Текст
РЕМОНТ И МОНТАЖ
БУРОВОГО
И НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Допущено
Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебного пособия
для студентов нефтяных специальностей вузов
МОСКВА, НЕДРА, 1976
УДК 622.24.622.32.004.67.002.72(075.8)
Ремонт и монтаж бурового и нефтегазопромыслового обо-
рудования. Учебное пособие. М., «Недра», 1976, 368 с.
Авт.: Б. А. Авербух, II. В. Калашников, Я. М. Кершенбаум,
В. II. Протасов.
В книге изложены современные иредставленпя о надежности
машин, трении и износе машин в увязке с конкретными условиями
их эксплуатации в нефтяной и газовой промышленности. Дана
методика расчета предельно допустимых наносив. Рассмотрены
основные конструкционные, технологические и эксплуатационные
мероприятия для повышения надежности машин. Приведена общая
технология ремонта нефтегазопромысловых машин и оборудова-
ния. Детально изложены современные методы ремонта и модерни-
зации изношенных деталей.
Рассмотрена технология крупноблочного, блочного и рас-
члененного монтажа бурового и нефтегааопромыслового оборудо-
вания и методы организации монтажных работ.
Книга является учебным пособием для студентов механиче-
ских специальностей нефтяных вузов и факультетов. Она может
быть полезна инженерно-техническим работникам, занятым экс-
плуатацией, ремонтом и монтажом нефтегааопромыслового обо-
рудования.
Табл. 86, ил. 258, список лит. — 18 назв.
Р
30804—278
043(01)—76
144—76
[здательство «Недра». 1976
Научно-тек«с..-д.-.-7й„ j
| ^-чблиоте.'.-,. ‘1
Борис Александрович -Авербух,..
Николай Васильевич Калашников
Яков Маркович Кершенбаум
Виктор Николаевич Протасов
РЕМОНТ И МОНТАЖ БУРОВОГО
И НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Редактор издательства К. ГТ. Святитская
Переплет художника Б. К. Силаева
Художественный редактор В. В. Шутько
Технический редактор В. В. Соколова
Корректор С. С. Борисова
Сдано в Набор 16/1 1976 г. Подписано в печать 7/V 1976 г. Т-10511. Формат 70 х 100'/|в.
Бумага кн.-журн. Печ. л. 23. Уел. п. л. 29,67. Уч.-изд. л. 29,18. Тираж 7000 экз. Заказ 763/286-8.
Цена 1 р. 35 к.
Издательство «Недра», 103633, Москва, К-12, Третьяковский проезд, 1/19.
Ленинградская типография № 6 Союзполиграфпрома Государственного комитета Совета Министров СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
196006, Ленинград, Московский пр., 91.
ЧАСТЬ 1
ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ БУРОВОГО
И НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО ОБОР У ДО В А НИЯ
ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О НАДЕЖНОСТИ БУРОВОГО
И НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
§ 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ
Надежность — свойство изделий, характеризующее их работу во времени,
т. е. оно учитывает изменения основных характеристик изделий, происходящие
в процессе эксплуатации.
Основой надежности изделия является его качество — совокупность
свойств, определяющих степень пригодности изделия для практического при-
менения в соответствии с его назначением.
Понятие о качестве изделия зависит от его назначения, техниче-
ских требований, предъявляемых к этому изделию, и способа его использо-
вания.
Для большей объективности оценки качества, изделий надо стремиться
к увеличению доли количественных показателей. В совокупность свойств,
определяющих качество изделия, входит’Чйараметры, характеризующие изделие
с различных точек зрепия.
Различают основные параметры — количественные показа-
тели, характеризующие свойства изделия, наиболее важные для его функциони-
рования (например, мощность, производительность, скорость, давление, грузо-
подъемность), и второстепенные п а р а м е т р ы — качественные
показатели, характеризующие удобство работы, внешний вид и др.
Изучением закономерностей изменений свойств изделий, происходящих
в процессе их эксплуатации, занимается теория надежности.
С точки зрения удобства оценки свойства, определяющие качество про-
мышленных изделий, можно разделить па две группы:
1) так называемые «мгновенные свойства, которые могут быть оценены
за короткий промежуток времени при контрольных проверках изделии па за-
воде-изготовителе или в самом начале эксплуатации (мощность, производитель-
ность, внешний вид и пр.);
2) свойства, требующие длительного наблюдения за работой изделия
во время эксплуатации или при специальных испытаниях па надежность.
Основные термины в области надежности в технике регламентируются
ГОСТ 13377-67.
Основные понятия и определения теории надежности с учетом указанного
ГОСТ можно разбить па четыре группы.
1* 3
ОБЪЕКТЫ
В эту группу входят изделия (системы) и детали (элементы системы), пе-
ремонтируемые и ремонтируемые.
Изделие — наиболее общее понятие об объектах. К изделиям относятся
машины, механизмы, агрегаты, их элементы, которые являются предметом
исследования или расчета надежности.
Изделия и детали — понятия относительные. Тащдля завода, изготовляющего
буровые насосы, поршни, цилиндровые втулки, клапаны являются деталями,
а для заводов, производящих запасные части к буровым насосам — изделиями.
Перемонтируемыми называются такие изделия, которые в случае возник-
новения отказа не подлежат или не поддаются ремонту. К перемонтируемым
изделиям относятся многие детали бурового и пефтегазопромыслового обо-
рудования. Отдельные части машин и механизмов, а также сами машины и ме-
ханизмы в некоторых случаях можно рассматривать как перемонтируемые
изделия.- Например, большинство видов инструмента, в том числе породораз-
рушающий инструмент, также целесообразно рассматривать как перемонти-
руемые изделия.
Ремонтируемыми называются такие изделия, которые можно ремонтиро-
вать в случае возникновения отказа.
СОСТОЯНИЯ И СОБЫТИЯ
Работоспособность — состояние изделия, при котором оно способно вы-
полнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями
технической документации.
Неисправность — состояние изделия, при котором оно не соответствует
хотя бы одному из требований технической документации. Следует различать
неисправности, не приводящие к отказам, и неисправности (и их сочетания),
вызывающие отказы.
Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособности. Отказы
можно классифицировать по различным признакам (табл. 1.1).
Как видно из табл. 1.1, по причинам возникновения отказы подразделя-
ются па две группы: 1) отказы, не связанные с разрушением элементов системы
и 2) отказы, обусловленные разрушением элементов. При этом под разрушением
можно понимать не только поломки, но и случаи интенсивного изнашивания,
как результат нарушения нормального режима работы (например, попадание
абразива в смазку).
Основные виды отказов можно характеризовать следующим образом:
конструкционный — отказ, вызванный недостатком конструкции;
технологический — отказ, возникающий в результате отклоне-
ния от принятого технологического процесса изготовления изделия или в ре-
зультате несовершенства этого процесса;
эксплуатационный — отказ, возникающий в результате нару-
шения установленных правил эксплуатации или ремонта;
в н е з а и н ы й — отказ, сопровождающийся скачкообразным изменением
одного или нескольких основных параметров изделия;
не прогнозируемый — отказ, который заранее нельзя предвидеть;
прогнозируемый — отказ, который можно заранее предвидеть,
например, по количеству проработанных изделием часов или по изменению
одного или нескольких параметров изделия.
Отказы при эксплуатации сложных систем возникают в случайные моменты
времени. Поскольку отказы устраняются, то в течение времени наблюдается
4
Классификация отказов
Таблица 1.1
Классификационный признак Вид отказа
Условия возникновения Возникший в нормальных и ненор- мальных условиях
Причины возникновения Не связанный и связанный с разру- шением
Происхождение Конструкционный, технологический и эксплуатационный
Характер проявления Внезапный, постепенный, явный, скры- тый, полный и частичный
Взаимосвязь отказов Независимый и зависимый
Последствия Опасный, безопасный, тяжелый и лег- кий
Сложность устранения Простой и сложный
Возможность прогнозирования Не прогнозируемый, прогнозируемый, по наработке или по параметру
их поток. Под потоком отказов понимается последовательность отка-
зов, происходящих один за другим в случайные моменты времени. Вид потока
отказов определяет аналитические зависимости между количественными харак-
теристиками надежности.
СВОЙСТВА
Надежность — свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя
свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого
промежутка времени или требуемой наработки.
Безотказность — свойство изделия сохранять работоспособность в течение
некоторой наработки без вынужденных перерывов.
Ремонтопригодность — свойство изделия, заключающееся в его приспо-
собленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неис-
правностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.
Сохраняемость — свойство изделия сохранять обусловленные эксплуата-
ционные показатели в течение и после срока храпения и транспортирования,
установленного в технической документации.
Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособность до пре-
дельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслужи-
вания и ремонтов. Предельное — это такое состояние изделия, при
достижении которого дальнейшая эксплуатация становится экономически
нецелесообразной или опасной.
КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ
Надежность машин и механизмов зависит от таких факторов, как характер
и величина нагрузок, материал и конструкция сопряженных деталей, качество
изготовления, условия эксплуатации и др. Воздействие значительной части
этих факторов носит случайный характер (случайные перегрузки, дефекты
в металле), вследствие чего возникающие отказы по своей природе также ока-
зываются случайными. В результате все величины, используемые при оценке
надежности (время работы оборудования до первого отказа, время между по-
следовательными отказами, число отказов за определенное время) также явля-
ются случайными. Поэтому основные закономерности, характеризующие на-
дежность машин и механизмов, устанавливаются па основе статистических
данных с применением законов теории вероятностей и математической’ стати-
стики.
Теория вероятностей — это наука о массовых случайных событиях, т. е.
таких событиях, которые эквивалентны друг другу в отношении определенных
свойств, или способны многократно повторяться при воспроизведении соответ-
ствующих условий. Теория вероятностей изучает свойства массовых случайных
событий с использованием математических методов. Создают математическую
модель изучаемых свойств, в которой они обозначаются математическими сим-
волами, что позволяет оперировать этими свойствами как чисто математиче-
скими понятиями. Основными исходными категориями теории вероятностей
служат случайные явления и события.
Случай н ы м называется такое явление, которое при неодно-
кратном повторении одного и того же опыта каждый раз может протекать
неодинаково, например: скорость проходки на разных буровых и действитель-
ные размеры при измерениях.
Случайным событием называется качественный результат опы-
тов, который может произойти или не произойти (отказ, безотказная работа).
Вероятностью случайного события называется сте-
пень объективной возможности этого события, выраженная числом.
В качестве единицы измерения для вероятности принята вероятность д о-
с т о в е р н о г о события, которое непременно должно произойти в ре-
зультате проведения опыта.
Противоположным по отношению к достоверному событию является не-
возможное событие, которое в данном опыте произойти не может.
Математическая вероятность появления события А обозначается символом
Р [Л], характеризуемым случайной величиной.
Случайной величиной называется такая переменная величина,
которая в результате опыта принимает одно из возможных заранее неизвест-
ных значений. Случайная величина является количественной характеристикой
случайного явления или события.
Случайные величины могут быть дискретными (прерывными) и непрерыв-
ными. Так, количество отказов за некоторый промежуток времени характери-
зуется дискретной случайной величиной, а значение времени безотказной ра-
боты — непрерывной случайной величиной. Исчерпывающей характеристикой
случайной величины является закон распределения, устанавливающий связь
между возможными значениями случайной величины и соответствующими им
вероятностями. Закон распределения случайной величины обычно задается
функцией распределения.
Если g непрерывная случайная величина и х — произвольное действитель-
ное число, то вероятность того, что g примет значение меньшее х, называется
функцией распределения вероятностей случайной величины g
F (х)=Р (1.1)
6
Производная от функции распределения (если она существует), называется
плотностью распределения случайной величины и является другой формой
задания закона распределения случайной величины:
/(*) =
dF (х)
dx
(1-2)
Для количественной оценки случайных величин используется математи-
ческая статистика, с помощью которой получают так называемые оценки (под-
ходящие значения) числовых характеристик искомой случайной величины
(в том числе, и математической вероятности Р {Л}).
Эти оценки называются статистическими ив отличие от ве-
роятностных (математических) обозначаются теми же симво-
лами, но созвездочкой. Так, Р*{Л}—есть статистическая вероятность события Л.
Если произведена серия из п опытов, в каждом из которых могло появиться
некоторое событие Л, то вероятность этого события в данном опыте можно оце-
нить по относительной доле благоприятных исходов.
Статистическую вероятность события Л вычисляют как отношение числа
благоприятных случаев т к общему числу случаев и:
Р*(Л!=-^(тг=:П). (1.3)
Статистическую вероятность часто называют также относительной частотой
или частостью появления события.
В теории надежности наиболее важными числовыми характеристиками
случайных величин являются: математическое ожидание, дисперсия, среднее
квадратичное отклонение и коэффициент вариации.
Математическое ожидание случайной величины § харак-
теризует некоторое число, около которого группируются возможные значения
случайной величины:
-|- со
М [1| f xf(x)dx. (1.4)
Дисперсией называется числовая характеристика, применяемая
для оценки разброса значений случайной величины около ее среднего значе-
ния. Дисперсия обозначается символом D Ц] или о2 Ц] и определяется как
математическое ожидание квадрата отклонений случайной величины от ее мате-
матического ожидания
О[5| ЛЛ (1 1Л 111)- j (x-M\i\Y4(z)dx. (1.5)
Средним квадратичным отклонение м называется квад-
ратный корень пз дисперсии
a 111 d-В)
Коэффициентом вариации случайной величины называется
отношение
о Isl
VHP "Mijj-- (1-7)
Для оценки математического ожидания случайной величины в качестве
выборочной характеристики применяют среднее арифметическое:
??
(1-8)
В качестве оценки дисперсии случайной величины (при п .30) исполь-
зуется формула:
11
(1.9)
7-1
При ограниченном числе данных (при п <'30) следует пользоваться фор-
мулой:
и
= 1
Случайные величины в зависимости от их физического смысла могут иметь
различные законы распределения. Наиболее часто в теории надежности встре-
чаются следующие законы распределения: нормальный, логарифмически нор-
мальный, экспоненциальный, Вейбулла и гамма-распределение.
Рассмотрим основные теоретические и приближенные (статистические)
уравнения для определения численных значений количественных показателей
надежности.
Вероятность безотказной работы подразумевает, что в заданном интервале
времени или в пределах заданной наработки не возникнет отказа изделия.
Пусть t — время работы изучаемого изделия и Т — случайное время без-
отказной работы, т. е. время, прошедшее с начала работы до первого отказа.
Тогда событие Т >> t означает, что в течение времени t не произойдет ни одного
отказа изделия.
Для каждого значения t существует определенная вероятность того, что Т
примет значение, большее t, т. е.
р (t)=P {Т > t}. (1.11)
Функцию р (t) называют вероятностью безотказной работы.
Функция р (4) является непрерывной функцией времени, обладающей
следующими очевидными свойствами:
1) р (0) = 1, т. е. в момент начала работы изделия исправны;
2) р (t) является монотонно убывающей функцией времени;
3) при t -> со, р (t) -> 0.
Статистически вероятность безотказной работы характеризуется отноше-
нием числа исправно работающих изделий к общему числу изделий, находя-
щихся под наблюдением,
N (t) ;У(0) —»(/) t п (t)
р " JV(O) N (0) JV(O) ’ ( 2)
где N (0) — количество исправных изделий в момент времени t = 0; N (t) —
количество исправных изделий в момент времени t\ п (4) — количество отка-
завших изделий к моменту времени t.
Если на основании статистических данных определено эмпирическое рас-
пределение рассматриваемой случайной величины и установлена степень его
близости к принятому теоретическому распределению, то вероятность безот-
казной работы может быть рассчитана по известным математическим зависимо-
стям. Так, если вероятность безотказной работы машины в течение 1000 ч
составляет 0,95, то это означает, что в среднем около 5% машин данной модели
потеряет свою работоспособность раньше, чем через 1000 ч работы.
Исправная работа и отказ — события противоположные.
8
Вероятность отказа — вероятность того, что fi заданном интервале времени
или в пределах заданной наработки возникнет отказ изделия:
qU)=P {T^t}. (1.13)
Из этого выражения видно, что вероятность отказа является функцией
распределения случайного времени Т безотказной работы.
Статистическая оценка вероятности отказа — отношение числа изделий,
отказавших к моменту времени t, к числу изделий, исправных в начальный
момент времени (т. е. при t = 0) — определяется по формуле:
n (t)
д* W = N (0) *
Вероятность безотказной работы и вероятность отказа связаны зависимостью
р (t)+q = (1.15)
Частота отказов — это плотность вероятности того, что случайное время Т
безотказной работы изделия окажется меньше времени t, или плотность вероят-
ности отказа до момента времени t:
d
q(t) = q'(t)- (i-i<>)
Статистическая оценка частоты отказов определяется как отношение числа
отказавших изделий в единицу времени к первоначальному числу испытывае-
мых или находящихся под наблюдением изделий (при условии, что отказавшие
изделия не ремонтируются и не заменяются исправными):
N (t) — jV(t-l-At) An (At)
a*^)= УУ(О) д« JV(O) At’
где N (t + At) — количество исправных изделий в момент времени (t + At)
Интенсивность отказов — вероятность отказа перемонтируемого изделия
в единицу времени после данного момента’времени при условии, что отказ до
этого момента не возник. Иными словами, интенсивность отказов — это услов-
ная плотность вероятности отказа изделия для момента времени t
Статистическая оценка интенсивности отказов — это отношение числа
отказавших изделий в единицу времени к среднему числу изделий, исправно
работавших в рассматриваемый промежуток времени (при условии, что отка-
завшие изделия не ремонтируются и не заменяются исправными, т. е. число
испытываемых или находящихся под наблюдением изделий с течением времени
уменьшается). Она определяется по формуле:
^(Z)-jV(Z-i-AQ |Ди.(ДО
л ( л |Л (0) - п (/)( At N (t) At’ ' ’
где At — интервал времени; Ан (At) — количество отказавших изделий за
время At.
Средняя наработка до первого отказа — это среднее значение наработки
изделий в партии до первого отказа (для перемонтируемых изделий термин
«средняя наработка до первого отказа» равнозначен термину «средняя нара-
ботка до отказа»).
Если наработка выражена в единицах времени, можно применять термин
-«среднее время безотказной работы»:
Тер \p(t)dt. (1.20)
о
Статистическую оценку средней наработки до отказа (среднее арифмети-
ческое наработок группы изделий до отказа) определяют по формуле:
где N (> — количество испытываемых (находящихся под наблюдением) изде-
лий; tj — наработка г-го изделия до отказа.
Для определения меры рассеивания наработок группы изделий до первого
отказа необходимо применять показатель среднеквадратичного
отклонения наработки до первого отказа, статистиче-
скую оценку которого рассчитывают по формуле:
^2(</“7’ср)2 • (1-22)
В табл. 1.2 приведены зависимости между рассмотренными основными
количественными показателями безотказности р (t), q (t), A (t) и Tcp.
Таблица 1.2
Зависимости между основными количественными показателями безотказности
Р (0 <1 (i) X (0
Р (0 1 — <7 (Z) exp t — J X (t) dt 0
'/ U) 1 — exp ” t — [ к (/) dt b -
_р' (0 р б) ч' (t)
Т ср j Р W dt () J tq' (0 dt 0 j exp 0 t — j X (/) dt 0 dt
Из табл. 1.2 видно, что между вероятностью безотказной работы, вероят-
ностью отказов, интенсивностью отказов и наработкой до первого отказа суще-
ствуют однозначные зависимости.
Наработка на отказ определяется как среднее значение наработки ре-
монтируемого изделия многократного использования между отказами. Если
ю
наработка выражена в единицах времени, можно применять термин «среднее
время безотказной работы»:
т>
гср=~ 2tv f1-23)
i=l
где п — количество отказов изделия в течение рассматриваемого периода
эксплуатации; £• — время безотказной работы изделия между i-м и (г + 1)-м
отказами.
Для выявления меры рассеивания наработок на отказ необходимо приме-
нять показатель среднее квадратичное отклонение на-
работки на отказ, статистическую оценку которого определяют
по формуле
PHQ2 • (1-24)
i=l
Параметр потока отказов — среднее количество отказов ремонтируемого
изделия в единицу времени, взятое для рассматриваемого момента времени
Ди
(1.25)
где Ан — количество однотипных деталей изделия, отказавших за время At
Среднее время восстановления — среднее время вынужденного нерегла-
мептированного простоя, вызванного отыскиванием и устранением одного
отказа
И
Т] - |-т9 4- . . . Ч-Ти 1
'е, - ,1 — Z f ‘ • (1 -26)
i-1
Для определения меры рассеивания времени восстановления изделий
необходимо применять показатель среднее квадратичное откло-
нение времени восстановления, статистическая оценка ко-
торого определяется по формуле
<1^42 (т‘-тср)2 • (1-27)
Среднее время восстановления — одна из наиболее наглядных количествен-
ных характеристик, позволяющих оценивать ремонтопригодность изделий,
рассчитанных на длительное использование.
Коэффициент готовности — вероятность того, что изделие будет работо-
способно в произвольно выбранный момент времени в промежутках между
выполнениями планового технического обслуживания.
Статистическая оценка коэффициента готовности определяется как отно-
шение суммарного времени безотказной работы изделия за некоторый период
эксплуатации к сумме времени безотказной работы и времени, затраченного
на отыскание и устранение отказов за тот же период эксплуатации,
2 Ч
.=]
п. п
2 G 2
i=i i=i
(1.28)
11
где т; — время, затраченное на отыскание и устранение t-ro отказа; т^, — сред-
нее время восстановления.
Коэффициент готовности характеризует обобщенные свойства обслужи-
ваемого оборудования. Например, изделие с высокой интенсивностью отказов,
но быстро восстанавливаемое, может иметь коэффициент готовности более-
высокий по сравнению с изделием с малой интенсивностью отказов и большим
средним временем восстановления.
Коэффициент технического использования — отношение наработки изделия
в единицах времени за некоторый период эксплуатации к сумме этой наработки
и времени всех простоев, вызванных техническим обслуживанием и ремонтами
за тот же период эксплуатации
п
Т ^+2 т‘+2Тпр'
Iя! 1-1
(1.29)
гДе т„р j — время, затраченное на /-Й ремонт; к — количество технических
обслуживаний и ремонтов изделий в течение рассматриваемого периода экс-
плуа тации.
Ресурс — наработка изделий до предельного состояния, оговоренного
в технической документации. Различают ресурс до первого ре-
монта, межремонтный ресурс, назначенный ресурс,
средний ресурс и др.
Средняя продолжительность работы изделия за период эксплуатации до
разрушения или другого предельного состояния называется средним
ресурсом.
Статистическая оценка среднего ресурса определяется по формуле
где Rj — ресурс /-го изделия
tjt — время безотказной работы /-го изделия между t-м и (г ~ 1)-м отказами;
п — количество отказов изделия в течение рассматриваемого периода эксплуа-
тации; No — количество испытываемых изделий.
Гамма-процентный ресурс Rv — ресурс, который имеет и превышает в сред-
нем обусловленное число (у) процентов изделий данного типа.
Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации изделия
до момента возникновения предельного состояния, оговоренного в техниче-
ской документации, или до списания изделия.
Различают срок службы до первого капитального
(среднего) ремонта, срок службы между капиталь-
ными ремонтами, срок службы до списания, сред-
ний срок службы и др.
12
Удельная трудоемкость ремонтов — отношение средней трудоемкости ре-
монтов к средней наработке изделия за один и тот же период эксплуатации
*ср
(1-31)
где Ссг — средняя трудоемкость ремонтов.
Коэффициент восстановления параметра — отношение значения параметра
изделия после ремонта (или после устранения отказа) к номинальному значе-
нию этого параметра
Пк
/G-n = _n?’ (1>32)
где Пк — обобщенный параметр изделия после ремонта или устранения от-
каза; Лн — обобщенный параметр нового изделия.
Количественные показатели надежности бурового и нефтегазопромысло-
вого оборудования следует включать в технические задания на проектирование,
технические условия на изготовление, свидетельства на право серийного произ-
водства, карты технического уровня и технические паспорта изделий.
В табл. 1.3 приведены количественные показатели надежности бурового
и нефтегазопромыслового оборудования.
Таблица 1 3
Количественные показатели надежности
Свойства Количественные показатели надежности Перемон- тируемые изделия Ремонти- руемые изделия
Безотказность Вероятность: безотказной работы отказа Интенсивность отказов Средняя наработка до первого отказа Гарантийная наработка Наработка па отказ Параметр потока отказов Коэффициент: готовности технического использования - - - 11 11 Н г+-г + ++ ++111++
Долговечность Ресурс Гамма-процентный ресурс Срок службы — 1- -I- -1-
Ремонтопригод- ность Среднее время восстановления Удельная трудоемкость: ремонтов устранения отказов Коэффициент: готовности стоимости эксплуатации восстановления ресурса восстановления параметра 1 1 1 1 11 1 . 1- -1- -1- ' - ’1
II р им с.ча и и с. Знак «плюС’> (-|-) означает, что данный показатель рекомендуется для оценки
'Cnoiicin изделии , а знак «минус-» (—)—не рекомендуется для оценки сной'стн изделии.
13
В техническую документацию следует включать только наиболее характер-
ные для данного конкретного изделия показатели надежности, которые уста-
навливают в зависимости от назначения изделия и условий его эксплуатации.
Достаточно полно надежность бурового и нефтегазопромыслового обору-
дования характеризуется комплексом из четырех — пяти показателей, опре-
деляющих безотказность, долговечность и ремонтопригодность.
Надежность ремонтируемых изделий обусловливается их безотказностью,
долговечностью и ремонтопригодностью, а надежность перемонтируемых изде-
лий — характеризуется в основном их безотказностью.
Долговечность перемонтируемых изделий совпадает с периодом их без-
отказной работы.
§ 2. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
Оценка надежности оборудования производится путем сбора, системати-
зации и обработки статистических данных о наблюдениях за его работой.
Все работы по оценке надежности состоят из четырех основных этапов:
1) накопление статистической информации об отказах оборудования;
2) систематизация, анализ и обобщение полученных статистических дан-
ных;
3) выбор и обоснование количественных показателей для оценки надеж-
ности оборудования;
4) математическая обработка полученных эмпирических данных для опре-
деления закономерностей отказов анализируемого оборудования.
Выполнение первого этапа является наиболее трудоемкой частью работы.
От правильной организации работ па этом этапе во многом зависит качество
собираемой информации, определяющей в конечном итоге результаты оценки
надежности анализируемого оборудования. Для обеспечения соответствующего
качества собираемых сведений информация об отказах оборудования должна
быть достоверной, полной и непрерывной.
Достоверность информации об отказах оборудования достигается точным
учетом времени его работы, моментов возникновения отказов и времени, затра-
чиваемого на их устранение.
Полная информация достигается точным учетом условий эксплуатации
оборудования и режимов его работы.
Для непрерывности информации нельзя допускать перерыва в процессе
регистрации отказов.
Статистическая информация об отказах оборудования может быть полу-
чена из двух источников:
1) наблюдение за оборудованием в реальных условиях эксплуатации;
2) наблюдение за оборудованием во время специальных испытаний, ими-
тирующих (или моделирующих) условия эксплуатации.
Для получения необходимых сведений об отказах и работоспособности
оборудования в реальных условиях эксплуатации имеются специальные жур-
налы наблюдений и учета неисправностей (которые заполняются персоналом,
обслуживающим оборудование) или организуется опытная эксплуатация,
во время которой исследуемое оборудование находится под наблюдением и все
данные об отказах и неисправностях регистрируются в специально разрабо-
танных журналах.
Помимо журналов источником статистической информации об отказах
оборудования служат также суточные рапорты, опросные листки, технические
формуляры и др.
14
Собранная первичная статистическая информация об отказах оборудова-
ния подвергается систематизации, анализу, обобщению и предварительной
обработке. Эти работы обычно весьма трудоемки и связаны с большой затратой
времени.
Трудоемкость этих работ значительно снижается при использовании совре-
менных средств вычислительной техники. Так, с применением комплекса счетно-
перфорационных машин сведения об отказах оборудования и ремонтных рабо-
тах, полученные по данным журналов наблюдений, зашифровываются десятич-
ным кодом и переносятся на перфокарту. После этого перфокарты поступают
на табуляторную машину, с помощью которой автоматически печатаются табу-
ляграммы, представляющие собой ведомости, в которых содержатся сведения
об отказах, суммарном времени, затраченном на устранение отказов, наработ-
ках оборудования до выхода из строя и т. п. Табуляграммы являются основными
исходными документами для дальнейшего статистического анализа и подсчета
количественных показателей надежности оборудования. Они также могут быть
использованы при вычислении количественных показателей надежности на
электронно-вычислительных машинах.
Опыт ВНИИПТНефтемаш по обработке статистических данных об отказах
бурового оборудования с помощью комплекса счетно-перфорационных машин
подтверждает, что трудоемкость работ снижается более чем в 10 раз по сравне-
нию с трудоемкостью работ при безмашинпой обработке.
Надежность бурового и нефтегазопромыслового оборудования можно
с достаточной степенью точности характеризовать комплексом, состоящим
из следующих количественных показателей: вероятность безотказной работы,
частота и интенсивность отказов, средняя наработка на отказ, средний срок
службы, коэффициент технического использования, среднее время восстано-
вления и удельная трудоемкость ремонтов.
Показатели надежности бурового и нефтегазопромыслового оборудования
представляют собой числовые характеристики, определяемые различными ме-
тодами из функций распределения вероятностей случайных величин, характе-
ризующих надежность (время безотказной работы, количество отказов, время
восстановления параметра и др.). Поэтому задачей математической обработки
статистических данных об отказе оборудования фактически является получение
функций распределения случайных величин. Зная функцию распределения
случайных величин и пользуясь методами математической статистики, можно
количественно оценивать показатели надежности.
Математическая обработка статистической информации об отказах и рабо-
тоспособности оборудования сводится к составлению рядов распределения,
построению эмпирической функции плотности вероятностей, случайной вели-
чины, вычислению параметров эмпирического распределения, выравниванию
эмпирического распределения по предварительно выбранному теоретическому
закону, сравнению эмпирических и теоретических функций распределения.
На основе выбранного закона распределения исследуемой случайной величины
и его параметров определяют показатели надежности.
Известно, что случайтгая величина будет полностью описана с вероятност-
ной точки зрения, если задано распределение суммарной вероятности между
отдельными значениями случайной величины или количество элементов сово-
купности, имеющих определенное значение случайной величины. Простейшая
форма задания ряда распределения — таблица, в которой должны быть пере-
числены возможные значения случайной величины и соответствующие им
количеств;^ элементов совокупности (частоты) или вероятности (частости).
15
Ряды распределения часто удобнее представлять интервальными. В этом слу-
чае весь диапазон исследуемой величины разбивают на интервалы (разряды)
и подсчитывают количество элементов совокупности Дм(-, приходящееся на каж-
.дый интервал. Для этого выписывают наименьшее и наибольшее значения
исследуемой случайной величины (т. е. первый и последний члены ряда рас-
пределения) и определяют зону рассеивания, которая равна разности между
этими членами.
Количество интервалов (разрядов), на которые делится найденная зона рас-
сеивания, рекомендуется выбирать в пределах от 8 до 12.
По данным таблиц строят эмпирические функции плотностей вероятностей
в виде гистограмм или полигонов распределения.
Г и с т о г р а м м ы строят для непрерывных случайных величин. По оси
абсцисс в выбранном масштабе откладывают интервалы, по оси ординат — ве-
личины, пропорционально частостям (или частотам), —высоты прямоугольни-
чков. Условно считают, что в каждом интервале случайная величина распреде-
лена равномерно.
П о л и г о н ы строят для дискретных случайных величин. По оси абс-
цисс откладывают возможные значения случайной величины, по оси ординат —
величины, пропорциональные частостям (пли частотам). Полагают, что все
значения случайной величины, попавшие в один и тот же интервал, равны по
величине середине этого интервала.
По результатам группировки исходных статистических данных легко
вычислить основные числовые характеристики изучаемой случайной величины —
среднее арифметическое и среднее квадратичное отклонения.
Пример 1.1 *. В результате наблюдений за работой буровых установок получены сле-
дующие данные о наработках до первого отказа коробки скоростей электропривода этих
установок (табл. 1.4). Под наблюдением находилось 64 изделия.
Необходимо определить эмпирическую функцию плотности распределения наработки
коробки скоростей до первого отказа и вычислить ее числовые характеристики.
Наработка д< первого отказа коробки скоростей буровой Таблица 1.4 установки
Л Наработка № Наработка № Наработка м Наработка
*1/ П до отказа, ч п/п до отказа, ч п/п до отказа, ч п/п до отказа, ч
1 325 17 6 33 408 49 2120
9 115 18 526 34 581 50 242
3 97 19 74 35 35 51 1410
4 298 20 755 36 224 52 761
5 472 21 620 37 20 53 1174
6 4 22 272 38 130 54 273
7 29 23 2194 39 38 55 10
8 198 24 1589 40 477 56 259
9 352 25 4 41 35 57 488
10 1983 26 251 42 673 58 25
11 401 27 10 43 40 59 290
12 17 28 81 44 8 60 83
13 43 29 1254 45 374 61 31
14 800 30 1023 46 542 62 340
15 14 31 24 47 450 63 847
16 205 32 70 48 214 64 59
♦ По книге С. Г. Бабаева, Ю. Н. Васильева [1].
16
Минимальное значение наработки равно 4 ч, максимальное значение — 2194 ч. Зона
рассеивания составляет 2194 — 4 = 2190 ч. Эту зону рассеивания делим на 11 интервалов.
Величина интервала At в рассматриваемом случае примерно равна
2190
Л1- и
200 ч.
В табл. 1.5 приведены пределы каждого интервала, середина интервала, способ под-
счета количества случаев (отказов) в каждом интервале и эмпирическая функция плотности
распределения вероятностей.
Таблица 1.5
Данные для определения плотности распределения наработки
до отказа коробки скоростей буровой установки
Номер интервала i Интервал времени, ч Середина интервала ^ср* 4 Число случаев Дп/ Частость ДП; ut= £ N Эмпириче- ская плотность / * (х) = Лп(
1 0 до 200 100 27 0,42 0,0021
2 Свыше 200 » 400 300 14 0,22 0,0011
/ 3 » 400 » 600 500 9 0,14 0,0007
к 4 » 600 » 800 700 4 0,06 0,0003
5 » 800 » 1000 900 2 0,03 0,0002
Л- 6 » 1000 » 1200 1100 2 0,03 0,0002
7 » 1200 » 1400 1300 1 0,02 0,0001
8 » 1400 » 1600 1500 2 0,03 0,0002
9 » 1600 » 1800 1700 0 0,00 0,0000
10 » 1800 » 2000 1900 1 0,02 0,0001
11 » 2000 » 2200 2100 2 0,03 0,0002
Итого 64 1,00
По данным табл. 1.5 построена гистограмма распределения времени безотказной работы
коробки скоростей электропривода буровой установки (рис. 1.1).
Выборочное среднее арифметическое и выборочное среднее квадратичное отклонение
вычисляются соответственно по формулам:
(1.33)
(1.34)
Порядок расчета по вычислению числовых характеристик сведен в табл. 1.6.
Из табл. 1.6 имеем
и и
2 "/Ле/ 446,8 и и‘'ср i 443 680.
i-1 i=i
Подставив эти суммы в формулы (1.33) и (1.34), получим
х 447 ч и 5 = 1^443680—4472 = 494 ч.
2 Заказ lii.'i j-
i
Инет*. у -=
ЕашНИПИ. ;
17
Рис. 1.1. Плотность распределения наработки
до отказа коробки скоростей электропривода
буровой установки:
/ — гистограмма распределения; 2 — выравиеипаи
припая ио закину Вейбулла с параметрами т —
= <1,9 и = 0,0063
Рис. 1.2. Зависимости показателей безотказ-
ности коробки скоростей электропривода буро-
вой установки от времени:
и - вероятность безотказной работы; б — частота
отказов; в — вероятность отказов; г — интенсив-
ность отказов
0 ООО 800 1200 1600 2000 1ч 0 ООО 800 1200 1600 20001 ч
в г
Для оценки показателей надежности используются формулы, приведен-
ные в §1.1 и результаты группировки исходных статистических данных. После-
довательность оценки показателей безотказности рассмотрим на примере.
Пример 1.2. По статистическим данным о наработках до первого отказа коробок
скоростей электропривода буровой установки, приведенным в примере 1.1 необходимо
оценить показатели их безотказности р* (4), q* (t), а* (4), X* (4), Т*, sx.
Для решения задачи используем формулы (1.12), (1.14), (1.17), (1.19) и (1.22), а также
результаты группировки количества отказов по интервалам времени работы коробок ско-
ростей электропривода, приведенные в табл. 1.5. При этом объединим интервалы 5—7 и 8—11,
так как начиная с пятого интервала, количество случаев (отказов), попавших в каждый
интервал, мало (0—2). В результате объединения величина интервалов будет неравномерной.
Все- вычисления для удобства сведены в табл. 1.7.
По данным табл. 1.7 построены зависимости показателей безотказности от времени
(рис. 1.2).
Средняя наработка до отказа и среднее квадратичное отклонение наработки до отказа
коробки скоростей электропривода равны соответственно выборочным среднему арифмети-
ческому значению и среднему квадратичному отклонению и подсчитаны в примере 1.1:
7* 44" ч п «у = 494 ч.
18
Порядок расчета числовых характеристик к примеру 1.1
Таблица 1.6
Номер интервала i Интервал вре- мени, ч Середина интервала *Ср £* 4 ui (2 .10-* Ср 1 w/*cpi , и 11 . 1 ср 2
1 0—200 100 0,422 1 42,2 4220
2 200—400 300 0,219 9 65,7 19 710
3 400—600 500 0,140 25 70,0 35 000
4 600—800 700 0,063 49 44,1 30 870
5 800—1000 900 0,031 81 27,9 25 110
6 1000—1200 1100 0,031 121 34,1 37 510
7 1200—1400 1300 0,016 • 169 20,8 27 040
8 1400—1600 1500 0,031 225 46,5 69 750
9 1600-1800 1700 0 289 0 0
10 1800—2000 1900 0,016 361 30,4 57 760
И 2000—2200 2100 0,031 441 65,1 136 710
Итого 1,000 446,8 / 443 680
Таблица 1.7
Порядок расчета числовых характеристик к примеру 1.2
Номер интервала i Интервал времени ( ч Интервал д/., ч Середина интервала 'ср Р 4 Число отказавших изде- лий п за время Д^ Число отказавших изде- лий n ( 1Ср к моменту времени z- 1 Число исправных изделий А 'ср i) =N (0)—n (/Ср i) 1 к моменту времени ^Ср —foLff (1 do \ , Й £ О. Ст з* Й Гср<1 N(1 .) Д<(-’ 1/4
с 1 ср О N (0) д«(.’
1 0—200 200 100 27 13,5 50,5 0,789 0,211 0,00211 0,00211
2 200—400 200 300 14 34,0 30,0 0,469 0,531 0,00109 0,00189
о 400—600 200 500 9 45,5 18,5 0,289 0,711 0,00070 0,00196
4 600—800 200 700 4 52,0 12,0 0,187 0,813 0,00031 0,00143
5 800—1400 600 1100 5 56,5 7,5 0,117 0,883 0,00013 0,00083
6 1400—2200 800 1800 5 61,5 2,5 0.039 0,096 0,00010 0,00125
П р и м о ч а нис. При подсчете распределены равномерно. " ('ср, ) принято, что внутри каждого интервала времени отказы
Аналогично по соответствующим статистическим данным оцениваются
показатели долговечности и ремонтопригодности.
Для количественной оценки долговечности оборудования и рас-
крытия ее физического смысла рассмотрим три категории долговечности:
физическую долговечность Тф, моральную долговечность тм и технико-эконо-
мическую долговечность тэ.
Физическая долговечность Тф — продолжительность ра-
боты изделия в средних условиях до среднего или капитального ремонта (меж-
ремонтный ресурс).
2* 19
Рис. 1.3. Кривая нарастания износа
пары работающих деталей
Физическая долговечность машины
определяется долговечностью составля-
ющих ее частей и агрегатов и зависит от
долговечности сопряжений отдельных де-
талей. Сопряжения характеризуются по-
садкой в виде зазора или натяга.
Установлено, что физическая долго-
вечность подвижного сопряжения опре-
деляется характером (интенсивностью)
изменения зазора в сопряжении.
Для иллюстрации возможности коли-
чественной оценки физической долговеч-
ности сопряжения рассмотрим кинетику
изнашивания пары трения скольжения:
вал — втулка подшипника скольжения.
Па рис. 1.3 изображена кривая нарастания износа пары работающих
деталей: ио оси абсцисс указывается время работы пары, а ио оси ординат —
мера износа (в данном случае зазор).
Кривая эта имеет три явно выраженных участка:
1) начальный — криволинейный участок 7, характеризующий процесс
приработки нового сопряжения (период т0 — тнлч);
2) прямолинейный участок II (естественное изнашивание) наибольший
по протяженности, отвечающий периоду нормальной работы сопряжения (тпач —
"'кон) ’
3) конечный участок III, тоже криволинейный и соответствующий периоду
выхода из строя сопряжения, вследствие изнашивания его сверх допустимого
предела (аварийное изнашивание).
Период приработки тпр сопряжения характеризуется наибольшей скоро-
стью изнашивания деталей сопряжения в начале периода (tg а = шах) и ста-
билизацией скорости изнашивания в конце периода приработки (tg а = const).
Это объясняется наличием значительных контактных напряжений в точках
фактического контакта, которые находятся на вершинах неровностей со-
пряженных трущихся поверхностей.
По мере приработки микрошероховатости сопряженных деталей сглажи-
ваются, площадь фактического контакта приближается к номинальной,
фактические контактные напряжения снижаются и скорость изнашивания
стабилизируется.
Во избежание нарушения прочности сопряженных поверхностей в период
приработки их не рекомендуется нагружать усилиями, близкими к номи-
нальным.
Поэтому приработку, как правило, проводят на более легких режимах,
с нагрузками, значительно меньшими, чем номинальные.
Период нормального изнашивания (естественного изнашивания) характери-
зуется постоянной скоростью (tg а = const). В течение этого периода естествен-
ное изнашивание сопряженных деталей растет вместе с увеличением времени
работы механизма. Однако постепенное количественное нарастание изнашива-
ния лишь до известного предела не приводит к качественным изменениям в ра-
боте сопряжения и, очевидно, лишь до этого предела изнашивание может счи-
таться естественным (нормальным). При переходе указанного предела (Smax)
изнашивание приводит к резкому ухудшению в работе механизма, а процесс
работы сопряжения из статического переходит (в результате недопустимого
20
увеличения зазора) в динамический со всеми вытекающими отрицательными
последствиями. Следовательно, изнашивание перерастает из естественного
в аварийное (участок III).
Если допустить работу сопряжения в зоне аварийного изнашивания, то
в результате нарушения условий жидкостного трения возникнут явления схва-
тывания и вырывания частиц материала сопряженных поверхностей, темпера-
тура резко возрастет и сопряжение выйдет из строя. Задача технического об-
служивания — своевременно захватить момент предельного износа механизма,
предупредить аварийный износ, отремонтировать изношенное сопряжение
и, таким образом, без больших затрат, вернуть ему прежние эксплуатационные
качества.
При оценке физической долговечности тф сопряжения I и III участки рас-
смотренной кривой должны исключаться, так как началом нормальной работы
сопряжения считается момент окончания приработки тнач, а концом — момент
времени ткон, соответствующий предельно допустимому износу (зазору)
»8'п1ах. В таком случае физическая долговечность тф любого сопряжения, рабо-
тающего при установившемся режиме, может быть выражена следующей за-
висимостью
где 5тах и 5нач — соответственно предельно допустимый и начальный зазоры,
мм; tg а — величина, характеризующая скорость изнашивания сопряжения
(нарастания зазора).
Значения начального зазора iS’Ha4 и максимально допустимого зазора 5тах
в сопряжении определяются аналитически при расчете конкретного узла
трения.
Скорость изнашивания конкретного сопряжения может быть установлена
опытным путем.
Количественная оценка физической долговечности сопряжения возможна
с помощью формулы (1.35).
Моральная долговечность (мора л ь н ы й из н о с) тм —
срок службы машины, после которого машина становится технически и эко-
номически неэффективной по сравнению с новыми машинами, более совершен-
ных конструкций.
Экономические законы развития народного хозяйства требуют непрерыв-
ного совершенствования конструкции машин — повышения их производитель-
ности, улучшения качества работы и снижения себестоимости работы, выпол-
няемой машиной- Это создает стимул и экономическую базу технического про-
гресса — непрерывного совершенствования конст руирования и производс тва
машин. Однако машина, созданная с малым «запасом совершенства» быстро
стареет (морально изнашивается), так как на смену ей приходит более совер-
шенная машина; причем может быть случай, когда моральная долговечность
существующей машины будет настолько незначительна, что она не успеет оку-
пить себя достаточно эффективной работой (например, так было с различными
автоматами па первых этапах их внедрения в народное хозяйство).
Показателем моральной долговечности машины может быть коэффициент
морального износа
где Ci — себестоимость единицы продукции старой машины; С2 — себестои-
мость единицы продукции повой машипы; ДС — экономия от ввода в эксплуа-
тацию повой машины.
Проанализируем выражение (1.36). Как видно, величина коэффициента
морального износа может находиться в пределах
1 I /\ •? ' I .
При Сг С± коэффициент Км и = 0, т. е. анализируемая («старая»)
машина еще морально не износилась и является вполне современной.
При С2 -С Сг значение АС —>- С± и может приблизиться к величине
ДС^Ср
В таком случае А'Л, „ 1. Это означает почти полный моральный износ
машины, которую независимо от ее фактического физического состояния необ-
ходимо заменить новой, более современной.
Увеличение долговечности машин — средство снижения затрат труда на
единицу продукции. Исходя из этого, устанавливают более экономичные пре-
делы сроков службы машин, т. е. экономически оптимальную долговечность.
Для этого определяют технико-экономическую (оптимальную) долговечность.
Технико-экономическая долговечность тэ — эконо-
мически целесообразный срок службы машины, соответствующий минимальному
значению удельной себестоимости ее работы.
Количественная оценка тэ может быть выполнена на основе следующих
соображений. По мере износа машины производительность ее падает, а эксплуа-
тационные расходы на материалы (топливо, смазку, энергию) возрастают.
С другой стороны, с каждым капитальным ремонтом в результате износа
все большего числа деталей объем ремонта, расход запчастей, и следовательно,
стоимость ремонта увеличиваются. Все это в сумме сказывается на себестои-
мости единицы продукции.
При экономически наивыгоднейшем сроке службы машины тэ суммарные
затраты на ее эксплуатацию, отнесенные к величине выполненной работы,
будут минимальными.
Суммарные затраты на использование машины могут быть выражены так:
С=С! + С2 + СЪ (1.37)
где С± — разовые затраты па приобретение машипы; С2 — затраты на хране-
ние, топливо, рабочую силу; С3 — затраты на эксплуатационные материалы,
запчасти, ремонт и обслуживание.
Затраты С2 пропорциональны времени т использования машины
= йт,
а затраты С3 прогрессивно возрастают с увеличением времени ее эксплуатации
= 7Ла,
где В — затраты группы С2 на единицу времени эксплуатации машины; К —
исходная величина эксплуатационных затрат; а — показатель степени роста
эксплуатационных затрат по мере изнашивания машины.
Подставив принятые обозначения в уравнение (1.37), получим:
С = С14-йт + Кта.
Чтобы получить удельные затраты, необходимо суммарные затраты разде-
лить на всю работу, выполненную машиной. Для облегчения аналитического
22
решения выразим всю выполненную
машиной работу через время т. Тогда
удельные затраты
Z = ~(1.38)
Проследим изменение величины удель-
ных затрат на единицу работы машины
в зависимости от срока ее службы
(рис. 1.4).
Удельные затраты на хранение, топ-
ливо и рабочую силу (кривая 2) остаются
практически постоянными, удельные за-
траты на эксплуатационное обслужива-
ние прогрессивно возрастают (кривая 1).
Значительным изменениям в ходе экс-
Удельные
Рис. 1.4. График изменения затрат на
выполнение единицы работы машины:
7 — удельные затраты на эксплуатационное
обслуживание; 2 — удельные затраты на хра-
пение, топливо п рабочую силу; з— стои-
мость машины, приходящаяся на единицу
работы; 4 — суммарные удельные затраты на
выполнение единицы работы; Т! — период
монтажа машины; т — технико-экономиче-
ская долговечность; 7СЛ — срок службы
машины
плуатации подвергаются удельные затраты
на приобретение машины (кривая 3).
Они уменьшаются по мере увеличения
количества выполненной работы. Такой
характер кривой объясняется тем, что
сумма, затраченная на приобретение ма-
шины, распределяется на все большее
количество произведенной работы от
начала эксплуатации.
Суммарные удельные затраты па выполнение единицы работы представлены
кривой 4, полученной как сумма перечисленных выше расходов. Из анализа
этой кривой видно, что затраты на единицу работы машины по мере ее эксплуа-
тации сначала снижаются и в определенный момент достигают минимального
значения 2min, после чего начинают расти.
Время тэ от начала эксплуатации машины до момента, соответствующего
Zrnin, определяет технико-экономическую долговечность машины.
Кривые па рис. 1.4 несколько идеализированы (в действительности они
носят ступенчатый характер, который объясняется прерывностью возникно-
вения расходов па ремонт, устранение отказов, убытков от простоев из-за от-
казов и т. д.).
Величину технико-экономической долговечности можно определить и ана-
литически.
Приравняв производную функции (1.38) нулю
Г|1 I А - (I
и решив ее относительно (т)
(1. .1.9)
получим выражение технико-экономической долговечности машины.
Выражение (1.39) позволяет обоснованно рассчитать оптимальный срок
службы машины в зависимости от специфических особенностей ее конструкции
и объективных условий эксплуатации.
В настоящее время срок службы машины назначается единый для целой
отрасли па основе анализа статистических показателей прошлых лет. Однако
такой метод не учитывает конкретные условия, влияющие па величину технико-
экономической долговечности и поэтому неточен.
Из практики известно, что возникновение потребности в дорогостоящем
Капитальном ремонте является сигналом для проверки целесообразности про-
дления ремонтом срока службы машины. Если расчеты покажут, что очередной
капитальный ремонт продолжает снижать себестоимость всей работы машины
от начала эксплуатации до следующего ремонта, машину целесообразно ре-
монтировать, в противном случае ее необходимо заменить новой.
В табл. 1.8 приведены рассчитанные ио такой методике показатели себе-
стоимости работы бульдозера.
Таблица 1.8
Изменение себестоимости работы бульдозера в течение срока службы
Номер цикла Эксплуатационные; расходы за цикл, руб. Производитель- ность цикла, м3 Средняя себестои- мость перемещения 1000 ма грунта, руи.
всего в том числе на капитальный ремонт
1 .3300 24 000 299
п 3753 288.6 22 000 237
ш 5449 1984.6 22 000 240
IV 4580 1115,7 22 000 232
V 4916 1451.7 22 000 230
VI 5642 2177,8 22 000 234
Как видно из табл. 1.8, наименьшая себестоимость работы бульдозера
(230 руб. па 1000 м3 разработанного грунта) обеспечивается при сроке службы
равном пяти циклам эксплуатации; капитальный ремонт после пятого цикла
уже нецелесообразен, и машину следует списать.
Рассмотрение категорий долговечности, их количественной оценки и взаим-
ной связи целесообразно завершить формулой В. И. Казарцева:
Тф тэ тм. (1.40)
Действительно, при выполнении этого равенства не потребуется капиталь-
ный ремонт машины, так как в результате длительной эксплуатации в един-
ственном цикле работы машина, имеющая равнопрочные или близкие к равно-
прочным основные детали, будет полностью амортизирована, а ее стоимость
окупится выполненной работой. Кроме того, к этому моменту машиностроение
предложит эксплуатационникам новую более совершенную машину,поэтому
старую машину целесообразно будет списать и по признакам морального износа.
§ 3. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ БУРОВОГО
И НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Низкая надежность оборудования, как правило, приводит к увеличению
эксплуатационных расходов и времени простоя. Кроме того, при недостаточной
надежности внезапные отказы частей и деталей вследствие нарушений устано-
вленной технологии могут привести к тяжелым авариям, затраты на ликвида-
цию которых весьма велики. Однако повышение надежности связано с услож-
нением оборудования и повышением его стоимости. Поэтому необходимо уста-
24
повить некоторую оптимальную надежность, исходя из критерия минимальной
стоимости проектирования, изготовления и эксплуатации оборудования. Про-
ектирование и изготовление высоконадежного оборудования требует дополни-
тельных средств. Однако с увеличением надежности уменьшается число отказов,
время вынужденного простоя, необходимое количество запасных частей, что
позволяет снизить эксплуатационные расходы. Таким образом, с увеличением
надежности оборудования растет стоимость проектирования и изготовления,
но уменьшается стоимость эксплуатации. При этом существует некоторая (опти-
мальная) надежность, при которой суммарная стоимость проектирования, из-
готовления и эксплуатации минимальна. Такой оптимальный уровень надеж-
ности называется нормой надежности.
В табл. 1.9 приведены классы надежности для бурового оборудования
и оптимальные значения уровня безотказности, которые разработаны ВНИИП-
Нефтемаш на основании обобщения статистического материала об отказах
оборудования буровых установок для бурения глубоких скважин на нефть
и газ.
Требования повышения безотказной работы оборудования, связанные
с обеспечением установленной оптимальной надежности, настолько вы-
соки, что удовлетворить этим требованиям, не прибегая к специальным
мерам по повышению его надежности, часто не представляется воз-
можным.
Повышение надежности может быть осуществлено в три этапа — при проек-
тировании, производстве и эксплуатации. Основными методами повышения
надежности оборудования являются: резервирование, уменьшение интенсив-
ности отказов оборудования, сокращение времени непрерывной работы и умень-
шение среднего времени восстановления.
Резервирование, как средство повышения надежности, наиболее целе-
сообразно применять для повышения надежности оборудования, предназна-
ченного для непрерывной работы в течение короткого времени. Использование
резервирования для повышения надежности оборудования, предназначенного
для длительной работы , часто связано с высоким резервированием или с приме-
нением специальных способов резервирования. Повышение надежности обору-
дования путем его резервирования приводит к ухудшению таких характеристик,
как масса, габаритные размеры, стоимость, условия обслуживания (увеличение
частоты проверок, числа запасных деталей и частей) и поэтому ограничивает
использование этого метода при конструировании бурового и нефтегазопро-
мыслового оборудования.
Уменьшение интенсивности отказов связано с осуществлением комплекса
мероприятий по повышению качества и в первую очередь долговечности обо-
рудования.
Долговечность бурового и пефтегазопромыслового оборудования зависит'
прежде всего от долговечности наиболее ответственных деталей и частей. За-
дача повышения долговечности должна решаться в трех направлениях: 1) кон-
структорском — па стадии проектирования, 2) технологическом — при изго-
товлении, 3) эксплуатационном — в процессе использования, технического
обслуживания и ремонта.
При конструировании оборудования решаются главные задачи создания
рациональной конструкции машины — упрощение кинематической схемы,
правильный выбор материалов, обеспечение равнойрочности основных деталей
и сборочных единиц, обеспечение экономичности и эффективности машины
в целом.
Классы надежности буревого оборудования
Tao.itti(ii 1.9
Класс надеж- ности X а р ак т с- р и ст ин а OTlGl.'-li В Наименование неис- правного оборудования, сборочной единицы, детали Последствия из-за отказа Оптимальное зна- чение вероятности иезотказиой рао'оты
1 Внезапные отказы основных детален и частой, недопус- тимые в процессе бурения Несущие элементы талевой системы, тормозное устрой- ство буровой лебедки, устройства для захвата и подвешивания труб Возможные чело- веческие жертвы, значительный мате- риальный ущерб 1 р { L ----- 5000 м } О 1 > 0,99
11 Внезапные отказы основных деталей л частей, обеспечи- вающих выполнение основных техноло- г 11ч ее к и х о пера ц п ii при проводке скважин Оборудование, обес- печивающее цирку- ляцию промывочной жидкости, привод и подъем инстру- менте! Возможность ава- рий и прихватов при бурении со . значительным мате- риальным ущербом р {L 5000 м ] — — 0,99
III Отказы основных деталей и частей, приводящие к дос- рочной замене оборудования в пе- риод бурения Основная опора вертлюга, основная п вспомогательная опоры ротора, дета- ли приводной части бурового насоса п др. Длительные простои и досрочная смена (до отработки уста- новленного ресурса) оборудования в пе- риод бурения р { I, 5000 м ) - -0.-88
IV Отказьг оборудова- ния вследствие вы- хода из строя бы строизна щипаю- щихся деталей и частей Детали гидравли- ческой части буровых насосов, Грязевы и сальник ве ртлюга Простои оборудо- вания, связанные со сменой быстро- изнашивающихся деталей в период бурения р ; / > 2оо ч } - -0,80
V Отказы вспомога- тельного оборудо- вания и инструмента Части гпдроцпк- лонных установок, мешалок, смесителей и др. Непродолжитель- ные простои обору- дования с незначи- тельным матери- альным ущербом Р { 1 > 200 ч } & 0,75
На стадии конструирования необходимо выбрать такие размеры деталей
и обеспечить такие условия их работы, при которых интенсивность изнашива-
ния будет минимальной. В этом случае необходимо принять паивыгоднейшие
нагрузки и скорости относительного перемещения трущихся поверхностей,
предусмотреть наиболее совершенные устройства для смазки, выбрать опти-
мальные посадки в сопряжениях и т. п.
Для повышения долговечности машины конструктор обязан предусмотреть
высокую ремонтопригодность ее основных частей, т. е. обеспечить простоту
обслуживания и ремонта машины.
26
Одна из эффективных мер в этом направлении — максимальная унифика-
ция сборочных единиц и деталей, которая дает возможность изготовить машины
из типовых сборочных единиц и агрегатов, благодаря чему можно быстро и
просто заменить в них изношенные части на местах эксплуатации и ремонти-
ровать в централизованном порядке на хорошо оснащенных специализирован-
ных предприятиях. Перспективным направлением в повышении долговечности
машин является создание саморегулирующихся и самовосстанавливающихся
сборочных единиц и систем. Сущность подобных решений заключается в обе-
спечении постоянства основных конструктивных параметров сопряжений в про-
цессе работы посредством их автоматической регулировки и подналадки.
При изготовлении оборудования различные технологические факторы ока-
зывают большое влияние на долговечность деталей и машины в целом. Выбор
заготовки, метода обработки и упрочнения рабочих поверхностей деталей,
а также качество сборки во многом определяют долговечность сопряжений и
надежность частей машины.
Технологические способы повышения долговечности позволяют добиться
уменьшения интенсивности изнашивания деталей соответствующей обработкой
рабочих поверхностей и их упрочнением.
Эксплуатационные свойства изделий в значительной степени определяются
качеством изготовления деталей, характеризующимся в основном геометриче-
скими параметрами, физико-механическими и физико-химическими свойствами
рабочих поверхностей.
Исходя из условий эксплуатации, к качеству рабочих поверхностей, точ-
ности изготовления деталей и их физико-механическим свойствам предъявля-
ются различные требования.
Перечисленные свойства рабочих поверхностей деталей зависят от приме-
няемого материала и формируются посредством определенных технологиче-
ских приемов.
Основной задачей технологии машиностроения является разработка тех-
нологических процессов, обеспечивающих изготовление деталей машин с паи-
лучшими эксплуатационными свойствами.
К технологическим направлениям повышения долговечности оборудования
относятся: подбор оптимальных сочетаний химического состава и структуры
материала деталей; применение оптимальных способов формообразования заго-
товок деталей и термической обработки; выбор оптимальных условий механи-
ческой обработки; улучшение геометрических параметров рабочих поверхно-
стей деталей; применение упрочняющих способов обработки рабочих поверх-
ностей деталей.
Одним из технологических направлений повышения долговечности машин
являются мероприятия по улучшению физико-механических характеристик
материалов, используемых для изготовления деталей машин. Основные проч-
ностные характеристики будущих деталей формируются уже па стадии изго-
товления заготовок этих деталей, посредством литья, обработки давлением и др.
Большое влияние па динамическую прочность материала оказывает спо-
соб получения заготовки. Так, пределы колебаний ударной вязкости заготовок
из стали Ст. 3, полученных отливкой и ковкой, находятся в диапазоне 2,0 —
20 кгс м/см2.
Последующей термической обработкой, например, нормализацией, можно
значительно (па 50—100%) повысить некоторые механические характеристики
подобных заготовок. Значительное повышение механических свойств заготовок
обеспечивается термомеханической обработкой.
Па эксплуатационные свойства деталей большое влияние оказывают гео-
метрические параметры рабочих поверхностей (микрогеометрия, шероховатость,
овальность, конусность и др.).
Заданная точность геометрической формы деталей обеспечивается жестко-
стью технологической системы, а .микрогеометрия — способом финишной обра-
ботки. Эффективным является применение таких методов, как хонингование,
притирка, вибровыглаживанпе, сверхдоводка (суиерфинилг) и т. и.
Повышению долговечности деталей оборудования способствует применение
процессов упрочнения для обеспечения высокого сопротивления рабочих по-
верхностей деталей изнашиванию, разрушению и коррозии.
Эффективность применения способов поверхностного упрочнения зависит
от правильного сочетания материала, его исходного состояния и условии'экс-
плуатации детали.
К основным эксплуатационным мероприятиям, повышающим долговечность
деталей относятся: тщательное обслуживание оборудования, своевременная
регулировка и смазка сопряжений, использование оптимальных режимов
работы оборудования и т. д. Эффективное использование оборудования воз-
можно лишь при нормальном режиме его работы и соблюдении надлежащего
ухода за ним. Опыт показывает, что ресурс различных видов технологического
оборудования в значительной степени изменяется в зависимости от условий экс-
плуатации. Поэтому для увеличения долговечности оборудования необходимо
выполнять графики технического обслуживания и планово-предупредитель-
ного ремонта оборудования. Для наглядности проанализируем формулу физи-
ческой долговечности сопряжений:
бтах £ нач
tg а *
Согласно этой зависимости .заданная физическая долговечность может быть
обеспечена системой мероприятий, позволяющих поддерживать в требуемых
пределах значения числителя и знаменателя.
Мероприятия, направленные на поддержание величины знаменателя, т. е.
определенной, не выше нормальной, интенсивности изнашивания относятся
к техническому обслуживанию машины, а мероприятия, направленные к под-
держанию определенной, не ниже нормальной, величины числителя (т. е. пре-
дела расширения посадок) — к ремонту машины. Действительно, если за неиз-
мененную величину принять числитель, то сохранение tg а = const есть един-
ственный путь обеспечения заданного ресурса. Основными здесь являются
мероприятия технического обслуживания: надлежащая смазка механизмов
и употребление доброкачественных эксплуатационных материалов, правильная
регулировка, соблюдение правил пуска и управления, обеспечение соответ-
ствующими условиями хранения и др.
Типичные мероприятия в области ремонта машин способствуют сохранению
величины числителя — разности между предельно допустимым максимальным
и начальным зазорами. К ним относятся: восстановление первоначальных раз-
меров деталей и устранение искажений их геометрической формы, восстановле-
ние первоначальной посадки и др.
Таким образом, назначенная физическая долговечность сопряжения может
быть обеспечена системой совместных мероприятий технического обслуживания
и ремонта машин. Графически ее можно представить системой кривых, пока-
занных на рис. 1.5.
28
Физическая долговеч-
k
ность Тф = 2ТФ( обесиечи-
г=1
вается, во-первых, надле-
жащей технической эксплу-
атацией сопряжения (техни-
ческим обслуживанием), по-
зволяющей поддерживать
интенсивность изнашивания
на уровне, который не пре-
вышает заданных значе-
Рис. 1.5. График физической долговечности сопря-
жения
ний а1,а2, а3, ..., ап, и,
во-вторых, надлежащим ре-
монтом, позволяющим после
каждого межремонтного пе-
риода восстанавливать ослабленную посадку, т. е.
Проанализировав выражение
снижать 5тах до 5нач.
tg а
можно наметить пути повышения физической долговечности, так как при 5тах —
— ^нач = const п tg а —0 имеем Тф —> оо.
Следовательно, чтобы увеличить физическую долговечность, необходимо
снизить скорость изнашивания, а этого можно достичь указанными выше тремя
группами мероприятий (конструкторскими, технологическими и эксплуата-
ционными).
Сокращение времени непрерывной работы оборудования фактически не
является методом повышения его надежности. Однако, уменьшая время
работы оборудования, можно, тем самым, увеличить время его существования
в исправном состоянии.
Время восстановления не влияет непосредственно на основные количе-
ственные характеристики надежности. Оно оказывает существенное влияние
на коэффициент готовности. Уменьшая время восстановления, можно увеличить
готовность оборудования к действию в любой момент времени, уменьшить
простои и повысить эффективность его действия.
Выигрыш по коэффициенту готовности будет определяться выражением
7"
14^
6’к.г =---7^’ (1.41)
. , СГ'
где Т'С1, и Т’ср — среднее время безотказной работы оборудования соответственно
до и после повышения надежности; т(р и х'сР — среднее время восстановления
соответственно до и после повышения надежности.
Из этого выражения следует, что мероприятия по повышению надежности
целесообразны при условии
С11 . тср
71' т'
ср ср
Время, требуемое па ремонт оборудования, уменьшают с помощью рацио-
нального конструирования оборудования и использования передовых мето-
дов эксплуатации.
29
Оценить эффективность того или иного метода повышения надежности
можно на основании сравнения количественных характеристик надежности.
Вероятность безотказной работы оборудования, интенсивность отказов
которого уменьшена в к раз, при % — const будет
Р <Х) схр (-у t) ,
где X — интенсивность отказов оборудования до ее понижения.
Выигрыш надежности по вероятности отказов и среднему времени безотказ-
ной работы в этом случае определяется выражением
/ X \
1 - охр I-у t )
1-ехр(-М •
Из (1.42) видно, что при 0 выигрыш надежности по вероятности отка-
зов равен 1/fc. С ростом Xt он убывает и в области больших Xt стремится к еди-
нице. Выигрыш надежности по среднему времени безотказной работы, как это
видно из (1.42), растет пропорционально коэффициенту к.
Поскольку пефтегазопромысловое оборудование работает многократно
периодически (т. е. циклами), а его детали и узлы подвержены изнашиванию,
влияние которого выражается в возрастании интенсивности отказов во времени,
то одним из эффективных способов повышения надежности оборудования яв-
ляется техническое обслуживание. Целесообразно применять техническое об-
служивание буровых лебедок, роторов, вертлюгов и талевой системы. Детали
перечисленного оборудования выходят из строя преимущественно вследствие
износа.
Повышения надежности бурового и нефтегазопромыслового оборудования
(например, буровых насосов), можно достигнуть применением резервирования.
Если надежность бурового и нефтегазопромыслового оборудования оцени-
вать вероятностью безотказной работы, то задачу повышения надежности можно
сформулировать следующим образом: требуется применять такие методы по-
вышения надежности, чтобы вероятность безотказной работы оборудования
была не ниже требуемой (оптимальной), а его стоимость — минимальной.
ГЛАВА 2
ВИДЫ РАЗРУШЕНИЙ ДЕТАЛЕЙ БУРОВОГО
И НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ РАЗРУШЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
Большинство деталей бурового и нефтегазопромыслового оборудования
при работе подвергается значительным статическим и динамическим нагрузкам,
а также интенсивному изнашиванию и коррозии. Большое число деталей ра-
ботает в абразивных и коррозионных средах при высоких температурах. В юж-
ных районах страны оборудование работает часто при температуре окружа-
ющего воздуха до +50о С, а в северных районах — при —50° С.
Кроме того, по мере углубления скважин температура на забое также воз-
растает и основные детали бурового инструмента работают при температуре
200-300° С.
30
Указанные условия эксплуатации приводят к преждевременному выходу
из строя основных деталей бурового и нефтегазопромыслового оборудования
и инструмента (поршневых втулок, клапанов, штоков буровых насосов, основ-
ных опор ротора и вертлюга, деталей втулочно-роликовых цепей и долот, зам-
ков для бурильных труб, втулок, плунжеров и клапанов глубинных насосов,
деталей погружных центробежных насосов и др.).
Очевидно, что причины выхода из строя деталей бурового и нефтегазопро-
мыслового оборудования, отличающихся друг от друга конструкцией и мате-
риалом и эксплуатирующихся в различных условиях, неодинаковы.
Для повышения долговечности этих деталей необходимо установить и про-
анализировать причины, которые приводят к их повреждению.
В практике эксплуатации машин и оборудования встречаются разнообраз-
ные повреждения деталей.
Наблюдения за отказами деталей машин в эксплуатации позволяют все
виды разрушения материалов деталей разделить на три основные группы:
1) деформация и изломы; 2) износ; 3) химико-тепловые повреждения.
Деформация и изломы происходят при напряжениях, превышающих предел
текучести или предел прочности материала детали.
Изнашивание происходит в результате взаимодействия трущихся тел.
Характер трущихся тел и условия их взаимодействия обусловливают особен-
ности процесса изнашивания.
Химико-тепловые повреждения — результат комплексного воздействия
на рабочие поверхности деталей факторов, среди которых факторы теплового
воздействия превалируют.
§ 2. ДЕФОРМАЦИЯ И ИЗЛОМЫ
Деформация материала детали происходит в результате приложения
нагрузки и выражается изменением формы и размеров детали. Эти изменения
могут быть временными (упругие деформации, исчезающие после снятия на-
грузки) или остаточными (пластические деформации, остающиеся после снятия
нагрузки). Повреждения деталей происходят в результате пластической де-
формации и выражаются в виде изгибов, вмятин и скручиваний.
При изгибах и вмятинах нарушается геометрическая форма
деталей в результате приложения в основном динамических нагрузок.
Скручивание деталей вызывается приложением крутящего момента,
превосходящего расчетный.
Указанным повреждениям подвергаются бурильные трубы, замки, штанги,
клинья, тела качения основных опор ротора, детали корпусов, а также детали,
изготовленные из листового проката (емкости, желоба др.).
Излом материала детали также происходит в результате приложения
нагрузки и выражается в разрушении детали.
В зависимости от характера нагружения рассматривают статический, ди-
намический и усталостный изломы.
Статический излом является результатом воздействия значи-
тельных местных нагрузок. Чаще всего он наблюдается в наиболее нагруженных
местах в деталях корпусов в виде трещин, особенно в деталях, изготовленных
из чугуна.
Д и в а м и ч е с к и й и злом является следствием сильных поверхност-
ных ударов и часто наблюдается на литых деталях.
Исследованиями, проведенными ВНИИПТпефтемаш, установлено, что
одной из причин отказов роторов является недостаточная работоспособность
31
Рис. 2.1. Отколы металла иа беговой дорожке кольца
основной опоры ротора
основной опоры вследствие
отколов металла па рабочей
поверхности беговой дорожки
колец (рис. 2.1). Аналогичное
повреждение наблюдается в
вертлюгах, в которых откол
оуртов колец основной опоры,
пн ппкагощпп из-за ударов
о бурты при значительных
радиальных нагрузках, проис-
ходит вследствие колебании
бурильной колонны в процессе
бурения.
В зависимости от скорости
Рис. 2.2. Хрупкий (а) и вязкий (б) изломы стали
бенно в месте расположения концентратора
нагружения и исходного строе-
ния материала детален оывают
хрупкий и вязкий изломы.
Л р у И К II и 11.3. 1 О .4
характеризуется полным от-
сутствием или весьма незначи-
тельной величиной • пластичо-
сгих ,деформаций. Причинами
хрупкого 113'1о.мч чнце всего
служат хладноломкость мате-
риала детали, наличие концент-
раторов напряжении в опасном
сечении и мгновенное прило-
жение нагрузки. При хрупком
изломе в зоне разрушения
кристаллическое строение ма-
териала хорошо наблюдается
невооруженным глазом, осо-
напряжемий (рпс. 2.2, л). Хруп-
кое разрушение часто является причиной низкой долговечности шарошек
буровых долот, деталей основной опоры ротора и вертлюга.
Вязкий излом обусловлен наличием макропластической деформации. Раз-
рушение материала детали при вязком изломе — результат резкого возрастания
приложенной статической нагрузки. Вязкий излом появляется в результате
превышения предела текучести материала детали. На поверхности вязкого
излома наблюдаются следы пластической деформации (рис. 2.2, б).
Однако наиболее часто причиной выхода детали из строя является уста-
лестный излом, в основе которого лежит явление усталости, т. е. раз-
рушение материала под влиянием циклических напряжений, действующих
в течение определенного времени. Свойство материала детали, характеризующее
ее способность сопротивляться усталостному разрушению, называют выносли-
востью.
Установлено, что усталостные изломы возникают при напряжениях ниже
предела текучести. Процесс начинается с зарождения усталостной трещины,
появлению которой способствует наличие концентратора напряжений или ка-
кого-либо микродефекта в опасном сечении детали. Возникнув, усталостная
трещина под действием циклической нагрузки распространяется в глубь
32
детали, что приводит в конеч-
ном итоге к ее разрушению.
Практика показала, что разру-
шение вооружения шарошек
буровых долот начинается с по-
явления усталостных трещин.
На рис. 2.3 показано изно-
шенное вооружение шарошек
буровых долот.
Одна из причин выхода из
строя замков бурильных труб —
их усталостное разрушение
под действием циклических
нагрузок.
Из общего числа вышед-
ших из строя колец основных
опор роторов более половины
повреждены усталостным раз-
рушением. Подобный характер
повреждения наблюдается так-
же в элементах основной опоры
вертлюга, зубьях венца и ше-
стерни ротора.
§ 3. ИЗНОС
При эксплуатации деталей
бурового, нефтегазопромысло-
вого оборудования и инструме-
нта наблюдается равномерный
и неравномерный износ, а так-
же образование рисок и нади-
ров на рабочих поверхностях
деталей.
Поскольку при работе де-
тали оборудования подвергают-
ся чаще всего переменным по
величине и знаку нагрузкам,
Рис. 2.3. Усталостные трещины в шарошке
долота:
а - па опорной поверхности; б на зубьнх
то наибольшее распространение имеет нера-
вномерный износ. Так, односторонний износ зубьев шестерни и венца
стола ротора является основной причиной отказов этих деталей. Риски и надиры
образуются на рабочих поверхностях деталей от загрязненной смазки пли при
работе деталей в абразивной среде.
Быстрому изнашиванию подвергаются бурильные замки, из-за многократ-
ного свинчивания — развинчивания, усталости от циклических нагрузок, изна-
шивания резьбы струей промывочной жидкости и наружной поверхности тре-
нием о стенки скважины. Па рис. 2.4 показан характерный случай износа
резьбы бурильного замка вследствие размыва.
Износ от действия промывочной жидкости служит причиной быстрого раз-
рушения деталей буровых насосов: цилиндровых втулок, поршпей, клапана,
штока. Так, пара втулка-поршень выходит из строя из-за потери герметичности.
Это вызывается тем, что отдельные абразивные частицы изнашивают втулку,
3 Заказ
33
Рис. 2.4. Размыв замковой резьбы пиииеля
Рис. 2.5. Изношенная цилиндровая втулка бурового насоса
затем под действием прорвавшейся струи абразивной жидкости во втулке и на
поршне образуются глубокие продольные канавки. Внешний вид изношенной
цилиндровой втулки показан на рис. 2.5.
Шток бурового насоса также выходит из строя из-за появления на его ра-
бочей поверхности продольных рисок и задиров.
Износ деталей — основной дефект, приводящий к выходу машин из строя.
Другие виды повреждений деталей менее распространены в эксплуатации буро-
вого и нефтегазопромыслового оборудования. Поэтому всестороннее изучение
явлений изнашивания и их причин чрезвычайно важно.
Отечественные ученые внесли достойный вклад в разработку этого раздела
пауки: широко известны работы по трению и изнашиванию М. В. Ломоносова,
А. Н. Давиденкова, С. А. Чаплыгина, Н. П. Петрова, А. К. Зайцева,
М. М. Хрущева, И. В. Крагельского, Б. И. Костецкого, Б. Д. Грозина и др.
ОШЦАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА ПРОЦЕССОВ ТРЕНИЯ
И ИЗНАШИВАНИЯ
Трение — сопротивление, возникающее при взаимном перемещении сопри-
касающихся поверхностей тел.
В зависимости от кинематических признаков относительного перемещения
тел чаще всего встречаются два вида трения: трение скольжения и трение
качения.
В зависимости от состояния трущихся поверхностей различают:
трение без смазки — трение двух твердых тел при отсутствии
на поверхности трения введенного смазочного материала всех видов;
34
а б
Рис. 2.6. Положение вала в подшипнике:
а — в покое; б — в процессе вращения; R —
реакция опоры; с — эксцентриситет
многообразию видов изнашивания.
граничное трение — тре-
ние двух твердых тел при наличии на
поверхности трения слоя жидкости,
обладающего свойствами, отличающи-
мися от объемных;
жидкостное трение —
явление сопротивления относительному
перемещению, возникающее между
двумя телами, разделенными слоем
жидкости, в котором проявляются ее
объемные свойства.
На процессы трения влияют меха-
нические, физико-химические, тепловые
и электрические факторы. Различное
сочетание этих факторов приводит к
Изнашивание — процесс постепенного изменения размеров тела при тре-
нии, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или)
его остаточной деформации.
Износ — результат изнашивания, проявляющегося в виде отделения или
остаточной деформации материала.
Изучению и раскрытию механизма и физической сущности процессов тре-
ния и изнашивания наука уже в течение miioihx десятилетий уделяет большое
внимание.
Наименьший износ трущихся пар наблюдается при жидкостном трении.
Трение поверхностей, например, шейки (цапфы) вала и вкладыша подшипника
предотвращает масляный клин, который образуется между ними при вращении
вала. В этом случае изнашивание происходит в результате трения смазки о ме-
таллическую поверхность. Смазка уменьшает энергетические потери на трение
и охлаждает трущиеся поверхности. Механизм изнашивания при этом обусло-
вливается механическим разрушением окисной пленки, образующейся на по-
верхности трения. Интенсивность изнашивания в данном случае минимальная
и поэтому всегда надо стремиться к созданию условий жидкостного трения,
если это позволяют конструктивные особенности механизма.
С точки зрения гидродинамической теории смазки процесс жидкостного
трения состоит в следующем. В подшипнике скольжения пространство между
цапфой вала и кольцом подшипника заполнено маслом, причем в состоянии
покоя цапфа находится в нижнем положении (рис. 2.6, а). При вращении вала
смазка, приобретая определенную скорость, постепенно отжимает цапфу
по ходу вращения (па рис. 2.6, б, влево) и, подклиниваясь под нее, приподни-
мает цапфу. В результате цапфа будет постепенно смещаться влево и вверх,
как бы всплывать. Ось цапфы при этом будет перемещаться по траектории,
близкой к полуокружности, и при н — оо совпадет с осью подшипника.
Гидродинамическое давление смазки, развивающееся вследствие движения
ее в пространстве между цапфой и подшипником, уравновешивает внешнее
давление на цапфу. Поскольку площади поперечных сечений этого простран-
ства в радиальном направлении различны, щель приобретает форму клипа.
При движении смазки отдельные ее слои перемещаются с различными ско-
ростями по отношению друг к другу, поэтому возникает жидкостное трение.
Закон жидкостного трения можно представить следующей формулой:
3*
35
где /’ — сопротивление трения, кгс; р. — абсолютная вязкость с,маяки, кгс-с/м2;
Q — площадь трущихся поверхностей, м'2; v — относительная скорость сколь-
жения, м/с; h — толщина слоя смазки, м.
На основе этого закона и ряда экспериментов получена формула , устана-
вливающая условия, при которых обеспечивается всплывание цапфы.
где /йтп — толщина слоя масла в самом тонком месте, мм; п — частота враще-
ния вала, об/мин; d — диаметр цапфы, мм; I — длина цапфы , мм-, S — наиболь-
ший зазор в состоянии покоя, мм; Р — удельная нагрузка па ват , кгс/м2 .
При увеличении значений р, и п цапфа всплывает. Это подтверждается тем,
что жидкостное трепие надежно обеспечивается в скоростных машинах (напри-
мер, в турбинах и быстроходных станках).
Для нормальной работы деталей, как это следует из формулы (2 2) ,главное
значение имеют величина первоначального зазора и качество смазки . Осуще-
ствить постоянство условий для обеспечения жидкостного трения невозможно ,
так как ири запуске машины цапфа переходит из нижнего положения в верхнее
при полужидкостпом трении, что приводит к изнашиванию сопряженной пары .
Такое же положение возникает при изменениях режима работы машины и осо-
бенно при ее перегрузке, когда снижается скорость вращения п и увеличивается
нагрузка Р.
Рассмотрим теперь общую физическую картину процессов трения и изнаши-
вания без смазки.
Поверхность твердого тела шероховата и волниста. Самые чистые металли-
ческие поверхности имеют неровности высотой 0,05—0,1 мкм, а наиболее гру-
бые металлические обработанные поверхности — 100—200 мкм, которые распо-
лагаются обычно на волнистой поверхности с шагом волны 1000—10 000 мкм.
Неровные поверхности контактируют друг с другом отдельными малыми
площадками, расположенными в зонах вершин выступов поверхности.
Число точек контактов зависит от чистоты поверхностей, точности изго-
товления и нагрузки. Под влиянием сжимающей нагрузки поверхности сбли-
жаются и число контактов увеличивается. В начале элементы контакта дефор-
мируются упруго, затем, по мере роста нагрузки, упругая деформация сменяется
пластической. Формируются пятна касания — фрикционные связи, в ко-
торых участвуют не только вершины выступов, но и приле1ающий к ним мате-
риал. При снятии нагрузки поверхности в основном восстанавливают свою
форму и фрикционные связи разрушаются. При взаимном перемещения поверх-
ностей вследствие дискретности контактов фрикционные связи возникают и
разрушаются в течение определенного времени. Процесс деформации поверх-
ностей, возникновения и разрушения фрикционных связей сопровождается
переходом механической энергии в тепловую и развитием в местах контакта
высокой температуры, изменяющей механические свойства поверхностных
слоев. Поверхности изменяются также при физическом и химическом взаимо-
действии с окружающей средой в результате «эффекта Ребиндера» — адсорб-
ционного понижения прочности материала, диффузионного его насыщения
из окружающей среды и от противолежащей поверхности.
Таким образом, в процессе трения участвуют материалы существенно отли-
чающиеся от исходных.
Трение имеет двойственную молекулярно-механическую природу. Молеку-
лярное взаимодействие обусловлено взаимным притяжением двух твердых тел,
36
5
Рис. 2.7. Виды нарушения фрикционных
т. е. их адгезией, а механическое
взаимодействие — взаимным внедрением
элементов сжатых поверхностей. При
перемещении элементов происходят
изменения поверхностного слоя, вы-
званные деформацией, напряжением,
а также тепловым и химическим дей-
ствием окружающей среды.
В процессе межмолекулярпого взаимодействия решающее значение имеют
адгезионные свойства твердых тел и пленок па них (окисных, смазки, адсорби-
рованных от различных газов). Эти пленки, вступая в адгезионное взаимодей-
ствие, защищают поверхности твердых тел от схватывания.
Смазки, вводимые между поверхностями трения, снижают силы молекуляр-
ного взаимодействия и уменьшают прочность поверхностного слоя за счет
адсорбционного эффекта Ребиндера и химического взаимодействия с металлом
(образование металлических мыл). В результате создается резкий перепад
механических свойств материала по глубине, обеспечивающий внешнее
(чисто поверхностное) трение. Верхние слои, паходящиесяпа границе металла
с окружающей средой, имеют меньшую микротвердость по сравнению
с микротвердостыо слоев, лежащих непосредственно под поверхностью,
которая достигает максимальных значений. Далее по глубине микротвер-
дость материала выравнивается.
Нагрев контактов и пластическое течение металла при трении облегчают
процесс диффузии веществ окружающей среды в металл. При относительно
стабильной высокой температуре в поверхностном слое образуются химические
соединения, которые способствуют его интенсивному разрушению из-за появле-
ния хрупкости. При этом обнажается слой чистого металла, и процесс повто-
ряется.
Большое влияние па прочность оказывают дефекты в твердых телах. Эти
дефекты являются концентраторами напряжений и могут быть связаны как
с несовершенством структуры твердых тел, так и с их повреждениями в резуль-
тате механических и химических воздействий, тепловых напряжений и др.
Повторные пластические деформации в связи с образованием и нарушением
фрикционных связей резко увеличивают число дефектов (в частности, микро-
трещин) па поверхности поликристаллического тела.
Поверхностно активная среда существенно влияет па ход процесса разру-
шения. Она проникает в трещины, мигрируя по стенкам, что облегчает даль-
нейшие пластические деформации, снижает монолитность поверхностного слоя,
препятствует смыканию и залечиванию трещин.
На рис. 2.7 приведены пять основных видов нарушения фрикционных
связей. Нарушения первых трех видов имеются при механическом взаимодей-
ствии и включают: упругое оттеснение материала (/); пластическое оттеснение
материала (5); срез более мягкого материала (•')').
Нарушения последних двух видов связаны с молекулярным взаимодей-
ствием и включают: схватывание пленок на поверхности твердых тел и их раз-
рушение (4) и схватывание поверхностей с глубинным вырыванием (5).
УСТАЛОСТНАЯ ТКОРИЯ ИЗНАШИВАНИЯ
Как видно из рассмотренного ранее, процессы трения и изнашивания сложны
и многообразны. До сих пор не удалось еще создать единую общепризнанную
теоретическую модель процессов изнашивания и дать универсальное их решение.
•47
Однако по материалам достаточно хорошо изученного влияния отдельных
факторов па изнашивание целесообразно сформулировать некоторые общие
концепции, раскрывающие природу этого процесса и позволяющие им упра-
влять.
Одна из наиболее хорошо сформулированных концепций — усталостная
теория изнашивания. Две поверхности, прижатые одна к другой, взаимно
перемещаются. Контакт осуществляется отдельными точками, расположенными
в чередующихся зонах волнистости. В зависимости от глубины внедрения
и состояния поверхности, могут быть нарушения фрикционных связей всех
пяти видов. Однако, если скольжение осуществляется без задиров и резания,
пятый и третий виды нарушения связей можно не рассматривать.
Для нормального скольжения па поверхностях трения должна находиться
пленка, исключающая прямой контакт .материалов трущейся пары. Если пленки
пет, неизбежно схватывание поверхностей и глубинное вырывание материала.
Последний случай относительно редкий. Его научились искусственно созда-
вать в вакууме и использовать для получения неразъемных соединений, в част-
ности, путем холодной сварки некоторых материалов. При трении без смазки
толщина пленки окисла, возникающей па поверхностях, увеличивается до опре-
деленного предела, затем пленка отшелушивается, и процесс повторяется.
Защищая основной материал от глубинного вырывания, пленка не может
сколько-нибудь существенно сгладить деформации материала от скольжения
внедрившихся в материал выступов коптртела. Каждый выступ гонит перед
собой волну материала, создавая впереди зону сжатия, а позади зону растяже-
ния. Многократнодействующие нагрузки, даже очень малые по величине,
вызывают в поверхностных слоях материала усталостные явления. В дефектах
материала, которые всегда имеются в твердом теле, возникают усталостные
трещины, которые, постепенно сливаясь, могут привести к отделению от поверх-
ности частиц материала. Наконец, может наблюдаться и процесс резания со
снятием микростружки, если выступы погрузятся па глубину, превышающую
порог внешнего трения. Таким образом, продукты изнашивания в зоне трения
состоят из микростружки, частиц основного материала и частиц пленки окислов.
Пленка смазки, сглаживая опасные концентрации нагрузки на выступах,
не устраняет в целом ее действие. Однако смазка резко снижает силы трения,
а следовательно и растягивающие напряжения, от которых в основном зависит
усталостное разрушение. Через 107 —108 циклов деформации происходит раз-
рушение поверхностного слоя материала даже при весьма малых нагрузках.
Процесс разрушения материала развивается скачками. Сначала проис-
ходит процесс накопления усталостных дефектов в поверхностном слое мате-
риала, который сменяется активным отделением частиц и обнажением новой
поверхности. Затем процесс накопления усталостных дефектов повторяется.
КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ИЗНАШИВАНИЯ
Известны классификации видов изнашивания, предложенные И. В. Кра-
гельским, М. М. Хрущевым, Б. И. Костецким, Д. Н. Гаркуновым и др. ЕЕаи-
более распространенная классификация М. М. Хрущева приведена на рис. 2.8.
В классификации три основных вида изнашивания — механическое, молеку-
лярно-механическое и коррозионно-механическое.
Механическое изнашивание — изнашивание в результате
механических воздействий. В свою очередь механическое изнашивание под-
разделяется на: абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное,,
усталостное и кавитационное.
38
Абразивное изнашива-
ние — механическое изнашивание
материала в результате режущего или
царапающего действия твердых тел
-или частиц.
Очень опасен износ поверхностей
'твердыми подвижными частицами, по-
падающими между трущимися поверх-
ностями (например, с загрязненной
Смазкой). Абразивное изнашивание по-
верхности деталей происходит при бу-
рении скважин, резании грунтов,
дроблении камня, перемешивании твер-
дых смесей, а также при буксовании
колеса по поверхности дороги.
Рис. 2.8. Виды изнашивания в машинах
Абразивная эрозия,
гидро- и газоабразивное
изнашивание — основной вид
изнашивания деталей насосов, трубо-
проводов, арматуры, дымососов, вен-
тиляторов, эжекторов, пескоструйных
аппаратов в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых по-
током жидкости или газа.
При усталостном изнашивании поверхности трения или
отдельных ее участков повторное деформирование микрообъемов материала
приводит к возникновению трещин и отделению частиц. Это особенно про-
является при трении качения: шарик или ролик, перемещаясь по поверх-
ности кольца подшипника, гонит перед собой волну сжатия материала, а сзади
создает зону растяжения. Многократно повторяющиеся знакопеременные
нагрузки вызывают явления контактной усталости.
Усталостное изнашивание часто является одной из причин выхода из строя
основной опоры вертлюга, основной и вспомогательной опор ротора, шестерен
бурового насоса и ротора, а также элементов подшипников скольжения, в ко-
торых выкрашивается антифрикционный слой баббитовых и бронзовых вкла-
дышей.
Кавитационное изнашивание поверхности происходит при
относительном движении твердого тела в жидкости в условиях кавитации.
