Расчет толщины наплавленного слоя на деталях задвижек нефтегазовой арматуры высокого давления

Работоспособность деталей запорного узла прямоточных задвижек фонтанной арматуры обеспечивается путем нанесения на их рабочие поверхности методом пламенно-порошковой наплавки никеле хромовых сплавов, легированных углеродом, бором и кремнием. Показано, что для надежной работы запорных узлов этих задв...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Автоматическая сварка
Дата:2007
Автори: Жадкевич, М.Л., Переплетчиков, Е.Ф., Пузрин, Л.Г., Шевцов, А.В., Яворский, М.Н.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2007
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99406
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Расчет толщины наплавленного слоя на деталях задвижек нефтегазовой арматуры высокого давления / М.Л. Жадкевич, Е.Ф. Переплетчиков, Л.Г. Пузрин, А.В. Шевцов, М.Н. Яворский // Автоматическая сварка. — 2007. — № 5 (649). — С. 59-62. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860253830413811712
author Жадкевич, М.Л.
Переплетчиков, Е.Ф.
Пузрин, Л.Г.
Шевцов, А.В.
Яворский, М.Н.
author_facet Жадкевич, М.Л.
Переплетчиков, Е.Ф.
Пузрин, Л.Г.
Шевцов, А.В.
Яворский, М.Н.
citation_txt Расчет толщины наплавленного слоя на деталях задвижек нефтегазовой арматуры высокого давления / М.Л. Жадкевич, Е.Ф. Переплетчиков, Л.Г. Пузрин, А.В. Шевцов, М.Н. Яворский // Автоматическая сварка. — 2007. — № 5 (649). — С. 59-62. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Автоматическая сварка
description Работоспособность деталей запорного узла прямоточных задвижек фонтанной арматуры обеспечивается путем нанесения на их рабочие поверхности методом пламенно-порошковой наплавки никеле хромовых сплавов, легированных углеродом, бором и кремнием. Показано, что для надежной работы запорных узлов этих задвижек слой наплавленного металла должен иметь гарантированную толщину. Установлено, что для работы при давлении до 70 МПа минимальная толщина наплавленного слоя должна составлять 1,5 мм, а с учетом возможных перешлифовок – до 2,9 мм. Performance of parts of high-pressure stop valves of Cristmas tree is ensured by deposition on its working surfaces of nickel-chromium alloys with carbon, boron and silicon by plasma-powder surfacing. It is shown that for a reliable operation of these stop valves, the layer of deposited metal should have a guaranteed thickness. It is established that for operation at up to 70 MPa pressure, minimum thickness of the deposited layer should be equal to 1.5 mm, and allowing for the possible repeated grinding — up to 2.0 mm.
first_indexed 2025-12-07T18:46:39Z
format Article
fulltext УДК 621.791:66.023/.025 РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ НАПЛАВЛЕННОГО СЛОЯ НА ДЕТАЛЯХ ЗАДВИЖЕК НЕФТЕГАЗОВОЙ АРМАТУРЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Чл.-кор. НАН Украины М. Л. ЖАДКЕВИЧ, Е. Ф. ПЕРЕПЛЕТЧИКОВ, Л. Г. ПУЗРИН, кандидаты техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины), А. В. ШЕВЦОВ, инж. (фирма «ИФ Элтерм», г. Киев), М. Н. ЯВОРСКИЙ, канд. техн. наук (ГП «Укргаздобыча», г. Киев) Работоспособность деталей запорного узла прямоточных задвижек фонтанной арматуры высокого давления обес- печивается путем нанесения на их рабочие поверхности методом плазменно-порошковой наплавки хромоникелевых сплавов, легированных углеродом, бором и кремнием. Показано, что для надежной работы запорных узлов этих задвижек слой наплавленного металла должен иметь гарантированную толщину. Установлено, что для работы при давлении до 70 МПа минимальная толщина наплавленного слоя должна составлять 1,5 мм, а с учетом возможных перешлифовок — до 2,0 мм. К л ю ч е в ы е с л о в а : плазменно-порошковая наплавка, ар- матура высокого давления, износ, прямоточные задвижки, детали запорного узла, концентрация напряжений, толщина наплавленного слоя Важнейшим элементом фонтанной арматуры (ФА), которая эксплуатируется на нефтяных и га- зовых промыслах, являются задвижки. Они в ос- новном обеспечивают безопасность персонала и устьевого оборудования, поскольку неконтроли- руемый выброс добываемого фонтанным методом горючего продукта может приводить к наруше- нию экологии и возникновению пожаров. В ФА, рассчитанной на почти непрерывный проток жидкости или газа, предпочтение отдается прямоточным задвижкам [1–3]. Такие задвижки (рис. 1) имеют прочный стальной корпус 1 с двумя расположенными на одной оси патрубками, вы- полненными совместно с корпусом и присоеди- нительными фланцами. Запорный узел задвижки располагается в корпусе и состоит из шибера 2, способного перемещаться вверх и вниз между плотно прижатыми к нему седлами 3. В седлах и нижней части шибера выполнены отверстия, размер которых соответствует каналам патрубков задвижки. В нижнем положении шибер перекры- вает проток нефти или газа и прижимается к седлу полным рабочим давлением. В открытой задвижке отверстия в шибере и седлах совмещаются и про- дукт протекает свободно, не изменяя своей ско- рости и направления. Благодаря этому прямоточ- ные задвижки обеспечивают низкое гидравличес- кое сопротивление с коэффициентом не более 0,2 (у клиновых задвижек и вентилей этот коэффи- циент 2…5 и более) [4]. В прямоточных задвижках высокого давления применяют запорные узлы с уплотнением «ме- талл–металл», герметичность запорного узла в ко- торых зависит от того, насколько тщательно по- догнаны трущиеся поверхности шибера и седел. Для надежной работы их контактирующие повер- хности притирают до чистоты с высотой неров- ностей не более 0,2 мкм. Износ рабочих поверхностей шиберов и седел обусловлен рядом причин, в частности, воздейст- вием твердых частиц породы, попадающих из до- бываемого продукта к трущимся поверхностям, а также содержащимися в продукте коррозион- ноактивными примесями такими, как СО2 и H2S. Кроме того, при открытии и закрытии задвижки © М. Л. Жадкевич, Е. Ф. Переплетчиков, Л. Г. Пузрин, А. В. Шевцов, М. Н. Яворский, 2007 Рис. 1. Схема прямоточной задвижки фонтанной арматуры: 1 — корпус с фланцами; 2 — шибер; 3 — седла 5/2007 59 возникает высокоскоростной турбулентный поток продукта, который вызывает эрозионный износ рабочих поверхностей. Для задвижек ФА характерно длительное пре- бывание шибера в положении «открыто» или «зак- рыто». Как показывает опыт, при недостаточной кор- розионной стойкости рабочих поверхностей шибер может «прикипать» к седлам в результате образо- вания в отдельных местах общих продуктов кор- розии, и задвижка становится неработоспособной. Для сохранения качества обработки рабочие поверхности деталей запорного узла должны од- новременно иметь высокую твердость и стойкость против коррозионного и эрозионного воздействия на них добываемого продукта. Выполнение этих требований достигается путем использования в за- порных узлах задвижек композиционных деталей. Рабочие поверхности шибера и седел, изготовлен- ных из стали, покрывают специальными сплавами с высокой твердостью и высокой стойкостью про- тив коррозии и эрозии. Наилучшее сочетание твердости, стойкости против задиров, коррозионной и эрозионной стой- кости достигается при плазменно-порошковой наплавке поверхностей деталей запорного узла задвижек хромоникелевыми сплавами с углеро- дом, бором и кремнием [5, 6]. Технология плаз- менно-порошковой наплавки, разработанная в ИЭС им. Е. О. Патона, с успехом используется при изготовлении деталей запорных узлов пря- моточных задвижек ФА на