка ведется чу гунными прутками марки Б, стальной сварочной проволокой, латунью и другими цветными сплавами.
Сварка латунью обеспечивает плотный шов, хорошо поддаю щийся механической обработке. Флюсом может служить смесь, составленная из буры (56 %), поваренной соли (22 %) и углеки слого калия (22 %).
Горячая сварка чугуна выполняется с предварительным на гревом детали до 600-800‘С в печах, горнах или индукционными
394
нагревателями. Вначале рекомендуется медленный нагрев со ско ростью примерно 60 °С в час. При достижении температуры 200-250 °С скорость нагрева детали можно увеличивать. Сварка ведется непрерывно электродами из чугуна А или Б с покрыти ем. При снижении температуры детали до 400 °С сварка прекра щается. Для предупреждения остывания в процессе сварки де таль непрерывно подогревается или надежно укрывается термо изоляционным материалом (песком, золой, асбестом и т.п.). Если к концу сварки температура детали оказывается меньше 600 °С, то ее вновь подогревают до 600-650 °С и затем медленно охлаж дают вместе с печью или под слоем мелкого древесного угля.
Сварка алюминия и его сплавов усложняется химической ак тивностью алюминия, который, соединяясь с кислородом, обра зует окись алюминия - тугоплавкое (2050 °С), неэлектропровод ное соединение. Частицы окиси алюминия осаждаются в рас плавленном металле, существенно ухудшая качество шва. Преду преждение образования окиси достигается защитой расплавлен ного металла инертными газами, например, аргоном или приме нением растворяющих флюсов. Используется электродуговая или газовая сварка. Независимо от способа сварки деталь предвари тельно прогревается до температуры 250-300 °С. Для устранения внутренних напряжений и получения мелкозернистой структуры шва необходимо обеспечивать медленное охлаждение детали по сле сварки.
Ручная электросварка алюминия производится соответствую щими электродами.
При газовой сварке присадочным материалом служат стержни из основного металла или электродная проволока. Газовую свар ку можно вести без флюса. При этом кусочки присадочного ма териала укладывают вдоль шва и по мере проплавления основно го металла вводят стальным крючком в сварочную ванну. Туго плавкие частицы и окисную пленку удаляют крючком в процессе перемешивания расплава.
Сварка меди и медных сплавов выполняется теми же спосо бами, что и алюминиевых сплавов, но технологически значитель но проще. При газовой или дуговой сварке угольными электро дами в качестве присадочных материалов для медных деталей применяют пруток из фосфористой меди или меди для латунных и бронзовых деталей - прутки из этих же или близких по соста ву материалов. В качестве флюса можно применять смесь буры и борной кислоты в соотношении 1:1. Основными технологически ми операциями сварки являются подготовка деталей к сварке, сборка их в приспособлениях для сварки, сварка, термообработка сварного шва, и контроль сварного соединения.
Рис. 10.25. Схемы подготовки деталей для заварки трещины:
а - сверление отверстий; б - прорубание фаски с одной стороны; в - снятие фаски с двух сторон; г - приварка накладок
Подготовка деталей к сварке заключается в очистке сваривае мых поверхностей, обеспечении прилегания деталей друг к другу с равномерным зазором и разделке места под шов. Поверхности деталей промывают, очищают щетками, напильниками, обраба тывают пескоструйными установками и другими способами.
После очистки поверхности выявляют дефекты. При обнару жении трещины на концах трещины сверлят отверстия, предот вращающие дальнейшее ее распространение (рис. 10.25). Затем по всей длине трещины прорубают фаску. Если толщина детали превышает 12 мм, фаску снимают с обеих сторон. При ремонте деталей с помощью накладок поверхность вокруг трещины за чищают на расстоянии 25-30 мм.
Сборку деталей в приспособлениях для сварки выполняют для обеспечения правильного взаимного положения соединяемых деталей и предотвращения их деформации из-за неравномерно сти нагрева при сварке.
Контроль сварного соединения, как правило, осуществляют визуально (выявляют трещины, прожоги, коробления и другие дефекты). Сварные соединения, несущие большие нагрузки, к качеству которых предъявляют высокие требования, например резервуары высокого давления, подвергают рентгеновскому, маг нитному и ультразвуковому контролю.