При неправильно выбранном режиме работы гидравлической машины
в потоке жидкости могут образоваться пузырьки пара или газа, ликвидация
которых происходит бурно с гидравлическими ударами. Кавитационное изна-
шивание во много раз активнее других видов изнашивания.
В результате сочетания кавитациопно-эрозиопиого и гидроабразивного
видов изнашивания под действием потока промывочной жидкости, как правило,
выходят из строя отводы вертлюгов.
Картина м о л е к у л я р и о - м е х а я и ч е с к ого и з и а ш и в а -
и п я в результате одновременного механического воздействия и молекулярных
пли атомарных сил подробно описана на стр. 37. Молекулярное взаимодей-
ствие .между поверхностями, находящимися друг от ,друга па расстоянии дей-
ствия атомных сил равном 3—5 Л (‘Л—')•!()"’ мм), возможно, есг.к между
этими поверхностями полностью отсутствуют смазка, адсорбированные пленки
окислов и загрязнений и имеются значительные местные напряжения сжатия.
Рис. 2.9. Изпошениая поверх-
ность тормозного шкива буровой
лебедки
Это характерно для трения со значительными
пластическими деформациями и обнажениями
чистого материала.
Молекулярно-механическое изнашивание
весьма активно (более 6 мкм/ч) — коэф-
фициент трения при схватывании возрастает
до Л—6 единиц, образуются глубокие задиры
поверхностен и может быть заклинивание.
Особенно опасны явления схватывания при
высоких температурах. В этом случае, в поверх-
ностных слоях металла происходит рекристал-
лизация, многократная первичная и вторичная
закалка и отпуск, т. е. в корне изменяются
структурные п механические свойства мате-
риала. Изменения захватывают слой глуби-
ной 5—<80 мкм. скорость изнашивания достигает 5 мкм/ч .Случаи- подобного
изнашивания характерны для гильз цилиндров, тарелок клапанов, деталей
механизма распределения. ДВС.
Так называемое тепловое изнашивание является главной причиной низкой
долговечности тормозных шкивов буровых лебедок. Рабочая поверхность тор-
мозных шкивов в результате циклических тепловых смен , сопровождающих
работу тормозного механизма лебедки, покрывается густой сеткой трещиц
которые, развиваясь вглубь тела обода тормозного шкива ,резко снижают его
эксплуатационные характеристики (рис. 2.9).
При к о р р о з и о и и о - м о х а и и ч е с к о м и з и а ш и в а и и и
среда, окружающая трущиеся поверхности, вступает с их материалом в хими-
ческое взаимодействие, а в результате перемещения поверхностей удаляются
продукты коррозии и обнажаются чистые поверхности деталей. Этот процесс
многократно повторяется. Если поверхности неподвижны, продукты коррозии
не удаляются, иногда образуя антикоррозионный защитный спой. Например ,
защитным слоем от окислительного действия атмосферного воздуха обладают
поверхности алюминиевых деталей.
Окислительное изнашивание, протекающее при наличии
на поверхностях трения защитных пленок, которые образовались в результате
взаимодействия материала с кислородом, является наиболее распространен-
ным и наименее опасным видом изнашивания. Интенсивность окислительного
изнашивания небольшая (менее 0,05 мкм/ч).
В некоторых случаях поверхности работают при небольших относительных
перемещениях, вызванных вибрацией системы — посадочные поверхности ше-
стерен, цепных колес, подшипников качения, деталей втулочно-роликовых
цепей и др. При этом возникает так называемая фретти и г-коррозия,
т. е. коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при не-
больших колебательных перемещениях.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИЗНАШИВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ
На процесс изнашивания рабочих поверхностей деталей машин оказывают
влияние различные факторы, которые можно разделить на две группы:
1) факторы, влияющие на износостойкость деталей;
2) факторы, влияющие на изнашиваемость деталей.
40
Рис. 2.10. Износостойкость углеродистой стали в зависимости от ее твердости
Рис. 2.11. Износостойкость углеродистой стали в зависимости от структуры и содержания
углерода:
1 — структура к состоянии прокатки; 2 — перлит; :> — сорбит; I — тростит; ,5 — мартенсит
Под изнашиваемостью в данном случае подразумевается свойство Мате-
риала детали поддаваться изнашиванию. Изнашиваемость есть свойство,
противоположное износостойкости.
Факторы, влияющие на износостойкое т ь деталей: качество ма-
териала детали и качество рабочей поверхности детали.
К факторам, влияющим на изнашиваемость деталей, относятся:
вид трения сопряженных деталей; характер и величина удельных нагрузок
на поверхностях трения; относительные скорости перемещения трущихся по-
верхностей; форма и размер зазора между сопряженными поверхностями; усло-
вия смазки трущихся поверхностей; наличие, размер и форма абразива, участ-
вующего в процессе трения, и физико-механические свойства абразива.
Качество материала д е т а л и характеризуется его физико-
механическими свойствами (прочностью, твердостью, вязкостью), которые
в свою очередь определяются химическим составом и структурой.
Из физико-механических свойств твердость оказывает наибольшее влияние
на износостойкость материала. Более твердые металлы и сплавы изнашиваются
медленнее. Твердые металлы по сравнению с мягкими менее пластичны и ока-
зывают большее сопротивление внедрению абразивных частиц. Исследования
показали, что с увеличением твердости стали ее износостойкость повышается
(рис. 2.10).
При выборе материала для деталей, работающих при ударной нагрузке,
кроме твердости, следует учитывать еще их вязкость во избежание повышения
хрупкости. Детали, изготовленные из малоуглеродистых конструкционных
или легированных сталей и подвергнутые поверхностной химико-термической
обработке, имеют высокую твердость и износостойкость рабочих поверхностей,
а также высокую вязкость сердцевины.
При изготовлении деталей бурового и пефтегазопром мелового оборудова-
ния, работающего в сложных условиях, широко применяются высокопрочные
хромистые, хромо-никелевые и другие легированные стали со значительной
вязкостью.
На износостойкость металлов н сплавов большое влияние оказывает их
х и м и ч е с к ий состав и ст р у к т у р а.
11
Рис. 2.12. Абразивный из
нос закаленных углероди-
стых сталей в зависимости
от [содержания углерода и
температуры отпуска (по
М. II. Замоторипу)
Наиболее износостойкий сплав — сталь, имеющая мелкозернистую струк-
туру. Чем выше содержание углерода в стали, тем больше ее износостойкость
(рис. 2.11). Как видно из графика, наибольшая износостойкость присуща
стали мартенситной структуры.
М. И. Замоторип дает следующие выводы о связи износостойкости с твер-
достью металлов (рис. 2.12):
1) при одной и той же термической обработке возрастание твердости угле-
родистой стали, вызванное увеличением содержания в пей углерода, повышает
износостойкость;
2) износ стали различной структуры и различных режимов термической
обработки тем больше, чем меньше ее твердость;
3) стали одинаковой твердости имеют тем большую износостойкость, чем
выше в них содержание углерода.
Введением в сталь добавок кремния, марганца, хрома, никеля, вольфрама
и молибдена повышается ее износостойкость, благодаря образованию химиче-
ских соединений легирующих элементов с углеродом и твердых растворов
с железом, обладающих весьма высокой твердостью. Перечисленные легирующие
элементы при термической обработке обеспечивают получение мелкозернистой
структуры.
На износостойкость чугуна оказывает значительное влияние структура
основы: серые чугуны с перлитной структурой изнашиваются в 1,5—2 раза
меньше, чем чугуны с ферритной структурой. Большое влияние оказывает
также форма и характер распределения графитовых включений, являющихся
более слабой составляющей структуры и снижающих износостойкость чугуна.
Износостойкость серого чугуна возрастает с повышением содержания связан-
ного углерода. Легирующие присадки — никель, хром, молибден (с последую-
щей термической обработкой) — повышают прочность и износостойкость чугун-
ных деталей. Наиболее износостойкими считаются чугуны с содержанием ни-
келя 1,2—1,5% и хрома 0,4—0,5%. Увеличение износостойкости деталей из
легированных чугунов наблюдается также при поверхностной закалке их ра-
бочих поверхностей нагревом токами высокой частоты, а также при использо-
вании азотирования. Так, износостойкость азотированных гильз ДВС в 2—2,5
раза выше износостойкости гильз, изготовленных из хромистого чугуна.
Следующим важным фактором, влияющим на износостойкость деталей
машин, является качество поверхности трения после механиче-
ской обработки. Качество обработанной поверхности характеризуется сово-
42
Рис. 2.13. Макро- и микронеровности на обработанной поверхности:
Н — макронеровпости; Нп — неровности волны; нм — микроиеровности — шероховатость; L — шаг
волны неровности; п — допуск
Рис. 2.14. Виды поверхностей:
1 — волнистая и шероховатая; 2 — волнистая и чистая (гладкая); з — ровная и шероховатая
купностью геометрических параметров и физико-механических свойств по-
верхностного слоя материала.
К геометрическим параметрам относятся макрогеометрия,
волнистость, шероховатость и направление штрихов (рисок), т. е. следов
обработки поверхности (рис. 2.13 и 2.14).
Физико-механические свойства обусловливаются структурой,
микротвердостью, величиной наклепа, видом остаточных напряжений, харак-
тером взаимодействия со смазкой и т. д.
Влияние макрогеометрии и волнистости рабочей поверхности на износо-
стойкость проявляется в изменении фактической площади контакта трущихся
деталей, и степени ее отклонения от номинальной. Очевидно, что чем больше
площадь контакта, тем выше износостойкость детали. Шероховатость поверх-
ности характеризует наиболее мелкие неровности и оценивает чистоту и глад-
кость поверхности. Шероховатости (гребешки и впадины) остаются на поверх-
ности деталей после их механической обработки. Детали трущейся пары
соприкасаются по вершинам гребешков, в результате чего происходит их
деформирование, смятие и выкрашивание.
После чистовой обработки режущим инструментом фактическая площадь
контакта двух сопряженных деталей составляет менее 20%, а после шлифова-
ния — 35 — 50% от номинальной. Установлено, что чистовая обработка мето-
дами мокрого шлифования и полирования увеличивает износостойкость метал-
лических поверхностен па 25% по сравнению с износостойкостью фрезерован-
ных поверхностей.
Чистота поверхности оказывает значительное влияние па износостойкость
деталей, особенно в процессе приработки, когда происходит интенсивное исти-
рание гребешков, увеличивающее зазор между трущимися поверхностями.
После приработки поверхностей скорость изнашивания уменьшается. Если
при механической обработке удастся обеспечить чистоту поверхности детали,
соответствующую приработанным поверхностям трения, то износ уменьшится;
при эксплуатации машин подобная чистота поверхности называется оптималь-
ной. Детали машин с высоким качеством поверхности лучше сопротивляются
разрушающему влиянию коррозии , так как продукты химической коррозии
оседают па две впадин с последующим образованием коррозионных каверн.
Улучшение качества поверхности уменьшает вредное воздействие и электро-
химической коррозии, при которой в первую очередь изнашиваются гребешки.
43
Установлено, что оптимальная шероховатость, образовавшаяся после при-
работки, направлена всегда но движению трения, тогда как после механической
обработки направление штрихов обработки самое разнообразное.
Для повышения износостойкости деталей .работающих в условиях жидкост-
ного трения при незначительных удельных нагрузках, рекомендуется назна-
чать такие финишные методы обработки рабочих поверхностей .готорти? обеспе -
чивают совпадение штрихов с направлением движения трения. Если ,дет.чли
работают в тяжелых условиях, при значительных удельных пчгрузках, цепо,-
сообразиее обеспечивать на рабочих поверхностях штрихи, пересекающие друг
друга, что уменьшит вероятность появления задиров.
Кроме чистоты поверхности, на износостойкость детали влияет такте струк -
тура поверхностного слоя; если в результате высокого давления инструмента
в процессе обработки соответственно повышается температура , то ухудшается
структура поверхностного слоя и снижается износостойкость детали.
] (аклеп влияет па износостойкость деталей по-разному. В паклепаппом
слое возникают значительные остаточные напряжения сжатия , что повышает
предел усталости деталей, работающих в условиях циклических нагрузок,
и тем самым увеличивает их долговечность. Однако отмечено, что с увеличе-
нием наклепа в поверхностном слое детали их коррозионная стойкость умень-
шается. Считается, что остаточные напряжения сжатия, возникающие в поверх-
ностном слое металла, влияют на износостойкость детали более благоприятно,
чем растягивающие остаточные напряжения.
На износостойкость рабочих поверхностей также влияет способность
материала детали смачиваться смазкой. Эта способность удерживать па себе
слой смазки определенной толщины обусловливает несущую способность ма-
сляной пленки и, соответственно, влияет па процесс изнашивания.
Важнейшими факторами изнашивания являются внешние меха-
нические воздействия — вид трения (качения, скольжения), скорость отно-
сительного перемещения трущихся поверхностей, величина и характер давле-
ния при трении.
Характер пластических деформаций тонких поверхностных слоев трущихся
металлов резко меняется в зависимости от вида трения; трение качения вы-
зывает качественно отличный износ поверхности по сравнению с трением
скольжения.
При трении качения состояние поверхностных слоев металла и соответ-
ствующие пластические деформации вызывают упрочнение рабочей поверх-
ности детали; при этом образуются остаточные напряжения и усталостные
явления, разрушающие поверхность.
Износ при трении качения меньше, чем при трении скольжения.
При работе шарико-и роликоподшипников, помимо трения качения, всегда
имеется трение скольжения, поэтому для предохранения от коррозии и для
отвода тепла подшипники заправляют смазкой.
При трении скольжения детали, изготовленные из одного металла, испыты-
вающие одинаковые давления, но работающие с разными скоростями, подвер-
гаются различным видам изнашивания. Б. И. Костецкий считает, что только
изменением скорости при прочих равных условиях можно воспроизвести во
всех стадиях различные виды изнашивания; например, существуют так назы-
ваемые критические скорости, вызывающие переход от одного вида изнашивания
к другому.
Скорость относительного перемещения влияет на градиент температуры,
возникающей при трении, и на скорость деформации поверхностных слоев,
44
т. е. оказывает решающее воздействие на
возникновение и развитие основных видов
изнашивания (рис. 2.15).
При трении скольжения без смазки
можно считать, что износ прямопропор-
ционален пути трения. Деталь, движу-
щаяся с большей скоростью, пройдет за
одно и то же время более длинный путь
трения и, следовательно, будет иметь
больший износ. При жидкостном трении
положение меняется: чем выше скорость
относительного перемещения трущихся
поверхностей, тем устойчивее режим жид-
костного трения и тем меньше износ сопря-
женных деталей.
Удельные нагрузки также
оказывают большое влияние на характе-
ристики физических процессов, происхо-
дящих при трении в поверхностных слоях
металла. С повышением давления увели-
чивается площадь фактического контакта
трущихся поверхностей и интенсивность
изнашивания. В условиях, близких к тре-
нию скольжения без смазки, интенсив-
ность изнашивания примерно прямо
пропорциональна удельной нагрузке. При
полужидкостном и ж'идкостном трении
эта зависимость нарушается, хотя и в этих
Рис. 2.15. Изменение величины и ха-
рактера изнашивания стали при испы-
тании с различными скоростями сколь-
жения:
] — при трсппи без смазки; 2 — при трении
со смазкой
случаях увеличение давления приводит
к росту износа из-за более частых разрывов масляной пленки. Так же как
и при изменении скоростей относительного перемещения, при трении суще-
ствуют критические значения давлений, при которых возникают качественные
изменения процессов на поверхностях трения и переход от одних видов
изнашивания к другим (рис. 2.16).
Форма и размер зазора между поверхностями трения. Известно, что усло-
виями, обеспечивающими минимальную интенсивность изнашивания, явля-
ются условия жидкостного трения, при которых сопряженные детали разде-
лены масляным слоем несмотря па передаваемые па них значительные нагрузки.
Это происходит, благодаря несущей способности масляного слоя, которая
проявляется только при определенных условиях.
Основные закономерности гидродинамической теории смазки разработаны
для условий использования шейки вала и подшипника скольжения правильной
геометрической формы и расположенных соосно с некоторым зазором. При
соблюдении этих условий, давления внутри несущего масляного слоя могут
превышать в 2,5—3 раза передаваемые па подшипник рабочие удельные
нагрузки и тем самым обеспечивать его надежную работу. Однако па практике
обеспечивать такие условия работы подшипника очень трудно.
Установлено, что погрешности геометрической формы шейки вала или втулки
подшипника скольжения приводят к уменьшению несущей способности масля-
ного слоя. Причинами указанных погрешностей могут служить неточности
механической обработки детален подшипника и его сборки, или изменения
45
чугунных вкладышей от давле-
ния при трении со смазкой
о стальную ось (а) и зависимость
износа стали У10А (термически
обработанной) от давления при
скорости скольжения (6):
1 — м/с; 2— .4,11 м/с; 3— 11,49 м/с
основных структурных параметров элементов сопряжения, происходящие
в процессе работы механизма.
Например, при наличии масляной канавки в подшипнике изменяется
эпюра давлений внутри масляного слоя и снижается его несущая способность
(рис. 2.17).
Деформация вала также приводит к снижению несущей способности ма-
сляного слоя (рис. 2.18). В процессе работы сопряжения его элементы изнаши-
ваются и деформируются, что приводит в конечном итоге к увеличению зазора
и нарушению условий жидкостного трения. Поэтому для обеспечения работо-
способности сопряжений необходимо учитывать перечисленные факторы и над-
лежащим уходом за оборудованием систематически поддерживать условия
жидкостного трения.
Условия смазки трущихся поверхностей. Смазка трущихся деталей —
важнейший фактор, влияющий на долговечность машины. При различных
видах трения в зависимости от качества и количества смазки коэффициент
трения сопряженных пар изменяется в сотни раз (от 0,001 до 0,25). Поэтому
в каждом конкретном случае для уменьшения износа и трения надо применять
смазки определенного сорта. По мнению Б. В. Дерягина, смазка должна обе-
спечивать в первую очередь уменьшение износа, а затем уже снижать силы
трения.
Если невозможно создать условия жидкостного трения для работы сопря-
жения, основное значение приобретает адсорбционная способность масляной
пленки. Одни исследователи (например, Ф. Боуден) считают, что в случае гра-
ничного трения изнашивание поверхности начинается при разрушении масля-
ной пленки и возникающем при этом контакте сопрягаемых деталей, другие же
(например, П. А. Ребиндер и Л. В. Елин) показывают, что изнашивание тру-
щихся поверхностей может происходить и без разрушения граничной пленки.
Для обеспечения стабильности свойств смазочных масел в них вводят
соответствующие присадки — противоокислительные, противокоррозионные и
моющие.
46
Рис. 2.17. Изменение давления внутри масляного слоя в продольном сечении при наличии
кольцевой канавки в подшипнике:
К — нагрузка; 1 — эпюра давлений внутри масляного слон при наличии кольцевой канавки; 2 — эпюра
давлений при отсутствии кольцевой канавки
Рис. 2.18. Изменение давлений внутри масляного слоя в результате искривления вала и
приработки втулки:
1 — эпюра давлений при правильной шейке; 2 — эпюра давлений при искривленной шейке и пеприрабо-
танной втулке; 3 — эпюра давлений при искривленной шейке и приработанной втулке
Сохранение необходимых свойств смазки во многом зависит также от усло-
вий эксплуатации и качества обслуживания оборудования.
На изнашиваемость деталей большое влияние оказывают наличие
абразива, его ф из и к о - механические свойства и
размер. Детали бурового и нефтегазопромыслового оборудования и инстру-
мента выходят из строя в основном из-за абразивного износа, иногда усиленного
усталостным и коррозионным разрушением.
М. М. Хрущев и М. А. Бабичев установили следующую взаимосвязь между
износом стали и твердостью абразива:
1) износ не зависит от разности твердостей абразива и стали, если твер-
дость абразивных зерен значительно превышает твердость испытуемой стали;
2) если твердость абразивных зерен ниже твердости стали, то износ зависит
от разности твердостей и быстро уменьшается с увеличением этой разницы.
Изучение влияния размера частиц абразива на изнашивание металлов
чрезвычайно важно, так как в зависимости от этого формируются требования
к фильтрам или к конструкциям, защищающим подвижные сопряжения машин
от попадания абразива. Установлено, что с увеличением размера зерна абразива
износ повышается лишь до определенного критического размера зерна, а затем
остается постоянным и уже не зависит от размера зерна абразива (рис. 2-19).
Учитывая, что при защите узлов трения от проникновения абразивных
частиц их износ понижается, советский исследователь В. Ф. Лоренц приводит
следующий перечень мероприятий, исключающих проникновение или, в край-
нем случае, обеспечивающих быстрое удаление абразива с поверхностей тре-
ния (рис. 2.20).
1. Положение а иллюстрирует рациональность применения минимального
закругления свободной кромки истирающего стыка; положение б — отсут-
ствие тупого угла между плоскостями, образующими кромку; положение <-: —
уменьшение зазора между поверхностями трения, как следствие увеличения
чистоты поверхностей трения; положение г — создание ограждающей набивки
в виде колец и прокладок; положение д — создание ограждающего козырька,
47
Средний размер зерна крупней
рракаар /нм
Рис. 2.19. Зависимость износа
сталей от среднего размера зерна
абразива:
1 — для стили ст. 3; 2 — для ста-
ли 45; — для стали ‘IXC
Рис. 2.20. Меры защиты узлов трения от абразивного изнашивания:
1 — частицы абразппа; 2 — кольцо
имеющего форму, которая вызывает в окружающей среде вихри. Все эти
мероприятия затрудняют проникновение абразивных частиц на трущиеся
поверхности.
2. При положении е производится непрерывное отсасывание абразива
из капавки, находящейся у кромки, и обеспечивается меньшее давление по срав-
нению с давлением окружающей среды; положение ж отличается от предыду-
щего положения тем, что в канавке все время поддерживается давление, боль-
шее, чем давление в окружающей среде. В узлы трения, выполненные по реко-
мендациям е и ж, проникновение абразивных частиц будет затруднено.
3. Положение 3 иллюстрирует способ промывки или продувки, сущность
которого состоит в прорезании на поверхностях трения канавок, соединяемых
одним общим каналом на каждой трущейся детали. Если в канавках одной
детали поддерживать повышенное давление, то абразивные частицы, передви-
гаясь над канавкой с пониженным давлением, будут иметь возможность выхода
за пределы трения. Некоторые объекты нефтегазопромыслового оборудования
снабжены подобными приспособлениями (плунжеры глубинных насосов с песко-
съемными канавками, фильтры на промысловых двигателях и компрессорах
и др.).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАЧАЛЬНОГО И ПРЕДЕЛЬНОГО ЗАЗОРОВ
При оценке работоспособности деталей их размеры и технические харак-
теристики подразделяют на нормальные, допустимые и предельные.
Нормальными называют размеры и другие технические характе-
ристики детали, соответствующие рабочим чертежам.
48
Допустимыми называют параметры
детали, отличающиеся от нормальных, но не сни-
жающие ее работоспособности.
Предельными называются параметры,
соответствующие предельному состоянию детали,
при достижении которого дальнейшее ее ис-
пользование в машине недопустимо.
Допустимые размеры деталей определяют
и назначают, исходя из предельных, установле-
ние которых представляет наибольшую сложность.
Как было указано ранее, работоспособность
оборудования и его деталей наряду с другими
факторами ограничивается величиной зазоров
и натягов в сопряжениях, которые определяются
при конструировании оборудования и осуще-
Рис. 2.21. Изменение зазора
в сопряжении вследствие изно-
са деталей
ствляются при его изготовлении и ремонте. Очевидно, что долговечность
сопряжения зависит от того, к какой из перечисленных групп относятся факти-
ческие размеры и другие характеристики его составных элементов.
На рис. 2.21 показано изменение зазора в сопряжении вследствие износа
деталей. Если обозначить: 5нач — установленный начальный зазор; 5пр —
зазор в сопряжении после приработки; 5тах доп — максимально допустимый
зазор; 7Д — продолжительность приработки; Т 2—продолжительность ра-
боты сопряжения; Т — ресурс сопряжения; г(,р и i"np — износ вала и подшип-
ника за период приработки; гпр — величина общего износа вала и подшипника
за период приработки; гв р и гп р — износ вала и подшипника за период работы;
гр — общий износ вала и подшипника за период работы сопряжения; Ь± и 62 —
соответственно износ за единицу времени периода приработки и нормальной
работы, то можно записать:
гпр + {пр _ гпр .
71 = 6j ~ 61 ’
(2.4)
Но так как
гр — *5тахдсш £*пр 5нач> 1(2-о)
то ресурс сопряжения
Т - Т\ + Тг - Г1+ 6'тахдо..-^пР б'нач., (2.6)
Уравнение (2.6) свидетельствует о том, что чем меньше начальный зазор
и износ приработки, тем сопряжение долговечнее. Величина этого зазора за-
висит от точности изготовления деталей и должна находиться по возможности
в узких пределах
£наив SPaq ^min- (2.7)
Уменьшение зазора в сопряжении до значения Лт1п, равного сумме зна-
чений неровностей поверхности вала и подшипника
^пЭп - I У (2-8)
нарушает условия жидкостного трения. В этом случае в результате воз-
никновения контактов между трущимися поверхностями резко возрастает
„ изнашивание деталей сопряжения. При сборке сопря-
Г - —— жения с зазором, превышающим допустимый, выдавли-
2——-----------т— вается смазка и увеличиваются динамическая нагрузка
и износ рабочих поверхностей деталей. Ийходя из пзло-
, женного, необходимо руководствоваться следующими
соотношениями:
Рис. 2.22. Эпюра ско- /гт,п 5'11ач <
ростей движения смаз-
ки в зазоре 5’пр О .SiIann ‘Smax доп- (2-Э)
Таким образом, физическая долговечность деталей определяется запасом
зазора па износ, т. е. разностью между начальным зазором 5иач и максимально
допустимым зазором 5тах доп.
Предельным износом называется такая величина износа де-
талей, при которой дальнейшая работа сопряжения становится ненадежной
или экономически нецелесообразной.
Признаки предельного износа деталей могут быть сведены к следующим
трем критериям:
1) техническому (например, износ, недопустимый по соображениям проч-
ности);
2) технологическому (снижение качества работы);
3) экономическому (снижение производительности, увеличение расхода
топлива, смазки, убытки от простоев из-за отказов и др.).
Обычно один из критериев является ведущим, однако проверка решения
по другим критериям, особенно экономическому, весьма целесообразна. Рас-
смотрим задачу о предельных износах деталей применительно к двум класси-
ческим парам: плунжер-гильза, вал-подшипник.
Плунжер-гильза. Расчет предельного зазора и предельной потери формы.
Смазка в зазоре пары плунжер-гильза служит не только для уменьшения тре-
ния и износа поверхностей, но и для уплотнения узла, что весьма существенно
для работы таких машин, как компрессоры, насосы и ДВС.
Рассмотрим физическую картину перемещения смазки в зазоре. Абсолют-
ная величина зазора настолько мала, а вязкость смазки настолько значительна,
что в зазоре обеспечивается ламинарный режим течения смазки. Если одна
плоскость трения 1 неподвижна, а другая 2 перемещается со скоростью и
(рис. 2.22), то под влиянием сил сцепления смазки с поверхностями и вязкост-
ных сил внутри слоя смазка будет перемещаться в зазоре h в направлении дви-
жения со средней скоростью у/2, а расход смазки через зазор определится фор-
мулой
(2.10)
где b — ширина зазора.
Рассмотрим действие на смазку перепада давления между зонами, разде-
ленными узлом трения плунжер-гильза. Смазка в этом узле находится под
действием двух сил: перепада давления и силы вязкого сдвига (сопротивления).
При ламинарном движении сила вязкого сдвига по закону жидкостного
трения Ньютона, положенного в основу гидродинамической теории смазки,
dv
50
где Q — площадь контакта; ц. — абсолютная вязкость смазки; dvldh — гра-
r du _
диент скорости, т. е. изменение скорости смазки по толщине ее слоя; р,
= т — напряжение сдвига.
В результате достаточно сложных преобразований расход смазки в зазоре
под действием перепада давлений определится по формуле
где р — перепад давлений; х = Z — длина зазора; dpldx — градиент давления,
т. е. изменение давления по длине зазора
dp dp
dx dl
Суммарная утечка жидкости через зазор
V bh3 dp
q^qi± q2 = bh~ ± (2-^)
Если направление движения поверхности совпадает с направлением да-
вления (например, рабочий ход ДВС), второй член уравнения (2.12) имеет знак
плюс и, наоборот, при несовпадении направления — знак минус (например,
ход сжатия в компрессоре). Из формулы (2.12) следует, что утечка жидкости
через зазор пропорциональна кубу зазора, т. е. с износом пары утечка через
зазор резко возрастает. Наконец, наступает момент, когда смазка полностью
выдавливается из зазора и условия трения резко ухудшаются. Это приводит
к активному изнашиванию поверхностей, резкому увеличению расхода смазки,
загрязнению смазкой рабочей среды, перекачиваемой насосом или компрес-
сором, и снижению производительности машины. Увеличив вязкость масла,
можно несколько стабилизировать процесс, однако ненадолго. Очевидно, этот
момент и будет предельным, а зазор, отвечающий ему, — предельно допусти-
мым.
Таким образом, к предельному износу пары плунжер-гильза можно по-
дойти с экономических позиций — по увеличению расхода смазки, снижению
производительности, или с технологических позиций, если загрязнение смазкой
рабочей среды, перекачиваемой машиной (жидкость, газ), не допускается или
жестко нормируется.
Для рассматриваемой пары трения плунжер-гильза увеличение зазора
и потеря формы (односторонний износ) физически аналогичны, так как одно-
сторонний износ приводит к одностороннему увеличению зазора, через который
произойдет прорыв смазки.
В сопряжениях типа поршень-цилиндр картина рассматриваемого про-
цесса несколько осложняется наличием уплотняющих поршневых колец, де-
лящих зазор по длине на ряд сопряжений, однако качественно процесс не изме-
няется.
На рис. 2.23 представлена экспериментальная кривая зависимости расхода
смазки от величины износа цилиндра в зоне верхнего поршневого кольца, по
которой совершенно четко определяется предельно допустимый износ.
Вал-подшипник. Расчет наивыгоднейшего и предельного зазоров. Л. Гюм-
бель, используя работы Н. П. Петрова, О. Рейнольдса и Зоммерфельда,
4* ГЛ
Рис. 2.23. Зависимость
расхода смазки от изно-
са цилиндра
применил формулу (2.12) для пары вал-подшипник
и получил следующие зависимости:
аналитическую
IKi>
<2. 13)
графическую
(2.11)
где Р — удельная нагрузка на подшипник; о> — угло-
вая скорость вращения; ф — относительный зазор
(отношение зазора к диаметру вала, т. е. Sid)',
X — относительный эксцентриситет, т. е. отношение
эксцентриситета к половине зазора.
Анализируя кривую / = £ (Z). Я. Гюмбель. уста-
новил, что в пределах X = 0,5—0.95 справедлива за-
висимость:
1,03
1 -X
(2.13)
Поскольку формулы (2.13) и (2.14) справедливы для вала и подшипника
бесконечной длины, была введена поправка С на конечную длину I вала в виде
соотношения
d + l
Если учесть, что
ли S
Ш = и >
развернем уравнение (2.13)
1,04 I
3052С = 30.$'2 1— /. d-\-l
и решим его относительно Лт|П, зная, что е = -=--------7гт1п (см. рис. 2.6)
&
. 2с , 2/iniln
Следовательно,
Тогда
( ,9 |71
(lmln= 18365Р ‘
Формула (2.17) устанавливает зависимость между толщиной слоя смазки
7гт1П в вершине масляного клина при жидкостном трении, размерами вала,
а также между зазором и режимом работы пары вал-подшипник.
Л. Гюмбель экспериментально установил, что наименьшие потери на тре-
ние получаются при Л = 0,5, т. е. при
Кнп = ~ • (2.18)
Если исходить из наименьших потерь на трение, можно при использовании
формул (2.17) и (2.18) найти наивыгоднейший зазор, при котором наиболее
целесообразна работа пары- вал-подшипник:
*5?наивЧ 1
fcmln = 4 = 18,365наивР • id + l • <2 19)
52
Откуда
П f Lin I
5наив = 0,467d |/ . (2-20)
Очевидно, полученный таким расчетом за-
зор должен выбирать конструктор в качестве
зазора после приработки узла трения и выхода
его на нормальный режим эксплуатации. Из
формулы (2.17) видно, что по мере изнашивания
деталей с ростом S толщина слоя смазки Лт1п
в самом узком месте масляного клина при
жидкостном трении будет уменьшаться и вал
будет опускаться в подшипнике: наконец, на-
ступит момент, когда в результате износа усло-
вия жидкостного трения нарушаться, вал войдет в металлический контакт
с подшипником и начнется активное механическое изнашивание. Это и будет
моментом предельного износа трущейся пары, т. е.
^mln — + ^2 — 5,
где 62 — 6 — сумма шероховатостей на поверхностях вала и подшипника.
Формула (2.17) теперь примет вид
I
hmin = 6= 18,365maxP ‘ d4-Z * (2'21)
Поделив (2.19) на (2.21), получим
б’наив ‘Smax
46 ~ 5
наип
Отсюда
.S’2
j паив „
/ •''шах-
Подставляя значение 5наив из (2.20), получаем предельную величину за-
зора
Ilnii2 I
^шах =0,0545 рд ’ Y • (2.23)
При расчете 8тгл следует иметь в виду, что современные методы тонкой
обработки поверхностей деталей (алмазное точение, тонкое шлифование, хо-
нингование, супсрфиппш п другие) обеспечивают очень высокую чистоту по-
верхностей (до 9 — 12 класса чистоты по ГОСТ 2789—73) — суммарная шеро-
ховатость поверхностей составляет десятые доли микрометра. Это значительно
меньше, чем средний размер абразивных частиц, пропускаемых фильтрами
топкой очистки. Поэтому принимать меньше 0,005 мм (5 мкм) не следует.
Вал-подшипник. Определение предельно допустимой потери формы. Рас-
смотрим типичный случай —под действием постоянной силы (рис. 2.24),
например силы тяжести, вращающийся вал постоянно прижат к одной стороне
подшипника. Вал изнашивается равномерно по всей окружности, а подшипник —
только с одной стороны. Вал вырабатывает в подшипнике выемку глубиной у.
В предельном случае, когда кривизна выемки станет равной кривизне изношен-
ного вала, последний плотно сядет в выемку. По мере изнашивания условия
жидкостного трения этой пары будут ухудшаться и полностью нарушатся
в указанном выше предельном случае — вал войдет в металлический контакт
со втулкой и начнется активное изнашивание поверхностей. Это и есть предель-
ное нарушение формы. На рис. 2.24 видно, что
•S rip
е + -г + д,
где е — эксцентриситет центра вала по отношению к центру подшипника;
5П|, — зазор между валом и подшипником после приработки и выхода узла
трения на нормальную эксплуатацию; х — износ вала (равномерный); у —
износ подшипника (односторонний).
Исследованиями установлено, что опорная часть вала с положительным
давлением в смазочном слое, т. е. часть вала, которая воспринимает нагрузку,
у цилиндрических подшипников составляет 90—120е. Следовательно, имеются
все данные для решения относительно у геометрической задачи, изображен-
ной на рис. 2.24:
У -- 0,26 пр р0,4.г.
Пусть
£ = «/,
где е — коэффициент, показывающий, во сколько раз вал изнашивается
быстрее подшипника.
Тогда
Формула (2.24) полностью соответствует и обратному случаю — вал не-
подвижен, а нагруженный подшипник вращается, только меняются обозначе-
ния. Таким образом, в окончательном виде в формуле (2.24): у — предельно
допустимая потеря формы неподвижной детали, измеряемая как разность диа-
метров, взятых в двух перпендикулярных плоскостях; 8 — коэффициент, по-
казывающий во сколько раз вращающаяся деталь изнашивается быстрее не-
подвижной.
Проанализировав формулу (2.24), получим следующие выводы:
1) если 8 2,5, искажение формы неподвижной детали не нарушит режима
жидкостного трения; однако для вращающегося вала и неподвижного под-
шипника это невыгодно, так как проще заменить изношенную втулку подшип-
ника, чем вал; при е = 0,5, у = 0,25 5пр;
2) при х = 0, у = 0,2 5пр, т. е. в новой паре овальность неподвижной
детали должна быть меньше 0,2 5пр, иначе будет быстрое изнашивание;
3) во всех случаях нецилиндричность вала не должна быть больше, чем
Утях 5тах — 5пр; в противном случае при подтягивании подшипников вал
можно защемить.
Формулу (2.24) можно применить и для переменной нагрузки, так как усло-
вия образования жидкостного трения и картина изнашивания сопряжения
с вращательным движением остаются без изменения. В паре шатунная шейка
коленчатого вала и подшипник шатуна обе трущиеся поверхности перемеща-
ются. Как поступить с применением формулы (2.24) в этом случае? В быстро-
ходных поршневых машинах (ДВС, компрессорах, насосах) превалирующей
нагрузкой на шатунные шейки являются центробежные силы, поэтому почти
в течение всего цикла шейка опирается на подшипник одной стороной (ближ-
ней к оси коренных шеек), а подшипник работает равномерно всей поверх
54
ностью. Поэтому шатунную шейку вала следует считать неподвижной деталью,
а подшипник — вращающейся. Это подтверждается и опытом — шатунные
шейки коленчатых валов имеют односторонний износ.
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗНОСА
Наиболее распространенные методы измерения износа можно разделить
на четыре группы: методы микрометража, методы искусственных баз, интеграль-
ные методы, методы радиоактивных индикаторов.
Методы микро метра ж а основаны на непосредственном изме-
рении деталей до и после работы приборами для линейных измерений (микро-
метры, индикаторы и др.). Недостатком этих методов является затруднитель-
ность организации непрерывного (в процессе эксплуатации) измерения износа;
для измерения износа узел машины должен быть разобран, а повторные разборка
и сборка нарушают приработку деталей, ухудшают условия их работы. Методы
микрометража трудоемки и требуют значительного времени испытания, так
как при малых значениях износа погрешности приборов часто соизмеримы
с величиной износа.
Методы искусственных баз заключаются в том, что на по-
верхности, износ которой исследуется, наносят углубление в виде пирамиды
или дугообразной лунки (рис. 2.25, а, б). Ось углубления должна быть напра-
влена нормально к поверхности износа. По уменьшению размеров периметра
углубления судят о величине износа. Углубление наносится вдавливанием
алмазной четырехгранной пирамиды, которая применяется для измерения
твердости. При измерении износа более мягких металлов можно применять
пирамиды из твердых сплавов, или стальные закаленные пирамиды.
Величина линейного износа по отпечатку квадратной пирамиды (см.
рис. 2.25, а) определяется по формуле:
1
и =h0 — —— (d0 — dj), (2.25)
где т — коэффициент пропорциональности. Если для нанесения отпечатка
используется алмазная пирамида приборов определения твердости, которая
имеет двухгранный угол при вершине а = 136е, то т ~ 1 и
do— di
и= 7
(2.26)
Следует измерять диагональ, расположенную перпендикулярно к направле-
нию скольжения, так как в направлении скольжения образуются риски износа,
которые могут затруднить определение конца
диагонали.
В практике наиболее широко применяется
нанесение дугообразной лунки вращающимся
резцом (см. рис. 2.25, б). Если резец хорошо
заточен, почти полностью исключается местное
выпучивание металла по периметру лупки, что
неизбежно при вдавливании пирамиды в металл.
Из формулы (2.25) видно, что метод ис-
кусственных баз в несколько раз эффективнее
методов непосредственного микрометража, так
как он значительно точнее и требует меньшей
продолжительности испытаний.
Рис. 2.25. Схема измерения
износа методом искусственных баз
55
Интегральными методами можно определить лишь суммар-
ный износ детали по поверхности трения. К этой группе относится взвешивание
детали для фиксирования потери в весе.
Количество изношенного металла можно установить по его содержанию
в масле. Современные методы количественного анализа позволяют с высокой
точностью определить очень малые количества частиц износа в пробе масла.
Из картера исследуемого узла машины через установленную наработку (время
работы, объем выполненной работы) отбирают пробы масла и по количеству
продуктов износа металла в масле судят об интенсивности износа деталей в узле.
Таким образом, можно построить кривую интенсивности изнашивания по нара-
ботке. Очевидно, что этот эффективный и высокочувствительный метод не может
быть использован для исследования износа какой-либо определенной детали
(тем более, какого-либо участка ее поверхности). Он широко применяется для
исследования качества новых масел и смазок.
Наиболее современными являются методы радиоактивных
индикаторов. Их значительное усовершенствование в настоящее время
дает возможность определить износ даже отдельных участков деталей в про-
цессе их работы. В принципе этот метод заключается в том, что в материал
исследуемой детали вводится радиоактивный изотоп. Вместе с продуктами из-
носа в масло попадают атомы радиоактивного изотона в количестве пропорцио-
нальном величине износа. По интенсивности его излучения в пробе масла судят
о величине износа.
Применяют различные методы активирования деталей: введение радио-
активного изотопа в металл при плавке; нанесение радиоактивного электро-
литического покрытия; установка радиоактивных вставок; облучение ней-
тронами.
Запрессовкой нормально к поверхности трения детали вставок из тонкой
проволоки сплава, содержащего радиоактивный изотоп, определяют износ
той части поверхности детали, которая интересует исследователя. Таким обра-
зом исследуется, например, износ определенной части верхнего маслосборного
поршневого кольца компрессора или ДВС.
Методы радиоактивных индикаторов очень чувствительны. Например, для
получения достаточно надежных данных об интенсивности изнашивания основ-
ных деталей компрессоров или ДВС можно ограничиться продолжительностью
испытания 5—10 ч при общем их ресурсе в несколько тысяч часов.
В этой группе наиболее совершенным и чувствительным является метод
облучения нейтронами, получивший название нейтронно-актива-
ционного анализа. Однако вследствие сложности аппаратуры и тех-
нологии анализа этот метод стал применяться недавно и лишь при научных
исследованиях.
§ 4. ХИМИКО-ТЕПЛОВЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ
К наиболее характерным разновидностям химико-тепловых повреждений
относятся коробления, раковины и коррозия.
Коробление деталей, как правило, является результатом воздей-
ствия высоких температур, приводящего к возникновению внутренних на-
пряжений. Такие повреждения наблюдаются при нарушении теплового режима
блоков ДВС, при неправильной технологии изготовления сварных конструкций,
например, металлических оснований под буровое оборудование и т. п.
Раковины являются результатом местных циклических воздействий
высокой температуры на рабочие поверхности деталей, приводящих к точеч-
56
ному разрушению их материала. Наиболее характерным примером такого по-
вреждения служат раковины на уплотнительных поверхностях выпуклых кла-
панов две.
Коррозия поверхностей деталей происходит под действием химиче-
ского и электрохимического действия среды. Она характеризуется окислением
и отслаиванием поверхностных слоев детали. Буровое и нефтегазопромысловое
оборудование, как правило, эксплуатируется под открытым небом или работает
в среде, содержащей различные химические соединения (например, сероводо-
род), которые, вступая в реакцию с металлом детали, оказывают на нее вредное
действие. Аналогично воздействуют на металл детали различные кислоты,
содержащиеся в смазочных маслах и топливе и др.
Одним из характерных примеров повреждения деталей бурового оборудо-
вания в результате коррозии может служить коррозия основных элементов
главной и вспомогательной опор ротора — колец и тел качения (шаров), про-
исходящая в основном в результате попадания воды на их рабочие поверхности.
Явления коррозии начинаются с поверхности и постепенно распространя-
ются в глубь металлических деталей машин как во время их эксплуатации,
так и при хранении, а также когда они находятся на складах, инструмен-
тальных площадках и т. п. Наиболее распространенная коррозия — химиче-
ская, представляющая собой соединение металла с кислородом воздуха.
Известна коррозия, проявляющаяся в равномерном разрушении всей поверх-
ности деталей, в образовании отдельных участков коррозии (местная) и в меж-
кристаллическом разъедании по всему сечению детали, в разрушении металла
по границам его зерен (интеркристаллитная) и в разрушении одной или не-
скольких структурных составляющих металла (селективная).
В результате коррозии в металлических деталях не только изменяется внеш-
ний вид, но также снижаются механические свойства и размеры деталей, что
является главной опасностью и может привести к аварии. В качестве защиты
от коррозии используют окраску (лаком или масляной краской), применение
легированных материалов (присадки хрома, никеля, меди), покрытия специаль-
ными мастиками (битумом, бакелитом), создание защитной окисной пленки
(оксидирование, аннодпровапие), коррозиопностойкого металлического слоя
(цинкование, лужение, гальванические методы, металлизация) и применение
коррозионностойких неметаллических материалов.
ЧАСТЬ II
РЕМОНТ БУРОВОГО
И НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ГЛАВА 3
ОРГАНИЗАЦИЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ
И РЕМОНТА ОБОРУДОВАНИЯ
§ 1. СИСТЕМА ПЛАНОВО-ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
И РЕМОНТА
Детали, узлы и машина в целом по мере эксплуатации постепенно снижают
уровень работоспособности от возникновения в них неполадок и износа. Не-
поладки (загрязнения, нарушение надежности и плотности соединений и регу-
лировки) устраняются техническим обслуживанием машин, а износ их — только
ремонтом.
Основой правильной эксплуатации машин является плановое обеспечение
их обслуживанием и ремонтом, исключающее или сводящее к минимуму воз-
можность внезапных отказов.
В народном хозяйстве Советского Союза широко применяется система
планово-предупредительного обслуживания и ре-
монта машин (система ППР).
Система ППР — комплекс мероприятий по обслуживанию и ремонту ма-
шин, выполняемых профилактически по заранее составленному плану для под-
держания машин в исправном и работоспособном состоянии.
Система ППР предусматривает следующие основные положения:
1) ремонт оборудования выполняется через планируемые промежутки
времени, называемые межремонтными периодами;
2) после планового капитального ремонта характеристика оборудования
приближается к паспортным данным нового оборудования;
3) в течение ремонтного цикла оборудование в строгой очередности про-
ходит все плановые ремонты, предусмотренные системой;
4) кроме плановых ремонтов выполняется техническое обслуживание обо-
рудования;
5) чередование, периодичность и объем обслуживания и ремонтов опре-
деляются назначением, конструкцией и условиями эксплуатации оборудования.
Техническое обслуживание, строго регламентируемое по времени и объему,
выполняется по перечню обязательных операций, а ремонт планируется по
времени и объему и выполняется в установленные планом сроки в объеме,
который зависит от фактического состояния машины.
Принципиальная схема системы планово-предупредительного обслужи-
вания и ремонта машин представлена на рис. 3.1.
58
Как видно из схемы, техническое
обслуживание состоит из ежеднев-
но выполняемых работ
(ЕО) — очистка от грязи, осмотр и под-
тяжка ослабленных резьбовых соеди-
нений, проверка и наладка смазочных
устройств, проверка действия контроль-
ных, защитных и тормозных устрой-
ств, — и периодического
технического обслужива-
ния (ПО) — все операции ежеднев-
ного технического обслуживания, плюс
смазка машины и смена масла в соот-
ветствии с картой смазки, мойка сна-
ружи, проверка и регулировка отдель-
ных частей и деталей, проверка и на-
ладка всех систем управления и кон-
троля.
Техническое обслуживание должно
по возможности выполняться во время
технологических простоев оборудова-
Рис. 3.1. Принципиальная схема систе-
мы ППР
ния. Как видно из перечисленного объема работ, техническое обслуживание
предусматривает тщательную ревизию оборудования — проверку положения
всех фиксированных и подвижных соединений, регулировку зазоров, контроль
количества и качества топлива, масла, воды, а также проверку работоспо-
собности отдельных приборов, агрегатов и установки в целом.
Для бурового оборудования техническое обслуживание необходимо выпол-
нять также после завершения бурения очередной скважины для выявления
созможности последующего использования оборудования. Тщательная ревизия
оборудования должна быть завершающим этапом и монтажных работ на новом
месте бурения.
Операции технического обслуживания выполняются, как правило, персо-
налом машины или установки (мотористом, механиком, оператором). Все вы-
полненные работы, а также замеченные износы и прочие дефекты, заносятся
в специальный журнал. Таким образом, накапливается материал для после-
дующих ремонтов с учетом фактического состояния машины.
Ремонтные работы в зависимости от объема и сложности делятся на три
категории.
Текущий ремонт (ТР) ставит задачей поддерживать работоспособ
ность отдельных частей в целом исправно1Й машины.
Объем и сложность операций ТР сравнительно невелики — проверка
состояния оборудования, замена быстроизпашивающихся деталей, замена
при необходимости смазки, устранение всех дефектов, не требующее разборки
сложных частей оборудования. Оборудование после ремонтных работ проверяют
и регулируют.
Текущий ремонт выполняется непосредственно па месте установки и экс-
плуатации оборудования.
Средним ремонтом (СР) называют ремонт, при котором восста-
навливается работоспособность важных частей машины, утраченная в резуль-
тате естественного износа деталей. Этот ремонт связан с значительным объемом
сборочно-разборочных работ на основных агрегатах машины.
,г>!>
Средний ремонт стационарного тяжелого и громоздкого оборудования
выполняется непосредственно на месте эксплуатации; для ускорения и облег-
чения работ максимально используются ранее отремонтированные па базе смен-
ные детали и узлы (принцип узлового ремонта).
Чтобы свести к минимуму простои комплексных технологических устано-
вок (например, буровых), желательно изношенный агрегат заменять целиком
отремонтированным, взятым из резерва (принцип агрегатного ремонта).
Все ремонтные и монтажные работы выполняются разъездными ремонт-
ными бригадами, используются передвижные ремонтные мастерские.
Капитальным (КР) называют ремонт, осуществляемый с целью
восстановления исправности и полного, или близкого к полному, восстановле-
ния ресурса изделия с заменой или ремонтом любых его частей, включая базо-
вые, и их регулировкой.
Здесь важно подчеркнуть, что система ППР предполагает использование
при ремонте машин частично изношенных деталей. Следовательно, капиталь-
ный ремонт не всегда может обеспечить полное восстановление ресурса машины,
что необходимо учитывать при разработке технических условий на ремонт.
Системами ППР технологического оборудования машиностроительных заводов
и оборудования строительной индустрии предусмотрено снижение примерно
на 10% времени межремонтного цикла капитально отремонтированных машин
по сравнению со сроками работы нового оборудования. Капитальный ремонт
выполняется на ремонтных заводах или хорошо оснащенных крупных ремонт-
ных базах. Иногда капитальный ремонт совмещается с работами по модерниза-
ции оборудования, например, меняется целиком или частично аппаратура
централизованной смазки или запуска машины, при восстановлении отдельных
ответственных деталей или узлов частично меняется конструкция, применяются
более современные материалы и методы обработки, чтобы повысить долговеч-
ность деталей или узлов и перевести их в более высокую по износостойкости
группу деталей.
В работе по модернизации оборудования ремонтным предприятиям оказы-
вают помощь машипостроптельные заводы-изготовители.
§ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИСТЕМЫ ППР
В основу разработки системы ППР положены следующие соображения.
Износ по характеру и времени протекает в деталях и узлах машины по-
разному — в зависимости от служебных функций деталей, их конструкции
и условий работы. Поскольку одинаковую износостойкость деталей в совре-
менных сложных машинах осуществить не представляется возможным, целе-
сообразно конструировать машины так, чтобы они состояли из нескольких
групп деталей с близким уровнем долговечности внутри каждой группы. Для
быстроизнашивающпхся деталей необходимо предусмотреть возможность про-
стого и быстрого их демонтажа и замены. Такой же принцип желательно выдер-
жать для узлов и даже агрегатов примерно с одинаковым уровнем долговеч-
ности основных деталей внутри каждого узла.
Исходя из этих предпосылок, система обслуживания и ремонта машин
будет состоять из периодически повторяющегося комплекса профилактических
и ремонтных работ, условно обозначенных Мг, М2, М3 и (рис. 3.2, а),
отличающихся объемом работ и периодичностью tlt i2, t3 и i4 (рис. 3.2, б).
При каждом виде ремонта восстанавливается работоспособность только тех
деталей, которые по расчету системы израсходовали свой ресурс (другие де-
60
a
Рис. 3.2. Теоретические
основы системы ППР:
а — комплекс профилактиче-
ских и ремонтных работ; б —
периодичность работ; в — ско-
рость изнашивания и снижение
работоспособности машины: г—
суммарное снижение работоспо-
собности машины и ее восста-
новление ремонтом
тали не восстанавливаются). Таким образом, обслуживание и ремонт машин,
предусмотренные системой ППР, замедляют процесс снижения работоспособ-
ности машины, поддерживая ее на допустимом уровне. Скорость изнашивания
деталей машины каждой группы характеризуется углом наклона (а1; а2, а3,
а4) кривой изнашивания к оси абсцисс (рис. 3.2, в). На этом же графике пока-
зано снижение работоспособности машины в зависимости от износа деталей
каждой группы Рх, Р2, Р3, Pt.
На рис. 3.2, г графически изображен процесс снижения общей работо-
способности машины в зависимости от износа деталей всех групп и восстано-
вление работоспособности в связи с ремонтом деталей определенной группы.
Только ремонт Л/4 возвращает работоспособность машины в состояние,
близкое к работоспособности новой машины, так как в этот срок выполняется
ремонт всех изношенных деталей машины, т. е. ремонт суммарного объема
М4 + М3-\-М2-\~М1.
Очень важно построить систему так, чтобы очередной по объему ремонт
машины, например М3, совпадал по времени с п ремонтом М2 и п' ремонтом Мг,
т. е. чтобы ремонт суммарного объема М3 + ТИ2 + производился одновре-
менно. Тогда к моменту ремонта М3 детали, входящие в объем ремонта М2
и Мг. в очередной раз полностью израсходуют свой ресурс, и настанет время
их ремонта или замены. Кроме того, при таком расчете системы простой машины
и трудоемкость ремонтных работ будут наименьшими — сборочно-разборочные
работы будут выполняться одновременно для всех объемов работ, причем при
большем по объему ремонте можно применить для всех работ более совершенную
технологию. Чтобы выдержать это условие, долговечность деталей, входящих
в объем каждого последующего ремонта (например, М4), должна быть кратной
долговечности деталей всех предыдущих ремонтов. Это условие выдержать
точно трудно. Принимаются меры к повышению долговечности этих деталей,
61
чтобы подтянуть ее к общему уровню, а если улучшение будет эффективным,
перевести детали в следующую по долговечности группу.
Схема, сроки и объемы обслуживания и ремонта новой машипы рассчиты-
ваются конструкторами при проектировании на основании статистических
данных о долговечности и надежности деталей и узлов аналогичных машин,
а затем корректируются эксплуатационниками на основании опыта эксплуа-
тации новой машины. После выполнения ремонта Mi и сопутствующих ему
ремонтов 7И3, М2 и М\ работоспособность машины восстанавливается до уровня,
близкого к работоспособности новой машины, и начинается новый цикл экс-
плуатации машины. Однако следующий цикл работы машипы будет несколько
короче цикла работы новой машины, так как ремонт в принципе допускает
использование частично изношенных деталей, поэтому физическая долговеч-
ность машипы в целом после ремонта будет несколько меньше долговечности
новой машипы.
Исходя из графика на рис. 3.2, г, уровень работоспособности машины
в какой-либо момент эксплуатации может быть определен по формуле:
Ах А — (tx — П]/-,) tg с/., - - (tx -- tg a2— . . . — (G— ntti) tg a,, (3.1)
где nx, n2, . . ., и, — число целых интервалов времени ix, i,- за общее
время tx.
§ 3. МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
СИСТЕМЫ ППР
Основой разработки показателей системы ППР для какой-либо конкрет-
ной машины является определение оптимальной физической долговечности —
межремонтного срока работы конкретных деталей и на этой основе межремонт-
ных сроков работы узлов, агрегатов и машины в целом. Физическая долговеч-
ность детали (см. стр. 21).
5 max .S нач
ТФ t g а
Из формулы следует, что задача сводится к определению максимально
допустимого износа и скорости изнашивания детали. Предельный зазор между
деталями, следовательно, предельный износ каждой детали, может быть опре-
делен аналитически с необходимыми опытными коррективами по формуле (2.23)
jj.d‘2n I
‘?max 0,0545 d •
Скорость изнашивания tg а может быть определена заводскими и эксплуата-
ционными испытаниями машин опытной серии в течение достаточного срока
для того, чтобы максимально снизить влияние отклонений режима эксплуа-
тации от нормы. Обычно достаточно 450—500 ч работы машины, из них 40 —
50 ч расходуется на ее приработку. Полученный угол наклона кривой изнвса
tg а используется для расчета тср
tga =---------------> (3.2)
11
где St — зазор между деталями, увеличенный от износа и измеренный после
времени истечения тг.
Для основных деталей машины составляют график Тф, на основании кото-
рого разрабатываются структура ремонтного цикла, объемы и сроки каждого
62
Таблица 3.1
График физической долговечности' деталей бурового насоса
Наименование детали Число Веталей Физическая долговечность детали, ч
Й 1 1200 i § 1 в Я- 1 -W-
тт тт тт ТТ тт Тт ТТ ТТ £t тт
Станина 1
Кривошипный бал 1
Ц1атун 2
Втулка верхней головки щатуна 2
Крейцкопф 2
Втулка крейцкопфа б
Палеи, крейцкопфа 2
Накладка крейцкопфа 4
Трансмиссионный бал 1
Шестерня кривошипного' бала 1
Шестерня трансмиссионного дала 1
Подшипник роликовый коренной шейки кривошипного бала 2
То же, шатунной шейки кривошипного вала 2
То же, шатунной шейки трансмиссионного дала 2
Шток поршня 2 — <
Надставка штона 2
Сальник штока 2
Коробка гидравлическая 1
Втулка цилиндра 2
Поршень 2
Клапан всасывающий П
Клапан нагнетательный й —•
Седло всасывающего клапана й
Седло нагнетательного клапана Н
Пружина клапана 8 —
Крышка клапана 8
Крышка цилиндра 2
Баллон амортизатора 2 4 1
вида ремонта (табл. 3.1). Как видно из графика, в объем текущего ремонта
бурового насоса через 300 ч работы должна войти смела быстроизнашивающихся
деталей — клапанов, седел, пружин, сальников, поршней, цилиндровых втулок,
штоков, в объем среднего ремонта через 900 ч кроме перечисленных выше
работ войдет смена или ремонт шатунных пальцев и втулок верхней головки
шатуна, накладки крейцкопфа и его втулок и надставки штока поршня; при
капитальном ремонте через 3600 ч меняются или ремонтируются все основные
детали насоса в том числе и базовые детали. По данным графика (см. табл. 3.1)
может быть составлена структура ремонтного цикла этой машины КР-2ТР-
СР-2ТР-СР-2ТР-СР-2ТР-КР. Требование кратности соблюдено — в каждый по-
следующий ремонт входят объемы всех предыдущих ремонтов. Физическая дол-
говечность некоторых деталей (см. график) не укладывается в установленную
структуру и сроки ремонта, долговечность других деталей значительно пре-
вышает среднюю долговечность узла — их приходится менять, не полностью
израсходовав ресурс. Необходимо работать над повышением износостойкости
деталей, увеличивая их долговечность до ближайшего ремонта. Выполнить эту
задачу машиностроителям могут помочь ремонтники.
Полученные структура, объемы и сроки ремонта являются предваритель-
ными — опыт эксплуатации значительного числа машин данного типа позволит
откорректировать эти параметры.
§ 4. СИСТЕМА ППР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В нефтяной промышленности накоплен многолетний опыт эксплуатации
машин и оборудования в различных условиях.
Обработка большого количества статистических данных, критический анализ
их и обобщение позволили разработать с достаточной для нужд эксплуатации
точностью систему эксплуатационных и ремонтных нормативов, положенных
в основу системы ППР бурового и нефтегазопромыслового оборудования.
В действующем с 1972 г. «Положении о системе планово-предупредитель-
ного ремонта и рациональной эксплуатации технологического оборудования
в нефтяной промышленности», кроме общих вопросов организации обслужи-
вания и ремонта оборудования на предприятиях отрасли разработаны рацио-
нальная структура, периодичность обслуживания и ремонта машин, дифферен-
цированные коэффициенты использования оборудования, установлены номен-
клатура и трудоемкость каждого вида ремонтных работ и рассчитаны нормы
расхода запасных деталей, основных и вспомогательных материалов, а также
приведены формы учета и отчетности.
Основными показателями системы ППР бурового и эксплуатационного
оборудования являются следующие.
Ремонтный цикл Т,, — период работы оборудования между двумя
очередными капитальными ремонтами, а для нового оборудования — это пе-
риод работы от ввода его в эксплуатацию до очередного капитального ремонта.
Межремонтный период Тп — время работы оборудования
между двумя любыми очередными плановыми ремонтами.
Структура межремонтного цикла — количество и поря-
док чередования различных видов плановых ремонтов в пределах одного ремонт-
ного цикла.
Продолжительность ремонтного цикла или межремонтного периода опре-
деляется числом часов, отработанных оборудованием. В отдельных случаях.
64
Рис. 3.3. Структура ремонтного цикла:
о — бурового насоса; б — буровой лебедей
когда учет отработанного оборудованием времени не налажен, продолжитель-
ность ремонтных циклов определяется по календарному времени эксплуатации
оборудования с учетом плановых коэффициентов его использования по машин-
ному и по календарному времени.
Коэффициент использования оборудования по
машинному времени определяется отношением машинного времени
к времени нахождения оборудования в работе:
^маш ____Рмаш о,
лмаш= 'р „ гр । гр •
1 раб -1 мац] ' I'1 Рем
Время нахождения оборудования в работе скла-
дывается из машинного времени и времени на плановое обслуживание и ремонт.
Машинное время (например, для бурового оборудования) склады-
вается из времени, затрачиваемого на бурение, спуско-подъемные операции,
крепление скважины, вспомогательные работы, ликвидацию осложнений и
аварий. Время на транспортировку, монтаж и демонтаж оборудования исклю-
чается из времени нахождения оборудования в работе.
Коэффициент использования оборудования по
календарному времени определяется отношением суммарного
времени нахождения оборудования в работе к общему календарному времени:
2 ^раб
Англ— гр ' (’-ч
J кал
Для бурового оборудования
2 Рбур + t-onp "4 tpeM) (3 5)
(^бур —- ipnp-h 4- tTp + <м.д 4' tpe-f)
где Л-,у„ — время бурения скважины; /опр — время опробования скважины;
£.,е„ — время ремонта оборудования; tTP — время на транспорт оборудования;
г,,.л — время на монтаж-демонтаж оборудования; £рез — время нахождения
оборудования в резерве.
В прилож. 1, 2 и 3 даны установленные системой ПНР для основного
оборудования нефтяной промышленности коэффициенты использования обо-
рудования, длительность и структура ремонтных циклов и затраты труда на
ремонт оборудования. Эти нормативы являются базой для составления планов —
5 заказ 7li3 64
графиков ремонта, расчета загрузки ремонтных предприятий, расхода мате-
риалов и планирования всех экономических показателей.
Структура ремонтного цикла различного оборудования схематически пред-
ставлена на рис. 3.3, а, б.
Категории сложности ремонта используются для оценки
объема и сложности ремонтных работ различного оборудования. Очевидно,
что трудоемкость ремонтных работ определяется видом ремонта и сложностью
оборудования.
Для оценки ремонтных особенностей оборудования, по опыту станкострои-
тельной промышленности, где система ППР используется с большим успехом
много лет, в качестве эквивалента принят условный вид оборудования трудо-
емкость ремонта которого составляет 10 чел.-ч. Эта трудоемкость принята
за единицу сложности ремонта. Категории сложности ремонта нефтяного обо-
рудования приведены в прилож. 3.
ПЛАНИРОВАНИЕ, ПОДГОТОВКА И ОРГАНИЗАЦИЯ
ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
И РЕМОНТА МАШИН II ОБОРУДОВАНИЯ
Система ППР предусматривает четкое планирование сроков и объемов
всех работ по обслуживанию п ремонту.
Базируясь на утвержденной структуре и периодичности ремонтных работ
для каждого вида оборудования и интенсивности его использования, служба
главного механика предприятия составляет годовой в помесячном разрезе
план-график обслуживания и ремонта машин, или чаще отдельно годовой
план ремонта и оперативные графики технического обслуживания.
Выполняемая при периодическом обслуживании ревизия машин исполь-
зуется для накопления данных к последующему ремонту — данные ревизии
тщательно заносятся в эксплуатационный журнал машины и являются базой
для составления дефектной ведомости на ремонт машины. Базируясь на данных
эксплуатационных журналов, можно предвидеть объем будущего ремонта и
подготовиться к нему много ранее разборки и дефектовки машины. Поскольку
система ППР предусматривает при жестком выполнении сроков ремонта объем
выполняемых работ в зависимости от фактического состояния машин, значение
данных ревизии и дефектной ведомости очевидно.
План — график ремонта оборудования, подлежащего контролю Госгор-
технадзора СССР (котлы, компрессорные установки, грузоподъемное оборудо-
вание), — составляемый отдельно, должен быть увязан с основным планом.
Годовой план — график ремонта оборудования (образец) приведен в табл. 3.2.
Пример 3.1. Рассмотрим порядок разработки графика ремонта буровой лебедки
БУ-75Бр (зав. № 689). Ремонтный цикл лебедок (см. прилож. 2) 24 мес. (24 X 292 = 7000 ч).
Структура ремонтного цикла КР-ЗТР-СР-ЗТР-СР-ЗТР-КР. Следовательно, период между
средними ремонтами (24/3) = 8 мес. (8 X 292 = 2336 ч), а между текущими (8/4) — 2 мес.
(2 X 292 = 584 ч).
К началу планируемого года лебедка отработала 4100 ч после первого капитального
ремонта. Следовательно, через 570 ч наступит время ее второго среднего ремонта (2336 X
X 2 — 4100 = 572 ч). Это подти 2 мес. работы в планируемом году. Поэтому средний ремонт
лебедки запроектирован на третью декаду февраля.
Затем через каждые два месяца планируются три текущих ремонта подряд (в апреле,
июне, августе), а в третьей декаде октября закончится очередной ремонтный цикл ее работы
(4100+ 10 X 292 = 7020 ч) и настанет время второго капитального ремонта, что и преду-
смотрено графиком.
66
Таблица 3.2
Годовой план-график ремонта оборудования
Наименование оборудсдрния Тил. марка 1 ? 53 11 5 » а S а IIS £ 5 s' (Pnija.ifomo.w и:# после ремонта л мочалу года (с! оу I ,g; й^нуо-'ад\ Шарь ФеВраль Март Апрель 51 а и Вянь Рюль АВгуст Сентядрь Октябрь 'ноябрь Декабрь
I 11 111 1 11 III 1 11 ш I 11 III ! ! I ! ’1 \111 J I // 7.7 Л II III 1 II III I II III I 11 III I 11 111 I 11 ш
bypoBae .передни 5У-75Бр ш <577/7 57 1 9100 л 1 п Я 1 V' Г
в
Ро/ПОЗ БУ'-75Бр 575 1575 128 2 1550 п Г т 1 □
в -
буроВсй насос У8~БМ 1275. 1970 191 2 100 л 1 1 1 т I г 1 т
в "'п' 1 —-
То же Вертлкзг нррндпон У8~£М УЧ 1970 192 257 - 4 200 г т “I т 1
.7
БУ-75 БУ-755р 2 1980 -- Г ГТ 1
В у _в _ п ut' --4- -4- .... —г- _
Ж 19‘0 285 * 2200 1
1 1
-- г --
ТалеВый. длин 5У~ 755р "l97s 217 2500 п г
в
Крюн БУ-75Бр yj, Г.5. F 228 1 2900 п 1 — --- 1 т 1
J
ДцЗсЛЬ 8Z-950AM 171 1 1500 7 1 у. 1
8 —
>> В2-950АМ Фд, J '7'7 19'- W 1 1200 п 1 □ 1
В _
>> 82-95оам 107ф' 191- 225 - 2500 1800 2000 5900 п 1 -— - F
в — — — 1 □ --
Компрессор ОементирпВпч- ньй о г регат КОЗ 5М ЗИ.А~900 Ф7\ Д7. й’.7/ 185 195 2 1 П Г гг
в I -- -
п ' _в п — -- — 1
Тракторный подъемник PT-2MS0 285 - г п 1
в
Месячная загрузки ремонтной дезы S единиш да, - нести Семента 29,S 2S>2 51,0 52,1 51.8 28.0 50.5 27,9 50,8 50.7 278 26.2
^-текущий ремонт;
-средний ремонт;
При составлении плана важно выдержать установленные межремонт-
ные периоды и обеспечить достаточно равномерную помесячную загрузку
ремонтной базы и бригад текущего ремонта машин.
Для этого работы каждого месяца оцениваются в единицах сложности ре-
монта, что очень удобно для оценки общей трудоемкости плана.
В рассмотренном примере месячная загрузка ремонтного предприятия
колеблется от 25 до 32 единиц сложности. Однако следует иметь в виду, что
в примере приведена лишь небольшая часть хозяйства эксплуатационного
предприятия (оборудование одной буровой установки и тракторный подъемник).
При составлении плана-графика ремонта всего оборудования предприятия воз-
можности к маневрированию загрузкой несравненно больше, допускается
изменение сроков ремонта в пределах 10—15% в зависимости от состояния
машины. Кроме того, равномерность загрузки ремонтной базы может быть
отрегулирована заказами эксплуатационных предприятий на изготовление
нестандартного оборудования для нефтегазопромыслов.
Зная план-график ремонта и базируясь на установленных системой ППР
нормах трудоемкости работ и расхода запчастей и материалов, подсчитывают
объем ремонтных работ по видам (слесарно-сборочные, механическая обработка,
сварка и др.) и определяют загрузку ремонтной базы, планируют приобретение
материалов и запасных частей.
Эксплуатационные предприятия, не полностью обеспеченные собственными
ремонтными средствами, обосновав потребность в ремонте годовым планом,
имеют право получить фонды на ремонт оборудования на заводах объединения
Союзнефтемашремонт. Составленный в таком виде план позволит подсчитать
основные экономические показатели предприятия — количество рабочих по
профессиям, фонд заработной платы, расход материалов, себестоимость работ,
выработку на одного рабочего, на один станок и др.
В зарубежной практике организации технического обслуживания и ре-
монта машин также придается большое значение. Машиностроительные за-
воды разрабатывают и рекомендуют эксплуатирующим предприятиям строго
выдерживать сроки и объемы обслуживания и ремонта машин. Так, западно-
германская фирма «Maybah-Mercedec-Benz» рекомендует следующую структуру
межремонтного цикла для крупных (мощностью до 1000 л. с.) полустационарных
двигателей дизеля, применяемых на буровых установках, насосных стан-
циях, передвижных электростанциях (рис. 3.4). Все мероприятия цикла назы-
ваются ревизиями, что подчеркивает важность строгого контроля за правиль-
ностью эксплуатации машин. Кроме того, с паспортом каждой машины
выдаются сброшюрованные
Рис. 3.4. Структура ремонтного цикла полустационар-
ных двигателей Мерседес мощностью 750 л. с. (техни-
ческое обслуживание Е-1 выполняется ежедневно)
отчеты о выполненных рабо-
тах для каждого вида обслу-
живания, в которых перечис-
ляются обязательные работы,
дается отчет о фактическом
их исполнении и замечания
о состоянии машины. Пер-
вый экземпляр отчета по-
сылается заводу-изготови-
телю, второй — эксплуатаци-
онной организации, а третий
остается в паспорте машины
на месте ее эксплуатации.
68
Преимущества системы планово-предупредительного обслуживания й ре-
монта оборудования очевидны — основой технической эксплуатации машин
становится профилактика, т. е. предупреждение ускоренного износа деталей
и частей, исключение из практики эксплуатации машин аварийных ситуаций.
Система ППР является хорошим организующим началом для планирования
работы ремонтных и обслуживающих предприятий, планирования производ-
ства запасных частей и создания их резервов в минимально необходимом коли-
честве, а также для сведения к минимуму простоя машин в ожидании ремонта
и при ремонте.
Однако системе ППР свойственны некоторые недостатки, основным из
которых является недоиспользование в некоторых случаях ресурса машин из-за
принудительного их вывода в ремонт по графику межремонтного цикла.
ь § 5. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
О ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКЕ
Недостатком действующей системы планово-предупредительных ремон-
тов является слабая ориентация на техническое обслуживание оборудования,
в том числе, и на его важную составляющую часть — диагностику. Например,
в соответствии с системой планово-предупредительных ремонтов, нормы затрат
труда на техническое обслуживание технологического оборудования, в среднем,
не превышают 25—30% всех трудовых затрат.
Как известно из практики, то или иное оборудование направляют в ремонт
обычно после определенного срока эксплуатации или каких-либо явных нару-
шений и отклонений в его работе. Однако в связи с тем, что условия работы
однотипных машин часто не одинаковы, их техническое состояние к моменту
выхода в ремонт бывает различным.
Оборудование нередко ремонтируется преждевременно только потому,
что это положено в связи с истечением установленного срока его эксплуатации.
Особенно важен точный учет машинного времени работы, когда осущест-
вляется непосредственная отработка оборудования.
Не допустить направление в ремонт оборудования с недоиспользованным
ресурсом, ранее экономически и технически допустимой величины его износа,
может только правильно организованное техническое диагностирование обо-
рудования. Поэтому в настоящее время большое значение имеет диагностика
всех видов оборудования.
Одна из основных задач диагностики технического состояния элементов
машины — наиболее полное использование ресурса ее основных агрегатов.
Процесс изнашивания машин носит случайный характер, поэтому ресурс
их агрегатов — случайная величина, а ресурсный отказ конкретного элемента,
агрегата происходит в случайный момент времени, который без применения
диагностики нельзя предсказать и предотвратить.
Прогнозируя остаточный ресурс изделий от момента контроля до их пре-
дельного состояния, можно обеспечить разумное управление техническим
состоянием машины и полнее использовать ресурс агрегатов при условии сохра-
нения уровня их безотказности в прогнозируемый период.
С расширением применения сложного автоматизированного оборудования
его техническое обслуживание, предвидение возможных отказов на основе
диагностики его состояния приобретает особо актуальное значение. И это
вполне закономерно, так как задача технического обслуживания заключается
в непрерывном наблюдении за состоянием оборудования и, при определенных
69
изменениях технических характеристик, в осуществлении мероприятий, пред-
отвращающих непредвиденный или окончательный его выход из строя и обеспе-
чивающих возможность экономически эффективного обслуживания и ремонта.
Некоторые приемы непрерывного наблюдения за техническим состоянием
технологического оборудования применяются на практике уже давно. Так,
при бёсштапговой эксплуатации нефтяных скважин в станции управления
(работающей через обычный трансформатор) имеется прибор, регистрирующий
уровень сопротивления изоляции в кабеле. В случае уменьшения сопротивле-
ния ниже допустимой нормы па пульте управления появляется соответствующий
сигнал.
При штанговой эксплуатации нефтяных скважин с применением диспетче-
ризации для дистанционной сигнализации используются следующие средства:
на балансире станка-качалки устанавливается специальный датчик, который
при обрыве штанги подает сигнал; сигналом полного отказа насоса служит
прекращение колебаний высоты столба перекачиваемой нефти и др.
При бурении с помощью электробура в случае заклинивания долота резко
возрастает ток, что служит сигналом об отказе. Однако перечисленные приемы
по являются методами технической диагностики, так как сигнализируют об уже
происшедшем отказе и не представляют собой системы, позволяющей его
прогнозировать. Используемые в настоящее время методы и средства диагно-
стики состояния оборудования в некоторых отраслях промышленности (например,
в авиации, на транспорте, в обслуживании сельскохозяйственных машин)
позволяют достаточно точно и достоверно выявлять без демонтажа состояние
машин и агрегатов, проверять эксплуатационные показатели, устанавливай,
потребность в ремонте и техническом обслуживании.
Метод диагностики и прогнозирования времени наступления ремонта
содействует продлению сроков службы оборудования и сокращает излишние
работы, связанные с его ремонтом. Помимо общего улучшения состояния обо-
рудования это позволяет изменить структуру ремонтных работ — сокращает
число и трудоемкость ремонтов и увеличивает объем работ именно технического
обслуживания.
Почти полностью исключаются случаи непредвиденного аварийного вы-
хода оборудования из строя (что нередко ведет к многочисленным простоям
оборудования и рабочих, отрицательно сказывается на выполнении производ-
ственных программ), а также случаи окончательного выхода из строя оборудо-
вания из-за технической невозможности или экономической нецелесообраз-
ности его ремонта после аварии. Диагностика повышает ответственность работ-
ника за содержание и эксплуатацию оборудования. Все это значительно
сокращает общие затраты на ремонт и эксплуатацию оборудования.
Применение технической диагностики оборудования не уменьшает зна-
чения разработки и внедрения эффективных систем ремонта оборудования. Даже
зная заранее, при помощи соответствующих диагностических средств, время
отказа определенной части оборудования, конкретное время ее замены должно
быть установлено экономическим расчетом.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 1
Диагностика — отрасль науки, изучающая и устанавливающая признаки
неисправного состояния, а также методы, принципы и средства, при помощи
1 См. книгу Б. В. Павлова Акустическая диагностика механизмов. М., «Машинострое-
ние», 1971. 370 с.
70
которых дается заключение о характере и существе неисправностей системы
без ее разборки и производится прогнозирование ее ресурса.
Техническая диагностика машин представляет собой систему
методов и средств, применяемых при определении технического состояния
машины без ее разборки. При помощи технической диагностики можно опре-
делять состояния отдельных деталей и частей машин, производить поиск не-
исправностей, вызвавших остановку или ненормальную работу машины.
На основе полученных при диагностике данных о характере износа деталей
и частей машины в зависимости от времени ее работы техническая диагностика
позволяет прогнозировать техническое состояние машины на последующий
срок работы после диагностирования.
Техническая диагностика возникла и развивается как раздел теории изме-
рений. Ее содержание заключается в изучении и обосновании способов косвен-
ных измерений скрытых параметров механизма по характеру его функциональ-
ного поведения.
Объектом технической диагностики может быть ТёйнйЧёСйбё устройство
или его элемент. Условимся объект технической диагпосЧййй называть меха^
низмом. Простейшим объектом технической диагностики буДёТТ йййема'тййе-'
ска я пара или сопряжение.
Однако в класс рассматриваемых объектов может быть включен dfpet’iiT
любой сложности.
Механизм можно рассматривать в двух аспектах: с точки зрения структуры
и способа функционирования. Каждый из аспектов имеет особенности, описы-
ваемые своей системой понятий.
Под структурой системы понимается определенная взаимосвязь, взаимо-
расположение составных частей (элементов), характеризующих устройство
и конструкцию системы.
Параметр — качественная мера, характеризующая свойство системы, эле-
мента или явления, в частности, процесса. Значение параметра —
количественная мера параметра.
Структура механизма определяется предписываемыми ему функциями (на-
пример, кривошипно-шатунный механизм, планетарный механизм и др.).
При структурном подходе имеют дело с размерами й формой деталей, с зазорами
в кинематических парах и сопряжениях и с другими свойствами элементов
механизма, обеспечивающими его нормальную работу.
Основным понятием технической диагностики, связанным со структурным
аспектом, будет состояние механизма (неисправность, работо-
способность и т. п.).
Свойства структуры механизма в некоторый момент времени могут быть
охарактеризованы совокупностью структурных параметров х’>, . . ., х'п.
Структурный параметр — качественная мера, характеризу-
ющая свойство структуры системы или ее элемента (геометрическая форма,
размеры, шероховатость поверхности элементов и др.). Структурные параметры
х\ — переменные величины. При изготовлении механизма они зависят от раз-
личных технологических факторов, а в период эксплуатации — от степени
износа и разрушения деталей. Чтобы задать начало отсчета параметров вводят
понятие идеального механизма.
Под II д е а л ь н ы м мех а и и з м о м подразумевается воображаемая
система, структура которой с абсолютной точностью соответствует проекту
(номиналу). В идеальном механизме отсутствуют какие бы то пи было наруше-
ния и дефекты.
71
Обозначим значение параметра состояния идеального механизма буквой а:0.
Тогда
XI -- xd — х° (3.6)
будет характеризовать отклонение г-ого параметра диагностируемого механизма
от параметра его идеального прототипа (от номинала).
Очевидно, что свойства структуры механизма могут быть охарактеризо-
ваны различными наборами параметров. Так, свойства подшипника можно
задать диаметром вала d, диаметром втулки D и зазором между ними h.
Таким образом, между некоторыми параметрами структуры возможны
зависимости вида:
*(••/(*1. х.,_, Xn-L, хп). (3.7)
Например, для подшипника такой зависимостью будет-.
h D — d. (3.8)
Для повышения степени объективности оценки па совокупность параметров
структуры накладывается условие минимальности.
Совокупность параметров xlt . . х„ будет минимальной, если пи одна
из этих величин не может функционально выражаться через значения других
параметров, входящих в эту совокупность.
Каждый параметр минимальной совокупности может изменяться незави-
симо от других параметров.
Помимо условия минимальности, совокупность параметров, описывающих
структуру механизма, также должна удовлетворять условию полноты.
Совокупность параметров xt будет полной, если знание их величины по-
зволяет принимать однозначные решения о необходимом ремонте и обслужива-
нии механизма.
Очевидно, что набор параметров xL и их число, используемое для описания
структуры механизма, будут меняться в зависимости от целевой установки
при использовании диагностической информации. Так, при заводском конт-
роле выпускаемых машин их структура будет характеризоваться набором пара-
метров (размеры, форма, шероховатость поверхности), который отличается
от набора параметров при диагностике этих устройств в условиях эксплуатации
(безотказность, долговечность, ресурс).
Состоянием механизма называется полная минимальная совокупность
параметров х^, х2, . . ., хп, характеризующих отклонение структуры механизма
от структуры его идеального прототипа. Например, для оценки работоспособ-
ности (состояния) данного сопряжения необходимо знать фактическую величину
зазора, которая определяется совокупностью отклонений таких структурных
параметров, как погрешности формы и размеров, отклонения шероховатости
поверхности и погрешность взаимного расположения элементов данного со-
пряжения.
При функциональном подходе работающий механизм рассматривается как
единая система, порождающая различные процессы: передачу механической
энергии, излучение тепла и акустических колебаний, потребление в какой-
либо форме энергии и т. д. Все эти процессы можно охарактеризовать коли-
чественно совокупностью выходных параметров s2, . . ., sn.
Выходной параметр — качественная мера внешнего проявления
(реакции) свойств системы. Выходными параметрами являются мощность и кру-
тящий момент, тепловыделение, газовыделение, шумообразование, производи-
тельность, тормозной момент, тормозное усилие и др. Величина этих параметров
72
зависит от состояния механизма и от режима его работы (скорости, нагрузки
и т. п.). Режим работы механизма во время диагностирования строго регламенти-
руется, поэтому любое изменение величины указанных выходных параметров
должно быть приписано изменению формы, размеров или взаимного положения
деталей, т. е. изменение состояния механизма. На основании этого выходные
параметры механизма будем рассматривать как функции состояния:
Sj = sj (it, х2, . . ., хп). (3.9)
В технической диагностике различают три класса функций состояния:
критерии эффективности, ресурс механизма и параметры диагностического
сигнала.
Критерии эффективности механизма
Этот класс функций состояния представляет собой числовые характери-
стики способности механизма выполнять заданную работу. Наиболее часто
применяются такие показатели эффективности, как коэффициент полезного
действия, производительность механизма, грузоподъемность, удельные затраты
энергии, материала и средств на единицу продукции и т. д.
Критерии эффективности механизма в диагностике, чаще встречаются в ка-
честве искомых неизвестных. Так, определение мощности двигателя, его к. и. д.
и удельного расхода топлива нередко составляет первый этап обследования
механизма.
Если показатели эффективности находятся в допустимых пределах, то
обычно этим этапом диагностирование и ограничивается. Если же эффективность
механизма по какому-либо критерию ниже допустимого уровня, то диагности-
рование продолжается до выявления параметров состояния, которые привели
к снижению его эффективности. На этом этапе диагностического обследования
критерии эффективности могут служить параметрами диагностического сигнала.
В отличие от параметров состояния х{ критерии эффективности, как правило,
поддаются непосредственному измерению. Так, существуют установки для не-
посредственного измерения мощности и расхода топлива двигателя для изме-
рения биений рабочих инструментов станков. Параметры же состояния непо-
средственно измерить невозможно, так как элементы механизма обычно защи-
щены корпусами, затрудняющими доступ внутрь механизма.
Ресурс механизма
Этот класс определяется длительностью интервала времени, в течение ко-
торого механизм будет исправно функционировать до предельного состояния.
Такая функция состояния считается важнейшей характеристикой механизма
и всегда является искомой диагностической задачи. Для определения ресурса
необходимо знать величину каждого существенного параметра состояния меха-
низма X;. Сущность задачи диагностики механизма в основном вытекает из не-
обходимости определения его ресурса.
Для характеристики механизма с точки зрения его ресурса в условия диаг-
ностической задачи включают наряду со значениями параметров идеального
механизма ха. также критические значения этих параметров х”. Предпола-
гается, что при достижении некоторым параметром xt критической величины
х* (например, максимально допустимая температура или зазор в сопряжении),
механизм не может дальше использоваться и подлежит ремонту.
73
Рис. 3.5. График нарастания износа
в сопряжении
Если значение хотя бы одного пара-
метра Xi превышает критическое хк, то
ресурс механизма равен нулю. Наименьшая
разность
min (', (3-10)
может служить оценкой ресурса механизма.
Поскольку длительность времени, не-
обходимого для достижения одним из пара-
метров состояния критического значения xf
определяется не только разностью Аа.\, по
и скорость изменения параметра xL (dxjdt),
то обычно в число искомых диагностической
задачи включа от и определение этой скоро-
сти. Так, прогнозирование технического со-
стояния механизма может быть осуществлено
путем определения коэффициентов работо-
способности, которые позволяют оценить не
только пригодность проверяемых частей, по и предсказать время их отказа.
На рис. 3.5 в качестве примера показано нарастание износа в сопряженных
деталях, вызывающее изменение коэффициента работоспособности:
бдоп Йдоп
— допустимый зазор.
т. е. 0 < Кр < 1
бдпп 6.
Лр^
где бзам — замеряемый зазор; 6Д0П
Если <5зам = 6ДОП, то Kv = 0
Если 6зам = 0, то Кр = 1,
Если <5зам > 6ДО„, то Kv <0.
Отрицательная величина коэффициента свидетельствует об аварийном
характере износа проверяемых деталей. На основании опыта принимаем, что
зазор 6нач в конце приработки примерно в 2 раза больше предусмотренного
конструкцией допуска а в подвижном сопряжении. Тогда можно записать:
Ззам 2(а-ртзам tga), (3.12)
ГД° Гзам — наработка, соответствующая зазору бзам; tg а — интенсивность
изнашивания.
Таким образом, коэффициент работоспособности Kv уменьшается с увели-
чением пробега и будет иметь значение
2 (а - тзам tga)
р 1----- Я
°До
(3.13)
где В — постоянная для данных сопряженных деталей величина (так как а,
tg а и 6ДОП постоянны).
По величине коэффициента работоспособности можно судить об остаточном
ресурсе (тост) до появления отказа в агрегате. Из рис. 3.5 следует, что при
Кр 1 -> то,т = тф, а при Кр 0 т0СТ = 0.
Параметры диагностического сигнала
Этот класс функций состояния включает в себя числовые характеристики
различных выходных процессов, сопутствующих работе механизма и доступ-
ных для непосредственного измерения.
74
Сами по себе процессы, образующие диагностический сигнал, как правило,
не имеют существенного значения с точки зрения работоспособности механизма.
Однако в диагностике их роль существенна: они служат источником информации
о состоянии механизма. Выходные процессы механизма и изменения их пара-
метров являются единственным видимым извне проявлением его состояния.
Параметрами сигнала, давно используемыми для контроля состояния
механизма, являются температура в различных точках, уровень излучаемого
шума, цвет масла, прозрачность выхлопных газов и др.
Обозначим параметры диагностического сигнала через sx, s2, . . ., sm.
На их совокупность можно наложить рассмотренные выше условия минималь-
ности и полноты.
Совокупность параметров сигнала будет полной, если через эти параметры
можно однозначно выразить каждый параметр состояния механизма.
Если существуют однозначные функции
Xi = xi(s1, s2, . .., sm), (3.14)
для каждого из п параметров xt, то совокупность параметров
S2, Sm) (3.15)
полна с точки зрения решаемой задачи.
В связи с неизбежными ошибками измерения параметров сигнала на них
обычно накладывают несколько ослабленное требование полноты, а не в виде
соотношения (3.14).
Если х\ — истинное значение параметра состояния в момент времени t,
a Sj, s.,, . . ., sm — значения параметров сигнала в тот же момент, то совокуп-
ность параметров сигнала можно считать полной при
X - х:_ (s15 S2, , , ,, Sm) At, (3.16)
где A, — допустимая ошибка в определении параметра состояния.
Теперь введем одно из основных понятий диагностики — понятие диагно-
стического сигнала.
Диагностическим сигналом будем называть полную сово-
купность функций состояния $2, . . ., sm, каждая из которых может быть
непосредственно измерена на работающем механизме.
Функции состояния, в частности, диагностический сигнал s17 s2, . . ., sm,
снимаемый с механизма, определяются не только его состоянием х17х2, . . хп,
но и другими переменными, называемыми внешними условиями.
Внешние условия, определяющие работу механизма, можно разделить
на три группы факторов:
1) управляющие, которые могут изменяться персоналом, произво-
дящим диагностирование, по его усмотрению. К ним относится, например,
установка рычагов управления механизмом;
2) контролируемые, которые в процессе диагностирования можно
измерить, но нельзя изменить. К ним, например, относится состояния среды,
в которой работает механизм (температура и состав окружающего воздуха,
напряжение и частота тока в сети и др.).
3) неконтролируемые — это всевозможные флуктуации окру-
жающей среды, контроль которых затруднен. Неконтролируемые факторы
вносят погрешность в диагностическое решение и поэтому называются помехой.
75
Диагностические Сигналы должны по возможности удовлетворять следу-
ющим требованиям:
1) доступности и точности измерения;
2) каждое значение измеренного диагностического параметра должно одно-
значно определять значение структурного параметра, т. е. размеры детали,
величину зазора в сопряжении и т. д.
3) должны иметь достаточно широкий диапазон изменения диагностиче-
ского параметра, соответствующего определенному интервалу изменений струк-
турного параметра.
ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДИАГНОСТИКИ
Рассмотрим механизм, состояние которого определяется п независимыми
величинами хг, х2, . . хп. Состояние механизма в некоторый момент времени
t известно, если определены значения каждой из п величин xt. Эта задача будет
также решена и в том случае, если х( будут выражены любыми другими вели-
чинами Sj, s2, . . ., sm, которые известны.
Такой косвенный процесс определения неизвестных параметров состояния
xt и называют диагностикой. Она сводится к измерению доступных параметров
диагностического сигнала s15 s2,. . ., sm и к вычислению параметров состояния х,
с помощью известных соотношений вида (3.14), которые устанавливаются во
время тарировки системы диагностики. Тарировка заключается в изменении
в определенном порядке состояния элементов механизма и в регистрации
параметров сигнала s;.
Таким образом, для описания состояния механизма имеем две системы
параметров xlt х2, . . ., хп и , s2, . . ., sm.
Чтобы диагностическая задача была разрешимой, необходимо взаимно
однозначное соответствие между обеими группами параметров. Практически
это значит, что каждому возможному состоянию механизма должен соответ-
ствовать свой диагностический сигнал, а каждому сигналу — единственное
состояние.
Определение зависимости сигнала от изменения параметров состояния
механизма
«y=s;(xi, х-г., . . ., хп) (3.17)
или эквивалентной ей зависимости параметров состояния от величины пара-
метров сигнала (3.14) составляет важнейший и самый трудоемкий этап раз-
работки системы диагностики.
Число необходимых изменений состояния механизма при этом эксперименте
определяется видом функций (3.14) и (3.17). Если эти зависимости линейны,
то для определения их конкретного вида требуется всего 2 раза изменить со-
стояние механизма и зафиксировать, при этом величину параметров сигнала.
Практически оперирование с системами вида (3.14) и (3.17) может оказаться
очень громоздким, если состояние механизма описывается большим числом
параметров. Так, для описания состояния четырехцилиндрового дизеля тре-
буется около 100 параметров.
Очевидно, что для двигателя прямой путь использования системы (3.14)
приводит к громоздким уравнениям.
Чтобы избежать подобных затруднений, механизм обычно условно рас-
членяют на части, и для каждой части в отдельности составляют уравнения
76
вида (3.14). Наибольшие упрощения достигается в том случае, если каждый
параметр состояния х,- удается связать только с одним параметром сигнала s;-:
(3.18)
Тогда система (3.14) распадается на п независимых соотношений вида (3.18).
ПРИМЕНЯЕМЫЕ МЕТОДЫ
И СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
Основой современной технической диагностики является практическая'
диагностика, которой человечество пользуется с незапамятных времен для опре-
деления состояния механизмов.
Практическая диагностика в качестве средств диагностирования поль-
зуется, в основном, органами чувств человека, определяющими состояние меха-
низма по звуку, световым (оптическим) явлениям, вибрациям, тепловым излу-
чениям, запаху и даже вкусу, являющимися по существу диагностическими
сигналами, косвенно представляющими собой действительное состояние меха-
низма. Качество практического диагноза зависит от субъективных свойств
человека, производящего диагноз.
В отличие от практической диагностики, современная техническая диагно-
стика для определения технического состояния машины пользуется приборами,
дающими возможность более объективно определять состояние машин, а также
воспринимать диагностические сигналы, излучаемые механизмом, недоступ-
ные восприятию непосредственно органами чувств человека.
Для разработки методов и средств технической диагностики какой-либо
машины прежде всего следует выявить, какие параметры характеризуют ра-
боту проверяемой машины и определяют ее надежность. Затем надо установить
диагностические критерии количественной величины параметров и для их опре-
деления разработать соответствующие методы и средства.
В настоящее время основными параметрами, характеризующими качество
работы технологического оборудования, являются: производительность, точ-
ность, жесткость, виброустойчивость и шумообразование; надежность техно-
логического оборудования характеризуется вероятностью безотказности, дол-
говечностью, ремонтопригодностью его частей и механизмов.
В большинстве случаев состояние перечисленных параметров взаимо-
связано, что дает возможность значения одного параметра определять через
значение другого. Например, точность работы некоторых механизмов металло-
режущего станка можно определить, проверив их на жесткость. Диагности-
рование технологического оборудования по точности, жесткости, виброустой-
чивости и шумообразованию следует производить методами и средствами,
указанными в соответствующих стандартах. Так, в практике технического обслу-
живания автомобилей и тракторов в настоящее время существует много раз-
нообразных методов и соответствующих им средств диагностики.
В зависимости от условий проведения диагностирования применяются
следующие виды технической диагностики.
Техническая диагностика, проводимая в дина-
мике механизма: по параметрам рабочих процессов (мощность, расход
топлива, производительность, давление и др.); по диагностическим параметрам,
косвенно характеризующим техническое состояние (температура, шум, вибра-
ции и т. д.).
77
Та плица 3 3
Диагностические параметры, методы и средства измерения
11арамстры (признаки) Методы Средства
11 а работка, выполненные ремонты, эксплуатационный расход топлива и масла, ди- намические качества Ознакомление с учетными документами и заявками, об- служи вакацего персонала Учетный документ (тех- нический паспорт, данные о наработке, ремонтах, заявки)
Вмятины, поломки, задиры, следы подтеканий, дымление, стуки, скрипы, нагрев Визуальная проверка путем осмотра н проел ушивание Зеркало; перископ теле- визор
Мощность, расход топлива, производительность, давле- ние, тормозные силы, про- буксовка сцепления, состав отработавших газов Измерение рабочих пара- метров состояния агрегатов п систем (главным образом эффектп вности) Стенды динамический и гидравлический для про- верки производительности, тяговых и тормозных ка- честв; анализатор газов; расходомер и др.
Потерн в трансмиссии, уси- лия на рычагах и педалях Измерение диагностических параметров (потерь на трение в агрегатах и механизмах) Испытательный стенд; динамометр; мессдоза
Температура воды, бурово- го раствора, масла, поверх- ности корпусов, узлов трепня Измерение диагностических параметров (теплового состоя- ния агрегатов и систем) Термометр; термопара; термосопротивление
Зазоры, люфты, свободные п рабочие ходы, установочные углы Измерение структурных па- раметров, установочных раз- меров Щупы, индикатор, люф- томеры; линейка
Компрессия, разреженно, уточки, прорыв газов, жид- кости, угар и давление мас- ла, давление перекачиваемого продукта Измерение диагностических параметров (герметичности, давления) | Компрессометр, вакуум- метр; расходомер; пьезо- метр; опрессовочные прис- пособления
Частота и амплитуда звука, вибраций, биении Анализ колебательных со- путствующих процессов (диаг- ностических параметров) Виброакустическая ап- паратура; стетоскоп
Концентрация продуктов износа в масле Анализ картерного масла Спектограф; микрофото- метр; прибор для опреде- ления количества металла в масле
78
Техническая диагностика, выполняемая в ста-
тике механизма, — по структурным параметрам (износ деталей, зазор
в сопряжениях и т. п.).
В зависимости от вида диагностических параметров применяют следующие
методы технической диагностики: измерение потерь на трение в механизмах;,
определение теплового состояния механизмов; проверку состояния сопряжений,
установочных размеров, герметичности и утечек, контроль шума и вибраций
в работе механизма; анализ картерного масла (двигателя, ротора, вертлюга
и др.).
Примерный перечень диагностических параметров, методов и средств
диагностики механизмов, применяемых в отечественной и зарубежной практике,
приведен в табл. 3.3. Из табл. 3.3 видно, что диагностику оборудования не-
обходимо начинать с получения сведений о наработке оборудования и ремонтах,
которым оно подвергалось, о расходе топлива и масла, динамике, склонности
к перегреву двигателя и других агрегатов, о дымлении, скрипах, шумах и т. д.
Эти сведения позволяют более целеустремленно проводить дальнейшую
диагностику уже с применением технических средств, при помощи которых
проверяют показатели эффективности и работоспособности оборудования в це-
лом, его агрегатов и механизмов.
В случае выявления отклонений технического состояния агрегата от уста-
новленных норм приступают к поэлементной диагностике, начиная с проверки
эффективности и работоспособности следующих звеньев в общей структур-
ной цепи.
При поэлементной диагностике данного механизма в первую очередь про-
веряют механическое состояние так называемых «критических» деталей, т. е.
таких деталей, которые в первую очередь определяют работоспособность
механизма (клапаны бурового насоса, опора ротора, шатунно-поршневая
группа ДВС).
Глубина диагностики механизмов ограничивается получением ответа на
вопрос: необходима ли разборка механизмов. Если она необходима, то дальней-
шее более детальное диагностирование не имеет практического смысла, по-
скольку дефекты могут быть выявлены более просто и точно после разборки
механизма.
Методы и средства диагностики отдельных агрегатов, систем и механизмов
определяются их конструкцией и выполняемыми функциями.
Существующие методы и средства технической диагностики не дают воз-
можности устанавливать остаточный ресурс систем и узлов оборудования.
Для определения его пользуются таблицами или номограммами, составлен-
ными на основании изучения изменений структурных параметров состояния
механизмов и узлов в прошлом.
СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ОБОРУДОВАНИЯ
Средства диагностики технического оборудования служат для фиксиро-
вания и измерения величины диагностических признаков (параметров). Для
этого применяют приборы, приспособления и стенды сообразно характеру
диагностических признаков и методам диагностики.
Значительное место среди них занимают электроизмерительные приборы
(вольтметры, амперметры, осциллографы и др.). Они широко применяются
как для непосредственного измерения электрических величин (например, при
79
Рис. 3.6. Прибор для определения технического состояния топливных насосов:
I — емкость; 2 — трехходовый кран; з — манометр; 4 — мерная трубка
Рис. 3.7. Панель прибора мод. 531 для проверки КИП автомобилей:
/ — гнезда включения питания; 2 — сигнальная лампа; з — переключатель эталонных сопротивлений;
4 — микроамперметр; 5 — выводной лепесток микроамперметра; 6 — гнезда включения проверяемых,
приборов; 7 — кнопка; 8 — переключатель вида проверки; 9 — переключатель микроамперметра; 10 —
потенциометр (реостат установки нуля); и — воздушный насос; 12 — спускной вентиль; 13 — соединитель-
ная муфта; 14 — контрольный манометр; 15 — нагрузочный реостат; 16 — гнезда включения нагревателя;
17 — стакан с крышкой; J8 — нагреватель
диагностике систем зажигания и электрооборудования автомобиля), так и для
измерения неэлектрических процессов (колебаний, нагрева, давления), преоб-
разованных при помощи соответствующих датчиков в электрические величины.
Для этой цели электрические измерительные приборы снабжают датчиками.
При диагностике механизмов наиболее часто используют: датчики сопро-
тивления, концевые, индукционные, оптические и фотоэлектрические датчики,
при помощи которых можно измерять зазоры, люфты, относительные переме-
щения, скорость и частоту вращения проверяемых деталей; термосопротивления,
термопары и биметаллические пластины для измерения теплового состояния
деталей; пьезоэлектрические и тензометрические датчики для замера колеба-
тельных процессов давления, биений, деформаций и др.
Одно из положительных качеств электроизмерительных приборов — удоб-
ство получения информации, а также в перспективе возможность ее анализа
при помощи счетно-решающих устройств.
В зависимости от полноты и степени механизации технологических про-
цессов диагностику можно проводить выборочно, только для контроля техни-
ческого состояния отдельных механизмов (рис. 3.6), или комплексно для про-
верки сложных агрегатов, таких как двигатель, и наконец, комплексно для
диагностики машины в целом.
В первом случае такие диагностические приборы как стетоскопы, мано-
метры, тахометры, вольтметры, амперметры, секундомеры, термометры и дру-
гие используюся для отдельных измерений в качестве переносных приборов
(рис. 3.7).
80
Рис. 3.8. Стенд КИ-4856 для проверки тяговых качеств автомобилей:
1 — беговые барабаны; 2 — двигатель-тормоз; 3 — пульт управления; 4 — бак
для топлива; 5 — устройство для замера расхода топлива; 6 — реостат; 7 — венти-
лятор; 8 — световое табло; 9 — упор
Во втором случае приборы комбинируют в виде передвижных стендов,
а в третьем случае — ими комплектуют датчики и пульты управления стацио-
нарных стендов.
Так, основным оборудованием стационарных стендов для испытания авто-
мобиля в целом являются беговые барабаны, или ролики (рис. 3.8). Беговые
барабаны дают возможность имитировать условия движения автомобиля с раз-
личными скоростными и нагрузочными режимами. Это позволяет исключить
из комплекса технического обслуживания сравнительно дорогие и неудобные
дорожные испытания автомобиля и заменить их стационарными. Последние
имеют ряд преимуществ по сравнению с дорожными: позволяют диагностировать
автомобили в строго определенных сравнительных условиях, во много раз со-
кращают затраты времени, обеспечивают безопасность, удобство и большую
точность проверки, благодаря возможности широкого применения контрольно-
измерительной аппаратуры.
Передвижным комплексным средством диагностики является ходовая
диагностическая станция. Она может обеспечивать диагностику технического
состояния автомобилей в местах их временного размещения. Компоновка
ходовой диагностической станции возможна на базе прицепа достаточно большой
грузоподъемности.
Основными требованиями к средствам диагностики являются: обеспечение
достаточной точности замеров, удобство и простота использования при мини-
мальной затрате времени.
В дальнейшем, помимо различных приборов, индикаторов узкого назна-
чения, в систему диагностических средств следует включать комплексы элект-
ронной аппаратуры.
Эти комплексы могут состоять из датчиков — органов восприятия диагно-
стических признаков, блоков измерительных приборов, блоков обработки
информации в соответствии с заданными алгоритмами и, наконец, блоков храпе-
ния и выдачи информации в виде запоминающих устройств для преобразова-
ния информации в удобный для использования вид.
6 Заказ 703
81
МЕСТО ДИАГНОСТИКИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ
ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
Диагностика является составной частью технического обслуживания ма-
шин. Опа должна органически сливаться с технологическими процессами тех-
нического обслуживания и служить целям повышения его качества. В связи
с этим очень важно определить задачи диагностики и ее место в системе ре-
монта машин.
Практически диагностика технического состояния машин может выпол-
няться: перед техническим обслуживанием или ремонтом, в ходе этих работ
или же после их выполнения.
Кроме того, возможна эпизодическая диагностика во время приемки ма-
шин при их проверке работниками технической инспекции (Госгортехнадзор
СССР), при подготовке к длительной работе в отрыве от базы. По объему, ме-
тодам и глубине операций она может быть комплексной (называемой также
общей) и поэлементной.
Комплексная диагностика выявляет нормальное функцио-
нирование, эффективность, работоспособность машины (агрегата) в целом.
Цель ее — определить соответствие нормам выходных эксплуатационных
показателей проверяемых агрегатов по их основным функциям. Примером такой
диагностики может быть определение мощности и топливной экономичности
двигателя, производительности и долговечности насоса, потерь в трансмиссии,
процента буксования сцепления и т. д.
11 о э л е м е н т н а я д и а г и о с т и к а определяет причину нарушения
работы агрегатов (механизмов) обычно по сопутствующим косвенным призна-
кам; например, причину потерь мощности двигателя — по компрессии или про-
рыву газов в картер, причину повышенного расхода топлива — по уровню
в поплавковой камере карбюратора или производительности жиклеров, причину
потерь в трансмиссии — по вибрациям и нагревам и т. п. Однако в этом слу-
чае конкретизация причин неисправностей доводится лишь до такого уровня,
при котором выявляется потребность снятия или разборки проверяемого
механизма.
Вообще диагностику, как правило, проводят па нескольких уровнях:
1) па уровне машины в целом;
2) на уровне ее агрегатов;
3) на уровне систем, механизмов и деталей и др.
При этом на каждом из перечисленных уровней определяют техническое
состояние, главным образом, двухмерно. Это означает, что диагностика должна
дать однозначный ответ: нуждается или не нуждается в настоящее время прове-
ряемый агрегат в ремонте или техническом обслуживании с учетом обеспечения
безотказной работы до очередного планового технического воздействия. Если
техническое состояние проверяемого агрегата не соответствует нормам и он
состоит из нескольких самостоятельных механизмов, то необходима поэлемент-
ная диагностика каждого из этих механизмов и т. д.
Место диагностики в технологическом процессе технического обслужива-
ния машины зависит от развития ее методов и средств. Так, при недостаточной
механизации и автоматизации диагностических операций сосредоточение диаг-
ностики в одном месте делает ее очень трудоемкой работой, а большой объем
полученной при этом разрозненной, несистематизированной диагностической
информации затрудняет практическое использование результатов. И наоборот,
включение всех диагностических работ в технологический процесс технического
обслуживания неизбежно тормозит его и нарушает ритмичность.
82
Поэтому при решении вопроса о месте диагностики не следует искать еди-
ных, универсальных форм. Необходимо в соответствии с данным уровнем меха-
низации диагностических работ исходить, во-первых, из обеспечения удобства
технического обслуживания и ремонта и, во-вторых, из периодичности, обу-
словленной заданным уровнем безотказной работы.
В дальнейшем после создания достаточно эффективных и высокопроизводи-
тельных средств, диагностика станет обязательной операцией, предшествующей
любому техническому обслуживанию или ремонту. Введение диагностики в тех-
нологический процесс технического обслуживания неизбежно повлечет за собой
ряд изменений, потребует пересмотра значительной части объемов профилакти-
ческих работ и выделения из них необязательных операций, выполняемых по
результатам диагностики, т. е. по потребности. В дальнейшем возможно раз-
витие так называемой «бортовой диагностики», т. е. диагностики при помощи
штатных приборов машипы, фиксирующих в ходе эксплуатации расход ресурса
и снижение параметров работоспособности.
§ 6. СТРУКТУРА УПРАВЛЕНИЯ РЕМОНТНЫМ ХОЗЯЙСТВОМ
НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Специфика бурения скважин и добычи нефти и газа обусловливает работу
оборудования под открытым небом в тяжелых климатических условиях; слож-
ность демонтажа и транспортировки оборудования создает дополнительные
трудности при его ремонте, поэтому необходима организация гибкой и мо-
бильной ремонтной службы.
Ремонтные предприятия нефтяной и газовой промышленности являются
специфическими промышленными предприятиями, предназначенными для под-
держания оборудования в работоспособном состоянии. Они различаются по
назначению и характеру выполняемых ремонтных работ.
Ведущим подразделением ремонтного хозяйства нефтяной промышленности
являются ремонтно-механические заводы объединения «Союзнефтемашремонт»,
которые специализируются па ремонте определенного оборудования, что
значительно повышает качество ремонта и сокращает его продолжительность.
Ремонтно-механические заводы выполняют капитальнй ремонт оборудова-
ния, изготовляют запасные части и метизы, нестандартное оборудование и т. д.
В территориальных нефтегазодобывающих объединениях все работы по
правильному использованию оборудования и поддержанию его в работоспособ-
ном состоянии выполняют следующие подразделения:
1) база производственного обслуживания (БПО) управления буровых ра-
бот (УБР);
2) база производственного обслуживания (БПО) нефтегазодобывающего
управления (НГДУ);
3) автотранспортная контора;
4) тампонажная контора;
5) ремонтные бригады, осуществляющие текущее ремонтное обслужива-
ние в районных инженерно-технических службах (РИТС);
6) ремонтно-механические заводы или центральные ремонтно-механиче-
ские мастерские (ЦРММ) территориальных нефтегазодобывающих объеди-
нений, являющиеся промежуточным звеном между базой производственного
обслуживания и ремонтно-механическими заводами объединения «Союзнефте-
машремонт».
Базы производственного обслуживания УБР и НГДУ осуществляют про-
кат находящегося на балансе соответственно УБР или НГДУ механического
и энергетического оборудования, инструмента, средств и систем автоматиза-
ции, телемеханики и КИП, поддерживают их в работоспособном состоянии
п обеспечивают своевременное материально-техническое и ремонтное об
служиванис.
База производственного обслуживания УБР подчиняется непосредственно
начальнику УБР, а база производственного обслуживания НГДУ — началь-
нику НГДУ.
На базы производственного обслуживания возложены следующие функции:
1) проведение планово-предупредительных осмотров состояния обору-
дования и его ремонт согласно утвержденным планам-графикам;
2) изготовление в запланированном объеме и установленной номенкла-
туре запасных частей, инструмента, метизов, крепежных деталей и др.;
3) ликвидация аварий и установление их причин;
4) контроль за правильностью эксплуатации оборудования и обеспечение
мер по недопущению нарушений правил его эксплуатации;
5) подготовка к отправке оборудования и приборов в капитальный ремонт,
а также прием их из ремонта.
В состав базы производственного обслуживания УБР, как правило, входят
следующие цехи: прокатно-ремонтный бурового оборудования, прокатно-ре-
моптпый труб и турбобуров, прокатно-ремонтный электрооборудования и
электроснабжения, промывочных жидкостей, пароводоснабжения, автомати-
зации производства, а также инструментальная площадка.
Прокатно-ремонтный цех бурового оборудования осуществляет обслужи-
вание и планово-предупредительный ремонт бурового и другого механического
оборудования основного и вспомогательного производств согласно планам-
графикам, изготовление запасных частей, приспособлений и нестандартного
оборудования, проведение пусконаладочных работ перед началом бурения
и определение технического состояния бурового оборудования после окон-
чания бурения скважин, комплектацию буровых установок, находящихся
на монтаже и др.
Прокатно-ремонтный цех труб и турбобуров осуществляет своевременное
и бесперебойное обеспечение объектов бурения турбобурами, и трубами нефтя-
ного сортамента, проводит своевременный и качественный ремонт турбобуров,
турбодолот, бурильных труб и других элементов бурильной колонны.
Прокатно-ремонтный цех электрооборудования и электроснабжения обе-
спечивает производственные объекты электроэнергией, производит техниче-
ское обслуживание и ремонт электрооборудования буровых установок и объек-
тов БПО.
Иногда в состав базы производственного обслуживания УБР входит про-
катно-ремонтный цех электробуров (ПРЦЭ), обеспечивающий объекты бурения
электробурами.
Основная задача инструментальной площадки — обеспечить бригады бу-
рения и освоения скважин необходимыми материалами, инструментом и запас-
ными частями.
В состав базы производственного обслуживания НГДУ обычно входят
следующие цехи: прокатно-ремонтный эксплуатационного оборудования, про-
катно-ремонтный электрооборудования и электроснабжения, подземного и ка-
питального ремонта скважин, пароводоснабжения автоматизации производ-
ства и прокатно-ремонтный электропогружных установок.
84
Основная задача прокатно-ремонтного цеха эксплуатационного оборудо-
вания (ПРЦЭО) — обеспечить бесперебойную работу оборудования, сооруже-
ний и коммуникаций основного и вспомогательного производства, осуществить
контроль за соблюдением технических правил его эксплуатации, провести
текущий и средний ремонты, а также монтаж и демонтаж всех видов
наземного оборудования, сооружений и коммуникаций, провести пуско-
наладочные работы, подготовить оборудование к капитальному ремонту, изго-
товить запасные части, нестандартное оборудование и т. д.
Прокатно-ремонтных цех электропогружных установок (ПРЦЭПУ) осу-
ществляет монтаж, техническое обслуживание, ремонт и прокат электропогруж-
ных установок НГДУ.
Цех подземного и капитального ремонта скважин (ЦПКРС) выполняет
своевременный и качественный ремонт эксплуатационных, нагнетательных
и водозаборных скважин, проводит мероприятия по интенсификации добычи
нефти и повышению производительности нагнетательных скважин, а также осу-
ществляет испытание новых образцов глубинного оборудования в скважинах.
Цех автоматизации производственных процессов обеспечивает техническое
обслуживание и бесперебойную работу КИП, средств автоматизации и теле-
механики.
Структура и штаты баз производственного обслуживания устанавливаются,
исходя из объема и условий работы УБР и НГДУ.
Базы производственного обслуживания организуют свою деятельность
в соответствии с утвержденными текущими и перспективными планами под-
готовки и обеспечения основного производства, а также оперативными указа-
ниями центральной инженерно-технологической службы при изменении произ-
водственной ситуации или возникновения аварийных положений.
Техническое и методическое руководство механо-ремонтной службой УБР и
НГДУ осуществляется отделами главного механика соответственно УБР и НГДУ.
Отдел главного механика разрабатывает и обосновывает проекты перспектив-
ных и оперативных планов ППР, проводит их анализ и оценку выполнения,
осуществляет контроль за обслуживанием и ремонтом на основе инструкции
и требований системы ППР, определяет потребность в капитальном ремонте
оборудования, составляет заявку на ремонтные предприятия, выполняющие
работы подрядным и хозяйственным способом, осуществляет контроль за ка-
чеством ремонта, за своевременной подготовкой и сдачей ремонтного фонда
и т. п.
Территориальное нефтедобывающее объединение по линии ремонтного
обслуживания имеет связи с заводами объединения «Союзнефтемашремонт»,
с заводами других ведомств, осуществляющих те же функции, а также упра-
влением по комплектованию оборудования.
Общее техническое и методическое руководство ремонтной службой неф-
тяной промышленности осуществляет Управление главного механика и энер-
гетика Министерства нефтяной промышленности СССР.
85
ГЛАВА 4
ТЕХНОЛОГИЯ РЕМОНТА БУРОВОГО
И НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
§ 1. СТРУКТУРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА
Технологический процесс капитального ремонта представляет собой ком-
плекс технологических и вспомогательных операций по восстановлению работо-
способности оборудования, выполняемых в определенной последовательности,
и включает в себя приемку оборудования в ремонт, моечно-очистные операции,
разборку оборудования на агрегаты, сборочные единицы и детали, контроль,
сортировку деталей и ремонт деталей, их комплектацию, сборку сборочных
единиц, агрегатов и оборудования в целом, обкатку и испытание оборудования
после сборки, окраску и сдачу оборудования из ремонта.
На ремонтных предприятиях нефтяной и газовой промышленности в за-
висимости от количества однотипного оборудования и условий ремонта приме-
няют два основных метода ремонта: индивидуальный и агрегатный (узловой).
В зависимости от применяемого метода изменяются содержание и последова-
тельность операций технологического процесса ремонта. При индивидуальном
методе ремонта детали, сборочные единицы и агрегаты оборудования маркируют
и после ремонта устанавливают на том же оборудовании. Следовательно, сборку
оборудования начинают только тогда, когда отремонтированы все детали, что
значительно удлиняет общее время ремонта.
На рис. 4.1 показана схема технологического процесса капитального
ремонта индивидуальным методом.
При индивидуальном методе ремонта отремонтированная базовая деталь
обычно простаивает, пока ремонтируются все агрегаты, т. е. имеется неравен-
ство:
*б<2М:о, (4-В
где tc — продолжительность ремонта базовой детали, сут; ia — продолжитель-
ность ремонта агрегата (от разборки до сдачи из ремонта), сут; к0 — число
одноименных агрегатов в одной машине, шт.
Длительные простои базовой детали приводят к значительному увели-
чению сроков ремонта машины.
Время простоя базовой детали tn определяется из следующей зависимости:
^ko~t6 > °- (4'2)
Индивидуальный метод ремонта применяется в тех случаях, когда на ре-
монтное предприятие поступает мало однотипного оборудования. При индиви-
дуальном методе ремонта машину или механизм ремонтирует одна комплексная
бригада, состоящая из рабочих высокой квалификации.
Индивидуальный метод ремонта имеет следующие недостатки:
1) отсутствует специализация ремонтных работ и ограничена возможность
внедрения механизации, что значительно снижает производительность труда;
2) оборудование длительно находится в ремонте, так как готовые детали
простаивают, пока все детали не будут отремонтированы;
3) требуется высокая квалификация рабочих.
86
Рис. 4.1. Схема технологического процесса капитального ремонта оборудова-
ния индивидуальным методом
S7
Рис. 4.2. Схема технологического процесса капитального ремонта оборудования
агрегатным методом
Особенность индивидуального метода ремонта заключается в том, что
сборочные единицы и детали машины в процессе ремонта не обезличиваются
и заказчик получает ту же машину, которую сдал в ремонт.
На рис. 4.2 представлена схема технологического процесса капитального
ремонта оборудования агрегатным методом. При агрегатном ремонте все детали,
сборочные единицы и агрегаты машины обезличиваются, за исключением базо-
вой детали. Наличие склада оборотных агрегатов, постоянно пополняемого
отремонтированными обезличенными агрегатами поступающего в ремонт
оборудования, позволяет начинать сборку машин немедленно после ремонта
базовой детали.
88
При агрегатном методе ремонта должно соблюдаться следующее неравенство:
tc^^tako. (4.3)
Следовательно, t„ = 0.
Естественно, что длительность ремонта в этом случае значительно сокра-
щается.
Агрегатный метод ремонта обычно применяют в центральных ремонтно-
механических мастерских объединений и на специализированных ремонтных
заводах, т. е. когда на ремонт поступает значительное количество однотипного
оборудования.
Организация капитального ремонта бурового и нефтегазопромыслового
оборудования агрегатным методом должна быть такой, чтобы заказчик получал
отремонтированную машину в кратчайший срок.
Основными преимуществами агрегатного метода ремонта являются:
1) специализация рабочих по отдельным видам работ, что повышает
производительность труда;
2) более совершенная технология ремонта с использованием специального
технологического оборудования и оснастки;
3) широкое внедрение механизации работ;
4) улучшение качества и снижение стоимости ремонтных работ;
5) сокращение продолжительности ремонта.
Недостаток агрегатного метода ремонта — необходимость в оборотном
фонде агрегатов.
Разновидностью агрегатного метода ремонта является так называемый
узловой метод, который часто применяется при ремонте бурового и нефтегазо-
промыслового оборудования непосредственно па месте эксплуатации. В этом
случае изношенная сборочная единица заменяется отремонтированной на базе
производственного обслуживания или на ремонтных заводах. По такому ме-
тоду обычно ремонтируют тяжелое оборудование, транспортировка которого
затруднена.
Непременным условием осуществления агрегатного метода ремонта яв-
ляется снабжение ремонтного предприятия оборотным фондом агрегатов, что
обеспечивает возможность немедленной сборки ремонтируемых машин после
ремонта базовой детали.
Потребность ремонтного предприятия в оборотном фонде агрегатов опре-
деляется из следующей зависимости:
(У tak0 — *б) »д
л ' -----------'--- , (4
л потр -- f ’ к4, 1 /
L а
где Лпотр — необходимое количество оборотных агрегатов, шт.; 1.л — продол-
жительность ремонта агрегата (от разборки до сдачи заказчику, сут; t6 —
продолжительность ремонта базовой детали, сут; — число одноименных
агрегатов в одной машине, шт.; нд — суточная программа выпуска машин
ремонтным предприятием, шт.
Подсчитывать потребность в оборотном фонде необходимо для каждого
вида агрегатов.
§ 2. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ
ДЛЯ СДАЧИ ОБОРУДОВАНИЯ В РЕМОНТ
Сдача оборудования в ремонт производится в соответствии с графиком
планово-предупредительного ремонта. В сроки, соответствующие плану-графику,
обслуживающий персонал обязан подготовить оборудование к сдаче в ремонт.
Ь‘.1
К подготовительным работам относится слив масла, топлива и жидкостей
из рабочих полостей, а также предварительная очистка, осмотр и мойка обо-
рудования. Неокрашенные поверхности должны быть покрыты консервирующей
смазкой.
В масляных ваннах некоторых машин находится значительное количество
масла. Чтобы сохранить его для повторного использования после регенерации,
а также чтобы избежать загрязнения рабочих площадок масло надо сливать
на специальной площадке, имеющей емкости для раздельного сбора.
Необходимость предварительной очистки оборудования перед отправкой
в ремонт вызывается условиями его эксплуатации. Большинство буровых и
нефтегазоиромысловых Агашин работает под открытым небом. Кроме того, эти
машины покрыты довольно толстым слоем песка, глинистого раствора и нефти.
Предварительная очистка выполняется металлическими щетками, ручными
или приводными скребками.
После предварительной очистки проводится внешний осмотр оборудова-
ния с целью обнаружения трещин, пробоин, изломов и других повреждений.
При необходимости производят мойку оборудования.
Оборудование или отдельные агрегаты, отправляемые в ремонт, должны
быть полностью укомплектованы. Запрещается подмена пригодных для даль-
нейшей эксплуатации деталей изношенными или снятыми с другого оборудо-
вания. К оборудованию, направляемому в ремонт, должны быть приложены:
1) заводской паспорт, содержащий даппые по эксплуатации и ремонту
с указанием вида ремонта, времени его выполнения и краткого содержания,
а также сведения о деталях и сборочных единицах, заменяемых в процессе
эксплуатации и ремонта, и данные об отработанном времени и объеме выпол-
ненных работ;
2) акт о техническом состоянии оборудования, а в случае аварийного
выхода из строя дополнительно акт об аварии.
По результатам приемки оборудования в ремонт составляется приемо-
сдаточный акт.
§ 3. МОЕЧНО-ОЧИСТНЫЕ РАБОТЫ
Как видно из схем технологических процессов ремонта, представленных
на рис. 4.1 и 4.2, этапам разборки, дефектоскопии и ремонта деталей предше-
ствуют многократные моечно-очистные операции. Мойка поступающего в ре-
дюит оборудования производится на специально отведенном для этого участке,
изолированном от места разборки оборудования. В зависимости от объема
производства и номенклатуры ремонтируемого оборудования моечный участок
может состоять из одной универсальной или нескольких специализирован-
ных площадок. Площадку (рис. 4.3), снабженную наклонным полом, обычно
оборудуют устройствами, обеспечивающими перемещение машины в процессе
мойки, насосной установкой, системой трубопроводов, фильтрами и отстой-
никами.
В зависимости от объема производства и номенклатуры ремонтируемого
оборудования мойка выполняется вручную напорной струей моющей жидкости,
подаваемой насосом, в специальных многоструйных моечных установках и по-
гружением в специальную моечную ванну.
При ремонте крупногабаритного бурового и нефтегазопромыслового обо-
рудования на базах производственного обслуживания целесообразно проводить
мойку напорной струей. Этот способ не требует сооружения сложных и доро-
гих устройств и обеспечивает достаточно эффективную очистку оборудования.
90
Рис. 4.3. Площадка для
мойки оборудования:
1 — трап для чистки от-
стойника; 2 — приемный
патрубок насоса; з — моеч-
ный агрегат; 4 — рабочее
место мойщика; 5 — узкоко-
лейный путь; 6 — наклон-
ный пол площадки; 7 —
фильтр
4
Для мойки можно использовать водопровод или высоконапорные моечные
установки.
Струя жидкости, направленная под сильным напором, интенсивно размы-
вает слой грязи на поверхности оборудования и уносит ее в отстойник.
Затраты воды при использовании высоконапорпой установки меньше, чем
при мойке оборудования струей воды от бытового водопровода. Подобную уста-
новку можно транспортировать к нескольким моечным площадкам.
На специализированных ремонтных предприятиях с ограниченной номен-
клатурой ремонтируемого оборудования следует применять многоструйную
мойку как более производительную. Однокамерная многоструйная моечная
установка представляет собой специальную камеру, в которую ввозят па те-
лежке или с помощью транспортера подвергаемое мойке оборудование (рис. 4.4).
Число сопел и их расположение обеспечивают наилучшее омывание оборудова-
ния жидкостью, а подводящие трубы имеют фасонную форму, соответствующую
контурам оборудования. Процесс мойки
может быть автоматизирован.
При значительном числе ремонти-
руемых машин и деталей следует ис-
пользовать многокамерные моечные
установки. В камерах этих установок
последовательно осуществляется очи-
стка деталей различными моющими
и нейтрализующими жидкостями. Транс-
портировка между камерами осуще-
ствляется конвейером; моечная уста-
новка оборудована устройствами для
подогрева, перемешивания и очистки
жидкости (рис. 4.5).
Наиболее простой процесс мойки
малогабаритного оборудования и мел-
ких деталей — мойка погружением, при
которой детали погружают в ванну
с моющей жидкостью и выдерживают
некоторое время пли многократно погру-
жают и извлекают, что в некоторых слу-
чаях уменьшает длительность процесса.
Рис. 4.4. Однокамерная моечная установка:
7 — подводящий патрубок; 2 — присоединитель-
ным лпуцер; — кожух; i —inрфориропанптн
труб-г, 1 — н.асалка; 6 — тележка
III
Рис. 4.5. Схема трехкамерной моечной установки:
I — изделие: 2 — лопастной раеиилитслт/,3 — перфорированная труба с соплами;
/, 77, III — камеры
В качестве моющих жидкостей для очистки оборудования и деталей от грязи
и масла используют холодную или горячую воду (70—90° С), холодные или го-
рячие щелочные растворы (70—90° С) и растворители (бензин, керосин, ацетон).
Рекомендуемые составы щелочных растворов приведены в табл. 4.1. Для предо-
хранения деталей от коррозии в щелочные растворы добавляют 0,2—0,5%
хромпика или нитрита натрия. Алюминиевые или залитые баббитом детали
мыть в щелочных растворах нельзя. Для удаления с поверхности деталей ста-
рых лакокрасочных покрытий используются специальные составы, называе-
мые смывками.
Для удаления масляных, нитроцеллюлозных и перхлорвиниловых покры-
тий применяют смывки марок СД (сп), СД (об), АФТ-1 (табл. 4.2). Смывки типа
СД обладают недостаточной эффективностью при удалении масляных покрытий;
более универсальной является смывка АФТ-1.
Для очистки поверхности деталей от продуктов коррозии используют
различные пасты (табл. 4.3), а также 25%-ный раствор соляной кислоты,
в который добавляют 1% цинка или 15% серной кислоты.
Для нейтрализации действия щелочных или кислотных растворов очи-
щенное оборудование и детали необходимо промыть горячей водой, а затем
просушить подогретым сжатым воздухом. Чтобы облегчить и ускорить мойку и
уменьшить расход моющих жидкостей, применяют предварительную обдувку
оборудования паром.
Таблица 4.1
Состав моющих растворов для очистки деталей из чугуна и стали
Компоненты Содержание компонентов в растворе, вес. ч
Состав № 1 Состав Kq 2 Состав Ко 3
Кальцинированная сода 5,50 — 10,0
Каустическаа сода 0,75 2,0 —
Тринатрийфосфат 1,00 5,0 —
Жидкое стекло — 3,0 —
Хромпик — —. . 0,1
Хозяйственное мыло 0,15 — —
92
Таблица 4.i
Состав смывок для очистки поверхности от лакокрасочных покрытий
Компоненты Содержание компонентов. % об.
СД (СП) СД (Об) АФТ-1
Ацетон .... 30 47,0 19,0
Этилацетат . . 30 19,0 —
Этиловый спирт 10 6,0 —
Бензол .... 30 8,0 —.
Скипидар . . . — 7,0 —
Толуол .... — — 28,0
Коллоксилин . — — 5,0
Формальгликоль — — 47.5
Парафин . . . . — 2,2 0,5
Нафталин . . . . — 10,8 —
Для небольших деталей сложной конфигурации применяются электроли-
тическая и ультразвуковая очистка.
При ремонте двигателей внутреннего сгорания необходимо очищать детали
от нагара механическими (металлические щетки, шаберы) или физико-хими-
ческими способами при помощи специальных моющих растворов.
Рекомендуемый состав раствора, г/л:
Кальцинированная сода.....................35
Каустическая сода ........................25
Жидкое стекло............................1,5
Мыло......................................24
Детали погружают на 40—60 мин в раствор, подогретый до 80—90° С.
Размягченный нагар тщательно удаляют с поверхности при помощи ветоши.
После этого деталь промывают в водном растворе, содержащем 0,2% кальциниро-
ванной соды, 0,2% жидкого стекла и 0,1% хромпика, а затем в воде при тем-
пературе 60—80° С и просушивают.
Для удаления накипи любого состава применяют 3—5%-ный щелочной
раствор тринатрийфосфата; после разрыхления накипь легко удаляется про-
точной водой. Можно использовать более дешевые жидкости — растворы соля-
ной или хромовой кислот для удаления карбонатных и гипсовых накипей или
2—3%-ный раствор каустической соды, подогретой до 30° С, для смятия сили-
катной накипи.
Таблица 1.3
Состав паст для очистки поверхности деталей от продуктов коррозии
Ко М ПОПОИТЬ! Содержание компонентов
№ 1 № 2 .X- 3
Соляная кислота (36%-ная) 0,5 0,5 0,5
Бумажная масса, г 39,0 10,0 10,0
Формалин, мл — 10,0 10.0
Карбоксиэтилцеллюлоза, г — — 20 Р
Вода, л 0,5 0,5 0,5
93
Совершенно обязательна нейтрализация растворов, т. е. последующая
тщательная промывка деталей горячей водой.
В процессе мойки оборудования выделяются вредные испарения, поэтому
моечные отделения изолируют от места других работ, а помещения мойки и
рабочие места оборудуются приточно-вытяжной вентиляцией.
При работе с растворителями необходимо строго соблюдать противопожар-
ные требования. Для промывки мелких деталей и сборочных единиц непосред-
ственно у рабочих мест на базах производственного обслуживания можно
использовать передвижные моечные ванны.
На ремонтных предприятиях широко применяют также механические спо-
собы очистки или очистку посредством обжига деталей в печах.
§ 4. РАЗБОРКА ОБОРУДОВАНИЯ
Очищенное оборудование поступает на разборку. От качества разборки
и сохранения деталей от повреждения при этом существенно зависят сроки,
стоимость и качество ремонта.
Оборудование разбирают по схеме, которая определяет вначале последо-
вательность разборки оборудования на агрегаты и сборочные единицы, а за-
тем разборку каждой сборочной единицы на детали. В схеме разборки реко-
мендуется указывать длительность выполнения и разряд работы. Порядок
выполнения отдельных операций, требования к сохранению комплектности
деталей соответствующих сопряжений, даются в виде пояснений и дополни-
тельных указаний.
Рис. 4.6. Гидравлический съемник поршней буровых насосов:
1 — маховик; 2 — винт; з — крышка цилиндра; 4 — поршень; S — цилиндр; 6 — муфта; 7 — корпус;
<5 — труба; 9 и 11 — стойки; 10 — рукоятка; 12 и 14 — уплотнения; 13 — поршень
Рис. 4.7, Гидравлический съемник седел клапанов буровых насосов:
I — цилиндр; 2 — гидравлический цилиндр с ручным приводом; 9 » гайка; 4 — поршень; 5 — седло;
— захват; 7 — тяга
94
Рис. 4.8. Гидравлический пресс:
I — передняя бабкл; газ — тележки; 4 — електропривод; 5 — штанга; в— вадняя опора; 7 — траверса
Рис. 4.9. Схема стенда для разборки погружных центробежных насосов;
1 - стойка; 2 — корпус насоса; з — лоток; 4—вал насоса; 5—направляющий аппарат с рабочим колесом;
в — опорная шайба; 7 — трос; 8 — лебедка; 9 — верстак
Разборку выполняют на одном рабочем месте силами одной бригады или
на нескольких рабочих местах разборочной линии. На ремонтных предприя-
тиях нефтяной и газовой промышленности основным методом является первый;
иногда при значительном объеме ремонта разборкой занимаются две бригады:
одна выполняет общую разборку оборудования, а вторая разбирает агрегаты.
При разборке широко используют различное подъемно-транспортное обо-
рудование. Для сокращения продолжительности и снижения трудоемкости
разборочных процессов используют механизированный инструмент, например,
пневматические ключи и отвертки, электрические, пневматические и гидра-
влические гайковерты и шпильковерты и др.
Для выпрессовки деталей применяют универсальные или специальные
съемники и прессы.
На рис. 4.6 и 4.7 показаны конструкции гидравлических съемников для
выпрессовки поршней и седел клапанов буровых насосов, позволяющие солдат],
большие усилия.
Для распрессовки и запрессовки крупных деталей бурового и нефтегазо-
промыслового оборудования широко применяется универсальный гидравли-
ческий пресс (рис. 4.8).
Разборка оборудования часто производится на специальных стендах.
На рис. 4.9 представлен стенд для разборки погружных центробежных насосов.
Правильная организация, обоснованная технологическая последователь-
ность и использование специальной оснастки позволяют не только рацио-
нально организовать процесс разборки по времени, но и непосредственно
влиять на экономические и качественные показатели ремонтного производства.
§ 5. КОНТРОЛЬНО-СОРТИРОВОЧНЫЕ РАБОТЫ
После разборки детали оборудования направляются на контрольно-сорти-
ровочный участок, где устанавливается их техническое состояние, возмож-
ность дальнейшего использования, определяются расход запасных частей,
номенклатура и число ремонтируемых деталей, а следовательно, и объем работ
по ремонту.
Для контроля состояния деталей применяют следующие методы дефекто-
скопии: наружный осмотр и остукивапие, обмер с использованием соответству-
ющих измерительных приборов и специальные методы неразрушающего кон-
троля для выявления скрытых дефектов.
На ремонтных предприятиях нефтяной и газовой промышленности наи-
большее применение для обнаружения скрытых дефектов нашли капиллярные
методы, ультразвуковая дефектоскопия и гидравлическое испытание.
Капиллярные методы обнаружения скрытых дефектов осно-
ванье на капиллярном проникновении жидкости, хорошо смачивающей материал
детали, в трещины, поры и другие поверхностные несплошности.
К капиллярным относится метод обнаружения трещин с помощью машин-
ного масла или керосина. Тщательно зачищенный участок поверхности детали,
па котором предполагается трещина, покрывают подогретым маслом и выдер-
живают 5 мин. Затем поверхность тщательно вытирают, покрывают меловым
раствором и сушат, после чего ее подогревают до 50° С. При наличии трещины
масло выступает наружу и контуры трещины ясно обозначаются на меловом
покрытии.
При цветной дефектоскопии контролируемый участок по-
верхности, предварительно очищенный от грязи и обезжиренный, покрывают
темно-красным красителем, обладающим высокой капиллярностью и низким
поверхностным натяжением. Краситель наносят на поверхность напылением,
погружением или кистью в два слоя. Сразу же после нанесения второго слоя
краситель удаляют с поверхности ветошью, смоченной масляно-керосиновой
смесью (30% керосина и 70% трансформаторного масла) и поверхность про-
тирают насухо. Затем мягкой кистью наносят слой быстросохнущей суспензии
белого цвета, которая вытягивает краситель из скрытых дефектов; на поверх-
ности появляются красные линии и точки, обозначающие контуры трещин,
поры и т. п. Проявление крупных дефектов наступает через несколько секунд,
затем выявляются более мелкие дефекты. После контроля белую краску удаляют
ветошью, слегка смоченной в ацетоне. В качестве красителя обычно исполь-
зуется смесь, содержащая 950 см3 бензола, 50 см3 трансформаторного масла
и 10 г краски (зелено-золотистого дефектоля). Краску растворяют в бензоле,
а затем доливают в раствор масло. Указанную смесь рекомендуется применять
при температуре не ниже +50 С.
В состав белой проявляющей краски входят 700 см3 промышленного
коллодия на эфирно-спиртовой основе (раствор 21,2 г коллоксилина в смеси,
состоящей из 567 см3 серного эфира и 188 см3 этилового спирта), 200 см3
96
бензола, 100см3 разбавителя РВД или ацетона, 450г цинковых белил. Белила
растворяют в бензоле, и полученный раствор вводят в коллодий. Затем добавляют
разбавитель или ацетон.
При люминесцентном методе вместо красителя исполь-
зуется флуоресцирующая жидкость. Жидкость наносят на предварительно
очищенную и обезжиренную поверхность детали кистью или окунанием.
Флуоресцирующая жидкость, обладая хорошей смачиваемостью, проникает
в трещины и задерживается в них. После нанесения жидкости поверхность
протирают насухо и просушивают подогретым сжатым воздухом. Последующий
незначительный нагрев детали способствует выходу флуоресцирующей жид-
кости на поверхность. При освещении ультрафиолетовыми лучами жидкость
дает яркое свечение желто-зеленого цвета. В качестве флуоресцирующей жид-
кости применяют смесь: 250 см3 трансформаторного масла, 500 см3 керосина,
250 см3 бензина и 250 г красителя (дефектоль).
В качестве источника ультрафиолетового излучения можно применять
ртутно-кварцевые лампы ПРК-2 и ПРК-4 в сочетании с ультрафиолетовым
светофильтром УФС-3. Указанный метод обладает высокой чувствительно-
стью и позволяет выявить не только глубокие, но и микроскопические поверх-
ностные трещины, светящиеся тонкими линиями.
Для выявления скрытых трещин широко применяется магнитная
дефектоскопия. При намагничивании контролируемой детали трещины,
создавая участки с малой магнитной проницаемостью, заставляют магнитный
поток рассеиваться. В местах выхода рассеивающего потока на поверхность
детали создается полюсность. Если на такую поверхность нанести порошок
из ферромагнитного материала, например из магнетита, то частицы порошка
будут втягиваться в области наибольшей неоднородности магнитного поля
и на контролируемой поверхности образуются характерные полосы, указыва-
ющие места расположения трещин.
Намагничивание детали осуществляется:
1) полем электрического тока, пропускаемого через контролируемую де-
таль или стержень, установленный внутри полой детали (циркулярное намаг-
ничивание) ;
2) электромагнитом или полем соленоида (полюсное намагничи-
вание).
Ферромагнитный порошок наносят на поверхность в сухом виде или в виде
суспензии, представляющей собой смесь порошка с минеральным маслом,
керосином и мыльной водой. После окончания контроля деталь размагни-
чивают.
Промышленностью выпускаются магнитные дефектоскопы различных ти-
пов. Для контроля валов успешно используют магнитоэлектрический дефекто-
скоп МЭД-2.
На ремонтных предприятиях нефтяной промышленности широко приме-
няют ультразвуковую дефектоскопию. Сущность ее заклю-
чается в способности ультразвуковых колебаний проникать вглубь материала
контролируемого изделия и отра;каться от дефектов, являющихся нарушением
сплошности материала.
Ультразвуковыми колебаниями (УЗК) принято называть упругие механи-
ческие колебания с частотой более 20 кГц. Для излучения и приема ультразву-
ковых колебаний обычно используют пьезоэлектрические преобразователи-пла-
стинки, изготовленные из монокристаллов кварца, сульфата лития и других
материалов.
7 Заказ 763
97
Рпс. 4.10. Схема ультра-
звукового дефектоскопа,
работающего по тенево-
му методу:
". Гм з дефекта; '/ -
г. дефектом
I[ри внесении пьезоэлемепта в электрическое поле
в нем возникают упругие деформации, величина и на-
правление которых зависят от параметров электриче-
ского ноля. Указанный процесс является строго об-
ратимым, т. е. если на пьезоэлемепт действует пере-
менное напряжение, изменяющееся но определенному
закону, то и возникающее электрическое напряжение
подчиняется этому же закону. Подобное явление
называется пьезо-электрическим эффектом.
Ультразвуковые колебания распространяются
в виде узких направленных пучков. Они могут отра-
жаться, преломляться и фокусироваться. При падении
на границу раздела двух фаз, обладающих различным
акустическим сопротивлением, часть ультразвуковых
колебаний' отражается, причем угол падения равен
углу отражения, а остальная часть УЗК проходит во вторую среду, пре-
ломляясь в пей. Направленность УЗК и способность их отражаться от гра-
iiuiiW раздела двух сред используются для выявления в материалах трещин,
расслоений, пор, газовых и шлаковых включений и измерения толщины деталей.
Ультразвуковая дефектоскопия осуществляется тремя методами: теневым,
резонансным и эхо-методом.
Теневой метод основан на появлении за дефектом «звуковой тени»
при прохождении ультразвука через деталь, помещенную между излучателем
колебаний и приемным устройством. На рис. 4.10, а, б представлена схема
дефектоскопа, работающего по принципу теневого метода. Высокочастотные
электрические колебания, вырабатываемые генератором 1, пэдаются на пьезо-
электрический преобразователь 2, в котором преобразуются в механические
колебания ультразвуковой частоты. При плотном соприкосновении преобра-
зователя 2 с поверхностью контролируемой детали 3 колебания (волны) 4 рас-
пространяются вглубь материала детали, достигают при отсутствии дефекта
приемного пьезоэлектрического преобразователя 5 и регистрируются прибором 7.
Если па пути ультразвуковых колебаний встречается дефект 6, то они отража-
ются от него и не попадают на приемный преобразователь 5, т. е. за дефектом
образуется «звуковая тень». При этом на регистрирующем приборе 7 отсутствуют
показания, что свидетельствует о наличии дефекта.
Резонансный метод основан на возникновении стоячих волн
в материале контролируемой детали при совпадении частоты колебаний, со-
здаваемых в детали внешним источником, с частотой собственных колебаний
детали. Резонансным методом выявляют коррозионные раковины, расслоения
в металле и другие повреждения.
Наибольшее применение для контроля деталей получил импульсный
эхо-метод, основанный на принципе посылки в материал контролируемой
детали ультразвуковых колебаний и приеме отраженных волн.
На рис. 4.11 приведена блок-схема импульсного эхо-дефектоскопа. Им-
пульсы электромагнитных колебаний определенной частоты, вырабатываемые
импульсным генератором 6, поступают на пьезоэлектрический преобразователь
3 искательной головки, который под их действием деформируется и излучает
упругие механические колебания ультразвуковой частоты. При соприкосно-
вении пьезоэлектрического преобразователя 3 с поверхностью контролируе-
мой детали 7 через слой контактной смазки ультразвуковые колебания распро-
страняются внутрь материала детали и, достигнув противоположной стороны
98
детали или дефекта <з, отража-
ются от них. Отраженные им-
пульсы поступают на прием-
ный пьезоэлектрический пре-
образователь 2, находящий-
ся в той же искательной
головке, где вновь преобра-
зуются в электрические сиг-
налы, которые пройдя через
усилитель 4 поступают на
электронно-лучевую труб-
ку 5. Одновременно с пус-
ком импульсного генерато-
ра 6 включается генератор
Начальный. Импцлы- отрамен-
Г -----------.------
Рис. 4.11. Схема ультразвукового эхо-дефектоскопа
основной развертки /, кото-
рый предназначен для получения на экране электронно-лучевой трубки
горизонтальной развертки луча во времени.
Таким образом, на экране электронно-лучевой трубки 5 фиксируются
колебания основной развертки, слившиеся в одну сплошную горизонтальную
линию, и пики эхо-сигналов — от поверхности входа в исследуемый материал
(начальный импульс), от дефекта и от противоположной поверхности детали
(донный импульс). Расстояния Zj и Z2, на которых расположены импульс де-
фекта и донный импульс по отношению к начальному импульсу соответ-
ствуют глубине залегания дефекта и толщине изделия. По амплитуде эхо-сигнала,
отраженного от дефекта, судят о размере дефекта.
Окончательное заключение о координатах, форме и размерах дефекта,
например, трещины, дается после его прозвучивания по нормали к поверхностям
детали и под различными углами к ним (рис. 4.12). Амплитуда эхо-сигнала
будет наибольшей, когда импульсы ультразвуковых колебаний направлены
по нормали к поверхности дефекта (поз. а). По мере увеличения угла а
между нормалью к поверхности дефекта и направлением импульсов ультра-
звуковых колебаний амплитуда эхо-сигнала, уменьшается (поз. Ь) и примет
нулевое значение, когда направление импульсов и трещины совпадут (поз. с).
Если отражающая поверхность дефекта достаточно велика, то по форме оги-
бающей эхо-сигнала, наблюдаемого на экране электронно-лучевой трубки,
можно судить о расположении трещины в материале.
Перед выполнением дефектоскопии поверхности детали, по которым произ-
водится контроль, должны быть очищены от загрязнений. Чтобы обеспечить
падежный акустический контакт искательной головки с поверхностью детали
без воздушных промежутков, на поверхность детали, контактирующую с иска-
тельной головкой, наносят слой масла. Для этой цели целесообразно применять
масло МС-20 или АК-15. Чем больше криволинейность поверхности и выше
температура, тем более вязкие масла следует применять в качестве контактной
жидкости.
При высоких температурах и сильно шероховатой поверхности можно
применять трансмиссионные масла или солидол, а в холодное время года сле-
дует использовать масла АК-10 или АС-9,5.
Дефектоскопию цилиндрических и конических, наружных и внутренних
резьб бурильных и эксплуатационных труб и замков выполняют на частотах
ультразвуковых колебаний 2,5 и 5,0 МГц искательными головками с углами
45—50° для стали и 50—55° для алюминия. Контроль ведется зигзагообразным
7* !’М
Рис. 4.12. Влияние направления импульсов ультразвуковых колебаний на величину эхо-
сигнала от дефекта
Рис. 4.13. Ультразвуковая дефектоскопия замков бурильных труб
движением искательной головки (рис. 4.13). Следует учитывать, что наиболее
часто трещины возникают в местах сбега резьбы.
Контроль сварных швов выполняется призматическими искательными го-
ловками зигзагообразным перемещением их вдоль шва. Швы толщиной 10—25 мм
проверяют искательными головками с углами 40 и 501 на частотах 2,5 и 5,0 МГц.
При этом нижняя часть шва прозвучивается дважды отраженным лучом, а верх-
няя — лучом, отраженным один раз (рис. 4.14). Зона перемещения искатель-
ной головки от зоны шва рассчитывается по следующим формулам:
£min —"// tga — d 1-3 мм; (4.5)
^max = (п +1) If । g я— (4.6)
где п — число отражений импульсов ультразвуковых колебаний в металле;
Н — толщина основного металла, мм; а — угол ввода ультразвуковых коле-
баний (при угле призматической искательной головки 50° а = 68°); d — рас-
стояние центра излучения искательной головки от ее передней грани, мм.
На рис. 4.15 приведена схема ультразвуковой дефектоскопии валов на
примере вала турбобура. Контроль вала ведется па частотах 2,5-5,0 МГц.
Переходы от одного диаметра к другому контролируются поверхностной вол-
ной на частоте 2,5 МГц со стороны меньшего диаметра.
Современные ультразвуковые дефектоскопы обладают высокой чувстви-
тельностью и точностью до 2%. На ремонтных предприятиях нефтяной про-
мышленности применяют дефектоскопы марок УДМ-1м и ДУК-11ИМ.
После контроля производят сортировку и маркировку деталей. Детали
разобранного для ремонта оборудования сортируют на три основные группы,-
годные детали, направляемые непосредственно на склад комплектации, детали,
подвергаемые ремонту, и заменяемые де-
тали, негодные для ремонта.
Детали в процессе сортировки марки-
руют красками. Для каждой группы
Т деталей установлен соответствующий цвет
краски: красная, желтая и зеленая. При
маркировке деталей, требующих ремонта,
Рис. 4.14. Ультразвуковая дефекте- краску наносят на изношенные поверх-
скопия сварных швов ности.
100
Рис. 4.15. Ультразвуковая дефектоскопия вала турбобура
На годные детали вместо краски можно наносить клеймо контролера.
Основанием для сортировки деталей являются технические условия на раз-
браковку деталей при ремонте. В них указываются возможные дефекты деталей,
приводятся рекомендации о способе ремонта или основание для списания изно-
шенных деталей в брак.
На каждую машину по результатам контроля и сортировки деталей соста-
вляется дефектовочная ведомость, на оснований которой определяются содер-
жание и объем работ по ремонту машины и потребность в новых деталях.
В зависимости от размеров и массы деталей и сборочных единиц разбраковка
деталей выполняется в разборочном (крупно-габаритные тяжелые детали и сбо-
рочные единицы) или в контрольно-сортировочном отделении (небольшие
легкие детали и сборочные единицы), которое оборудуется столом, провероч-
ной плитой, стеллажами, шкафом с набором инструментов, контрольно-измери-
тельных приборов и приспособлений.
§ 6. КОМПЛЕКТОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ ОБОРУДОВАНИЯ
На складе комплектации согласно дефектовочной ведомости и схеме сборки
комплектуются сборочные единицы из деталей, причем недостающее число
деталей взамен забракованных пополняется со склада запасных частей. Необ-
ходимость комплектования деталей при ремонте машин вызывается наличием
различных по точности групп деталей, поступающих на сборку: годных без
ремонта с допустимыми износами, отремонтированных и новых, изготовленных
на ремонтном предприятии или полученных в качестве запасных частей. Про-
цесс комплектования зависит от метода сборки. В зависимости от степени спе-
циализации ремонтного предприятия, технической оснащенности и квалифика-
ции производственного персонала применяются различные методы сборки
сборочных единиц, агрегатов и машин.
При сборке по методу полной взаимозаменяемости нюбля деталь или сбо-
рочная единица, могут быть использовдпы для сборки без дополнительной об-
работки или пригонки. Сборка заключается только в соединении деталей и сбо-
рочных единиц; при этом обеспечиваются заданные зазоры и натяги.
Использование различных по точности групп деталей при сборке по методу
полной взаимозаменяемости иногда приводит к появлению увеличенных зазоров
и натягов в сопряжениях, не соответствующих техническим условиям на сборку.
Поэтому наряду с методом полной взаимозаменяемости широко используются
и другие методы сборки: сборка с пригонкой деталей, сборка с подбором деталей
(неполная взаимозаменяемость), сборка с применением компенсаторов, селек-
тивная сборка.
101
Рис. 4.16. Схема комплектовки роторов и статоров турбобура
Рис. 4.17. Схема статической неуравновешенности детали
Детали комплектуемой сборочной единицы складывают в ящики и после
приемки контролером ОТК направляют по требованию на линию сборки.
В качестве примера рассмотрим комплектование деталей турбин турбо-
бура. Обычно комплектация проводится заблаговременно специально выделен-
ным для этого работником склада комплектации. Роторы и статоры турбины
как бывшие в эксплуатации, так и новые подбирают вначале по люфтам, а за-
тем по высоте. После сортировки турбинных дисков по люфтам получают
несколько партий с определенной величиной люфта.
Турбинные диски комплектуют по высоте следующим образом: 20—25 ди-
сков, имеющих одинаковый люфт, устанавливают на проверочной плите —
отдельно комплект роторов и комплект статоров (рис. 4.16). Если один комплект
выше другого более чем на 1 мм, то один из них переукомплектовывают дета-
лями из других комплектов с люфтом такой же величины.
Когда превышение высоты одного комплекта над другим будет меньше
1 мм, но более 0,25 мм, производят подрезку деталей-со стороны лопаток на
величину этого превышения, после чего подготовленные комплекты деталей
направляют на сборку.
§ 7. БАЛАНСИРОВКА ДЕТАЛЕЙ
Перед сборкой вращающихся деталей или сборочных единиц необходимо
устранить их неуравновешенность, которая вызывает вибрации, повышенный
износ и ускоренное разрушение многих деталей, что существенным образом
влияет на срок службы машины. Борьба с неуравновешенностью деталей и сбо-
рочных единиц при ремонте — одно из важных условий повышения ресурса
отремонтированных машин.
Для уравновешивания вращающихся деталей и сборочных единиц машин
применяют балансировку. В процессе балансировки определяют места и вели-
чины дисбаланса, а затем устраняют или уменьшают дисбаланс до допустимого
предела, удаляя излишний материал или устанавливая дополнительные грузы.
Основными причинами неуравновешенности являются неточность размеров,
формы деталей и сборки, т. е. смещение сопряженных деталей и сборочных еди-
ниц, неравномерность размещения массы металла, а также неравномерный
износ детали в процессе эксплуатации. Различают статическую и динамическую
неуравновешенности.
Статическая неуравновешенность возникает вслед-
ствие смещения центра тяжести относительно оси вращения и проявляется в ста-
тическом состоянии. В этом случае дисбаланс D измеряется статическим момен-
том (в кгс-м):
Сг = Рр, (4.7)
1 (12
Рис. 4.18. Схема действия сил при статической неуравновешенности детали
Рис. 4.19. Схема балансировки детали при статической неуравновешенности
где G — сила тяжести неуравновешенной массы, кгс; г — расстояние центра
тяжести неуравновешенной массы от оси вращения, м; Р — сила тяжести де-
тали, кгс; р — смещение центра тяжести детали от оси вращения, м.
Статическая неуравновешенность обычно свойственна'деталям типа дисков,
т. е. таким деталям, у которых диаметр превышает длину. К таким деталям
относятся рабочие колеса центробежных насосов, компрессоров, турбин и т. д.
При вращении неуравновешенной массы возникает постоянная по величине
и переменная по направлению центробежная сила инерции F (рис. 4.17), вели-
чина которой определяется по формуле:
[/ж. ты2/-, (4.8
где F — сила инерции, кгс; т — неуравновешенная масса, кгс-м2/см; со =
— л«/30 — угловая скорость, рад/с; п — частота вращения, об/мин; г— рас-
стояние центра тяжести неуравновешенной массы от оси вращения, м.
Из формулы (4.8) видно, что центробежная сила наиболее опасна при боль-
ших оборотах, так как ее величина пропорциональна квадрату скорости.
Эта сила создает дополнительные циклические нагрузки на подшипники,
максимальная величина которых (рис. 4.18)1
Ь а
Ту I’ — ', T2 = F — . (4.9)
Если подобную неуравновешенную деталь свободно установить на опорах
то сила тяжести G неуравновешенной массы, создавая крутящий момент М
Gr, повернет деталь, и неуравновешенная часть займет нижнее положение.
Для уравновешивания детали необходимо на ее противоположной стороне
закрепить груз массой mt так, чтобы создаваемый им крутящий момент был
равен по величине и противоположен по направлению моменту, создаваемому
неуравновешенной массой т, (рис. 4.19).
Для устранения статической неуравновешенности применяют различные
методы статической балансировки. При статической балансировке определяют
опытным путем наиболее легкую и тяжелую части детали; уменьшая массу
тяжелой части за счет снятия металла или утяжеляя легкую путем установки
дополнительных грузов, достигают необходимого уравновешивания. Лишний
металл снимают сверлением, фрезерованием, эксцентричным точением и шлифо-
ванием. Дополнительные корректирующие грузы устанавливают при помощи
•сварки, наплавки пли резьбовых и болтовых соединений.
103
Рис. 4.20. Статическая балансировка на
дисках:
1 — балансируемая деталь; 2 — пробный кор-
ректирующий груз
На рис. 4.20 показана схема при-
способления для статической баланси-
ровки. Деталь дисковой формы с от-
верстием под вал устанавливают на
хорошо подогнанную по отверстию,
закаленную и шлифованную оправку.
Деталь помещают на балансировочные
параллели (см. рис. 4.19) и, когда она
займет неподвижное положение равно-
весия, наинизшую ее точку марки-
руют. Затем поворотом на некоторый
угол деталь выводят из этого положе-
ния, отпускают и наблюдают, возвра-
щается ли деталь в первоначальное по-
ложение. Возвращение детали в первоначальное положение показывает, что
она статически пеуравновешена. В этом случае справедливо неравенство
Рк < Gr,
(4.10)
где Р — сила тяжести балансируемой детали, кгс; к — коэффициент трения
качения между шейкой вала и параллелями; G — сила тяжести неуравнове-
шенной массы, кгс; г — расстояние от оси вращения до центра тяжести неурав-
новешенной массы, м.
Если деталь, находящаяся на параллелях, останавливается в любом поло-
жении, в котором ее останавливают после поворота, то опа полностью уравно-
вешена или величина ее неуравновешенности недостаточна для преодоления
момента трения качения между оправкой и параллелями, т. е.
Рк > Gr. (4.11)
Точность статической балансировки невысока, что для точных быстро-
ходных машин и механизмов недопустимо. Для тихоходных машин такая точ-
ность балансировки достаточна. Неточность статической балансировки обу-
словлена трением качения в результате деформации металла в местах контакта
вала и ножевой части параллелей, что создает момент сопротивления качению.
Статическая балансировка является далеко не универсальным методом
уравновешивания деталей — форма и соотношение размеров деталей являются
главным критерием при оценке применения этого метода. Так, если длина
детали по сравнению с ее диаметром значительна (рис. 4.21), то компенсация
Таблица 4.4
Рекомендуемые пределы применения статической балансировки
Частота вращения (в об/мин) детали в машине
Отношение Л/d невысокой точности средней точности ВЫСОКОЙ точности
0,25 6000 3000 1500
0,50 3000 1500 800
0.75 1500 800 400
1,00 750 ’ 400 200
104
Рис. 4.21. Схема динамической
неуравновешенности детали
Рис. 4.22. Приспособление для
балансировки шинно-пневматиче-
ских муфт:
1 — нож; 2 — ось; 3 — диск
неуравновешенной массы т подвешенным с противоположной стороны грузом
т1 обеспечивает равновесие детали в статическом состоянии, при вращении
детали приводит к возникновению двух равных и противоположно направлен-
ных центробежных сил, которые стремятся вырвать деталь из подшипников.
Следовательно, статическая балансировка успешно может быть применена
лишь для деталей дисковой формы, у которых диаметр d значительно больше
высоты h (табл. 4.4).
На рис. 4.22 показано приспособление для статической балансировки
шинно-пневматических муфт буровой лебедки.
Динамическая неуравновешенность обычно присуща
деталям и узлам, у которых длина больше диаметра. Процесс определения
величины и направления неуравновешенных центробежных сил и их устра-
нение называется динамической балансировкой.
Динамическая балансировка деталей и сборочных единиц осуществляется
на балансировочных станках различной конструкции.
На рис. 4.23 приведена схема детали с динамической неуравновешенностью.
Вал находится в статическом равновесии. На противоположных концах вала
расположены две неуравновешенные массы: т1, находящаяся на расстоянии а
от левого подшипника, и т2, находящаяся на расстоянии b от правого под-
шипника. При вращении вала возникают центробежные силы F и Q, которые
не совпадают по направлению, в результате чего создается момент центробеж-
ных сил, являющийся причиной дополнительных нагрузок и вибраций.
Силы Q и F могут быть разложены на две составляющие, отнесенные к тор-
цовым поверхностям. Величина составляющих силы определяется из уравнений:
I — а а
/’1 = /'—I—; F2 = F — , (4.12)
где F1 + F2 = F.
Аналогично определяется величина составляющих силы Q. Сложив силы,
отнесенные к торцам детали по правилу параллелограмма, получим их резуль-
Рис. 4.23. Схема балансировки детали
при динамической неуравновешенности
Рис. 4.24. Схема стайка для /(ишемиче-
ской балансировки
тирующие В! и /?2, которые и следует уравновесить, чтобы получить динами-
чески уравновешенную деталь. Для устранения динамической неуравновешен-
ности необходимо на противоположной стороне торцовых поверхностей уста-
новить грузы таким образом, чтобы создаваемые ими центробежные силы /?е1
и Ве2 были равны по величине и противоположно направлены силам и В2.
Для устранения динамической неуравновешенности можно также удалить
с утяжеленных мест равные массы, вызывающие появление неуравновешенной
пары центробежных сил.
Рассмотрим технологию динамической балансировки деталей на станках
(рис. 4.24), которые целесообразно применять при мелкосерийном ремонте.
Станки эти достаточно универсальны, в частности, на них можно балансировать
такие сложные детали, как многоопорные коленчатые валы.
Уравновешиваемая деталь устанавливается в подшипниках 4 на раме 1,
качающейся на передвижной опоре 2. Концы рамы зажаты пружинами 3. Пере-
двинув опору под левый край детали, как показано на рисунке, приводят де-
таль во вращение с помощью какого-либо привода с надежной разъединитель-
ной муфтой. Раскрутив деталь, выключают муфту полностью, освобождая
деталь от привода. Под действием неуравновешенной массы правый конец
детали начинает вибрировать с частотой, равной частоте ее вращения. Если
при разгоне детали была создана частота колебаний, большая частоты свобод-
ных колебаний системы станка, то при уменьшении скорости вращения на-
ступает момент совпадения этих частот, система входит в резонанс и размах
колебаний детали становится максимальным. В этот момент измеряют ампли-
туду и фиксируют направление колебания.
Установкой на краю детали уравновешивающего груза 5 с повторным
вращением детали и корректировкой величины и местонахожденпя груза доби-
ваются уравновешивания детали с правой стороны. Затем, передвинув опору
под правый край детали, повторяют операцию в такой же последовательности
с левой стороны. Для проверки качества балансировки детали в целом пере-
движную опору устанавливают в середину и деталь повторно прокручивают,
при этом вибрация ее должна быть в пределах минимума, установленного техни-
ческими условиями.
Многоопорные коленчатые валы следует устанавливать при балансировке
не менее чем на три коренные опоры (две крайние и одну среднюю).
Современные балансировочные станки имеют дополнительные механиче-
ские или электрические устройства для достаточно точного определения вели-
чины и места расположения неуравновешенной массы, что значительно уско-
ряет процесс балансировки.
106
§ 8. СБОРКА ОБОРУДОВАНИЯ
Технологический процесс сборки при ремонте оборудования принци-
пиально не отличается от процесса сборки при изготовлении аналогичного
нового оборудования, однако может иметь определенные особенности, обусло-
вленные спецификой ремонтного производства, например, различие в органи-
зационных формах, уровне механизации и т. д. Сборка заключается в последо-
вательном соединении деталей в сборочные единицы и агрегаты, а затем агре-
гатов и сборочных единиц в машину.
Последовательность сборки определяется технологической схемой сборки.
Схема технологического процесса сборки представляет собой условное изобра-
жение последовательности включения отдельных деталей, сборочных единиц
в сборку с указанием контрольных и дополнительных операций, выполняемых
при сборке.
Схема сборки является основным оперативным документом, в соответствии
с которым выполняется сборочный процесс, производится комплектование
машины, организуется подача сборочных единиц и деталей в надлежащей по-
следовательности к местам сборки, планируется производство.
Наиболее простой организационной формой сборки является так называе-
мая стационарная сборка без расчленения процесса
по операциям. По этому методу машины собирают на одном рабочем месте
(сборочном посту), куда поступают все детали и собранные сборочные единицы;
в течение всего процесса сборки объект ее неподвижен. При простой несложной
конструкции машины с небольшим числом деталей подобная сборка может быть
выполнена одним рабочим. Обычно стационарную сборку стремятся проводить
из предварительно собранныхс борочных единиц, а не из деталей непосредственно,
что значительно сокращает длительность общей сборки.
При такой сборке расширяется фронт работ, так как сборку нескольких
сборочных единиц можно вести одновременно отдельными бригадами. Для об-
щей сборки машины также используется отдельная бригада.
При сборке с операционным расчленением процесса
собираемая машина остается неподвижной или перемещается в процессе всей
сборки, производимой сборочной бригадой; члены бригады специализируются
на выполнении конкретных операций (работ). В этом случае достигается более
высокая специализация сборщиков, повышается производительность труда,
т. е. уменьшается трудоемкость сборки.
Стационарную сборку без расчленения и с частичным расчленением про-
цесса широко применяют на базах производственного обслуживания. При пол-
ном операционном расчленении процесса сборки целесообразно, чтобы каждый
сборщик выполнял только одну, закрепленную за ним, сборочную операцию
на соответствующей машине и затем переходил на следующую машину. При
большом числе однотипных ремонтируемых машин применяется поточный
метод сборки, имеющий следующие разновидности:
1) поточная сборка при неподвижном объекте сборки, когда сборщик
(или бригада сборщиков) выполняет только закреплённую за ним операцию,
передвигаясь от одной машины к другой; этот метод рационально применять
при ремонте тяжелых крупногабаритных машпп;
2) поточная сборка с перемещением объекта путем свободной передачи
собираемого изделия вручную (по специальному верстаку, рольгангу, при
помощи тележки) или принудительно при помощи механических транспорти-
рующих средств непрерывного (например, конвейер) или прерывного действия
107
(пластинчатый конвейер, тележки, движущиеся при помощи замкнутой цепи,
и ДР-).
На линиях поточной сборки машин необходимо применять принцип пол-
ной взаимозаменяемости деталей. По сравнению со стационарной сборкой
длительность поточной сборки и необходимое число сборщиков при прочих
равных условиях меньше, производительность выше, а себестоимость ремонта
ниже. При выборе вида и организационной формы сборки машины общими
соображениями являются: число ремонтируемых машин, их конструкция,
масса и габаритные размеры. При большом числе ремонтируемых машин ре-
комендуется установить технико-экономическую целесообразность поточной
сборки.
§ 9. ПРИРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ АГРЕГАТОВ
И МАШИН
Завершающими операциями технологического процесса ремонта являются
приработка и испытание агрегатов и машин.
Собранное после ремонта буровое и нефтегазопромысловое оборудование
должно отвечать техническим требованиям. О качестве ремонта судят по дан-
ным фактических эксплуатационных характеристик машины (развиваемая
мощность, частота вращения, производительность, грузоподъемность, давление
и другие) и правильности взаимодействия отдельных узлов и агрегатов.
Совершенно обязателен окончательный контроль после сборки сборочной
единицы, агрегата или машины в целом. После тщательного осмотра и проверки
правильности сборки производится приработка (обкатка) машины.
Различают холодную и горячую приработку. При холодной приработке
машины испытывают без нагрузки и приводят в действие от постороннего
источника энергии. При горячей приработке машину полностью собирают
и прирабатывают под нагрузкой. Нагрузку на машину можно создавать при
помощи тормоза (механического, электрического, гидравлического) или других
устройств. Например, двигатели внутреннего сгорания подвергают сначала
холодной приработке, а затем горячей, редукторы — только холодной при-
работке.
Продолжительность приработки различна в зависимости от типа и назна-
чения оборудования. В начальный период приработки без нагрузки проверяют
правильность балансировки вращающихся частей машины, пригонки подшип-
ников и качество сборки.
Весь период приработки машины строго контролируется специальным пер-
соналом с использованием необходимых контрольно-измерительных приборов;
ведется наблюдение за температурой подшипников, наличием, характером
и величиной вибраций, уровнем шума в процессе приработки, скоростью из-
нашивания.
Первоначальная шероховатость влияет на продолжительность приработки,
чем больше отличается шероховатость, полученная при механической обработке,
от шероховатости, устанавливающейся после приработки, тем больше продол-
жительность испытаний. Плохо приработавшиеся детали быстро изнаши-
ваются. Окончание приработки характеризуется стабилизацией интенсивности
изнашивания. По окончании приработки машину вскрывают, производят
осмотр сопряжений и устраняют неполадки. Затем машину вновь собирают
и подвергают испытаниям согласно инструкции.
Обычно полностью собранную машину подвергают приемочным, контроль-
ным и специальным испытаниям. Приемочные испытания устанавливают
Рис. 4.25. Схема стенда для испытания турбобуров:
1 — станция управления; 2 — редуктор; з — лебедка; 4 — вышка; 5 — ротор; 6 — емкость с промыгоч-
ным раствором; 7 — буровой насос, 8 — электродвигатель; 9 — агрегат форсированного бурения
Рис. 4.26. Схема стенда для обкатки вертлюгов:
1 — рама; 2 — электродвигатель; <3 — коробка перемены передач; 4 — ротор; 5 — вертлюг; б — мачта;
7 — верхняя траверса; 8 — аппаратура для регистрации температуры; 9 — домкрат; 10 — нижняя тра-
верса; 11 — рабочая труба; 12 —нагнетательный коллектор; 13 — электродвигатель насоса; 14 — на сиг;
15 — емкость для масла
соответствие фактических эксплуатационных характеристик машины техни-
ческим условиям и проводятся на специальных стендах в условиях, максимально
приближенных к эксплуатационным.
Порядок испытаний определяется техническими условиями. Обнаружен-
ные в процессе приемочных испытаний неполадки устраняют, после чего ма-
шину вновь подвергают повторным (контрольным) испытаниям.
При внесении в машину каких-либо новых элементов (новый материал,
изменение качества поверхности и другие) проводят специальные испытания.
Результаты испытаний оформляются в виде акта, а данные испытаний отме-
чаются в паспорте отремонтированной машины. Поскольку качественные и
всесторонние испытания отремонтированной машины могут быть произведены
только на специальном стенде, следует стремиться к созданию подобных стен-
дов на всех ремонтных предприятиях нефтяной промышленности.
На рис. 4.25 приведена схема стенда для обкатки и испытания турбо-
буров. В состав стенда входят металлическая вышка высотой 27 м, лебедка
с приводом и станцией управления, ротор, буровой насос с приводом, скважина
глубиной 15—20 м и металлическая емкость до 15 м3 с градуированной рейкой.
Промывочная жидкость циркулирует по замкнутой системе, а фактическая
производительность насоса определяется с помощью замерной рейки. Испыта-
тельный стенд оборудован контрольно-измерительными приборами и набором
приспособлений для измерения высоты подъема вала верхней секции, при-
способлением для запуска турбобура, приспособлением для измерения утечек
через ниппель, моментомером для измерения тормозного момента, тахометром
и регистрирующими манометрами.
10!*
Обкатку турбобура па стенде производят при таком же примерно расходе
промывочной жидкости, как и в эксплуатационных условиях.
В процессе обкатки проверяют: плавность запуска турбобура; перепады
давления на турбобуре при запуске, холостом режиме и торможении; герметич-
ность резьбовых соединений; расход жидкости через ниппель; наличие посто-
ронних шумов; биение вала турбобура; температуру в опорах; величину осе-
вого люфта.
У секционных турбобуров перед обкаткой проверяют правильность их
регулпровки.
На рис. 4.26 приведена схема стенда для обкатки вертлюгов.
Стенд состоит п.з мачты для подвешивания вертлюга, привода для враще-
ния ствола вертлюга п домкратов с траверсой для создания нагрузки па вертлюг.
Высота мачты от основания до верхней площадки <8 м. На верхней площадке
смонтированы подшипники, в которых установлена верхняя траверса. На тра-
версу надевают строп испытываемого вертлюга.
В нижней части мачты приварены поперечины, в которых смонтированы
два гидравлических домкрата. Плунжеры домкратов упираются в нижнюю
подвижную траверсу, на переводник которой навинчивают рабочую трубу.
В основании пола по оси мачты установлен домкрат для поддержания нижней
траверсы.
Приводная часть представляет собой полностью скомплектованный ин-
дивидуальный привод к ротору ПИРШ-4-2. Привод состоит из сварной
рамы, па которой смонтированы два электродвигателя и четырехскоростная
коробка передач.
Рабочая труба проходит через отверстие в столе ротора и в верхней части
присоединяется к ниппелю ствола вертлюга.
К домкратам подведены трубопроводы гидравлической системы для подачи
и отвода масла насосом.
Давление гидравлической системы контролируется манометрами. Уровни
масла в коробке перемены передач и нижней траверсе определяются с помощью
уровнемеров.
Стволу вертлюга вращение передается от электродвигателей через коробку
перемены передач, ротор и рабочую трубу (квадрат). Нагрузку на вертлюг
создают домкратами. Плунжеры домкратов, перемещаясь под действием нагне-
таемого насосом масла, давят на нижнюю траверсу, усилие от которой пере-
дается через рабочую трубу на ствол вертлюга.
Перед установкой на стенд вертлюг должен быть полностью собран без
грязевой трубы и манжет грязевого сальника. В корпус вертлюга должно быть
залито масло в объеме, предусмотренном техническими условиями.
При обкатке вертлюгов нагрев масла допускается до 60° С. Температуру
измеряют хромель-копелевыми термопарами, пропущенными внутрь корпуса
вертлюга через заливочное отверстие, а регистрируют потенциометром.
§ 10. ОКРАСКА ОБОРУДОВАНИЯ
Окраска оборудования — одна из операций технологического процесса
ремонта и предназначена для защиты оборудования от коррозии и придания
ему определенного декоративного вида.
Чтобы надежно предохранить оборудование от коррозии лакокрасочные
покрытия должны обладать определенным комплексом свойств: сплошностью
пленки, хорошим сцеплением с металлической поверхностью, стойкостью
ПО
к действию масел, топлив, повышенной влажности, водной среды; в некоторых
случаях к покрытиям предъявляются специальные требования, как например,
сопротивление истиранию, теплостойкость, стойкость в кислотах, щелочах
и др. Чтобы покрытие удовлетворяло этим требованиям и обладало достаточ-
ной долговечностью, необходимо правильно выбрать состав лакокрасочного
материала и технологию его нанесения.
Лакокрасочные материалы, выпускаемые промышленностью, делятся на
грунты, шпатлевки, лаки и эмали. Каждый вид лакокрасочного материала
имеет определенное целевое назначение. Грунты обеспечивают хорошее сцепле-
ние между металлом и последующими слоями покрытия, а также создают
надежный антикоррозионный слой. Шпатлевки применяют для выравнивания
неровностей и заполнения грубых изъянов на окрашиваемой поверхности.
Эмали и лаки используют для наружных слоев покрытия с целью получения
механически прочных и химически инертных пленок, устойчивых к действию
окружающей среды.
Обычно лакокрасочное покрытие представляет собой многослойную сис-
тему, состоящую из различных лакокрасочных материалов, нанесенных в опре-
деленной последовательности.
В зависимости от назначения покрытия применяются разные схемы его
нанесения. Схемы нанесения покрытия выбирают, исходя из условий эксплуа-
тации и с учетом возможности осуществления принятой технологии окраски
оборудования на данном предприятии.
Для атмосферостойких покрытий по металлу рекомендуется наносить 1—2
слоя грунта, шпатлевку и 2—3 слоя эмали. Для водостойких и химически стой-
ких покрытий рекомендуется применять подобную схему, однако число слоев,
эмали должно быть увеличено. В каждом конкретном случае следует выбирать
состав покрытия с учетом предъявляемых к нему требований.
Отечественная промышленность выпускает большое количество лакокра-
сочных материалов различного назначения. Для антикоррозионной защиты
оборудования, работающего на открытом воздухе, применяются перхлорвини-
ловые эмали ХВ-124, ХВ-1113, пентафталевая эмаль ПФ-115, меламиноалкид-
ные эмали МЛ-12 и МЛ-111, которые наносят после грунтования и шпатле-
вания.
Для защиты деталей, подверженных воздействию агрессивных сред, при-
меняют химически стойкие покрытия на основе эмалей ЭП-225, ПХВ, лаков
ХСЛ-3, ХС-76, КФ-252 и др.
Для защиты оборудования, подвергающегося воздействию топлив и мине-
ральных масел, применяют эмали ВЛ-515, ВЛ-725, ЭП-711, ФЛ-724-1, ПФ-115
и т. д. В табл. 4.5 приведены данные о стойкости некоторых лакокрасочных
покрытий в водных средах.
Технологический процесс окраски состоит из подготовки поверхности под
окраску, грунтования, шпатлевания, нанесения наружных слоев и сушки
покрытия. Качество покрытия в значительной степени определяется качеством
выполнения всех операций технологического процесса окраски. Чтобы обеспе-
чить хорошее сцепление покрытия с металлом, необходимо правильно подгото-
вить поверхность под окраску. Подготовка поверхности предусматривает очи-
стку от ржавчины, окалины, влаги, старого лакокрасочного покрытия, жиро-
вых и других загрязнений.
Для обезжиривания поверхностей обычно применяют органические раство-
рители (ацетон, бензин, уайт-спирит). На подготовленную поверхность наносят
слой грунта, сушат, а затем шпатлюют. При выборе грунта необходимо учиты-
111
Таблица 4.5
Водостойкость лакокрасочных покрытий
Покрытие Характеристика покрытия Условия эксплуатации Орпептиро- ночный срок службы
Фенольное Бакелитовый лак с алюми- ниевой пудрой толщиной 400 мкм Проточная пресная вода при температуре до 100 °C >12 мес.
фуриловое На основе лака ФЛ-1 тол- щиной 200 мкм Пресная вода при температуре 95° С <6 мес.
Сополимерно- винилхлоридное На основе сополимера СВХ-40 толщиной 200 мкм Пресная вода при температуре до 40° С 24 мес.
Полистирольное Протекторный грунт типа ПС (на основе эмульсионного полистирола'п цинковой ны- ли) толщиной 150 мкм Морская вода при температуре до 100° С >12 мес.
Полиуретановое Эмаль РУР-81 по одному слою грунта УР-012К толщи- ной 150 мкм Пресная вода при тем- пературе до 40° С >12 мес.
Эпоксидное Эмаль па основе смолы Э-41 с алюминиевой пудрой по од- ному слою грунта Э-4021 тол- щиной 200 мкм Пресная вода при тем- пературе до 40° С >12 мес.
вать природу лакокрасочных материалов, которые необходимо наносить на
грунт. Широко используются глифталевый грунт ГФ-020 и фенольный грунт
ФЛ-ОЗК. Под эпоксидные покрытия обычно применяют эпоксидный грунт.
Толщина грунта не должна превышать 15—20 мкм. Грунт должен обла-
дать высоким сцеплением с металлом, так как является основой лакокрасочного
покрытия. Шпатлевание не улучшает защитных свойств покрытия, и если
оно неправильно выполнено, то, наоборот, может снизить прочность и
вызвать растрескивание покрытия. Применяют шпатлевки Э-4020, ЭП-00-10,
Э-4022 и др.
После шпатлеванияргроизводят сушку изделия и механическую зачистку
поверхности абразивными шкурками, а затем наносят основные слои покрытия.
Для защиты от воздействия химически агрессивных сред основные слои по-
крытия следует получать нанесением эмали. Рабочая вязкость лакокрасочных
материалов регулируется с помощью органических растворителей. Величину
рабочей вязкости выбирают в зависимости от способа нанесения покрытия.
Лакокрасочные покрытия наносят на поверхности оборудования кистью,
распылением, окунанием, обливом. Выбор способа нанесения лакокрасочного
материала определяется прежде всего серийностью ремонтного производства,
габаритами и конфигурацией окрашиваемого изделия.
112
На ремонтных предприятиях нефтяной и газовой промышленности наи-
большее применение нашел способ воздушного распыления лакокрасочных
материалов с помощью пистолета-краскораспылителя. Обычно используется
пистолет-краскораспылитель марки 0-45. Максимальная производительность
аппарата 200 м2/ч, расход сжатого воздуха до 25 м3/ч, давление воздуха 3—
4 кгс/см2. Пистолет удобно применять вместе с красконагнетательным бачком
марки 0-25 объемом 10 л или бачок марки 0-20 объемом 20 л.
Окраску деталей небольших размеров производят окунанием, т. е. де-
тали погружают в ванну с краской или наносят краску распылением. Для
устранения подтеков детали дополнительно обрабатывают в специальной
камере парами растворителей. Для уменьшения потерь лакокрасочных мате-
риалов целесообразно применять окраску распылением в электрическом поле
высокого напряжения. В этом случае корронирующий электрод вводят в писто-
лет-краскораспылитель или другое устройство, предназначенное для распыле-
ния краски, а окрашиваемую деталь заземляют. При распылении частицы
краски, контактируя с корронирующим электродом, получают заряд, в резуль-
тате чего приобретают в электрическом поле направленное движение и оседают
равномерным тонким слоем на заряженной противоположным знаком метал-
лической поверхности.