давление 70 МПа [7]. Важной отличительной особенностью конс- трукции прямоточных задвижек ФА является то, что кромки проходных отверстий на рабочих по- верхностях седел изготавливают острыми без фа- сок для снижения гидравлического сопротивления и уменьшения вероятности попадания между ши- бером и седлами твердых частиц из добываемого продукта. При закрытой задвижке напряжения, возникающие в месте контакта острой внутренней кромки седла с шибером, c некоторым прибли- жением подобны напряжениям у острой кромки жесткого прессового штампа, прижатого к дефор- мируемой детали (рис. 2). Удельное давление у острой кромки штампа (седла) в точке с коор- динатой х описывается выражением [8] q = P ⁄ π √⎯⎯⎯⎯⎯a2 – x2 , (1) где P — погонная сила, действующая на штамп единичной толщины, Н/мм; а — половина ши- рины штампа, мм. Согласно (1) удельное давление на краю штам- па стремится к бесконечности при x → a. Однако на практике значение этого давления может дос- тигать лишь предела текучести материала детали при сжатии [8]. При наплавке слоев с высокой твердостью и соответственно с высоким пределом текучести при сжатии в зоне концентрации напряжений у острой кромки седла может возникать ситуация, при которой напряжения, достигающие основного металла шибера с заведомо более низким преде- лом текучести, вызовут в нем некоторую плас- тическую деформацию сжатия. В этом случае твердый слой покрытия может получить допол- нительно деформацию изгиба и разрушиться вви- ду его низкой пластичности. Этот процесс усу- губляется тем, что при открытии и закрытии зад- вижки у острой внутренней кромки седла возни- кает перемещающаяся в шибере волна напряже- ний изгиба. Эти напряжения, возникающие у ос- трой кромки седла, подобны напряжениям в уп- ругом теле от силы, приложенной к его поверх- ности вдоль линии. Они имеют максимальное зна- чение вблизи поверхности тела и уменьшаются в его глубинных слоях [8]. Поэтому предотвратить опасность разрушения слоя твердого покрытия можно путем увеличения его толщины до значе- ния, при котором напряжения под покрытием ста- нут ниже предела текучести при сжатии стальной основы шибера. На основе этих соображений проведена приб- лиженная оценка минимальной толщины наплав- ленного слоя, гарантирующего надежную работу деталей запорного узла задвижек ФА. Для расчета минимальной толщины покрытия, способного вы- держивать напряжения у острой кромки седла, ис- пользовали зависимость напряжения сжатия внут- ри полубесконечного упругого тела на расстоянии δ от его поверхности от линейной нагрузки ps, приходящейся на единицу длины, которая при- ложена к поверхности упругого тела [8]: Рис. 2. Схема распределения напряжений сжатия под жест- ким штампом 60 5/2007 σs = 2ps ⁄ πδ, (2) где ps — линейная нагрузка на шибер, Н/мм, при- ходящаяся на участок шириной 1 мм вдоль острой внутренней кромки седла, в пределах которой нап- ряжения резко возрастают вплоть до предела те- кучести при сжатии материала покрытия; σs — нап- ряжения, равные пределу текучести при сжатии стали под покрытием, МПа. Тогда δ окажется рав- ным δmin, т. е. минимальной толщине покрытия в миллиметрах, при которой напряжения в стали не превысят ее предела текучести при сжатии: δmin = 2ps ⁄ πσs. (3) Такой приблизительный расчет минимальной толщины покрытия правомочен в связи с тем, что модули упругости материала покрытия и стальной основы совпадают и составляют около 2,1⋅105 МПа [9]. Для приближенной оценки давления сжатия, приходящегося на крайний участок шириной 1 мм, было принято на нем среднее значение давления. На этом участке оно резко возрастает от прибли- зительно среднего удельного давления (частное от деления общего усилия сжатия деталей на всю пло- щадь