Пайкой называется процесс образования неразъемно го соединения нагретых поверхностей металла, находящихся в твердом состоянии, при помощи расплавленных сплавов (припо ев), имеющих меньшую температуру плавления по сравнению с температурой плавления основного металла. Расплавленный припой заливается в зазор между соединяемыми поверхностями и прочно соединяет их после охлаждения.
Соединение деталей пайкой происходит вследствие диффузии присадочного материала (припоя) в основной металл. Так как температура плавления припоя значительно ниже температуры плавления основного металла, при пайке исключается возникно вение опасных напряжений, а также изменение его химического состава, структуры и механических свойств. Поэтому пайку ис пользуют для соединения или закрепления тонкостенных деталей и деталей из разнородных металлов, уплотнения резьбовых со единений, устранения пористости и трещин, заделки свищей (рис. 10.26). При ремонте машин применяют мягкие (легкоплав кие) и твердые (тугоплавкие) припои. Мягкие припои состоят в основном из олова и свинца, имеют температуру плавления 400500 °С и сравнительно невысокую механическую прочность. Температура плавления твердых припоев, состоящих из меди, цинка, серебра, никеля и других металлов, выше 500 °С. При пайке газовой горелкой наиболее распространены медно цинковые (латунные) припои, с температурой плавления 800900 °С. Указанные припои позволяют получать швы с пределом прочности на растяжение 300-350 МПа.
Для получения высокопрочных соединений деталей из чугуна, стали или меди, работающих при динамических нагрузках, в ка-
Рис. 10.26. Запаивание тре щины топливопровода низко го давления с помощью на кладки
честве припоя часто применяют латунь. Предел прочности этих соединений на растяжение составляет 300-320 МПа. Для удале ния с поверхностей пленки оксидов и других примесей, препят ствующих пайке, используют флюсы в виде порошков или паст.
При низкотемпературной пайке в качестве флюса применяют разбавленный раствор цинка в соляной кислоте. При высокотем пературной пайке применяют флюс, состоящий из 80 % буры и 20 % борной кислоты. После пайки остатки флюса удаляют про мывкой в воде.
Технологический процесс пайки включает следующие опера ции: подготовку деталей к пайке, сборку их для пайки, нагрев места пайки (до температуры, превышающей на 45-50 °°С тем пературу плавления припоя); предохранение поверхностей от окисления при пайке; введение припоя в место пайки и обработ ку шва; контроль качества паяных соединений.
Подготовка поверхностей заключается в удалении загрязне ний, жировых и окисных пленок, а также в придании им в мес тах стыка некоторой шероховатости с целью улучшения сцепле ния припоя с соединяемыми деталями. Для этого применяют механическую обработку, обезжиривание в щелочах и травление в кислотах.
Сборка деталей для пайки выполняется в специальном при способлении, обеспечивающем выдерживание заданного зазора между соединяемыми деталями, который должен быть не более 0,4 мм при использовании мягких припоев и 0,04-0,08 мм - твердых.
Припои при сборке располагают строго в определенных мес тах: проволоку - вокруг зазора; фольгу накладывают на места спая и закрепляют; пастой обмазывают места стыка. Разнообра зие припоев определяет метод пайки: электропаяльником, ульт развуковым паяльником, паяльной лампой, газовой горелкой. Нагревать соединения можно также в электропечах, токами вы сокой частоты и другими способами.
СКЛЕИВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ
Склеивание металлов основано на способности неко торых неметаллических материалов образовывать достаточно прочные связи с металлом. Клеи для металлов обычно приготов ляют на основе термореактивных или термопластичных полиме ров, которые после отверждения обладают достаточно высокой механической прочностью (когезионная прочность) и хорошим сцеплением с металлами (адгезионная прочность).
Клеи на основе термореактивных полимеров позволяют полу
чать прочные и теплостойкие соединения. По отношению к тепловому воздействию они являются необратимыми систе мами. Клеи этой группы применяют в силовых металлоконст рукциях.
Клеи на основе термопластичных полимеров обладают мень шей прочностью и более низкой теплостойкостью. С повышени ем температуры подобный клеевой слой размягчается и склеен ные поверхности разъединяются. Применяют их для несиловых конструкций, работающих при невысоких температурах.