Процесс сушки лакокрасочных материалов является ответственной опера-
цией, от правильности проведения которой существенно зависит качество покры-
тия. При сушке покрытия происходят испарение растворителя и сложные фи-
зико-химические превращения в полимерном материале, скорость которых
зависит от температуры и продолжительности процесса отверждения. В зави-
симости от природы лакокрасочного материала и требований, предъявляемых
к покрытию, сушку проводят при нормальной или при повышенной темпера-
туре. В некоторых случаях необходимо применять смешанный режим отвержде-
ния, т. е. сначала при нормальной температуре, а затем при повышенной в
течение определенного времени. Для сушки покрытий при повышенных темпера-
турах применяют специальные нагревательные устройства, обогреваемые горя-
чим воздухом, электронагревателями, газом или паром. Кроме того, успешно
используются инфракрасные излучатели и индукционные печи, работающие
на токах высокой или промышленной частоты.
Продолжительность сушки зависит от природы лакокрасочного материала
и способа нагрева и колеблется в широких пределах.
ГЛАВА 5
СПОСОБЫ РЕМОНТА ДЕТАЛЕЙ
§ 1 ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ И МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
РАБОТОСПОСОБНОСТИ СОПРЯЖЕНИИ
Физическая долговечность (ресурс) машин зависит от времени сохранения
работоспособности отдельных сопряжений.
В процессе работы элементы сопряжений изнашиваются, т. е. изменяются
их структурные параметры, к которым относятся: шероховатость поверхности;
геометрическая форма; размер рабочей поверхности.
Совокупность изменений перечисленных параметров приводит к измене-
нию основного структурного параметра сопряжения — зазора, а также к нару-
8 Заказ 7СЗ
113
шеншо взаимного расположения деталей. При достижении предельной вели-
чины зазора сопряжение теряет работоспособность. Для восстановления работо-
способности необходимо обеспечить первоначальный зазор, т. е. посадку сопря-
гаемых деталей, что осуществляется тремя методами:
1) без изменения размеров деталей;
2) изменением первоначальных размеров;
3) восстановлением первоначальных размеров.
Восстановление посадки без изменения размеров деталей осуществляется
следующими способами: регулировкой зазора, заменой одной из изношенных
деталей или перестановкой ее в дополнительную рабочую позицию.
Восстановление посадки регулировкой зазора обычно применяется для
легко доступных и малоответствепных сопряжений и сводится к перемещению
одной или нескольких деталей. В результате восстанавливается первоначаль-
ный зазор.
Однако этот способ не обеспечивает восстановления первоначального ре-
сурса сопряжения, так как не устраняются искажение геометрической формы
и изменение первоначальной шероховатости.
Регулировку зазора в сопряжениях подшипников, конических пар шесте-
рен, рычажных механизмов в зависимости от их конструктивных особенностей
выполняют одним из следующих приемов: удалением или постановкой про-
кладок; подтягиванием (регулировкой) резьбовых или клиновых соединений;
автоматической регулировкой, например, пружиной и т. д.
Восстановление посадки заменой детали или ее перестановкой в дополни-
тельную рабочую позицию не обеспечивает полного восстановления работо-
способности сопряжения, так как в этом случае новая деталь или неизношенная
поверхность старой (при перестановке ее в новую позицию) работает в паре
с частично изношенной деталью и, следовательно, зазор S будет больше перво-
начального:
S <С “Smaxi
где S„ — первоначальный зазор; 51пах — зазор в изношенном сопряжении:
S — зазор после восстановления посадки заменой детали.
Частичное восстановление посадки целесообразно, если ресурс отремонти-
рованного сопряжения достаточен для работы в течение очередного межремонт-
ного периода.
Метод восстановления посадки изменением первоначальных размеров
деталей осуществляется следующими способами: применением ремонтных раз-
меров; использованием дополнительных ремонтных деталей.
Метод восстановления посадки доведением размеров сопрягаемых деталей
до первоначальных величин обеспечивает наиболее полное восстановление
начальных структурных параметров сопряжения. При этом полностью вос-
станавливается его работоспособность.
§ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ РЕМОНТА
ИЗНОШЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ
На ремонтных предприятиях нефтяной и газовой промышленности широко
применяют различные способы ремонта деталей, обеспечивающие восстановле-
ние нарушенных при эксплуатации посадок в соптряжениях, механической
прочности, износостойкости и коррозионной стойкости.
114
Способы ремонта изношенных деталей
Долговечность отремонтированной детали зависит от того, в какой степени
изменились первоначальные физико-механические свойства детали и особенно
ее рабочей поверхности. Предпочтительнее применять способы ремонта, не
снижающие основных физико-механических и эксплуатационных характери-
стик детали, в частности, усталостной прочности, и если это невозможно, то
следует изменять их в минимальной степени.
На рис. 5.1 приведена классификация способов ремонта изношенных
деталей.
Восстановление первоначальных размеров детали в основном осущест-
вляется двумя путями:
1) наращиванием изношенной поверхности;
2) пластическим деформированием изношенной детали.
§ 3. РЕМОНТ ДЕТАЛЕЙ
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
СПОСОБ РЕМОНТНЫХ РАЗМЕРОВ
Сущность способа ремонтных размеров заключается в том, что одну из
изношенных деталей сопряжения, обычно более трудоемкую, подвергают меха-
нической обработке до заранее установленного ремонтного размера с целью
придания ей правильной геометрической формы и получения требуемой шеро-
ховатости поверхности, а другую деталь заменяют новой или заранее отремон-
тированной до этого же ремонтного размера, что обеспечивает первоначальную
посадку в сопряжении.
В паре вал — подшипник ремонтные размеры сопрягаемых поверхностей
будут меньше, а в паре цилиндр — поршень больше первоначальных размеров.
Применяют свободные и стандартные ремонтные размеры.
В качестве свободного ремонтного размера принимается ближайший
размер ремонтируемой детали, позволяющий получить требуемую геометриче-
скую форму и шероховатость поверхности.
Преимуществами свободных ремонтных размеров являются минимальная
трудоемкость механической обработки и максимальное количество ремонтных
размеров.
Недостатки этого способа: 1) нельзя изготовить другую деталь сопряже-
ния, пока не отремонтирована более трудоемкая; 2) исключается взаимозаме-
няемость деталей.
8* 115
Стандартные ремонтные размеры
устанавливают заблаговременно, опре-
деляют их количество и численные
значения. Под эти размеры выпускают-
ся комплекты запасных частей.
В табл. 5.1 в качестве примера
приведены ремонтные размеры для не-
которых деталей бурового оборудо-
вания.
Для определения ремонтных раз-
меров пары вал — подшипник рассмо-
трим следующие два случая:
1) износ вала равномерный по
окружности (рис. 5.2, а);
2) износ вала односторонний
(рис. 5.2, б).
Рис. 5.2. Схема определения ремонтного
размера:
а — при равномерном износе вала* б — при
одностороннем износе вала
Вал с равномерным износом ремонтируется механической обработкой
(при наличии на изношенной поверхности царапин, рисок и т. и.), либо (при
хорошем качестве изношенной поверхности) простой заменой сопряженной
детали деталью с ремонтными размерами.
Ремонтные размеры шейки вала определяются из следующих соотно-
шений:
I ремонтный размер
dpi =--йц — (6пр-|-2г) dH —/г;
II ремонтный размер
^Р2 ~ ^pi—
(5-1)
III ремонтный размер
Йр3 — dpo — а?,
где dH — первоначальный диаметр вала, мм; dpl, dp2, dp3 — ремонтные раз-
меры вала, мм; 6пр — максимальная величина износа вала на диаметр, мм;
Таблица 6.1
Ремонтные размеры для некоторых деталей бурового оборудования
Восстанавливаемая поверхность Пер воначальный размер, мм Ремонтные размеры, мм
I II III IV
Шпоночный паз кривошип- ного вала бурового насоса У8-3 5О+0’17 52,0 54,0 58,0 60,0
Отверстие малой головки ша- туна бурового насоса У8-3 (по ширине) 180А (диаметр от- 181А 182А
Внутренняя резьба ствола вертлюга Уб-130-1 .... верстия) M130X3 M135X3 — — —
116
х — припуск на сторону на механическую обработку для получения ремонт-
ного размера, мм; w — ремонтный интервал, мм v
w 5пр Ч- 2а:.
При назначении числа ремонтных размеров следует учитывать, что изме-
нение размеров детали уменьшает ее прочность, жесткость и в некоторых
случаях приводит к увеличению удельных нагрузок.
Число ремонтных размеров для валов
где dmin — предельно допустимый наименьший размер вала, мм.
При восстановлении шейки вала с односторонним износом необходима
механическая обработка для придания изношенной детали правильной гео-
метрической формы и удаления дефектного поверхностного слоя. В этом слу-
чае ремонтные размеры шейки вала будут:
—ф,—2 (бпр + а:) ~w'i
tZp2-—rfpi — wr. (5.3)
Величина 6пр определяется из уравнения
Smax—6'нав~—бцр Ч~ бподш бцр - вбпр- 7 бпр (l-f-8), (5.4)
где *Smax — максимально допустимый зазор в сопряжении, мм; 5нач — на-
чальный зазор в сопряжении, мм; е — коэффициент, учитывающий, во сколько
раз подшипник изнашивается быстрее, чем вал; бподш — износ подшипника, мм.
Для регулировки зазора в подшипниках скольжения обычно применяют
прокладки, постепенно удаляемые по мере изнашивания деталей для доведения
зазора до величины 5нач. Обозначив общую толщину прокладок буквой т,
получим:
•Smax — б’п ч+т — бпр Ч едпр = бпр (1 + е). (5.5)
Отсюда
& б'тах 6'н;1Ч Ч"т /г
бцр^= ----т——------ . (э.6)
1 Д с
Для внутренних цилиндрических поверхностей расчетные формулы для
первых и последующих ремонтных размеров будут следующие:
при равномерном износе
— - Da -{- (бпр Ч' 2а:) -- DHЧ w;
Dp-» =2)pi Ч^а (5.7)
Ррз- Т)р2 -р-Р',
при одностороннем износе
Dn -'--2 (бцрЧ- -к) — -Du+ w'\
Т?Р2 -- Opi4~ 11‘. (5.8)
где DK — первоначальный размер отверстия, мм; Z>pl, £>р2, Dp3 — ремонтные
размеры отверстия, мм.
Положительными сторонами способа ремонтных размеров являются:
увеличение срока службы и простота технологии ремонта более дорогой и
117
трудоемкой детали сопряжения; возможность заранее организовать изготовление
заменяемых деталей сопряжения, что позволяет сократить сроки ремонта и
снизить его стоимость.
К отрицательным сторонам этого способа следует отнести необходимость
в замене сопряженной детали; наличие нескольких ремонтных размеров деталей,
что помимо эксплуатационных неудобств вызывает необходимость иметь лиш-
ний резерв запасных частей. Несмотря на эти недостатки ремонт крупных и
дорогих деталей бурового и нефтегазопромыслового оборудования часто про-
изводят способом ремонтных размеров.
Способ ремонтных размеров применяют при ремонте цилиндров компрес-
соров и двигателей внутреннего сгорания, цилиндровых втулок поршневых
насосов, шеек коленчатых валов, зубчатого венца стола ротора и других де-
талей.
сносов ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ РЕМОНТНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Этот способ заключается в использовании дополнительных ремонтных
деталей, которые закрепляют непосредственно на изношенной поверхности.
Толщина дополнительных ремонтных деталей обычно значительно пре-
вышает величину износа ремонтируемой детали, в связи с чем перед установкой
дополнительной детали необходимо удалить с изношенной поверхности слой
металла.
Пользуясь этим способом при восстановлении концевой шейки вала, обра-
батывают шейку до меньшего размера, если позволяет механическая прочность,
и напрессовывают дополнительную втулку, а затем производят ее механическую
обработку до первоначального размера и требуемой шероховатости поверх-
ности. Возможно дополнительное крепление втулки на валу штифтами, резь-
бовыми стопорами или электросваркой.
При восстановлении шейки в средней части вала используют две полу-
втулки, которые устанавливают на предварительно обработанную шейку,
крепят штифтами или сваркой, а затем производят их механическую обработку
по наружной поверхности.
Изношенные отверстия растачивают под больший размер и запрессовы-
вают ремонтную втулку, которую обрабатывают до номинального размера
отверстия детали. Толщина стенок ремонтных втулок из стали должна быть
не менее 2—2,5 мм, из чугуна 4—4,5 мм.
Рис. 5.3. Ремонт корпуса крейцкопфа способом дополнительных ремонтных деталей:
1 — корпус крейцкопфа; 2 ремонтная втулка под палец; <3 — ремонтная втулка под надставку штока
Рис. 5.4, Ремонт стола ротора заменой части детали:
I — стол; 2 — дополнительное ремонтное кольцо
118
На рис. 5.3 показано использование дополнительных ремонтных деталей
для восстановления изношенных резьбовых отверстий в корпусе крейцкопфа
бурового насоса. Изношенное отверстие предварительно растачивают и запрес-
совывают втулку с дополнительным креплением ее сваркой. Затем втулку
растачивают и нарезают резьбу первоначального размера. Добавочные ремонт-
ные детали могут быть изготовлены заранее.
Недостаток рассматриваемого способа ремонта заключается в уменьшении
механической прочности основной детали, вследствие механической обработки.
СПОСОБ ЗАМЕНЫ ЧАСТИ ДЕТАЛИ
Этот способ заключается в удалении изношенной части детали и присоеди-
нении вместо нее дополнительной детали. Заменяемая часть детали соединяется
с основной при помощи сварки, резьбы, клея или других способов, после чего
производится ее окончательная механическая обработка для получения тре-
буемой точности и шероховатости поверхности. Многие детали бурового и неф-
тегазопромысловото оборудования имеют одну или несколько прилегающих
друг к другу поверхностей, изнашиваемых наиболее интенсивно. Подобные
детали, если позволяет их конструкция, целесообразно ремонтировать спосо-
бом замены части детали.
Указанный способ применяют, например, при ремонте корпуса турбобура,
стола ротора и других деталей.
К недостаткам способа следует отнести сложность подобного ремонта для
термически обработанных деталей.
На рис. 5.4 показан стол ротора, резьбовая часть которого восстановлена
заменой части детали. Часть стола с изношенной резьбой срезают газовой го-
релкой, вместо нее приваривают надставку, которую затем обрабатывают и
нарезают на ней новую резьбу.
§ 4. РЕМОНТ ДЕТАЛЕЙ ДАВЛЕНИЕМ
Ремонт деталей давлением заключается в восстановлении первоначальных
размеров рабочих поверхностей пластическим деформированием за счет пере-
распределения материала детали. В процессе деформирования материал детали
вытесняется с нерабочих участков на изношенные поверхности, в результате
чего восстанавливаются форма и размеры этих поверхностей.
При ремонте деталей давлением необходимо, чтобы выполнялись следу-
ющие основные требования:
1) наличие запаса материала на нерабочих участках ремонтируемой
детали;
2) достаточная пластичность материала;
3) механические свойства отремонтированной детали должны быть не
ниже, чем у новой;
4) объемы механической и термической обработки должны быть мини-
мальными;
5) при ремонте этим способом закаленных или поверхностно-упрочненных
деталей необходимо предварительно произвести отпуск или отжиг детали.
Детали из непластичных материалов, например из чугуна, а также детали
с малыми запасами прочности и сложной конфигурации ремонтировать давле-
нием невозможно.
119
На процесс пластиче-
ского деформирования дета-
ли большое влияние оказы-
вают химический состав ме-
талла, характер структуры,
содержание примесей и раз-
мер зерна. Наибольшей пла-
стичностью обладают хими-
чески чистые металлы. Умень-
шение размера зерна при-
водит к увеличению сопро-
тивления деформированию,
особенно в холодном со-
стоянии.
Температура нагрева де-
тали в значительной мере
Рис. 5.5. Виды обработки деталей давлением влияет на сопротивление
деформированию.
Детали из бронзы, латуни, малоуглеродистых сталей с содержанием угле-
рода до 0,3% можно деформировать в холодном состоянии, детали из высоко-
углеродистых сталей — только в горячем состоянии.
Для ремонта деталей давлением рекомендуется пользоваться прессами,
допускается применять молоты.
На рис. 5.5 представлены схемы различных видов ремонта давлением
изношенных деталей: осадка, раздача, обжатие, вытяжка и накатка.
Осадка (см. рис. 5.5, а) применяется для увеличения наружных раз-
меров сплошных и полых деталей и уменьшения внутренних размеров полых
деталей за счет снижения их высоты. При осадке направление внешней силы Р,
действующей по вертикальной оси детали, не совпадает с направлением дефор-
мации 6.
Раздача (см. рис. 5.5, б) применяется для увеличения наружных
размеров детали при сохранении или незначительном изменении ее высоты.
В этом случае направление действующей силы Р совпадает с направлением
требуемой деформации б, и металл перемещается от центра к периферии.
Обжатие (см. рис. 5.5, в) используется для уменьшения размера
внутренней поверхности полой детали за счет уменьшения размера ее наруж-
ной поверхности. При обжатии направление действующей силы совпадает
с направлением требуемой деформации б, происходит перемещение металла
от периферии к центру.
На рис. 5.6 представлено приспособление для обжатия втулок.
Вытяжка (см. рис. 5.5, г) применяется для увеличения длины детали
за счет местного сужения ее поперечного сечения на небольшом участке. При
вытяжке направление действующей силы Р не совпадает с направлением тре-
буемой деформации б.
Накатка (см. рис. 5.5, д) применяется для увеличения наружных
или уменьшения внутренних размеров детали за счет выдавливания металла
на отдельных участках поверхностей. При накатке направление действующей
силы Р противоположно направлению требуемой деформации б.
На рис. 5.7 представлен инструмент для нацатки.
Правка (рис. 5.8) применяется для восстановления формы деформиро-
ванных деталей. При правке направление действующей силы Р совпадает
120
Рис. 5.6. Приспособ-
ление для обжатия
втулок:
I.— пуансон; 2 — ремон-
тируемая деталь; з —мат-
рица; 4 — опорная втулка
Рис. 5.8. Схема правки
с направлением деформации 6. Применяется правка статическим нагружением
и наклепом. Правку статическим нагружением осуществляют на прессах. Ее
недостатками являются трудность получения стабильной формы из-за обрат-
ного последействия, снижение усталостной прочности и уменьшение несущей
способности детали. Для стабилизации правки статическим нагружением при-
меняют нагрев или двойную правку, т. е. деталь перегибают в противополож-
ную сторону, а затем повторной правкой ее выпрямляют.
Правка деталей наклепом, в отличие от статического нагружения, поз-
воляет вести процесс в требуемом направлении и на любом участке де-
тали.
Правку наклепом обычно осуществляют пневмомолотками. Затем обяза-
тельно проверяют детали на отсутствие трещин.
Преимуществами ремонта деталей давлением являются высокое качество
восстановления, использование стандартного оборудования, отсутствие потреб-
ности в наращивании металла, т. е. экономичность процесса.
Недостатки способа — ограниченная номенклатура ремонтируемых де-
талей, необходимость в некоторых случаях в повторной термической обра-
ботке и потребность в специальной оснастке для ремонтируемых деталей каж-
дого типоразмера.
На ремонтных предприятиях нефтяной и газовой промышленности указан-
ный способ используют для ремонта изношенных бронзовых втулок подшип-
ников скольжения, шестерен (осадка), различных полых деталей (раздача и
обжатие), шеек валов под подшипники качения (накатка), для правки изогну-
тых и скрученных валов, штанг и труб.
121
§ 5. РЕМОНТ ДЕТАЛЕЙ СВАРКОЙ
И НАПЛАВКОЙ
Приступая к этой теме, следует предварительно четко разграничить про-
цессы сварки и наплавки.
Сваркой называется процесс образования неразъемного соединения
деталей или их отдельных частей вследствие межатомарного взаимодействия
или действия сил молекулярного сцепления. Сваркой соединяют металлы и
неметаллические материалы, например, стекло, пластмассы и др. При сварке
металлов, за исключением холодной сварки, производят местный нагрев соеди-
няемых частей до перехода их в пластическое (сварка давлением) или в рас-
плавленное состояние (сварка плавлением). Стремятся, чтобы металл шва обла-
дал одинаковыми свойствами с основным металлом. Это определяет подбор
присадочного материала и режима сварки.
На ремонтных предприятиях нефтяной и газовой промышленности для
ремонта стальных деталей в основном применяют ручную электродуговую
и реже ручную газовую сварку. Для деталей из чугуна обычно используют
ручную газовую сварку и реже электродуговую с нагревом всей детали,
с местным нагревом и без подогрева. Для ремонта деталей из цветных метал-
лов применяют ручную газовую или аргоно-дуговую сварку.
Оборудование, используемое при ремонте деталей сваркой, такое же, как
и при сварке новых деталей.
Сваркой соединяют отдельные части деталей, заваривают трещины, рако-
вины и устраняют другие дефекты.
Наплавка — процесс нанесения расплавленного металла необходи-
мого состава на поверхность детали, нагретую до температуры плавления.
При наплавке нанесенный слой металла прочно соединяется с основным метал-
лом вследствие образования металлической связи.
Наплавку применяют для восстановления размеров детали и придания
заданных свойств ее поверхности путем правильного выбора химического
состава и структуры наплавленного металла.
Наплавка является разновидностью сварки. Однако наплавочные про-
цессы отличаются от сварочных. При наплавке сварочный процесс исполь-
зуется для наращивания на основной металл слоя металла или сплава со свой-
ствами, иногда отличающимися от свойств основного металла.
В связи с этим к процессу наплавки предъявляются следующие основные
требования:
1) для обеспечения заданных физико-механических свойств в наплавленном
слое процесс наплавки не должен изменять исходного химического состава
и структуры наносимого металла, т. е. при наплавке доля основного металла
в наплавленном слое должна быть минимальной;
2) для сохранения прочности ремонтируемой детали процесс наплавки
не должен изменять ее исходного химического состава, структуры и напря-
женного состояния;
3) наплавленный слой должен обладать достаточно высокой прочностью
сцепления с основным металлом.
Для сохранения исходного химического состава, структуры и физико-
механических свойств основного и наплавленного металлов следует как можно
меньше перегревать наплавляемый металл во избежание выгорания компонен-
тов и не доводить основной металл до расплавленного состояния, чтобы не допу-
стить его перемешивания с наплавленным металлом и образования переходной
Рис. 5.9. Классификация видов наплавки
зоны с резко отличающимися свойствами. В то же время, чтобы обеспечить
наибольшую прочность сцепления, требуется перегревать наносимый металл
и доводить наплавляемую поверхность детали до расплавленного состояния.
В результате происходит перемешивание основного и наплавленного металлов
с образованием переходной зоны.
На практике эту проблему решают путем соответствующего выбора тех-
нологических режимов наплавки, стараясь обеспечить достаточную прочность
соединения основного и наплавленного металлов п в то же время в минималь-
ной степени изменить их исходное состояние. При этом одним из определяющих
факторов является производительность процесса.
Масса наплавленного металла обычно незначительна по отношению к мас-
се основного металла, так как у детали изнашивается, как правило, небольшой
слой, который необходимо восстановить или создать более износостойкий слой.
Процесс наплавки отличается высокой экономичностью.
Наплавка является распространенным способом ремонта деталей буро-
вого и газонефтепромыслового оборудования, таких как валы, зубчатые колеса,
муфты, звездочки, клапаны и штоки буровых насосов и другие детали.
Для ремонта деталей применяют ручные и механизированные виды на-
плавки (см. классификацию на рис. 5.9). Наибольшее распространение на
ремонтных предприятиях нефтяной и газовой промышленности получили руч-
ная газовая и электродуговая наплавки, автоматическая и полуавтоматиче-
ская наплавки электрической дугой под слоем флюса и вибродуговая наплавка.
Автоматическая и полуавтоматическая наплавки применяются на специализи-
рованных ремонтных предприятиях при ремонте большого числа однотипных
деталей.
Выбор наплавляемого материала производят с учетом материала ремонти-
руемой детали, ее формы, размеров, технических требований, условий работы
и применяемого вида наплавки. Широко используется стальная сварочная
проволока. Углеродистые и легированные сварочные проволоки применяют
для восстановления размеров изношенных деталей. Высокохромистые про-
волоки Св-10Х13, Св-10Х17Т и Св-08Х14ГТ обеспечивают высокую износо-
123
стойкость и коррозионную стойкость наплавленного слоя. Хромоникелевыми
аустенитными проволоками Св-06Х19Н9 и Св-06Х19Н9Т наплавляют детали,
подверженные коррозии и кавитации.
Широко применяют наплавку порошковой проволокой, представляющей
собой металлическую оболочку из низкоуглеродистой стальной ленты толщи-
ной 0,5—1,0 мм, наполненную порошковыми сплавами. Порошковую проволоку
используют в основном, при наплавке высоколегированных и высокоуглеро-
дистых сплавов, что позволяет повысить производительность наплавки при
высоком легировании наплавленного металла. Для наплавки под слоем флюса
применяют порошковые проволоки марок ПП-ЗХ2В8, ПП-Х10В14, ПП-Х42ВФ,
ПП-Г13А и др. Для наплавки в углекислом газе используют порошковые
проволоки марок ПП-2ХЗВ10ГТ, ПП-Х12ВФТ, ПП-30Х10Г10Т. Для наплавки
открытой дугой применяют порошковую проволоку с внутренней защитой
(ПП-ЗХ4ВЭФ-0, ПП-У15Х12М-0 и другие), которая наряду с легирующими
элементами содержит газо- и шлакообразующие материалы, защищающие
зону наплавки.
Для ручной газовой и электродуговой наплавки обычно используют метал-
лические электроды, что объясняется сравнительной простотой процесса на-
плавки и возможностью широкого регулирования химического состава и
свойств наплавленного слоя. Регулирование химического состава и свойств
наплавленного слоя осуществляют через покрытие или через электродный
стержень, или комбинированным методом. Для предотвращения появления
деформаций и трещин при наплавке применяют предварительный нагрев де-
тали в пределах 200—400° С, предварительный изгиб детали в направлении,
обратном деформации, погружение детали в воду без смачивания наплавляемой
поверхности, наложение наплавляемых валиков в определенной последова-
тельности, высокий температурный отпуск детали после наплавки.
РУЧНАЯ ГАЗОВАЯ ВАРКА И НАПЛАВКА
При ручной газовой сварке и наплавке расплавление основного и при-
садочного материала осуществляется теплом, выделяющимся в процессе сго-
рания горючих газов (ацетилена, пропанбутановых смесей и других) в среде
кислорода (рис. 5.10). Наиболее распространенным горючим газом, применяе-
мым на ремонтных предприятиях, являет-
ся ацетилен.
В зависимости от соотношения пода-
ваемых в горелку ацетилена и кислорода
можно получить нормальное, науглеро-
живающее и окислительное пламя. Нор-
мальное или, как его часто ((называют,
нейтральное пламя образуется при соотно-
шении кислорода и ацетилена в смеси,
равном 1,0—1,2. Нормальное пламя
является восстановительным в отношении
к свободной закиси железа и в зоне
плавления ограничивает окисление по-
Рис. 5.10. Схема газовой наплавки: ^’верхности. При соотношении кисло-
1 — наплавляемая деталь; г — газовая го- рода и ацетилена, составляющем 0,8—0,9,
редка; з - ме“™риал; 4 ~ возникает науглероживающее, а при
124
соотношении, равном 1,2—1,5, окислительное пламя. Выбор сварочного пламени
влияет на качество сварного шва или наплавки, а также на производитель-
ность процесса.
Сварку деталей из алюминиевых сплавов, а также из стали с содержанием
углерода до 0,5% ведут нормальным пламенем. Науглероживающее пламя
обычно используют для сварки деталей из серого чугуна и стали с содержанием
углерода более 0,5%.
На ремонтных предприятиях для газовой сварки широко применяют
инжекторные горелки среднего давления ГС-53 и ГСМ-53. Горелка ГС-53 пред-
назначена для сварки черных и цветных металлов толщиной 0,5—30 мм, го-
релка ГСМ-53 — для сварки малоуглеродистой стали толщиной 0,2—0,4 мм.
Качество сварного шва существенно зависит от расхода ацетилена, угла на-
клона горелки по отношению к оси сварного шва и скорости перемещения
горелки. Расход ацетилена устанавливают в зависимости от вида и толщины
свариваемого металла. В зависимости от требуемого расхода ацетилена выби-
рают соответствующий номер наконечника для сварочной горелки (табл. 5.2).
Выбор наконечника сварочной горелки
Таблица 5.2
Параметры Номер наконечника Параметры Номер на- конечника
Расход ацети- лена, л/ч Толщина свари- ваемого металла, мм Расход ацетилена, л/ч Толщина сва- риваемого металла, мм
20-65 0,2-0,7 0 400-700 4,0-7,0 4
50—135 0,5-1,0 1 700—1100 7,0—11,0 5
135-250 1,0—3,0 2 1150—1750 10—18 6
250—100 2,5-4,0 3
Для сварки деталей из цветных металлов, заварки трещин и раковин не-
большой длины в чугунных деталях при толщине стенок 10—15 мм, а также
для сварки деталей из малоуглеродистой стали толщиной до 7 мм применяют
бензино-кислородное пламя и горелку ГКУ-01-55.
При ручной газовой сварке и наплавке качество шва и наплавленного слоя
в значительной мере зависит от состава присадочного материала. При сварке
следует применять присадочные материалы, близкие по химическому составу
к материалу ремонтируемой детали. Так, для сварки высоколегированных
сталей применяют специальные проволоки, легированные хромом, никелем,
ванадием, молибденом, титаном и др.
Для защиты металла шва от окисления, а также для удаления окислов,
образующихся при сварке, применяют флюсы в виде порошка или пасты. Свар-
ку деталей из малоуглеродистых сталей можно вести без флюсов.
Нагрев основного и присадочного металлов при газовой наплавке легко
регулируется, что позволяет избежать нежелательного глубокого проплавления
основного металла и смешивания его с наплавочным материалом. При исполь-
125
зовании науглероживающего пламени (с избытком ацетилена) выгорание угле-
рода и легирующих элементов получается минимальным и наплавленный слой
характеризуется высокой плотностью. Толщина наплавляемого слоя обычно
колеблется от 2,5 до 4 мм.
К недостаткам газовой наплавки следует отнести неравномерность тол-
щины наплавленного слоя.
Сварка чугунных деталей является сложным процессом, что связано
с большим содержанием углерода и кремния в чугуне, неоднородностью его
структуры и чувствительностью к температурным изменениям. При сварке
чугуна вследствие неравномерного нагрева и быстрого охлаждения появля-
ются трещины, а в зоне сварки образуется отбеленный чугун высокой твердости,
трудно обрабатываемый.
Сварку деталей из чугуна подразделяют на два вида: с подогревом и без
подогрева. Для чугунных деталей несложной формы и небольших размеров
применяют сварку без подогрева, для деталей сложной конфигурации — сварку
с подогревом.
При сварке с подогревом деталь предварительно нагревают до темпера-
туры 650—700° С для предупреждения отбеливания чугуна и возникновения
остаточных напряжений. Во время сварки температура детали не должна быть
ниже 350° С. После сварки рекомендуется вновь нагреть деталь до температуры
650—700° С, а затем медленно охладить.
В процессе сварки вследствие частичного выгорания углерода и кремния
происходит отбеливание чугуна. Для получения качественного сварного шва
в присадочных материалах должно быть 3,0—3,6% углерода и 3—4,8% крем-
ния, а также 0,5—0,8% марганца для удаления серы из сварочной ванны.
При сварке чугуна без подогрева в качестве присадочного материала
применяют чугунные стержни марки Б, а при сварке с подогревом — чугунные
стержни марки А с меньшим содержанием кремния. Для удаления из свароч-
ной ванны тугоплавких окислов применяют флюсы на основе буры и хлори-
стого калия.
Особенность сварки деталей из алюминия и алюминиевых сплавов опре-
деляется их свойствами:
1) низкой температурой плавления (около 600° С) и большой жидко-
текучестью;
2) высокой теплопроводностью;
3) способностью окисляться на воздухе с образованием тугоплавкой окис-
ной пленки, имеющей температуру плавления 2050° С;
4) высокой растворимостью водорода в расплавленном алюминии, при-
водящей к образованию пористости в сварном шве.
Для растворения окисной пленки применяют флюсы на основе хлористых
и фтористых соединений, например флюс марки АФ-4А. Флюс наносят в виде
пасты на свариваемые поверхности деталей и на присадочный пруток. Деталь
предварительно нагревают до температуры 300—350° С. Для уменьшения склон-
ности алюминия к растрескиванию в состав присадочного материала вводят
не менее 3% кремния.
Обычно применяют стержни из силумина.
Основным источником появления водорода в сварочной ванне является
влага, поэтому перед сваркой необходимо прогревать деталь и прокаливать
флюс.
126
ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА И НАПЛАВКА
Ручная электродуговая сварка и наплавка
При электродуговой сварке и наплавке источником тепла для расплавле-
ния металлов является электрическая сварочная дуга, возникающая между
электродом и свариваемым металлом. Качество сварного шва и наплавленного
слоя определяется диаметром электрода, типом и маркой электрода,величиной
сварочного тока, напряжением на дуге, родом и полярностью тока, скоростью
сварки и положением шва в пространстве.
При ручной электродуговой сварке и наплавке чаще всего используются
металлические электроды, представляющие собой металлический стержень,
на поверхность которого нанесен слой покрытия, предназначенного для стаби-
лизации горения дуги, защиты расплавленного металла от кислорода и азота
воздуха, легирования наплавленного металла. В состав электродных покрытий
входят следующие группы компонентов: стабилизирующие, шлакообразующие,
газообразующие, раскисляющие, легирующие и связующие. Электроды изго-
товляют диаметром 1,6—12 мм и длиной 225—450 мм. В зависимости от назна-
чения стальные электроды подразделяются на типы. Тип и марку электродов
выбирают в зависимости от химического состава металла ремонтируемой де-
тали и требований, предъявляемых к сварному шву или наплавленному слою.
Электроды некоторых типов и марок для сварки стальных деталей приведены
в табл. 5.3.
Таблица 5.3
Электроды для сварки низкоуглеродистых и низколегированных
конструкционных сталей
Тип электрода Марка электрода Применение
Э-34 АН-1 Для конструкций неответственного наз- начения
Э-42 ОММ-5, СМ-5, ЦМ-7, ВСП-1, ВСЦ-2, ОМА-2, АНО-1 Для конструкций из углеродистых сталей общего назначения
Э-42А УОНИ-13/45, СМ-11, УП-1/45, ОЗС-2 Для конструкций из углеродистых ста- лей, работающих в тяжелых условиях
Э-46 ОЗС-З, ОЗС-4, АНО-3, АНО-4, МР-1, МР-3, ЭРС-2 Для конструкций из углеродистых и низ- колегированных сталей общего назна- чения
Э-46А Э-138/45Н То же, для конструкций ответственного назначения
Для наплавки изношенных поверхностей применяют специальные элект-
роды, обеспечивающие получение наплавленного слоя необходимой твердости
и высокой износостойкости (табл. 5.4).
Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины наплавляемого
127
Таблица 5.4
Электроды для электродуговой наплавки
Марка электрода Свойства наплавленного слоя
ОММ-5, У ОНИ 13/55, К-51, К-52, ОЗС-2 Низкая твердость НВ 120—200
ОЗН-250, O3H-350, ОЗН-400 Средняя твердость НВ 250—400
Т-540, ЦН-4, ЭН-60М, ОЗИ-1 Высокая твердость после термической обработки HRC 30-60
Т-590, Т-620, 13КН Высокая твердость без термической обработки HRC 57—62
слоя. При толщине наплавки менее 2 мм рекомендуется применять электроды
диаметром 3 мм, а при большей толщине наплавки — электроды диаметром
4—5 мм.
Величина сварочного тока устанавливается в зависимости от диаметра
выбранного электрода:
/са = (204-4<^эл) ^эл, (5-9)
где 1СВ — величина сварочного тока, A; d3n — диаметр электрода, мм.
Напряжение в дуге зависит от ее длины, которая должна быть в пределах
0,5—1,1 диаметра электрода. Обычно ?7тах 60 В.
Питание дуги может осуществляться постоянным или переменным током.
Род тока и полярность выбираются в зависимости от толщины и химического
состава металла ремонтируемой детали. Металл малой толщины и высоколеги-
рованные стали сваривают постоянным током обратной полярности. В электри-
ческой дуге больше тепла концентрируется на аноде, поэтому, если требуется
небольшой нагрев детали, ее подсоединяют катодом, т. е. сварку ведут током
обратной полярности. Переменный ток широко используется для сварки угле-
родистых и низколегированных сталей средней и большой толщины.
Для питания дуги переменным током применяют сварочные трансформа-
торы марок СТЭ-22, СТЭ-23, СТЭ-24, TG-ЗОО, ТС-500 и др. Из источников пита-
ния постоянным током наибольшее применение получили сварочные генера-
торы марок ПС-300, ПС-500, ПСО-ЗОО, ПСО-500 или выпрямители ВСН-ЗМ,
ВСГ-ЗА, ВС-200 и ВС-300, а также передвижные агрегаты типов СУГ-2 и САК.
Наплавку изношенных поверхностей производят в несколько слоев с пере-
крытием каждого предыдущего валика на 1/3 ширины, что обеспечивает его
отжиг и препятствует образованию закаленной зоны. Перед наплавкой каждого
последующего слоя металла необходимо очищать предыдущий слой от шлака.
При наплавке выделяется значительное количество тепла, что может выз-
вать коробление детали. Поэтому наплавку следует вести с перерывами, обеспе-
чивающими остывание слоя и соблюдать определенный порядок наложения
128
валиков. Наложив первый валик, деталь поворачивают на 180° и вновь накла-
дывают валик. Так, систематически поворачивая деталь, производят наплавку
первого слоя.
При ремонте закаленных деталей ненаплавляемую часть детали погру-
жают в воду во избежание отпуска. Наплавку легированных сталей произ-
водят при большой плотности тока с предварительным подогревом поверхности.
Для повышения производительности ручной электродуговой наплавки
рекомендуется применять наплавку металлическим электродом с присадочным
прутком, пучком электродов, а также электродами больших диаметров с повы-
шенным коэффициентом наплавки а.
Ручную электродуговую наплавку целесообразно применять при неболь-
шом объеме работ, а также при наплавке труднодоступных мест.
К преимуществам ручной электродуговой наплавки относятся удоб-
ство и простота процесса. Недостатки ее — низкая производительность
(а = 5—7 г/(А-ч), низкая стабильность дуги и невысокое качество наплавки.
Автоматическая алектродуговая наплавка под слоем флюса
При указанном виде наплавки электрическая дуга горит под слоем флюса,
подаваемого систематически в зону наплавки. В зоне горения дуги оплавля-
ются поверхность детали, электрод и прилегающий слой флюса. Электродная
проволока по мере оплавления автоматически подается в зону дуги одновре-
менно с флюсом. При плавлении флюса выделяется газ и образуется газовая
оболочка, защищающая расплавленный металл от взаимодействия с окружа-
ющим воздухом и выгорания легирующих элементов. Кроме того, флюсовое
покрытие способствует сохранению тепла дуги и препятствует разбрызгиванию
жидкого металла.
На рис. 5.11 представлена схема наплавки под слоем флюса тел вращения.
Между поверхностью детали 5 и электродной проволокой 3 возбуждена элек-
трическая дуга. Расплавленная капля металла
электрода 3, смещаясь в направлении вращения
детали, смешивается с расплавленным основным
металлом детали, образуя сварочную ванночку.
При остывании образуется наплавленный валик,
который покрыт шлаковой коркой 7 и частично
неиспользованным флюсом 1.
Шлаковая корка, образующаяся при остыва-
нии, снижает скорость охлаждения наплавлен-
ного металла, что создает благоприятные условия
для формирования шва. Поверхность наплавки
под слоем флюса получается гладкой с плавным
переходом от валика к валику.
Этим способом можно наплавлять плоские,
цилиндрические, конические и фасонные поверх-
ности в один или несколько слоев. Толщина слоя
наплавки практически неограниченна.
Для питания дуги обычно используется по-
стоянный ток обратной полярности. В качестве
источника тока применяют сварочные генераторы
постоянного тока (ПС-300, ПСГ-500 и т. д.) или
выпрямители (ВСГ-А, ВСГ-ЗМ и т. п ).
Рис. 5.11. Схема ваплавки
под слоем флюса:
1 — нерасплавленный флюс; 2___
жидкий металл; 3—электрод; 4—
расплавленный шлак; 5 — деталь;
б — наплавленный металл; 7 —•
шлаковая корк а
9 Заказ 7 63
129
Наплавку можно производить как на универсальном оборудовании, так
и на специализированных установках. Для ремонта цилиндрических деталей
выпускаются сварочные автоматы марок: ПДШМ-500, ПАУ-1, А-580 и А-384;
для плоских деталей — автоматы УАНФ-12. При ремонте широко применяют
ручной переносной шланговый полуавтомат А-765.
Для повышения производительности наплавки применяют многоэлектрод-
ную наплавку, а также наплавку пластинчатыми электродами или электродной
лептой.
Для получения требуемых свойств наплавленного металла необходимо вво-
дить в него легирующие элементы. Применяют следующие способы легирования:
1) легированной электродной проволокой с обычными флюсами;
2) порошковой проволокой с обычными флюсами;
3) обычной сварочной проволокой с легирующими флюсами;
4) обычной электродной проволокой и обычными флюсами с предваритель-
ной засыпкой легирующих материалов на наплавляемую поверхность (обычно
ферросплавов); иногда вместо порошковой смеси изготовляют обмазки, наноси-
мые на наплавляемую поверхность.
Легированную электродную проволоку и обычные плавленые флюсы наи-
более широко применяют при ремонте деталей. Используются легиро-
ванные проволоки Св-18ХГСА, Св-ЗОХГСА, 50ХФА и другие или специальные
наплавочные проволоки.
Составы флюсов зависят от химического состава основного металла детали
и электродов. Применяют две группы флюсов: плавленые и керамические.
Для наплавки используют высокомарганцовистые и высококремнистые пла-
вленые флюсы АН-348А, АН-348АМ и ОСЦ-45М.
Для наплавки деталей, подвергшихся сильному износу, применяют кера-
мические флюсы АНК-18, ЖС-400 и ЖС-500, легирующие металл наплавки
и позволяющие получать наплавленный металл высокой твердости. Например,
флюс АНК-18 обеспечивает твердость наплавленного металла НВ 350—450.
Обычно слой флюса составляет 40—60 мм над слоем наплавленного шва.
Качество наплавки зависит от силы сварочного тока (/св), скорости на-
плавки (пн), скорости подачи сварочной проволоки (кп э) и ее диаметра (</эл).
Сила тока при автоматической наплавке определяется из следующей зависи-
мости
7св-=110йЭл + Ю^л, (5.10)
где /с„ — сила сварочного тока, A; d3„ —диаметр сварочной проволоки, мм.
При наплавке каждый последующий валик должен перекрывать преды-
дущий на величину, равную примерно половине ширины валика (рис. 5.12).
С уменьшением шага наплавки уменьшается переход примесей из основного
металла в шов.
Преимуществами автоматической наплавки под слоем флюса по сравнению
с ручной электродуговой наплавкой являются:
1. ) высокая производительность процесса;
2) высокое качество наплавленного слоя;
3) возможность широкого регулирования свойств наплавленного слоя;
4) наличие закрытой дуги, улучшающее условия труда;
5) лучшее использование электроэнергии и материала проволоки.
Основным недостатком наплавки этого вида является высокая доля основ-
ного металла в наплавленном слое (у0 = 50—70%) вследствие значительного
проплавления основного металла.
130
Рис. 5.12. Схема наплавки валиков:
а — большой шаг наплавки; б — малый шаг наплавки
Рис. 5.13. Схема наплавки в среде защитных газов:
1 — электрическая дуга; 2 — сопло; 3 — подающие ролики; 4 — электродная проволока; 5,—^токоподво-
дящий мундштук; 6 — защитный газ
Для уменьшения объема расплавленного основного металла и снижения
степени его перемешивания с металлом электрода применяют наплавку по
винтовой линии с малым шагом, наплавку с введением в зону горения дуги
дополнительного прутка или проволоки, многоэлектродные способы наплавки
с питанием от одного источника тока, наплавку ленточным электродом в виде
широкой тонкой ленты, оплавление которой осуществляется непрерывно пере-
мещающейся по кромке ленты дугой.
Доля основного металла в этих случаях снижается до 10%, а при
трех- или четырехслойной наплавке — до нуля в верхнем слое. При этом увели-
чивается на 20—40% коэффициент наплавки и производительность процесса.
Автоматическую наплавку под слоем флюса нельзя применять для вос-
становления отверстий малых диаметров и наружных поверхностей диаметром
менее 40 мм.
Автоматическую наплавку под флюсом целесообразно применять при
ремонте большого числа однотипных деталей, когда требуется наплавлять
значительный слой металла толщиной от 5 до 40 мм.
Наплавка в среде защитных газов
При этом виде наплавки защитный газ, подаваемый в зону наплавки под
избыточным давлением, изолирует сварочную дугу и плавильное пространство
от кислорода и азота воздуха (рис. 5.13).
Наплавку углеродистых, легированных сталей и чугуна производят в среде
углекислого газа; для высоколегированных сталей применяют аргон. При высо-
кой температуре сварочной дуги происходит диссоциация углекислого газа.
Образовавшийся атомарный кислород окисляет металл, что приводит к выгора-
нию железа и других примесей стали. Чтобы прекратить окисление, а также
пополнить выгоревшие примеси при наплавке в углекислом газе применяют
электродную проволоку, легированную марганцем и кремнием, которые свя-
зывают кислород и раскисляют ранее образовавшуюся закись железа. Образу-
ющиеся окислы марганца и кремния переходят в шлак.
Содержание углерода в электродной проволоке должно быть небольшим,
в противном случае могут образоваться поры и горячие трещины в металле шва.
9*
131
Для наплавки деталей из углеродистых и'низколегированных сталей при-
меняют сварочную проволоку марок Св-08ГС, Св-12ГС и Св-08Г2О. Детали
из хромистых и хромоникелевых сталей наплавляют проволоками марок
Св-10Х17Т и Св-06Х19Н9Т. Для получения наплавленного слоя с особыми
свойствами применяют порошковую проволоку.
Для наплавки в среде защитных газов используется серийное оборудование,
применяемое для автоматической и полуавтоматической наплавки под слоем
флюса. Однако в этом случае вместо узла подачи флюса используется устрой-
ство для подсушки и подачи углекислого газа.
Наплавку ведут на постоянном токе, в результате уменьшается глубина
проплавления и увеличивается количество электродного металла в наплавлен-
ном слое. Цилиндрические поверхности можно наплавлять кольцевыми вали-
ками по винтовой линии с поперечными колебаниями или продольными вали-
ками. Это определяется размером детали, ее конструкцией и химическим соста-
вом металла детали. Чтобы уменьшить деформации, плоские детали следует
наплавлять отдельными участками, «вразбежку».
Наплавку в среде защитных газов применяют, когда невозможна или за-
труднительна подача флюса и удаление шлаковой корки, например при на-
плавке мелких деталей, внутренних поверхностей и деталей сложной формы.
Преимуществами наплавки в среде защитных газов являются высокая
производительность и простота ведения и управления процессом. Недостатки
ее — сложность работы на открытом воздухе из-за срыва струи углекислого
газа под действием ветра и окислительная способность углекислого газа.
Вибродуговая наплавка
Автоматическая вибродуговая наплавка основана на использовании тепла
кратковременной электрической дуги, возникающей в момент разрыва цепи
между вибрирующим электродом и наплавляемой поверхностью. Отличитель-
ной особенностью этого вида наплавки является возможность получения напла-
вленного слоя малой толщины 0,3—2,5 мм, охлаждение поверхности наплавки
в результате прерывистого характера процесса, что позволяет значительно
уменьшить нагрев детали, снизить в ней остаточные напряжения и предот-
вратить ее деформирование.
Электродная проволока 5 (рис. 5.14) подается в зону наплавки через вибри-
рующий мундштук наплавочной головки при помощи роликов 4 подающего
механизма. Ток от генератора постоянного тока 7 подводится к детали 1 и элек-
тродной проволоке 5. Электрод вибрирует с частотой 25—100 Гц, в результате
чего происходят частые короткие замыкания электрода на деталь. Вибрация
электрода осуществляется электромагнитным или механическим вибратором 6,
встроенным в наплавочную головку. В процессе горения дуги на конце элект-
рода образуется капля жидкого металла, которая переносится на наплавляе-
мую поверхность в момент разрыва дуги. Это позволяет получить тонкий и
прочный наплавленный слой при небольшом нагреве ремонтируемой детали.
В зону наплавки из сопла подается охлаждающая среда, которая снижает вели-
чину прогрева металла детали и позволяет в широких пределах регулировать
структуру и свойства наплавленного слоя. В качестве охлаждающей среды
применяют 5%-ный водный раствор кальцинированной соды или 20%-ный
водный раствор глицерина. Образующийся при подаче жидкости пар надежно
защищает расплавленный металл от кислорода и азота воздуха. В результате
быстрого охлаждения наплавленный слой закаливается, становится твердым
132
и износостойким. При одном и том же мате-
риале электродной проволоки можно получить
различную структуру наплавленного слоя
в зависимости от количества охлаждающей
жидкости и способа ее подачи. Основными
недостатками наплавки в среде жидкости яв-
ляются неравномерная твердость, наличие
газовых пор, трещины и снижение устало-
стной прочности восстанавливаемых деталей.
Применение флюса или защитных газов, а так-
же разделение зон наплавки и охлаждения,
позволяет значительно улучшить качество
наплавки и повысить прочность деталей, рабо-
тающих при циклических нагрузках. В каче-
стве защитного газа обычно используется
углекислый газ.
Для ремонта деталей применяют напла-
вочные головки марок УАНЖ-5, УАНЖ-6,
ВГ-2, ВГ-3, КУМА-5, УПИ, ЧТЗ, ГМВК и др.
В качестве источников тока используют гене-
раторы постоянного тока ПСГ-300, ПСГ-500,
СМГ или селеновые выпрямители ВСГ-ЗМ.
Для наплавки цилиндрической поверхно-
сти деталь устанавливают в центрах токарно-
винторезного станка и вращают с заданной
скоростью. На суппорте станка закрепляют
наплавочную головку.
При наличии эксцентричной выработки,
превышающей 0,5 мм, необходимо предвари-
тельно устранить ее механической обработкой,
от параметров электрического тока, скорости
Рис. 5.14. Схема вибродуговой
установки:
а — направление вращения детали;
б — направление перемещения голов-
ки; в направление вибрации элек-
трода; г —- подача электрода;
подача охлаждающей жидкости; 1 —
деталь; 2 — охлаждающая жидкость;
j — сопло; 4 — подающие ролики;
5 — электродная проволока; 6 — виб-
ратор; 7 — генератор
Качество наплавки зависит
подачи электродной прово-
локи, амплитуды колебаний электрода, шага наплавки и скорости вращения
детали. Частоту вращения детали определяют по формуле:
15с/2иэл/сп м , ...
““Ю+Я/Sb,.-
где d — диаметр электродной проволоки, мм; нэл — скорость подачи электрод-
ной проволоки, мм/с; кп м — коэффициент перехода электродного металла
в наплавленный металл (обычно 0,87—0,90); D —диаметр наплавляемой по-
верхности, мм; / — толщина наплавленного слоя, мм; 5 — шаг наплавки,
мм/об; кп с —поправочный коэффициент, учитывающий отклонения факти-
ческой площади сечения наплавленного слоя от площади прямоугольника
с высотой / (обычно 0,9—0,95).
В табл. 5.5 приведены рекомендуемые режимы вибродуговой наплавки
в ?кидкости.
Качество наплавленного слоя во многом зависит от материала электродной
проволоки. Марку проволоки выбирают в зависимости от требуемых механиче-
ских свойств наплавленного слоя (см. табл. 5.6). При наплавке стальных дета-
лей высокое качество наплавленного слоя достигается также при использова-
нии электродной проволоки марок 45, 70, 65Г, Св-ЗОХСВ, У7, У8 и др.
133
Таблица 5.5
Режимы вибродуговой наплавки в жидкости
(dsji = 1,2—1,6 мм; /=100—150 Л; и = 12—14 В)
Показатели Толщина наплавленного слоя, мм
0,3 0,7 0,9 1,5 2,7
Скорость наплавки, м/мин 2,2 1,5 1,0 0,6 0,3
Скорость подачи проволоки, м/мин 0,8 0,9 1,0 1,2 1,2
Подача головки, мм/об 1,5 1,5 1,5 1,8 2,0
Амплитуда колебаний, мм 1,5 1,8 2,0 2,0 2,0
Расход жидкости, л/мин 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Автоматическую вибродуговую наплавку применяют для наращивания
изношенных наружных и внутренних цилиндрических поверхностей, в част-
ности, шеек валов, штоков буровых насосов, замков бурильных труб и других
деталей.
К преимуществам вибродуговой наплавки относятся: возможность полу-
чения тонких и прочных покрытий, малая глубина зоны термического влияния,
небольшой нагрев детали и незначи-
тельное выгорание легирующих эле-
ментов электродной проволоки.
Производительность при виброду-
говой наплавке выше, чем при ручной
электродуговой, но ниже, чем при на-
плавке под флюсом.
Таблица 5.6
Влияние марки электродной проволоки
на твердость наплавленного слоя
ири вибродуговой наплавке в жидкости
Марка электродной проволоки Твердость после наплавки
Св-20 НВ 200—300
Св-40 НВС 25—40
Св-60 HR С 45—60
Св-ЗОХГСА HRC 35-50
НАПЛАВКА МЕТАЛЛОВ ТРЕНИЕМ
Сущность процесса наплавки ме-
таллов трением, предложенного и раз-
работанного Я. М. Кершенбаумом
и Б. А. Авербухом, заключается в пла-
влении наносимого металла за счет теплоты трения и соединении его
с деталью при повышенных температуре и давлении. Наносимый металл или
сплав в гранулированном состоянии (в виде стружки) плавится в закрытом
пространстве за счет трения о наплавляемую деталь или специальный
инструмент. Трение обеспечивается вращением наплавляемой детали или
инструмента относительно массы наносимого металла или сплава.
Возможен ряд схем процесса наплавки трением (рис. 5.15).
Аксиальная схема предусматривает использование сжимающих усилий Р,
параллельных оси вращения наплавляемой заготовки (см. рис. 5.15, I, б, в)
или инструмента (см. рис. 5.15,1, а) для обеспечения давления на массу напла-
вляемого металла; эта схема рациональна для наплавки металла на боковые
и торцовые поверхности деталей.
Радиальная схема предусматривает использование усилий, нормальных
к оси вращения и поверхности трения наплавляемой заготовки (см. рис.5.15,
II, б) или инструмента (см. рис. 5.15, II, а). Эта схема может быть применена
при наплавке металла на боковые цилиндрические поверхности деталей.
134
Основным условием для обе-
спечения плавления наносимого
металла или сплава по перечи-
сленным схемам является изгото-
вление наплавляемой заготовки
или инструмента (с помощью ко-
торых осуществляется трение) из
материалов с более высокой тем-
пературой плавления по сравне-
нию с температурой плавления
наносимого материала, т. е.
ПЛ (I, 2) ^пл 3»
Во избежание приплавления
металла или сплава к рабочей
поверхности инструмента или
формообразующей детали приспо-
собления их изготовляют из со-
ответствующих материалов.
При наплавке металла на тор-
цовую поверхность детали 1
(рис. 5.15, 1,в) во внутреннюю
полость приспособления 5 поме-
щают необходимое количество
стружки 3, после чего в него
вводят деталь 1. За счет продоль-
Рис. 5.15. Принципиальные схемы процесса
наплавки трением на внутреннюю (а), наруж-
ную (6) и торцовую (в) поверхности:
НОГО перемещения пуансона 2 I — аксиальная; II — радиальная; 1 — деталь; 2 —
.. _ инструмент; 3 — наплавляемый металл до наплавки;
наплавляемый металл предвари- 4 — наплавленный металл; 5 — приспособление
тельно уплотняется с образо-
ванием брикета соответствующей плотности. Наплавка происходит при вра-
щении детали 1 и одновременном продольном перемещении пуансона 2 для соз-
дания рабочего давления на поверхности трения детали. В результате интен-
сивного тепловыделения от трения брикет расплавляется и, находясь в закры-
том пространстве приспособления, наплавляется на торцовую поверхность
детали.
По достижении инструментом 2 крайнего положения, соответствующего
заданному размеру Н наносимого слоя металла, вращение детали прекращается
и наплавленный металл 4 кристаллизуется на ее поверхности в условиях все-
стороннего сжатия, обеспечивающих получение металлического соединения
высокой прочности и высокую плотность наплавленного металла. После окон-
чания кристаллизации инструмент отводится в исходное положение, приспо-
собление раскрывается и наплавленная деталь извлекается.
При наплавке металла или сплава на наружную поверхность цилиндри-
ческой детали / (см. рис. 5.15, I, б) инструмент отсутствует, предварительное
уплотнение стружки наносимого металла и создание рабочего давления на
поверхность трения обеспечиваются продольным перемещением приспосо-
бления 5.
Металл плавится трением торцовых и боковых поверхностей детали 1
о брикет, вытесняется из «копильника» 3 и располагается на боковой поверх-
ности детали слоем заданной толщины, равной (D — d)/2. В крайнем положе-
нии, соответствующем вытеснению всего металла из «копильника», вращение
детали и продольное перемещение приспособления прекращаются, и распла-
вленный металл 4 кристаллизуется па поверхности слоем заданной длины II.
При наплавке металла на внутреннюю боковую поверхность деталь 1
(см. рис. 5.15, I, а) закрепляют в приспособлении 5, обеспечивающем создание
закрытого пространства достаточных размеров для помещения стружки.
Наплавка осуществляется вращением инструмента 2 и продольным пере-
мещением приспособления. В крайнем верхнем положении приспособления
весь расплавленный металл располагается на наплавляемой поверхности слоем
определенного размера; затем инструмент, не прекращая его вращения, извле-
кают из приспособления.
Основные технологические параметры процесса наплавки трением — это
окружная скорость v и давление р на поверхности трения. Величины этих
параметров определяются физическими характеристиками основного и напла-
вляемого материалов, в особенности коэффициентом трения и температурой
плавления наносимого материала, а также материала детали и инструмента.
Проведенными в МИНХиГП им. И. М. Губкина исследованиями установлено,
что при наплавке цветных сплавов (бронзы или латуни) на стальные и чугун-
ные детали (табл. 5.7) оптимальные значения параметров режима наплавки
находятся в пределах: относительная скорость на поверхности трения и =
= 2,5—6 м/с; давление р = 2—6 кгс/мм2.
Продолжительность наплавки зависит от параметров процесса, площади
наплавляемой поверхности, сечения заготовки, толщины наносимого слоя
металла и его теплофизических характеристик.
Мощность (в кВт), необходимая для осуществления процесса, может быть
подсчитана по эмпирической формуле:
N = AD, (5.12)
где D — наибольший диаметр поверхности трения, мм; А — коэффициент,
равный 0,4 — для наплавки цветных металлов и равный 0,6 — для наплавки
черных металлов.
Область оптимальных размеров наплавляемых деталей ограничивается:
диаметром наплавляемой поверхности D = 30—80 мм; длиной Н = 30—100 мм.
При этом рекомендуются соотношения {HID) 2 — при наплавке на боковые
поверхности (см. рис. 5.15, 7, а, б); {HID) 1/2 — при наплавке на торцовые
поверхности (см. рис. 5.15, I, в).
В процессе наплавки трением имеются: эффективное тепловыделение, соз-
дающее условия плавления наносимого металла и пластической деформации
в прилегающем слое основного металла; при этом максимальная температура
на поверхности трения не превышает температуры плавления наносимого ме-
талла; взаимная диффузия основного и наплавляемого металлов, способству-
ющая образованию прочного соединения.
Весь процесс наплавки трением, например на торцовую поверхность,
можно разделить по продолжительности на четыре качественно отличных этапа
(рис. 5.16).
Первый этап (tJ процесса характеризуется выведением системы
из состояния покоя и началом взаимодействия поверхности трения детали
с прилегающими элементами наплавляемой стружки. Относительная скорость,
давление, коэффициент трения и температура на поверхности трения на дан-
ном этапе непостоянны. Механизм взаимодействия основного и наносимого
металлов характеризуется явлением трения без смазки. Это приводит к интен-
136
Таблица, 5.7
Материалы, наплавляемые трением
Наплавляемый металл (сплав) Поверхность детали
Деталь — и а Алюминий АЛ-1 Медь М-1 Бронза БрОЦС66-3 » БрОФ-Ю-1 » БрАЖ9-4 » БаАЖМц-10-3-1,5 Латунь Л-62 » ЛМцС58-22 » ЛК80-3 » ЛС59-1 Ковкий чугун КЧЗО-6 Белый чугун Деталь — из с Белый чугун Сормайт 1 Деталь — из к< БрЖ9-4 Латунь Л-62 стали 20 Торцовая, наружная цилиндрическая Торцовая, наружная цилиндрическая, внутрен- няя цилиндрическая То же Торцовая, внутренняя цилиндрическая Торцовая, наружная цилиндрическая То же Торцовая, наружная цилиндрическая, внутрен- няя цилиндрическая То же Торцовая, наружная цилиндрическая Торцовая, внутренняя цилиндрическая Торцовая, наружная цилиндрическая То же тали 1Х18Н9 Торцовая » ) в к о г о чугуна КЧ 30-6 Торцовая »
Деталь — из серо БрАЖ9-4 Латунь Л-62 » ЛМцС58-2—2 Деталь — из б Бронза БрОФ10-1 Латунь ЛМцС58-2—2 Бронза БрКд-1 го чугуна СЧ 18-36 Торцовая » Торцовая, внутренняя цилиндрическая р о и з ы БрАЖ 9-4 Торцовая, внутренняя цилиндрическая То же Торцовая
Рис. 5.16. Характеристические
кривые процесса наплавки
трением:
т — продолжительность процесса,
с; г — скорость, м/с; р — давление
на поверхности трения, кгс/мм2;
N — мощность трения, нВт; 8Ж —
толщина слоя расплавленного ме-
талла, мм; Т — температура на
поверхности трения, °C
1.37
сивной пластической деформации,
наклепу и диспергированию от-
дельных участков koi тж ти от п о-
верхности детали.
Второй этап (т.,) осуще-
ствляется при постоянной скорости
вращения детали в условиях сперва
повышающегося, а затем постоян
ного давлеин на бщкет наносимого
сплава. На поверхности трения
интенсифицируются явленгн пта сти-
ческой деформации, возникают и на-
чинают лавинообразно развиваться
явления схватывания между основ-
ным и наносимым металлами по всей
контактной поверхности. Резко воз-
растают коэффициент и мощность
трения, которые к концу этапа до-
стигают максимума; положительный
градиент температуры в зоне трения
также самый большой
Третий этап (т3) харак-
ериг жует я падением ффэ ицпента
и мощности трения в связи с пере-
ходом к полужидкостному трению.
В конце этапа наблюдается стаби-
лизация температуры( которая до-
Рис. 5.17. Микроструктура переходной зоны стигает максимального значения),
биметалла Ст.З — БрАЖ9-4, полученного коэффициента и мощности трения,
наплавкой трением Постепенное увеличение локальных
объемов расплавленной стружки при-
водит к образованию на всей поверхности трения сплошной переходной жид-
костной прослойки. По мере дальнейшего увеличения объема расплавленного
металла коэффициент трения снижается до минимального значения. Появле-
ние слоя жидкого сплава значительной величины создает условия, необхо-
димые для образования сварного соединения между деталью и сплавом.
Четвертый этап (т4) протекает в условиях стационарного тепло-
вого и силового режимов и плавного снижения коэффициента и мощности тре-
ния. Он характеризуется дальнейшим увеличением доли литого сплава. Про-
цесс заканчивается прекращением трения и кристаллизацией наплавляемого
слоя в условиях высокого давления, обеспечивающего мелкозернистую струк-
туру слоя.
Установлено, что применение флюсов при наплавке цветных металлов
с учетом значительных давлений и непродолжительного процесса нерацио-
нально. Отсутствие перегрева наплавляемого металла позволяет сохранить
исходный химический состав и механические свойства в наплавленном слое.
Для большинства исследованных металлов и сплавов характерно образо-
вание в контактной зоне переходной прослойки в несколько микрон, отличной
по своим свойствам от соединенных металлов (рис. 5.17). Эта прослойка
является результатом взаимодействия компонентов соединенных металлов или
сплавов, и ее состояние влияет на прочность соединения.
138
При мелкосерийном ремонте на-
плавку трением можно производить
на приспособленном для этой цели
универсальном оборудовании.
На рис. 5.18 приведена схема уста-
новки УНТ-1 для наплавки металла
трением, на базе токарного станка. На
станине станка установлена специаль-
ная рама, состоящая из двух плит 1
и 11, двух тяг 4 и 9 и гидравличе-
ского цилиндра 10 на задней бабке
станка. Рама обеспечивает восприятие
осевых усилий упорными подшипника-
ми 2 и 7 внутри статически зам-
кнутой системы (плиты и тяги),
разгружая подшипники шпинделя
станка.
Для закрепления наплавляемой
детали и инструмента служат стандарт-
ные трехкулачковые патроны 3 и 6,
а стационарное приспособление для на-
плавки торцовых поверхностей монти-
руется на плите суппорта 8- Вспомога-
тельный электродвигатель 5 исполь-
зуется при вращении в противополож-
ные стороны наплавляемой детали
и инструмента для повышения скоро-
сти на поверхности трения. Необходи-
мое давление на поверхности трения
обеспечивается гидравлическим цилинд-
ром 10 с приводом от гидравлической
стапции 12. -
Станок для наплавки деталей тре-
нием в условиях серийного производ-
ства (рис. 5.19) состоит из сварной
рамы с вертикальными колоннами 3,
шпинделя 1 с электроприводом 2 и ра-
бочего стола 4, передвигаемого по
колоннам с помощью гидравлического
цилиндра 5.
Наплавляемую деталь закрепляют
па столе станка винтовым зажимом,
а инструмент устанавливают в шпин-
деле. Рабочее давление обеспечивается
продольным перемещением стола с по-
мощью гидравлического цилиндра, ра-
ботающего от гидравлической стан-
ции 6. На станке можно проводить
наплавку на внутреннюю, наружную
и торцовую поверхности деталей. Для
наплавки слоя металла на детали
« s
Ф
Й
t I о • <Д
Ф Рч Сб t-
X й О И ь
и и в „ а
139
Рис. 5.19. Общий вид установки для наплавки металлов и сплавов трением
разных типоразмеров используются приспособления, с переходными вкла-
дышами.
Технологический процесс ремонта изношенной или изготовления биметал-
лической детали наплавкой трением состоит из следующих этапов:
1) подготовка детали к наплавке;
2) подготовка наплавляемого металла или сплава;
3) предварительное уплотнение наплавляемого металла или сплава;
4) наплавка трением;
5) контроль качества наплавки;
6) окончательная механическая обработка наплавленной детали.
Предварительная обработка детали сводится к приданию наплавляемой
поверхности цилиндрической формы и обезжириванию. Шероховатость поверх-
ности не выше третьего класса. Стружка, используемая для наплавки, должна
быть очищена от примесей. Размеры элементов стружки 1—2 мм. Необходимое
количество стружки легко определяется по заданным размерам наносимого
слоя и помещается в рабочее пространство приспособления (либо непосред-
ственно в заготовку), где она брикетируется.
Установлено, что стабильность тепловыделения, максимальная производи-
тельность и высокое качество биметалла обеспечиваются при сохранении посто-
янными скорости и давления на поверхности трения в течение всей операции
наплавки.
На рис. 5.16 показан график изменения основных параметров процесса
наплавки трением. Важной особенностью кинетики процесса наплавки по срав-
нению с процессом сварки трением является исключение необходимости мгно-
венного торможения на заключительной стадии процесса, что значительно
упрощает конструкцию оборудования.
140
После наплавки деталь помещают
в ящик с песком для медленного остыва-
ния. Качество соединения детали с на-
плавленным слоем и отсутствие макро-
дефектов проверяются визуально и про-
стукиванием детали медным молотком.
Проводятся также выборочные механиче-
ские испытания наплавленных деталей
для определения прочности соединения
основного металла с наплавленным.
Необходимые размеры и качество поверх-
ности в соответствии с рабочим чертежом
получаются механической обработкой.
Наплавка трением выгодно отличается
от существующих методов наплавки полез-
ным использованием теплового эффекта
трения, отсутствием расплавления основ-
ного и перегрева наплавляемого металлов,
отсутствием их перемешивания, образо-
Рис. 5.20. Втулки подшипника сколь-
жения
Примечание. Основа — сталь ст.З;
наплавленный слой — латунь ЛМцС58-2-2
ванием металлического соединения между твердым и жидким металлами
в условиях всестороннего сжатия и возможностью эффективного исполь-
зования отходов механической обработки. Преимущества процесса: ста-
бильность химического состава и сохранение исходных механических
свойств в наплавленном слое; получение надежного соединения основного и
наплавленного металлов; возможность наплавки комбинированной шихтой
для получения заданных свойств наплавленного слоя и высокая экономичность
процесса.
К недостаткам процесса относятся; невозможность нанесения металлов
более тугоплавких, ем основной металл, ограниченные размеры наплавляемых
поверхностей и необходимость изготовления специальных приспособлений или
сменных вкладышей к ним для наплавки деталей каждого типа.
Процесс наплавки трением целесообразно применять для ремонта изношен-
ных и изготовления биметаллических деталей, а также для поверхностного
упрочнения деталей.
Особенно эффективен этот процесс для ремонта деталей типа втулок. На
рис. 5.20 показана втулка подшипника скольжения, отремонтированная на-
плавкой антифрикционного слоя латуни на внутреннюю поверхность стальной
заготовки.
Наплавка трением деталей класса втулок (см. стр. 136) выполняется в спе-
циальном приспособлении (рис. 5.21), состоящем из корпуса 2, который своим
хвостовиком крепится в патроне задней бабки установки УНТ-1 (см. рис. 5.18),
крышки 7, вращающейся вокруг оси 3, и откидных болтов 6. Наплавляемую
втулку 1 закрепляют в корпусе 2 приспособления. Во втулку помещают необ-
ходимое количество стружки наплавляемого металла или сплава. Приспособле-
ние может перемещаться в продольном направлении вместе с патроном. Пуан-
сон 4 с переходником 5 крепится в патроне передней бабки установки УНТ-1.
Рабочий диаметр 3, пуансона выбирается так, чтобы зазор между ним и внутрен-
ней поверхностью наплавляемой втулки равнялся толщине наносимого слоя
металла.
В настоящее время большинство резьбовых и шпиндельных гаек, золотни-
ков и клапанов нефтяной арматуры, подвижных и антифрикционных колец
141
Рис. 5.21. Приспособление для наплавки трением детален
класса втулки
Рис. 5.22. Продольный разрез биметалли-
ческой гайки шпинделя нефтяной^ за-
движки
Рис. 5.23. Биметаллические детали нефтяного оборудования, изготовленные наплавкой
трением:
а — поршень; б — олотник
142
центробежных насосов для перекачивания нефтепродуктов изготовляют из
дефицитного цветного сплава (бронзы, латуни различных марок). Большое
количество стружки дефицитного металла, образующейся при изготовлении
перечисленных деталей, поступает в отходы производства. Возможность полез-
ного использования стружки цветных металлов при изготовлении биметалличе-
ских деталей способом наплавки трением делает его весьма перспективным.
На рис. 5.22 показана биметаллическая гайка шпинделя нефтяной задвижки,
изготовленная наплавкой слоя латуни марки ЛМцС58-2-2 на внутреннюю по-
верхность стальной заготовки. Наплавка биметаллических заготовок этих
гаек производилась по схеме на рис. 5.15, I, а. При этом, используя удобную
конструкцию детали, наплавку проводили без приспособления; стальную заго-
товку закрепляли непосредственно в зажимное устройство станка. Для наплав-
ки использовали 130 г латунной стружки. При изготовлении же цельнолатун-
ной гайки норма расхода латуни составляет 1,5 кг/шт, а отходы в стружку —
0,63 кг/шт. При восстановлении изношенных поверхностей консольных цапф
осей или валов наплавка производится по схеме на рис. 5.15, I, б.
На рис. 5.23 показаны биметаллические поршень (рис. 5.23, а) гидравличе-
ского цилиндра бурового станка и золотник обратного клапана (рис. 5.23, б),
изготовленные наплавкой трением.
§ 6. РЕМОНТ ДЕТАЛЕЙ 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 напыляемым и основным металлом. В резуль-
тате закалки, окисления и наклепа частиц напыляемого металла твердость
материала покрытия повышается. Различают газовую, электродуговую, высоко-
частотную, тигельную и плазменную металлизацию. Напыляемый материал
применяется в виде проволоки, ленты или порошка. Плотность напыленного
слоя зависит от скорости частиц при ударе, а следовательно, от расстояния
между соплом и поверхностью детали. Расплавленная шарообразная частица
стали при распылении окисляется. На больших расстояниях пленка окислов
успевает утолщиться, поэтому при ударе о поверхность происходит растрес-
кивание оболочки с выбросом жидкого металла через трещины, и покрытие в
этом случае складывается из перекрывающих друг друга чешуек. При ударе
частиц металла, не образующих пленки окислов (медь и ее сплавы), полу-
чается покрытие, в котором трудно обнаружить следы металлизациоиных
частиц.
Наибольшее применение па ремонтных предприятиях получила электро-
дуговая металлизация (рис. 5.24). Две электрически изолированные друг от
друга электродные проволоки 1 и 2, к которым подводится электрический ток,
перемещаются механизмом подачи 3 со скоростью 2,5—3,5 м/мип. При выходе
из наконечников 6 проволоки пересекаются и иод действием возникающей при
этом электрической дуги концы их расплавляются. Через сопло 7 подается
струя сжатого воздуха под давлением 4—7 кгс/см2, которая распыляет распла-
вленный металл на мельчайшие частицы. Частицы раскаленного металла, дви-
гаясь со скоростью 75—200 м/с, наносятся на специально подготовленную по-
верхность детали 4, создавая напыленный слой 5. Размер частиц зависит от
143
Расстояние до металлизируемой,
поверхности, мм
Рис. 5.24. Схема электродуговой металлизации
Примечание. Нормальное расстояние должно быть 75 — 100 мм.
режима металлизации и природы напыляемого металла, и обычно изменяется
от 0,01 до 0,2—0,3 мм. Скорость струи сжатого воздуха (кривая /) быстро
уменьшается по мере удаления от сопла и на расстоянии 200—300 мм оказы-
вается ниже скорости частиц расплавленного металла (кривая /Z), движущихся
по инерции. В связи с этим расстояние от сопла до металлизируемой поверх-
ности должно быть 75—150 мм; в этом диапазоне скорость частиц металла наи-
большая, что обеспечивает более высокое качество напыляемого слоя.
В комплект оборудования электрометаллизационной установки (рис. 5.25)
входят электродуговой металлизатор 2, компрессор 11 с электродвигателем 12
для подачи сжатого воздуха, ресивер 10 для снижения пульсаций воздушного
потока, фильтр 9 ppin. очистки сжатого воздуха от масла и влаги и сварочный
трансформатор для питания электрической дуги током 7. Металлизацию ведут
как на постоянном, так и на переменном токе. В первом случае в качестве
источника электрической дуги применяют сварочные генераторы типа ПСО-ЗОО,
Рис. 5.25. Схема электрометаллизационной установки!
1 — деталь; 2 — электродуговой металлизатор; 3 — распыляемая проволока; 4 — барабан
с проволокой; в — электропровод; в — воздухопровод; 7 — трансформатор; 8 — манометр;
9 — фильтр; 10 — ресивер; 11 — компрессор; 12 — электродвигатель
144
ПСО-500; во втором случае — сварочные трансформаторы. Промышленностью
выпускается специальный трансформатор для металлизационных установок
СТЭ-43-2С.
Для электродуговой металлизацйи выпускают стационарные и ручные
металлизаторы. Характеристики электрометаллизаторов приведены в табл. 5.8.
Электрометаллизатор ЭМ-6, устанавливаемый на суппорте токарного станка,
предназначен для восстановления размеров изношенных цилиндрических
и плоских поверхностей. Рекомендуемые режимы электродуговой металлиза-
ции приведены также в табл. 5.8.
Таблица 5.8
Режимы электродуговой и высокочастотной металлизации
Вид металлизации
Св
3 о
й д
св о
я а
о» 2
S О -
8 S S
2 с к
Ate о
Электродуговая с приме-
нением электрометал-
лизатора ЭМ-6 . . .
4,5-6,0
0,8-0,9
30-35
300 1,5—2,5 5,0 2,5
Высокочастотная с при-
менением металлиза-
тора МВЧ-1.............
0,4-0,5
24,0 16,0
К преимуществам электрометаллизации следует отнести высокую произ-
водительность процесса. Основные недостатки электрометаллизации — зна-
чительное выгорание легирующих элементов, окисление напыляемого металла,
низкие механические свойства напыленного слоя и большие потери металла
при напылении. Электродуговые металлизаторы могут быть использованы для
напыления сталей и цветных металлов.
При газовой металлизации проволоку напыляемого металла расплавляют
ацетилено-кислородным пламенем, а распыление осуществляют сжатым воз-
духом или инертным газом. Расход сжатого воздуха обычно составляет 0,6—
0,8 м3 * S/мин, давление 3—5 кгс/см2. Давление ацетилена должно быть 0,04—
0,6 кгс/см2, а его расход 240—850 л/ч. Давление кислорода 2—7 кгс/см2 и рас-
ход 600—2100 л/ч.
Применяемая для напыления проволока подается со скоростью 4,5—
6,0 м/мин в распылительную головку с помощью специального подающего
механизма, установленного в газометаллизаторе.
Схема распылительной головки показана на рис. 5.26. Через отверстие
1 в распылительную головку поступает смесь ацетилена с кислородом и по
каналам направляется к соплу. Сжатый воздух поступает через отверстие 3.
При выходе из сопла струя сжатого воздуха распыляет частицы расплавлен-
ного металла 2 и наносит их на поверхность детали. Рекомендуемое расстояние
от сопла до детали 100—150 мм. Для газовой металлизации выпускают метал-
лизаторы инжекционного типа, используемые для работ вручную и на станках.
Газовая металлизация обеспечивает получение покрытий высокого каче-
ства. Выгорание легирующих элементов и содержание окислов в напыленном
10 Заказ 763
145
Рис. 5.26. Схема головки газометалли-
затора
Рис. 5.27. Схема плазменной металли-
зации:
1 — распыляемая проволока; 2 — наконечник
для проволоки; 3 — вольфрамовый электрод;
4 — горелка; 5 — сопло
слое при газовой металлизации значительно меньше по сравнению с электро-
металлизацией .
Недостатком газовой металлизации является необходимость в горючем
газе и более высокая стоимость покрытия. Газовая металлизация широко ис-
пользуется для напыления тугоплавких сплавов и металлов, например, титана.
Одним из прогрессивных методов является плазменно-дуговая металлиза-
ция. При пропускании электрического тока большой плотности через газовую
среду, находящуюся под повышенным давлением, газ ионизируется. Наряду
с положительно и отрицательно заряженными ионами в ионизированном газе
содержатся электроны и нейтральные атомы. Такое состояние вещества назы-
вается плазмой. Плазма обладает высокой электрической проводимостью и
образует вокруг себя магнитное поле, которое заставляет частицы плазмы сжи-
маться и двигаться узким пучком. Плазменная струя служит интенсивным исто-
чником тепла; температура ее достигает 15 000° С.
На рис. 5.27 показана схема плазменного металлизатора. Между вольфра-
мовым электродом 5, горелкой 4 и медным водоохлаждаемым соплом 5 соз-
дается дуговой разряд, который проходит в узком канале, также охлаждаемом
водой. В канал горелки 4 подается инертный газ, который под действием элек-
трической дуги ионизируется и выходит из сопла 5 в виде плазменной струи.
В зону плазменной струи непрерывно подается напыляемый материал 1. Рас-
плавленные плазмой частицы напыляемого металла увлекаются плазменной
струей и с высокой скоростью напыляются на поверхность детали. Скорость
потока плазмы достигает 9000 м/с.
В зависимости от схемы включения электрической цепи возможны различ-
ные виды плазменной дуги: открытая, закрытая и комбинированная (рис. 5.28).
При плазменной металлизации применяется закрытая плазменная дуга, кото-
рая образуется, когда анодом является сопло.
Ремонтируемая деталь в цепь источника тока не включается. При ука-
занной схеме включения электрической цепи температура на поверхности де-
тали в процессе металлизации не превышает температуру плавления основного
металла и, следовательно, поверхностный слой детали находится в твердом
состоянии. В качестве источника постоянного тока обычно используют преоб-
разователи ПС-500 или полупроводниковые выпрямители ИПГ-500, в качестве
плазмообразующего газа применяют аргон, азот, гелий, водород или их смеси.
Рекомендуемое расстояние от сопла до детали 80—120 мм. Напыляемые мате-
риалы используются в виде проволоки или порошка.
146
Рис. 5.28. Электрические схемы плазменно-дуговых установок:
а — закрытая, б — открытая; в — комбинированная
Для плазменной металлизации промышленностью выпускаются установки
УМП-1-61, УМП-2-62 и УМП-4-64. В установке УМП-1-61 напыляемый мате-
риал применяется в виде проволоки, а в установке УМП-2-62 — в виде порошка.
На установке УМП-4-64 можно применять для напыления как проволоку, так
и порошковый материал.
Плазменную металлизацию обычно применяют для напыления тугоплавких
металлов и их соединений, например, вольфрама, окиси алюминия, карбидов,
боридов и цветных сплавов.
Применение плазмообразующих нейтральных газов предотвращает окисле-
ние напыляемых металлов. Плазменное напыление является производительным
процессом. Достигается достаточно прочное сцепление напыленного слоя с ме-
таллом детали.
Основной недостаток плазменной металлизации — высокая хрупкость
напыленного слоя.
На рис. 5.29 приведена схема процесса металлизации детали.
Предварительная механическая обработка необходима в связи с тем, что
восстанавливаемая поверхность может иметь неравномерный износ и в про-
цессе металлизации покрытие будет копировать профиль поверхности, что при-
ведет к неравномерной толщине напыленного слоя после окончательной меха-
нической обработки.
Чтобы обеспечить достаточную прочность сцепления напыленного слоя
с основным металлом, необходимо придать восстанавливаемой поверхности
шероховатость. Наиболее распространенными способами создания шерохова-
тости являются нарезание рваной резьбы, нарезание круглой резьбы с обкат-
кой, накатывание поверхности накатниками, обдувка стальной или чугунной
крошкой, нанесение частичек металла электросваркой и анодно-механическая
обработка поверхности. Реже применяют насечку зубилом, нарезание круговых
канавок, намотку проволоки и др.
Нарезание рваной резьбы, насечка зубилом и анодно-механическая обра-
ботка, обеспечивая хорошее сцепление напыленного слоя с металлом детали,
снижают усталостную прочность, и следовательно, не могут быть использо-
ваны для подготовки деталей, работающих при циклических нагрузках. В по-
следнем случае рекомендуется применять обдувку дробью и накатку.
Изоляцию участков, не подвергаемых металлизации, производят наклад-
ками из картона, бумаги или жести, шпоночные пазы заделывают временными
деревянными пробками. Разрыв во времени между подготовкой поверхности
и металлизацией не должен превышать двух часов, в противном случае проис-
ходит окисление поверхности, что снижает прочность сцепления.
10*
147
Рис. 5.30. Схема процесса электролиза
Рис, 5.29. Схема процесса металлизации
детали
Следует стремиться к напылению такого металла, коэффициент теплового
расширения которого близок коэффициенту расширения металла детали.
В напыленном слое при охлаждении происходит усадка, в результате чего
возникают значительные остаточные напряжения. Это приводит к увеличению
сцепления покрытия с основным металлом при металлизации наружных ци-
линдрических поверхностей. При металлизации внутренних поверхностей воз-
никающие в слое остаточные напряжения приводят к образованию трещин
и отслаиванию покрытия. Напряжения в напыленном слое возрастают с увели-
чением его толщины. Последовательное нанесение металлизационного покры-
тия тонкими слоями (0,05—0,1 мм) с охлаждением каждого слоя, применение
в качестве материала для напыления сталей с повышенным содержанием угле-
рода (0,7%) и предварительный подогрев поверхности детали до 270—370° С
позволяют избежать трещин и повысить прочность сцепления. С целью повы-
шения сцепления покрытия с металлом детали используют для дутья инертные
газы вместо воздуха, проводят термическую обработку после металлизации
и применяют подслой из легкоплавких металлов и сплавов.
Внутренние цилиндрические поверхности металлизируют с предваритель-
ным подогревом до 100—150° С, что обеспечивает лучшее сцепление покрытия
с металлизируемой поверхностью детали, вследствие уменьшения величины
остаточных напряжений.
148
После металлизации производят механическую и термическую обработку
детали для получения необходимых размеров, чистоты и качества восстанавли-
ваемой поверхности.
Для более прочного сцепления покрытия с материалом детали .рекомен-
дуется, чтобы толщина напыленного слоя после окончательной обработки была
не менее 0,6 мм при диаметре поверхности детали до 25 мм и 0,95—1,0 мм при
большем диаметре.
Учитывая невысокие механические свойства напыленного слоя, механиче-
скую обработку следует производить после полного остывания детали на пони-
женных режимах и специально заточенным режущим инструментом.
К преимуществам металлизации относятся: высокая производительность
и экономичность процесса, повышенная твердость покрытия по сравнению
с исходной твердостью напыляемого металла (для стали на 30—40%), возмож-
ность получения покрытия толщиной до 10—15 мм, проведение процесса без
нагревания детали, что позволяет напылять металл на поверхность деталей
из пластмассы, дерева, картона и других материалов, повышенная износо-
стойкость покрытий при жидкостном трении, вследствие впитывания масла
в пористый напыленный слой. Металлизация имеет существенные недостатки,
а именно: невысокая прочность сцепления напыленного слоя с металлом де-
тали, неоднородность покрытия вследствие значительного содержания окислов,
малая износостойкость покрытия при недостатке смазки, так как покрытие
в этом случае выкрашивается, снижение усталостной прочности ремонти-
руемой детали до 50% (в зависимости от способа подготовки поверхности).
Металлизацию применяют для восстановления изношенных плоских,
цилиндрических наружных и внутренних поверхностей, получения антифрик-
ционных и коррозионностойких покрытий и восстановления неподвижных
посадок.
Металлизация используется также для получения в узлах трения обрат-
ных пар, в которых подшипник целиком изготовлен из стали, а на сопрягаемую
с ним шейку вала нанесено металлизационное покрытие из более мягкого анти-
фрикционного металла. Исследованиями установлено, что обратная пара по
сравнению с прямой имеет меньший прирост зазора в процессе работы за счет
распределения износа по всей поверхности покрытия вала.
§ 7. РЕМОНТ ДЕТАЛЕЙ
ГАЛЬВАНИЧЕСКИМ НАРАЩИВАНИЕМ
Гальваническое наращивание металла на поверхность детали основано
на процессе электролиза. Под действием постоянного электрического тока,
поступающего в электролит через проводники-электроды, положительно заря-
женные ионы (катионы) движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы
(анионы) к аноду (рис. 5.30).
При достижении катода положительными ионами и анода отрицатель-
ными образуются нейтральные атомы. В результате на катоде, в качестве
которого используется восстанавливаемая деталь, выделяются металл и водо-
род, а на аноде — кислотные и водные остатки. Электролиз металлов может
осуществляться с растворимыми и нерастворимыми анодами. Растворимые
аноды изготовляют из железа Армко, меди или никеля в зависимости от вида
электролитического процесса; нерастворимые — из свинца, платины и других
металлов. При электролизе с нерастворимыми анодами пополнение электролита
1 49
ионами металла осуществляется за счет добавления в электролит вещества,
содержащего ионы осаждаемого металла.
Теоретическое количество вещества, выделяющегося при электролизе
па катоде, согласно закону Фарадея определяется но формуле:
Gt CIT, (5.13)
где}^ — количество вещества, осаждаемое на катоде, г; С — электрохимиче-
ский эквивалент, г/(А-ч); I — сила тока, А; Т — время протекания электри-
ческого тока через электролит, ч.
Фактическая масса осажденного металла (?ф всегда меньше теоретической,
так как в электролите одновременно протекают другие процессы, на что рас-
ходуется часть энергии.
При электроосаждении металлов, стоящих в ряду напряжений выше водо-
рода, одновременно с ними происходит выделение водорода, который в боль-
шинстве случаев ухудшает качество покрытий, придавая им хрупкость, и уве-
личивает продолжительность электролиза, так как часть электрической энер-
гии расходуется на его выделение.
Отношение фактической массы осажденного металла к теоретической назы-
вается выходом по току и характеризует коэффициент полезного действия
ванны:
100»/„. (5.14)
(j у
При хромировании выход по току составляет 12—18%, для других про-
цессов гальванического наращивания — 60—90%.
Среднюю толщину слоя металла, осажденного на катоде, определяют по
формуле
где h — средняя толщина слоя, мм; — фактическая масса осажденного
металла, г; F — площадь покрываемой поверхности детали, дм2; р — плот-
ность осаждаемого металла, г/см3; DK = HF — плотность тока, А/дм2; а —
выход по току, %.
Электрохимические эквиваленты для некоторых металлов приведены
в табл. 5.9.
Таблица 5.9
Электрохимические эквиваленты и выход по току некоторых металлов
в кислых электролитах
Металл Ионы Электрохи- мический эквивалент, г/(А.ч) Плотность металла, г/см3 Толщина осадка па 1 А-ч, мкм Выход по току, %
теоретиче- ская практиче- ская
Хром Сг+++ 0,323 7,1 4,96 0,6 13—18
Железо Fe ++ 1,043 7,8 13,34 13,0 85-95
Никель Ni ++ 1,095 8,8 12,44 10,6 90
Медь Си ++ 1,186 8,9 13,33 13,0 98
Цинк Zn + + 1,220 7,0 17,43 16,0 92
150
Рис. 5.31. Схема ванны для гальванического наращивания:
1 — ванна; 2 — кожух масляной рубашки; з — теплоизоляция; 4 — поперечный
угольник; 5 — устройство для крепления анодов; 6 — камера регулирования отсоса;
7 — вентиляционный кожух; я — прокладка; 9 — фундамент; 10 — электронагрева-
тель; 11 — экран; 12 — передний щиток
В комплект оборудования для гальванического наращивания входят:
источник постоянного тока, ванны с различными химически стойкими обли-
цовками, специальные контактные и подвесные приспособления, нагреватель-
ные устройства, бортовая вентиляционная установка для удаления вредных
испарений с поверхности электролита в ванне (рис. 5.31).