контактирующих поверхностей) до предела текучести при сжатии материала покрытия. Среднее удельное давление шибера на седло в задвижках с условным проходом Ду 80 составляет около 10 МПа при рабочем давлении 70 МПа. Предел те- кучести при сжатии хрупкого материала покрытия с высокой твердостью (НВ 555) близок к его пре- делу прочности при растяжении, которое состав- ляет примерно 1900 МПа [10, 11]. Тогда линейная нагрузка на шибер со стороны полосы шириной 1 мм вдоль острой внутренней кромки седла при изменении в ней напряжения сжатия от среднего до предела текучести при сжатии после умноже- ния на ширину полосы, равной 1 мм, составляет ps = 110 + (1900 – 110)/2 ~1005 Н/мм. Пластичные стали, из которых изготавливают детали запорного узла, например, сталь 40Х, от- личаются совпадающими по значению пределами текучести при растяжении и сжатии [10]. Значение предела текучести таких сталей при растяжении и соответственно сжатии определяли по значению их твердости по Бринеллю [12]: σs = 0,367НВ – 24 кгс/мм2. (4) Твердость стали 40Х в металле ЗТВ наплавки составляет НВ 179 и в соответствии с (4) ее предел текучести равен примерно 420 МПа. Рассчитанная на основе этих данных в соответствии с (3) ми- нимальная толщина δmin хромоникелевого покры- тия с углеродом, бором и кремнием на деталях запорного узла прямоточных задвижек ФА для работы при давлении до 70 МПа составляет при- мерно 1,5 мм. Способность более толстых покрытий в отли- чие от тонких выдерживать без разрушения сос- редоточенные нагрузки подтверждается измере- нием их твердости по методу Бринелля. Измеряли твердость наплавленных слоев толщиной 2,5 и 0,5 мм. Слой толщиной 0,5 мм получали путем механического удаления части слоя толщиной 2,5 мм. При этом влияние зоны перемешивания на свойства слоя металла наплавки толщиной 0,5 мм сводилось к минимуму. Как показали наши исследования, при плаз- менно-порошковой наплавке указанными выше сплавами распределение легирующих элементов по толщине слоя равномерно и металл наплавки Рис. 3. Макроструктура ( 30) покрытия под отпечатком при испытании твердости по Бринеллю при толщине покрытия 2,5 (а) и 0,5 (б) мм 5/2007 61 на расстоянии более 0,1 мм от линии сплавления имеет ту же структуру и твердость, что и по всему сечению наплавленного слоя. Поэтому измеренная по Роквеллу твердость слоев толщиной 2,5 и 0,5 мм была одинаковой и составляла HRC 47. При изме- рении твердости поверхности покрытия толщиной 2,5 мм стандартным методом Бринелля образовы- вались отпечатки диаметром 2,6 мм, что соответ- ствует твердости НВ 555, а деформации покрытия в этом случае не происходит (рис. 3, а). В тех же условиях при измерении твердости слоя толщиной 0,5 мм образуются отпечатки диаметром 3,45 мм. При этом тонкое покрытие испытывает прогиб (рис. 3, б), а вокруг отпечатков образуются кольцевые и радиальные трещины (рис. 4). Плазменно-порошковая наплавка деталей за- порных узлов задвижек ФА производится за один проход слоем толщиной около 3 мм. В готовых деталях наплавленный слой после тщательной об- работки поверхности доводят до толщины 2 мм. Такая толщина твердого наплавленного слоя не- обходима в первую очередь для гарантированного обеспечения работы задвижки под высоким дав- лением без разрушения этого слоя. Кроме того, некоторый запас толщины по сравнению с рас- четным обеспечивает возможность ремонта дета- лей запорных узлов задвижек путем перешлифов- ки их рабочих поверхностей. Из приведенного выше следует, что в прямо- точных задвижках ФА могут успешно применять- ся только покрытия достаточной толщины, име- ющие высокую плотность и прочное сцепление с основным металлом. По этой причине тонкие покрытия, получаемые плазменным, вакуумным или детонационным