По внешнему виду клеи для металлов можно разделить на жидкие, пастообразные, пленочные и порошкообразные.
Взависимости от температуры отверждения клеи делятся на холодного и горячего отверждения. Клеи холодного отверждения не требуют специального прогрева в процессе склеивания. Одна ко они обладают меньшей прочностью и более низкой тепло стойкостью по сравнению с клеями горячего отверждения.
Клеи могут быть однокомпонентными и многокомпонентны ми. Однокомпонентные клеи приготовляют на химическом пред приятии и поставляют потребителю в готовом виде, многокомпо нентные приготовляют перед употреблением.
Всостав многокомпонентного клея, помимо основного плен кообразующего вещества, могут входить: отвердители клеевого состава, растворители, препятствующие преждевременному от верждению клея и облегчающие его нанесение на склеиваемые поверхности; инициаторы, ускоряющие процесс отверждения клеевого слоя; наполнители и пластификаторы, позволяющие получить клеевой слой с требуемыми физико-механическими свойствами, а также стабилизаторы, тормозящие процессы старе ния в клеевом слое при эксплуатации.
Для склеивания металлов используют большое число различ ных клеев. В нагруженных металлоконструкциях наиболее часто применяют клеи на основе феноло-формальдегидных, эпоксид ных, полиуретановых, полиамидных, полиэфирных и кремнийорганических смол. Соединения металлов на этих клеях различны по физико-механическим свойствам и технологии изготовления.
Выбор клея в каждом конкретном случае должен определять ся конструкцией склеиваемых деталей, условиями эксплуатации
ипроизводственными возможностями ремонтного предприятия. Клеи, которые обладают наиболее высокой механической
прочностью (50—60 МПа) и повышенной теплостойкостью (250300 °С), требуют при отверждении повышенную температуру и большие контактные давления, что в большинстве случаев может быть обеспечено только в условиях ремонтных баз. Другая часть клеев, обладая несколько меньшей прочностью и теплостойко-
стью, может отверждаться при комнатной температуре и без вы соких контактных давлений, что позволяет использовать эти клеи непосредственно в условиях эксплуатации оборудования.
Физико-механические свойства клеевых соединений металлов существенно зависят от совершенства технологии склеивания.
Основными операциями процесса склеивания являются:
1)подготовка металлических поверхностей к склеиванию;
2)приготовление клеевого состава;
3)нанесение клея на поверхность (способ нанесения клея, его количество и режимы подсушивания нанесенного клея перед со единением поверхностей);
4)отверждение клеевого слоя (продолжительность выдержки, температура и давление в процессе отверждения).
Подготовка поверхности к склеиванию предусматривает тща тельную ее очистку, удаление поверхностных окислов, увеличе ние фактической площади поверхности и повышение ее активно сти. Загрязнения и масляные пленки ухудшают смачивание по верхности клеем, уменьшают адгезию, а следовательно, снижают прочность соединения. На ремонтных предприятиях применяют ся механические и физико-химические методы очистки.
Из механических методов нашли применение:
1)очистка ручными инструментами (скребками, абразивным кругом, шабером, металлическими щетками, абразивной шкур кой);
2)пескоструйная, дробеструйная и гидропескоструйная обра
ботки; 3) очистка дисковыми проволочными щетками.
К физико-химическим методам очистки относится очистка металлической поверхности органическими растворителями или специальными моющими средствами.
Для обезжиривания поверхностей применяют различные ор ганические растворители или их смеси. Минеральные масла и животные жиры удаляют бензином или ацетоном. Для обезжи ривания применяют также водный раствор из тринатрийфосфата (50—70 г/л), жидкого стекла (25-35 г/л) и жидкого мыла (3- 5 г/л). Обработка поверхности раствором проводится в течение 3-5 мин при температуре 75-80 °С с последующей промывкой в теплой воде.
Качество приготовления многокомпонентного клея зависит от правильности дозировки отдельных компонентов в процессе приготовления клея и от тщательности перемешивания клеевой смеси.
Многокомпонентные клеи можно разделить на две основные группы. К первой группе относятся клеи, представляющие рас-
400