В качестве источника постоянного тока используются генераторы напря-
жения 6—12 В и силой тока 250—5000 А, также селеновые и меднозакисные
выпрямители.
Процесс гальванического покрытия должен обеспечивать получение мелко-
кристаллического равномерного осадка необходимой толщины, обладающего
минимальной хрупкостью, сплошностью, достаточной твердостью и имеющего
прочное сцепление с основным металлом.
Качество покрытия зависит от тщательности предварительной подготовки
поверхности, на которую наносится покрытие, постоянства состава электро-
лита, его температуры, кислотности, плотности тока, а также от расположения
детали и анода в гальванической ванне. Равномерность покрытия в значитель-
ной степени определяется рассеивающей способностью электролита. С увели-
чением расстояния между деталью и анодом равномерность покрытия повы-
шается. Материал и форма анода зависят от вида покрытия и формы детали.
При нанесении покрытий на детали сложной конфигурации на выступающих
частях детали откладывается большее количество металла. Для получения
равномерного покрытия применяют фигурные аноды, повторяющие форму
покрываемой детали.
Для восстановления размеров изношенных поверхностей наибольшее
применение находят электролитическое хромирование, осталивание, меднение
и твердое никелирование.
151
ХРОМИРОВАНИЕ
Электролитическое хромирование применяют для восстановления размеров
изношенных деталей и получения декоративных, коррозионностойких и износо-
стойких покрытий. Электролитический хром обладает высокой коррозионной
стойкостью, низким коэффициентом трения, высокой твердостью, жаростой-
костью, высоким пределом текучести. При тщательной подготовке поверхности
прочность сцепления хрома со сталью, чугуном, медью и латунью достигает
при сдвиге 30 кгс/мм2. Однако стали с высоким содержанием вольфрама и
кобальта, а также высокоуглеродистые стали и высококремнистые чугуны
хромировать нельзя, вследствие низкой прочности сцепления.
Прочность сцепления резко снижается с увеличением толщины покрытия,
в связи с ростом остаточных напряжений. При увеличении толщины от 0,1
до 0,5 мм предел прочности покрытия уменьшается в 2—3 раза.
После хромирования снижается также усталостная прочность деталей
вследствие значительной величины остаточных напряжений в покрытии. С уве-
личением толщины покрытия усталостная прочность снижается более значи-
тельно. Усталостная прочность углеродистых сталей в результате хромирования
снижается на 25—40%. Для ее повышения применяют высокотемпературный
отпуск и наклеп поверхности перед хромированием с целью создания напряже-
ний сжатия, обратных по знаку напряжениям, возникающим в покрытии
при его формировании.
Различают следующие виды износостойкого хрома: гладкий по накатке
и пористый. Гладкий хром следует применять в условиях достаточной смазки
при небольших скоростях скольжения. Пористый хром имеет хорошую изно-
состойкость в условиях граничного трения, так как смазка, находящаяся в по-
рах покрытия, препятствует развитию процессов схватывания. Пористый хром
по сравнению с гладким прирабатывается значительно легче. В промышлен-
ности применяют как гладкие, так и пористые хромовые покрытия.
Электрохимическое осаждение хрома отличается от других процессов как
по составу электролита, так и по условиям протекания процесса. В большин-
стве случаев осаждение хрома осуществляется в электролите, содержащем хро-
мовый ангидрид с добавкой серной кислоты.
Хромовый ангидрид растворяют в дистиллированной воде и после отстаи-
вания переливают в ванну, в которую затем добавляют необходимое количество
серной кислоты.
На процесс осаждения хрома большое влияние оказывает соотношение
между концентрациями хромового ангидрида и серной кислоты, которое дол-
жно находиться в пределах 90—120; при этом выход, хрома по току наибольший.
Концентрацию хромового ангидрида в электролите можно изменять в до-
вольно широких пределах. Однако с ее увеличением при прочих равных усло-
виях выход по току падает. Поэтому на практике получили распространение
горячие электролиты с концентрацией СгО3 от 150 до 350 г/л.
Составы электролитов приведены в табл. 5.10.
При хромировании применяют нерастворимые аноды из свинца или сплава
свинца с сурьмой.
Ванны для хромирования изготовляют из листового железа и облицовы-
вают внутри сплавом свинца с 5—6% сурьмы или керамическими плитками.
Величина зазора между хромируемыми деталями и анодом должна быть не
менее 30 мм, а между деталью, дном и зеркалом ванны не менее 50 мм. Электро-
литы с меньшей концентрацией СгО3 позволяют получить более высокую твер-
дость хромового покрытия и больший выход по току, однако подобные электро-
152
Электролиты для хромирования
Таблица 5.10
Концентрация электролита (СгО3) Состав электролита, г/л Назначение
СгОз H2SO4
Низкая Средняя Высокая 150 200-250 300—400 1,5 2,0-2,5 3,0-4,0 Для повышения износостойкости Для повышения износостойкости и защитно-декоративных це- лей Для защитно-декоративных це- лей
литы необходимо чаще корректировать в процессе электролиза и применять
большее напряжение. Физико-механические свойства хромового покрытия
зависят от режима хромирования и толщины покрытия. Условно хромовые
покрытия разделяют на три вида: молочные, блестящие и матовые. Блестящие
покрытия отличаются высокой твердостью, достаточно высокой износостой-
костью и хрупкостью, имеют на поверхности мелкую сетку трещин. Молочные
осадки наиболее мягкие и вязкие, без трещин, по сравнению с блестящими
обладают большей износостойкостью. Матовые осадки имеют повышенную
твердость и хрупкость, характеризуются низкой износостойкостью, наличием
сетки трещин на поверхности.
В табл. 5.11 приведены данные о влиянии режимов хромирования на вид
осадка хрома. В зависимости от условий работы деталей выбирают оса-
док с требуемыми свойствами; например, для изнашиваемых деталей, работа-
ющих при небольших удельных нагрузках (до 5 кгс/см2), следует рекомендо-
вать блестящие осадки, а при больших контактных давлениях и знакоперемен-
ных нагрузках — молочные осадки.
Наиболее высокие физико-механические свойства хромового покрытия
достигаются при толщине слоя h <Z 0,25 мм.
Таблица 5.11
Влияние режимов хромирования на вид н свойства электролитического осадка
Режим хромирования Осадок Толщина слоя хрома, мм Механические свойства хромового покрытия
температура электролита, °C плотность тока, А/дм2 прочность покрьи 1111 при сдвиге, кгс / мм2 прочность сцеп- ления с основным металлом при сдвиге, кге/мм2
65 25 Молочный о,1 50,5 30
0,3 27,6 —
0,5 16,3 —
55 35 Блестящий 0,1 62,5 30
0,3 39,8 —
0,5 30,8 —
45 40 Матовый 0,1 60,0 30
0,3 36.6 —
0,5 25,7 —
Если деталь работает при статических удельных нагрузках q 80 кге/мм2,
рекомендуется толщина слоя h = 0,11—0,13 мм и цвет покрытия матово-
блестящий.
При динамических удельных нагрузках q sg 5 кге/мм2 толщина слоя
должна быть ft = 0,05—0,11 мм, а при q < 20 кге/мм2 и повышенных темпера-
турах рекомендуемая толщина слоя h = 0,03—0,05 мм. В последнем случае
применяется покрытие молочное или молочно-блестящее.
Для повышения износостойкости применяют пористое хромирование.
В покрытии создаются мпкропоры и каналы, которые обеспечивают большую
его маслоемкость, что особенно важно при работе в условиях недостаточной
смазки.
Пористое хромирование отличается от твердого дополнительной анодной
обработкой (дехромирование) после наращивания хромового покрытия. При
дехромировании растворение хрома происходит неравномерно и преимущест-
венно по трещинам, которые расширяются и углубляются. Анодная обработка
ведется в той же ванне, что и хромирование, причем анодом служит обраба .
тываемая деталь, а катодом — свинцовые пластины. Режим дехромирования
также играет важную роль в создании пористости.
Пористость хрома бывает двух типов: канальчатая и точечная. Характер
пористости определяется в основном режимом хромирования. Для получения
точечной пористости рекомендуется следующий режим: температура 50—
52° С, плотность тока 45—55 А/дм2, для канальчатой — температура 60° С
и плотность тока 55—60 А/дм2. Режим анодной обработки: температура 50—
60° С, плотность тока 40—45 А/дм2, время 5—10 мин.
Для получения канальчатого хрома анодной обработке подвергают молоч-
ные и молочно-блестящие осадки, для получения пористого хрома — матовые
и матово-блестящие осадки.
Точечная пористость обладает большей маслоемкостью И поэтому приме-
няется для деталей, работающих в особо тяжелых условиях. Покрытия с точеч-
ной пористостью характеризуются быстрой прирабатываемостью, но изно-
состойкость их несколько ниже, чем канальчатых. Канальчатым хромом
покрывают, например, гильзы цилиндров, а точечным — поршневые кольца
двигателей.
Для повышения качества покрытия и увеличения выхода по току при-
меняют хромирование в саморегулирующихся электролитах, струйное и про-
точное хромирование, а также хромирование на токе переменной полярности.
Применение саморегулирующихся сульфатно-кремне-фторидных электролитов
обеспечивает высокую стабильность работы ванны и дает возможность полу-
чить значительную толщину покрытия (до 1 мм) без ухудшения механических
свойств. При этом выход по току составляет 17—24%.
Рекомендуется следующий состав саморегулирующегося электролита
(в г/л): 225—300 хромового ангидрида (СгО3), 5,5—6,5 сульфата стронция
(SrSO4) и 18—20 кремнефторида калия (K2SiFe). Температура хромирования
50—70° С, а плотность тока 50—100 А/дм2.
Хромирование струйное и в проточном электролите заключается в постоян-
ной подаче электролита в зону электролиза, что обеспечивает перемешивание
его в межэлектродном пространстве. При этом возрастает поток подводимых
ионов и облегчается разряд ионов на катоде. Кроме того, постоянное обновление
электролита способствует повышению проводимости электролита, быстрому
отводу газов, выделяющихся в процессе электролиза, уменьшению степени
насыщения деталей водородом и улучшению качества хромовых покрытий.
154
Наиболее интенсивное перемешивание может быть достигнуто при анодно-
струйном хромировании, при котором подача электролита в зону электролиза
осуществляется одновременно по всей наращиваемой поверхности через про-
рези или отверстия в аноде. При этом снижаются остаточные напряжения,
возрастает твердость и повышается равномерность покрытия, увеличивается
прочность сцепления.
Периодическое изменение направления тока (реверсирование) в процессе
хромирования, т. е. хромирование на токе переменной полярности, позволяет
улучшить качество осадка и интенсивность процесса более чем вдвое. Осадки
имеют более совершенную мелкокристаллическую структуру, достигается более
равномерное распределение хрома по всей поверхности, вследствие частичного
удаления газов из осадков при электролизе, шероховатость поверхности умень-
шается на 1—2 класса. При этом можно получить как пористый, так и гладкий
хром. Рекомендуемый режим реверсивного хромирования: плотность тока 60—
150 А/дм2, температура 45—60° С, продолжительность каждого катодного
цикла 10—15 мин, анодного — 10—15 с. При увеличении анодного цикла до
15—20 с появляется более густая сетка трещин; дальнейшее увеличение этого
периода вызывает ухудшение структуры пористого хрома.
Схема технологического процесса ремонта деталей электролитическим хро-
мированием приведена на рис. 5.32.
Операции, предшествующие хромированию, являются подготовительными.
Шероховатость поверхности под хромирование должна соответствовать девя-
тому классу. Окончательное обезжиривание деталей выполняется венской
известью, представляющей собой сухую смесь окиси кальция и окиси магния
в соотношении 1:1. Известь разводят водой до кашицеобразного состояния и
при помощи волосяной щетки протирают поверхность детали. Для удаления
окисных пленок применяют химическое или анодное декапирование. Химиче-
ское декапирование — слабое протравливание детали (продолжительность до
2 мин) в 3—5 % -ном растворе серной или соляной кислоты (для деталей из чер-
ных металлов) или в растворе, содержащем 3% азотной и 2% серной кислот
(для деталей из цветных металлов).
Анодное декапирование выполняется в электролите того же состава, кото-
рый применяется для хромирования; при этом деталь является анодом, а като-
дом служат свинцовые пластины. Часто анодное декапирование проводится
в той же ванне, в которой хромируется деталь, а полюсность ванны изменяют
с помощью рубильника. Анодное декапирование производится в течение 0,5 —
1 мин при плотности тока 25—30 А/дм2.
После хромирования деталь промывают, термически обрабатывают (на-
грев в масляной ванне до 150—200° С с выдержкой до 3 ч с целью удаления
из покрытия водорода, вызывающего хрупкость слоя, а затем шлифуют до по-
лучения необходимых размеров.
При анодной обработке у выхода из каналов появляются бугорки высотой
до 0,8 мкм. Поэтому отделочные операции рекомендуется выполнять после
анодной обработки.
Для сохранения пористости при снятии большого слоя хрома механиче-
скую обработку иногда выполняют в два этапа: предварительную после хроми-
рования и окончательную после анодной обработки. Для обработки пористого
хрома рекомендуется применять анодно-механическое шлифование.
Контроль хромового покрытия осуществляется путем наружного осмотра
с целью обнаружения чешуйчатости, шелушения с последующим простукива-
нием медным молотком (покрытие пе должно отслаиваться).
155
Рис, 5.32. Схема технологического процесса ремонта деталей элек-
тролитическим хромированием
К преимуществам электролитически - .мирования относятся:
1) высокая прочность сцепления покрытия с основным металлом;
2) возможность получения покрытия с высокой износостойкостью, а также
с химической и тепловой стойкостью.
Недостатки — длительность, сложность и трудоемкость технологического
процесса, особенно вспомогательных операций, ограниченная толщина покры-
тия, низкий выход по току и высокая стоимость.
Хромирование применяют при ремонте штоков насосов, гильз цилиндров
двигателей и насосов, гнезд подшипников, шеек валов и других деталей. Сле-
дует учитывать, что при хромировании можно получить покрытия небольшой
толщины. Поэтому восстановление изношенных поверхностей деталей хромиро-
ванием применяют, когда необходимо нарастить изношенную поверхность
в долях миллиметра или когда надо увеличить износостойкость трущейся части
детали.
ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ОСТАЛИВАНИЕ
При прохождении постоянного тока низкого напряжения через раствор
солей железа происходит осаждение на катоде (ремонтируемой детали)
электролитического железа. Прочность и твердость осажденного слоя прибли-
156
жаются к аналогичным свойствам среднёуглёродистой стали, поэтому процесс
получил название осталивание.
В зависимости от состава электролита и режима осталивания получают
мягкие покрытия с твердостью, соответствующей углеродистой незакаленной
стали (НВ 120—220), и твердые покрытия с твердостью, соответствующей зака-
ленной стали (НВ 250 —600).
Прочность сцепления на отрыв покрытия со сталью, медью и чугуном
достигает 15 кгс/мм2, благодаря чему восстановленная деталь надежно! работает
при больших нагрузках. Снижение усталостной прочности деталей после оста-
ливания меньше, чем при хромировании. Процесс осталивания характери-
зуется достаточно высоким выходом по току (а = 0,85—0,95).
Для электролитического осталивания известно несколько типов электро-
литов: хлористые, сернокислые, борфтористоводородные, хлористоаммониевые
электролиты на основе солей железа.
Для осталивания применяют холодные и горячие электролиты. Наиболь-
шее применение на ремонтных предприятиях нашли горячие хлористые электро-
литы, превосходящие сернокислые по производительности и качеству осажден-
ного слоя. При использовании хлористых электролитов применяют раствори-
мые аноды, изготовленные из малоуглеродистой стали или железа Армко. В за-
висимости от содержания хлористого железа хлористые электролиты разделяют
на три типа: высококонцентрированные, среднеконцентрированные и мало-
концентрированные (табл. 5.12).
Таблица 5.12
Составы электролитов и режимы для осталивания
Содержание компонентов (в г/л) в зависимости
от типа электролита
Компоненты и показатели процесса высококонцент- рированный среднеконцент- рированный малоконпентри- рованпый
Хлористое железо 680 450—500 200
Хлористый натрий л, 100 100
Хлористый марганец — 10 10
Соляная кислота . . 0,8—1,5 0,5—0,8 0,5—0,8
Плотность тока, А/дм2 ? 10—20 40-50 20—40
Температура электролита, °C 95—100 60-80 6(1—80
Толщина слоя, мм 3—5 2—3 До 1,5
Твердость покрытия НВ 120-150 500-550 600—650
Для приготовления электролита очищенную и обезжиренную стружку
малоуглеродистой стали (в количестве на 5—10% больше рекомендуемого по
рецепту) загружают в раствор соляной кислоты с дистиллированной или кипя-
ченой водой (50% от объема кислоты), подогретой до температуры 30—40° С.
Об окончании процесса травления стружки в растворе кислоты судят по пре-
кращению выделения пузырьков водорода. Затем засыпают необходимое коли-
чество остальных солей и после отстаивания (12—18 ч) фильтруют и корректи-
руют кислотность, а также содержание железа в электролите до рекомендуе-
мых величин.
Введение в электролит хлористого натрия в пределах до 100 г/л обеспечи-
вает снижение необходимого напряжения, уменьшение испарения электролита,
157
Со
X
X
Мцнротвердость, кгс/
Плотность тока, А/дм?
Рис. 5.33. Влияние режимов осталивания на твердость покрытий, получаемых в электро-
литах с различным содержанием хлористого железа:
а — 200 г/л; б — 450 г/л; в — 880 г/л
Рис. 5.34. Пористое покрытие:
а — внешний вид; б — поперечное сечение
повышение твердости покрытия и увеличение выхода по току, а добавление
хлористого марганца увеличивает сцепление покрытия со сталью и чугуном
в 3 раза.
Изменение содержания кислоты в пределах 0,4—1,5 г/л незначительно
отражается как на свойствах покрытия, так и на величине выхода по току,
что облегчает проведение процесса осталивания и исключает брак при колеба-
ниях кислотности.
Внешний вид, структура, твердость, пластичность и износостойкость
осажденного слоя в зависимости от условий электролиза изменяются в широких
пределах.
На рис. 5.33 приведены данные о влиянии режимов осталивания на твер-
дость покрытия. При более жестких режимах (высокая плотность тока и пони-
женная температура) получают покрытия более напряженные, отличающиеся
повышенной твердостью и хрупкостью.
Повышение твердости покрытия сопровождается увеличением внутренних
растягивающих напряжений и при твердости 300 кгс/мм2 и выше внутренние
напряжения становятся настолько большими, что разрывают покрытие; при
этом, если прочность сцепления недостаточна, происходит отслаивание покры-
тия, а при достаточной прочности осажденный слой представляет собой блоки,
разделенные микроскопическими трещинами. Для повьпйения износостой-
кости деталей, работающих в условиях недостаточной смазки, на их поверх-
ности рекомендуется наращивать слой пористого покрытия (рис. 5.34). При
постоянной плотности тока ширина каналов зависит от времени анодного
травления.
158
При плотности тока 25—35 А/дм2 и температуре 80° С продолжительность
анодной обработки составляет 4—6 мин. Глубина каналов при этом 0,06—
0,08 мм.
Детали с пористым покрытием перед сборкой рекомендуется пропитывать
маслом при 100—120° С в течение 1,5—2 ч. Смачиваемость смазочными маслами
у пористого электролитического железа в 12 раз больше, чем у серого чугуна,
в 5 раз больше, чем у пористого хрома и в 18 раз больше, чем у гладкого элек-
тролитического железа.
Перспективными для восстановления деталей являются холодные электро-
литы. Они менее агрессивны и более устойчивы во времени. Холодные элек-
тролиты позволяют получать осадки со скоростью осаждения металла
200—350 мк/ч и твердостью НВ 600—700. Рекомендуется следующий состав
холодного хлористого электролита (в г/л): 600—700 FeCl2-4H2O; 100—150
NaCl(KCl); 15—30 МпС12-4Н2О и 0,5—2 аскорбиновой кислоты.
Температура электролита 20—40° С, плотность тока 20—30 А/дм2 и кис-
лотность pH = 1,5—3. Аскорбиновая кислота предохраняет электролит от
окисления и позволяет получить неслоистое покрытие с равномерной дисперс-
ной структурой. Введение в электролит хлористого натрия и хлористого мар-
ганца повышает электропроводность электролита; кроме того, хлористый мар-
ганец дает возможность получить более пластичные покрытия толщиной до
2—3 мм. При дополнительной анодной обработке в 25%-ном растворе серной
кислоты выявляется сетка трещин и образуется пористое покрытие.
Осталивание в сернокислых электролитах рекомендуется для ремонта
деталей, работающих при высоком нагреве (450—500° С). Для получения
толстых покрытий применяют следующий состав сернокислого электролита
(в г/л): 420FeSO4 • 7Н2О; 100A12(S04)3-18Н2О. Температура электролита
20—70° С, плотность тока 3—15 А/дм2, pH = 2,5—3.
На рис. 5.35 приведена схема технологического процесса ремонта деталей
гладким и пористым осталиванием. В зависимости от конструкции детали и
подвесных приспособлений приведенная на схеме последовательность операций
может несколько изменяться. Пунктиром показаны дополнительные операции
для пористого осталивания. В отличие от хромирования шероховатость поверх-
ности под осталивание должна соответствовать 6 и 7 классам.
Прочность сцепления покрытия с металлом существенно зависит от пред-
варительной подготовки наращиваемой поверхности и, в частности, от декапи-
рования, т. е. анодной обработки детали, необходимой для очистки от окисных
пленок.
Обычно анодное травление ведут в электролите, состоящем из 365 г/л
30%-ного раствора серной кислоты и 30 г/л сернокислого железа. Катодом слу-
жит свинец или нержавеющая сталь. Обработку производят при температуре
18—25° С и плотности тока 60—80 А/дм2 в течение 20—30 с. Кроме анодного
декапирования применяют травление в 5—7 %-ном растворе соляной кислоты.
При этом важно соблюдать концентрацию соляной кислоты и время травления.
После декапирования деталь промывают в горячей воде и 0,5—2 мин выдер-
живают в ванне с электролитом, а затем включают ток. Сначала ток дают 10 —
25% от расчетного, а затем в течение 5—20 мин доводят силу тока до расчет-
ного значения. Детали не должны экранировать друг друга в ванне.
Расстояние от дна ванны до детали должно составлять 100—150 мм и от
верхнего уровня электролита до детали 50—100 мм. Аноды при электролизе
необходимо периодически извлекать из электролита и очищать стальной щеткой
от шлама под струей воды. Новые аноды предварительно промывают в воде,
159
Рис. 5.35. Схема технологического процесса ремонта деталей осталиванием
160
травят в соляной кислоте и очищают стальной щеткой. Чтобы предохранить
раствор от загрязнения травильным шламом, аноды помещают в чехлы из шер-
стяной ткани или стеклоткани.
Для осталивания деталей используют ванны с внутренним нагревом (на-
греватели находятся непосредственно в электролите) и внешним нагревом
электролита через масляную рубашку. Ванны с внутренним нагревом изгото-
вляют из химически стойких материалов с невысокой теплопроводностью (фао-
лит, кислотоупорный бетон, силикатные плиты на кислотоупорном цементе).
На ремонтных предприятиях больше всего применяют металлические
ванны с внешним подогревом; для стенок ванны используют кислотостойкие
металлы, а также металлические, эмалевые или специальные покрытия.
При получении пористых покрытий после анодной обработки проводится
дополнительная доводка поверхности для удаления бугорков, образующихся
после осталивания. В качестве доводочных операций применяют анодно-меха-
ническое шлифование, притирку чугунным притиром с пастой ГОИ и др. После-
дующая промывка детали струей керосина под давлением 4—5 кгс/см2 необхо-
дима для удаления из пор частиц абразива и металла.
Преимущества процесса осталивания:
1) исходные материалы, входящие в состав электролита, недефицитны и
дешевы;
2) выход металла по току составляет 75—95%;
3) скорость осаждения металла и толщина покрытия значительно выше,
чем при хромировании; твердые покрытия могут быть получены толщиной до
1 —1,2 мм, а мягкие толщиной до 2—3 мм и более;
4) механическую обработку покрытия после осталивания производят при
обычных режимах резания;
5) процесс осталивания устойчив, легко регулируется и может быть авто-
матизирован.
Недостатки процесса:
1) высокая коррозионная активность электролита;
2) сложность технологического процесса;
3) необходимость частой фильтрации электролита.
Осталивание применяют для наращивания изношенных поверхностен
гнезд подшипников в корпусных деталях, шеек валов, наружных поверхностей
бронзовых втулок, для повышения сцепления баббита с чугунными вкладышами
и т. д. (см. табл. 5.13).
Таблица 5.13
Область применения различных покрытий, получаемых при осталиваним
Покрытие Область применении
Мягкое Наращивание ремонтируемых втулок с предварительным их обжатием нара - щивание деталей с невысокой поверхностной твердостью, нанесение мягкого
Твердое слоя для приработки деталей Наращивание изношенных трущихся поверхностей, посадочных поверхно- стей под запрессовку и для восстановления посадки в сопряжениях, наращи-
Пористое ванне подслоя перед хромированием Восстановление поверхностей деталей, работающих при знакопеременных нагрузках и ограниченной смазке
161
11 Заказ 7 6.3
В некоторых случаях применяют двухслойные комбинированные покры-
тия. Например, когда требуется нарастить достаточно толстый слой металла
и в то же время обеспечить высокую износостойкость восстанавливаемой по-
верхности, производят сначала осталивание, а затем хромирование детали.
МЕДНЕНИЕ
Для меднения деталей применяют два типа электролитов: сернокислые и
цианистые. Последние обладают значительной токсичностью, в связи с чем на
ремонтных предприятиях применяются редко.
В состав сернокислых электролитов входит 200 г/л медного купороса и
50 г. л серной кислоты. Процесс ведется при температуре электролита 25—
30' С и плотности тока 0,5 А/дм2.
Аноды при меднении применяют растворимые. В качестве анода исполь-
зуют медные пластины из меди марки Ml, катодом является ремонтируемая
деталь.
Ванна для меднения облицовывается листовым свинцом. Предварительная
обработка наращиваемой поверхности состоит в шлифовании с последующим
обезжириванием и тщательной промывкой водой.
На ремонтных предприятиях меднение применяют при восстановлении раз-
меров бронзовых втулок, вкладышей подшипников, для облегчения приработки
трущихся поверхностей и т.п.
ТВЕРДОЕ НИКЕЛИРОВАНИЕ
Электролитический процесс осаждения никеля называется твердым нике-
лированием. Гальванически осажденный никель порист и имеет пониженную
пластичность. Твердость никелевых покрытий составляет 300 —600 кгс/мм2.
В зависимости от содержания фосфора в покрытии можно получить мато-
вые и блестящие осадки. При 2 %-ном содержании фосфора получают матовые
осадки, а при большем содержании — блестящие осадки.
Для получения матового покрытия применяют электролит следующего
состава (в г/л): NiSO,-7Н2О — 175; NiCl2-6H2O— 50; Н3РО,—50;
Н3РО3 - 1,3.
Процесс ведется при температуре электролита 75—95° С и плотности тока
5—40 А/дм2. Аноды применяют растворимые из никеля марки Н-1. Содержание
фосфора в покрытии увеличивается с уменьшением плотности тока.
Скорость осаждения никеля зависит от режима процесса и может достигать
100 мкм/ч. По сравнению с хромированием твердое никелирование характери-
зуется большим выходом металла по току и меньшим расходом энергии.
Вследствие невысокой твердости и малой износостойкости твердое никели-
рование преимущественно применяют для восстановления размеров поверхно-
стей в неподвижных сопряжениях, например, для восстановления посадочных
поверхностей деталей под подшипники.
§ 8. РЕМОНТ ДЕТАЛЕЙ ПАЙКОЙ
Пайкой называется процесс образования неразъемного соединения нагре-
тых поверхностей металла, находящихся в твердом состоянии, при помощи
расплавленных сплавов (припоев), имеющих меньшую температуру плавления
по сравнению с температурой плавления основного металла. Расплавленный
162
припой заливается в зазор между соединяемыми поверхностями и прочно со-
единяет их после охлаждения.
В качестве припоев используются металлы и сплавы, обладающие способ-
ностью хорошо смачивать соединяемые поверхности. Пайка делится на низко-
температурную, при которой нагрев в месте контакта соединяемых материалов,
и припоя не превышает 450° С, и высокотемпературную. Для низкотемператур-
ной пайки широко применяются оловянисто-свинцовые припои марок ПОС-ЗО,
ПОС-40, ПОС-50, ПОС-61 и другие с температурой плавления 220—280° С.
Эти припои используют для неответственных соединений, работающих при
невысоких температурах. Предел прочности на растяжение таких соединений
равен 2,8—3,2 кгс/мм3.
Для высокотемпературной пайки в качестве припоев используют медь,
серебро, никель и сплавы на их основе.Чаще других используются медно-цин-
ковые припои марок ПМЦ-36, ПМЦ-40, ПМЦ-54 с температурой плавления.
800-900° С.
Указанные припои позволяют получать швы с пределом прочности на рас-
тяжение 30—35 кгс/мм2.
Для получения высокопрочных соединений деталей из чугуна, стали или
меди, работающих при динамических нагрузках, в качестве припоя часто при-
меняют латунь марки Л-62 или Л-68. Предел прочности этих соединений на
растяжение составляет 30—32 кгс/мм2.
Процесс пайки включает в себя подготовку соединяемых поверхностей,
их прогрев до температуры, близкой к температуре плавления припоя, распла-
вление и нанесение жидкого припоя на соединяемые поверхности и заполнение
им рабочего шва.
Перед пайкой соединяемые поверхности необходимо тщательно очистить-
от загрязнений и окислов. Для этого применяют механическую обработку,
обезжиривание в щелочах и травление в кислотах. Для защиты соединяемых
поверхностей и удаления окислов, образующихся в процессе пайки, применяют
порошковые или жидкие флюсы. При низкотемпературной пайке в качестве
флюса применяют разбавленный раствор цинка в соляной кислоте. При высоко-
температурной пайке применяют флюс, состоящий из 80% буры и 20% борной
кислоты. После пайки остатки флюса удаляют промывкой в воде.
Для расплавления припоя и нагрева соединяемых поверхностей исполь-
зуют газовые горелки, паяльные лампы, или токи высокой частоты (при
высокотемпературной пайке) и электропаяльники (при низкотемпературной
пайке).
Пайку обычно применяют для ремонта деталей, имеющих механические
повреждения, и чаще всего для устранения трещин.
§ 9. РЕМОНТ ДЕТАЛЕЙ ПЕРЕЗАЛИВКОЙ
АНТИФРИКЦИОННЫМИ СПЛАВАМИ
Антифрикционные сплавы широко используются для заливки подшип-
ников скольжения, с целью снижения трения и уменьшения износа шеек
вала. Для этих целей применяют высокооловянистый баббит, свинцово-оловя-
нистые никелевый (БН) и теллуристый (БТ) баббиты, свинцовистую бронзу
и др.
Выбор материала зависит от удельных нагрузок и температуры на поверх-
ности подшипника в процессе работы. Для баббитов допустимые удельные
нагрузки нс должны превышать 75 кгс/см2, рабочая температура должна быть
11*
163
не более 100° С. Свинцовистая бронза используется при удельных нагрузках
200—250 кгс/см2 и температуре 140—160е С.
При эксплуатации подшипников, залитых баббитом, происходит изнаши-
вание залитого слоя, его выдавливание, появление трещин, выкрашивание
и отслаивание вследствие усталостного разрушения под действием цикличе-
ских нагрузок. Чем тоньше слой баббита, тем выше его физико-механические
свойства, в том числе усталостная прочность.
Процесс ремонта подшипников перезаливкой антифрикционным сплавом
состоит из подготовки подшипника к заливке, плавки баббита, заливки под-
шипника баббитом и механической обработки подшипника с последующим
контролем.
Обезжиривание подшипников производится в растворе каустической соды
при температуре 80 — 90° С в течение 10 мин. Затем подшипники промывают
в горячей воде и сушат. Изношенный слои баббита удаляют слесарно-механи-
ческой обработкой или выплавлением. Подогретый подшипник после обезжири-
вания и сушки погружают в тигель с расплавленными отходами баббита, а за-
тем для удаления остатков полуды его поверхность протирают асбестовой
щеткой. После очистки поверхности проверяют геометрические размеры вкла-
дышей (высоту, наружный диаметр, параллельность плоскостей разъема и др.).
Для защиты от окисления и удаления образовавшихся окислов поверх-
ности подшипника, на которые должен быть нанесен баббит, покрывают флю-
сом. В качестве флюса используется насыщенный раствор хлористого цинка
в воде.
Затем производят лужение или натирание поверхности подшипника при-
поями ПОС-ЗО или ПОС-40. Лужение осуществляют погружением подшипника
в тигель с расплавленным припоем, а натирание — стержнем из припоя; при
этом поверхность предварительно нагревают до температуры плавления
припоя.
После лужения подшипника рекомендуется сразу же начинать заливку
баббитом, чтобы не допустить окисления заливаемой поверхности. Для этого
предварительно в электротиглях расплавляют баббит. Перед загрузкой баб-
бита необходимо электротигель предварительно нагреть. Расплавленный баб-
бит в тигле засыпают слоем сухого хлористого цинка и древесного угля, в ре-
зультате чего ограничивается доступ к нему воздуха и уменьшается окисление.
Слой угля, состоящий из частиц не менее 5 мм, должен иметь толщину 20 —
30 мм. Обычно при плавке к свежему баббиту добавляют до 35% отходов в виде
литников и выплавленного баббита. Используют также баббитовую стружку,
предварительно очищенную от частиц железа, смоченную раствором хлори-
стого цинка и спрессованную после высыхания в брикеты. Температура баб-
бита при заливке должна быть 400° С — для Б-83 и 450° С для БН и БТ.
Заливку подшипника баббитом производят в формы или центробежным
способом. Перед установкой детали форму очищают от остатков баббита пре-
дыдущей заливки и нагревают до температуры 120—200° С (для баббита БН
и БТ). Вкладыш подшипника, нагретый до 260° С, после лужения немедленно
устанавливают в форму и приступают к заливке баббита. Струя баббита при
заливке должна быть короткой и непрерывной. Сразу же после заливки в сер-
дечник формы через штуцеры подается вода для быстрого охлаждения. Медлен-
ное охлаждение способствует росту кристаллов, ухудшающих механические
свойства баббита.
К недостаткам заливки в формы следует отнести низкую производитель-
ность и повышенный расход баббита.
164
6
Рис. 5.36. Приспособление для центробежной заливки подшип-
ника:
1 — упорный диск; 2 и 3 — диски; 4 — пружина; 5 — кожух; в — шту-
цер дин подвода воды; 7 — штуцер для отвода воды; 8 — рычаг
Более совершенной является центробежная заливка, осуществляемая
в специальном приспособлении (рис. 5.36). Обойма с вкладышами после луже-
ния устанавливается между дисками/ и 2, при вращении которых баббит под
действием центробежных сил равномерно распределяется по поверхности,
хорошо сцепляется с полудой, уплотняется, не имеет пузырей и раковин.
После заливки подшипники растачивают и контролируют. Перед расточкой
подшипник собирают с комплектом прокладок, а стяжные болты затягивают
с установленным усилием. После обработки число отдельных раковин не долж-
но превышать трех на каждой стороне подшипника, причем не допускаются
раковины глубже 1 мм и размером по поверхности более 2 мм.
При ремонте вкладышей подшипников, залитых свинцовистой бронзой,
кроме очистки и обезжиривания на поверхности, подвергаемой заливке, спе-
циальным инструментом создается ячеистая поверхность для лучшего удержа-
ния сплава.
§ 10. РЕМОНТ ДЕТАЛЕЙ
ПОЛИМЕРНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ
'Способ ремонта деталей полимерными покрытиями заключается в нанесе-
нии слоя полимерного материала па изношенную поверхность детали.
Существуют различные методы нанесения полимеров на поверхности дета-
лей машин. Выбор метода нанесения определяется природой полимерного
материала, его физическим состоянием при нанесении, толщиной покрытия,
габаритными размерами и формой детали.
При нанесении покрытий из расплавов полимеров обычно применяют метод
прессования и литье под давлением.
Прессование осуществляется на гидравлических или механических
прессах. Для прессования обычно используются пресспорошки из термореак-
тивных полимеров, т. е. таких полимеров, которые при отверждении переходят
165
п
Рис. 5.37. Схемы прессформы для нанесения полимер-
ных покрытий:
ч — методом прессования:
1 — пуансон, 2 — загрузочная камера для пластмассы, з —
крышка, 4 — корпус, 5 — электронагреватель; 6 — установоч-
ный выступ, 7 — деталь, 8 — выталкиватель, о — опорная пли-
та, J0 —покрытие’, б — методом литья'. 1 —литвин, 2 —
крышка, з — корпус, 4 — ремонтируемая деталь, 5 -- покры-
тие, 6 — капал для вьхода воздуха
в неплавкое и нерастворимое
состояния. Ремонтируемую
деталь, предварительно очи-
щенную и обезжиренную,
помещают в обогреваемую
прессформу определенной
формы и размеров , и в по -
лость между восстанавлива-
емой поверхностью и пресс-
формой засыпают пресспо-
рошок (рис. 5.37, а).
При повышенной темпе-
ратуре порошок приобретает
пластичность и под дейст-
вием давления заполняет все
зазоры, прочно соединяясь
с поверхностью детали.
Основные параметры
процесса прессования — тем-
пература, давление и время выдержки. При повышении температуры увели-
чивается текучесть полимера и ускоряется протекание процесса формирова-
ния покрытия. Время выдержки детали под давлением зависит от скорости
нагревания детали, скорости перехода полимера в твердое и неплавкое
состояние и формы детали. Режимы прессования обычно устанавливают
опытным путем.
Литье под давлением применяется для нанесения покрытий
из термопластичных полимеров, которые при нагревании переходят сначала
в пластическое, а затем в вязкотекучее состояние, а при охлаждении — вновь
в твердое. Литье под давлением осуществляется на специальных литьевых
машинах. Ремонтируемую деталь предварительно очищают от загрязнения,
обезжиривают, а затем устанавливают в прессформу (рис. 5.37, б). Собран-
ную прессформу вместе с деталью устанавливают на литьевой машине, а гра-
нулы полимерного материала засыпают в бункер литьевой машины.
Процесс состоит из следующих операций: дозирование полимерного мате-
риала, нагрев и расплавление материала в цилиндре литьевой машины до вязко-
текучего состояния, вспрыск под давлением порции расплавленного материала
через сопло и литниковые каналы в сомкнутую прессформу, охлаждение де-
тали в форме, размыкание формы и снятие детали.
Основные технологические режимы формирования покрытий из некоторых
полимерных материалов методами литья под давлением и прессования приве-
дены в табл. 5.14.
При формировании покрытий из растворов полимеров полимерный мате-
риал наносят распылением, окунанием, шпателем или центробежным способом.
При использовании порошковых полимерных материалов применяют
электростатический, струйный и вихревой способы нанесения.
Способ электростатического распыления порошков полимеров широко
распространен в отечественной промышленности и за рубежом. При подаче
на головку распылителя постоянного тока (положительного знака) высокого
напряжения частицы полимера путем контактной передачи при движении
в распылителе приобретают заряд. Заряженные частицы под действием сило-
вых линий электрического поля движутся к детали, заряженной противополож-
166
Таблица 5.14
Технологические режимы формирования покрытий из полимерных материалов
Пластмасса Литье под давлением Прессование
Температура, °C Давление, кгс/смI 2 Температура, °C Давление, кгс/см2
Полиамид: №68 220—250 150—200
№ 54 180-200 150—200 —
№ 548 170-180 150—180
Полиуретан ПУ-1 180—185 150—180 — —
Полистирол 185—230 140-200 — —
Прессматериал «Волокнит» . — — 160—170 300—400
Прессматериал КФ-3 . . . — — 175—185 450
Полиэтилен 160-180 200 — —
ным знаком (отрицательным), и оседают на ней (рис. 5.38). Электростатический
способ позволяет управлять процессом нанесения покрытия, что обеспечивает
его автоматизацию.
Сущность струйного напыления заключается в нанесении порошка на
предварительно нагретую деталь из пневматического распылителя. Способ
простой, достаточно производительный и позволяет получать покрытия хо-
рошего качества.
При вихревом нанесении деталь, нагретая несколько выше температуры
плавления полимера, погружается в ванну, в которой порошок полимера нахо-
дится в псевдоожиженном состоянии (рис. 5.39). Частицы полимера, соприка-
саясь с горячей деталью, прилипают к поверхности. После удаления из ванны
и дополнительного нагрева детали прилипшие частицы расплавляются и рас-
текаются по поверхности, образуя ровное покрытие. При нанесении порошков
из термореактивных полимеров после оплавления необходимо провести отвер-
ждение покрытия, так как неотвержденные покрытия хрупки и нередко само-
произвольно растрескиваются. Нанесение покрытия в псевдоожиженном слое
отличается технологичностью, высокой производительностью, легко автомати-
зируется. Указанным способом можно покрывать детали достаточно сложной
Рис. 5.38. Схема установки для электростатического напыления
полимерных покрытий:
I — ниппель дли подиодл поздуха под пористую перегородку; 2 — по-
Ijiicthu перегородка; Д —сопло; 4 — корпус; Д — штпг; 6 —пистолет-рас-
пылитель; 7 — ремонтнрусмап деталь; я— расширитель; 9 —порошок
167
Рис. 5.39. Схема установки
для нанесения покрытий в
псевдоожиженном слое:
1 — труйка для подиода воздуха;
2 — подвеска; <3 — корпус: 4 —
ремонтируемая деталь; — по-
ристая перегородка; « — порошок
Преимущества ремонта
формы. Качество покрытий, полученных этим
способом, во многом зависит от состояния псев-
доожиженного слоя.
Образование эффективного псевдоожижен-
ного слоя достигается в результате:
1) равномерного давления газа на порошок,
находящийся в специальной емкости;
2) вибрации емкости, в которую помещен
порошок-,
3) вибрации детали в емкости с порошком;
4) прерывистой подачи воздуха под пористую
перегородку, закрепленную на свободно кача-
ющихся эластичных опорах.
Полимерные покрытия применяют для вос-
становления размеров изношенных поверхностей,
устранения механических повреждений, повыше-
ния антифрикционных, противокоррозионных
и других свойств поверхности.
В табл. 5.15 приведены физике-механические
свойства полимерных покрытий, применяемых
для восстановления изношенных поверхностей,
деталей полимерными покрытиями:
1) простота технологического процесса;
2) высокая химическая стойкость покрытия;
3) достаточно высокая износостойкость даже при отсутствии смазки.
Недостатки полимерного покрытия:
1) невысокая теплостойкость, в большинстве случаев не превышающая
200-250° С;
2) небольшие допускаемые удельные нагрузки.
Таблица 5.15
Физико-механические свойства полимерных покрытий, применяемых в узлах трения
Показатели Фторопласт 3 Полиамид П-68 Полика- проамид (капрон) Лавсан (тери- лен) Пента- пласт Поликар- б онат
Твердость по Бринелю, кге/мм2 Предел прочности на из- 10—43 10-13 10-12 — 7-9 15-16
гиб, кгс/см2 Относительное удлине- 600—800 800—900 900 1500 500-700 800—1200
ние, % Модуль упругости при 20—200 100 200 50-70 35 60—70
изгибе, кгс/см2 .... Удельная ударная вяз- 11 600—14 500 2300 500 — 14 000 22 000
кость, кгс-см2/см2 . . Максимальная темпера- 4-60 100-120 150—170 — 35,40 135—160
тура эксплуатации,°C 170 120 120 — 120 130
§ 11. РЕМОНТ ДЕТАЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Склеивание металлов основано на способности некоторых неметаллических
материалов образовывать достаточно прочные связи с металлом. Клеи для ме-
таллов обычно приготовляют на основе термореактивных или термопластич-
168
ных полимеров, которые после отверждения обладают достаточно высокой меха-
нической прочностью (когезионная прочность) и хорошим сцеплением с метал-
лами (адгезионная прочность).
Клеи на основе термореактивных полимеров позволяют получать прочные
и теплостойкие соединения. По отношению к тепловому воздействию они явля-
ются необратимыми системами. Клеи этой группы применяют в силовых метал-
локонструкциях.
Клеи на основе термопластичных полимеров обладают меньшей проч-
ностью и более низкой теплостойкостью. С повышением температуры подобный
клеевой слой размягчается и склеенные поверхности разъединяются. Приме-
няют их для несиловых конструкций, работающих при невысоких темпера-
турах.
По внешнему виду клеи для металлов можно разделить на жидкие, пасто-
образные, пленочные и порошкообразные.
В зависимости от температуры отверждения клеи делятся на составы
холодного и горячего отверждения.
Клеи холодного отверждения не требуют специального прогрева в процессе
склеивания. Однако они обладают меньшей прочностью и более низкой тепло-
стойкостью по сравнению с клеями горячего отверждения.
Клеи могут быть однокомпонентными и многокомпонентными. Одноком-
понентные клеи приготовляют на химическом предприятии и поставляют потре-
бителю в готовом виде, многокомпонентные — приготовляют перед употреб-
лением.
В состав многокомпонентного клея, помимо основного связующего веще-
ства, могут входить: отвердители клеевого состава, растворители, препятст-
вующие преждевременному отверждению 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 старения в клеевом слое при эксплуатации.
Для склеивания металлов используется большое число различных клеев
(табл. 5.16 и 5.17). Наибольшее применение в нагруженных металлоконструк-
циях нашли клеи на основе феноло-формальдегидных, эпоксидных, полиурета-
новых, полиамидных, полиэфирных и кремнийорганических смол. Соединения
металлов на этих клеях различны по физико-механическим свойствам и техно-
логии изготовления.
Выбор клея в каждом конкретном случае должен определяться конструк-
цией склеиваемого узла, условиями его эксплуатации и производственными
возможностями ремонтного предприятия. Как видно из табл. 5.16 и 5.17, клеи,
которые обладают более высокой механической прочностью и повышенной
теплостойкостью, требуют при отверждении повышенную температуру и боль-
шие контактные давления, что в большинстве случаев может быть обеспечено
только в условиях ремонтных баз. Другая часть клеев, обладая несколько
меньшей прочностью и теплостойкостью, может отверждаться при комнатной
температуре и без высоких контактных давлений, что позволяет использовать
эти клеи непосредственно в условиях эксплуатации бурового и нефтегазопро-
мыслового оборудования.
Физико-механические свойства клеевых соединений металлов сущест-
венно зависят от совершенства технологии склеивания.
Основными операциями процесса склеивания являются:
I) подготовка металлических поверхностей к склеиванию;
169
Т 11б.'1'1цп 5.1а
Марки клеев и физико-мехаиичсскис евойства клеевых соединений
Марка клея Марка стали (склеиваемый материал) Предел прочности, кгс/см2 йкисть, 'я.;
при рапномерном отрыве и сдвиге при иеравномер- 1 ном отрыве при сдвиге пос- ле воздействия поды в течение 1]
Q
Температура испытания, £С пост
-60 20 60 too 150 200 20 2V н
ЦК-32-200 ЗОХГСА 450 250 — — 90 40 160 200
370 220 190 150 но 90
В К-32-250 ЗОХГСА 400 210 — 105 80 60 150 250
350 190 170 140 80
ВК-3 1Х18Н9Т 500 200 130 110 НО 70 150 200
450 200 150 70 50
В К-4 ЗОХГСА 400 180 130 90 32 140 300
300 175 170 150 110
БФ-2 45 230 500 150 90 60 50 30 185 60
110 250 140 20
ВС-ЮТ ЗОХГСА — 590 520 400 160 300 140 200 100 12 115 200
145 190 175
ВС-350 ЗОХГСА — 350 185 300 250 180 210 165 150 110 7 150 200'
140 180
ПУ-2 45 500 350 250 130 75 40 170 60
230 280 215 100 30
МПФ-1 1Х18Н9Т 500 350 160 — 80 75 60
170 250 100 65
В К-2 ЗОХГСА — То — — — 6(7 9 — 700
В К-6 ЗОХГСА — 120 — — — 60 10 — 700
ПК-5 1Х18Н9Т 80 150 80 70 60
65 150 70
В К-1 ЗОХГСА 850 230 800 210 560 230 240 300 85 — 24 130 150
ВК-32-ЭМ 45 ООО 490 275 20 160 70
250 270 □и
Эпоксид ПР 1Х18Н9Т 500 310 490 340 450 355 390 320 "30 — 19 200 100
К-153 45 225 260 170 — — 115 60
90 170 80 55
Л-4 ЭИ-654 223 135 20 50 60
20 60 10
Примечание. В числителе дроби указан предел прочности при равномерном отрыве.,
в знаменателе—при сдвиге.
170
Таблица 5.17
Основные режимы склеивания
Тип клея Марка клея Вид клея Число слоев Открытая выдержка после нанесения клея Удельное давление при от- верждении, кгс/см2 Температура отверждения, °C Время отверждения, ч
после пер- вого слоя после вто- рого слоя
температура, °C время,ч температура, °C | время, ч
Феноло- В К-32-200 Жидкий 2 20 0,5 20 65 0,5 1,5 0,5 1,5 6-20 180 1—2
каучуке-
вый В К-32-250 » 2 20 0,5 2U 65 6-20 200 1-2
В К-3 » 2 20 0,5 20 65 0,5 1,5 5-10 170 1
БК-4 » 2 20 0,5 20 65 0,5 1,5 10—20 200 2
Феноло- БФ-2 » 2-3 20 60 1,0 0,25 20 60 1,0 0,25 5—10 160 1
поливинил- 90 1,0
ацетатный ВС-ЮТ » 2 20 1,0 20 1,0 0,6—2 180 2
Полиурета- ПУ-2 Пастооб- 1 20 0,3 — — 0,5-5 ЦО или 20 3-4 30
НОВЫЙ разный
0,5 20 0,25 160
Полиамид- МПФ-1 Жидкий 2 20 0,25 60 0,25 1—5 1
ный 90 0,25
20 1,0 250
Кремний- В К-2 )> 2 20 1,0 50 1,0 2-5 3
органи- ческий В К-6 )> 2 20 60 1,0 1,0 — — 5-8 200 3
Полиэфир- ПК-5 » 1 20 0,7 — — 0,5-5 80 6
пый
Эпоксидный В К-1 » 1 — — — — 0,5-2 150 2
ВК-32-ЭМ Пастооб- 1 — — — — 0,5—2 150 3
Эпоксид разный Пруток 1 — — — — 0,5-3 180 2
Пр К-153 Жидкий 1 — — — — 0,5—2 120 или 20 4 24
Л-4 )> 1 — — 0,5—2 120 или 4
20 96
Примечание. Дробью указана последовательность ступенчатого режима сушки отдельных
слоев клея, т. е. температура и соответствующее ей время выдержки._______________________
171
2) приготовление клеевого состава;
3) нанесение клея на поверхность (способ нанесения клея, его количество
и режимы подсушивания нанесенного клея перед соединением поверхностей);
4) отверждение клеевого слоя (продолжительность выдержки, температура
и давление в процессе отверждения).
Подготовка поверхности к склеиванию предусматривает тщательную ее
очистку, удаление поверхностных окислов, увеличение фактической площади
поверхности и повышение ее активности. Загрязнения и масляные пленки
ухудшают смачивание поверхности клеем, уменьшают адгезию, а следовательно,
снижают прочность соединения. На ремонтных предприятиях применяются
механические и физико-химические методы очистки.
Из механических методов нашли применение:
1) очистка ручными инструментами (скребками, абразивным кругом , шабе-
ром, металлическими щетками, абразивной шкуркой);
2) пескоструйная, дробеструйная и гидропескоструйная обработки;
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 органические
растворители или их смеси. Минеральные масла и животные жиры удаляют
бензином или ацетоном. Для обезжиривания 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 правиль-
ности дозировки отдельных компонентов в процессе приготовления клея и от
тщательности перемешивания клеевой смеси.
Многокомпонентные клеи можно разделить на две основные группы. К пер-
вой группе относятся клеи, представляющие собой растворы различных поли-
меров или их смесей в органических растворителях. Смесь готовят в сосудах
из нержавеющей стали, оборудованных мешалками. Готовую смесь фильтруют
для очистки от посторонних примесей. Ко второй группе относятся клеи на
основе синтетических смол, отверждающиеся при введении специальных доба-
вок, в частности, клеи на основе эпоксидных смол.
Технология приготовления эпоксидных клеев заключается в последова-
тельном введении в эпоксидную смолу отдельных компонентов. Обычно про-
цесс приготовления начинается с введения пластификатора. В эпоксидную
смолу (лучше подогретую до 50—60° С) вводят в соответствии с рецептом тре-
буемое количество пластификатора и смесь тщательно перемешивают.
Наполнитель вводят в клеевую смесь постепенно, небольшими порциями
при одновременном тщательном перемешивании для обеспечения полного сма-
чивания отдельных частиц наполнителя.
«Жизнеспособность» приготовленных эпоксидных клеев холодного отвер-
ждения, т. е. пригодность их к применению, обычно не превышает 1—2 ч,
поэтому отвердитель следует вводить в клеевой состав непосредственно перед
употреблением. В некоторых случаях для увеличения «жизнеспособности»
эпоксидных клеев холодного отверждения применяют комбинированные отвер-
дители, представляющие собой смесь отвердителей холодного и горячего отвер-
ждения. Эпоксидные клеи горячего отверждения могут длительно сохраняться
в готовом для применения виде.
172
Толщина клеевого слан, мм
Рис. 5.40. Прочность клеевого соединения в зависимости от толщины слоя клея:
1 — эпоксидный клей; 2 — клей ВС-ЮТ
Рис. 5.41. Зависимость прочности соединения металлов на клее ВК-3 от времени отвержде-
ния клеевого слоя при температуре ISO4 С
Способ нанесения клея на металлическую поверхность зависит от его вяз-
кости, условий производства, формы и площади склеиваемых поверхностей.
Жидкие клеи в зависимости от их вязкости наносят на склеиваемые поверх-
ности кистью, шпателем, мастерком, роликом, клеевыми вальцами, поливом,
распылением из пульверизатора или погружением деталей в клей. Распыление
целесообразнее применять при склеивании больших поверхностей. Для сниже-
ния вязкости клея применяют соответствующие растворители. Клей наносят
на обе склеиваемые поверхности для лучшего заполнения неровностей.
Клей, содержащий растворители, наносят на поверхность несколькими
слоями с открытой выдержкой каждого слоя для удаления растворителя. Про-
должительность открытой выдержки и температура зависят от марки клея
(см. табл. 5.17).
Все более широкое применение при склеивании металлов находят плеЕгоч-
ные клеи, которые обычно накладывают на подслой жидкого клея той же марки.
Сначала наносят на склеиваемые поверхности слой жидкого клея, дают откры-
тую выдержку, затем клеевую пленку закладывают между соединяемыми по-
верхностями и производят отверждение клеевого слоя при соответствующих
режимах. Количество клея, наносимого па металлическую поверхность, зави-
сит от физико-химических свойств клея, плотности прилегания склеиваемых
поверхностей и их шероховатости. Необходимо учитывать, что толщина клее-
вого слоя оказывает большое влияние на прочность соединения. С увеличением
толщины слоя прочность соединения снижается, что связано с ростом внутрен-
них напряжений и увеличением числа дефектов в полимерной прослойке.
Для клеев с испаряющимися растворителями увеличение толщины слоя
вызывает более резкое падение прочности соединения из-за неравномерности
распределения полимера в слое и проявления масштабного фактора (рис. 5.40).
Применение полимеризующихся клеев, типа эпоксидных, характеризу-
ющихся незначительной усадкой, позволяет получать более толстый и менее
дефектный клеевой слой, обеспечивающий достаточно высокую прочность со-
единения. Для большинства клеев оптимальна клеевая прослойка толщиной
0,05—0,1 мм.
Рис. 5.42. Зависимость прочно-
сти клеевого соединения от дли-
ны нахлестки
Рис. 5.43. Схемы клеевых соеди-
нений листовых материалов, труб
и валов
Эксплуатационные свойства клеевых соединений в значительной степени
зависят от условий отверждения клеевого слоя и, в частности, от темпера-
туры, давления и продолжительности процесса отверждения (рис. 5.41). Для
различных клеев условия отверждения могут значительно отличаться (см.
табл. 5.17). При использовании клеев, отверждение которых сопровождается
испарением растворителя или выделением других побочных веществ, необхо-
димо в процессе отверждения создавать значительные контактные давления
с целью компенсации усадки клеевого слоя и обеспечения его большей плот-
ности. Наибольшее давление требуется при использовании пленочных клеев.
Для клеев типа эпоксидных, отверждающихся при незначительных усад-
ках без выделения побочных веществ, не требуются большие контактные давле-
ния; необходимо лишь обеспечить более равномерную толщину клеевого слоя
и постоянный контакт склеиваемых поверхностей на время отверждения клее-
вого слоя.
Для создания контактных давлений при ремонте в полевых условиях
используют струбцины, хомуты, пружинные или винтовые зажимы и другие
приспособления; на ремонтных предприятиях применяют прессы, автоклавы и
вакуумные резиновые мешки.
Для тепловой обработки используют электрические контактные ленточные
нагреватели, газовые или электрические камеры, инфракрасные лампы, горя-
чие плиты, подогреваемые трубчатыми электронагревателями, и индукцион-
ные нагреватели.
Значительное влияние на прочность клеевых соединений оказывают кон-
структивные факторы и, в частности, форма и размеры клеевого соединения.
В клеевых соединениях типа «нахлестка» прочность соединения при сдвиге
существенно зависит от4толщины склеиваемых деталей и длины клеевого слоя
в|направлении сдвигающих усилий. Предел прочности клеевого соединения
при сдвиге падает по мере увеличения длины нахлестки, что связано с неравно-
мерным распределением напряжений по длине (рис. 5.42). С увеличением тол-
474
щины склеиваемых деталей и неизменной длине нахлестки
предел прочности клеевого соединения при сдвиге возрастает.
Наибольшей прочностью обладают соединения, рабо-
тающие на равномерный отрыв или «чистый» сдвиг. На
рис. 5.43 представлены наиболее распространенные схемы
клеевых соединений листовых материалов, труб и валов.
На ремонтных предприятиях склеивание применяют
для следующих работ:
1) соединение частей разрушенных деталей;
2) заделка трещин, свищей и раковин;
3) посадка втулок в гнезда взамен запрессовки, при-
варки и пайки;
4) восстановление и упрочнение прессовых посадок
подшипников качения и скольжения;
5) фиксация сменных деталей;
6) наложение заплат;
7) герметизация неплотностей в резьбовых, фланцевых
и сварных соединениях;
8) наклеивание фрикционных накладок.
В практике ремонта бурового и нефтегазопромыслового
оборудования эпоксидные клеи используют для ремонта
нефтяных резервуаров, трубопроводов и трубопроводной
арматуры, насосного и компрессорного оборудования и тепло-
обменной аппаратуры.
Рис. 5.44. Рабочее
колесо центробеж-
ного насоса, отре-
монтированное с
применением кле-
евого соединения:
1 — рабочее колесо;
2 — кольцо; .3 —
клеевой слой
Таблица 5.1$
Составы эпоксидных клеев холодного отверждения
Состав клея Режим отверждения
Компоненты Число весо- вых частей
Смола ЭД-5 100 25 + 10° С; не менее 24 ч
Дибутилфталат 10—15 ИЛИ
Полиэтиленполиамин 12 80+ 5° С; 5-7 ч
Алюминиевая пудра 10
Смола ЭД-6 100 25 + 10° С, не менее 24 ч
Дибутилфталат 10 ИЛИ
Гексаметилендиамин 8-10 80 + 5° С; 5—7 ч
Алюминиевая пудра 10
Смола ЭД-5 100 25 + 10° С; не менее 48 ч
Низкомолекулярная полиамидная смола ИЛИ
марки Л-19 60-100 80 + 5° С; 6 ч
Алюминиевая пудра 10 100+ 5° С; 3-4 ч
Смола ЭД-5 100 25 + 10° С; не менее 48 ч
Дибутилфталат 15 ИЛИ
Кубовый остаток гексаметилендиамин а 25 100 + 5° С; 3—4 ч
Алюминиевая пудра 10
Смола ЭД-6 100 25 + 10° С: не менее 24 ч
Дибутилфталат 15—20 ИЛИ
Пылевидный кварц 100 100+ 5° С; 3—4 ч
Полиэтиленполиамин 10-15
175
На рис. 5.44 представлено рабочее колесо центробежного насоса, отремон-
тированное способом дополнительных ремонтных деталей с применением клее-
вого соединения.
Широкое применение находят эпоксидные клеи при ремонте двигателей
внутреннего сгорания и компрессоров, в частности, для устранения мелких
и глубоких коррозионных раковин на внутренней полости рубашки цилиндра
и в колодцах анкерных шпилек, сквозных трещин на боковой поверхности
блока цилиндров, глубоких коррозионных раковин на наружных поверхно-
стях гильз блока цилиндров, сквозных трещин и пор в картере двигателя и
в крышках блока, а также для устранения других повреждений.
Некоторые применяемые для этих целей составы эпоксидных клеев при-
ведены в табл. 5.18.
Применение клеев значительно упрощает технологический процесс ре-
монта деталей, ускоряет его и снижает стоимость ремонта.
Недостатки клеевых соединений:
1) невысокая температура эксплуатации, не превышающая 200—300° С;
2) низкая прочность при неравномерном отрыве;
3) склонность к «старению» при воздействии различных внешних факторов.
§ 12. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО СПОСОБА
РЕМОНТА ДЕТАЛЕЙ
Выбор способа ремонта определяется характером дефекта, материалом
детали, особенностями ее конструкции и технологии изготовления, условиями
работы. На выбор способа ремонта существенное влияние оказывают технико-
экономические показатели, которые определяются производительностью про-
цесса ремонта, стоимостью применяемых материалов и оборудования, серий-
ностью ремонтного производства, степенью повышения долговечности детали
в результате ремонта и упрочнения, а также санитарно-гигиеническими усло-
виями труда.
Анализ технологических возможностей различных способов ремонта де-
талей машин показывает, что значительная часть поврежденных деталей
может быть не только отремонтирована, но и упрочнена с повышением ресурса
по сравнению с ресурсом новых деталей. Поэтому при выборе наиболее раци-
онального способа ремонта следует учитывать не только стоимость ремонта,
но и изменение безотказности отремонтированной детали по сравнению с новой.
В. В. Ефремовым рекомендована следующая методика выбора рациональ-
ного способа ремонта деталей машин:
1) устанавливают перечень технически возможных способов ремонта
детали;
2) на основании программы ремонтного предприятия определяют размер
партии ремонтируемых деталей;
3) разрабатывают технологические процессы ремонта деталей различными
входящими в перечень способами и определяют стоимость ремонта при исполь-
зовании каждого из способов на конкретном предприятии;
4) учитывая, что рациональным способом ремонта, очевидно, будет не толь-
ко самый дешевый, но и обеспечивающий увеличение межремонтного периода,
следует связать эти оба фактора. С этой целью вводится коэффициент
176
где Ср — стоимость отремонтированной детали, руб; х — коэффициент срав-
нительной износостойкости детали, равный отношению ресурса отремонтиро-
ванной детали Zp к ресурсу новой детали ZH.
Величина ZH определяется на основании испытаний на износ новых деталей;
величина Zp для различных способов ремонта определяется на основании срав-
нительных испытаний на износ образцов в условиях, близких к эксплуата-
ционным.
Чем меньше значение а, тем более рационален способ ремонта.
М. А. Елизаветин рекомендует выбирать наиболее рациональный способ
ремонта по нескольким показателям или по одному обобщающему показателю,
например, по относительной стоимости, т. е. стоимости ремонта детали, отне-
сенной к ресурсу после ремонта. Рассмотрим некоторые из этих показателей.
Показатель экономической целесообразности
, Си С„
------Г,-,
н
где С„ — стоимость новой детали, руб; Сн — стоимость отремонтированной
той же детали выбранным способом, руб.
Наиболее рациональным способом следует считать тот, при использовании
которого величина кэ будет больше.
Показатель изменения ресурса
Сравнивая значения величины кэ н при различных способах ремонта,
следует выбирать тот, при котором величина к3 н будет меньше.
ГЛАВА 6
МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
Для увеличения долговечности деталей бурового и нефтегазопромысло-
вого оборудования необходимо проводить комплекс конструкторских, техноло-
гических и эксплуатационных мероприятий.
Известно, что детали машин в процессе работы воспринимают наибольшие
нагрузки своими поверхностными слоями. Явления изнашивания, влияющие
в значительной степени на долговечность, развиваются на поверхностях тре-
ния сопряженных деталей. В верхних слоях рабочих поверхностей деталей
нагрузки вызывают внутренние напряжения растяжения, сжатия, изгиба
или кручения в чистом виде или в определенных сочетаниях, и поломки дета-
лей в процессе эксплуатации часто носят усталостный характер.
В результате усталостного разрушения выходят из строя многие детали
бурового и эксплуатационного оборудования — втулочно-роликовые цепи,
детали талевой системы, проволочные канаты, коленчатые валы, шатунные
болты, клапанные пружины, насосные штанги и др.
Поскольку наибольшая концентрация напряжений наблюдается в верх-
них слоях металла, усталостная прочность деталей зависит от состояния и меха-
нических свойств этих слоев. Установлено, что физико-механические свойства
12 Заказ 7G3
177
и микрогсомстрия поверхностного слоя детали определяют ее износостойкость,
коррозиоппостойкость и усталостную прочность. В связи с этим значительное
распространение получили различные методы поверхностного упрочнения
деталей машин.
Под упрочнением понимается повышение сопротивляемости материала
или заготовки разрушению или остаточной деформации (ГОСТ 18295—72).
Методы упрочнения применяют как при изготовлении новых деталей машин,
так и ири их ремонте.
Известно, что свойства поверхностных слоев деталей машин после чистовой
обработки и упрочнения значительно отличаются от свойств глубоких слоев
металла. Благодаря упрочнению, нередко можно применять дешевые углеро-
дистые стали взамен дорогих, легированных.
Таблица 6.1
Характеристика, внешний вид и профилограммы поверхностей деталей
после механической обработки
178
Широкое применение получили разнообразные методы чистовой и сверх-
чистовой механической обработки сопряженных деталей для получения опти-
мального микрорельефа поверхностей трения: точение, фрезерование, строга-
ние, шлифование, протягивание, хонингование, притирание, полирование
и т. п. В табл. 6.1 показаны внешний вид и профилограммы поверхностей дета-
лей после их механической обработки различными методами. Очевидно, пра-
вильно назначить метод чистовой обработки можно только при учете оптималь-
ной величины шероховатостей, образующихся в процессе работы деталей, и
свойств поверхностных слоев металла, получаемых в зависимости от метода
механической обработки (см. табл. 6.2, составленную по данным А. А. Ма-
талина).
Таблица 6.2
Поверхностное упрочнение стальных деталей при механической обработке
Метод обработки Степень наклепа, т. е. НВ поверх- пности 100, % НВ сердце- вины Глубина наклепа, мкм
среднее значение наиболь- шее значение среднее значение наиболь- шее значение
Точение обычное п скоростное 120—150 200 30—50 200
Тонкое точение 140—180 200 20—60 —
Фрезерование торцевое 140—160 200 40-100 200
» цилиндрическое 120—140 180 40—80 110
Сверление и зенкерование 160—170 — 180—200 250
Развертывание — — — 300
Протягивание 150—200 — 20-75 —
Зубофрезерование и зубодолбление 160—200 — 120—150 —
Шевингование зуба Шлифование круглое: — — До 100 —
незакаленпая углеродистая сталь 140—160 200 30—60 —
малоуглеродистая сталь 160—200 250 30-60 —
закаленная сталь 125—130 — 20—40 —
Шлифование плоское 150 — 16-35 —
Притирка пастами ГОИ 112—117 — 3—7 —
Так, при обработке поверхности шлифованием и полированием, устраня-
ющей неровности, которые служат концентраторами напряжений, повышается
усталостная прочность детали. Для деталей, работающих в условиях значи-
тельных динамических и знакопеременных нагрузок, обработка поверхности
шлифованием и полированием не обеспечивает достаточной усталостной проч-
ности. Такая обработка также недостаточна для деталей, на поверхности кото-
рых имеются технологические концентраторы напряжений — выточки, гал-
тели и др. Поверхности таких деталей дополнительно упрочняют более эффек-
тивными методами упрочняющей обработки: термической, химико-термической,
электро-искровой, пластическим деформированием и нанесением износостой-
ких материалов.
Назначение метода упрочняющей обработки зависит от условий работы
детали в машине и ее технологических особенностей (материала, формы,
12* 179
габаритов и др.). Только с учетом возможностей каждого метода упрочнения,,
технико-экономических соображений и указанных выше факторов, можно
принять оптимальное решение в каждом конкретном случае.
§ 1. УПРОЧНЯЮЩАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Поверхностная закалка — один из видов упрочняющей тер-
мической обработки стальных и чугунных деталей; поверхностный слой нагре-
вают с большой скоростью выше температуры фазового превращения, затем
быстро охлаждают, и получают мартенситную структуру. Закалка позволяет
значительно повысить прочность и износостойкость деталей. Прочность угле-
родистой стали можно увеличить обычной закалкой и отпуском в 1,5—2 раза,
а легированной стали даже в 2—3 раза.
Существуют три основных способа поверхностной закалки: с нагревом
газокислородным пламенем (пламенная закалка), с нагревом токами высокой
частоты и с нагревом в электролите.
Наиболее старый и простой способ — пламенная поверхностная закалка
(ППЗ). Нагрев при ППЗ осуществляется горелками ацетилено-кисло родного
пламени, природного газа, паров керосина и других газов; для охлаждения
используется вода или эмульсия.
На рис. 6.1 приведены технологические схемы ППЗ.
Обычно применяются три основных способа:
1) одновременные нагрев и закалка всей поверхности, подвергаемой упроч-
нению;
2) непрерывно-последовательные нагрев и закалка при перемещении го-
релки или упрочняемой детали;
3) последовательный нагрев, при котором нагрев и закалка осуществля-
ются отдельными участками на упрочняемой поверхности.
Рис. 6.1. Схемы способов
пламенной поверхностной за-
калки:
а — стационарный; б — быстрого
вращения; в — непрерывно-после-
довательный; г — комбинирован-
ный кольцевой; д — комбиниро-
ванный спиральный; 1 — изделие;
2 — горелка; 3 — разбрызгиватель
180
Для нагрева закаливаемой поверхности используют обычные сварочные
горелки, в которых сварочный мундштук заменяется щелевидным или много-
факельным, а также специальные горелки.
Для пламенной поверхностной закалки цилиндрических поверхностей
обычно применяют токарные станки, обеспечивающие вращение детали и посту-
пательное движение горелки. При серийном производстве рационально ис-
пользовать специальные установки.
Пламенную поверхностную закалку можно применять при упрочнении
деталей широкой номенклатуры, изготовленных из углеродистых сталей и
чугуна (табл. 6.3).
Таблица 6.3
Режимы пламенной поверхностной закалки сталей
Марка стали Температура нагрева при закалке, °C Охлаждающая среда Твердость после закалки НЯС Глубина закалки, мм
35 880-900 Вода 55 4
40 870-890 » 58 4
45 860—880 » 60 4
50 850—870 » 61 4
55 840—860 » 62 4
60 820—840 » 63 4
70 800-820 » 64 4
40Г 820—840 » 58 5
45Г 820—840 » 60 5
35Г2 820—840 Вода+воздух 55 6
40Г2 820—840 То же 58 6
35 X 860—880 Вода 55 4
40Х 840—860 » 58 4
40ХГ 830-870 Вода+воздух 58 5
35ХМ 830-850 То же 55 10
ШХ9 750—780 » 62 5
111X15 750—780 » 62 5
Лучшие результаты получаются при закалке сталей, содержащих 0,35—
0,7% углерода. Пламенная поверхностная закалка чугунов дает эффект, когда
в упрочняемом металле содержится не менее 0,5% связанного углерода, а общее
количество углерода и кремния не превышает соответственно 3,3 и 2%
(табл. 6.4).
Таблица 6.7
Режимы пламенной поверхностной закалки чугунов
Класс и марка чугуна Температура нагрева при закалке, °C Охлаждающ; «/< среда ТКСРДОСТЬ If ОСЛО закалки
Серый СЧ 18-36 . . . 800—870 Вода 430—500
Модифицированный СЧ 28-48 800—850 » 480—530
Ковкий КЧ 40-3 . . . 800—850 » 450—500
Легированный: СЧ 32-52 850—900 Вода+воздух 450—500
СЧ 38-60 840—900 То же 450—550
181
Тпблнип 6.5
Примеры применения пламенной поверхностной закалки
Изделие Форма и размеры поверхности Способ закалки
Концы рельсов, торцы толкателей и винтов, за- жимные губки, зубья звез- дочек Прямолинейные и криволи- нейные поверхности площадью до 100 см2 Стационарный с одновре- менным нагревом всей рабо- чей поверхности
Шейки коленчатых валов и шестерни с модулем до 8 мм Цилиндры диаметром не бо- лее 150 мм, длиной до 100 мм Быстрым вращением изде- лия при горизонтальном по- ложении его оси; скорость вращения 8—20 м/мип
Валики, оси, пальцы, центра, цапфы и внутрен- ние отверстия Цилиндры диаметром 15— 150 мм, длиной не более двух диаметров
Опорные колеса, ролики и шестерни с модулем до 8 мм Цилиндры диаметром до 450 мм, длиной до 100 мм Быстрым вращением изде- лия при вертикальном поло- жении его оси и нагреве не- сколькими горелками
Шейки крупных колен- чатых валов, бандажи, обоймы крупных подшип- ников, цапфы и тормозные барабаны Цилиндры диаметром более 150 мм, длиной до 600 мм Непрерывно-последователь- ный, при скорости вращения 50—250 мм/мин
Направляющие станков, опорные поверхности ша- ботов и прямозубые ше- стерни с модулем более 10 мм Плоские поверхности дли- ной не менее 100 мм Непрерывно-последователь- ный, с относительным пере- мещением горелки или изде- лия со скоростью 50— 250 мм/мин
Валики, оси, плунжеры, пальцы, штанги, шпиндели и обоймы Цилиндры диаметром 15— 150 мм, длиной более двух диаметров Комбинированный кольце- вой с быстрым вращением из- делия и медленным переме- щением кольцевой горелки вдоль оси изделия
Валы, оси, шпиндели, шнеки, канатные барабаны и колонны прессов Цилиндры диаметром более 150 мм, длиной более двух диаметров Комбинированный спираль- ный с медленным вращением изделия вокруг горизонталь- ной оси, с мед ленным i пере- мещением линейной или мо- дульной горелки вдоль изде- лия
182
Качество закалки зависит от правильного назначения технологической
схемы и параметров процесса. Глубина закаленного слоя рекомендуется в пре-
делах 2—6 мм. Температура нагрева не должна превышать 1000° С во избежа-
ние образования трещин. Оптимальным отношением количества ацетилена и
кислорода считается: от 1,5 до 1,2. Необходимо поддерживать постоянную
интенсивность пламени горелки.
Рекомендуемое расстояние между закаливаемой поверхностью и наконеч-
ником горелки составляет 8—12 мм; для нагрева массивных деталей горелку
располагают на меньшем расстоянии, при закалке мелких деталей — на боль-
шем расстоянии во избежание их перегрева. Скорость относительного переме-
щения детали и горелки рекомендуется в пределах 50—250 мм/мин в зависи-
мости от назначенной глубины закалки.
К преимуществам ППЗ прежде всего относится простота технологического
процесса и требуемого оборудования. Себестоимость ППЗ крупных деталей
в 2—3 раза ниже себестоимости при объемной закалке.
Применение ППЗ позволяет повысить долговечность деталей в 2—3 раза.
Например, упрочнение пальцев и проушин звеньев тракторных гусениц при
глубине закаленного слоя 3—4 мм и твердости HRC 58—62 уменьшило износ
звеньев в 1,5—2 раза.
К недостаткам ППЗ относятся: необходимость значительного перегрева
поверхности, неравномерная поверхностная твердость, опасность применения
легковоспламеняющихся масел для охлаждения деталей.
Примеры применения ППЗ для ремонтных предприятий приведены
в табл. 6.5.
Поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ), раз-
работанная советским ученым В. П. Вологдиным, основана на использовании
явлений индукции и поверхностного аффекта. Деталь помещают внутри спирали
(индуктора) или под проводником, по которому пропускается переменный ток
большой частоты; он вызывает появление вихревых токов на поверхности де-
тали, и быстро разогревает слой с наибольшей плотностью индуцированного
тока. По достижении заданной температуры нагрева деталь интенсивно охла-
ждают струей жидкости.
Зависимость глубины проникновения тока от его частоты и температуры
нагрева углеродистой стали приведена в табл. 6.6.
Зависимость глубины проникновения тока от его частоты Таблица в.6
Частота тока, Гц Глубина проникновения тока в холодную сталь, мм Глубина проникновения тока в сталь, нагретую выше 800° С, мм Частота тока, Гц Глубина проникновения тока в холодную сталь, мм Глубина проникновения тока в сталь, нагретую выше. 80 0° С , мм
10« 0,002 0,065 10« 0,200 6,500
-!()<: 0,020 0,650 2-103 0,500 14,500
1(Р 0,070 2,100 0,5-102 2,400 91,400
Поверхностная закалка ТВЧ выполняется на закалочных станках, а по-
следующий низкотемпературный отпуск (160—200° С) — самоотпуском.
Источниками ТВЧ являются машинные и ламповые генераторы. Машинные
генераторы, вырабатывающие ток повышенной или звуковой частоты от 500
183
до 10 000 Гц, имеют к. п. д., равный 0,7—0,8, и просты в эксплуатации. В Со-
ветском Союзе выпускаются установки с машинными генераторами мощностью
60—100 кВт и частотой 2500—8000 Гц. Ток частотой 50 000—1 000 000 Гц и
выше получают в ламповых генераторах, имеющих к. и. д. до 0,6. Ламповые
генераторы типа ЛГЗ имеют мощность 30—200 кВт, а рабочую частоту тока
200 000-500 000 Гц.
Ламповые генераторы целесообразно применять для получения тонких
закаленных слоев. Для закалки на большую глубину удобнее использовать
машинные генераторы (см. табл. 6.6).
При назначении рабочей частоты тока пользуются эмпирической зависи-
мостью:
3 • 1()« , ,
/min Jp ’ (Ь.1)
где /min — минимальное значение частоты, Гц; d — диаметр закаливаемой
поверхности детали, мм.
Полученное значение /min округляют до ближайшего большего значения
частоты используемого типового генератора.
Одним из основных элементов закалочной установки является индуктор,
представляющий собой медную цельнотянутую трубку круглого или прямо-
угольного сечения, охлаждаемую протекающей внутри нее водой. Толщина
стенки индуктора выбирается в зависимости от частоты тока. Например, при
частоте 1000 Гц рекомендуется толщина стенки 2,7 мм, а при частоте 8000 Гц—
толщина 1,1 мм. Форма и конструкция индуктора зависят от размеров закали-
ваемой поверхности и принятой схемы закалки (рис. 6.2).
По данным ряда исследований, для некоторых видов изнашивания изно-
состойкость стали после закалки ТВЧ в несколько раз выше, чем после обыч-
ной закалки; кроме того, значительно повышается усталостная прочность
(до 2 раз), уменьшается чувствительность к надрезам, выточкам и другим кон-
центраторам напряжений и снижается коррозионная усталость.
На рис. 6.3 и 6.4 показано изменение поверхностной твердости и величины
эффективного коэффициента концентрации напряжений после поверхностной
индукционной закалки ТВЧ.
На машиностроительных и ремонтных заводах широко применяют ТВЧ
для закалки наружной или внутренней поверхностей цилиндрических деталей,
таких как штоки, цилиндровые втулки и клапаны буровых насосов, валы
лебедок и др.
Имеющая небольшое применение в промышленности поверхностная за-
калка в электролите заключается в нагреве детали (катода), помещенной в элек-
тролит, через который пропускается постоянный ток высокого напряжения.
На аноде (свинцовой пластинке) выделяется кислород, а на катоде (детали) —
водород, образующий оболочку, которая создает большое сопротивление элек-
трическому току, нагревающему деталь. Закалка осуществляется опусканием
детали в специальную ванну или в струе электролита при выключенном токе,
а также при помощи специального спрейера.
В качестве электролитов используют 5—10%-ные водные растворы солей
Na2CO3, jNa2SO4, Ga(NO3)3, КОН и др. Нагрев ведется при постоянной темпе-
ратуре электролита в пределах 20—60° С. Скорость нагрева регулируется изме-
нением состава электролита, напряжения (220—300 В) и плотности тока
(3—7 А/см2), а также скорости передвижения нагреваемых деталей в элек-
тролите.
184
Рис. 6.2. Индукторы для индукционного нагрева ТВЧ:
а__одповитковый индуктор прямоуголыюгоХссченпя; б — цилиндрический индуктор с прикрепленным
к нему охлаждающим устройством (спрейером); 1 — индуктор; 2 — спрейер; з — нагреваемая деталь;
в — разъемный индуктор, совмещенный со спрейером; г — индуктор для нагрева плоских деталей; в —
двухвитковый индуктор; е — индуктор со спрейером для закалки внутренних поверхностей
Рис. 6.3. Изменение поверхностной твердости закаленных конструкционных сталей в зави-
симости от температуры индукционного нагрева:
1 — сталь 40Х; 2 — сталь 50; 3 — сталь 40
Глубина кругового надреза
(при R = 0,3мкрнм
Рис. 6.4. Величины эффективного коэффициента концентрации напряжений надрезанных
образцов:
I — без поверхностной закалки; 2 — с поверхностной закалкой па глубину 1,2 мм
183
§ 2. УПРОЧНЯЮЩАЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Упрочняющая химико-термическая обработка (ХТО) — это процесс диф
фузиопного насыщения поверхностного слоя металлических деталей актив-
ными элементами, обеспечивающими получение определенных физико-механи-
ческих свойств для повышения твердости, усталостной прочности, износо-
стойкости, жаростойкости и коррозионной стойкости. К химико-термическим
методам упрочнения, получившим широкое распространение, относятся цемен-
тация, азотирование, нитроцементация, борирование, диффузионное хромиро-
вание, цинкование, сульфидирование.
Цементация — процесс науглероживания поверхностного слоя
стальных деталей, нагретых до температуры свыше 900—940° G, что опреде-
ляет наибольшую скорость протекания процесса. В зависимости от состояния
науглероживающей среды (карбюризатора) различают цементацию в твсрдо.м
карбюризаторе, цементацию в жидкой среде и газовую цементацию стали.
В качестве твердой науглероживающей среды используют древесно-уголь-
ные карбюризаторы, в качестве жидкой среды — расплавленные соли (75 —
8(1% Na2CO3, 10—15% NaCl и 8 —12% SiG) и газовой среды — газы, содержа-
щие метан СН4, окись углерода СО, углеводородные газы С6Н6, С3Н8, С4Н10
и др. Глубина цементации зависит от температуры и продолжительности
лроцесса.
Цементацию в твердом карбюризаторе выполняют при 900—940° С со
средней скоростью 0,08—0,1 мм/ч. Недостаток цементации в твердом карбюри-
заторе заключается в длительности процесса.
Цементация в жидком карбюризаторе выполняется при температуре 840 —
860° С и средней скорости диффузии углерода 0,2—0,4 мм/ч. Преимуществами
процесса цементации в жидком карбюризаторе являются: равномерность на-
грева, более низкая температура, способствующая уменьшению деформаций
детали, а также более мелкое зерно цементированного слоя.
Газовая цементация выполняется при температуре, близкой к 1000° G
со скоростью 0,8—1,2 мм/ч, что позволяет в некоторых случаях при исполь-
зовании индукционного нагрева ТВЧ сократить продолжительность опе-
рации до 1 ч.
Собственно цементация не решает вопроса упрочнения детали. Для дости-
жения указанного эффекта необходима последующая термическая обработка —
закалка и отпуск. Закалка непосредственно после цементации сокращает про-
должительность и удешевляет процесс упрочнения, а также уменьшает терми-
ческую деформацию детали.
Детали после цементации и последующей закалки имеют повышенную
твердость (HRC 58—62) и прочность поверхностного слоя. На рис. 6.5 пока-
зана зависимость изменения твердости в глубь поверхностного цементирован-
ного слоя после закалки и отпуска.
Цементация повышает усталостную прочность деталей, благодаря увели-
чению твердости, прочности цементированного слоя и образованию в нем вну-
тренних напряжений сжатия, которые снижают влияние концентраторов
напряжений.
Цементации подвергаются многие детали бурового и нефтегазопромысло-
вого оборудования — турбобура, втулочно-роликовых цепей, буровых до-
лот и др.
Азотирование (предложено русским ученым Н. П. Чижевским) —
один из процессов химико-термической обработки, при котором поверхностные
186
Рис. 6.5. Изменение твердости в глубь
поверхностного слоя цементирован-
ной стали 20 с закалкой и отпуском
Рис. 6.6. Изменение твердости в
глубь поверхностного слоя стали
38ХМЮА азотированной
Микротвердасть
слои стальных и чугунных деталей насыщаются азотом. Азотирование повы-
шает твердость и износостойкость, усталостную прочность и увеличивает сопро-
тивление коррозии. Процесс осуществляется при нагреве деталей в аммиаке.
На рис. 6.6 показано изменение твердости в глубь поверхностного слоя азоти-
рованной стали.
Обычно азотированию подвергают стали, легированные хромом, молибде-
ном и вольфрамом, так как соединения этих элементов с азотом (нитриды) обла-
дают весьма высокой твердостью и износостойкостью. Нитриды блокируют
дислокации, имеющиеся в металле, и повышают его прочность. Как правило,
сначала выполняется закалка, а затем азотирование в муфельных печах при
температуре 480—650° С в течение 2—3 сут.
Детали двигателей внутреннего сгорания (гильзы блока), глубинных
нефтяных насосов (стальные втулки), подвергнутые азотированию, имеют
резко увеличенный ресурс.
При нитроцементации (цианировании) происходит одновремен-
ное насыщение поверхностных слоев стали углеродом и азотом. Нитроцемен-
тация повышает твердость и прочность деталей. Известна нитроцементация
в твердых, жидких и газовых средах. Процесс выполняется при низких (540—
560° С) и высоких (800—830° С) температурах. Применяют в основном жидкие
и газовые среды. Так, используются следующие составы:
1) жидкие — расплав цианистых и нейтральных солей (например, 8—12%
NaCN, 30-40% NaCI, 40-50% ВаСО3 и 1-2% ВаС12);
2) газовые (табл. 6.7).
Нитроцементация деталей заканчивается закалкой в масле и отпуском.
Продолжительность нитроцементации в жидких средах в несколько раз меньше
продолжительности цементации.
Твердость поверхности после нитроцементации HRC 64—66. Этот метод
упрочнения увеличивает износостойкость деталей. Например, нитроцемента-
ция зубчатых колес, изготовленных из углеродистой стали, повышает их изно-
состойкость в 1,5—2 раза по сравнению с закалкой.
Борирование — насыщение поверхностного слоя стальных деталей
бором, что повышает его твердость и износостойкость. Известно борирование
в твердой и жидкой средах. В первом случае используется порошок ферробора
187
7’ik'kiuца 6.7
Соста» газовой смеси для нитроцементации
Науглероживающий газ Количество газа в смеси, %
науглероживающего аммиака
Газ пиролиза керосина 65 — 75 25—35
Генераторный газ (каменноугольный) 85—90 10 — 15
Светильный газ 70—75 25 —30
Природный газ (10—70 30—40
Крекинг-газ углеводородов 50 50
Пиробензол -i- **
* 50—60 капель в минуту.
** (i,5—1,0 л/мин
или аморфного бора; детали нагреваются до температуры 950—1050° G и выдер-
живаются при этой температуре в течение 4—20 ч. Во втором случае бориро-
вание может быть безэлектролизным или электролизным. При безэлектролиз-
ном способе в ванну, состоящую из расплавленных хлористых солей, вводят
порошок ферробора или карбида бора и помещают детали с последующей
выдержкой при температуре 950—1000° С. При электролизном процессе, полу-
чившем наибольшее распространение, борирование осуществляется в резуль-
тате электролиза расплавленной буры; при этом изделие является катодом,
а графитовый или угольный стержень — анодом. Борирование целесообразно
применять при упрочнении цилиндровых втулок и штоков буровых насосов,
деталей турбобура и т. д.
Диффузионное хромирование — процесс насыщения хро-
мом поверхности деталей, нагретых до температуры 1000° С. Оно резко повы-
шает твердость и коррозионную стойкость металла деталей (рис. 6.7).
Диффузионное износостойкое хромирование и борирование увеличивают
долговечность деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания,
Расстояние от
noSeuxHocmu, мм
в 8—10 раз.
Цинкование — процесс насыщения цинком
поверхности деталей, которые погружают в расплавлен-
ный цинк или помещают в порошок цинка, обработан-
ный соляной кислотой. В результате поверхность дета-
лей приобретает антикоррозионные и антифрикционные
свойства. Процесс широко применяется в нефтепромысло-
вой практике.
Сульфидирование — это термодиффузионное
насыщение серой поверхности стальных и чугунных дета-
лей. При этом способе образуется поверхностный слой
сернистого железа, обладающий повышенной износостой-
костью, и уменьшается коэффициент трения, а следо-
вательно, и износ. Процесс осуществляется в ваннах
Рис. 6.7. Распределение твердости по глубине диффузионного
слоя стали с различным содержанием углерода, хромированной
в порошкообразной смеси при 1050° С в продолжении 20 ч
188
с расплавленными серосодержащими солями или в газовых средах. Его
можно применять для обработки деталей нефтегааопромыслового оборудо-
вания, так как при этом способе облегчаются и доводочные операции.