напылением, не находят при- менения для деталей запорных узлов прямоточ- ных задвижек ФА, что подтверждается многочис- ленными неудачными попытками использовать указанные методы на практике. Высокая стойкость деталей запорного узла с плазменно-порошковой наплавкой рабочих повер- хностей подтверждается многолетним положи- тельным опытом эксплуатации задвижек произ- водства фирмы «ИФ Элтерм» на газовых промыс- лах Украины. Выводы 1. Плазменно-порошковая наплавка деталей за- порных узлов прямоточных задвижек нефтегазо- вой ФА высокого давления хромоникелевыми сплавами с углеродом, бором и кремнием благо- даря высокой твердости и стойкости против кор- розионного и эрозионного износа рабочих повер- хностей обеспечивает их высокую работоспособ- ность и надежность. 2. Расчетом установлено, что для должной ра- боты деталей запорных узлов задвижек ФА при давлении среды 70 МПа наплавленный слой из хромоникелевых сплавов с углеродом, бором и кремнием должен иметь толщину не менее 1,5 мм. 1. Вайсберг Г. Л., Римчук Д. В. Фонтанна безпека: Запитан- ня. Відповіді. — Харків, 2002. — 474 с. 2. Гульянц Г. М. Противовыбросовое оборудование сква- жин, стойкое к сероводороду: Справ. пособие. — М.: Недра, 1991. — 348 с. 3. Фонтанна арматура на тиск до 70 МПа / В. І. Артемов, В. В. Канаков, Ю. В. Максимов та ін. // Нафтова і газова пром-сть. — 2001. — № 3. — С. 25–28. 4. Гуревич Д. Ф., Шпаков О. Н. Справочник конструктора трубопроводной арматуры. — Л.: Машиностроение, 1987. — 517 с. 5. Гладкий П. В., Переплетчиков Е. Ф., Рабинович В. И. Плазменная наплавка в энергетическом арматуростро- ении. — М.: НИИинфортяжмаш, 1970. — 36 с. 6. Переплетчиков Е. Ф. Плазменно-порошковая наплавка износо- и коррозионностойких сплавов в арматуростро- ении // Автомат. сварка. — 2004. — № 10. — С. 37–44. 7. Производство фонтанной арматуры для глубоких нефтя- ных и газовых скважин методами электрошлакового литья и плазменно-порошковой наплавки / В. Л. Шевцов, В. Я. Майданник, В. М. Ханенко и др. // Сварщик. — 2001. — № 4. — С. 8–9. 8. Безухов Н. И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. — М.: Высш. шк., 1968. — 420 с. 9. Knotek O., Lugscheider E., Eschnaner H. Hartlegirungen zum Verschleiss. — Duesseldorf: Schutz, 1975. — 285 S. 10. Сопротивление материалов деформированию и разруше- нию: Справ. пособие. Ч.1. / Под ред. В. Т. Трощенко. — Киев: Наук. думка, 1993. — 287 с. 11. Tin Ming Wu. Untersuchungen uber das Auftragsschweiben von gesenken fur schiedestucke aus stahl forschuhgsberichte des landes nodheih. — Westfalen, 1964. — № 1349. — 46 S. 12. Марковец М. П. Определение механических свойств ме- таллов по твердости. — М.: Машиностроение, 1979. — 191 с. Performance of parts of high-pressure stop valves of Cristmas tree is ensured by deposition on its working surfaces of nickel-chromium alloys with carbon, boron and silicon by plasma-powder surfacing. It is shown that for a reliable operation of these stop valves, the layer of deposited metal should have a guaranteed thickness. It is established that for operation at up to 70 MPa pressure, minimum thickness of the deposited layer should be equal to 1.5 mm, and allowing for the possible repeated grinding — up to 2.0 mm. Поступила в редакцию 28.07.2006 Рис. 4. Макроструктура покрытия ( 30) толщиной 0,5 мм при испытании твердости по Бринеллю с трещиной у края отпе- 62 5/2007
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99406
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0005-111X
language Russian
last_indexed 2025-12-07T18:46:39Z
publishDate 2007
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format dspace
spelling Жадкевич, М.Л.
Переплетчиков, Е.Ф.
Пузрин, Л.Г.
Шевцов, А.В.
Яворский, М.Н.