§ 3. УПРОЧНЯЮЩАЯ ЭЛЕКТРОИСКРОВАЯ ОБРАБОТКА
Упрочняющая электроискровая обработка (ЭИО) основана на протекании
импульсного разряда между электродом (анодом) и деталью (катодом).
Сущность ЭИО заключается в полярном переносе материала электрода
на деталь (наращивание) при одновременном термическом воздействии тока и
легировании поверхности детали элементами упрочняющего электрода и азота
воздуха. Упрочненный слой отличается высокой твердостью, обусловленной
образованием карбидов, нитридов, карбонитридов и закалочных структур.
На рис. 6.8 показана схема электроискровой установки. Электроискровое
упрочнение и нанесение металла происходит в воздушной или газовой среде
при тепловом и химическом действии электрического разряда между поверх-
ностью изделия и упрочняющим электродом, которому сообщается колебатель-
ное движение от вибратора. За очень короткое время электроискрового раз-
ряда (10-5 — IO'8 с) через электроды проходит мощный (до 10е А/мм2) импульс
тока, накопленного в конденсаторах. Температура в межэлектродном зазоре
повышается до 11 000° С. При такой температуре азот и легирующие элементы,
содержащиеся в электроде, легируют поверхность детали, повышая ее физико-
механические свойства.
В качестве электродов применяют стержни из твердых сплавов Т15К6,
Т30К4, Т60К6, феррохрома, ферромарганца, а также графита ЭГ2 и ЭГ4. Луч-
шими материалами для упрочнения деталей, работающих при трении скольже-
ния, считаются ферромарганец и твердый сплав Т15К6, а деталей, работающих
при трении качения, — феррохром и графит ЭГ2.
Для ЭИО промышленность выпускает несколько моделей одно- и много-
электродных установок: КЭИ-1, УПР-ЗМ, ИЕ-2М, ИАС-2М, ЭФИ-10, ЭФИ-25.
В зависимости от величины электрических параметров операции могут
выполняться на мягких, средних и жестких режимах.
При жестких режимах (V = 120—200 В; I = 2,5—4,0 А; С = 100—
300 мкФ) можно наносить слой твердого сплава толщиной до 0,5 мм, при мяг-
ких режимах (У = 25—50 В; I = 0,25—0,5 А; С = 10—20 мкФ) — слой тол-
щиной до 0,2 мм. Для повышения чистоты поверхности (до V 6) рекомендуется
вести упрочнение на мягких режимах с последующей обработкой электрогра-
фитовым электродом.
Износостойкость образцов из стали У-7, обработанных ЭИО и испытанных
на трение качения, увеличилась в 3—6 раз.
вечность упрочненных деталей, работающих
в абразивной среде, увеличивается в 3—
4 раза.
Применение ЭИО рабочих поверхностей
валков прокатных станов, букс для роли-
коподшипников и бандажей колес теплово-
зов, бегунов и ножей землемешалок, леме-
хов плугов, лопаток газовых турбин повы-
сило их износостойкость в 2—3 раза.
Недостаток метода — невозможность по-
лучения упрочненного слоя значительной
толщины и снижение усталостной прочности
По данным Г. П. Иванова долго-
Рис. 6.8. Схема установки для элек-
троискрового упрочнения:
1 —якорь вибратора, 2—упрочняющий
электрод; 3 — упрочняемая деталь; Г —
источник постоянного тока или выпрями-
тельное устройство; R — регулирующее
сопротивление; С — конденсатор
189
Рис. 6.9. Влияние электроискрового
упрочнения на усталостную проч-
ность стали:
7 — после плектроискрового упрочнения-'
2 — после обработки резцом; з — после
колировки
(рис. & 9) на 10—20% по причине возник-
новения растягивающих напряжений и уве-
личения шероховатости поверхности .
В нефтяной и газовой промышленности
электроискровое упрочнение применяют для
повышения стойкости металлорежущего ин-
струмента, а также некоторых деталей
нефтегазопромыслового оборудования (на-
пример, сухари автоматических электро-
ключей, износостойкость которых возросла
в 9—10 раз).
Широкое применение получила элек-
троэррозионная обработка труднообраба-
тываемых материалов, основанная на том
же принципе. В этом случае обрабатыва-
емая деталь является анодом.
§ 4. УПРОЧНЯЮЩАЯ ОБРАБОТКА
ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
Упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием
(ППД) применяют в основном для повышения усталостной прочности деталей.
Упрочнение достигается путем снижения вредного влияния концентраторов
напряжений за счет создания в поверхностных слоях детали внутренних напря-
жений сжатия и измельчения кристаллической структуры.
Особенно эффективно упрочнение поверхностным наклепом для деталей,
работающих в условиях циклических знакопеременных нагрузок и в корро-
зионных средах.
Поверхностный наклеп (ПН) представляет собой поверхностное пластиче-
ское деформирование с изменением структуры материала без его полной рекри-
сталлизации. Пластическая деформация приводит к измельчению зерен и
уменьшению их размеров, создает текстуру.
При наклепе происходит сдвигообразование в зернах металла, упругое
искажение объемов кристаллической решетки, прилегающих к линиям сдвигов,
изменение формы и размеров зерен. В результате наклепа изменяются механи-
ческие свойства металла: повышаются все характеристики сопротивления
деформации, понижается пластичность и увеличивается твердость.
Теория дислокаций объясняет упрочнение металла при наклепе массовым
развитием дислокаций и концентрацией их около линий сдвигов.
Наклеп приводит к равномерному распределению множества дислокаций
в деформированном объеме металла. Поэтому для последующих пластических
деформаций необходимо значительно большее напряжение по сравнению с на-
пряжением для деформации неупрочненного металла. В результате наклепа
повышается прочность поверхностного слоя металла и возникает благоприят-
ное распределение остаточных напряжений по сечению детали, при котором
поверхностный слой оказывается в зоне сжатия.
Установлено, что величина остаточных сжимающих напряжений в поверх-
ностном слое после наклепа может достигать более 100 кге/мм2. Сжимающие
остаточные напряжения, складываясь в процессе эксплуатации детали с растя-
гивающими напряжениями от внешней нагрузки, уменьшают величину послед-
них; следовательно, поверхностный слой оказывается менее нагруженным, чем.
190
Рис. 6.10. Приспособления для обкатывания поверхностей:
а — трехроликовое для обкатывания цилиндрических поверхностей крупных
валов (диаметром до 200 мм); б — однороликовое для обкатывания галтелей
в случае, когда остаточные сжимающие напряжения в нем отсутствуют. В этом
заключается положительное влияние остаточных сжимающих напряжений.
Известно два метода ППД — статическое и ударное деформирование.
Статическое ППД — это поверхностное обкатывание и раскатывание, напря-
женный поверхностный наклеп, калибрование отверстий шариком и оправкой.
В качестве инструмента для обкатывания используются различные шарики и
ролики (рис. 6.10). При обкатывании твердость повышается на 15—20%,
предел усталости на 25—60%; возрастает также коррозионно-усталостная
прочность стальных деталей. Для обкатывания можно использовать обычные
токарные и специальные станки.
Обкатывание осуществляется перемещением под определенным
давлением ролика или шарика по выпуклой или плоской поверхности детали.
Применяют упрочняющие и упрочняюще-выглаживающие режимы обкаты-
вания.
При упрочняющем обкатывании, которое производят при высоких давле-
ниях, достигается значительная глубина наклепа, а также создаются большие
остаточные напряжения сжатия в упрочненном слое. Шероховатость поверх-
ности при этом увеличивается.
Упрочняюще-выглаживающее обкатывание наряду с упрочнением поверх-
ностного слоя обеспечивает уменьшение исходной шероховатости поверхности
на 2—3 класса (можно получить 11 класс чистоты).
Результаты упрочнения зависят от правильного выбора режимов обкаты-
вания (давления, подачи, скорости, числа проходов) и геометрии ролика.
С увеличением давления глубина наклепанного слоя растет, остаточные напря-
жения повышаются до некоторого предела, а затем снижаются вследствие
чрезмерной глубины наклепанного слоя. Более высокие значения остаточных
напряжений при малых давлениях обкатывания достигаются применением
роликов с меньшим радиусом кривизны рабочего профиля.
Обкатывание роликами широко применяют при изготовлении различных
валов бурового оборудования. Обкатывание шариками нашло применение
при упрочнении роликовых беговых дорожек опоры долота. По данным
Д. Д. Папшева, износ тел качения благодаря этому способу снижается на
25-40%.
Раскатывание применяют для упрочняющей обработки вогнутых
поверхностей деталей из стали, чугуна и цветных металлов. Для раскатывания
191
Рис. 6.11. Раскатники для отверстий
Степень нанлепа (7С удлинения при растяжении)
Рис. 6.12. Изменение механических
свойств стали в результате напряжен-
ного наклепа:
он — предел прочности; ат — предел теку-
чести; НВ — твердость; 6 — относительное
удлинение; -ф — относительное сужение;
а — ударная вязкость
отверстий применяют жесткие (регулируемые и нерегулируемые) и упругие
раскатники (рис. 6.11). В качестве рабочего органа используются цилиндриче-
ские или конические ролики и шарики. Раскатники могут быть одноролико-
выми и многороликовыми, однорядными и многорядными. Ролики изготовляют
из быстрорежущей стали или из стали ШХ15 и закаливают до твердости НЯС
60—63. Глубина наклепа, величина остаточных напряжений и шероховатость
поверхности зависят от тех же технологических факторов, которые действуют
и при накатывании. Относительная скорость раскатывания обычно колеблется
в пределах 20—150 м/мин, величина подачи 0,1—2,7 мм/об, число проходов не
превышает двух. В результате раскатывания чистота поверхности повышается
за один проход на 2—3 класса. Раскатывание широко применяют при поверх-
ностном упрочнении цилиндровых втулок буровых насосов.
Сущность напряженного поверхностного наклепа
заключается в поверхностном пластическом деформировании детали под стати-
ческой нагрузкой, совпадающей по направлению с эксплуатационной. Такой
наклеп повышает твердость поверхностных слоев стальных деталей, пределы
прочности и текучести при снижении относительного удлинения (рис. 6.12).
Этот метод широко применяют для упрочнения рессор.
ВНИИнефтемаш выполнил работу по использованию напряженного поверх-
ностного наклепа для упрочнения глубиннонасосных штанг, в результате которой
коррозионно-усталостная выносливость этих штанг возросла в 2 раза.
192
Для калибрования от-
верстий шариком и оправкой (ста-
тическое упрочнение) используется
гладкая оправка или шарик, про-
талкиваемые через отверстие с натя-
гом. В результате повышаются мик-
ротвердость поверхности отверстия,
ее чистота и точность обработки
(рис. 6.13).
Калибрование отверстий выпол-
няется с применением керосина для
чугуна и машинного масла для стали
и бронзы. Оно получило распростра-
нение в ряде отраслей машинострое-
ния; при изготовлении бурового
оборудования оно применяется для
упрочнения втулок втулочно-роли-
ковых цепей.
Ударное ППД осуществляется
следующими способами: обработкой
дробью, гидроабразивной обработ-
кой, центробежной обработкой, че-
канкой, вибрирующим роликом.
В основе процесса о б р а б о т
Рис. 6.13. Схемы калибрования отверстий:
а — проталкиванием шарика; б — проталкиванием
оправки; в — протягиванием пуансона; г — протал-
киванием пуансона; д — протягиванием при воз-
вратно-поступательном ходе пуансона; 1 — втулка;
2 — шарик; 3 — оправка
ки дробью лежит поверхностное
пластическое деформирование материала под действием кинетической энергии
потока дроби. Эффективность обработки дробью зависит в основном от глубины
наклепанного слоя и определяется кинетической энергией дроби и длитель-
ностью наклепа. Продолжительность наклепа деталей устанавливается экс-
периментально и длится от нескольких секунд до нескольких минут. Толщина
наклепанного слоя находится в прямой зависимости от диаметра и скорости
полета дроби и в обратной зависимости от твердости материала.
Обработка дробью повышает твердость поверхностных слоев металла,
предел выносливости деталей, работающих при циклических нагрузках, и
коррозионно-усталостную прочность.
Дробью могут быть обработаны детали любой формы как из черных, так
и из цветных металлов, причем для стальных деталей используются чугунная
или стальная дробь, а для деталей из цветных металлов — алюминиевая или
стеклянная.
Виды обработки дробью различаются по способу сообщения дроби кинети-
ческой энергии. На ремонтно-механических заводах обработка дробью выпол-
няется на специальных механических или пневматических установках. Боль-
шее распространение получили механические роторные дробеметы, как наи-
более экономичные и обеспечивающие стабильность процесса.
Обработка дробью увеличивает в несколько раз ресурс глубиннонасосных
штанг, спиральных пружин и других деталей нефтегазопромыслового обору-
дования.
М. М. Саверип приводит следующие данные повышения долговечности
деталей (в %) в результате обработки дробью.
Спиральные пружины ..................... 2900
Рессоры..................................600
13 Заказ 763
193
Коленчатые валы:
автомобильные *.........................900
авиационные .......................... 2900
Шестерни:
коробок передач ....................... 560
заднего моста ......................... 000
Поворотные кулаки..........................475
Сварные соединения.........................310
Сущность процесса гидроабразивной обработки заклю-
чается в том, что струя жидкости, содержащая абразивный материал различ-
ной зернистости, выбрасывается со скоростью 50 — 70 м/с на обрабатываемую
поверхность. При этом абразивные зерна, ударяясь о поверхность, снимают
верхний слой металла, одновременно пластически деформируя нижележащие
тонкие поверхностные слои. Рабочая смесь состоит из воды, электрокорунда),
нитрида натрия и кальцинированной соды.
В результате гидроабразивной обработки удаляется дефектный поверхно-
стный слой на глубину до 0,1 мм, создается иаклеп на глубину до 0,2 мм, вели-
чина напряжений сжатия в тонких поверхностных слоях достигает 150 кге/мм2,
микрогеометрия поверхности соответствует 8—11 классам чистоты.
Предел выносливости деталей, имеющих концентраторы напряжений,
после гидроабразивной обработки повышается на 15% по сравнению с преде-
лом выносливости при полировании; износостойкость при трении скольжения
возрастает на 25—30%. Гидроабразивную обработку применяют для пружин
и зубчатых колес, а также для подготовки поверхности под гальванические и
полимерные покрытия.
При центробежной обработке используются кинетическая
энергия стальных шариков или роликов, расположенных на периферии враща-
ющейся обоймы. Шарики могут свободно перемещаться в специальных гнездах
обоймы. При вращении обоймы шарики под влиянием центробежной силы незна-
чительно выдвигаются из своих гнезд, при этом упрочняемая поверхность под-
вергается многократным последовательным ударам. Постоянство скорости
вращения и продольной подачи обеспечивает равномерный наклеп. В резуль-
тате существенно возрастает твердость поверхностного слоя (до 80%), вели-
чина остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях достигает
80 кге/мм2; улучшается чистота поверхности и в 3—10 раз увеличивается долго-
вечность деталей. Глубина наклепа, а также остаточные напряжения повыша-
ются с возрастанием скорости взаимного перемещения упрочнителя и детали,
при увеличении исходной шероховатости обрабатываемой поверхности, диа-
метра шарика и величины выхода его из обоймы. В процессе упрочнения перио-
дически через 5—10 мин обрабатываемые поверхности следует смазывать вере-
тенным маслом, вазелином или индустриальным маслом в смеси с 50% керо-
сина. Схема центробежной обработки вала и отверстия приведены на рис. 6.14.
Центробежную обработку используют для наклепа наружных и внутренних
поверхностей вращения и плоскостей.
Упрочняющая чеканка основана на ударном воздействии спе-
циальных бойков на обрабатываемую поверхность. В результате ударного
воздействия происходит наклеп, создаются высокие остаточные напряжения
сжатия (до 100 кге/мм2), возрастает твердость поверхностного слоя (на 30—
50%). Чеканка позволяет повысить в 1,5 раза несущую способность ступенча-
тых валов.
494
Рис. 6.14. Схемы центробежной обработки вала (а) и отверстия (б)
Для чеканки крупногабаритных деталей и труднодоступных мест в деталях
применяют пневматические молотки. Однако такой наклеп трудно контроли-
ровать. Более совершенной является станочная чеканка. Чеканочное приспо-
собление закрепляют в суппорте токарного станка.
При поверхностном упрочении вибрирующим роликом при-
меняют устройство, в котором сочетаются однороликовое накатное приспосо-
бление и чеканочное устройство. Ролик постоянно прижимается к обрабатыва-
емой поверхности пружиной. По ролику с определенной частотой наносятся
удары с помощью механического или пневматического устройства. Преимуще-
ства такого способа упрочнения — простота конструкции, малые габаритные
размеры приспособления и большая глубина наклепанного слоя (до 20 мм).
Упрочнение поверхности вибрирующим роликом позволяет повысить предел
выносливости деталей, работающих при переменном изгибе, более чем в 3 раза.
Обработку вибрирующим роликом широко применяют для упрочнения резьбы.
В настоящее время распространен способ упрочнения — термомех а-
пическая обработка (ТМО), сущность которого состоит в сочета-
нии операций пластической деформации и термической обработки. Прп .этой
обработке фазовые превращения происходят под влиянием предваритель-
ного наклепа промежуточной структуры (аустенита). Если пластическая дефор-
мация аустенита производится при температуре выше температуры рекристал-
лизации данного сплава, то термомеханическая обработка называется высоко-
температурной (ВТМО), если деформация производится при температуре ниже
температуры рекристаллизации, то обработка называется низкотемператур-
ной (НТМО).
На рис. 6.15 приведены схемы основных процессов ТМО.
При высокотемпературной термомеханической обработке деталь нагре-
вают выше точки Ас3 подвергают сильной деформации и быстро закаливают.
При низкотемпературной термомеханической обработке деталь нагревают выше
точки Ася, охлаждают до температур, лежащих между перлитным и промежу-
точным превращением, затем подвергают сильной деформации и быстро зака-
ливают. После этого так же как и при ВТМО следует низкотемпературный
(100—300° С) отпуск во избежание повышенной хрупкости.
Низкотемпературную термомеханическую обработку применяют, как пра-
вило, для упрочнения легированных, конструкционных сталей, имеющих
достаточно широкую область устойчивости переохлажденного аустенита. При
НТМО применяются более высокие степени деформации (50—90%) по срав-
нению с ВТМО (30—40%).
195
Рис. 6.15. Схемы основных
процессов термомеханической
обработки:
I — аустенит; II — аустенит и
феррит; III—перлитное превра-
щение; IV — бейнитное превра-
щение; V — мартенситное превра-
щение
Термомеханическая обработка большое влия-
ние оказывает на повышение прочностных харак-
теристик стали: у конструкционных легирован-
ных сталей достигаются предел прочности 250—
300 кгс/мм2, относительное удлинение 6—8%
и ударная вязкость 5—6 кгс-м/см2, что превы-
шает соответствующие значения этих парамет-
ров, полученных после обычной закалки и от-
пуска. Упрочнение после ТМО зависит от кон-
центрации углерода в стали. Максимальные значе-
ния механических характеристик достигаются
у сталей, содержащих 0,5—0,6% G.
Недостатком НТМО является сложность
последующей механической обработки из-за повы-
шения твердости и прочности, а также снижение
эффекта упрочнения в случае эксплуатации детали
при температурах выше 100—150° С. При исполь-
зовании ВТМО аустенитных сталей и сплавов
эффект упрочнения сохраняется до 900—950° С.
Термомеханическая обработка широко при-
меняется в машиностроении. Для осуществления
деформации используется прокатное, волочильное,
ковочное или штамповочное оборудование. Для
проведения закалки рядом с указанным оборудованием, располагают охла-
ждающие (спрейерные) устройства, в которые детали попадают непосред-
ственно после деформации.
Высокую эффективность показала ТМО при упрочнении бурильных труб.
§ 5. УПРОЧНЯЮЩАЯ ОБРАБОТКА НАПЛАВКОЙ
ИЗНОСОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ
Эффективным методом поверхностного упрочнения деталей машин является
наплавка материалов с высокими эксплуатационными свойствами. Этот метод
экономичен, так как наплавке подвергают только те поверхности, которые рабо-
тают в условиях интенсивного изнашивания и, как правило, масса наплавлен-
ного материала составляет малую долю от массы детали.
Долговечность упрочненных деталей определяется свойствами наплавлен-
ного материала, поэтому наносимый материал или сплав выбирают с учетом
условий эксплуатации детали и применяемого метода наплавки.
Большое применение имеют следующие группы наплавочных материалов:
1) стали, легированные марганцем, хромом, никелем, вольфрамом, молиб-
деном;
2) сплавы на основе железа — высокохромистые, вольфрамовые, молибде-
новые, чугуны, а также сплавы с высоким содержанием хрома, вольфрама,
кобальта, молибдена;
3) сплавы на основе вольфрама, кобальта, никеля.
Наиболее широко применяют механизированную электродуговую наплавку
стальной легированной проволокой (ГОСТ 10543—63). Для повышения изно-
состойкости и коррозионной стойкости часто применяют высокохромистые на-
плавочные проволоки марок Св-10Х13, Св-08Х14ГТ, Св-10Х17Т.
196
При ручной дуговой и газовой наплавке для упрочнения деталей, работа-
ющих в условиях абразивного изнашивания, рекомендуются электроды марок
Т590, Т620, БХ-2 и 13КН, обеспечивающие твердость наплавленного слоя
в пределах HRC 57—63 без термической обработки.
Производительность и качество наплавочных работ значительно повы-
шаются при использовании металлической ленты вместо электродной про-
волоки. Ленты марок 7Х15ГС и 43 обеспечивают твердость наплавленного
металла HRC 45—53 и хорошо себя зарекомендовали для повышения стой-
кости деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания. Перспектив-
ным является метод наплавки порошковой проволокой, разработанный в инсти-
туте электросварки им. Е. О. Патона (табл. 6.8). Наплавку можно произво-
дить под слоем флюса и в среде углекислого газа. Особенно перспективно
применение порошковой проволоки с внутренней защитой, которая содержит
кроме легирующих элементов газо- и шлакообразующие материалы, защища-
ющие зону наплавки от азота и кислорода воздуха и позволяющие проводить
наплавку открытой дугой.
Таблица 6.8
Порошковые проволоки для упрочняющей наплавки открытой дугой
Марка проволоки Твердость надавленного металла IIRC Условии работы деталей
после наплавки после наклепа после закалки и отпуска
ППУ-У15Х12М-0 40-42 50—56 60—62 Абразивное изнашивание с ударами
ПП-70Х20РТ-0 62-64 — — Абразивное и гидроабразив- ное изнашивания со слабы- ми ударами
ПП-ЗХ13-0 42—46 — — Трение скольжения металла о металл
ПП-2Х4ВЗФ-0 ПП-2Х2В8-0 44—52 44—52 — — Циклическая термическая на- грузка и изнашивание
К группе наплавочных сплавов на основе железа относятся высоколегиро-
ванные хромистые, вольфрамовые и молибденовые чугуны, которые обладают
высокой твердостью и износостойкостью. Эти свойства обусловлены высоким
содержанием карбидов перечисленных элементов в этих сплавах. Благодаря
таким свойствам эти сплавы часто называют твердыми.
Наиболее часто для упрочнения применяют сплавы сормайт № 1 (ЦС-1),
сормайт № 2 (ЦС-2), сталинит и Висхом-9.
Сормайт № 1 (содержит 25—31% Сг и 3—5% Ni) рекомендуется
для упрочнения деталей, работающих при безударных нагрузках в условиях
197
Рис. 6.16. Общий вид стального
образца, наплавленного слоем белого
чугуна
абразивного изнашивания — детали центро-
бежных насосов, запорные органы трубо-
проводной арматуры и др. С о р м а й т
№ 2 (содер ж т 13 1-7-5° ,/<С г и13 , —
2,2% Ni) обладает большей вязкостью и по -
этому применяется для упрочнения деталей,
работающих при ударных нагрузках- На-
плавку сормайтом обычно осуществляют
Рис. 6.17. Результаты испытаний на
износ при трении о бронзу со смаз-
кой в зависимости:
а — от времени (при давлении р -=-
= 20 кгс/см2); б — от давления (за время
.300 мин); / —дли образцов с белым чугу-
ном; 2 — для эталонов из стали 46
прутковыми электродами диаметром 5—7 мм
или порошковой проволокой. Твердость
поверхности наплавленной электродом ЦС-1
равна HRC 48—54, а наплавленной элек-
тродом ЦС-2 составляет HRC 39—45 Слой
наплавленный электродом ЦС-2, может быть
подвергнут последующей закалке до твердо-
сти HRC 56—60. Весьма перспективна воз-
можность упрочнения сормайтом опоры
скольжения бурового долота.
Сталинит и В п с х о м - 9 —
гранулированные твердые сплавы, пред-
ставляющие собой механическую смесь одного
или нескольких металлов с углеродом
(табл . 6 9) . Наплавку этих сплавов выпол-
няют ручной электродуговой сваркой, для
чего на поверхность детали насыпают тон-
кий слон прокаленной буры и слой шихты
сплава. Зигзагообразное движение уголь-
ного электрода обеспечивает сплавление
шихты с основным металлом. Применение
порошковой проволоки повышает произво-
дительность и качество наплавки. Вслед-
ствие высокой твердости наплавленного
слоя (HRC 52—62), этот вид наплавки ис-
пользуют для деталей, не требующих последующей механической обработки.
Сталинитом наплавляют детали рабочих органов строительных машин
(ножи, зубья, щеки и др.).
Представляет интерес возможность упрочнения рабочих поверхностей
деталей валов (консольные цапфы) наплавкой трением износостойкого слоя
белого чугуна (рис. 6.16). Для наплавки использовалась стружка белого
Химический состав гранулированных твердых сплавов
Таблиц" б.б
Марка сплава Состав элементов, %
Сг Мп с Si Ее
Сталинит Вис хом-9 16-20 3,5 13-17 10,5 8-10 6,0 До 3,0 Остальное »
198
чугуна следующего химического состава (в %): 2,63С; l,05Si; 0,04Gr; 0,5Mn;
О,HP; O,11S. Исследования, проведенные в МИНХиГП им. И. М. Губкина,
показали, что износостойкость наплавленного слоя белого чугуна превышает
износостойкость закаленной стали 45 (рис. 6.17).
Упрочнение деталей наплавкой трением можно применять при ремонте
машин.
Сплавы на основе вольфрама, кобальта и никеля применяют для упроч-
нения деталей, работающих в условиях ударных нагрузок, больших давлений,
высоких температур и коррозии. Наибольший интерес представляют релит
ТЗ и вокар, получившие широкое применение в нефтяной промышленности.
Релит ТЗ относится к литым карбидам вольфрама следующего химического
состава: 95,5—96% вольфрама; 3,8—4,2% связанного углерода и не более 0,2%
примесей. Литые карбиды вольфрама выпускаются в виде зерен, наплавляемых
на поверхность детали газовой горелкой.
Электрод из сплава релит ТЗ представляет собой трубку диаметром 3,5 —
6,5 мм из малоуглеродистой стали, заполненную зернами карбида вольфрама.
Соотношение масс твердого сплава и трубки примерно равно 2:1.
Релит широко используется при армировании зубьев шарошек буровых
долот. Наплавку производят ацетилено-кислородной горелкой или на уста-
новке ТВЧ.
Вокар — гранулированный твердый сплав с величиной гранул 1—3 мм
следующего химического состава: 9—10% С; 85—87% W; до 3% Si и до
2% Fe.
Наплавляется вокар электродуговой сваркой в один или несколько слоев.
Вокаром упрочняют рабочие поверхности лопастных буровых долот, шнеков
пневмонасосов, крыльчаток насосов, щек дробилок, деталей шаровых мель-
ниц и др.
Стеллиты В2К и ВЗК — литые сплавы на основе кобальта (табл.6.10)
характеризуются высокой износостойкостью и повышенной вязкостью. Выпу-
скаются в виде прутков диаметром 5—7 мм и длиной 250—300 мм и применя-
ются для упрочнения различных деталей, работающих в условиях интенсивного
истирания при высокой температуре. Наносятся эти сплавы электродуговой
или газовой сваркой. К стеллитам также относятся илитые сплавы на
основе никеля — ВХН1 и ВХН2, которые по своим эксплуатацион-
ным свойствам мало отличаются от сплавов В2К и ВЗК (см. табл. 6.10). Кроме
указанных, к сплавам на основе никеля относятся нихромы Х15Н60 и Х2Н80,
основным свойством которых является жаростойкость; нимоник-90 и нимоник-
100, содержащие кобальт, молибден, ниобий и обладающие высокой жаропроч-
ностью. Эти сплавы применяют для упрочнения деталей, длительно работа-
ющих в условиях высоких температур, и используют при наплавке седел кла-
панов двигателей внутреннего сгорания, уплотнительных поверхностей трубо-
проводной арматуры и других деталей.
Внедрение методов поверхностного упрочнения позволяет значительно
повысить эксплуатационные характеристики деталей.
Выбор метода упрочнения определяется конструкцией детали, характером
ее эксплуатации, особенностями производства, а также технико-экономиче-
скимиЪоказателями, зависящими от стоимости применяемых материалов, произ-
водительности процесса упрочнения, серийности производства и повышения
долговечности. Как известно, экономическая эффективность от внедрения но-
вого технологического процесса может быть оценена снижением себестоимости
детали.
199
Твердые сплавы на осно
Химический состав сплава. %
Марна сплава Со Ni Г с Сг Мп Si
В2К 47—53 До 2 ДО 2 28—33 До 1 1,0—2,0
ВЗК 58—62 » 2 » 2 28—32 1.5—3,0
ВХН1 — 50—60 » 5 35—40 До 0,5 1,5—2,5
ВХН2 — 35 25 35—45 » 0,5 1,5-2,5
Отношение износа сплава к износу высокомарганцевой стали.
Обозначим:
Ск и Су — себестоимость соответственно неупрочненной и упрочненной деталей;
/ — коэффициент удорожания детали, отражающий производственные расходы
на упрочнение; ку— коэффициент упрочнения;
Су . k
1 Са ’ у ~ 7'н “ Пу ’
71,, и Ту — ресурс деталей соответственно до и после упрочнения;
П„ и Пу — потребное количество данных деталей соответственно до и после
упрочнения.
Экономия от внедрения упрочняющей обработки выразится:
ДС = С„Ян-СуЯу. (6-2)
После подстановки, получим:
ДС- CHnH-Cn/ 4^ = С„ЛН(1--} = СнПнр;
rty \ Ку /
ДС = СнПнр, (0.3)
где р — коэффициент экономии от внедрения упрочняющей обработки.
(>
Ку
Следовательно, при анализе некоторого перечня возможных способов
упрочняющей обработки данной детали предпочтение должно быть отдано
тому из них, который обеспечивает значение коэффициента р, более близкое
к единице.
ГЛАВА 7
ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
РЕМОНТА ДЕТАЛЕЙ БУРОВОГО
И НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
§ 1. РЕМОНТ ДЕТАЛЕЙ ТИПА ВАЛОВ
Большинство деталей этого типа в процессе работы воспринимают .значи
тельные крутящие моменты (валы, шпиндели) или знакопеременные осевые
нагрузки (штоки, плунжеры и т. п.).
На валах, воспринимающих большие нагрузки, которые направлены пер-
пендикулярно оси, наблюдаются прогибы. Последние приводят к эксцентрич-
ве кобальта и никеля
Таблица 6.10
Свойства сплава
И' С Твердость HRC Плотность, г/ см3 Предел прочности при растяжении, кгс/мм2 Коэффициент линейного расширения Коэффициент износа <
13—17 4,0—5.0 1,8—2,5 1,0-1,5 0,5—1,2 0,5—1.2 46-48 42-43 25—30 20—30 8,8 8,4 60-70 55—65 54-58 48-58 H-lO-s 12-10“» 20-10“» 14-10-» 0,5—0,6 0,5—0,6
ному вращению вала и, как следствие этого, к быстрому изнашиванию опорных
поверхностей. В местах посадки шестерен, шкивов или кулачковых муфт про-
исходит разрушение или смятие шпоночного паза. Наиболее характерными
дефектами валов являются:
1) износ поверхностей трения в опорах;
2) износ поверхностей, сопрягаемых с подшипниками качения;
3) разрушение или смятие шпоночных пазов;
4) изгиб оси вала;
5) повреждение или износ резьбовых поверхностей.
У деталей, передающих нагрузки вдоль оси и работающих в направля-
ющих втулках или сальниковых устройствах, основными дефектами являются:
1) износ трущихся поверхностей;
2) продольный изгиб вала;
3) повреждение или износ резьбовых поверхностей.
В соответствии со систематизацией дефектов, встречающихся в деталях
данного типа, можно обобщить и способы ремонта этих деталей. Восстановление
размеров изношенных шеек вала ведется двумя путями — восстановлением
первоначальных и введением ремонтных размеров. Так как в последнем слу-
чае может произойти ослабление вала, то наиболее правильным следует счи-
тать восстановление первоначальных размеров. Для этого применяют следу-
ющие способы ремонта: электродуговую наплавку, металлизацию, вибродуго-
вую наплавку, хромирование, осталивание и полимерные покрытия.
Шейки валов буровых лебедок, насосов и трансмиссий силовых приводов,
а также изношенные поверхности ствола вертлюга рекомендуется наращивать
металлизацией, так как их изготовляют из сталей, чувствительных к пере-
греву.
Изношенные шпоночные пазы на валах восстанавливают несколькими спо-
собами. Если шпоночное соединение не должно фиксировать положение сопря-
гаемой детали относительно вала, то под некоторым углом к старому пазу раз-
мечают и фрезеруют новый паз по первоначальным размерам. Если шпоночное
соединение строго фиксируется, необходимо восстанавливать изношенный паз.
Обычно наплавляют смятые кромки или шпоночный паз полностью, и фрезе-
руют новый паз на месте наплавки.
Вал с изношенной поверхностью или с наращенным слоем подвергают меха-
нической обработке для получения требуемой формы, размеров и шерохова-
тости поверхности.
201
Рис. 7.1. Схема установки коленчатого вала ирп обработке шатунных
шеек:
1 — противовес; 2 — цептросмсстчтель; 3 — распорные домкраты
Установочными базами при механической обработке в большинстве слу-
чаев служат центровые отверстия и реже наружная цилиндрическая поверх-
ность.
Наиболее сложно ремонтировать коленчатые валы. У большинства буро-
вых и нефтегазопромысловых машин поршневого типа (насосы, компрессоры,
двигатели внутреннего сгорания) это одна из наиболее ответственных и дорого-
стоящих деталей. Основными видами разрушения коленчатых валов являются
износ рабочих поверхностей коренных и мотылевых шеек, а также изгиб вала
и расхождение щек. Механическую обработку восстанавливаемых шеек колен-
чатых валов быстроходных двигателей осуществляют на специализированных
шлифовальных станках. Коленчатые валы тихоходных двигателей, компрес-
соров, насосов с относительно большими габаритами обрабатывают, как пра-
вило, на токарных станках.
При обработке коренных шеек, вал устанавливают в центрах токарного
или шлифовального станка. Для придания жесткости валу щеки его распи-
рают параллельно шатунным шейкам распорками или специальными дом-
кратами.
Установка вала на станке более усложнена при обработке шатунных
шеек. Прежде чем установить вал на станке на первую и последнюю коренные
шейки надевают специальные приспособления — центросместители, которые
определяют новую линию центров, а затем вал сцентросместителямиустанавли-
вают в центрах станка.
На патроне передней бабки и на центросместителе со стороны задней
бабки станка крепят контргрузы, масса которых уравновешивает часть вала,
вращающуюся эксцентрично. Для повышения жесткости вал специаль-
ными винтовыми распорками распирается: в патрон и центросместитель
(рис. 7.1).
После установки и выверки вала производят механическую обра-
ботку.
При эксплуатации крупногабаритных коленчатых валов встречаются
случаи возникновения трещин и поломок вала в щеках и шатунных шейках.
При наличии в щеке вала трещины на концах ее предварительно рассверливают
отверстия, препятствующие дальнейшему распространению трещины. Затем
трещину вырубают на всю толщину металла щеки с одновременной разделкой
кромок под сварочный шов и заваривают трещины электродуговой сваркой.
После заварки следует провести отпуск для снятия внутренних напря-
жений. Если это сложно для всего вала, то производят местный отпуск в зоне
202
a
6
Рис, 7.2. Схема правки коленчатого вала:
а — правка коренных шеек вала; б — правка первого участка вала; к — правка
второго участка вала
заварки трещины. Для этого газовой горелкой нагревают сварной шов и при-
легающую к нему зону до температуры 150—200° С, а затем нагретые места
быстро закрывают асбестом и медленно охлаждают. При глубоких трещинах
в щеке вала, но без его поломки, на дефектную щеку устанавливают стальной
бандаж, предварительно нагретый до 260° С. Бандаж, остывая, надежно стяги-
вает и усиливает щеку вала. Перед установкой бандажа щеку стягивают при
помощи фасонной шпонки.
При поломке или трещинах в шатунных шейках вала ремонт его значи-
тельно усложняется. В этом случае дефектную шейку полностью удаляют, обра-
батывая ее на токарном станке, затем в щеках по тщательной разметке делают
расточку под напряженную посадку новой шейки, изготовленной с припуском
под последующую обработку. Далее производят разметку шеек вала, чтобы
определить общие горизонтальную и вертикальную оси, после чего щеки вала
поочередно нагревают до температуры 250—270° Сив расточенные отверстия
вставляют шейку вала. При посадке следят за совпадением разметочных линий,
определяющих оси вала. Затем валу дают остыть и производят токарную обра-
ботку. При токарной обработке новую шейку вала обрабатывают на ремонтный
размер, а также выверяют и доводят до необходимого ремонтного размера
и остальные шейки вала.
Одна из часто встречающихся операций при ремонте валов бурового и
нефтегазопромыслового оборудования — правка. В зависимости от диаметра
и величины прогиба валы можно править в холодном и нагретом состояниях.
Обычно длинные валы диаметром 10—100 мм при местном прогибе до 0,008
от длины вала правят в холодном состоянии. При большей величине стрелы
прогиба и больших диаметрах править валы рекомендуется с нагревом.
Правка изогнутого коленчатого вала является ответственной операцией.
Она обычно состоит из двух последовательных правок. При прогибе вала более
203
Mpj'mn нпкшш
Рис. 7.3. Схема правки наклепом щек коленчатого
вала:
0,3 мм вначале его правят под
прессом. Для этого вал уста-
навливают на призмы и при
помощи индикатора опреде-
ляют место максимального
прогиба. Если на участках
вала имеются стрелы прогиба,
направленные в разные сто-
роны, то правку производят
в два приема. Вначале устра-
няют один прогиб, затем вто-
рой. При этом следят за пра-
вильным расположением опор
аЬ и cd — оси шеек пала до njiamtir; a'ti' и c'd' — после И МОСТОМ ПрИЛОЖвНИЯ уСИЛИЯ
пратш пресса.
На рис. 7.2 показана схема правки многоколенчатого вала. При правке
вал нагружают так, чтобы он прогнулся в обратном направлении на 3 мм.
Затем нагрузку снимают и проверяют биение шеек вала. Если эта правка не
дала положительных результатов, то процесс повторяют с увеличением нагруз-
ки, доводя упругий прогиб вала до 4—5 мм.
Такой правкой величину прогиба доводят до 0,2—0,3 мм. После этого
правку продолжают механическим наклепом щеки вала, как показано на
рис. 7.3. Наклеп производят при помощи пневматического молотка, оснащен-
ного приспособлением, позволяющим наносить частые, но легкие удары по
щеке вала.
Отремонтированный вал должен быть проверен магнитной дефектоскопией
или другим методом на отсутствие внутренних трещин.
§ 2. РЕМОНТ ДЕТАЛЕЙ ТИПА ВТУЛОК
К деталям типа втулок относятся вкладыши подшипников, направляющие
втулки, детали сальниковых уплотнений, гильзы цилиндров компрессоров,
цилиндровые втулки насосов и др. Основные дефекты деталей этого типа —
износ наружных, внутренних цилиндрических и торцовых поверхностей, износ
резьб, задиры и риски на трущихся поверхностях, трещины.
При ремонте подобных деталей вначале устраняют трещины, а затем нара-
щивают изношенные рабочие поверхности способами наплавки, металлизации,
гальваническими и пластмассовыми покрытиями или заливкой антифрикцион-
ными сплавами.
В отдельных случаях, например, при ремонте гильз двигателей внутрен-
него сгорания, цилиндровых втулок насосов и компрессоров применяют способ
ремонтных размеров или дополнительных ремонтных деталей.
РЕМОНТ ДЕТАЛЕЙ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ
Подшипники скольжения, широко используемые в компрессорах, двига-
телях внутреннего сгорания, насосах и в других машинах, выполнены в виде
вкладышей, покрытых антифрикционным материалом, а также в виде втулок
из цветных сплавов или биметалла.
204
Антифрикционные сплавы, применяемые в подшипниках скольжения,
делятся на следующие группы:
1) сплавы на оловянной основе марок Б93, Б93А, Б91, Б89, Б83;
2) сплавы на свинцовой основе марок БС6, БС2, Б6, БТ, БН, Б16, БС;
3) сплавы на цинковой основе марок ЦАМ10-5, ЦАМ9-1.5, ЦОСЗ-З;
4) сплавы на алюминиевой основе марок АМК-2, АНЗ, АЖ6, АСМ;
5) сплавы на медной основе марок БрОЦС-6-6-3, БрОФ-10-1, БрО14,
БрОС5-25; БрАЖ9-4; БрБ2, ЛК80-ЗЛ, ЛМцС58-2-2 и др.
Сплавы, относящиеся к первым двум группам, называют баббитами, а к пя-
той группе — бронзами и латунями.
В табл. 7.1 приведены физико-механические свойства антифрикционных
сплавов, относящихся к различным группам. Сплавы на оловянной основе
обладают наиболее высокими антифрикционными свойствами по сравнению
со свойствами других подшипниковых сплавов. В табл. 7.2 приведен химиче-
ский состав некоторых сплавов на оловянной основе.
Таблица 7.1
Физика-механические свойства антифрикционных сплавов,
применяемых в подшипниках скольжения
Марка сплава
Свойства сплава В83 БТ БН Б16 БрОЦС-6-6-3 БрОФ-Ю-1 БрОС5-25
Предел прочности при сжатии, кгс/мм2 11,5 12,8 12,7 12,3 41,6
Предел текучести при сжатии, кгс/мм2 8,2 6,2 7,2 8,6 — — 14,5
Предел прочности при растяжении, кгс/мм2 9.0 6,0 7,0 7,8 20 25,0 16,0
Ударная вязкость, кгс-м/см2 Твердость по Бринелю, кгс/мм2 0,6 0,26 0,3 0,14 2,5 0,9 1.0
30,0 24,3 29,0 30,0 68 100 57,0
Температура плавления, °C 370 — 400 410 967 952 940,0
Плотность, г/см2 7,83 — 9,55 9,29 8,82 8,77 9,35
Коэффициент трения: со смазкой 0,005 0,009 0,006 0,006 0,009 0.008 0,005
без смазки 0,28 0,38 0,27 0,25 0,16 — 0,14
Износ, мг/(см2-км): со смазкой 0.1 0,32 0,15 0,22 0,06 — 0,08
без смазки 12,0 28,2 15,0 15,0 — — —
Подшипники скольжения часто работают при значительных удельных
нагрузках и высоких скоростях, что приводит к их изнашиванию, увеличению
зазоров в сопряжении вала с опорой и, как следствие этого, к появлению бие-
ния и вибраций вала.
В результате на рабочей поверхности подшипника образуются задиры и
трещины, а также происходит отслаивание антифрикционного сплава от вкла-
дыша подшипника. Ремонт вкладыша предусматривает выполнение следующих
операций: подготовка вкладыша к заливке, подготовка антифрикционного
сплава, заливка подшипника и последующая механическая обработка.
205.
Рис. 7.4. Приспособление для заливки вкладыша подшипника:
1 — плита; 2 — хомут; 3 — литниковая воронка; 4 — сердечник
Рис. 7.5. Приспособление для заливки двух вкладышей подшипника одновременно
На рис. 7.4 и 7.5 показаны приспособления для заливки вкладышей под-
шипников. Перед заливкой антифрикционного сплава проверяют размеры
вкладышей. Очищенные и обезжиренные вкладыши устанавливают на контроль-
ной плите торцами по разъему и проверяют высоту. Если высота не соответст-
вует размеру по чертежу, торцы наращивают наплавкой и обрабатывают до
требуемого размера.
Биметаллические втулки обычно не ремонтируют, а заменяют новыми.
В отдельных случаях биметаллические втулки изготовляют путем запрессовки
бронзовой втулки в стальной стакан с последующей механической обработкой
до первоначального размера.
Более надежным является нанесение бронзы на стальную заготовку центро-
бежным способом или наплавкой трением.
Процесс изготовления биметаллического подшипника центробежным спо-
собом выполняется в следующей последовательности. Из стальной трубной
заготовки или поковки вытачивают корпус втулки с припуском 2—4 мм на
сторону по наружному диаметру. Затем внутреннюю поверхность корпуса про-
травливают 20%-ным раствором соляной кислоты в течение 3—4 мин и нейтра-
лизуют 10%-ным раствором
Таблица 7.2 Химический состав сплавов на оловянной основе каустической соды, после чего тщательно промывают в проточной воде при тем- пературе 80—90° С. Очищен- ную поверхность покрывают слоем флюса, в качестве ко- торого используется водный
Марка сплава Химический состав, %
Олово Сурьма Медь
раствор буры (на 150 г буры
Б93 СОЯА 93 3,5 3,5 200 г воды). Когда флюс вы-
Б91 91 и 4,5 4,5 сохнет, к корпусу привари-
вают донышко и заклады
206
вают внутрь требуемое количество бронзы и флюса. Количество бронзы,
необходимое для засыпки в корпус, определяется из следующей зависимости:
Lp
4•1000
(7.1)
где Q — количество бронзы, г; — внутренний диаметр корпуса втулки, мм;
D2 — внутренний диаметр биметаллической втулки, залитой бронзой, мм;
L — длина втулки, мм; р — плотность бронзы, г/сма.
После загрузки бронзы и флюса к корпусу приваривают крышку с централь-
ным отверстием диаметром 4—5 мм для выхода газа при плавлении бронзы.
Для предохранения корпуса от окисления его покрывают графитовой обмазкой
(60 вес. частей графита и 50 вес. частей молотого мела, замешанного на воде).
Затем корпус помещают в специальную печь и нагревают до температуры
1100—1200° С. Корпус с расплавленной бронзой быстро устанавливают в пат-
роне приспособления и сообщают шпинделю вращение; окружная скорость
по внутреннему диаметру втулки должна быть не менее 3—4 м/с.
После 50—70 с вращения втулку охлаждают струей воздуха. Затем на
токарном станке отрезают крышку, растачивают по заданному размеру внутрен-
нюю поверхность по слою бронзы и обтачивают по наружной поверхности на
величину, равную ранее предусмотренному припуску. Обработанную биметал-
лическую втулку отрезают от остальной заготовки. Толщина антифрикцион-
ного слоя после механической обработки может составлять 0,4—0,8 мм. При
ремонте двигателей внутреннего сгорания изношенные вкладыши, залитые
свинцовистой бронзой, обычно заменяют новыми, имеющими соответствующий
ремонтный размер.
РЕМОНТ СМЕННЫХ ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК
Сменные цилиндровые втулки обычно применяют в машинах поршневого
типа — компрессорах, насосах, двигателях внутреннего сгорания, штанговых
глубинных насосах и др. Характерными дефектами этих деталей является из-
нос внутренней рабочей поверхности, что приводит к увеличению зазора между
трущимися поверхностями поршня и втулки и, следовательно, к нарушению
плотности сопряжения. Несмотря на то, что цилиндровые втулки различных
машин могут отличаться формой и размерами, процесс их ремонта аналогичен.
Цилиндровую втулку обычно ремонтируют способом ремонтных размеров.
В зависимости от размера втулки выбирают станочное оборудование. Для
малогабаритных втулок — гильз используют вертикальные расточные станки,
а окончательную обработку выполняют на специальных хонинговальных
станках.
Крупногабаритные втулки обычно растачивают на горизонтальных расточ-
ных станках многорезцовыми головками, закрепленными на бортштанге.
После расточки поверхность подвергают шлифованию и хонингованию.
При коррозионном износе наружных уплотнительных поясков или буртов
рекомендуется перед растачиванием внутренней поверхности втулки предвари-
тельно нарастить пояски и бурты наплавкой. Следует иметь в виду, что высокая
температура при наплавке может вызвать коробление, а иногда и образование
трещин. Поэтому лучше применять металлизацию или газовую наплавку с ис-
пользованием медных электродов и в качестве флюса — буру. После наплавки
уплотнительные бурты и пояски следует обточить на токарном станке и, приняв
обточенные пояски за базовую поверхность, предварительно расточить, а за-
тем прошлифовать отверстие на заданный ремонтный размер.
207
§ 3. РЕМОНТ ДЕТАЛЕЙ ТИПА ДИСКОВ
К этой группе ремонтируемых деталей бурового и нефтегааопромыслового
оборудования относятся зубчатые колеса редукторов и коробок скоростей,
цепные колеса лебедок, шкивы и др.
Характерными дефектами этих деталей являются износ, задиры и риски
на рабочих поверхностях, смятие шпоночных канавок, коробление или погну-
тость. Эти детали ремонтируют преимущественно способами механической обра-
ботки, в частности, способом ремонтных размеров или дополнительных ремонт-
ных деталей.
РЕМОНТ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
В процессе работы зубчатых передач происходит износ зубьев и посадоч-
ного отверстия, смятие шпоночных пазов. В отдельных случаях на рабочих
поверхностях цементированных зубьев можно наблюдать «шелушение» и выкра-
шивание цементированного слоя. При износе более 80% толщины цементиро-
ванного слоя зубчатые колеса заменяют новыми.
Процесс ремонта зубчатых колес в значительной степени определяется
характером повреждения и размерами детали. Изношенное отверстие ступицы
зубчатого колеса восстанавливают наплавкой, способом ремонтных размеров
или дополнительных ремонтных деталей.
Выбор способа ремонта определяется величиной диаметра отверстия и дли-
ной ступицы.
При диаметре отверстия свыше 100 мм и длине ступицы в пределах размера
диаметра изношенную поверхность отверстия ступицы наращивают наплавкой,
а затем отверстие растачивают до первоначального размера.
При меньших размерах диаметра изношенного отверстия и длинной сту-
пице отверстие растачивают до нового ремонтного размера из-за трудности
наплавки. Однако в этом случае необходимо наращивать до нового ремонтного
размера посадочную шейку вала, что усложняет процесс восстановления сопря-
жения вала с зубчатым колесом. Поэтому, когда в отверстии зубчатого колеса
отсутствуют шпоночные или шлицевые канавки и толщина стенки ступицы
позволяет произвести обработку на больший диаметр, изношенное отверстие
зубчатого колеса растачивают и в него запрессовывают стальную втулку, т. е.
применяют способ дополнительных ремонтных деталей. После этого колесо
вторично устанавливают на станке и отверстие во втулке растачивают до перво-
начального размера.
При смятии или разрушении кромок шпоночной канавки в отверстии зуб-
чатого колеса обрабатывается на долбежном станке новая канавка под углом
120—180° к оси старой канавки. Продольная ось новой шпоночной канавки
должна быть параллельна оси отверстия.
В отдельных случаях необходимо восстанавливать изношенные поверхно-
сти зубьев или поломанные зубья. Изношенные поверхности зубьев ремонти-
руют наплавкой, способом дополнительных ремонтных деталей, давлением и
др. Наплавку ведут электродами, специально подобранными по составу основ-
ного металла. После наплавки производят разметку и фрезерование зубьев.
Разрушенные отдельные зубья могут быть восстановлены способами, пока-
занными на рис. 7.6 и 7.7.
При изломе или выкрашивании большого числа зубьев рекомендуется
зубчатое колесо отжечь и обработать по наружной поверхности до полного
удаления зубчатого вооружения. На оставшуюся часть зубчатого колеса сле-
208
Рис. 7.6. Установка ввертыша с последующей наплавкой на
месте сломанного зуба
Рис. 7.7. Установка нового зуба шестерни в «ласточкин
хвост»
Рис. 7.8. Ремонт цепного колеса способом замены части детали:
1 — цепное колесо; 2 —зубчатый венец
дует установить по горячей посадке кольцо-венец, на котором нарезать новые
зубья и затем их термически обработать. Термическую обработку рекомендует-
ся проводить токами высокой частоты, чтобы не нарушить натяг, полученный
при горячей посадке венца. Отремонтированное зубчатое колесо должно быть
обкатано на стенде в паре с зубчатым колесом, с которым оно будет работать.
Обкатку ведут с применением абразивного порошка, смешанного с маслом
или керосином. Для более ответственных и быстроходных зубчатых передач
применяют пасту ГОИ. Пасту или абразивный материал наносят тонким слоем
на зубья, а зубчатым колесам сообщают небольшие обороты. По мере увели-
чения площади прилегания зубьев число оборотов постепенно увеличивают
с таким расчетом, чтобы окружная скорость на поверхности зубьев была не
более 3 м/с.
РЕМОНТ ЦЕПНЫХ КОЛЕС
Цепные передачи широко используются в буровых лебедках, цепных
редукторах, роторных приводах и в других буровых и нефтегазопромысловых
машинах.
Основными дефектами цепных колес являются износ посадочной внутрен-
ней поверхности втулки из антифрикционного материала, запрессованной в сту-
пицу колеса, изменение размеров профиля зубьев и диаметров впадин, смятие
или разрушение кромок шпоночных канавок в ступице цепного колеса.
Изношенную антифрикционную втулку выпрессовывают из ступицы и
вместо нее запрессовывают новую, имеющую припуск по внутреннему диаметру.
Затем цепное колесо вместе со втулкой устанавливают на карусельный или то-
карный станок и расстачивают втулку, на заданный размер.
Цепные колеса, имеющие износ по профилю зуба и диаметру впадин, чаще
всего ремонтируют способом замены части детали. Для этого на ремонтируемом
колесе газовой горелкой срезают изношенные зубья и колесо обтачивают по
наружной поверхности под горячую посадку. Отдельно изготовляют кольцо-
венец, имеющий припуск на наружной поверхности.
Кольцо устанавливают по горячей посадке на подготовленную поверхность
ценного колеса, а затем в двух-трех местах стыка просверливают отверстия,
нарезают резьбу и ввинчивают стопоры или накладывают прерывистые сварные
14 Заказ 7 63
209
швы (рис. 7.8). Температура нагрева кольца перед посадкой на остов колеса
определяется из следующей зависимости:
(/Л —Яс) 1<1'!
< = ------Ми. )7.2)
где 11 — натяг, мкм; Но — минимальный сборочный зазор, мкм; а — коэф-
фициент линейного расширения, 1/°С; t„ — начальная температура, ’С; d —
диаметр сопряжения, мм.
Но рекомендуется нагревать кольцо выше 700° С. Цепное колесо с кольцом
устанавливают на карусельный или токарный станок и обтачивают под задан-
ный размер для последующего нарезания зубьев. Зубья нарезают на зубофре-
.зерных или фрезерных станках.
В отдельных случаях зубья восстанавливают электронаплавкой. Напла-
вленные зубья размечают и затем обрабатывают. При этом строго контроли-
руют по шаблонам профиль зубьев и их шаг.
§ 4. РЕМОНТ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ
К крупногабаритным деталям относятся разнообразные детали бурового
и нефтегазопромыслового оборудования, имеющие большие размеры, сложную
форму и требующие для своей обработки крупного станочного оборудования и
специальной оснастки. Обычно эти детали ремонтируют реже остальных дета-
лей оборудования и их ремонт приурочивают к капитальному ремонту машины.
Среди деталей этого типа имеется группа деталей, имеющих форму тел
вращения, например, стол ротора, гайка стола ротора, корпус крейцкопфа,
корпус турбобура.
Большую группу составляют корпусные детали коробчатого типа. Это
станины лебедок, роторов, насосов, картеры компрессоров, блоки двигателей
внутреннего сгорания, клапанные коробки буровых насосов, цилиндры газо-
моторных компрессоров и т. д. Учитывая значительную стоимость корпусных
деталей, их бракуют только при больших дефектах, когда ремонт экономиче-
ски нецелесообразен или не может быть выполнен по техническим причинам.
Характерными дефектами корпусных деталей являются: механические
повреждения в виде трещин, пробоин, раковин, поломки шпилек, срыв резьб,
коробление, износ посадочных поверхностей под подшипники, втулки и др.
Ремонт корпусных деталей обычно начинают с устранения механических
повреждений и удаления обломанных шпилек. Трещины, свищи, раковины и
Рис. 7.9. Последовательность сверления отверстий для штифтовки
Рис. 7.10. Установка накладки с болтами и ввертышами на месте трещины:
1 — трещина; 2 — болты; з — ввсртыши; 4 — накладка
210
пробоины устраняют при помощи сварки. В некоторых случаях применяют
синтетические клеи или мастики.
Для устранения трещин в неответственных деталях применяют способ
штифтовки (рис. 7.9), а также устанавливают дополнительные накладки на
винтах или заклепках (рис. 7.10).
После проведения всех сварочных и наплавочных работ устраняют коро-
бление присоединительных плоскостей. Для этого применяют шлифование или
шабрение; в отдельных случаях используют фрезерование. Затем восстанавли-
вают посадочные поверхности под подшипники, вкладыши, пальцы или втулки.
Для восстановления этих поверхностей в большинстве случаев применяют
дополнительные ремонтные детали, металлизацию, наплавку, гальванические
пли полимерные покрытия.
РЕМОНТ СТАНИНЫ И СТОЛА РОТОРА
Основные дефекты станины ротора — износ поверхности, сопрягаемой с
опорным подшипником, и посадочных поверхностей в горловине под стаканы
подшипников приводного вала. Износ указанных поверхностей вызывает нару-
шение сопряжения зубчатой пары и перекос стола ротора относительно вер-
тикальной оси станины, вследствие чего нарушается перпендикулярность осей
зубчатой пары, возникают шум и удары в зубчатой передаче, а также изнаши-
ваются зубья. Перекос стола ротора приводит к местному нагреву ротора и не-
равномерной выработке в станине.
Для восстановления изношенных поверхностей станины ротора применяют
способы ремонтных размеров, дополнительных ремонтных деталей, наплавку
или металлизацию.
При незначительных износах отверстий в горловине их растачивают под
ремонтный размер; под новый размер отверстия изготовляют стаканы подшип-
ников.
При восстановлении изношенных посадочных поверхностей в горловине
способом дополнительных ремонтных деталей растачивают эти поверхности
на больший диаметр с последующей запрессовкой втулок и расточкой их под
посадочный размер стаканов подшипников (рис. 7.11). Одновременно восста-
навливают отверстие в станине под ось стопорной защелки. Отверстие рас-
сверливают на больший размер, запрессовывают втулку, а затем отверстие
во втулке развертывают до необходимого размера сопряжения с осью защелки.
Основными дефектами стола ротора являются износ поверхностей, сопря-
гаемых с вкладышами, повреждение лабиринтного уплотнения и резьбы.
Изношенные поверхности под вкладыши восстанавливают электродуговой
наплавкой с последующей механической обработкой на долбежных станках.
При незначительном повреждении резьбы ее восстанавливают слесарпо-меха-
ническими способами обработки. Когда резьба сильно повреждена и восстано-
вить ее невозможно, часть стола с резьбой отрезают газовой горелкой или на
станке, торец стола со стороны отрезанной части подготовляют под сварку и
приваривают надставку стола ротора, на которой нарезают новую резьбу (см.
рис. 5.4). Резьбу контролируют подготовленной гайкой.
РЕМОНТ КОРПУСА ВЕРТЛЮГА
Характерными дефектами корпуса вертлюга являются износ поверхно-
стей, сопрягаемых с пальцами серьги и радиальными подшипниками, и отвер-
стия, в котором установлен нижний сальник.
।
211
Рис. 7.11. Ремонт станины ротора
с применением дополнительных ре-
монтных втулок:
7 — корпус; 2 — втулка
Рис. 7.12. Ремонт корпуса вертлюга способом
дополнительных деталей:
7 — корпус; 2, з — втулки
Изношенные поверхности, сопрягаемые с пальцами серьги, восстанавли-
вают способом дополнительных ремонтных деталей. Для этого отверстия под
пальцы растачивают на больший размер, запрессовывают в них подготовлен-
ные втулки, а затем отверстия во втулках растачивают на первоначальный раз-
мер (рис. 7.12).
Изношенные поверхности, сопрягаемые с радиальным подшипником и
с нижним масляным уплотнением, восстанавливают металлизацией с последу-
ющей механической обработкой на первоначальные размеры.
РЕМОНТ КОРПУСА КРЕЙЦКОПФА БУРОВОГО НАСОСА
Основными дефектами корпуса крейцкопфа являются износ отверстий под
палец и повреждение резьбы под надставку штока.
Изношенные отверстия под палец крейцкопфа восстанавливают металлиза-
цией или способом дополнительных ремонтных деталей.
При восстановлении способом дополнительных ремонтных деталей изно-
шенные отверстия растачивают на больший размер, запрессовывают в них
втулки, имеющие припуск по внутреннему диаметру, и обваривают втулки
с внешней стороны корпуса сплошным швом. Затем крейцкопф устанавливают
на токарном станке и растачивают отверстия во втулках с одной установки
на первоначальный размер.
Для восстановления резьбы в отверстии под надставку штока также при-
меняют дополнительные ремонтные детали.
Отверстие с поврежденной резьбой растачивают на больший размер и за-
прессовывают втулку. Втулка имеет бурт, удерживающий ее в корпусе крейц-
копфа; с противоположной стороны бурта втулка приваривается к корпусу
крейцкопфа. Затем втулку растачивают и нарезают резьбу первоначального
размера (см. рис. 5.3).
212
РЕМОНТ КЛАПАННЫХ КОРОБОК БУРОВЫХ НАСОСОВ
Основными дефектами клапанных коробок буровых насосов явля-
ются износ поверхности упорного бурта внутри цилиндра под уплотнение
цилиндровой втулки, а также поверхностей сопряжения седел и цилиндро-
вых втулок с корпусом. Изношенные поверхности клапанных коробок вос-
станавливают наплавкой или способом ремонтных размеров. При незначитель-
ных износах восстановление изношенных поверхностей ведется при помощи
электродуговой наплавки с последующей расточкой наплавленных поверхностей
на расточных станках. При значительных повреждениях гнезда клапанов их
восстанавливают способом дополнительных ремонтных деталей. В этом слу-
чае отверстие гнезда клапана растачивают на больший размер и запрессовы-
вают втулку, которую затем растачивают до первоначального размера сопря-
жения гнезда с седлом клапана. Для создания надежной герметичности вос-
станавливаемую поверхность гнезда растачивают на конус при помощи спе-
циального приспособления и при запрессовке втулки под ее торец подкладыва-
ют уплотняющую прокладку из свинца, а также применяют обварку по кромке
запрессованной в гнездо втулки. Конусную поверхность втулки под седло
клапана после расточки пришабривают и притирают. В настоящее время на
некоторых ремонтных предприятиях крепление втулок в гнезде клапана осуще-
ствляют способом склеивания. При этом устраняется необходимость в механи-
ческой обработке втулки после ее установки в клапанной коробке, так как
отсутствует коробление, имеющееся при сварке.
При значительных износах в местах посадки цилиндровых втулок также
применяют способ дополнительных ремонтных деталей, т. е. производят пред-
варительную расточку поверхностей под цилиндровые уплотнения с после-
дующей запрессовкой втулки (рис. 7.13).
Рис. 7.13. Ремонт клапанной короб-
ки бурового насоса способом допол-
нительных ремонтных деталей
Рис. 7.14. Ремонт корпуса и клина задвижки способом дополнительных ремонтных
деталей с применением клеевого соединения:
I — клин; 2 — корпус; 4, 5, 6 — ремонтные кольца; 7 — клеевой слой
21 А
РЕМОНТ КОРПУСОВ ЗАДВИЖЕК ФОНТАННОЙ
II ТРУБОПРОВОДНОЙ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ
Наиболее характерными повреждениями корпусов фонтанной и трубо-
проводной запорной арматуры является износ уплотнительных поверхностей
корпуса, сопрягаемых с клином.
Для восстановления уплотнительных поверхностей обычно применяют на-
плавку или способ дополнительных ремонтных деталей. Перед наплавкой
восстанавливаемые поверхности подвергают предварительной механической
обработке на токарном или расточном станках для удаления дефектного слоя
и придания правильной геометрической формы. После наплавки производят
механическую обработку наплавленного слоя. Более прогрессивным способом
ремонта является приклеивание на восстанавливаемые уплотнительные по-
верхности дополнительных ремонтных колец (рис. 7.14).
Изношенные уплотнительные поверхности предварительно подрезают на
станке и со стороны уплотнительных поверхностей растачивают отверстия на
глубину 3—4 мм для установки приклеиваемых стальных колец. Сопряжение
приклеиваемых колец с отверстием в корпусе осуществляется по скользящей
или ходовой посадке, соответствующей третьему классу точности. Рабочие
торцы колец, контактирующие с клином, перед установкой в корпус шлифуют.
Склеиваемые поверхности корпуса и колец обезжиривают ацетоном, а затем
на них наносят эпоксидный клей и устанавливают кольца в корпус. Клин
с корпусом собирают сразу же после установки колец до отверждения клее-
вого слоя, что позволяет осуществить самоустановку колец и тем самым обеспе-
чить их плотное прилегание к поверхности клина без дополнительной притирки.
После установки клина проводится отверждение клеевого слоя при тем-
пературе 80—120° С в течение 1—2 ч.
РЕМОНТ КОРПУСА ТУРБОБУРА
Корпус является основной деталью турбобура. В процессе работы турбо-
бура возникают следующие дефекты корпуса: прогиб, различные повреждения
резьб, износ упорных торцов, вмятины.
Прогиб устраняют способом давления. Для восстановления изношенной
резьбы применяют способ замены части детали. Незначительные дефекты
резьбы (забоины и задиры) устраняют слесарно-механической обработкой.
Правку корпуса производят на гидравлическом прессе. Подставки пресса
устанавливают симметрично относительно места наибольшего прогиба. Вмя-
тины корпуса правят при помощи специальной прошивки (рис. 7.15), которая
состоит из отрезка забракованного вала турбобура с установленными на нем
калибрующими кольцами, затянутыми гайкой. Для устранения вмятин корпус
Рис. 7.15. Схема правки вмятин в корпусе
турбобура:
1 — у линитель; 2 — рама пресса; 3 — вал; 4— ка-
либрующее кольцо; •> —элеватор
устанавливают на раму пресса 2 и вво-
дят прошивку, навинчивая ее на
удлинитель. При проталкивании
прошивки через корпус происходит
выправление вмятин.
Затем проверяют присоедини-
тельные резьбы корпуса по шаблону
и калибру. При износе резьбы или
промывах ее на одном или обоих
концах, концы корпуса с изношен-
ной резьбой отрезают, а для сохране-
ния номинальной длины устанавли-
214
Рис. 7.16. Восстановление нижней резьбы корпуса турбобура спосо-
бом замены части детали:
1—переводник; 2— корпус турбобура; .4— падставка к корпусу; 4 — упорная планка
вают надставки, т. е. применяют способ замены части детали (рис. 7.16). Сборку
надставок с корпусом осуществляют по прессовой посадке в сочетании с резь-
бовым соединением.
При обработке корпуса под надставку восстанавливаемым конец корпуса
подрезают на определенную длину, обтачивают посадочные цилиндрические
пояски под надставку, между которыми нарезают резьбу. Во избежание ослаб-
ления корпуса сбег резьбы под надставку должен заканчиваться на расстоянии
не менее 40 мм от конца утолщенной части корпуса. Аналогичные пояски рас-
тачивают и нарезают резьбу в присоединительном конце надставки. Затем конец
корпуса нагревают на длине 400 мм до температуры 400—500° С и на него на-
винчивают надставку до упора ее торца в торец корпуса. После сборки кор-
пуса с надставкой иногда дополнительно обваривают стык.
ГЛАВА 8
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
РЕМОНТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Строительство или реконструкция любого предприятия в народном хозяй-
стве СССР выполняется по перспективному плану развития данной отрасли.
Строительство может быть разрешено и обеспечивается средствами только при
наличии утвержденного проекта и средств по перспективному плану.
Проект — комплект конструкторской, технологической и сметной доку-
ментации, по которой выполняется строительство и оборудование завода,
расходуются средства на строительные и монтажные работы, организуется
и ведется производство на заводе в первые годы его работы.
В проект должны быть заложены наиболее передовые строительные, тех-
нологические и организационные решения, чтобы было обеспечено высокое
качество продукции при минимальной ее себестоимости. Прогрессивность и
правильность проектных решений в конечном итоге оценивается технико-
экономическими показателями (ТЭП), которые сравниваются с такими же пока-
зателями наиболее современных действующих предприятий аналогичного про-
филя производства.
Общее инженерное руководство строительством и особенно проектирова-
нием в стране осуществляет Госстрой. Основной формой инженерного руковод-
ства является утверждение и издание Госстроем различных нормативных
215
материалов — строительных норм и правил (СН и СНиП), норм технологиче-
ского проектирования, санитарных и противопожарных норм и инструкций,
которые обязаны выполнять все проектирующие и строительные организации
страны.
Основным нормативным документом для проектирования служит Инструк-
ция по разработке проектов и смет для промышленного строительства
(СН227-70), утвержденная Госстроем СССР 28 ноября 1969 г.
Широкое распространение получили разработка и внедрение в практику
строительства типовых проектов. Строительство предприятий по типовым проек-
там дает огромный народно-хозяйственный эффект, в несколько раз сокращая
объем проектных работ, удешевляя и сокращая сроки строительства за счет
индустриализации работ — изготовления основных укрупненных блоков зда-
ний и сооружений на заводах и сборки их на строительной площадке. Для
оснащения предприятия могут быть приобретены готовые типовые проекты
рациональных конструкций нестандартного технологического оборудования
и оснастки — печей, ванн, стендов, стеллажей, фундаментов под оборудова-
ние, средств цехового транспорта, технологической оснастки и т. и.
§ 1. СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Рассмотрим порядок проектирования ремонтных заводов и крупных
ремонтных баз.
Задание на проектирование — формулируются основные требования заказ-
чика по новому или реконструируемому предприятию и даются исходные
данные для проектирования. Задание составляется на основе технико-эконо-
мического обоснования (ТЭО) целесообразности строительства или реконструк-
ции предприятия.
В задании указывается наименование предприятия, район или пункт
строительства, годовая программа предприятия, источники поступления ре-
монтного фонда, т. е. какие организации и предприятия ремонтный завод будет
обслуживать, режим его работы, основные технологические процессы, источ-
ники снабжения завода материалами, всеми видами энергии, топливом, водой,
возможности кооперирования завода, сроки строительства и очередность ввода
цехов завода в эксплуатацию, ориентировочный размер капиталовложений
и другие данные. Разработку технико-экономического обоснования строитель-
ства и задания на проектирование часто поручают организации, которая будет
проектировать завод.
Задание на проектирование утверждается вышестоящей организацией
заказчика и является основанием для развертывания проектных работ.
Проектирование ремонтных заводов обычно выполняется в две стадии:
1) технический проект (со сметно-финансовым расчетом);
2) рабочие чертежи.
В некоторых случаях применяют одностадийное проектирование (техно-
рабочий проект) с перенесением всех оценочных работ, обычно выполняемых
в техническом проекте, в ТЭО или задание на проектирование.
В техническом проекте даются организационные и технологические реше-
ния проектируемого предприятия.
На этой стадии проектирования решаются вопросы обеспечения пред-
приятия ремонтным фондом, сырьем, материалами, всеми видами энергии и
водой, вопросы специализации и кооперирования производства, применения
216
высокоэффективных технологических процессов и оборудования, механиза-
ции и автоматизации производства, обеспечивающих высокую производи-
тельность труда. Решаются также задачи оптимального использования тер-
ритории, отведенной под застройку, комплектования предприятия кадрамп,
создания необходимых жилищно-бытовых условий и т. д.
Основные проектные решения должны быть согласованы с городским
или районным архитектором, планирующими организациями, Госсаннадзором
и Госпожнадзором.
Особо должны быть обсуждены и согласованы с местными организациями
все мероприятия, закладываемые в проект для защиты окружающей среды от
вредных для природы и человека выбросов и отходов производства. На эту
часть проекта должно быть обращено особое внимание.
В технологической части технического проекта выполня-
ются следующие работы.
1. Разрабатывается технологический процесс и оценивается трудоемкость
ручных и станочных работ по годовой программе завода. Если программа за-
вода универсальна (намечается ремонт разнообразных машин), определяются
изделия-представители, по которым разрабатывается технологический процесс
и трудоемкость работ, а все остальные изделия приводятся к изделиям-предста-
вителям. Разрабатывается номенклатура и годовой объем выпуска запас-
ных частей для обеспечения текущего и среднего ремонтов машин на местах
эксплуатации. Уточняется объем и оценивается трудоемкость работ по изгото-
влению на заводе нестандартного оборудования и оснастки по заказам нефте-
газодобывающих предприятий.
2. Разрабатывается схема (последовательность) производственного про-
цесса ремонта машин и агрегатов и изготовления деталей, рассчитывается
схема транспортных потоков.
3. Определяется состав ремонтного предприятия — перечень цехов и
служб, необходимый для правильного ведения производства, взаимосвязь
цехов и отделений и принцип их организации.
4. Рассчитываются ведущие цехи и службы завода — состав и число рабо-
тающих, необходимое оборудование, площади, расход материалов и энергии.
5. Составляется планировка всех цехов и служб завода с размещением
оборудования и рабочих мест в основных цехах.
6. Разрабатывается генплан завода.
В строительной части проекта даются архитектурные и кон-
структивные решения основных зданий и сооружений, строительные мате-
риалы, организация и сроки строительства.
В экон омической части разрабатывается генеральная смета и
определяется стоимость строительства и оборудования завода.
Рассчитываются технико-экономические показатели проекта.
В техническом проекте определяется возможность применения для отдель-
ных элементов заводского хозяйства типовых проектов (здания, сооружения,
нестандартное оборудование), приводятся паспорта этих проектов.
Технический проект рассматривается и утверждается заказчиком, на сю
основе выполняются рабочие чертежи, открывается финансирование работ,
заказывается основная часть оборудования.
Рабочие чертежи необходимы, чтобы обеспечить строительство, мон-
таж и первый период эксплуатации завода всей рабочей докумен-
тацией. При разработке рабочих чертежей уточняются принятые в проекте
решения.
217
§ 2. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Рассмотрим на конкретном примере методику решения основных технико-
экономических задач при проектировании ремонтного завода или базы для
бурового и пефтегазопромыслового оборудования.
Программа ремонтного предприятия приведена в табл. 8.1. Годовая про-
грамма может быть задана в виде номенклатуры и числа средних и капиталь-
ных ремонтов машин.
Для ремонтной базы целесообразно рассчитывать программу и мощ-
ность в зависимости от парка машин, эксплуатируемых на предприятиях,
которые база будет обслуживать. При такой методике в программе может быть
полностью учтена потребность парка машин во всех видах ремонта в зависи-
мости от интенсивности их эксплуатации. Кроме того, планы-графики ремонта
оборудования, составленные эксплуатационными предприятиями, получат
реальное обеспечение. В основу расчета программы в этом случае принима-
ются эксплуатационные нормативы системы ППР.
Предположим, что ремонтная база предназначена для обеспечения
всеми видами ремонта парка действующих буровых установок в количе-
стве 15 единиц. Ремонт компрессорных установок, двигателей внутреннего
сгорания (ДВС), электродвигателей, электрооборудования, буровых ключей
выполняется часто на специализированных предприятиях отрасли. В рассма-
триваемом примере ремонт компрессоров и ДВС включен в программу базы
для того, чтобы показать возможные организационные и технологические реше-
ния достаточно универсального ремонтного предприятия.
Кроме ремонта бурового оборудования база будет Выполнять заказы
Управления буровых работ (УБР) на нестандартное оборудование. Для этого
должна быть зарезервирована часть мощности базы.
Рассчитаем годовую программу ремонтной базы, исходя из' Норма-
тивов системы ППР для бурового и нефтедобывающего оборудования *. Для
удобства расчета целесообразно перейти к исчислению межремонтного
цикла в машино-часах работы оборудования (см. прилож. 2). В расчете про-
граммы учтены и текущие ремонты оборудования, для выполнения которых,
а также для замены агрегатов при средних ремонтах на местах эксплуатации
в составе ремонтной базы должны быть предусмотрены передвижные ремонтные
средства. В итоге расчета получается годовая программа ремонтной базы в на-
туральном выражении — годовое число текущих, средних и капитальных ре-
монтов агрегатов, комплектующих буровую установку.
Для расчета мощности базы необходимо от числа ремонтов перейти к их
унифицированной оценке, т. е. использовать предусмотренную нормативами
системы ППР трудоемкость ремонтов разных машин (см. прилож. 3). По
этим же нормативам общую трудоемкость можно дифференцировать по
видам работ — станочные, слесарно-сборочные, кузнечно-прессовые, свароч-
ные и др.
Для упрощения расчета трудоемкости годовой программы распределение
по видам работ удобно представить не в абсолютных величинах (в часах),
алв % от общей трудоемкости, как это сделано в табл. 8.1. Если дифференциа-
1 Положение о системе планово-предупредительного ремонта и рациональной эксплуа-
тации технологического оборудования в нефтяной промышленности. Управление главного
механика. Изд. Миннефтепрома СССР, 1972.
218
ции по видам работ в нормативах нет, рекомендуется использовать следующие
приближенные соотношения (в %):
Механическая обработка.................. 40—50
Монтажно-демонтажные и слесарные работы 30—35
Кузнечно-прессовые работы .............. 3—10
Термические.............................2.5—5.0
Сварочные................................. 5—10
Малярные работы ................. 1—3
Мойка, контроль, комплектовка........... 5—6
С учетом резерва мощности на изготовление нестандартного оборудования
(принято 50%) расчет даст оценку годовой программы ремонтной базы в тру-
доемкости ручных и станочных работ. В таком виде программа может быть
использована для расчета всех элементов хозяйства ремонтного предприятия.
При расчете годовой программы могут быть более сложные случаи. Пред-
положим, что база предназначена для ремонта погружных штанговых насо-
сов. Насосы выпускаются почти пятидесяти типоразмеров, различающихся
диаметром и ходом плунжера. Масса таких насосов 18—364 кг. Широка номен-
клатура и погружных электроцентробежных насосов (ЭЦН). Очевидно, что
трудоемкость ремонта насосов будет различна. Однако, если известна трудоем-
кость ремонта одного насоса (например, НГН-2), то, рассматривая этот насос
как изделие-представитель всей однотипной по конструкции серии погружных
штанговых насосов, можно оценить трудоемкость ремонта каждого из них
по соотношению масс.
Трудоемкость станочных работ ориентировочно рассчитывается по формуле
('S. I)
где Тх — искомая трудоемкость, ч; Тп — трудоемкость изделия-представи-
теля, ч; М* — масса изделия, трудоемкость которого определяется, кг; Мп --
масса изделия-представителя, кг.
Трудоемкость слесарно-сборочных работ
Если трудоемкость ремонта аналогичных по конструкции машин не изве-
стна, то разработав и пронормировав технологический процесс ремонта машин
одного типоразмера, можно по приведенным выше формулам определить тру-
доемкость ремонта каждой машины. Если в программе ремонтного предприятия
разнотипные машины, то для оценки трудоемкости их ремонта можно применить
метод деталей-представителей. Все машины делятся на группы однотипных
деталей — валы разной сложности, втулки, дисковые детали, в частности,
зубчатые и цепные колеса, корпусные детали и т. д. Технология ремонта раз-
рабатывается п нормируется па представителя каждой группы, а затем по соот-
ношению масс определяется трудоемкость ремонта остальных деталей в группе.
В качестве изделия-представителя пли детали-представителя целесооб-
разно выбирать средние по размерам объекты с достаточно большой годовой
программой. Так, может быть определена общая трудоемкость ремонтных
работ.
Метод проектирования трудоемкости работ по представителям много лет
и с достаточной точностью применяется в машиностроении.
219
Расчет годового производственного
Оборудование и показатели затрат труда Число машин Структура межремонтного цикла Число ремонтов в никло
ТР СР КР
Ротор 15 КР-ТР-СР-ТР-СР-ТР-КР 3 2 1
Буровая лебедка 15 КР-ЗТР-СР-ЗТР-СР-ЗТР-КР 9 2 1
Буровой насос 30 КР-2ТР-СР-2ТР-СР-2ТР-СР-2ТР КР 8 3 1
Вертлюг 15 КР-ТР-СР-ТР-СР-ТР-КР 3 2 1
Подъемный крюк 15 КР-ТР-СР-ТР-СР-ТР-КР 3 2 1
Талевой блок 15 КР-ТР-СР-ТР-СР-ТР-КР 3 2 1
Крон-блок 15 КР-ТР-СР-ТР-СР-ТР-КР 3 2 1
Двигатель дизеля 60 КР-2ТР-КР 2 — 1
Компрессорная станция . . . 30 КР-ТР-СР-ТР-СР-ТР-КР 3 2 1
Кран поворотный 30 КР-2ТР-СР-2ТР-СР-2ТР-КР 6 2 1
Текущий ремонт машин . . . Всего затрат по основной про- — — — — —
грамме Резерв мощности для изготовле- ния нестандартного оборудо- вания и деталей для нефтепро-
мыслов (50%) Всего затрат труда на годовую — — — — —
программу — — — — —
Оборудование и показатели затрат труда Годовые затраты труда на ремонт, ч
механическая об дебо к а
СР КР Всего % ч
Ротор 2 480 2 605 5 085 46 2 340
Буровая лебедка 5 400 5 960 11 360 33 3 750
Буровой насос 10 200 7 900 18 100 17 3 075
Вертлюг 1 365 1 550 2 915 42 1 225
Подъемный крюк 375 413 788 36 283
Талевый блок 675 750 1 425 43 613
Крон-блок 750 787 1537 43 661
Двигатель дизеля — 21 900 21 900 48 10 510
Компрессорная станция . . . 6 410 6 940 13 350 52 6 940
Кран поворотный 3 600 3 800 7 400 38 2 810
Текущий ремонт машин . . . — — 19 940 — —
Всего затрат по основной про- грамме 31 255 52 605 103 800 — 32 207
Резерв мощности для изготовле- ния нестандартного оборудо- вания и деталей для нефтепро- мыслов (50%) 47 940 16 103
Всего затрат труда на годовую программу — 151 740 — 48 310
220
Таблица 8.1
плана ремонтного предприятия
Коэффициент использова- ния времени машин Годовое машин- ное время ра- боты одной машины, ч Годовое машин- ное время ра- боты всех ма- шин, ч 1 Межремонтный 1 цикл, ч Годовое число ремонтов всех машин Трудоемкость одного ремонта, ч Годовые затра- ты труда на текущий ре- монт, ч
ТР СР КР ТР СР КР
ь маш ъ кал
0,50 0,70 3025 45 375 3655 37,2 24,8 12,4 16 100 210 595
0,45 0,90 3500 52 500 7000 67,5 15,0 7,5 65 360 795 4 390
0> 0,90 2335 70 050 3500 160,0 60,0 20,0 45 170 395 7 200
0,30 0,70 1815 27 225 2195 37,2 24,8 12,4 10 55 125 371
0,45 0,75 2920 43 800 5840 22,5 15,0 7,5 3 25 55 68
о;45 0,75 2920 43 800 5840 22,5 15,0 7,5 7 45 100 158
0;45 0,79 3070 46 050 6140 22,5 15,0 7,5 7 50 105 158
0,60 0^2 3215 193 000 3215 120,0 60,0 20 115 365 2 400
0;55 0,57 2710 81 300 3050 80,0 53,4 26,7 20 120 260 1 600
0,20 0,90 1555 46 650 2330 120,0 40,0 20,0 25 90 190 3 000
— — — — — — — — 19 940
— — — — — — — — — — — —
— — — — — — — — — — — —
— — — — — — — — — — — —
Продолжение табл. 8.1
Распределение затрат труда по видам работ
кузнсчно- прессовые работы термическая обработка сварка, наплавка малярные работы разборка слесарно-сбо- рочные работы мойк: роль, лет , конт- комп- говка
% ч % ч % ч % ч % ч % ч % ч
3,6 183 2,4 122 12,0 610 1,0 51 8 405 22,0 1 120 5 254
9,0 1020 1,3 145 14,5 1 650 0,7 80 10 1135 25,5 2 900 6 680
4,5 815 5,7 1030 8,5 1 540 1,3 235 15 2720 41,0 7 420 7 1265
11,0 320 2,8 82 7,5 218 1,7 50 8 233 22,0 642 5 145
8^5 67 5,5 43 4,5 36 4,5 36 10 79 25,0 197 6 47
9,5 135 3,0 43 7,5 107 3,0 43 8 114 21,0 299 5 71
9,5 146 3,0 46 7,5 115 3,0 46 8 123 21,0 323 5 77
3,0 657 2,5 548 2,5 548 2,0 438 8 1752 28,0 6 132 6 1315
2,0 267 1,5 200 2,5 335 2,0 267 7 936 27,0 3 605 6 800
2,3 170 1,5 111 24,0 1 775 2,2 164 6 445 21,0 1 555 5 370
— — — 20,0 3 990 — — — — 80,0 15 950 — —
— 3780 — 2370 — 10 924 1410 — 7942 — 40 143 — 5024
— 1890 — 1180 • — 5 476 — 700 — — — 20 077 — 2516
5670 — 3550 — 16 400 — 2110 — 7940 — 60 220 — 7540
221
СОСТАВ РЕМОНТНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Для обеспечения нормального хода производства ремонтное предприятие
должно быть наделено минимально необходимыми основными и вспомогатель-
ными цехами и службами. Состав предприятия определяется в основном
организацией, технологическим процессом и объемом выпуска (номенкла-
тура и годовой выпуск), степенью специализации предприятия и возможно-
стями его кооперирования с другими заводами.
На организацию ремонтных предприятий нефтяной и газовой промышлен-
ности существенное влияние оказывают:
1) большая номенклатура применяемых в эксплуатации сложных машин
и оборудования;
2) относительно небольшое число и разбросанность парка машин;
3) тяжелые условия эксплуатации;
4) нестабильность машинного парка — по мере освоения нефтяного или
газового месторождения номенклатура применяемого оборудования сильно
меняется: первый этап освоения — энергичное разбуривание месторождения
мощными буровыми установками, второй этап — фонтанная добыча с относи-
тельно простым оборудованием и организация системы поддержания пласто-
вого давления мощными насосами или компрессорами и, наконец, третий
этап — добыча нефти насосами;
5) необходимость изготовления на ремонтных предприятиях разнообраз-
ного нестандартного оборудования для нужд эксплуатации месторождения.
Исходя из этого, крупные ремонтные базы нефтяной и газовой промышлен-
ности должны быть достаточно универсальными предприятиями, наделенными
почти всеми элементами современного машиностроительного производства,
кроме крупных заготовительных цехов, так как отливки, тяжелые поковки
и штамповки ремонтные предприятия, как правило, получают со стороны.
Таким образом, в составе ремонтного предприятия должны быть все основ-
ные обрабатывающие цехи и отделения: механический, металлоконструкций
и сварочный, термический, малый кузнечно-прессовый, металлопокрытий,
монтажно-демонтажный с мойкой, контрольно-испытательным и малярным от-
делениями, отделения электротехническое, средств автоматики, топливной
аппаратуры, все вспомогательные цехи и службы — инструментальный, ком-
прессорная станция, склады и др.
РЕЖИМ РАБОТЫ ПРЕДПРИЯТИЯ
И ФОНДЫ ВРЕМЕНИ ОБОРУДОВАНИЯ И РАБОЧИХ
Рассчитав трудоемкость годовой программы ремонтного предприятия,
можно определить число производственных рабочих и единиц оборудования,
необходимых для ее выполнения. Для этого следует установить режим работы
предприятия и рассчитать удельные возможности единицы оборудования и
одного рабочего.
Режим работы большинства промышленных предприятий Советского
Союза — пятидневная рабочая неделя с двумя выходными днями. Продолжи-
тельность рабочей недели 41 ч, рабочего дня 8,2 ч. Для ремонтных предприя-
тий целесообразно установить двухсменную работу. Число рабочих дней в году
с учетом двух свободных дней в неделю и восьми праздничных дней в году
365 — 52 X2—8 = 253 дня.
222
Номинальный годовой фонд времени работы для одной смены равен 247 X
X + 6 X 7 «и 2070 я (в расчете учтено, что в предпраздничные дни про-
должительность рабочего дня меньше на 1 ч).
РАСЧЕТ ЧИСЛА ОБОРУДОВАНИЯ
Число основного производственного оборудования ремонтного предприятия
определяется по формуле
2 7'с
С'—<8-3>
где — расчетное число станков; У,ТС—суммарная трудоемкость станоч-
ных работ, ч; Fa — действительный годовой фонд времени оборудования с уче-
том сменности (табл. 8.2); к — коэффициент выполнения норм времени (в сред-
нем по станочным работам).
Таким расчетом может быть получено общее число оборудования, напри-
мер, механического цеха. Применительно к рассматриваемому примеру число
станков будет (см. табл. 8.1):
С _ 48 310
С;' ' 4015 • Г
Таблица 8.2
Действительный годовой фонд времени оборудования Fa
(с учетом потерь времени па ремонт)
снюрудованис и рабочее место Одна смена Две смены Три смены
потери времени, % фонд времени, ч потери времени, % фонд времени, ч потери времени, % фонд времени, ч
Металлорежущее ц деревообра- батывающее То же. уникальное (свыше 30 2 2030 3 4015 4 5960
категорий сложностп ремонта) — — 6 3890 10 5590
Кузнечно-прессовое Прессы и ножницы для холодной обработки 4 1990 5 3930 7 3850
2 2030 3 4015 4 5960
Рабочее место без оборудования 0 2070 0 4140 0 6210
Общее расчетное число станков механического цеха может быть разделено
по видам оборудования, исходя из норм, рекомендуемых системой ППР тех-
нологического оборудования машиностроительных предприятий для ремонтпо-
механпческих цехов (табл. 8.3).