2016-04-27T19:50:20Z
2016-04-27T19:50:20Z
2007
Расчет толщины наплавленного слоя на деталях задвижек нефтегазовой арматуры высокого давления / М.Л. Жадкевич, Е.Ф. Переплетчиков, Л.Г. Пузрин, А.В. Шевцов, М.Н. Яворский // Автоматическая сварка. — 2007. — № 5 (649). — С. 59-62. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
0005-111X
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99406
621.791:66.023/.025
Работоспособность деталей запорного узла прямоточных задвижек фонтанной арматуры обеспечивается путем нанесения на их рабочие поверхности методом пламенно-порошковой наплавки никеле хромовых сплавов, легированных углеродом, бором и кремнием. Показано, что для надежной работы запорных узлов этих задвижек слой наплавленного металла должен иметь гарантированную толщину. Установлено, что для работы при давлении до 70 МПа минимальная толщина наплавленного слоя должна составлять 1,5 мм, а с учетом возможных перешлифовок – до 2,9 мм.
Performance of parts of high-pressure stop valves of Cristmas tree is ensured by deposition on its working surfaces of nickel-chromium alloys with carbon, boron and silicon by plasma-powder surfacing. It is shown that for a reliable operation of these stop valves, the layer of deposited metal should have a guaranteed thickness. It is established that for operation at up to 70 MPa pressure, minimum thickness of the deposited layer should be equal to 1.5 mm, and allowing for the possible repeated grinding — up to 2.0 mm.
ru
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
Автоматическая сварка
Производственный раздел
Расчет толщины наплавленного слоя на деталях задвижек нефтегазовой арматуры высокого давления
Calculation of deposited layer thickness on parts of oil and gas high-pressure stop valves
Article
published earlier
spellingShingle Расчет толщины наплавленного слоя на деталях задвижек нефтегазовой арматуры высокого давления
Жадкевич, М.Л.
Переплетчиков, Е.Ф.
Пузрин, Л.Г.
Шевцов, А.В.
Яворский, М.Н.
Производственный раздел
title Расчет толщины наплавленного слоя на деталях задвижек нефтегазовой арматуры высокого давления
title_alt Calculation of deposited layer thickness on parts of oil and gas high-pressure stop valves
title_full Расчет толщины наплавленного слоя на деталях задвижек нефтегазовой арматуры высокого давления
title_fullStr Расчет толщины наплавленного слоя на деталях задвижек нефтегазовой арматуры высокого давления
title_full_unstemmed Расчет толщины наплавленного слоя на деталях задвижек нефтегазовой арматуры высокого давления
title_short Расчет толщины наплавленного слоя на деталях задвижек нефтегазовой арматуры высокого давления
title_sort расчет толщины наплавленного слоя на деталях задвижек нефтегазовой арматуры высокого давления
topic Производственный раздел
topic_facet Производственный раздел
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99406
work_keys_str_mv AT žadkevičml rasčettolŝinynaplavlennogosloânadetalâhzadvižekneftegazovoiarmaturyvysokogodavleniâ
AT perepletčikovef rasčettolŝinynaplavlennogosloânadetalâhzadvižekneftegazovoiarmaturyvysokogodavleniâ
AT puzrinlg rasčettolŝinynaplavlennogosloânadetalâhzadvižekneftegazovoiarmaturyvysokogodavleniâ
AT ševcovav rasčettolŝinynaplavlennogosloânadetalâhzadvižekneftegazovoiarmaturyvysokogodavleniâ
AT âvorskiimn rasčettolŝinynaplavlennogosloânadetalâhzadvižekneftegazovoiarmaturyvysokogodavleniâ
AT žadkevičml calculationofdepositedlayerthicknessonpartsofoilandgashighpressurestopvalves
AT perepletčikovef calculationofdepositedlayerthicknessonpartsofoilandgashighpressurestopvalves
AT puzrinlg calculationofdepositedlayerthicknessonpartsofoilandgashighpressurestopvalves
AT ševcovav calculationofdepositedlayerthicknessonpartsofoilandgashighpressurestopvalves
AT âvorskiimn calculationofdepositedlayerthicknessonpartsofoilandgashighpressurestopvalves