Нз табл. 8.3 видно, что полученное расчетом небольшое число станков
(12) нс дает возможности сделать более широкий выбор станков для механиче-
ского цеха. Однако показана основная тенденция выбора — приоритет токар-
ных станков. Полученное расчетом дробное количество станков округляется
в сторону увеличения так, чтобы соотношение между расчетным Ср и приня-
тым Сп числом станков составляло коэффициент загрузки в среднем но механи-
ческому цеху /<, - 0,80—0,85.
223
Таблица 8.3
Распределение по видам станков механического цеха
Станки Распределе- ние (норма), % Число станков Коэффициент загрузки, h3 = Cp/Cn
расчетное, СР принятое, Сп
Токарные и револьверные Карусельные 35-45 4-5 5,0 6 0,83
Расточные Вертикально-сверлильные 3-4 3—7 1,0 1 1,00
Радиально-сверлильные Фрезерные 5-4 8-10 1,3 2 0,65
Строгальные 7-8 2,0 2 1,00
Шлифовальные 11-15 1,8 2 0,9
Зуборезные 6-7 0,9 1 0,9
Всего — 12 14 0,86
Рекомендуемый нормами относительно невысокий коэффициент загрузки
к3 объясняется невозможностью полного использования их в условиях неболь-
шого механического цеха с разнообразной работой. По принятому числу стан-
ков составляют спецификацию оборудования, необходимого для механического
цеха. Типы станков выбирают так, чтобы их характеристика соответствовала
видам обработки и размерам деталей машин, которые на этих станках будут
ремонтировать или изготовлять.
Аналогично по трудоемкости, рассчитывают оборудование и других цехов
ремонтного предприятия (сварочного, кузнечно-прессового, термического).
Число верстаков и стендов (рабочих мест) для разборочно-сборочных цехов
может быть рассчитано по числу рабочих слесарей в наибольшую смену (обычно
первую). При этом необходимо учитывать, что на крупных стендах (разбороч-
ных и сборочных) могут работать одновременно несколько рабочих.
При двухсменной работе обрабатывающих цехов иногда работу сборочно-
разборных цехов целесообразно организовывать в одну смену.
Для механизации сборочно-разборочных работ, кроме верстаков и стендов,
применяют без расчета комплект (минимально необходимый) сверлильных
станков, механических и гидравлических прессов для распрессовки и запрес-
совки деталей, притирочных станков, станок для балансировки и комплект
различного механизированного инструмента (дрели, гайковерты, пневмона-
пильники и др.).
РАСЧЕТ ЧИСЛА РАБОТАЮЩИХ
НА РЕМОНТНОМ ПРЕДПРИЯТИИ
Число основных рабочих рассчитывают но профессиям,
исходя из трудоемкости годовой программы по видам работ
где — суммарная трудоемкость годовой программы по данному виду работ,
ч; Гд_ р — действительный фонд времени одного рабочего, ч; к — коэффициент
выполнения норм.
224
При большом числе станков и машин в цехах ремонтной базы целесооб-
разно число рабочих выбирать по принятому числу станков, т. е.
R =
FgCn
Fg. р
(8.5)
где — действительный фонд времени одного станка, ч (табл. 8.2).
Таблица 8.4
Действительный годовой фонд времени рабочих
Число рабочих часов в неделю Номинальный годовой фонд, ч Отпуск, рабочие дни Потери времени, % Действительный фонд времени, ч
41 2070 15 10 I860
41 2070 18 и 1840
41 2070 24 12 1820
36 * 1830 24 12 1610
* При работе по вредных условиях.
Так, в рассматриваемом примере число слесарей-сборщиков (см. табл. 8.1)
а число токарей
60220
1840
о_ 4045-6
R~ 1840
Необходимое число рабочих по профессиям приведено в табл. 8.5.
Число рабочих по профессиям
Таблица 8.5
11рвфесс и л рабочего Число станков или общая трудоем- кость, чел.-ч Число рабочих * Профессия рабочего Число станков или общая трудоем- кость , чел.-ч Число рабочих *
Токарь 6 13 Термист 3 550 2
Расточпик 1 2 Сварщик 16 400 9
Сверловщик .... 2 4 ** Маляр 2 110 1
Фрезеровщик .... 2 5 *** Монтажник 7 940 4
Зуборезчик .... 1 2 Слесарь-сборщик . . 60 220 33
Шлифовал7.щпк . . . 2 4 ** Мойщик 5 740 3
Кузнец I о Рабочий-испытатель 1 800 1
Штамповщик) • • • . .
Всего . . . . 86
* При расчете учтена степень вредности работ. В расчете числа сварщиков и слесарен учтены
также рабочие дли передвижных мастерских малого ремонта машин.
** Небольшой недостаток рабочих-станочников для этих станков по сравнению с расчетом
(4,4 станочника) может быть компенсирован перевыполнением норм и другими технологическими и ор-
ганизационными мероприятиями.
*** Число фрезеровщиков принято с резервом для компенсации недостатка в зуборезчиках.
1> Заказ
225
Число вспомогательных рабочих-контролеров,
инструментальщиков, электромонтеров, ремонтников, кладовщиков, наладчи-
ков и транспортных рабочих может быть принято 25—30% от рассчитанного
общего числа производственных рабочих (86 X 0,3 = 26).
Ч и ело ИТР принимают обычно 13—15% от производственных рабо-
чих, из них примерно половина работает непосредственно в цехах, остальные —
г. управлении предприятия (86 X 0,15 = 13).
Счетно-конторский персонал (СКП) может быть при-
нят 10—12% от числа производственных рабочих, из них г/3 работает в цехах
предприятия, остальные — в заводоуправлении (86 X 0,12 = 10).
Младший обслуживающий персонал (МОП) — убор-
щицы, гардеробщицы — принимается 2—3% от числа производственных рабо-
чих (86 X 0,03 = 3).
Таким образом, весь персонал рассматриваемой ремонтной базы
86 -j-26 13-i - !<• -'- 3 ---138 чса.
РАСЧЕТ ПЛОЩАДИ РЕМОНТНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Площадь механического цеха может быть определена по числу станков
и удельной площади па один станок. В удельной площади кроме площади стан-
ка учтены рабочее место станочника, площадка у станков для установки инст-
рументального шкафа, стендов и стеллажей для деталей, простейших подъемно-
транспортных устройств, учтены проходы и проезды между станками. В зависи-
мости от габаритных размеров и массы станки делятся на группы, которым
соответствует им удельная площадь на станок (табл. 8.6).
Таблица 8.6
Удельная площадь на станок
Группа станков Габаритные размеры станка, мм Удельная площадь на один станок, м2
ширина длина
Мелкие До 800 До 1800 10-12
Средние » 2000 » 4000 15—25
Крупные » 4000 » 8000 30-45
Особо крупные » 6000 » 15 000 50—150
В среднем, удельная площадь на станок механического цеха может быть
принята 20—22 м2.
Таким образом, для рассматриваемого случая общая площадь механиче-
ского цеха составит 12 X 22 ж 265 м2.
Площадь остальных производственных цехов и
отделений ремонтного предприятия (табл. 8.7) может быть определена
по удельной площади на рабочее место (ниже в расчете принята односменная
работа всех цехов и отделений, кроме механического цеха).
В составе вспомогательных служб крупных ремонтных предприятий
необходимо предусматривать инструментальный цех с кладовыми инструмента
и ремонтное отделение отдела главного механика (ОГМ). В мелких ремонтных
мастерских для этой цели предусматривается инструментальная кладовая
226
Таблица 8.7
Удельная площадь на рабочее место и общая площадь цехов
и отделений ремонтной базы
Цех или отделение Удельная площадь, м2 Число рабочих мест Общая площадь, м2
Участок наружной мойки 30-35
Демонтажный цех 20-30 4 100
Механический цех — — 265
Отделение мойки деталей 25 3 75
Контрольно-сортировочное отделение 15—171 2 30
Отделение комплектовки 15—18/
Цех ремонта двигателей и компрессоров 13—15 6 * 90
Испытательная станция 25—30 2 50
Отделение ремонта топливной аппаратуры и электро-
оборудования 10—12 2 25
Отделение ремонта корпусных деталей и рам . . . 20 — —
Жестяно-медницкое отделение 11—13 — —
Деревообрабатывающее отделение 20—25 — —
Цех сборки машин и агрегатов 25—30 8 * 220
Малярное отделение 40—50 1 50
Кузнечно-прессовое отделение 24—26 3 80
Термическое отделение 24—26 2 50
Котельно-сварочное отделение 20-25 з ** 150
Гальваническое отделение 30—45 2 60
Компрессорная станция 25—30 2 50
Трансформаторная подстанция 25—30 2 50
Всего 1345
* В цехах сборки машин и ремонта двигателей на каждом рабочем месте работают два
сборщика.
“ Часть сварщиков, а также слесарей работают в передвижных мастерских текущего ремонта.
Площадь котельно-сварочного отделения взята по максимальной норме с учетом больших габаритных
размеров изготовляемого нестандартного оборудования.
с универсальным заточным станком (изготовление инструмента и ремонт собст-
венного оборудования выполняются силами производственных отделений).
Для этого резервируется от 5 до 15% мощности мастерской. Кроме обеспече-
ния инструментом текущего производства в задачу инструментального цеха
входит изготовление специального инструмента и приспособлений для улуч-
шения технологии ремонта машин и освоения новых процессов.
Число станков в инструментальном цехе ремонтного предприятия при-
нимают 15—20% от числа обслуживаемого основного оборудования. При-
мерно 30% станков в инструментальном хозяйстве составляют токарные станки,
15% — фрезерные, 20% — шлифовальные, 10% — сверлильные и 20% —
заточные станки. Для рассматриваемого примера следует взять четыре станка
в инструментальное отделение: токарный, универсально-фрезерный, сверлиль-
ный (без постоянного рабочего) и заточной. Число станочников-инструменталь-
щиков принимается по числу станков с учетом сменности (т. е. шесть станочни-
ков), число слесарей — примерно 35—50% от станочников (три слесаря-инстру-
ментальщика). Площадь инструментального цеха рассчитывается по норме
17 — 22 м2 па один станок и 4—5 м2 па одного слесаря.
Площадь инструментального отделения проектируемой ремонтной базы
будет 5ППС= 4х 18+3x5 = 87 м2. Площадь инструментально-раздаточной
15*
227
кладовой S„ р 1; рассчитывается по норме 0,55—0,65 м2 на один обслужи-
ваемый станок и 0,15—0,20 м2 на одного слесаря, т. е. для металлорежущих
станков и кузнечно-прессового оборудования (12 + 3 + 3) X 0,65 плюс для
обслуживания слесарей (33 + 3 + 4 + 6 + 3)Х 0,2. Всего <8'и р к = 22 м2.
Число станков ремонтного отделения определяется
по норме: 4—5% от общего числа обслуживаемого оборудования — производ-
ственного, вспомогательного, подъемно-транспортного, санитарно-технического
и др. Номенклатура станков ремонтного отделения может быть определена,
если исходить из расчета станков: 35—45% токарных, 4—5% расточных, 14—
17% фрезерных, 8—11% сверлильных, 10—12% шлифовальных и 10—12%
строгальных.
Число станочников-ремонтников рассчитывают так же, как и число инст-
рументальщиков; число слесарей-ремонтников принимают 100—150% от ста-
ночников. Площадь ремонтного отделения принимается из расчета 25—30 м2
на один станок и 14—16 м2 на одно слесарное рабочее место.
При детальной разработке ремонтного хозяйства целесообразно исполь-
зовать материалы «Единой системы ППР технологического оборудования
машиностроительных предприятий».
Площадь складских помещений может быть принята
суммарно в размере до 25% призводственной площади предприятия. Для рас-
сматриваемого примера 5СКЛ = 1345 X 0,25 = 336 м2. Общую площадь целе-
сообразно распределить (в %) между складами следующим образом:
Склад запасных частой .................................20
Склад деталей, ожидающих ремонта...................... 7
Комплектовочный склад..................................10
Склад металлов........................................ 8
Склад материалов (центральный магазин).................17
Склад машин и агрегатов, ожидающих ремонта............15
Склад отремонтированных машин п агрегатов ............ 6
Центральный инструментальный склад (ЦИС) ............ 4
Склад ГСМ ............................................ 3
Склад .леса........................................... 8
Склад утиля .......................................... 2
Склады металла и леса проектируют под навесами. В небольших ремонт-
ных предприятиях склады укрупняют. В основном здании проектируемой
ремонтной базы целесообразно разместить центральный магазин, ЦИС, склад
запчастей, комплектовочный, а также склад деталей, ожидающих ремонта.
Суммарная площадь этих складов
Л'скл-= 336 (0,17+ 0.04-1-0,20-; 0.10-; 0,07) =-195 м2.
Площадь бытовых помещений может быть принята 15%,
а площадь административных помещений — 6% от производ-
ственной площади. Для рассматриваемого случая
8’а—-1345 (0,15+ 0,06)- -282 м2.
Сумма полученных расчетом площадей цехов и служб определяет общую
площадь проектируемого ремонтного предприятия:
•8 сум — 5'пр + ^скл + *^инс + ^’и.р.к + ^'а== 1345-19587 22---282 - 1930 м2.
ВЫБОР СХЕМЫ И РАЗМЕРОВ ЗДАНИИ, ПЛАНИРОВКА ЦЕХОВ
И СЛУЖБ РЕМОНТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Схемы, конструкции и размеры производственных зданий машинострои-
тельных предприятий унифицированы и регламентируются нормами Госстроя
228
Рис. 8.1. Основные размеры пролета производственного здания
СССР СН 118—68. Эти нормы следует применять и для проектирования ремонт-
ных предприятий.
Унифицированные здания предуматривают блочное размещение цехов
и служб предприятия, желательно, в одном многопролетном здании. Блоч-
ное размещение цехов в многопролетных зданиях с широкими пролетами
значительно снижает стоимость строительства и эксплуатации зданий,
улучшает условия маневрирования при перепланировке производства.
Последнее обстоятельство весьма существенно для проектирования ремонтных
предприятий нефтегазодобывающей промышленности, так как по мере освоения
нефтяного месторождения меняется номенклатура ремонтируемых машин,
закапчивается разбуривание месторождения, и основой в ремонтном фонде
становится оборудование для добычи нефти.
Основные размеры и элементы зданий стандартизированы (колонны, балки,
перекрытия, фермы, фундаментные плиты, элементы стен, оконных и дверных
проемов п др.). Это создает возможность изготовлять их в заводских условиях,
а работы на строительной площадке сводятся в основном к блочному мон-
тажу зданий из этих элементов.
Основными параметрами пролета здания являются (рис. 8.1): ширина
пролета L\ шаг колонн t (в направлении продольной оси пролета); сетка колонн
L '< t; высота до подкрановых путей lf1; высота пролета (от пола до нижней
части несущих конструкций перекрытия) II //х + /г; строительная высота
//,. = II а (где а — высота фермы).
229
Таблица 8.8
Унифицированные размеры пролетов одноэтажных промышленных
однопролстных п многопролетных зданий
Здание Ширина пролста L, м Шаг КОЛОШ! i ,м Высота пролета до нижней части перги рь-тия П, и Высота до головки подкрановых путей Н] , м
Одноэтажное без мостовых 12 6 .3,6; 4,2; 4,8; .5,4; —
кранов или с подвесным 6,0
подъемным оборудованием 18 6 (12) 5,4; 6,0-, 7,2; 8,4 —
24 6 (12) 5,4; 6,0; 7,2; 8,4
Одноэтажное с мостовыми 18 6(12) 8,4; 9,6; 10,8; 12,6; 6,15; 6,95; 8,15;
кранами 14,4 9,65; 11.45
24 6 (12) 8,4; 9,6; 10,8; 12,6; 14,4; 16,2; 18,0 6,15; 6.95; 8,15; 9,65; 11,45 12,65; 14,45
30 6 (12) 12,6; 14,4; 16,2; 9,65; 11,4.5; 12,6.5;
18,0 14,45
Длина пролета — расстояние между осями крайних колонн, — равна nt.
(где п — число шагов колонн).
Высота здания ири наличии верхнего транспорта рассчитывается по
формуле:
111 + к ; <’+ / | с;
JfL = 4X-|-W4-D; (8.6)
7/1 Ss А.,+13,
где A j и А 2 — максимальные высоты станков; В — зазор между станками и
мостовым краном (не менее 400 мм); D — габаритная высота кабины крана;
к — высота подъема груза при транспортировании (не менее 2 м); е — наиболь-
шая высота груза; / — расстояние между грузом и центром крюка крана (не
менее 1 м плюс 0,5 резерва); с — расстояние от центра крюка в верхнем край-
нем положении до верхней части головки рельса.
Для рассматриваемого примера высота пролета главного корпуса с учетом
использования верхнего транспорта (мостовые краны)
/71 = 24-1,5+1,5Д-1=6 м.
Полученную расчетом высоту Н1 округляем до ближайшей большей уни-
фицированной высоты (табл. 8.8), т. е. Н} = 6,15 м; она соответствует высоте
пролета до нижней части перекрытий Н = 8,4 м.
Если в пролете установлены подвесные кранбалки, то к рассчитанной вы-
соте следует добавить величину, учитывающую габаритную высоту балки
(ориентировочно 0,7—1,0 м).
При определении высоты цехов без мостовых кранов необходимо исходить
из санитарно-гигиенических требований, по которым на каждого работающего
должно приходиться не менее 15 м3 объема производственного помещения
и не менее 4,5 м2 площади, высота производственного помещения не ме-
нее 3,6 м.
230
Для оценочного расчета можно принять: а — (1/10—1/5) L. Так, для же-*
лезобетонных ферм, при L = 12 м, а = 1,3 м; при L = 18 м, а = 2,5 м и при
L = 24 м, а = 3,16 м.
Для размещения производственных цехов ремонтных предприятий выби-
рают одноэтажные здания с пролетами шириной 18 м и более.
Административно-бытовые и вспомогательные службы целесообразно раз-
мещать в многоэтажных зданиях с сеткой колонн 6x6 или 9 X 6 м, которые
в виде пристроек находятся сбоку или с торцев блока производственных цехов.
Иногда для этой цели часть производственного пролета делят по горизонтали
на два или три этажа.
ПЛАНИРОВКА ЦЕХОВ И СЛУЖБ
Принцип блочности основан на размещении производства в многопро-
летных зданиях относительно небольшой длины. Здания в плане должны
быть близкими к квадрату или короткому прямоугольнику, тогда при одной,
и той же площади периметр здания получается наименьшим (в основном пери-
метром здания определяется стоимость его строительства и эксплуатации).
Число пролетов производственного корпуса и их размеры определяются по
рассчитанной выше суммарной площади цехов и служб. Длина пролетов долж-
на быть кратна шагу колонн. Схему производственного потока ремонта следует
применять прямоточную (без встречных и перекрестных грузопотоков).
Все цехи и службы ремонтного предприятия делятся на четыре группы
(зоны):
разборочный цех с отделениями общей мойки, разборки на части
и агрегаты, разборки агрегатов и мойки деталей, контрольно-сортировочным,
складом деталей;
сборочный цех с отделениями комплектовочным, слесарно-пригоноч-
ным. узловой и общей сборки, регулировочно-испытательной станцией, окра-
сочным;
цехи и отделения ремонта и изготовления дета-
лен — механический, котельно-сварочный, кузнечно-прессовый, термический,
гальванический;
вспомогательные цехи и службы — инструментальный,
ремонтный, инструментальный склад и кладовые, заточное отделение, компрес-
сорная станция, трансформаторная подстанция, склады и административно-
сбытовые помещения.
В соответствии со схемой производства эти зоны наносят на план про-
изводственного корпуса, а затем в каждой зоне размещают соответствующие
цехи, отделения и службы. Рассмотрим несколько планировок ремонтных пред-
приятий для нефтегазодобывающей промышленности.
По опыту организации авто- и трактороремонтных предприятий можно
рекомендовать следующие принципиальные технологические схемы потоков
((рис. 8.2): прямого, П-образного и Г-образного.
П р я м о й поток (см. рис. 8.2, а) целесообразен для организации
ремонта с относительно небольшой годовой программой, но с широкой номен-
клатурой ремонтируемых машин. Вторая и третья схемы (см. рис. 8.2, б, в)
рекомендуются для более специализированных предприятий, с технологиче-
скими элементами поточного производства — длина цехов демонтажного и
сборки достаточна для организации разборочно-сборпого конвейера или посто-
вой специализированной сборки.
Для проектируемого корпуса ремонтной базы выбираем сетку колонн
231
I
I Зона
1 разборки
| Зона
сборни
I
~-----------
I Зона сборни
Зона
горячих
цехов
1~ +-----------
I Зона разборки
J______________
Зона сборни
Зона
разборки
Зона холодной обработки
Зона горячих
цехов
Рис. 8.2. Принципиальные тех-
нологические схемы ремонтного
предприятия
18 X 12 м, т. о. прямоугольники F = 18 X 12 = 216 м* 2 * * * * * * * 10. Следовательно,
корпус должен иметь 1930/216 = 8,9 нормализованных прямоугольников. Прини-
маем схему корпуса: два пролета по четыре нормализованных прямоугольника
2 X 4 X 216 = 1730 м2. Недостаток рассчитанной площади будет компенсиро-
ван организацией второго этажа над вспомогательными службами. Получен-
ная высота здания 8,4 м более чем достаточна для этой цели.
Теперь необходимо целесообразно разместить все цеха и службы по схеме
в соответствии с типовым технологическим процессом ремонта (см. схему на
рис. 4.2). На рис. 8.3 представлен вариант плана основного корпуса проекти-
руемой базы для ремонта буровых установок. Предлагаемый вариант доста-
точно универсален — изменение номенклатуры ремонтируемых машин мало
повлияет на планировку основного корпуса. Число стен и глухих переборок
внутри корпуса должно быть минимальным. Зона горячих цехов должна быть
отделена брандмауэрной стеной. Кроме того, должны быть изолированы моеч-
ное, малярное и гальваническое отделения и испытательная станция из сани-
тарно-гигиенических соображений. Полностью изолируют также помещения
компрессорной и трансформаторной подстанции. Склады отделяют сетчатыми
перегородками. Все остальные цехи не должны иметь перегородок (на схеме
их зоны помечены пунктиром).
Внутри корпуса по его длине целесообразно организовать центральный
проезд и один-два поперечных прохода для снаб;кения рабочих мест и для обе-
спечения при необходимости срочной эвакуации персонала. Левую фасадную
часть корпуса, кроме половины центрального магазина, предполагается поде-
лить па два этажа (высотой 4,8 и 3,6 м) и на втором этаже разместить админи-
стративно-технические службы.
Внутрицеховой транспорт — два мостовых крана (грузоподъемностью
10 т), тележки и рельсовый путь с тележками для ввоза в корпус со склада
ремонтируемых машин и вывоза готовой продукции. При проектировании
цехов и отделений с вредными выбросами (малярное, гальваническое, термиче-
ское, кузнечно-прессовое) в проекте должны быть предусмотрены специаль-
232
48
Рис. 8.3. База для ремонта буровых установок (вариант плана главного корпуса):
1 — трансформаторная подстанция; 2 — компрессорная станция; з — гардероб; 4 — умывальник; 5 —
душевая; в — туалет; 7 — инструментальное отделение; 8 — инструментально-раздаточная кладовая;
9 — моечное отделение; 10 — демонтажный цех; 11 — контрольно-сортировочное отделение; 12 — котельно-
сварочное отделение; 13 — кузнечно-прессовое отделение; 14 — термическое отделение; 15 — гальвани-
ческое отделение; 16 — малярное отделение; 77 — испытательная станция; 18 — сборочный цех; 19 — меха-
нический цех; 20 — цех ремонта двигателей и компрессоров; 21 — центральный магазин; 22 — влектро-
механическое отделение
ные мероприятия по технике безопасности и производственной санитарии, так
же как меры защиты природы от вредных выбросов.
На рис. 8.4 приведен еще один пример планировки главного корпуса ре-
монтной базы нефтепромыслового предприятия, разработанный Гипровосток-
нефтью в 1964—1965 гг. как типовой проект. База эта комплексная — выпол-
няет техническое обслуживание и ремонт оборудования нефтепромыслов.
Кроме ремонтных цехов в проекте предусмотрен пролет 1300 м2 для обслужива-
ния п текущего ремонта парка подвижных машин — мойка, смазка, техниче-
ская ревизия, подтяжка, регулировка в соответствии с нормами системы ППР.
ГЕНПЛАН РЕМОНТНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Генпланом называется план расположения зданий, сооружений, дорог,
площадок, зеленых насаждений и ограждений на отведенном для строительства
участке. При проектировании генплана необходимо руководствоваться следу-
ющими основными положениями:
1. Блочное размещение цехов и служб: все основные цехи и отделе-
ния ремонтного предприятия могут быть размещены в одном многопролетном
здании относительно небольшой длины; известен, например, вагоноремонтный
завод, основное производство которого находится в одном корпусе площадью
100 000 м2.
233
Рис. 8.4. Ремонтная база нефтепромыслового предприятия:
1 — отделение по ремонту ртутных приборов; 2 — компрессорная станция; .7 — отделение по ремонту
кабеля; 4 — отделение по пропитке кабеля; J — отделение регенерации масла, в — гальваническое отде-
ление; 7 — мойка; 8 — котельно-сварочное отделение; 9 — кузнечно-термическое отделение; 1и — от-
деление по ремонту промыслового оборудования; 11 — элсктроремонтное отделение; 12 — отделение по
ремонту погружных центробежных насосов; 13 — механический цех,’ 14 — испытательная станция,'
1Г> — трансформаторная подстанция; .16— ннструмепталыго-раздаточная кладовая; 17 — склад матери-
алов; 18 — бытовые помещения и а.п.мпнпстрагнино-техпнческие службы (на верхних этажах); — мой-
ка машин; 20 — малярная; 21 — обойная; 22 -- испытание ДВС; 23 — цех обслуживания : малого ре-
монта спецмашин н тракторов; чл —склад запчастей
(_____________I
Рис. 8.5. Вариант генплана ремонт-
ной базы;
1 — склад металла; 2 — скаад v. шшн.
ожидающих ремонта; з — пост внешней
мойки; 4 — дополнительная зона горячих
цехов, j — главный корпус; 6 — ад-
министративно-технические службы’, 7 —
гараж; 8 — склад отремонтированных
машин; 9 — зона вспомогательных скла-
дов; 10 — котельная; 11 — пожарный
резервуар
2. Размещение на геплане всех зданий и сооружений в соответствии с хо-
дом производственного процесса по принципу прямого потока.
3. Расстояние между зданиями и сооружениями должно быть минималь-
ным для сокращения протяженности всех коммуникаций и минимальной пло-
щади участка; взаимное расположение всех зданий и сооружений и разрывы
между ними должны удовлетворять правилам и нормам строительного проек-
тирования.
4. Размещение хозяйства предприятия на генплане должно обеспечить
дальнейшее его расширение без нарушения схемы генплана и сноса построен-
ных зданий, если расширение предприятий в перспективе технико-экономиче-
ски целесообразно и предусматривается заданием.
5. Генплан должен быть увязан с проектами планировки прилегающих
жилых районов и соседних предприятий и предусматривать максимальное
использование существующих транспортных путей.
6. Размещение зданий и сооружений на генплане должно обеспечивать
наиболее благоприятные условия для естественного освещения, проветривания
и исключения влияния вредных производственных выбросов. На рис. 8.5
представлен вариант схемы геплана рассматриваемой ремонтной базы.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА
В этом разделе проекта рассчитывают стоимость строительства и оборудо-
вания ремонтного предприятия (основные фонды), стоимость ремонта машин,
и на этой основе по технико-экономическим показателям (ТЭП) определяют
экономическую эффективность технологического процесса и проекта в целом.
Основные фонды ремонтного предприятия состоят из стоимости зданий
и сооружений, производственного и вспомогательного оборудования, инстру-
мента, приспособлений и инвентаря.
По данным некоторых проектных организаций затраты на строительство
1 м3 промышленных зданий в зависимости от объема строительства составляют
7 — 10 руб.
Затраты на 1 м3 бытовых помещений (в зависимости от числа этажей) соста-
вляют 20—25 руб. В эту стоимость входит стоимость санитарно-техниче-
ских устройств и всех коммуникаций из расчета 0,5—0,6 руб. на 1 м3. Затра-
ты на оборудование определяются по ведомостям оборудования и их стоимости
(по каталогам). Расходы на монтаж оборудования, включая фундаменты, прини-
маются: примерно 4—5% стоимости станочного’оборудования, 6—8% подъемно-
транспортного оборудования, а на упаковку, транспорт и накладные расходы—
в сумме 4—5% от стоимости оборудования. Стоимость энергооборудования при
укрупненных расчетах с учетом монтажа, упаковки и транспорта принимаются
в размере 45—50 руб. за 1 кВт установленной мощности.
Стоимость инструмента, приспособлений и штампов начального фонда
дорогостоящих (более 50 руб.) и служащих более одного года, принимается
примерно 10—15% от стоимости производственного оборудования. Стоимость
производственного и хозяйственного инвентаря составляет 2—3% от стоимости
всего оборудования.
Стоимость продукции предприятия — ремонта машин
и изготовления нестандартного оборудования состоит из:
1) стоимости основных материалов, которая определяется на основе норм
расхода и ценников на материалы;
2) стоимости покупных изделий по нормам расхода и ценникам;
235
3) стоимости вспомогательных материалов (топливо, смазочные мате-
риалы, химикаты и другие), которые для ориентировочного расчета могут
быть приняты в размере 2—5% от стоимости основных материалов. На стои-
мость всех материалов начисляются транспортные расходы в размере 4—5%
от стоимости материалов;
4) заработной платы производственных рабочих, определяемой по трудо-
емкости работы, среднему разряду рабочих и тарифной ставке;
5) накладных расходов в размере 250—300% от заработной платы произ-
водственных рабочих. Большой удельный вес накладных расходов объясняется
тем, что в них входит дополнительная заработная плата производственных ра-
бочих и начисления на нее, заработная плата вспомогательных рабочих, ИТР,
СКП и МОП, стоимость амортизации зданий и оборудования, износа инструмента
и инвентаря, а также расходы по содержанию основных фондов предприятия.
На основе этих данных можно рассчитать себестоимость продукции и
стоимость всей годовой программы, а затем определить технико-экономические
показатели проекта, которые сравнивают с показателями других аналогичных
предприятий. По этим показателям делают оценку эффективности проекта.
В технико-экономические показатели входят:
1) исходные показатели — годовой выпуск продукции, стои-
мость основных фондов предприятия, число работающих на предприятии (в том
числе: число производственных и вспомогательных рабочих), число единиц
производственного оборудования, установленная мощность оборудования и
площадь предприятия;
2) производные показатели — годовой выпуск продукции
в руб. (на 1 руб. основных фондов, т. е. фондоотдача, на одного производ-
ственного рабочего, на одного работающего, на один станок производственного
оборудования, на 1 м2 производственной площади) и энерговооруженность
на одного рабочего в кВт/чел.
ЧАСТЬ III
МОНТАЖ БУРОВОГО
И НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ГЛАВА 9
ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ
МОНТАЖНЫХ РАБОТ
Процесс изготовления машины состоит из следующих технологических
этапов:
1) изготовление деталей;
2) сборка деталей в агрегаты и машины в целом.
Однако для повышения качества изготовления оборудования участие за-
вода-изготовителя должно заканчиваться лишь после сборки оборудования
на месте эксплуатации и строительства всего комплекса сооружений, т. е.
после монтажа.
Монтаж — соединение частей и агрегатов комплекса машины между
собой и со строительными конструкциями.
Известно, что строительное производство по организации, технологи-
ческой оснащенности и условиям труда отличается от условий заводского
производства.
Для строительного производства характерны более низкая квалификация
рабочих, упрощенная технология, условия труда, не соответствующие в некото-
рых случаях сложности производства.
Многое делается для улучшения организации, технологии производства
и условий труда в строительстве предприятий нефтяной и газовой промышлен-
ности. Хорошим примером является строительство линейной части магистраль-
ных трубопроводов, где комплексная механизация работ достигла 98,5%, что
превышает мировой уровень механизации таких работ. Для улучшения усло-
вий жизни строителей трубопроводов организованы передвижные городки
с максимумом бытовых и культурных удобств. Однако в целом для строитель-
ства наземных сооружений условия заводского производства значительно
выше условий работы на строительной площадке, что видно из данных табл. 9.1
и 9,2, приведенных в качестве примера.
Основная причина разницы условий строительного производства в нефтя-
ной и газовой промышленности и заводского производства — временность
и нестационарность работ.
Повышение эффективности строительных и монтажных работ обеспечи-
вается максимальной индустриализацией строительства, превращением его,
в основном, в машинное производство в заводских условиях с высокой энерго-
и механовооруженностью, высокой квалификацией постоянных заводских кад-
ров, с хорошими условиями труда. Это особенно важно для изготовления и
монтажа оборудования, для которого задача индустриализации заключается
237
Таблица 9.1
Условия выполнения монтажа оборудования на заводе
и на строительной площадке
11;Ц1 1М<‘т । п.1 Монтаж
на стенде завода на строительной площадке
• Шерго- и механовооруженность на одного рабочего, кВт/чел Расход энергии на одного рабочего в месяц 14,2 4,0
кВт-ч/(чел.-мес) Суточное колебание температуры воз- 1200 65
духа, °C 10—15 25—30
Минимальная температура воздуха, ° С + 10 Ниже 0° С
Средний разряд рабочпх-монтажников 4,8 3,6-3,9
Таблица 9.2
Трудоемкость 1 сборочных работ в заводских условиях и на строительной площадке
Объекты СЙ'фКИ Время сборки
на заводе гзав на строи- тельной площадке ^пл ^ПЛ ^заи
Газотурбинная установка ГТ 700-4 (турбина и компрес- сор) Маслопроводы газотурбинной установки Обвязочные трубопроводы на нефтеперерабатывающем заводе 15,4 170 60-90 50,0 560 250-350 3,2 3,3 3,5-4,0
1 13 чел.-я на 1 т конструкции.
в ликвидации монтажных работ на строительной площадке вообще, или сведе-
нию их к предельному минимуму. Оставшиеся минимальные монтажные работы
вне завода должны быть полностью механизированы.
Основные направления повышения индустриализации монтажа:
увеличение сборности объектов — максимальное укруп-
нение конструкций и частей нефтегазопромыслового оборудования;
повышение блочности — изготовление на заводе крупных
блоков, в которых закончен весь технологический процесс изготовления объек-
та; применение блок-боксов — изготовление оборудования вместе с транспор-
табельными рабочими помещениями, в которых оборудование будет эксплуа-
тироваться;
внедрение блок-комплектных устройств — изгото-
вление на заводе полного комплекта строительных конструкций,оборудования
и коммуникаций, т. е. транспортабельных зданий и сооружений (одного или
нескольких) с установленным в них оборудованием, коммуникациями, аппара-
турой контроля и управления.
238
Практика нефтегазопромыслового строительства имеет много интересных
примеров индустриализации монтажа оборудования. Наиболее характерные
из них — крупноблочный монтаж буровых установок, широкое внедрение блок-
комплектных объектов нефтедобычи, рулонный метод изготовления и монтажа
металлических резервуаров и т. д.
Степень крупности блоков заводского изготовления лимитируется транс-
портными габаритами, грузоподъемностью транспортных средств и природ-
ными условиями, в которых осуществляется перевозка оборудования к месту
эксплуатации. Ограничения по ширине груза определяются нормальным габа-
ритом перевозки по железным дорогам — 3250 мм. Ограничением транспорт-
ного груза по высоте является в городах высота подвески троллей — 3800 мм,
на автодорогах I и II категорий — габарит приближения строений (мостов и
тоннелей) 4500 мм. Превышение нормальных габаритов создает значительные
затруднения при перевозке: снижается скорость, частично разбираются встреч-
ные сооружения, снимаются троллеи, а также напряжения в линиях, органи-
зуется одностороннее движение. В частности, по железным дорогам перевозка
грузов четвертой степени негабаритности (шириной 4000 мм) и сверхнегабарит-
ных (шириной 4500 мм) связана с увеличением в 4 раза стоимости пере-
возки.
При использовании водного транспорта габаритные возможности значи-
тельно расширяются: при перевозке на судах допускается габарит груза по
диаметру 8 м, по длине 55 м; а при транспортировке на плаву — по диаметру
10 м, по длине 100 м. Ограничений по грузоподъемности практически нет.
Железнодорожный транспорт имеет многолетний опыт перевозки грузов массой
200—250 т. На автотранспорте широко применяют прицепы-трейлеры, грузо-
подъемностью 25—120 т. Челябинский завод автомобильных прицепов изгото-
вляет трейлеры ЧМЗАП-5212 грузоподъемностью 60 т с грузовой платформой
размером 3,3 X 8,0 м и ЧМЗАП-5230 грузоподъемностью 120 т с платформой
размером 4,0 X 9,0 м. В нефтяной и газовой промышленности применяют
специальные гусеничные тяжеловозы ТК-40 грузоподъемностью 40 т и тележки
ТГТ20 («Восток») грузоподъемностью 20 т.
Ограничением укрупнения блоков машин являются и природные условия
транспортировки — горы, болота, леса и водные преграды. Такие ограничения
могут быть преодолены применением воздушного транспорта тяжеловесных
грузов. Широко известна практика применения вертолета-крана МИ-10 грузо-
подъемностью 15 т, созданы вертолеты грузоподъемностью 40 т.
По инициативе нефтяников в Советском Союзе ведутся работы по созда-
нию грузовых дирижаблей. С освоением дирижаблей будет снято и ограничение
по природным условиям — грузоподъемности дирижабля — 150—200 т хватит
для перевозки практически всех тяжеловесных грузов.
В настоящее время при крупноблочном монтаже буровых установок пере-
возят по бездорожью и слабопересеченной местности блоки размером 10 X
X 10 X 50 м (вышечный блок буровой установки) массой до 100 т. Для этого
широко практикуется промежуточное укрупнение блоков на вышкомонтаж-
ных базах нефтегазодобывающих объединений.
Индустриализация монтажа машин и оборудования получила повсемест-
ное признание и поддержку на предприятиях и в организациях нефтяной и газо-
вой промышленности. Блочные методы строительства применяют на всех новых
и реконструируемых объектах нефтяных и газовых месторождений Татарии,
Западной Сибири, применяют их в объединениях Краснодарнефтегаз, Куйбы-
шевнефть, Башнефть, Туркменпефть и др.
23»
На базе новой организации строительно-монтажных работ удалось перейти
к комплексному обустройству всего нефте- или газопромысла, что значительно
ускоряет ввод месторождения в эксплуатацию с почти одновременным освое-
нием всего технологического цикла, в частности, сбора и переработки попут-
ного газа. Ряд научно-исследовательских и проектных организаций (ВНИИСТ,
ТатНИПИНефть, БашНИПИНефть и др.) создали проекты блочных объектов
нефте- и газопромыслов и разработали типовые проекты крупноблочных уста-
новок.
Производство крупноблочных объектов организовано на Бугульминском,
Октябрьском, Сшгеглазовском заводах, на Альметьевской базе Татспецстроя,
на ремонтно-механическом заводе Главтюменнефтегаза успешно завершено
строительство для этой цели завода на Мангышлаке. С 1969 г. включились
в производство крупных блоков оборудования 11 заводов Министерства хими-
ческого и нефтяного машиностроения.
Оценивая экономическую эффективность блок-комплектного изготовления
оборудования нефтегазодобывающих предприятий (табл. 9.3), следует иметь
в 'Виду огромную выгоду таких устройств и при необходимости изменить
технологическую схему эксплуатации промысла. В принципе передвижные
блок-комплектные устройства могут быть легко перенесены на новое место
работы, или добавлены к существующим установкам для увеличения мощности
объекта.
Таблица 9.3
Экономическая эффективность крупноблочного изготовления оборудования
Наименование объекта Снижение трудо- емкости строи- тельно-монтаж- ных работ, % Снижение стои- мости строитель- но-монтажных работ, % Во сколько раз сократилась продолжитель- ность строи- тельства Народно-хозяй- ственная эффек- тивность (сни- жение себестои-
мости тельства строи- ), %
Буровые установки .... Дожимная насосная станция 500 — 1000 м3/сут. (Бу- 85 61 8,5 —
гульминский завод) . . . Кустовая насосная станция 3600 м3/сут. (Альметьев- 80 73 5 28
ская база Татспецстроя) Групповая замерно-сепара- ционная установка 600— 1200 м:,/сут (Октябрьский 72 28 6 24
завод) Нефтепромысловая насосная станция 1000 м3/сут. (Ре- монтно-механический за- вод объединения «Тат- 89 72 15 30
нефть») Компрессорная станция по- путного газа 450—750 тыс. м3/сут. (завод треста «Тат- 34 2 12
нефтьпромстройматериалы) 52 27 18
240
Индустриальность конструкции оборудования можно оценить коэф-
фициентом индустриализации
где С — сметная стоимость объекта; См — стоимость монтажа объекта на
строительной площадке.
Коэффициент индустриализации некоторых объектов приведен ниже
Трубопроводы насосных станций магистрального нефтепро-
вода «Дружба».....................................0,66
Трубопроводы нефтеперерабатывающих заводов (при макси-
мальной механизации сборки на базе)...............0,87
Газотурбинная установка ГТУ 700-5 0,90
То же, при блочной поставке.........................0,925
Максимальный эффект индустриализации дает изготовление объекта цели-
ком в одном блоке. Тюменские нефтяники применяют этот метод для строи-
тельства технологических объектов на нефтепромыслах. С 1972 г. налажен
серийный выпуск блок-комплектных кустовых насосных станций и электро-
станций на стальных понтонах-основаниях.
Изготовленные на заводе станции после транспортировки буксиром по
воде на любое расстояние вытаскивают на сушу и волоком перемещают к месту
эксплуатации. Установка на суше очень выгодна, так как исключает трудоем-
кие работы по защите объекта от ледохода и вмерзания, неизбежных при уста-
новке станции на воде, упрощает конструкцию трубопроводов.
Коробчатая конструкция понтона обеспечивает жесткость ее основания и
хорошую вибрационную характеристику. При транспортировке по суше каче-
ство монтажа оборудования не нарушается. Насосную станцию с оборудованием
мощностью до 400 кВт, частотой вращения ротора 3000 об/мин устанавливают
прямо на грунт; баластировка коробки понтона не требуется. Давление осно-
вания на грунт всего 0,10—0,15 кгс/см2, поэтому можно ограничиться только
выравниванием площадки и подсыпкой в небольшом объеме.
ГЛАВА 10
ФУНДАМЕНТЫ ПОД ОБОРУДОВАНИЕ
И ИХ СТРОИТЕЛЬСТВО
Фундамент — опора, предназначенная для восприятия, амортизации и
передачи на грунт статических и динамических нагрузок, которые возникают
в системе сооружения в процессе эксплуатации машины.
Фундамент должен удовлетворять следующим основным требованиям:
1) удельная нагрузка от машины на поверхность фундамента — не выше
допустимых пределов;
2) удельная нагрузка на грунт системы машина — фундамент — не больше
допустимой;
3) деформация фундамента иод действием нагрузок — допустимая;
4) фундамент должен воспринимать и амортизировать все динамические
нагрузки от действия машины, сохраняя свою жесткость, устойчивость и проч-
ность: вибрация машины и фундамента — в пределах допустимой.
16 Запав 7 63 2/Л
Применительно к нуждам нефтяной и газовой промышленности фундаменты
можно разделить на две основные группы.
1. Для стационарных машин со сложной динамикой, например, двигателей
внутреннего сгорания (ДВС), компрессоров, газомотокомпрессоров, крупных
насосов всех конструкций сооружают достаточно массивные прочные фунда-
менты, необходимые размеры и массу которых определяют специальным рас-
четом.
2. Для машин или машинных комплексов полустациоиарного типа с ча-
стым перемещением с места на место, например, для буровых установок, соору-
жают временные фундаменты облегченной конструкции с частичным исполь-
зованием нормализованных элементов этих фундаментов на новом месте мон-
тажа. Однако известно, что большинство агрегатов и механизмов буровой
установки работают в условиях больших и сложных нагрузок, поэтому облег-
ченность сооружаемых фундаментов компенсируется мощными стальными
основаниями, на которых это оборудование смонтировано, и в виде мелких
или крупных блоков транспортируется с места на место.
§ 1. РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТОВ
г СТАТИЧЕСКАЯ НАГРУЗКА.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ
Площадь и форма верхней плоскости фундамента определяются размерами
и формой машины. Для прочности краев фундамента верхняя его плоскость
должна быть на 100—200 мм больше с каждой стороны станины машины.
Поверхность фундамента, на которую распределяется сила тяжести ма-
шины, следует проверить на смятие по формуле
‘ ф Стдоп. (10.1)
Гф
где Оф — удельная нагрузка на верхнюю плоскость фундамента, кгс/см2;
0м — сила тяжести машины, кгс; Т'ф — площадь поверхности фундамента,
находящаяся под действием силы тяжести машины, см2; одоп — допускаемая
нагрузка, кгс/см2; для сосны, вдоль волокон, од011 = 60—90 кгс/см2; для дуба,
вдоль волокон, адоп = 80—100 кгс/см2; для бутовой кладки на цементном
растворе и для бетона од0п = 15 кгс/см2.
Высота фундамента Я = Л1 + Л2 (рис. 10.1).
Высота подземной части фундамента /ц определяется
глубиной залегания прочных нетронутых грунтов, подпочвенных вод и глуби-
ной их промерзания.
Минимальная глубина заложения во многом зависит от назначения фунда-
мента. Если монтаж машины носит временный характер, например, для бло-
ков и агрегатов буровых установок, снабженных жесткими стальными основа-
ниями, глубину заложения фундамента принимают минимальной, т. е. ограни-
чиваются расчисткой площадки и снятием растительного слоя до нетронутых
грунтов.
Как показала практика строительства, можно сооружать фундаменты для
простых машин и на насыпных грунтах определенного возраста.
Для стационарных машин подошва фундамента должна быть ниже расчет-
ной глубины промерзания для любых по качеству грунтов, кроме скальных,
крупноблочных и крупногравелистых, для которых этот фактор, так же как и
242
н
Рис. 10.1. К определению высоты фундамента
Рис. 10.2. Распределение давления на грунт
уровень грунтовых вод, можно не принимать во внимание. В основном это тре-
бование связано с опасностью выпучивания грунта при замерзании, если уро-
вень грунтовых вод находится в зоне, подверженной действию отрицательных
температур.
Для машин с небольшими динамическими нагрузками глубина заложения
фундамента иногда определяется длиной фундаментных болтов (см. расчет
на стр. 249) и расстоянием их нижнего конца до подошвы фундамента. Это рас-
стояние принимается не менее 150 мм.
Для стационарных машин со сложными нагрузками (крупные ДВС, ком-
прессоры и др.) подошву фундамента следует размещать на прочных материко-
вых грунтах. В этих случаях выбору размеров подошвы фундамента и глубины
его заложения должно предшествовать геологическое исследование грунтов
и специальный расчет.
Высота надземной части фундамента h2 опреде-
ляется технологическими параметрами установки. Так, для установки центро-
бежного насоса при подсоединении трубопроводов будет достаточен фундамент
высотой 0,5—0,7 м. Высота фундаментов буровых установок определяется
(с учетом высоты основания блоков) условиями циркуляции глинистого рас-
твора и размещением превенторов под полом буровой. Во всех случаях, как
это будет показано ниже, суммарная высота фундамента должна быть мини-
мально необходимой, так как с увеличением высоты растет опрокидывающий
момент, возникающий в сооружении во время работы машины.
Площадь подошвы фундамента определяется из условия
обеспечения устойчивости грунта, на который все сооружение опирается
(рис. 10.2).
Ввиду большой сжимаемости грунтов основной опасностью при эксплуата-
ции сооружения машина — фундамент являются смещения и деформации фунда-
мента от просадки грунта, которые могут привести к потере горизонтальности,
деформациям, трещинам и разрушению фундамента. Осадку сложных фунда-
ментов проверяют специальным расчетом. Однако нарушение устойчивости
грунта представляет собой реальную опасность в основном для длинных фунда-
ментов, что характерно главным образом для различных зданий.
При центральном положении нагрузки N давление р распределяется по
всей площади F опоры равномерно
р
к;*
243
При размещении нагрузки с эксцентриситетом е давление у краев фунда-
мента определяется формулой
где М — момент силы относительно центра тяжести подошвы фундамента
1/ -N/-
W — момент сопротивления сечения фундамента по подошве
f
... Illi2
IP == ——;
a, I) — соответственно ширина и длина фундамента.
При е /> 5/6 указанные формулы не применимы, поэтому некоторые авторы
рекомендуют пользоваться эмпирическими формулами:
при
при
-.111 .4)
(10.5)
Здесь I— глубина заложения фундамента.
Для случаев достаточно простых, которые могут встретиться в практике
эксплуатации нефтегазопромыслового оборудования, следует лишь обеспечить
максимальное совпадение по вертикали центра тяжести сооружения с центром
опоры на грунт, соответственно увеличивая размеры подошвы фундамента
(допустимый эксцентриситет 5%) и проверяя расчетную нагрузку на допусти-
мое давление на грунт.
Допустимое давление на грунт (в кгс/см2) при глубине
заложения подошвы фундамента 2 м от поверхности земли:
Скала ...................................8—50
Гравий................................... 3—8
Глина:
сухая ..................................2,5—5,0
влажная..............................1,5—2,0
мокрая............................... 1.0
Песок:
средний и крупный плотный................2,5—3,5
мелкий сухой ........................1,5—3,0
мокрый плотный.......................1,0—1,5
наносный............................. 0,5
Растительный слой.......................0,25—0.5
Нормальным считается грунт, допускающий нагрузку 2,0—2,5 кгс/см2.
РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТОВ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ
Для сложных машин, при работе которых возникают значительные инер-
ционные усилия, например, в машинах с возвратно-поступательным движением
основных деталей (поршневые машины), кроме предварительного расчета на
статические нагрузки, выполняют расчет фундамента на динамическую нагрузку,
т. е. на его устойчивость. Величина динамических нагрузок значительно
244
возрастает, если машина и ее привод
размещены на отдельных фундаментах
и соединены цепной или ременной пере-
дачей.
Рассмотрим наиболее сложный слу-
чай: поршневой горизонтальный насос
с приводом через ременную передачу.
Схема усилий, возникающих в систе-
ме машина — привод —фундамент, изо-
бражена на рис. 10.3.
Задача сводится к определению
усилий на подшипники кривошип-
ного вала машины ST и момента
Рис. 10.3. Схема усилий в системе
машина — привод — фундамент
т. е. должно быть удовлет-
Мопр — опрокидывающего маши-
ну вокруг оси фундамента а — а'.
Опорный момент системы Мопор —
= ((?м + <2ф)^/2 должен компенсировать
опрокидывающий момент с определенным резервом,
ворено условие
Л/опори AlyMonp.
(10.6)
где /су — коэффициент устойчивости.
Усилие привода
Усилие на подшипники от привода
пр = 51 + 52.
где S\ и S2 — усилия ведущей и ведомой ветвей трансмиссии, кгс;
Окружное усилие, передаваемое ремнем на шкив машины,
т окр = 5’1 — 5.1.
Кроме того
где ТокР — окружное усилие, Н (1 кгс «а 0,91 Н); Р — мощность машины, Вт;
v — окружная скорость, м/с; D — диаметр шкива, м; п — частота вращения,
об/мин.
Из прикладной механики для расчета ременных передач известна формула
Эйлера, определяющая зависимость между усилиями в ветвях передачи
Si = 52c^,
где е — основание натурального логарифма; ц — коэффициент трения ремня
по металлу шкива; <р — меньший угол охвата в передаче, равный 2л рад.
Подставляя полученные значения 7'0кр и в основную формулу, получаем
ИЛ 2L = y„cHT_5.)L.
/)п ~ ’
Отсюда
/)
л,: : ,н| +777' ((Л_1( •
2+>
Следовательно, усилие на подшипники кривошипного вала машины от
привода
Р ецфН 1
Dn еат __ । ‘
Т ri р — Л'1 ’! ’ У
(10.7)
Инерционные усилия
Инерционные усилия в работающей машине зависят от степени уравно-
вешенности масс деталей с возвратно-поступательным и вращательным движе-
ниями. Конструкторы принимают специальные меры снижения инерционных
усилий, однако в сложных машинах с форсированным режимом работы оста-
ются значительные неуравновешенные силы и пары сил.
Рассмотрим силы инерции в приведенном примере (противовесов в насосе
нет).
Величины этих сил можно определить из следующих исходных зависи-
мостей: / = та; v = wr', а = w2r.
Ускорение деталей возвратно-поступательного движения кривошипно-
шатунного механизма (поршень, шток, крейцкопф, палец и часть шатуна)
а --и>-г (cos а± -j- cos 2а^ .
Отсюда сила инерции при изменении скорости и направления движения
п-=«!!. (cos а ± cos 2а j ;
2лп яп
"J ~W~ = ”30“ ’
/ ЯП \2 / г \
/’в. п -тк. „ г -57- I cos а ± — cos 2а ) ,
\ о U / \ L /
где mn п — масса деталей с возвратно-поступательным движением, кг; г —
радиус кривошипа; I — длина шатуна; п — частота вращения.
При малых величинах отношения rll второй член выражения в скобках
можно опустить. Сила инерции максимальная будет при а = 0 и а = 180°.
Это логично и по смыслу процесса — в этих точках изменяется направление
движения, следовательно, ускорение будет максимальным
ЯП \2
Fв, птах=^в, пг I ) • (10. о)
Сила инерции деталей вращения определяется из выражения
| у 2 / Д /2 \ 2
/’пр —/ппр-= торг ( .... I . (10.9)
г \ 30 )
Центробежная сила FRP беспрерывно меняет свое направление, поэтому
ее удобно представить как геометрическую сумму вертикальной /2 и горизон-
тальной составляющих. Отсюда
/ ЯП \2
/1 = "»врГ ( -577 cos а;
\ oU /
246
Горизонтальная составляющая h получает максимальное значение при
а = 0 и а = 180°, а вертикальная составляющая соответственно при а = 90°
и а = 270°.
Таким образом, максимальная горизонтальная сила инерции, действу-
ющая на подшипники кривошипного вала насоса,
1'гор тах С. п тах_г/1 = (?Лв. п Т ^вр) r од " 1 (10.10)
а максимальная вертикальная сила, стремящаяся оторвать или прижать ма-
шину к фундаменту,
^Чертах — т врг • (10.11)
Учитывая ранее рассчитанное усилие привода, можно оценить суммарную
горизонтальную силу, действующую на подшипники,
У, Тmax = Тпр + Ргор;
р I 4 / яп \'2
S 191£- ») '• (зо-) • <10-12>
Отсюда момент, опрокидывающий сооружение машина — фундамент,
Л/опр-2 7’тах//- (10'13)
Опорный момент сооружения
Л/опор -(<2м !-<2ф)у. (Ю.14)
Коэффициент устойчивости
М0Прр = _(0мН <2ф) I . i 25-1,5. (10.15)
Мо„р 2^Гтах/7
Из формулы (10.15) видно, что высота фундамента должна быть минималь-
ной, так как при увеличении высоты опрокидывающий момент возрастает, а для
получения большого опорного момента целесообразно развивать длину фунда-
мента, что увеличивает одновременно плечо опорного момента и массу фун-
дамента.
Следует иметь в виду, что в результате действия опрокидывающего мо-
мента давление на грунт повышается.
Дополнительное давление от момента
Мопр _ 6МО„Р , 1 ](
w ~ al>* ' U '
где W — момент сопротивления сечения; Ь, а — соответственно длина и ши-
рина фундамента (см. рис. 10.2).
Тогда суммарное давление на грунт
о С*м ! 0ф , 6ЛС,„р (10.17)
1< a h 2
Это давление должно быть меньше или равно допустимому.
Для значительной части простых по кинематике тихоходных машин раз-
меры фундамента можно выбирать без расчета, принимая его массу в 3—4 раза
больше массы машины.
247
§ 2. КОНСТРУКЦИИ ФУНДАМЕНТОВ
Kai; было показано ранее, основные размеры фундаментов определяют рас-
четом. Конфигурация фундамента связана с формой станины машины и ее при-
вода, расположением дополнительных устройств и коммуникации' а также со
способом крепления фундаментных болтов.
На рис. 10.4 представлен железобетонный тоннельный фундамент для круп-
ной стационарной машины со сложной кинематикой. Подошва фундамента зна-
чительно развита для уменьшения давления на грунт. Фундамент установлен
в котловане свободно.
Высокая прочность фундамента обеспечивается стальной арматурой,
закладываемой при его сооружении.
Тоннель предназначен для установки анкерных плит, крепящих фунда-
ментные болты, которые располагают в фундаменте свободно (без заделки в бе-
тон). Такая конструкция обеспечивает наиболее благоприятные условия работы
болтов, возможность контроля их состояния в эксплуатации и при необходи-
мости замену без особых затруднений. Тоннель используется иногда для про-
кладки коммуникации и дополнительных устройств.
В массивных бетонных пли бутобетонных фундаментах анкерные болты
заделывают в бетон наглухо (рис. 10.5) или устанавливают свободно (рис. 10.6).
Очевидно, простота глухой заделки фундаментных болтов затрудняет ремонт
в случае обрыва болта, что можно частично избежать, если к верхней части
болта приварить камеру пз трубы (см. рис. 10.5, справа). Эта часть болта
доступна для осмотра и возможен ее ремонт.
Применяя анкерные плиты под нижнюю головку фундаментных болтов,
равномерно распределяют усилия затяжки болтов (оно может быть очень боль-
шим) на значительную площадь бетонного массива.
На рис. 10.6 приведен один из вариантов крепления нижней головки
фундаментного болта в анкерной плите: она снабжена прямоугольным проре-
зом, через который пропускают также прямоугольную головку болта. После
поворота на 90° болт надежно фиксируется анкерной плитой. Размеры коробки,
приваренной с нижней стороны анкерной плиты, должны быть такими, чтобы
Рис. 10.4. Железобетонный тоннельный фундамент для круп*
ной стационарной машины
248
Рис. 10.5. Схема мас-
сивного фундамента
Рис. 10.6. Вариант уста-
новки фундаментных
болтов
в случае обрыва головки болта она могла разместиться на дне коробки не ме-
шая установке нового болта.
Труба вокруг болта, приваренная к анкерной плите сверху, образует
вертикальную камеру, в которой болт размещается свободно. Размер трубы
в свету выбирается так, чтобы зазор между болтом и стенкой трубы составлял
25—30 мм с каждой стороны. Иногда камеру засыпают песком и герметизируют
ее небольшими цементными пробками сверху и снизу.
Величину заделки фундаментного болта в бетон фундамента Zo, можно
определить из условий равнопрочности на разрыв и сцепление болта с бе-
тоном (рис. 10.7, а)
— /^Раст - л
Отсюда
, WpaCT^
W СИ
где dr и 10 — соответственно внутренний диаметр резьбы болта и длина его
заделки в бетон.
Принимая допускаемое напряжение на разрыв болта 2?раст = 800 кгс/см2
и сцепление металла с бетоном /?сц = 5 кгс/см2, получаем la = 40d.
В зависимости от качества бето-
на для гладких болтов принимают
обычно 10 20—30d, для болтов
с крючком (петлей) на конце доста-
точно 10 = 10—15d.
Зная величину заделки Zn, опре-
деляют ио монтажному чертежу
общую длину фундаментного болта.
Следует иметь ввиду, что после уста-
новки станины на фундамент между
ней и поверхностью фундамента
должен быть оставлен зазор 40—
50 мм для последующей заливки
цементом.
Длина съемных фундаментных
болтов определяется ио конструк-
тивным соображениям: чем длинее
п ,п„ .. , болт, тем эластичнее крепление
Рис. 10.7. R расчету длины фундаментных ’ г -
болтов (а) и размеров анкерных плит (<5) машины и меньше ИбреКОС бОЛТОЙ
при их установке. Обычно длина йх
не меньше длины глухих болтой.
Необходимые размеры анкерных плит (рис. 10.7, б) могут быть определены,
исходя из максимально допустимого усилия затяжки болта (см. «Контроль
затяжки резьбовых соединений», стр. 291) и допустимого напряжения бетона
на скалывание и смятие (см. таблицу).
Анкерная плита
Показатели
квадратпая
круглая
Смятие
JT “ Tl / 9 v
“ <7з = ~ (Тем
Скалывание
nd-
-\А ZqCTck
nd-
О3 — лР/дСск
Примечание. В таблице сг3— напряжение предварительной затШМй, ПгС/см5; ДбИубДЯ*
емое напряжение бетона па смятие (<тсм=15 кгс/см2); оСк—допускаемое напряжение бетона на Ска-
лывание (аСк = 7,5 кгс/см2)
Анкерные плиты изготовляют из листовой толстой стали илй В виде чугун-
ных отливок с ребрами жесткости.
Фундаменты средних и мелких машин (насосов, компрессоров, станков
и др.) несложны — обычно блок из бетона или бутобетона, уложенного неглу-
боко непосредственно в котлован с глухой заделкой фундаментных болтов.
Задача монтажа упрощается тем, что часто эти машины выпускают Заводы
в виде комплектных установок машины привода, смонтированных на’общей
раме из швеллера или двутавра.
250
Для монтажа буровых уста-
новок и значительной части неф-
тегазопромыслового оборудования
применяют облегченные опоры,
причем естественно становится
целесообразным применять сбор-
ные фундаменты из нормализо-
ванных элементов, допускающих
набор нужной формы и размеров,
демонтаж вместе с оборудованием
и повторное использование на
новом месте монтажа.
Так, в крупноблочном мон-
таже буровых установок и мон-
таже промыслового оборудования
широко используют железобетон-
ные плиты размером 3 X 1 X
X 0,6 м и 2 X 1 X 0,6 м, брусья
размером 2 X 0,6 X 0,6 м и 1,2 X
х0,6 X 0,6 м, а также пирами-
дальные тумбы разной высоты
и с основанием размером . 1,1 X
X 1,1 м. В арматуру блоков при
изготовлении закладывают сталь-
ные петли для удобства такелаж-
ных работ.
Плиты и брусья используют
отдельно или группами по 2—
3 шт. в зависимости от нагрузки
на опору. Так, под вышечный блок
в местах опор ног башенной вышки
Рис. 10.8. Схема монтажа буровой установки
Уралмаш-4Э на опорах из железобетонных
нормализованных плит и брусьев:
/ — буровой блок: If — силовой блок; III — насос-
ный блок; 1 — две железобетонные плиты размером
•3 х 1 X 0,6 м; 2 — три железобетонные плиты разме-
ром 2 х 1 X 0,6 м; 3 — две ^железобетонные плиты
размером 2 х 1 X 0,6 м; 4 — два железобетонных
6pvca размером 1,2 х 0,6 X 0,6 м; .5 — два железо-
бетонных бруса размером 2 х 0,6 х 0,6 м
установки Уралмаш-4Э (рис. 10.8) укладывают две плиты размером 3 X
X 1 X 0,6 м, а под лебедку — три плиты размером 2 X 1 X 0,6 м и т. д.
Значительно реже применяют деревянные опоры под буровое и нефтегазопро-
мысловое оборудование. Так, при небольшой и средней плотности грунтов
используют деревянные стулья (рис. 10.9), на слабых грунтах могут быть
использованы свайные основания (рис. 10.10).
Необходимое число свай и глубина их забивки может быть определена
расчетом, исходя из нагрузки на опору и несущей способности грунта. Если
плотные грунты (например, материковые глины) залегают неглубоко, сваи
забивают на эту глубину и они передают нагрузку своими концами. В менее
благоприятном случае приходится рассчитывать в основном на передачу на-
грузки боковой поверхностью свай — трением об охватывающий их грунт.
Допускаемую нагрузку на одну сваю Р можно определить по формуле
Р — Одэп/ + TuZ,
где оД01] — допускаемое давление (нагрузка) па грунт на глубине острия сван,
кге/м2; / — площадь поперечного сечения сваи, м2; т — удельное сопротивле-
ние трения па боковой поверхности сваи, кге/м2; и — периметр сваи, м; I —
глубина погружения сваи, м.
Рис. 10.9. Опоры па деревянных стульях
Рпс. 10.10. Свайная опора
Для удельного сопротивления трения можно при -
нять следующие значения (в т/м2):
Пески и гравелистые грунты:
плотные ................................ 0
средней плотности ..................... 3
рыхлые ................................ 1
Суглинки и глины:
твердые ................................ 4
пластичные ...........................
текучие .............................. 0,75
Супесь (различной плотности) ............. 1—2
Ил (разной плотности).....................0,1—0,5
Очевидно, что по соображениям простоты, быстроты сооружения, мини-
мальной стоимости и возможности многократного использования предпочтение
должно быть отдано нормализованным бетонным и железобетонным плитам,
брусьям и тумбам,
§ 3. ОСВОЕНИЕ МОНТАЖНОЙ ПЛОЩАДКИ
И СТРОИТЕЛЬСТВО ФУНДАМЕНТОВ
Рассмотрим эту задачу в широком плане — освоение площадки под мон-
тируемый объект и строительство фундаментов под оборудование. Объектами
могут быть буровые установки, установки для добычи нефти насосами, сборно-
сепарационные пункты, насосные и компрессорные станции, промысловые базы
и мастерские и т. д.
Подготовительные работы включают расчистку и планировку площадки
под будущий объект. С помощью землеройных машин с площадок удаляют
все ненужные, мешающие работе предметы (кусты, пни, деревья, крупный
камень) и площадку планируют с учетом отвода ливневых вод и дренажа.
252
Затем ее разбивают в соответствии с проектом и размечают фундаменты под
оборудование и сооружения. Такими же машинами роют котлованы под фун-
даменты, якоря (монтажные и постоянные), емкости и траншеи, прокладывают
необходимые коммуникации (водопровод, линию электропередачи, коллектор
промышленных отходов), готовят трассу для крупноблочного транспорта при
монтаже-демонтаже и нормальную дорогу к объекту.
Затем монтируют фундаменты и якоря из нормализованных блоков или
при необходимости строят монолитные фундаменты.
Если предполагается монтаж полностью блок-комплектного объекта,
например, доставляемой целиком насосной станции вместе с помещением,
оборудованием и коммуникациями, сооружают песчаную подушку, на которой
затем свободно размещается объект.
Все эти подготовительные работы могут быть выполнены заранее с неко-
торым опережением во времени, наиболее удобном для строителей. В принципе
желательно разделить процессы строительства и монтажа. Однако, если в объект
входит строительство сложного сооружения и монтаж громоздкого и много-
численного оборудования, весьма желательно возвести фундаменты и смонти-
ровать оборудование с опережением основных строительных работ (особенно
перекрытий и основных стен). Тогда монтаж оборудования можно будет вы-
полнить свободно с помощью мощных передвижных кранов, в противном
случае стены и особенно перекрытия сильно затруднят их использование,
а временные грузоподъемные устройства внутри зданий мало производительны.
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ФУНДАМЕНТОВ И ИХ СООРУЖЕНИЕ
Наиболее употребительные материалы для сооружения монолитных фун-
даментов (фундаменты сборные сооружаются из нормализованных блоков) —
бетон, железобетон, бутобетон.
Бетон — смесь цемента, щебня или гравия, и песка, затворенная водой.
Цемент является основным вяжущим материалом в бетоне, при его взаимодей-
ствии с водой получается искусственный камень высоких прочностных качеств
(в основном на сжатие).
Щебень, гравий и песок применяют в качестве заполнителей для уплотне-
ния и упрочнения бетона, однако основную роль в создании прочности играет
цемент.
Армирование цемента стальной арматурой значительно улучшает его
прочность, особенно на растяжение. Цемент и сталь имеют почти одинаковый
коэффициент линейного расширения, поэтому железобетон работает, как еди-
ный монолит.
Бутобетонные фундаменты сооружают из естественного камня на цементном
растворе. Прочностные качества сооружений из бетона и железобетона опре-
деляют следующие параметры.
Качество цемента и его содержание в бетоне.
Для сооружения фундаментов применяют высокопрочные портланд-цементы
марок 400, 500, 600. Марка цемента соответствует его прочности на сжатие
в кгс/см2.
Качество воды и ее дозировка по отношению к цементу
в бетоне. В воде не допускаются щелочи, кислоты и жиры. Дозировка, назы-
ваемая водоцементным отношением, определяется в зависимости от марки
бетона (табл. 10.1). Марка бетона по аналогии с цементом, показывает его
прочность на сжатие.
Водоцементное отношение (вода/цемснт)
Таблица 10.1
Марка портланд-цемента Марка бетона
75 100 150 200 250
200 0,86 0,76 0,62
300 0,88 0,79 0,68 0,56
400 — 0,89 0,75 0,62 0,55
500 — -— 0,84 0,71 0,62
600 — •— — 0,78 0,70
Из табл. 10.1 видно, что чем прочнее требуется бетон, тем меньшее коли-
чество воды должно быть в бетонной массе. Теоретически количество воды
в смеси должно быть не более, чем необходимо для химической реакции затво-
рения цемента (излишек воды после испарения при твердении оставляет в бе-
тоне поры, ухудшающие его прочность). Однако в этом случае бетонная масса
получается очень жесткой, плохо укладывается и уплотняется. Из этих сооб-
ражений в бетонной смеси применяют почти двойное (по сравнению с теорети-
ческим) количество воды, что учтено в водоцементном отношении.
Качество заполнителей и их дозировка по отноше-
нию к цементу. Основное требование к заполнителям — размеры и чистота
(наличие пыли и глины не более 5% по объему). Пески должны быть крупно-
зернистые, щебень — шероховатый, с острыми гранями и хорошо промытый;
сильно окатанный гравий для бетонов не рекомендуется.
Стальная арматура в железобетонах, а также все закладные детали дол-
жны быть чистыми, не корродированными. Особенно это важно для фундамент-
ных болтов как заделываемых в бетон, так и свободных. Болты следует очи-
стить от масла, грязи, ржавчины, промыть в керосине, насухо вытереть или
слегка прокалить паяльной лампой, удалив затем нагар. Резьбу болтов и гаек
перед бетонированием надежно смазывают солидолом и защищают от попадания
бетонной массы. Поверхность болтов должна быть гладкой, так как глубокие
риски представляют собой концентраторы напряжений и возможное место
обрыва болтов.
Плотность бетона — важнейший параметр качества. Чем плот-
нее бетон, тем он прочнее. Поэтому количество воды в бетонной массе должно
выдерживаться строго по рецептам.
Очень важно для высокого качества бетона обеспечить однородность
бетонной массы, используя для этого бетономешалки.
Укладку бетона необходимо вести без перерыва, контролируя
тщательность укладки и уплотнения. Уплотнение вибраторами всегда пред-
почтительнее независимо от масштаба работ.
Ход процесса контролируется визуально — прекращение осадки бетона
и выход на поверхность «цементного молока» признак хорошего уплотнения.
Одновременно с укладкой из той же бетонной массы изготовляют образцы
для последующего испытания в лаборатории. Заключение лаборатории служит
официальным документом о качестве бетона при сдаче строителями фундамен-
тов под монтаж оборудования, а также при сдаче заказчику строительно-мон-
тажных работ в целом.
254
Надлежащая температура и влажность среды
при схватывании бетона завершают требования к технологии бетонных работ.
Наиболее благоприятствуют твердению бетона близкая к нормальной темпера-
тура (15—20° С) и высокая относительная влажность (90—100%).
Поэтому летом уложенный бетон укрывают опилками, шлаковатой или
мешковиной и обильно смачивают их водой, а зимой при отрицательной тем-
пературе принимают специальные меры для подогрева или сохранения тепла
(подогрев исходных материалов, теплоизоляция массива фундамента и др.).
При замерзании во время схватывания бетон полностью разрушается.
Время выдержки бетона для отвердения может быть определено по графи-
кам схватывания бетонов различных марок. Когда прочность бетона фунда
мента достигнет 60% расчетной, можно начинать монтаж оборудования.
Рецепт состава бетона в зависимости от марки цемента, имеющихся запол-
нителей и желаемой марки бетона определяется согласно рекомендациям
в табл. 10.2.
Таблица 10.2
Состав бетонной массы на портланд-цементе
Водоцсментное отношение Бетон с осадкой конуса до 6 см для укладки в малоармированныС массивы с применением вибрации
Состав бетонной массы Расход материалов на 1 м3 бетона
цемента, кг песка, м3 крупного заполни- теля, м3
1 : 1,4 : 3,1 320 0,37 (1,83
0,50
1 : 1,6 : 3,1 360 0,46 0,89
1 : 1,7 .3,4 290 0,42 0,89
0,55 328 —
1 : 1,8 :3,3 0,49 0,90
1 : 1,9 : 3,6 266 0,42 0,80
0,60
1 : 2.1 : 3,5 300 0,52 0,87
1 : 2,1 : 4,0 246 0,43 0,82
0,65
1 : 2.3 : 3,7 266 0,53 0,85
1 : 2.3: 4.3 228 0,44 0,83
0,70 258 —
1 '.2,6 '.3,8 0,56 0,81
0,75 1 : 2.6 : 4.5 214 0,47 0,81
1 : 2,9 •. 4,0 240 0,59 0,83
0.80 1 : 2.8 : 4,8 200 0,47 0,80
1 : 3,1 : 4,2 225 0,59 0,79
0,85 1 : 2.9 : 5.0 188 0,45 0.80
1 . 3,5 : 4,4 212 0,62 0,79
II р и м с ч а и и я. 1. В числителе указан состав Сетона, когда в качестве крупного заполнители
используется гравий, в знаменателе — состав бетона, когда в качестве крупного заполнители исполь-
зуется щебень.
2. Расход воды для бетона с гравием 160 л, дли бетона со щебнем 180 л.
Пример. Необходимо получить бетон марки 250, имея портланд-цемент марки 400,
песок и в качестве крупного заполнителя — щебень.
Сначала по табл. 10.1 определяем водоцементное отношение для пол,учения бетона
марки 250. Оно равно 0,55. Затем по водоцементному отношению из табл. 10.2 выбираем
255
Рис. 10.11. Устройство верти-
состав бетонной массы по объему (см. вторую строку)—
цемент — 1, песок — 1,8 и крупный заполнитель —3,3.
Определяем расход материалов: цемента 328 кг, песка
0,49 м3, щебня — 0,90 м3. Количество воды — 180 л.
Обеспечение заданных размеров, формы
фундаментов и точности размещения в них всех
закладываемых деталей — вторая часть задачи
строительства. Если бетон укладывают непо-
средственно в землю, внешние размеры и фор-
ма подземной части фундамента обеспечивает-
ся размерами и формой котлована. Для над-
земной части над котлованом монтируют дере-
вянную разборную опалубку. Свободно стоя-
щие фундаменты строят с помощью опалубки
целиком . В сложных фундаментах внутренняя
форма тоннелей, ниш и каналов обеспечивается
также опалубкой, устанавливаемой при уклад-
кальных колодцев: ке бетона. Для уменьшения расхода древе-
1 - установочные шаблоны; 2 — дере- СИНЫ И упрощения М0НТЭЖНЫХ работ рСКО-
вяпный короб (пробка) размером
120 X 120 мм В фундаменте под болты мендуется применять инвентарную опалубку
с приспособлениями для быстрого крепления.
Фундаментные болты, наглухо заделываемые в бетон, устанавливают
в фундамент при укладке бетона (см. рис. 10.5, справа), или при укладке
бетона в нем с помощью деревянных разборных коробов (пробок) устраивают
вертикальные колодцы размером в свету 120 X 120 мм (рис. 10.11).
Через 2—3 дня после бетонирования пробки демонтируют, разбирая
стенки коробов, а заливку болтов в колодцах выполняют спустя несколько
дней (см. рис. 10.5, слева). Для болтов, устанавливаемых в фундаменте сво-
бодно, при укладке бетона вместо деревянных коробов монтируют анкерные
плиты с приваренными сверху трубами, а снизу коробками (см. рис. 10.6).
Таблица 10.3
Допуски на приемку фундаментов для крупных машин
Объект измерения
Допустимые
отклонения
от размеров
чертежа, мм
Фундаменты
Основные размеры в плане ....................
Высотные отметки поверхности фундамента без уче-
та высоты подливки...........................
Размеры уступов в плане .....................
Размеры колодцев в плане ....................
Отметки уступов в выемках и колодцах ....
±30
-30
-20
+20
-20
Фундаментные болты и закладные детали
Отклонение осей:
фундаментных болтов в плане ................
анкерных плит в плане ...................
Отметки верхних торцов фундаментных болтов . .
±5
±10
+20
256‘
Установка коробов и анкерных плит выполняется по металлическим жестким
шаблонам (см. рис. 10.5 и 10.11), точно копирующим размещение осей отвер-
стий в раме машины. Вертикальность установки проверяют отвесом.
Шаблоны устанавливают над котлованом фундамента на отдельных опорах
независимо от опалубки, чтобы исключить их смещение при укладке бетона.
Положение шаблонов выверяют относительно проектных отметок всего соору-
жения. Точность размеров фундаментов должна соответствовать требованиям
табл. 10.3.
Внешнюю открытую поверхность фундамента штукатурят, покрывают
несколькими слоями жидкого стекла и окрашивают, чтобы защитить бетон
от разрушения маслом.
РЕМОНТ ФУНДАМЕНТОВ
Рассмотрим основные дефекты станины машины и фундамента, требующие
их демонтажа и ремонта.
1. Трещины, изломы рамы и фундамента, коррозия фундамента от утечки
масла из картера машины.
2. Пустоты между днищем рамы и фундаментом; более 25% периметра
рамы отстает от фундамента.
3. Отклонение рамы от горизонтали больше, чем 0,5 мм на 1 м длины.
4. Прогиб рамы превышает 0,1 мм на 1 м длины.
Для ремонта раму приподнимают на домкратах, чтобы освободить от фунда-
ментных болтов, подкладывают направляющие из труб или швеллера сдви-
гают раму домкратами в бок на выкладки из шпал. Такое размещение рамы
позволяет при необходимости вести ремонт рамы и фундамента одновременно.
Части фундамента с трещинами или пропитанные маслом вырубают пнев-
матическим молотком до целого чистого тела. Затем весь вырубленный слой
должен быть наращен. Для этого на оставшейся поверхности фундамента де-
лают насечки, поверхность тщательно очищают, промывают чистой водой, а за-
тем обильно смачивают цементным раствором. Только после этого можно укла-
дывать новый бетон по дополнительно установленной плотной опалубке. При
необходимости перед укладкой бетона восстанавливают
арматуру фундамента, обеспечивая ее связь с основ-
ной арматурой. Состав бетона, его приготовление,
укладка и старение — такие же, как и при строитель-
стве нового фундамента.
Частичный ремонт фундамента без снятия рамы
машины не рекомендуется, так как невозможно уда-
лить слой, пропитанный маслом и вновь получить
монолитность.
Иногда для ремонта фундамента приходится от-
капывать весь его массив, вырубать штробы по перп
метру, устанавливать дополнительную арматуру, свя-
зывая ее с основной массой фундамента, а затем, уста-
новив новую опалубку вокруг всего периметра, нара-
щивать весь массив, создавая как бы бетонный пояс.
Бетонный пояс может быть заменен стальным, изго-
товленным из профильного проката, стягиваемого
болтами.
Восстановление оборванных фундаментных болтов
является квалифицированной работой. Прежде всего
необходимо установить и устранить причину обрыва
Рис. 10.12. Восстановле-
ние оборванного фунда-
д! ментного болта:
7 — плита; 2 — подкладки;
«7 —пастглкт', 4 —место
спаркн; .5 — распор; б
фундамент; 7 - - ремонтиру-
емый фундаментный болт
17 Заказ 763
болтов. Причиной обрыва может быть провисание рамы машины, что
приводит к перекосу опорной поверхности гайки по отношению к осевой на-
грузке. Чрезмерная затяжка болтов при креплении рамы на фундаменте может
привести к их обрыву от вибрации при работе машины. Разрушение маслом
верхней плоскости фундамента или слоя подливки приводит к ослаблению
опоры рамы на монтажных прокладках или клиньях и может быть причиной
обрыва болтов. Лучший метод ремонта — замена болтов. Для болтов, свободно
стоящих в фундаменте и опирающихся головками на анкерные плиты, замена
не представляет особых трудностей, однако она не всегда возможна без демон-
тажа машины. Болты, заделанные в фундамент наглухо, обрываются обычно
по ослабленному сечению, т. е. по последней нитке резьбы. Ремонт их состоит
в наращивании электросваркой оторванной части болта (рис. 10.12). Размеще-
ние верхней части фундаментных болтов в вертикальных камерах, изготовлен-
ных из трубы (см. рис. 10.5), облегчает ремонт.
ГЛАВА 11
ТРАНСПОРТНЫЕ И ТАКЕЛАЖНЫЕ РАБОТЫ.
ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
И ТАКЕЛАЖНЫЙ ИНСТРУМЕНТ
В общем объеме монтажа бурового и нефтегазопромыслового оборудования
весьма значительная доля приходится на транспортные и такелажные работы.
Большие габаритные размеры и масса оборудования, общая тенденция
на укрупнение блоков и применение блок-комплектных устройств, значительно
.осложнили организацию и технологию иодъемно-транспортных работ и обеспе-
чение их высокопроизводительным и безопасным подъемно-транспортным обору-
дованием. Были созданы даже новые виды промышленного транспорта и мон-
тажных средств, например, тяжелые вертолеты-подъемники, и пришлось вер-
нуться к проблеме создания дирижаблей для транспорта сверхтяжелых гру-
зов. Значительно осложнились технология и оснащение такелажных работ.
§ 1. ТАКЕЛАЖНАЯ ОСНАСТКА
Тросы и их выбор. Тросы, их конструкция и правила использования рас-
сматриваются в курсе «Буровые машины и механизмы». Здесь целесообразно
ознакомиться лишь с особенностями применения тросов для такелажной
рснастки. Основные требования к тросам — высокая прочность, гибкость
и стойкость к повышенной динамической нагрузке.
Для такелажных работ применяют тросы с двойной свивкой, с органиче-
ским или металлическим сердечником марки ТК (с точечным касанием)
ГОСТ 3070—74 (6 прядей по 19 проволок всего 114 проволок) и ГОСТ 3071—74
(6 X 37 = 222 проволоки) и марки ЛК (с линейным касанием) ГОСТ 2688—69
(6 X 19 = 114 проволок).
Обозначение троса дает полное представление о его характеристике. Так,
марка 17,5-150-В-Л-О (ГОСТ 2688—69) обозначает трос диаметром 17,5 мм из
проволоки с пределом прочности 150 кгс/мм2 марки В (высшей), с линейным
касанием проволок в прядях, обыкновенный. Очевидно, что гибкость троса
258
определяется диаметром его проволок, однако тросы из тонкой проволоки
менее долговечны и стоят дороже.
По условиям работы тросы классифицируют на грузовые, поддержива-
ющие, несущие и строповые.
Грузовые тросы применяют для подъема и горизонтального пере-
мещения грузов. Для их работы характерны многократные перегибы через
ролики блоков и барабаны лебедок, поэтому гибкость для этих тросов — важ-
нейший критерий качества. Грузовые тросы выбирают в основном по
ГОСТ 3071-74 и ГОСТ 2688-69.
Поддерживающие тросы используют для расчалки, оттяжек
и торможения грузов. Можно применять достаточно жесткие тросы по
ГОСТ 3070—74 из проволоки относительно большого диаметра.
Несущие тросы применяют в качестве рельса для подвесных транс-
портных средств и для кабельных кранов.
Строповые тросы подвергаются в эксплуатации многократному
значительному изгибу. Их изготовляют из наиболее тонкой проволоки по
ГОСТ 3071—74 (6 X 37 = 222 проволоки).
В зависимости от назначения троса, условий работы и расчетной нагрузки
выбирают по соответствующему стандарту трос определенного диаметра с рас-
четным пределом прочности проволок и разрывным усилием троса в целом.
Разрывное усилие троса определяют по формуле
Н = Sk3, (11.1)
где R — разрывное усилие троса; S — действительное максимальное усилие
на трос (на одну его нитку в грузоподъемном устройстве без учета динамиче-
ской нагрузки); к3 — коэффициент запаса прочности.
Действительное максимальное усилие на трос определяется силой тяжести
груза, числом и направлением ниток в системе, учетом действия ветра и дру-
гих факторов.
Коэффициент запаса прочности выбирают в зависимости от условий работы
троса согласно рекомендаций Госгортехнадзора СССР (табл. 11.1).
Таблица 11.1
Коэффициент запаса прочности тросов
Назначение троса, род прииода и режим работы
Грузовой с ручным приводом ...................
Грузовой с машинным приводом .................
Стреловой для растяжки .......................
Расчалки мачт ................................
Тросы лебедок для подъема людей ..............
Тросы стропов с деталями крепления груза на
концах .......................................
Тросы для обвязки груза при подъеме ..........
Коэффициент
запаса
прочности h3
4,5
5,0
3,5
3,0
9,0
6,0
8,0
Завод-изготовитель для каждой бухты троса выдает сертификат, под-
тверждающий его соответствие стандарту п указывает действительное разрыв-
ное усилие. Если сертификата пет, измеряют диаметр троса штангенциркулем
17* 259
Рис. 41.2. Крепление троса зажи-
мами и коушем
(Г
Рис. 11.1, Зажимы для
тросов (два варианта)
Рис. 11.3. Соединение концов троса «вось-
меркой»
a
Рис. Ц.4. Крепление расча-
лок к мачтам:
а, б — затягивающимися fузлами;
« — незатягивающимся узлом; г__'
одним тросом на две расчалки
260
по описанной окружности, диаметр проволоки микрометром, а'по конструкции
троса определяют его стандарт. Разрывное усилие берется в этом случае наи-
меньшее (120—130 кгс/мм2).
Способы соединения и закрепления тросов. Соединение тросов выполняется
сплетением или на зажимах. Сплетение применяют в основном на заводах при
изготовлении инвентарных стропов. На монтажной площадке и при транспорте
грузов тросы соединяют завязкой узлов и крепят их зажимами (соединение
только зажимами не применяется).
Конструкции зажимов представлены на рис. 11.1, а, б.
Примеры соединения и крепления тросов в зависимости от назначения
приведены на рис. 11.2, 11.3 и 11.4.
Для безопасной эксплуатации тросов очень важно систематически следить
за их состоянием и выбраковывать при наличии крупных дефектов.
Нормы Госгортехнадзора СССР выбраковки тросов представлены в
табл. 11.2. Кроме обрывов проволок выбраковочным признаком для тросов,
является уменьшение диаметра их наружных проволок от износа или корро-
зии более, чем на 40%. При обрыве пряди целиком трос должен быть снят
с эксплуатации.
Таблица 11.2
Нормы на выбраковку троса с органическим сердечником
Число обрывов на длине одного шага свивки
.Коэффициент запаса п р очности Трос G X 19=114 проволок Трос 6x37 = 222 проволоки
крестовой свивки односторонней свивки крестовой свивки односторонней свивки
До 6 12 6 22 11
От 6 до 7 14 7 26 13
Свыше 7 16 8 30 15
Строповка — соединение поднимаемого груза с крюком грузоподъемной
машины, которое выполняется в значительной части с помощью троса или
изготовленных из троса инвентарных стропов. Примеры конструкции инвен-
тарных стропов приведены на рис. 11.5.
Если строповка выполняется тросом или стропами в несколько ниток,
усилие на одну нитку стропа определяется делением силы тяжести груза Q
на число ниток п
—• (11.2)
II.
Пример строповки в две нити приведен на рис. 11.6. Зная характеристику
троса и силу тяжести груза, решаем обратную задачу — во сколько нитей
должна быть выполнена строповка груза
Рис. 11.5. Конструкции инвентарных стропов
При строповке длинных грузов, например, труб за концы, стропом с на-
клонными нитями (рис. 11.7) усилие на каждую нить будет:
о л
или
Очевидно, что для равномерного распределения усилий на нити и подъема
груза в горизонтальном положении точка подвеса груза (крюк) должна быть
на одной вертикали с центром тяжести груза (рис. 11.8). Для этого инвентар-
ный строп пропускают через специальную петлю с зажимами.
При подъеме длинных тонких конструкций следует иметь в виду значи-
тельное горизонтальное усилие от наклонных нитей стропа, сжимающее кон-
струкцию (см. рис. 11.7):
5гор = 4---7Г
2 -о
ИЛИ
•Srop = -y- tga. (11.7>
Из формулы (11.6) видно, что уменьшение расстояния В от крюка до груза
увеличивает сжимающее усилие и может грозить разрушением поднимаемой
конструкции или обрывом стропа. Угрозу для конструкции можно исключить,
применяя, кроме стропов, инвентарную траверсу (рис. 11.9).
Габаритные конструкции — станки и машины, поднимают за углы слож-
ным стропом с четырьмя нитями. Если груз относительно невелик, можно при-
менить его строповку обвязкой тросом накрест (рис. 11.10) разместив крюк
на вертикали, проходящей через центр тяжести груза.
Усилие на каждую нить стропа (рис. 11.11):
SH = 1,35 ± (11-8)
4 D
ИЛИ
О 1
5Н = 1,35-У---1, (11.9)
4 cos a
262
Рис. 11.7. К расчету усилий при
строповке длинных грузов
Рис. 11.6. Строповка в две
нити
Рис. 11.8. Петля с зажимами для
равномерного распределения усилий
на ветви троса
263
где 1,35 — коэффициент, учитывающий возможную неравномерность распре-
деления нагрузки.
Все такелажные устройства — стропы, траверсы и другие подлежат
контролю Госгортехнадзора СССР. Они должны быть снабжены регистрацион-
ными номерами, указанием грузоподъемности и даты следующего испытания.
Нагрузка при этом испытании должна превышать вдвое номинальную грузо-
подъемность. Состояние стропов проверяют систематически, о их состоянии
делается запись в регистрационном журнале.
§ 2. ГРУЗОПОДЪЕМНЫЕ МАШИНЫ И МЕХАНИЗМЫ
Блоки, полиспасты, тали, домкраты, лебедки, подъемные мачты, передвиж-
ные подъемные краны, широко применяемые при монтаже бурового и нефте-
газопромыслового оборудования, изучаются в курсах «Теория машин и меха-
264
Рис. 11.12. К расчету усилий на отводной блок
Рис. 11.13. К расчету усилий в полиспасте
низмов», «Грузоподъемные машины», «Буровые машины и механизмы». Здесь
целесообразно остановиться на расчетах, связанных'с их применением на таке-
лажных работах и на специальном оборудовании, характерном для нефтяной
и газовой промышленности.
Отводные блоки (для изменения направления движения троса) выбирают
по расчетной нагрузке Q, действующей на его крепящее устройство (крюк,
серьга), и усилию S, приложенному к тросу, огибающему ролик (рис. 11.12).
Q 2S cos ~ .
(11.10)
Согласно схеме на рис. 11.12 и анализу формулы (11.10) при перемещении
груза параллельными встречными ветвями троса (а = 0) отводной ролик сле-
дует выбирать на двойное усилие Q = 2S, при а = 180° (направление движе-
ния ветвей совпадает) трос проходит мимо ролика, не нагружая его, т. е. Q = 0.
При выборе блоков следует иметь в виду следующую зависимость между
диаметром их роликов D, измеряемым по дну канавки, и диаметром применя-
емого троса d
D^d(e-X). (11.11)
Для большинства грузоподъемных машин и приспособлений коэффи-
циент е — 20.
Полиспасты применяют для выигрыша в силе, требуемой для подъема груза.
Между скоростью подъема груза vr и скоростью ходового конца троса
г.’ход имеется соотношение
(11.12)
265
где а — число рабочих нитей полиспаста, на которых висит груз (рис. 11.13).
Усилие па ходовом конце троса (у лебедки)
где (2р — расчетная нагрузка на систему; т| — к. и. д. ролика грузового блока
полиспаста (табл. 11.3); а — число рабочих нитей в системе полиспаста; t —
число отводных роликов (если такие имеются между полиспастом и лебедкой).
Таблица 11.3
Значение к. п. д. роликов блока
Онора р оли к а Условия работы ролика ч в2 в3 Ч4 I]5 Т)*1
Трения Редко смазывается 0,95 0,90 0,860 0,815 0,775 0,740
скольжения Периодическая смазка 0,96 0,92 0,885 0,850 0,815 0,785
Трения качения То же 0,98 0,96 0,940 0,920 0,905 0,885
Длину троса в системе полиспаста с необходимым запасом на барабане
лебедки (см. рис. 11.13) определяют по формуле
L — ahmax -\-l 3- А
(11.14)
где Лтах — максимальное расстояние между верхним и нижним блоками рас-
тянутого полиспаста; I — расстояние от последнего ролика до барабана ле-
бедки; А — запас троса на барабане (10—15 м).
Из формулы (11.14) видно, что при расчете системы полиспаст — лебедка
следует учитывать не только грузоподъемность лебедки, но и ее канатоемкость.
Применение полиспастов выгодно и в связи с уменьшением нагрузкп на
точку подвеса полиспаста (см. F на рис. 11.13). Если применить обычный отвод-
ной блок, то F = 2Q (без учета собственной массы системы), в полиспасте с двумя
рабочими нитями F = 1,5(2, а с четырьмя нитями F = 1,25(2. Это важно по-
тому, что в некоторых случаях допускаемая нагрузка на точку подвеса поли-
спаста, например, на строительной кон-
Рис. 11.14. Тракторная лебедка
струкции, лимитирует грузоподъем-
ность, всей сиодемы-
Лебедки. Кроме стандартных ле-
бедок с ручным и электроприводом
в нефтегазопромысловой практике ши-
роко применяются тракторные ле-
б едки ( рис. Н.П) для ремонта сква-
жин, а также для строительных,
подъемно-транспортных и монтажных
работ • Эти лебедки имеют хорошую
маневренность, автономный привод от
тракторного двигателя, обеспечивают
плавность в работе и большое тяговое
усилие (8 -4U тс) -Скорость намотки
троса большая — более 30 м/мин, что
при монтаже не всегда удобно.
266
Рис. 11.15. К расчету грузо-
подъемности гидравлического
домкрата
Рис. 11.16. Схема монтажной мачты
Тяговое усилие на барабане ручной лебедки при необходимости можно
определить по формуле
z, mqrl ... ,г.
5б = ~р -LFb-n. (11.15)
/?б + ЛЯ
где т — число рабочих на приводе лебедки; q — усилие одного рабо-
чего (можно принять q = 20—25 кгс); г — плечо рукоятки привода (г = 0,4—
— 0,5 м); i — передаточное число трансмиссии лебедки (i = пр и п6 —
частота вращения привода соответственно лебедки и барабана; R& — радиус
барабана лебедки; АТ? — толщина навитых на барабан слоев троса; г] — к. п. д.
механизма лебедки (для одноступенчатых передач т] = 0,80—0,90; для двухсту-
пенчатых передач г] = 0,75—0,80; для трехступенчатых передач г; = 0,65—
-0,75).
Тяговое усилие (в кгс) на барабане приводной лебедки
Л'б.пр— 975
пб (R6 + bH)
(11.16)
где N^t — мощность двигателя, кВт; иб —частота вращения барабана лебед-
ки, об/мин; можно принять т] = 0,8.
Канатоемкость лебедки (в м) можно рассчитать по формуле
Л —2,86 (D6 + drn) — 6,28Пб, (11.17)
где Z6 — рабочая длина барабана, м; D6 — диаметр барабана, м; dr —диаметр
троса, м; п — число слоев навивки троса
n= , (11.18)
dT
Ар — высота реборд барабана лебедки.
Примечание. В формуле (11.17) учтены два первых витка троса, разматывать
которые не разрешается, и запас по высоте реборд барабана. Запас должен быть не менее
двух дпаметров троса.
Требуемая канатоемкость определяется по формуле (11.14).
267
Домкраты. Длина хода домкратов обычно невелика, поэтому их исполь-
зуют в основном для подъема груза при установке на катки (выкладкп) н для
выверки устанавливаемого оборудования. Важно следить за надежностью кон-
такта головки домкрата с поверхностью груза и надежностью опоры домкрата.
Если несущая способность опоры недостаточна, например, грунта, исполь-
зуют деревянные или стальные подкладки, площадь которых рассчитывают по
несущей способности.
Если высота подъема груза больше длины хода домкрата, подъем выпол-
няют в несколько этапов — после каждого подъема груз выставляют на под-
кладки (клети из шпал) и операцию повторяют.
Грузоподъемность ручного гидравлического домкрата (см. схему рпс. 11.15)
рассчитывают по формуле
Q ~ Р----^-'1. (11.19)
Мачты. Для монтажа массивного и громоздкого оборудования, особенно
оборудования с большой высотой, применяют монтажные мачты. Схема одной
из них изображена на рис. 11.16.
Мачты изготовляют из труб одинарных или пучками, или из угловой стали,
состоящими из нормализованных секций, варьируя которыми можно получить
подъемное устройство необходимой высоты и грузоподъемности. Можно уд-
воить грузоподъемность устройства, используя две рядом стоящие мачты, или
две мачты собрать в форме буквы «П».
В табл. 11.4 приведены рекомендуемые размеры труб для изготовления
мачт в зависимости от необходимой высоты и грузоподъемности.
Мачты собирают в горизонтальном положении на деревянных подставках
с помощью легкого автомобильного крана, а затем устанавливают вертикально
на стальной опоре или фундаменте и фиксируют расчалками на якорях.
Размеры труб для монтажных мачт
Таблица 11.4
Грузоподъемность, т Размеры труб (в мм) для мачт высотой, м
8 10 15 20 2 о
3 159 X 6 159 X 6 273 X 8 325 X 8 426 X 8
5 219 X 8 219 X 8 273 X 8 325 X 8 426 X 8
10 219 X 8 219 X 8 273 X 8 325 X 8 426 X 8
15 273 X 8 273 X 8 325 X 8 377 X 10 426 X 10
20 273 X 8 273 X 10 325 X 8 426 X 10 426 X 12
В зависимости от высоты и грузоподъемности, мачты фиксируют одним
или несколькими рядами расчалок по четыре расчалки в ряду.
Массивные мачты поднимают с помощью вспомогательных стрел по схеме
подъема вышки буровой установки (см. стр. 316). Небольшие мачты можно под-
нять обычным автомобильным краном.
Схема монтажа тяжелого оборудования двумя мачтами приведена на
рис. 11.17.
268
Рис. 11.17. Схема монтажа тяжелого оборудования двумя мачтами
Якори служат для постоянного или временного крепления расчалок буро-
вых вышек, колонн, труб, монтажных мачт, подтаскивающих полиснастов,
лебедок и другого оборудования. Если на монтажной площадке имеется несмон-
тированное тяжелое оборудование, его также можно использовать в качестве
якоря.
Конструкция закладного якоря для больших усилий представлена
на рис. 11.18.
При относительно небольших нагрузках при монтаже можно использовать
металлические закладные инвентарные якори, изготовленные из трубы и уста-
новленные в шурф, забуренный столбоставом (рис. 11.19), а также инвентар-
ные железо-бетонные якори, металлические каркасы которых кубической формы
заполняются бетонными плитами на монтажной площадке.
Рис. 11.18. Закладной якорь:
7 — 'груба размером 4’2G X Л50й х 1и мм; 2 — трупа
размером 114 X Т >< 5 мм; о — швеллер Д'5 20; 7—
бревно диаметром 2Ш* мм и длиной 4')П(1 мм
Рис. 11.19. Инвентарный якорь из трубы
269
Из специальных кранов, применяемых для монтажно-демонтажных работ
бурового и нефтегазопромыслового оборудования, применяют при монтаже
прицепные краны КП-10 и КП-25.
Для привода в действие талевой системы крана и транспорта его исполь-
зуется тракторная лебедка (см. рис. 11.14).
Таблица 11.5
Грузоподъемность и высота подъема кранов КП-10 и КП-25
в зависимости от вылета стрелы
Кран Высота подъема крана, м Вылет стрелы, м Грузоподъем- ность, т
КП-10 2,3 7,40 2,5
3,5 6,75 3,0
4,5 6,00 4,0
5,6 4,85 5,0
6,3 3,70 7,5
6,6 3,00 10,0
КП-25 3,1 7,0 7,5
5,5 5,0 11,0
7,0 2,5 25,0
При анализе данных табл. 11.5, обращает внимание общая характерная
особенность всех передвижных Г-образных кранов — значительное уменьше-
ние грузоподъемности с увеличением вылета стрелы. Эта зависимость должна
строго выдерживаться при грузоподъемных операциях во избежание аварии
из-за опрокидывания крана.
Все грузоподъемные машины и механизмы, а также вся такелажная ос-
настка подконтрольны Госгортехнадзору СССР.
Чтобы обеспечить максимальную безопасность работ, монтажники обя-
заны строго выполнять «Правила устройства и безопасной эксплуатации грузо-
подъемных кранов», утвержденные Госгортехнадзором СССР, в которых уста-
новлены сроки освидетельствования оборудования и порядок процедуры.
§ 3. ТРАНСПОРТ МАССИВНЫХ И ГАБАРИТНЫХ ГРУЗОВ
Транспорт относительно небольшого по массе и габаритам оборудования
(средних насосов, компрессоров, энергооборудования, станков) выполняется
стандартными транспортными средствами. Рассмотрим транспорт массивных
и габаритных грузов. С внедрением крупно-блочного монтажа, например,
буровых установок, блок-комплектных устройств, с перенесением основного
объема монтажных работ на заводы-изготовители, перед транспортниками воз-
никли серьезные инженерные задачи транспорта и погрузочно-разгрузочных
работ.
Для перевозки по железной дороге крупногабаритных и массивных блоков
для нужд нефтяной и газовой промышленности применяют нормальные четырех-
осные платформы грузоподъемностью 60 и 70 т. Длина железнодорожной
платформы 13,0 м, ширина 2,77—2,87 м, высота от головки рельсов 1,27—
.270
1,30 м. Для такелажа блоков с платформы на автотранспорт имеются мощные-
железнодорожные краны.
Транспорт массивных блоков по автомобильным дорогам с покрытиями
всех категорий выполняется на автомобильных прицепах — трейлерах большой
грузоподъемности. Техническая характеристика отечественных прицепов —
тяжеловозов приведена в табл. 11.6.
Таблица. 11.6
Техническая характеристика автомобильных прицепов-тяжеловозов
Основные параметры Марка прицепа
МАЗ-5208 (типа 3 ПТ-40) ЗПТ-40-206 Автотрак- торный ТГ-50 ЧМЗАП-5212 (типа 4ПТ-60)
Грузоподъемность, т . . . 40 40 40 50 60
Скорость с грузом (макси-
мальная), км/ч .... Габаритные размеры плат- формы, мм: * — — 5-10 32
длина 4800 3900 4900 6100 8000
ширина 3200 3000 3200 3200 3300
высота 1140 978 1100 1330 1000
Тип ходового механизма П невмоколесный Гусенич- Пневмо-
Масса, т 13,5 12,1 10,4 ный 16,2 колесный 14,5
Основной тягач С-80 или ЯАЗ-210Д С-80 или С-100 С-100
ЯАЗ-214 ЯАЗ-214 или С-80 ЯАЗ-210Г КрАЗ-214
* Скорость с грузом по шоссе
40 км/ч, по грунтовым дорогам 25 км/ч.
Прицепы снабжены гидро- или пневмотормозами. Подвеска колес балан-
сирная, что обеспечивает независимое их положение и равномерное распре-
деление нагрузки.
Для транспорта массивных грузов по бездорожью в разных погодных
условиях применяют гусеничные тяжеловозы, тележки, прицепы и лыжи.
Неровности местности могут вызвать значительные перекосы грузовой плат-
формы и нарушение точности монтажа транспортируемого объекта, что, оче-
видно, весьма нежелательно, так как вызывает необходимость проверки ка-
чества сборки на месте установки объекта (проверка соосности агрегатов, на-
дежности крепления, регулировки). Здесь целесообразно использовать опору
платформы на три точки так же, как при транспорте крупных блоков буровых
установок.
В гусеничном тяжеловозе ТГ-50 (рис. 11.20) используются три независи-
мых гусеничных тележки ТГТ-20 «Восток» две по бокам и одна спереди.
Зимой целесообразно применять санные прицепы, улучшая трассу пере-
броски временными снеговыми или ледяными дорогами.
Тяжеловоз ТК-40 грузоподъемностью 40 т (рис. 11.21) состоит из рамы /,
которая через систему гидравлических домкратов 2, опирается на рамы двух
двухскатных гусеничных тележек 6. От произвольного поворота оси домкратов
гусеничные тележки защищены системой из двух кронштейнов 4 и фиксатора 5.
271
7.LZ
Рис. 11.20. Гусентнь1ц тя'Ь'°ло1*оз ТГ-50
Рис. 11.21- Гусеничный тяжеловоз ТК-40
Рис. 11.22. Транспорт блока буровых насосов на тяжеловозах ТК-40
Рис. 11.23. Система управления тяжеловозом ТК-40
Тяговое устройство тяжеловозов состоит из дышла 3 с серьгой. Транспортируе-
мый груз, например, блок буровых насосов (рис. 11.22), опирается своими
боковыми кронштейнами на опору тяжеловоза. Домкраты необходимы для
подъема транспортируемого блока и снятия его с фундаментов законченной
бурением скважины. При передвижении тяжеловоза с грузом или порожняком,
домкраты должны быть опущены и рама тяжеловоза должна опираться под-
кладными опорами на рамы гусеничных тележек. Работа домкратов в пути до-
пускается для выравнивания груза при усложнении рельефа трассы переброски.
Система привода домкратов пневмогидравлическая (рис. 11.23). Сжатый
воздух высокого давления из заранее заряженных баллонов 2 через трубо-
провод с системой кранов 3,4, 5 тз. манометром 6 поступает в масляный бачок 12
и, выжимая масло в цилиндры домкратов 1, заставляет их поднимать груз. Если
сжатый воздух из баллонов израсходован, а подзаправить их невозможно,
управлять домкратами можно ручным плунжерным насосом высокого давле-
ния 11, что, конечно, мало эффективно и используется как временная мера.
Система кранов управляет подъемом и опусканием рамы тяжеловоза с грузом
на ней.
Тяжеловоз Т-40 имеет один домкрат, расположенный несколько ниже
домкратов ТК-40, что значительно удобней для установки тяжеловоза под не-
сущую балку транспортируемого блока. Отпадает необходимость в боковых
кронштейнах блока, что уменьшает его ширину.
Третья, передняя точка опоры транспортируемого блока, представлена
либо тележкой ТГТ-20 «Восток» грузоподъемностью 20 т (рис. 11.24) в летнее
время, либо лыжей — в зимнее время. Тяжеловоз ТК-40 с удлиненной рамой
вхкачестве задней опоры и тележку ТГТ-20 впереди иногда используют для
18 Заказ 763 273
№
4^
Рис. 11.24. Гусеничная тележка ТГТ-20 «Восток»
Рис. 11.25. Схема расстановки тракторов для транспор-
та вышечного блока
перевозки А-образных вышек в горизонтальном положении. Несущая часть
тяжеловоза в этом случае должна быть повернута на 90° и зафиксирована в этом
положении.
ОРГАНИЗАЦИЯ ТРАНСПОРТА
Проектирование транспорта массивных и громоздких грузов требует
инженерного обоснования типа и числа транспортных средств и состава транс-
портной бригады, выбора и улучшения трассы, временного при необходимости
снятия напряжения с пересекаемых линий электропередачи и разработки основ-
ных технологических элементов операции.
Так, для переброски буровой установки к новой точке бурения даже
в пределах освоенного нефтегазопромысла требуется разработка, рассмотрение
с участием заинтересованных организаций и утверждение проекта переброски.
Для упрощения рекомендуется использовать заранее разработанные
бланки проекта-карточки, заполняемой руководителем операции во время
осмотра буровой и выбора трассы переброски.
От удачного выбора трассы во многом зависит безопасность и успех опера-
ции. Трассу выбирают по возможности прямолинейной или без крутых пово-
ротов. Кривизна поворота должна быть доступна для преодоления «с хода»,
так как остановки и начало движения связаны с опасными толчками.
Не допускаются двухсторонние боковые уклоны, а также сочетание боко-
вых и прямых уклонов, подъем и спуск по трассе не должен превышать 30°,
боковой уклон 10°. При отсутствии четких ориентиров трасса должна быть
«провешена». Все осложненные или опасные участки трассы должны быть
улучшены — планировка бульдозерами или грейдерами, укрепление топкого
грунта, устройство временных переходов через ручьи, болотистые низины
и т. д.
Следует учитывать, что наименьший по расстоянию путь не всегда кратчай-
ший по времени выполнения (очевидно, что препятствие проще обойти, чем его
преодолеть). На ровных участках местности ширина трассы для транспорта
блоков буровых установок должна быть 16 м. При боковых уклонах трассу
расширяют до 40 м для прохода по бокам тракторов, страхующих оттяжками
вышечный блок от опрокидывания, или для тракторов прокладывают парал-
лельные боковые проходы.
Схема расстановки тракторов для транспорта вышечного блока показана
на рис. 11.25. Число буксирных тракторов определяется расчетом в соответ-
ствии с условиями трассы, сзади (или по бокам) вышка страхуется двумя трак-
торами, соединенными оттяжками с ее верхними ярусами. При очень сложном
рельефе местности применяют три страховочных трактора — два по бокам,
третий — сзади.
Операция переброски достаточно сложна и даже опасна, поэтому только
детальная проработка процесса с бригадой рабочих, опыт коллективной ра-
боты, строгая дисциплина, безусловное выполнение всех правил профессио-
нальной техники и техники безопасности и абсолютное единоначалие обеспечат
ее успех.
РАСЧЕТ ТРАНСПОРТНОЙ ОПЕРАЦИИ
Рассмотрим типовую задачу переброски массивных и громоздких
грузов.
Определить необходимые тяговые средства, если известны масса груза,
тип и масса прицепа, а также состояние и профиль трассы переброски.
18*
275
Сила тяги по мощности двигателя
/'д
27O.-V
—’1-
(11.20)
где Ffi — сила тяги на ведущих колесах или гусеницах тягача, кгс; JV — мощ-
ность двигателя, л. с.; v — скорость движения, км/ч; г] — к. п. д. машины
(для автомашины ц = 0,85; для трактора ц = 0,80).
Использование этой мощности будет не эффективным, если не будет обеспе-
чено надлежащее сцепление ведущих колес или гусениц с поверхностью трассы.
Отсюда важно знать силу тяги по сцеплению с поверхностью трассы Fc
Fc = Pcq, (11.21)
где Рс — сцепной вес (сила тяжести) тягача, кгс; ср — коэффициент сцепления
колес или гусениц с поверхностью (табл. 11.7 и 11.8).
Таблица 11.7
Коэффициент сцепления шин автомобиля е покрытием дороги
Покрытие дороги Коэффициент сцепления <р
для сухой дороги для мокрой дороги
Бетон 0,85 0,60
Асфальт 0,75 0,60
Щебень или гравий 0,65 0,40
Булыжник 0,40 0,30
Земляное полотно 0,55 0,35
Супесчаный укатанный грунт 0,75 0,65
Глинистый грунт 0,55 0 35
Снег:
укатанный 0,30 0,10
обледенелый 0,15 0,07
Таблица 11.8
Коэффициент сцепления гусениц тракторов с покрытием дороги
Покрытие дороги
Коэффициент
сцепления <р
Сухая грунтовая дорога:
глинистая ...................................
песчаная .................................
чернозем .................................
Болота.......................................
Луг:
скошенный....................................
нескошенный...............................
Слежавшаяся пахота...........................
Песок:
влажный .....................................
сухой ....................................
Укатанная снежная дорога ....................
0,85
0,90
0,87
0,70
1,05
0,60
0,70
0,50
0,40
0,65
276
Для автомобиля с одной парой ведущих колес Рс = (0,6—0,7) Q; для авто-
мобиля со всеми ведущими колесами и для тракторов Рс = Q.
Для проекта из двух расчетов выбирают меньшее значение силы тяги.
Теперь необходимо рассчитать силу сопротивления движению всего по-
езда — прицепа с грузом, тягачей (один или несколько).
Полное сопротивление движению W (в кгс) будет:
W = <2w, + Grt«r± (<2 + G) 1РУ1 (11.22)
где Q — масса тягача, т; щт — основное удельное сопротивление движению
тягачей кгс/т (табл. 11.9); Gr — масса груза с прицепом, т; wr — основное
удельное сопротивление движению прицепа, кгс/т (табл. 11.10); wy — допол-
нительное сопротивление от максимального подъема на трассе, кгс/т
= 1000г;
i — уклон в сотых долях длины пути.
Так, при уклоне 5% сопротивление будет
игу=1000-0,05 = 50 кгс/т.
Это сопротивление берется с плюсом при подъемах и с минусом при
уклонах.
Сила тяги F должна быть больше сопротивления движению F > W. При
необходимости число тягачей в поезде может быть увеличено. Так, в зависимо-
сти от состояния трассы число тракторов при переброске вышечного блока буро-
вой установки варьируется от 3 до 6 тракторов.
Таблица 11.9
Основное удельное сопротивление движению автомашин
и тракторов
Покрытие дороги Удельное сопротивление, кгс/т
автомашин гусеничных тракторов
Дорога бетонная или асфальтобетон- ная 10—20 40—50
Дорога снежная укатанная 20—30 40—50
Булыжная мостовая 30-40 50—70
Дорога грунтовая: сухая ровная 40—50 50-100
грязная неровная 70-100 100—150
Рыхлый грунт, сыпучие пески, снег 150-200 150-200
Заболоченная местность — 250—300
Пример. Рассчитать мощность тяговых средств для транспорта, крупноблочной промыс-
ловой насосной станции. Масса станции 49 т. Для переброски выбираем трейлер 4ПТ-60
с собственной массой 14,5 т. Трасса переброски — асфальтовое, а затем гравийное шоссе
в удовлетворительном состоянии. На трассе имеются подъемы
imax —15% =0,15; = 1000 • 0,15 -- 150 кгс/т.
Средняя заданная скорость движения 20 км/ч.
Для предварительного расчета выбираем буксирный тягач ЯАЗ-210Г с двигателем
мощностью 210 л. с., массой 10 т.
277
Определим полное сопротивление движении) поезда на ровном участке
W 10 • 20 (49-j-1 .4 ,5) 30 - 2105 гас;
7’с..10 000 • 0,7 • 0,6а 4050 кгс.
Следовательно, для ровных участков дороги одного тягача ЯЛЗ-210Г достаточно для
транспорта груза.
На подъеме скорость поезда необходимо сократить до 5 км/ч (скорость пешехода)
и добавить в поезд второй тягач ЯЛЗ-210Г, погрузив в кузов каждого тягача по 7 т допол-
нительного груза для увеллчеиия сцепного веса:
1С2 -2 • 17-20-!, (49 ;-14,:>) 30.-09 0 14,0 31) 150 -17 210 пгс;
270-210
/'2д 2 ----г----O,S,> 19 2-50 кгс:
F-,c -2 17 000 - 0,8- 0,65 17 680 kit,.
Следовательно, 7'2С > W2 и перемещение груза па подъеме возможно.
Примечание: в связи с концентрацией нагрузки тягачей можно принять, что
80% их сцепного веса приходится на ведущие колеса.
Таблица 11.10
Основное удельное сопротивление Движению прицепов
на кг лесном и гусеничном ходу
Удельное сопротивление движению кге/т
Покрытие дороги с <13 3
с Р с
Я- <□ m - Е
Я Е
- . j ч Дл
СЕО Р Q
Дорога грунтовая: твердая профилированная . . . 30—20 86—70 400—600
среднего качества 40—3(1 90—80 400—600
плохого качества 50—40 100—90 400—600
песчаная плохая 65—60 120—90 400—600
Дорога снежно-ледяная, укатанная 30—20 60—50 40—60
Бездорожье 60—50 120—100 —
Талый снег, рыхлый 60—50 70—60 —
Глубокая грязь 120—100 120—150 —
Пашня снежная свежая 100—90 120 — 150 —
ВОЗДУШНЫЙ ТРАНСПОРТ ОБОРУДОВАНИЯ
На предприятиях нефтяной и газовой промышленности все шире исполь-
зуют самолеты и вертолеты для транспорта и монтажа массивного и громозд-
кого оборудования. Воздушные тяжеловозы — самолеты АН-24, вертолеты
МИ-6 грузоподъемностью до 12 т в фюзеляже и 8 т на внешней подвеске пол-
ностью вошли в практику транспортных и монтажных работ. Создан вертолет
грузоподъемностью 40 т.
Специфические особенности воздушного транспорта оказывают влияние
и на конструкцию оборудования. Так, для разведочного бурения скважин на
278
Рис. 11.26. Размещение груза в фюзеляже вертолета МИ-6
трудноосваиваемых в транспортном отношении площадях, разработан вариант
мелкоблочной буровой установки Бу-75БрМ для перевозки воздушным транс-
портом. Установка расчленена на 23 блока массой не более 8 т. Позже была
сконструирована установка БУ-80 БрД для перевозки мелкими блоками вер-
толетом и универсальными видами транспорта.
Применение воздушного транспорта оборудования весьма эффективно,
особенно в труднопроходимых и малодоступных районах (тайга, болота, пу-
стыни, горы). Кроме того, практика разведочного бурения в Западной Сибири
показала, что в некоторых случаях вертолетный транспорт оборудования
экономически более выгоден по сравнению с перевозкой тракторами, учитывая
необходимость строительства хотя бы примитивных дорог. Следует также учи-
тывать, что воздушный транспорт более оперативен, позволяет избежать сезон-
ности работ и увеличить коэффициент оборачиваемости оборудования на 35—
40%.
Особенности вертолетного транспорта оборудования и массивных грузов
следующие. На местах погрузки и выгрузки должны быть расчищены взлетно-
посадочные площадки общим размером 60—100 м для вертолета МИ-6 с «пятач-
ком» 30 X 30 м, имеющим надежное твердое покрытие (настил из железо-бетон-
ных плит или из бревен диаметром не менее 18 см в два наката). Предъявляются
очень жесткие требования к сортировке и размещению грузов на погрузочной
площадке для удобства взятия их вертолетами, особенно на внешнюю подвеску.
Следует иметь в виду, что перевозка громоздкого оборудования на внешней
подвеске всегда более выгодна с точки зрения использования грузоподъемности
вертолета — при перевозке бурового оборудования в фюзеляже средняя за-
грузка вертолета составила 3,7 т за рейс, а на внешней подвеске — 6,2 т. Очень
велики требования к правильной и надежной строповке грузов. При перевозке
как внутри, так и вне фюзеляжа следует обеспечить строгое совмещение на
одной вертикали центров тяжести вертолета и груза. В фюзеляж вертолета
груз закатывают на тележке (рис. 11.26) и устанавливают так, чтобы центр его
тяжести находился в вертикальной плоскости 15-го шпангоута вертолета МИ-6.
Тележку поднимают домкратами и надежно фиксируют оттяжками. Скорость
транспортировки очень высока — до 200 км/ч, а при внешней подвеске — 130—
180 км/ч в зависимости от характера груза.
279
ГЛАВА 12
МОНТАЖ МАШИН
Установки, машины, механизмы состоят из агрегатов, сборочных единиц
и деталей, связанных между собой кинематически в единую систему. Правиль-
ное их взаимное расположение и надежное крепление, исключающее возмож-
ность смещения в процессе эксплуатации, составляют основную задачу сборки
и монтажа.
Если машина доставлена на место эксплуатации в виде единого блока
без каких-либо нарушений взаимоположения ее частей при транспорте, задача
монтажа сводится к установке машины целиком на фундаменте, выверке ее
положения относительно горизонтали и осевых линий, нанесенных на фунда-
мент, и падежному закреплению на нем.
Рассмотрим более сложный случай — громоздкая и тяжелая машина,
например, газомотокомпрессор, насос или стационарный двигатель, доставлена
на место эксплуатации в виде частей и агрегатов и должна быть смонтирована
на фундаменте. Этот случай характерен также и для капитального ремонта
сложных машин, когда требуется полный демонтаж машины, снятие станины
с фундамента и ремонт, а затем полный ее монтаж.
§ 1. МОНТАЖ РАМЫ
МОНТАЖ РАМЫ НА ФУНДАМЕНТЕ
И ВЫВЕРКА ЕЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Перед установкой рамы верхнюю плоскость фундамента надо осмотреть,
все местные выступы поверхности срубить, а затем нанести на нее грубую на-
сечку для последующего хорошего сцепления со слоем заливки.
Рабочую плоскость фундамента, колодцы под фундаментные болты и ниши
следует тщательно промыть сильной струей воды. Затем иа фундамент устано-
вить на деревянных подкладках раму (станину) машины на высоте 400—600 мм
над плоскостью фундамента.
Размещение станины на подкладках используется для зачистки ее поверх-
ности от грязи, ржавчины, масла, проверки состояния станины и ее испытания
на плотность. Для испытания поверхности протирают насухо хлопчатобумаж-
ными концами и заливают в картер керосин или масло. Наличие трещин, неплот-
ности отливки проверяют через 15—20 ч.
Закончив проверку и устранение дефектов, раму осторожно опускают на
фундаментные болты так, чтобы между верхней плоскостью фундамента и
рамой оставался зазор 40—50 мм для подливки цемента, после установки
и выверки.
Выверка высотного положения, горизонтальности и прогиба рамы выпол-
няется при незатянутых фундаментных болтах клиньями (рис. 12.1), нивели-
ровочными болтами с подкладками или набором плоских подкладок разной
толщины.
Для этого на выровненные по уровню площадки фундамента укладывают
пластины толщиной 10—15 мм, на которые потом выставляют пакеты регули-
ровочных подкладок, клинья^или болты так, чтобы общая высота пакета была
на 2—5 мм ниже проектной (отметки подошвы рамы машины.
Затем перемещением клиньев или дополнительными тонкими подкладками,
выверяют горизонтальность и высотное положение рамы. Применение клиньев
280
Рис. 12.2. Выверка горизонтальности рамы
Рис. 12.1. Установка рамы с выверкой ее
положения регулировочными клиньями
наиболее рационально, так как дает возможность легко изменять положение
рамы.
После выверки (рис. 12.2 и 12.3) клинья прихватывают между собой элек-
тросваркой. Горизонтальность рамы проверяют по уровню.
Для проверки горизонтальности длинных поверхностей используют про-
верочную линейку, на которую уровень устанавливается при измерении. Для
определения взаимного расположения по вертикали двух плоскостей, разме-
щенных на значительном расстоянии (например, станины больших компрес-
соров, насосов, двигателей) применяют гидростатический уровень. Два сосуда
с жидкостью, соединенные между собой водяным и воздушным шлангами, уста-
навливают на плоскостях, вертикальное взаимное расположение которых
необходимо определить. Уровень жидкости в обоих сосудах расположится
в одной горизонтальной плоскости (принцип сообщающихся сосудов). Если
сосуды установлены на строго горизонтальной плоскости, уровни жидкости
в них расположатся на одинаковом расстоянии от острия микрометрических
винтов, установленных в крышках сосудов, т. е. показания микрометров при
касании с поверхностью воды будут одинаковы. Разница отсчетов даст вер-
тикальную разницу взаимного расположения проверяемых плоскостей.
Установка рамы (картера) машины считается законченной, если:
1) при равномерном затягивании гаек фундаментных болтов горизонталь-
ность рамы, достигнутая регулировкой, не нарушается;
2) зазор между проверочной линейкой и обработанной частью рамы не
превышает 0,03 мм (т. е. отсутствует прогиб рамы);
3) общий уклон рамы в любом направлении не превышает 0,2 мм на 1 м
длины.
Строгая выверка горизонтальности рамы необходима еще потому, что для
монтажа других частей и агрегатов машины рама служит базовой поверх-
ностью.
Подливка рамы (рис. 12.4, а) делается, как правило, по всему днищу рамы
бетоном марки не ниже 150. Состав бетона: 1 часть цемента марки не ниже
300 и 1,5 части крупнозернистого чистого песка, замешанные водой до состоя-
ния текучести. Для картеров сложной формы применяют частичную подливку,
при этом дно картера остается свободным (рис. 12.4, б). Подливка тщательно
распределяется по всей поверхности без пустот и уплотняется. Полезно для
этого в зазор между поверхностями картер — фундамент завести три-четыре
281
Рис. 12.3. Типичная ошибка уста-
новки па фундаменте агрегата,
смонтированного на раме из про
фильной стали
Рис. 12.4. Подливка рамы машины:
а — ин всему днищу; б — ио опорным
поверхностям
цепи, с помощью которых проталкивать раствор под раму, подавая его с одной
стороны. Для лучшего уплотнения целесообразно применять опалубку (см.
рис. 12.4, а справа). Затем все свободные внешние поверхности фундамента
покрывают жидким стеклом в несколько слоев, пока бетон не перестанет впиты-
вать стекло. По окончании монтажа машины наружную лицевую поверхность
окрашивают.
Через 7—8 дней, когда прочность бетона будет не менее 90 кгс/см2 окон-
чательно затягивают фундаментные болты и еще раз проверяют горизонталь-
ность рамы. Окончательно затягивают раму в последовательности, приведен-
ной на схеме (рис. 12.5).
§ 2. СБОРКА КРУПНОГАБАРИТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ПРИ МОНТАЖЕ
Убедившись в правильности установки рамы, монтируют другие агрегаты
и детали машины: укладывают коленчатый вал, цилиндры, шатунно-поршневую
группу, выверяют положение маховиков, шкивов, соосность валов соединя-
емых агрегатов, правильность монтажа соединительных муфт, гибких передач,
используя раму как базовую поверхность для проверки правильности монтажа.
Рассмотрим несколько типичных примеров монтажа различных частей и агре-
гатов машины.
/ 45 4 4 4 4 4 4 43 47
Рис. 12.5. Последовательность
----------------------------------------------затягивания фундаментных бол-
тов
•ф--ф-ф--ф--ф--0-ф-ф- -ф- -ф-
20 16 12 8 О Z 6 10 74 18
282
УКЛАДКА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВАЛОВ НА ПОДШИПНИКИ
Рассмотрим эту операцию на наиболее сложном примере — укладке колен-
чатого вала на фундаментную раму крупного компрессора. Процесс укладки
коленчатого вала состоит из следующих основных операций:
1) проверка и пригонка вкладышей коренных подшипников по постелям
станины и крышкам подшипников;
2) шабровка баббитовой заливки вкладышей по коренным шейкам вала;
3) проверка и корректировка горизонтальности и прямолинейности оси
вала;
4) регулировка диаметральных зазоров для обеспечения нормальной
смазки.
Вкладыш на постели рамы должен быть уложен так, чтобы его поверх-
ность надежно контактировала с постелью на дне и по бокам (рис. 12.6, б).
При анализе рисунка становится очевидным, что все последующие операции
укладки вала будут бесполезны без выполнения этого основного требования.
Качество контакта проверяют по краске и щупом — затылок вкладыша дол-
жен быть окрашен на 60—65% равномерно расположенными по всей поверх-
ности пятнами краски, зазор у торцов разъема не более 0,05—0,07 мм с каждой
стороны. Все дефекты укладки устраняют пригонкой или шабровкой. Пригон-
ку баббитовой поверхности предварительно расточенного вкладыша по поверх-
ности шейки коленчатого вала выполняют шабровкой. Боковые поверхности
вкладыша должны быть свободны, образуя зазоры для смазки (рис. 12.7).
Хорошо пришабренный подшипник должен иметь на дне поверхность, ограни-
ченную дугой 60—80° с равномерно расположенными пятнами (не менее одного
пятна на’каждый квадратный сантиметр). При шабровке упорного подшипника
необходимо тщательно пригнать его галтели, чтобы осевой разбег вала был
в пределах 0,15—0,25 мм.
Горизонтальность вала проверяют с помощью отвеса и стрелы с микро-
метрическим штихмасом или укороченным уровнем с ценой деления 0,10 —
0,20 мм на 1 м длины. Признак горизонтальности вала (рис. 12.8) — одинако-
вые показания штихмаса в двух противоположных вертикальных положениях
стрелки с обоих концов вала. Одинаковая разность показаний с обеих сторон—
признак прямолинейности, но не горизонтальности вала, а разность показаний
микрометра только с одной стороны — признак «перелома» вала.
Рис. 12.6. Пригонка вкладышей коренных подшипников по по-
стелям
а, в — неправильно; б — правильно
283
Рис. 12.8. Проверка горизонтальности вала:
1 — бачок с маслам для фиксации груза отвеса; 2 — стрелка;
t — микрометрический штихмас; 4 — отвес; I — длина стрел-
ки (желательно возможно большая)
Рис. 12.7. Правильное положение шейки вала в подшипнике й — зазор на масло (б =
= 0,17-0,20)
Для расчета уклона i вала на 1 м его длины используется отношение А/21,
где А — разность показаний микрометрического штихмаса в двух противопо-
ложных вертикальных положениях.
0 2
Пример. А = 0,2Jmm; I = 0,5 м. Наклон оси вала на 1 м его длины t = - —7 —
U, D • Z
= 0,2 мм.
При проверке уровнем (рис. 12.9) его устанавливают последовательно на
всех шейках вала и замеряют показания при проворачивании вала последова-
тельно через 90°. Уклон шейки получается как среднеарифметическое всех
измерений с учетом величины конусности шейки. Горизонтальность вала или
его уклон определяется как среднеарифметическое величин наклона всех шеек.
При оценке горизонтальности вала целесообразно учитывать уклон самой
рамы, допущенный при ее установке. Непараллельность оси вала и поверх-
ности рамы не должна превышать 0,1 мм на 1 м длины.
Все дефекты установки вала устраняются шабровкой подшипников. Работа
эта, особенно для сложных валов, очень трудоемкая и требует высокой квали-
фикации исполнителя.
Только после окончательной укладки и проверки положения вала под-
гоняют верхние вкладыши коренных подшипников.
После шабровки верхних вкладышей с помощью дополнительных прокла-
док под крышки подшипников устанавливают необходимый зазор для обеспече-
ния нормального слоя смазки. Величину зазора выбирают в соответствии с ре-
комендациями табл. 12.1.
Схема измерения зазора на смазку с помощью свинцовых оттисков предста-
влена на рис. 12.10. На поверхность шейки вала устанавливают две свинцовые
пластины и зажимают крышками подшипников до полной затяжки. Затем вал
284
Рис. 12.9. Проверка горизонтальности вала укороченным уровнем
Таблица 12.1
Зазоры (в мм) в подшипниках на смазку
Вид зазора Система смазки
циркуляцион- ная кольцевая
Монтажный (не менее) d 2000+0,05 От <2/1400
до d/1000
Допустимый при эксплуатации (не бо- d d
лее) 1000+0’Ub 1000+°'05
Примечание; d—диаметр шейки вала.
Рис. 12.10. Измерение зазора в подшипниках на смазку методом свинцового оттиска:
(I = 50—60 мм; s = 5—6 мм; 6 = 3—4 6>; 6* — возможный аааор)
Рис. 12.11. Измерение расхождения щек коленчатого вала
285
проворачивают па полный оборот. После разборки толщина сплющенных
пластин точно покажет величину зазора для смазки.
Качество выполнения всего комплекса работ но укладке коленчатого вала,
проверяют но расхождению щек измерением индикаторным штихмасом при
проворачивании вала (рис. 12.11). Расхождение щек должно быть не более
0,03—0,04 мм.
Причины, вызывающие расхождение щек: неправильная укладка (перелом)
вала; неравномерная выработка подшипников; разрушение одного или не-
скольких подшипников; искривление оси или биение шеек вала; износ корен-
ных шеек вала; ослабление крепления рамы на фундаменте и ее деформация.
УСТАНОВКА МАХОВИКОВ и шкивов
Таблица 12.2
Допуски па биение маховиков (шкивов)
Диаметр маховика, м Биение, мм
осевое радиальное
До 2,0 0,2 0,3
2,5 0,3 0,3
3,0 0,4 0,3
3,5 0,5 0,3
При установке маховиков проверяют:
1) контакт монтажных поверхностей маховика (шкива) с фланцем вала
на краску или щупом (щуп толщиной 0,05 мм не должен проходить в зазор,
пятна краски должны быть равномер-
но распределены по поверхности). При
посадке маховика (шкива) на конус
требования качества контакта такие
же. Дефекты устраняют шабровкой;
2) радиальное и осевое биение ма-
ховиков (шкивов) линейным индикато-
ром с ценой деления 0,01 мм при
плавном проворачивании
(рис. 12.12).
Допуски на биение
приведены в табл. 12.2.
маховика
маховиков
Биение маховиков (шкивов) может быть устранено шабровкой
поверхностей, наклепом спиц или протачиванием обода.
посадочных
ВЫВЕРКА СООСНОСТИ ВАЛОВ
Это случай очень частый в практике промышленного монтажа, например —
соединение электродвигателя с исполнительной машиной (насос, компрессор),
или подъемного вала буровой лебедки с валом гидравлического тормоза и др.
При таком соединении возможны параллельные смещения, излом общей
оси валов или их сочетания. Необходимая точность центровки зависит от кон-
струкции соединительной муфты — жесткие муфты требуют высокой точности
центровки, муфты гибкие допускают некоторое отклонение осей. Приспособле-
ние для центровки представляет собой радиально-осевые стрелки, закрепля-
емые на концах валов или на цилиндрической поверхности полумуфт. Схема
возможных искажений соосности и порядка их измерения приведена на
рис. 12.13. Смещение осей валов 6 определяется как полуразность величин
диаметрально противоположных радиальных зазоров а, замеренных щупом
в четырех точках (0°, 90°, 180° и 270°) при одновременном проворачивании
центрируемых валов.
я — а? _ — а% /лп л\
ов = х мм; ог = ———- мм. (12.1)
л
Для устранения смещения необходимо изменить положение оси центри-
руемого вала в горизонтальной плоскости на величину 8Г, в вертикальной
плоскости — на величину 6В.
286
Рис. 12.13. Схема измерения соосности
валов
Величину перекоса осей определяют измерением в таком же порядке осе
вых зазоров Ъ между концами стрелок.
Для^ликвидации перекоса необходимо ось центрируемого вала сместить
на величину h (рис. 12.14):
ha = - Ь1 мм’> h = &3 д L мм, (12-2)
где D — диаметр окружности, описываемой концами стрелок; L — длина
центрируемого вала.
Допуск на несоосность может быть принят согласно табл. 12.3.
Таблица 12.3
Допуски на несоосность валов
Тип муфты Допуск, мм
на непарал- лельность на перекос) излом (измерение по торцу полумуфт)
Жесткая . . . 0,02-0,08 0,02-0,09
Упругая . . . 0,06 0,04-0,05
Рис. 12.14. К расчету устранения пере-
коса валов
287
Таблица 12.4 По данным Главхиммон-
Допустимые перекосы и смещения осей валов электродвигателя и насоса тажа допустимые перекосы и смещение осей электродви- гателя и насоса могут быть приняты согласно табл. 12.4. После выверки соосно-
Частота вращения нала, об/мин Допустимые перекос и смещение (в мм) полумуфт диаметром 500 мм
жесткой упругой Зубчатой сти агрегат надежно закре- пляют на раме, чтобы пол- ностью исключить смещение во время работы. ПРОВЕРКА ПЕРПЕНДИКУЛЯРНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ И СООСНОСТИ ОТВЕРСТИЙ
3000 и более До 3000 » 1500 » 750 » 500 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,04 0,06 0,08 0,10 0,15 0,04 0,10 0.12 0,15 0,20
----------------- — При монтаже крупных
частей и агрегатов возникает
необходимость проверки перпендикулярности монтажных поверхностей по
отношению к базовой поверхности.
Будучи уверенным в горизонтальности базы можно, используя отвес или
рамный уровень, обеспечить перпендикулярность проверяемой поверхности
по отношению к базовой.
Схема проверки установки цилиндра вертикального крупного компрес-
сора отвесом представлена на рис. 12.15. С помощью специального приспосо-
бления, размещенного на верхней плите блока цилиндров, отвес устанавливают
по оси цилиндра, измеряют микрометрическим штихмасом расстояния от
струны отвеса до стенок цилиндра в четырех направлениях в верхней и нижней
частях цилиндра, а также по отношению к шатунной шейке коленчатого вала, что
дает точную картину правильности установки. Методика замера и расчета та-
кая же, как для проверки соосности валов.
Рис. 12.15. Проверка вер-
тикальности цилиндра
288
Описанный метод можно также использовать для проверки соосности от-
верстий в сложных монтажных узлах, например, в системе цилиндр — напра-
вляющие крейцкопфа — кривошипный вал вертикальных или горизонтальных
поршневых насосов или компрессоров двухстороннего действия. В горизон-
тальной машине оси цилиндров, направляющих крейцкопфов и кривошипного
вала ориентируют относительно струн натянутых горизонтально.
СБОРКА ШАТУННО-ПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ
Для всех поршневых машин — ДВС, компрессоров, насосов, монтаж
шатунно-поршневой группы является ответственной операцией, так как эта
группа работает в тяжелых условиях возвратно-поступательного движения
с большими инерционными усилиями.
Нижняя головка шатуна по конструкции и процессу монтажа такая же,
как и коренной подшипник коленчатого вала.
Шатун в сборе должен быть проверен на контрольной плите и призмах
с помощью индикатора с ценой деления 0,01 мм. Несколько типичных схем
проверки шатуна и всей шатунно-поршневой группы представлены на
рис. 12.16. Основные требования к этому узлу следующие:
1. Непараллельность осей головок шатуна может быть в пределах 0,02—
0,03 мм на 100 мм длины.
2. Оси отверстий под шатунные болты должны быть перпендикулярны
к оси нижней головки. Непараллельность осей этих отверстий — не более
0,02 мм на 100 мм длины.
Рис. 12.17. Проверка параллель-
ности валов
Рис. 12.16. Схема проверки шатуна:
а — на призмах; б — контрольными валиками; в — проверка шатунно-поршневой группы. 1 — призма;
2 — контрольный валик или поршневой палец; 3 — линейный индикатор; 4 — стойка индикатора; 5 —
контрольная плита; в — шатун; 7 — штихмае; 8 — поршень.
289
3. Некруглость поршневого пальца — не более 0,03 мм, Нецилиндрич-
ность — не более 0,03—0,04 мм.
Особенно тщательно и строго должны быть проверены шатунные болты,
условия работы которых чрезвычайно тяжелые. Известно, что обрыв шатун-
ных болтов может полностью вывести машину из строя.
Для быстроходных машин шатунные болты изготовляют из легированной
стали с обязательной термической обработкой для повышения прочности до
85—90 кгс/мм2 при относительном удлинении не менее 11%.
Рабочие поверхности болтов шлифуются. Свободные поверхности должны
быть чисто обработаны, чтобы устранить все внешние дефекты (риски, забоины,
подрезы), которые могут привести к концентрации напряжений. Перед установ-
кой длину болта измеряют с точностью до 0,01 мм. Данные измерения заносят
в паспорт машины, так как по остаточному удлинению болта в процессе экс-
плуатации судят о его усталости и принимают решение о замене. Если остаточ-
ное удлинение болта больше 0,003 его длины, шатунный болт заменяют.
Упругое удлинение шатунных болтов при затяжке по данным заводов-
изготовителей допускается в пределах 0,0003—0,0004 его длины (т. е. 0,06—
0,15 мм). По этому удлинению можно выбрать усилие и момент сил затяжки или
рассчитать его согласно рекомендациям раздела «Контролируемая затяжка
болтов». Для затяжки шатунных болтов надо обязательно применять динамо-
метрические ключи или измерять упругое удлинение. После затяжки болты
следует тщательно зашплинтовать.
Головки болтов должны плотно прилегать к ответным поверхностям го-
ловки шатуна и его крышки. Качество контакта проверяют щупом или краской.
Дефекты устраняют шабровкой.
ВЫВЕРКА КЛИНОРЕМЕННЫХ И ЦЕПНЫХ ПЕРЕДАЧ
Для правильной работы ременных и цепных передач большое значение
имеет параллельность валов в плоскости трансмиссии. На схеме (на рис. 12.17)
показан порядок выверки параллельности. Для этого необходимо натянуть
между валами стальную струну, ориентировав ее по отношению к одному из
валов как перпендикуляр с помощью крупного угольника, который устанавли-
вают по образующей этого вала. На конец второго вала монтируется стрела.
В двух противоположных положениях при вращении вала конец стрелки дол-
жен слегка касаться струны. Разные зазоры указывают на непа рал дельность,
которую следует устранить небольшим перемещением вала. Используя две
стрелки, можно обойтись без угольника: на конце каждого вала монтируется
стрелка. Одинаковые зазоры между концами стрелок и струной указывают на
перпендикулярность осей валов по отношению к струне, т. е. на их парал-
лельность.
Ручьи на шкивах для клиновых ремней должны быть в одной плоскости.
При нарушении этого условия ремни работают с перекосом, изнашиваются
односторонне и быстро выходят из строя. Схема на рис. 12.18 объясняет поря-
Рис. 12.18. Проверка соосно-
сти ручьев на шкивах клино-
ременных передач
290
док выверки соосности ручьев.
Между торцовыми поверхно-
стями шкивов натягивают стру-
ну. При правильном положе-
нии шкивов их поверхность
должна касаться струны во
всех четырех точках (7, 2, 3, 4).
На схеме видно, что у второго
шкива нет контакта струны
в точке 3. Необходимо продви-
нуть этот шкив слегка вперед,
чтобы обеспечить их взаимное
Рис. 12.19. Проверка натяжения приводных рем-
ней и цепей
правильное расположение. Использовать этот метод можно, если ручьи на
шкивах расположены одинаково по отношению к торцам шкивов, что как
правило, строго выдерживается заводами-изготовителями.
По таким же схемам проверяют параллельность осей валов цепных пере-
дач и размещение звездочек в одной плоскости.
ПРОВЕРКА и РЕГУЛИРОВКА НАТЯЖЕНИЯ РЕМНЕЙ
И ЦЕПЕЙ |
Прогиб ремней (рис. 12.19) под действием груза Q = 10 кг или динамо-
метра проверяют между точкой подвеса груза и стальной линейкой, устанавли-
ваемой на шкивы. Натяжение регулируют натяжным роликом или перемеще-
нием одного из агрегатов (обычно электродвигателя) на салазках. При пере-
мещении важно не сбить параллельность оси двигателя по отношению
к ведомому агрегату, что обеспечивается равномерным завинчиванием регу-
лировочных болтов на салазках.
Нормальную величину прогиба ремней у можно рассчитать по формулам
(см. обозначения на рис. 12.19):
для плоского ремня
QL
3(jbc ’
для клинового ремня
(12.3)
QL
2()(a^-b')h,
(12-4)
Равномерное натяжение трапецеидальных ремней возможно только при
подборе в комплект ремней одинаковой длины (допускаемое отклонение по
длине 0,25%).
Нормальная стрела провисания цепных передач должна быть в пределах
3—5% межцентрового расстояния. Так, провисание цепи привода ротора от
лебедки должно быть 50—80 мм. При проверке ведомый агрегат должен быть
заблокирован, а нижняя ведущая ветвь цепи натянута. Схема измерения про-
висания такая же, как и для ременных передач.
§ 3. КОНТРОЛЬ ЗАТЯЖКИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Для качественной сборки и монтажа машин контролируемая затяжка
резьбовых соединений является одним из важных условий. Недостаточная
затяжка и ослабление соединений в процессе работы или чрезмерная затяжка
являются существенными причинами нарушений и ускоренного износа.
19* 291
В соединениях значительной протя-
женности, в которых применяется группа
крепежных деталей, важно обеспечить
определенную последовательность и рав
номерность затяжки этих деталей. Не-
выполнение этого требования неизбежно
приводит к образованию в деталях мест-
ных концентраций напряжений и даже
трещин и излома.
Необходимо также считаться с воз-
можностью обрыва крепежных деталей
малого диаметра (меньше 10 мм) при мон-
таже без контроля усилия затяжки.
Применяют два основных метода кон-
троля затяжки резьбовых соединений
(рис. 12.20):
1) измерением момента сил затяжки М
динамометрическим инструментом — ключа-
ми, гайковертами, отвертками;
-A. i JwJ
Рис. 12.20. К контролю затяжки
болтов
2) измерением абсолютного удлинения AZ болта (шпильки) под действием
усилия затяжки Р с помощью индикаторов
Рассмотрим последовательность расчета усилий затяжки для случая, когда
число, конструкция, размеры и материал крепежных деталей данного узла
машины выбраны конструктором. Задача эксплуатационников — правильно
и максимально использовать возможности крепежных деталей.
Известно, что значительная предварительная затяжка резьбовых соедине-
ний, является эффективным средством повышения надежности частей машины,
за счет уменьшения влияния рабочей переменной нагрузки2.
При максимальном использовании возможностей крепежных деталей
коэффициент основной нагрузки % = 0,2—0,4, т. е. на затянутый болт (шпильку)
действует только часть основной (рабочей) нагрузки Рс = yPv.
Если известна действующая на резьбовое соединение нагрузка, исходным
уравнением для расчета усилия предварительной затяжки является:
o3 = vcrp (1-х)
где аэ — напряжение предварительной затяжки, кгс/мм2; ар — номинальное
напряжение от наибольшей внешней (рабочей) нагрузки, приходящейся на дан-
ное резьбовое соединение; v — коэффициент, учитывающий возможное увели-
чение рабочей нагрузки от нарушения режима эксплуатации и других причин;
X — коэффициент основной нагрузки
^*1
Хо + %1 1
10 и — коэффициенты податливости материала соответственно крепежной
детали и деталей, составляющих стык.
1 Известен также метод контроля затяжки измерением угла поворота гайки.
f3 Конструирование резьбовых соединений детально изложено в книге И. А. Биргер,
Г. Б. Иосилевич. Резьбовые соединения, М., Машиностроение, 1973, 256 с. с ил.
292
По условию плотности стыка выбирают: для постоянных нагрузок v =
= 1,25—2,0; для переменных нагрузок v = 2,5—4,0.
По условию герметичности стыка назначают: при мягких прокладках
v = 1,2—2,5; при металлических фасонных прокладках v = 2,5—3,5; при
металлических плоских прокладках v = 3,0—4,0.
Верхний предел; напряжения предварительной затяжки крепежной детали
О3 ограничивается величиной запаса прочности (от предела текучести пт):
1Яп = ^- = 1,2 —1,4.3
Тогда верхняя граница напряжений затяжки составит
а3 = (0,5 —0,7) ат.
Иногда рекомендуют выбирать напряжение затяжки в пределах сг3 —
— (0,7—0,8) сгт. Фактический запас прочности крепежной детали будет больше,
так как предел прочности болта (шпильки) в резьбовой (расчетной) части на
10—20% больше, чем у стержня болта.
Если внешние (рабочие) нагрузки не известны, но имеется полная харак-
теристика резьбовых деталей по заводским чертежам и спецификациям (слу-
чай, характерный для эксплуатации машин), усилие затяжки Р определяют
непосредственно по верхнему пределу напряжения затяжки
nd?
Р= — = 03^1,
где и Fr — соответственно внутренний диаметр резьбы крепежной детали
и площадь сечения ее резьбовой части.
После того, как рекомендуемые усилия Р затяжки деталей будут опреде-
лены, необходимо рассчитать момент затяжки 71/кл контролируемый динамо-
метрическим инструментом. Момент Мр, необходимый для создания осевого
усилия и преодоления трения в резьбе
Мр = Р tg (ip + <₽)
или
Л^Ср и
Момент Мт сил трения на торцовой поверхности гайки (головки болта)
при затяжке
Момент М на ключе
Мкл = QL — Мр -]- Мт-
Здесь Р — осевое усилие затяжки, кгс; dcp — средний диаметр резьбы, мм;
D — диаметр опорной поверхности гайки или головки болта, который можно
принимать равным размеру под ключ, мм; JCD — диаметр сверления под болт
293
(можно принимать равным номинальному размеру резьбы болта), мм; ф —
угол подъема резьбы (ж-2 ° 30')
I ч ф - —--,
ж/ср
Л’ — шаг резьбы, мм; <р — угол трения резьбовой пары («=<6° 30') tg ф — j —
коэффициент трения материалов крепежных деталей. Обычно принимают
/ -- 0,11—0,12 для резьбы достаточно точно и чисто изготовленной и хорошо
смазанной. Если эти условия не обеспечены, следует принимать / — 0,14—0,15;
Д — 0,14—0,15 — коэффициент трения на опорной поверхности гайки (го-
ловки болта); Q — усилие руки работающего, кгс; L — длина рычага руко-
ятки ключа, мм.
Примечание. Углы ф и <р сравнительно небольшие, поэтому для упрощения расчета
допускается брать сумму тангенсов, а не тангенс суммы.
Для разработки системы контроля затяжки по абсолютному удлинению
крепежной детали используем выражение модуля упругости материала Е,
определяемое как отношение напряжения в детали к соответствующему ему
относительному удлинению в пределах упругого участка растяжения (по усло-
вию расчета в этой зоне работает крепежная деталь):
Pl 1
‘ ~ / г az "°п' .V '
Откуда
М -
где I — начальная длина детали, мм; Л/ — абсолютное удлинение детали, мм;
Р — осевое усилие затяжки, кгс; Ег — площадь сечения резьбовой части де-
тали, мм2.
Модуль упругости для материала каждой марки следует брать по справоч-
нику. Учитывая, что крепежная деталь состоит из гладкой и нарезной частей
разных длины и сечения, расчет необходимо вести по частям, а затем получен-
ные данные суммировать. Длину резьбовой части болта 1г (см. рис. 12.20)
следует брать от середины высоты гайки, так как известно, что почти вся на-
грузка приходится на витки этой части.
При расчете удлинения гладкой части стандартного точеного болта сле-
дует уменьшить действующее напряжение, учитывая, что отношение сечений
гладкой и резьбовой частей = 1,4—1,6. Для накатанных болтов это отно-
шение несколько меньше.
Зная режим затяжки крепежных деталей по технологической карте сборки,
сборщик обязан выбрать динамометрический ключ, предел измерений кото-
рого соответствует режиму (требуемый момент затяжки должен быть в пределах
средней трети, или второй половины мерной шкалы ключа).
§ 4. УСТРАНЕНИЕ ВИБРАЦИИ МАШИН И ТРУБОПРОВОДОВ
Скоростные режимы работы машин, являющиеся основой высокой произ-
водительности и экономичности современных производственных процессов,
применение в некоторых случаях крупных машин с возвратно-поступательным
движением массивных деталей, например, плунжерных буровых насосов,
нецелесообразность сооружения тяжелых фундаментов для бурового оборудо-
вания, широкое применение нежестких систем, например, буровых колонн,
294
трубопроводов, резервуаров, требуют принятия эффективных мер к устране-
нию причин, вызывающих вибрации машин.
Активный износ машин, снижение качества работы, наконец, аварии (на-
пример, обрыв’трубопроводов) — таковы последствия вибрации машин.
ПРИЧИНЫ ВИБРАЦИИ
В большинстве случаев причинами возникновения вибрации являются
вынужденные колебания, возникающие в результате действия периодических
возмущающих сил, например, инерционных сил неуравновешенных масс дви-
жущихся деталей машин, искривление валов, несоосность соединяемых валов,
неправильные зазоры, ослабление крепления вкладышей подшипников, мон-
таж деталей с перекосом и пульсация рабочей среды. Для быстроходных ма-
шин (паровые и газовые турбины, центробежные нагнетатели) причиной вибра-
ции может быть нарушение режима жидкостного трения в подшипниках. Эти
вынужденные колебания особенно опасны в том случае, если частота действия
возмущающих сил совпадает или близка к частоте собственных свободных
колебаний системы. Даже незначительные по величине возмущающие силы
вызывают тогда вибрацию со все увеличивающейся амплитудой (явление резо-
нанса), что может привести систему к разрушению. Необходимо принимать
меры к тому, чтобы частота вынужденных колебаний, обычно совпадающая или
кратная^ислу оборотов или ходов машины, значительно отличалась от частоты
свободных колебаний системы, на которую они воздействуют.
Предположим, что вращающийся в подшипниках ротор, имеет неуравно-
вешенную массу т (см. стр. 101). В. результате возникает неуравновешенная
центробежная сила F, действующая циклически во всех направлениях, пер-
пендикулярных оси вращения. Частота колебания в этом случае совпадает
с частотой вращения детали.
Для колебаний, возникающих под действием сил инерции деталей, совер-
шающих возвратно-поступательное движение, характерно совпадение макси-
мального размаха с направлением движения детали или частей агрегата.
Овальность шейки вала создает периодическую силу (а следовательно,
и колебания), действующую в направлении нагрузки на вал, с частотой в 2 раза
большей частоты вращения вала. Огранности шейки вала характерны колеба-
ния с частотой, равной произведению числа граней на частоту вращения вала.
Такие колебания наблюдаются также при повышенном от износа зазоре между
телами качения и кольцами в крупных шарико- и роликоподшипниках.
Неправильная центровка соединенных валов также является источником
колебаний. Упругие муфты могут лишь уменьшить действие неправильной
центровки, но не ликвидировать ее. Угловое смещение соединенных валов
(рис. 12.21, а) вызывает колебания их подшипников в осевом и радиальном
направлениях. Частота колебаний совпадает с числом оборотов вала, а размах
осевых колебаний значительно больше радиальных. Осевые колебания под-
шипников имеют противоположные фазы; радиальные колебания однофазны.
При параллельном смещении осей валов (рис. 12.21, б) радиальные колебания
противоположны по фазе, осевые колебания — однофазны и незначительны
по величине.
Искривление вала вызывает колебания, по признакам аналогичные угло-
вому смещению валов. Общим отличительным признаком для всех случаев
несоосности валов, по сравнению с колебаниями от неуравновешенных масс,
является малая зависимость амплитуды колебания от угловой скорости вала.
295
-Е
Как известно, центробежные силы пропорци-
опальны квадрату угловой скорости. Отсюда,
Рис. 12.21. Смещения соединяемых
валов
а — угловое; б — параллельное
как следствие, резко увеличивается амплиту-
да колебания от неуравновешенных центро-
бежных сил при возрастании угловой ско-
рости. Корректируя центровку валов и по-
вторяя измерение вибрации, можно получить
точную их соосность.
Наконец, причиной возникновения вынужденных колебаний может быть
и характер производственного процесса. Типичным примером служит возник-
новение вибрации трубопроводов в результате циклических уплотнений жид-
кой или газовой среды в процессе перекачки ее поршневыми насосами или ком-
прессорами. Такие вибрации опасны тем, что цикличность вынужденных
колебаний обычно близка к цикличности свободных колебаний гибких
и относительно простых систем, которыми являются трубопроводы. Актив-
ная вибрация трубопроводов — частое явление в нефтегазопромысловой
практике.
Таковы наиболее характерные примеры вибрации машин и систем и их
особенности для правильного диагностирования причин возникновения виб-
рации.
ИЗМЕРЕНИЕ ВИБРАЦИИ
Для выявления и устранения причин вибрации необходимо в первую оче-
редь иметь полную характеристику этих колебаний — амплитуду (или размах),
частоту и фазу — угловое размещение элементов системы сложных колебаний
относительно друга друга.
Для измерения вибрации современных сложных форсированных машин
и их фундаментов применяют современные приборы, например, универсальный
прибор БИП-5. Он состоит из двух индукционных вибродатчиков сейсмиче-
ского типа, превращающих механические колебания системы в колебания
электрического тока в цепи измерительных приборов, измерительного блока,
фазового датчика и лампы стробоскопа. Для измерения вибрации вибродатчики
прижимают к проверяемой поверхности узла машины руками или закрепляют
на ней. С помощью прибора измеряют амплитуды смещения, скорости и уско-
рения, частоты колебаний, сдвиг фаз колебаний в диапазоне частот от 15 до
200 Гц и двойные амплитуды смещений от 5 до 1000 мкм. Более совершенные
приборы состоят из пьезоэлектрических датчиков, электронного усилителя
и многошлейфного осциллографа для одновременного показа на экране и записи
на фотобумаге значительного числа различных колебаний.
ДОПУСКИ НА ВИБРАЦИЮ*
При исследовании вибраций машин прежде всего возникает вопрос какие
вибрации считать допустимыми и какие вредными и опасными.
В табл. 12.5 приведены нормы оценки состояния машины по вибрации для
турбин, генераторов, центробежных компрессоров в зависимости от скорости
вращения их валов.
296
В результате износа вибрация машин увеличивается. Для некоторых
быстроходных машин (газовые турбины, компрессоры, крупные двигатели)
вибрация, выходящая за пределы допустимых норм, является главным призна-
ком для остановки машины на ремонт.
Нормы вибрации машин обычной точности могут быть приняты следующие
Частота вращения, об/мин Норма вибрации, мм
1500 0.1
1000 0,12
750 0,15
БАЛАНСИРОВКА МАШИН ПРИ МОНТАЖЕ
ИЛИ ВО ВРЕМЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Наиболее распространенная причина вибрации машин — действие неурав-
новешенных центробежных сил. В связи с этим одно из основных требований
к современным быстроходным машинам — уравновешенность вращающихся
деталей. В практике широко применяют два метода уравновешивания — стати-
ческая и динамическая балансировка (см. стр. 101)
В эксплуатации в результате деформации или неравномерного износа
деталей появляются вибрации машин, следовательно, возникает необходимость
балансировки их непосред- ственно на месте работы, Таблица 12.5 например, при монтаже ма- Нормы вибрации машин в эксплуатации
шин (туроин, крупных цен- тробежных компрессоров и Частота насосов) ИЛИ при сборке их вращения после ремонта. Известны об/мин методы устранения вибра- Размах колебаний, мм
«Отлично» «Хорошо» «Удовлетво- рительно»
ции без разборки или с ча- стичной разборкой машины. 1500 Рассмотрим наиболее про- 3000 и выше стые из них — методы трех 0,04 0,02 0,06 0,03 0,08 0,05
и двух пусков А Метод трех пусков (если деталь значительной длины). Баланси- ровка начинается со стороны, дающей наибольшую вибрацию. Это обычно ротор турбины или центробежного компрессора, рабочее колесо центробеж- ного насоса и т. д. Первый пуск машины выполняется для измерения вибрации
без балансировочного груза. Частота вращения вала машины доводится до
полных оборотов и выдерживается некоторое время для того, чтобы режим
работы полностью стабилизировался. Измеряется максимальная амплитуда
вибрации с помощью виброметра.
Предположим, она составляет 0,22 мм (рис. 12.22). Затем, поместив проб-
ный груз тп (предположим 200 г) в любом месте на поверхности проверяемой
детали (точка И), на которой можно установить постоянный балансирный груз,
производится второй пуск машины. Амплитуда вибрации, замеренная при
этом, составляет 0,30 мм. Перед третьим пуском груз перемещается из точки А
в точку В, находящуюся под углом 90° к предыдущей, считая в сторону,
обратную вращению. При третьем пуске амплитуда вибрации 0,38 мм.
По полученным данным строят диаграмму в масштабе: 0,01 мм амплитуды
вибрации равна 5 мм.
1 Примеры взяты из книги В. А. Молочек. Ремонт паровых турбин, 3-е изд. М., «Энер»
гия», 1968, 495 с. с ил.
Рис. 12.22. К балансировке машин ио
методу трех пусков
Рис. 12.23. К балансировке машин по
методу двух пусков
О 22 5
Из точки О радиусом = ЦО мм описывают окружность,
на которой фиксируют А и В. Из точки А радиусом R2 = —= 150 мм
описывают дугу, а из точки В радиусом В,, - °’3^' — =190 мм — другую
дугу. Через точку D пересечения дуг проводят радиус, точка С пересечения
которого с окружностью будет местом, куда должен быть закреплен балансиро-
вочный груз. Масса груза ту определяется по формуле
ОС 110
ту тп =- = 200 -3— 2/5 г.
UU oU
Величина OD определяется масштабной линейкой из графика. Пробный
груз гп:1 выбирают так, чтобы центробежная сила, вызываемая этим грузом,
(JT /2. \
— ) составила не более 10—15% силы
тяжести балансируемой детали. Более целесообразно, если это не снижает
прочности детали, не устанавливать балансирный груз в точке С, а снять из-
лишний металл в точке Е, расположенной на 180° от расчетной.
Таким же методом балансируют детали с другого конца.
Метод двух пусков (рис. 12.23) более простой и производитель-
ный, однако для него требуются виброизмерительные приборы с фазоизмери-
тельным устройством (стробоскоп). На торце балансируемой детали наносят
ориентир, например отметку 1. При первом пуске без пробного груза измеряют
амплитуду колебаний и на основании стробоскопического эффекта наносят
положение отметки 1 на неподвижной части машины. Затем на поверхности
детали, где можно установить постоянный балансирный груз устанавливают
пробный груз т„ под углом 90° к отметке 1. Проводят второй пуск, измеряют
амплитуду колебания и угол, на который перемещается отметка на детали из
положения 1 в положение 2. В выбранном масштабе вычерчивают в виде век-
тора А В амплитуду колебания при первом пуске и в виде вектора АС — при
втором пуске. Решая треугольник по двум сторонам и углу между ними а,
находим сторону ВС и угол 0. Постоянный груз ту массой my =
установленный на поверхности детали в точке 3 под углом 0 к расположению
298
пробного груза тп полностью компенсируют дисбаланс детали. Дисбаланс
можно ликвидировать удалением массы металла М = ту в точке, расположен-
ной на 180° от расчетной.
УСТРАНЕНИЕ ВИБРАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ
Вибрация трубопроводов в результате пульсации перекачиваемой по ним
среды — довольно частое явление в нефтегазопромысловой практике. В резуль-
тате возможны обрывы трубопроводов, потери перекачиваемого продукта,
иногда и более серьезные осложнения. Кроме того, гидравлическое сопроти-
вление в трубопроводах при пульсации среды значительно возрастает, что при-
водит к потере до 25% мощности перекачивающего агрегата.
Вибрация трубопроводов через жесткое соединение (без хороших компен-
саторов) может разрушить компрессорный или насосный агрегат. Поэтому
попытки ликвидировать вибрацию увеличением жесткости соединений в си-
стеме трубопровод — машина, как правило, существенно усугубляют послед-
ствия действия вибрации. Ликвидация источника возникновения — вот наиболее
радикальный метод решения этой задачи.
Вибрация трубопроводов по характеру явления, его причинам, а следова-
тельно, и мерам ликвидации, существенно отличается от вибрации машин.
Если вибрация перекачивающих агрегатов и их фундаментов в большинстве
случаев происходит вследствие инерционных сил движущихся частей агрегата
и может быть устранена чисто механическими методами, то вибрация трубо-
проводов происходит в результате как инерционных сил перекачиваемой среды
(что менее существенно), так и вследствие пульсации давления в трубопроводе.
Если частота вынужденных колебаний системы, обычно совпадающая с цик-
личностью работы машины, близка к частоте собственных колебаний системы
трубопровода, то система входит в резонанс, в результате возникает интенсив-
ная вибрация всасывающих и главным образом нагнетательных трубопроводов.
Зона распространения вибрации обычно ограничивается системой обвязки на-
сосной или компрессорной станции, после выхода на прямые участки трубо-
проводов пульсация давления среды быстро затухает.
Для выхода из опасной зоны резонанса и устранения вредных колебаний
трубопроводов обычно достаточно изменить частоту возмущающей силы на
10—15%. Однако в некоторых случаях это выполнить невозможно. Кроме
того, обвязка трубопроводов на станции представляет собой комплекс несколь-
ких простых систем, поэтому изменение режима работы агрегата может выз-
вать резонанс других элементов обвязки. Таким образом, главным средством
предупреждения вибрации является выбор размеров и формы трубопроводной
обвязки, исключающей возможность появления резонанса системы.
При проектировании компрессорных и насосных станций необходимо про-
верить систему трубопроводной обвязки на вибрацию. Если появилась вибра-
ция, необходимо исследовать систему трубопроводов, найти участок, на кото-
ром возникает вибрация, изменить его размеры и форму.
Во многих случаях этого бывает достаточно для снижения вибрации до
допустимых пределов. В противном случае в систему трубопроводов включают
специальные гасители пульсации — буферные емкости, резонансные или реак-
тивные гасители пульсации и др.
Вибрация особенно сильно проявляется в местах резкого изменения на-
правления трубопровода (острые углы). Плавное, даже многократное изменение
направления движения потока значительных вибраций в трубопроводе не
299
вызывает. Рассмотрим пример устранения вибрации из материалов, опубликован-
ных проф. П. А. Гладких.
На нефтяном промысле для перекачки попутного нефтяного газа на газо-
бензиповый завод была построена компрессорная станция с тремя горизонталь-
ными компрессорами с га = 167 об/мин, работающими на общий нагнетатель-
ный коллектор диаметром 250 мм. В конце коллектора на расстоянии 65 м от
компрессоров был установлен холодильник. При эксплуатации станции воз-
никла чрезмерная вибрация холодильника.
Расчет акустической системы этого трубопровода показал: частота вынуж-
денных колебаний системы / = 167/60 = 2,8 Гц, скорость распространения
волн давления в попутном сыром газе v = 360 м/с (по справочным данным).
Длина волны вынужденных колебаний X = 360/2,8 = 128,6 м.
Принимая исследуемый трубопровод как систему, закрытую с двух сторон,
определяем, что резонансные колебания системы возникнут при длине трубо-
провода Х/2 = 128,6/2 = 64,3 м, что практически совпадает с длиной коллек-
тора равной 65 м. Изменением длины коллектора на 8—10 м перестановкой
холодильника вибрация была устранена.
Здесь приведено лишь краткое описание задачи устранения вибрации
трубопроводов для того, чтобы показать важность этого вопроса для правиль-
ной эксплуатации нефтегазопромыслового оборудования и наметить основные пу-
ти решения этой задачи. Детально этот вопрос освешен в специальной литературе.
ГЛАВА 13
ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА
БУРОВЫХ УСТАНОВОК
Современная буровая установка представляет собой сложный комплекс
агрегатов. Мощность буровых установок и их отдельных агрегатов зависит от
конструкции скважины, а также от глубины и способа ее бурения.
Отечественная промышленность выпускает буровые установки для буре-
ния нефтяных и газовых скважин глубиной до 8000 м; грузоподъемность на
крюке талевой системы до 250 т с установленной мощностью двигателей более
5000 л. с.
Тип установки для бурения скважины задаваемой конструкции выбирают
на основе инженерных расчетов, определяющих возможные максимальные
нагрузки на крюке талевой системы, скорости спуско-подъемных операций,
необходимые гидравлические мощности и т. д.
В соответствии с нормалью Н900-66 буровые установки в зависимости от
номинальной грузоподъемности делят на семь классов (табл. 13.1).
Каждому типу буровой установки соответствуют своя кинематическая и мон-
тажная схемы, в которые входят различные агрегаты. Однако при конструк-
тивном различии установок в их комплексе встречаются агрегаты, необ-
ходимые в любой из компоновок. Это вышки, талевые системы, грузоподъемные
лебедки, роторы, вертлюги, приводные механизмы (шестеренчатые или цепные
редукторы, клиноременные передачи), двигатели и насосы для перекачки про-
мывочных жидкостей. Они различаются техническими характеристиками, кон-
структивным исполнением, габаритными размерами и массами. Но все они
300
Таблица 13.1
Основные параметры размерного ряда буровых установок (Н900-66)
Тип буровой установки
Параметры
Грузоподъемность, т:
номинальная ............................
максимальная ..........................
Условная глубина бурения стальными тру-
бами диаметром 114 мм при массе 1 м бу-
рильной колонны 20 кг ..................
Мощность, л. с.:
на крюке при номинальной нагрузке . .
передаваемая на приводной вал ротора,
не менее ...............................
суммарная гидравлическая, не менее,
л. с....................................
число основных насосов............
Наибольшая суммарная производительность
(подача) основных насосов, не менее, л/с
Максимальное давление, кгс/см* 1 2 3 4 5 6.
Тип вышки .................................
И БУ-80 БУ-100 БУ-125 БУ-160 БУ-200 0 м £ И
50 80 100 125 160 200 250
НО 140 170 200 250 320 450
1600 2500 3000 4000 5000 6500 8000
400 600 600 900 900 1300 1600
250 300 300 400 400 500 500
500 800 800 1300 1300 2400 2400
2 2 2 2 2 3 3
56 70 70 90 90 135 135
200 200 200 250 250 320 320
Мачтовая Мачтовая или башен- ная Башенная
должны быть кинематически связаны определенной монтажной схемой, опре-
деляющей местоположение каждого агрегата относительно друг друга.
Поэтому при монтаже каждой установки приходится выделять отдельно
монтаж:
1) каждого агрегата, входящего в комплекс любой буровой установки;
2) узлов и систем управления агрегатами, входящими в комплекс уста-
новки;
3) технологических трубопроводов для перекачки промывочной жидкости,
топлива, сжатого воздуха и отопления;
4) приводных механизмов;
5) вспомогательного оборудования, необходимого для приготовления и
очистки промывочной жидкости, обогрева буровой установки, сохранения
запасов горюче-смазочных материалов и т. д.
В связи с этим для монтажа буровой установки необходимо осуществить
следующие работы:
1) планировочно-разбивочные и подготовительные;
2) строительство фундаментов и оснований под буровую вышку, буровое,
силовое и вспомогательное оборудование;
3) монтаж буровой вышки;
4) строительство привышечных сооружений;
5) монтаж бурового, механического и силового оборудования,
6) монтаж электрооборудования.
Перечисленные этапы работ выполняют специалисты соответствующих
бригад (подготовительной, строительной, специализированной или комплекс-
ной вышкомонтажной) в последовательности, определяемой методом монтажа,
который применен при сооружении данной буровой.
301
§ t. МЕТОДЫ МОНТАЖА БУРОВЫХ УСТАНОВОК
Буровые установки сооружают тремя методами.
Расчлененный (индивидуальный) метод заключается в индивидуальном
монтаже каждого агрегата буровой установки, строительстве отдельных объек-
тов и сооружений буровой установки на фундаментах однократного исполь-
зования. После монтажа на фундаментах всех агрегатов производится их кине-
матическая увязка в соответствии с монтажной схемой. При переходе на новую
точку бурения все агрегаты буровой установки демонтируют, нарушая кинема-
тические связи между ними, разбирают сооружения и перевозят все россыпью
на повое место.
На новом месте снова строят фундаменты, сооружения и монтируют буро-
вую установку.
Мелкоблочпый метод заключается в том, что буровую установку монтируют
из блоков. Блок представляет собой два или более отдельных агрегата буровой
установки, кинематически связанных между собой и предварительно собран-
ных на металлических санях-основаниях .
Саип-основапия служат транспортным средством при перебазировании
буровой, а в рабочем положении буровой установки являются частью фунда-
мента .
Крупноблочный (индустриальный) метод заключается в том, что монтаж
буровой установки сводится к соединению двух-трех крупных блоков, вклю-
чающих в себя основное технологическое оборудование, расположенное и кине-
матически увязанное на мощных металлических основаниях.
Все три метода монтажа буровых установок являются результатом раз-
вития отечественной нефтегазодобывающей промышленности. Каждый метод
монтажа имеет свои особенности, преимущества и недостатки, которые обусло-
вливают целесообразность применения одного из этих методов в соответству-
ющих условиях бурения.
Рассмотрим содержание этих методов.
§ 2. РАСЧЛЕНЕННЫЙ МОНТАЖ БУРОВЫХ УСТАНОВОК
При этом методе монтажа на площадку, выбранную для строительства
буровой, после проведения планировочно-разбивочных и подготовительных
работ завозят все агрегаты буровой установки, буровую вышку или ее детали
и необходимые строительные материалы (камень, песок, цемент, бревна, брусья,
доски и др.). Одновременно сюда же привозят грузоподъемные механизмы
и специальные устройства, необходимые для монтажа буровой установки
(подъемники, лебедки, стрелы, краны и т. и.).
Все перечисленное оборудование и материалы располагают на площадке
в определенном порядке, обеспечивающем рациональную последовательность
сборки и монтажа буровой установки (рис. 13.1). В зависимости от принятой
схемы расположения оборудования и привышечных сооружений подготовляют
рабочую площадку соответствующих размеров. После завоза и расположения
всего оборудования на рабочей площадке вышкомонтажная бригада приступает
к строительству буровой.
Работы выполняют в несколько этапов. Одним из спепрфических этапов ,
присущих процессу монтажа исключительно бурового оборудования, является
сборка и монтаж вышки.
Современные буровые установки комплектуют металлическими вышками
двух основных типов — башенной и А-образной. Эти вышки выпускают грузо-
302
Рис. 13.1. Рациональная схема рабочей площадки при строительстве металлической вышки высотой 41 м и монтаже оборудо-
вания при расчлененном методе:
1 — ротор; 2 — иодепнпзированная лебедка; 3 — редуктор с двумя электродвигателями; 4 — компенсатор; 5 — стояк; 6 — станция управления
электродвигателями па редукторе и агрегата форсированного бурения; 7— Пояса вышки; 8 — тяги вышки; 9 — хомут; 10 — болты для вышки; 11 —
кронблок; 12 — металлический наголовник; 13 — детали козел вышки; 14 — ноги вышки; 15 — ноги, пояса и тяги подъемника; J6 — двутавровые
балки и несущие трубы подъемника; 77—мелкие детали подъемника; 18— пульт; 19— строительная лебедка; 20— инструментальная будка;
21 — электролебедка' подъемника; 22 - детали подкронблочной площадки; 23—детали балкона верхового рабочего; 24— обшивочный ма-
териал балкона верхового рабочего; 25 — лестницы и площадки; 26 — стойки, доски, трубы для приемного моста; 27 — доски для пола буровой
и сарая агрегата форсированного бурения; 28 — запасные чаны; 29 — лесоматериал для площадки под запасные чаны; 30 — стойки под желоба;
31 — желоба; 32 — доски для ходов циркуляции; 33 — ящик для цемента; 34 — брусья и бревна для рамы и фундаментов буровой; 35 — лесома-
териал для сарая агрегата форсированного’ бурения; Зв — камышитовые Щиты для буровой и сарая агрегата форсированного бурения; 37 — агрегат
форсированного бурения;? 38 — карданный вал ПИР; 39 — лесоматериал Для агрегатного сарая; 40 — станции управления к электродвигателям
для насосов; 41 — электродвигатели к насосам; 42 — насосы; 43 — камышитовые щиты; 44 — приемные мерники для насосов; 45 — трансфор-
маторы; 46 — масляный выключатель; 47 — камень; 48 — песок
подъемностью 75—300 т, что позволяет применять их для комплектации буро-
вых установок нескольких типов.
Наиболее распространенными являются вышки башенного типа ВМ-41М
и В1-300-53 грузоподъемностью 150, 200 и 300 т.
Наряду с ними выпускают вышки А-образной конструкции: типа ВАС-42,
BAG-53A и вышки для установки БУ-80 грузоподъемностью 200, 250 и 140 т.
Вышки башенного типа и А-образные вышки имеют принципиальное
конструктивное различие, вызывающее разные приемы и методы их монтажа.
Вышки башенного типа представляют собой панельную металлическую
четырехгранную башню, состоящую из наклонных ног, которые связаны
в узлы горизонтальными поясами при помощи угловых соединительных
хомутов, затянутых в стыках элементов ног болтами.
Жесткость конструкции придается диагональными растяжками, установлен-
ными в каждой’секции панели. Таким образом, вся вышка состоит из отдельных
элементов, которые при монтаже собирают в единую металлическую конст-
рукцию.
Конструкция А-образных вышек представляет собой две наклоненные одна
к другой под некоторым углом металлические мачты, выполненные в виде
отдельных элементов (из профильного проката или труб). Элементы мачт соби-
рают при помощи быстро соединяющихся устройств. Это позволяет осуще-
ствить легкую транспортировку вышки и быстрый монтаж и демонтаж ее.
Наиболее распространенные методы монтажа вышек башенного типа —
монтаж их «сверху вниз» посредством специального подъемника Я. М. Кер-
шенбаума и «снизу.вверх» при помощи специальных монтажных стрел. Помимо
этих двух методов Г. Н. Бержецем и А. П. Духниным был рекомендован
монтаж вышки в горизонтальном положении с последующим подъемом их
при помощи вспомогательных стрел и лебедок.
СБОРКА ВЫШКИ «СНИЗУ ВВЕРХ» ПРИ помощи
ШАГАЮЩИХ СТРЕЛ
Перед началом монтажа вышки производят контрольную проверку «шага-
ющих стрел» и их оснастки.
Шагающая стрела (рис. 13.2) представляет собой трубу диаметром 150 мм,
длиной 9 м. На обоих концах трубы закреплены ролики с предохранительными
скобами, предупреждающие соскакивание каната (рис. 13.2, Z). На трубе
устанавливают четыре хомута элеватора — два крепежных и два поворотных.
Крепежные элеваторы (рис. 13.2, II) размещают на расстоянии 0,5 м
от осей блоков, смонтированных по концам трубы, а от осей этих элеваторов
на расстоянии 1,5 м монтируют поворотные элеваторы (рис. 13.2, III). При
помощи вращающихся элеваторов стрела перемещается вверх по ноге вышки
и закрепляется ими; крепежный элеватор фиксирует стрелу относительно ноги
вышки.
Чтобы стрела под нагрузкой не перемещалась, вдоль ноги на внутренней
стороне элеваторов, обращенных к ноге, закрепляют сухари, которые при
затяжке элеватора обеспечивают необходимую надежность крепления.
Перед началом монтажа вышки на полу в центре ее основания укладывают
пояса вышки, собранные болтами с угловыми хомутами, как это показано
на рис. 13.3. Затем устанавливают нижние элементы ног с опорными плитами,
прикрепляемые к рамным брусьям анкерными болтами. Внизу для придания
жесткости собирают нижний монтажный пояс.
304
Рис. 13.2. Монтажная стрела
1 труба стрелы; 2 — шпилька; 3 — болт; 4 —
штырь
I При помощи монтажных лебедок или тракторных
И®* подъемников и блоков, закрепленных на ногах выш-
ки, подтаскивают «шагающие стрелы», которые вра-
щающимися элеваторами закрепляют ниже углового
хомута на ногах вышки. Закрепив поворотный элева-
тор канатом, идущим от лебедки и огибающим верх-
Гний ролик стрелы, стрелу поворачивают на 180°. При
этом стрелу длинным плечом поворачивают кверху
(рис. 13.4) и нижним элеватором, находящимся на
коротком ее плече, прикрепляется к ноге вышки.
Когда стрелы установлены и закреплены, приступают к подъему собран-
ного на полу буровой пояса с прикрепленными по углам его элемен-
тами ног.
Когда пояс при помощи лебедок поднимают на высоту несколько более
4 м, элементы ног на подвесках принимают вертикальное положение, а ниж-
ние их концы легко могут быть заведены в угловые хомуты на уже смонтиро-
ванные элементы ноги нижней секции. Заведенные в хомуты концы элементов
ног закрепляют болтами, после чего освобождают подвески, а на верхние концы
элементов ног сажают висящий на стрелах собранный пояс секции. Одно-
временно с этим к верхним углам каждой секции подвешивают диагональные
тяги вышки, которые также прикрепляют к хомутам.
Для удобства монтажа на каждом углу секции навешивают лестницы-
стремянки высотой 4 —-5 м, по которым, когда секция поднята, поднимаются
четыре рабочих (на каждый угол тго одному) и одновременно заводят четыре
элемента ног в хомуты ранее собранной секции.
2() Запаа 7l5.’i
305
Рис. 13.3. Сборка поясов вышки на полу
буровой
Для облегчения соединения эле-
ментов ног с хомутами вышки
посредством болтов следует вначале
закрепить диагональные тяги, а за-
тем, регулируя их натяжение, доби-
ваться сопряжения отверстий в хо-
муте или элементе ноги.
Когда секция собрана, произво-
дят очередной поворот стрелы. Для
этого верхний поворотный элеватор
закрепляют на поднятом элементе
ноги, а нижние элеваторы (поворот-
ный и крепежный раскрепляют;
затем стрела поворачивается ниж-
ним концом кверху и ее вновь за-
крепляют крепежным элеватором.
После закрепления стрелы в новом положении приступают к подъему сле-
дующих секций. Так поднимают всю вышку, включая и верхнюю секцию.
По окончании монтажа вышки стрелы демонтируют и производят монтаж
маршевых лестнир, пальцев и балконов. Монтаж при помощи шагающих стрел
в^настоящее время
имеет ограниченное применение.
Рис. 13.4. Сборка вышки монтажными стрелами:
а — общий вид сборки: 1 — стрела в момент поворота, 2 — стрела после поворота, з — стальной канат,
4 — лебедка; б — сборка первой и подъем второй секции: 1 — первая секция, 2 — вторая секция; 3 — трос
на лебедку; в — подъем третьей секции: 1 — стремянка, 2 — трос на лебедку; г — сборка последующих
секций; д — сборка последней секции
306
МОНТАЖ ВЫШЕК МЕТОДОМ «СВЕРХУ ВНИЗ»
Метод монтажа «сверху вниз» буровых вышек башенного типа предусматри-
вает сборку их, начиная с верхней секции вышки — подкронблочной площадки,
кронблока и кончая секциями, расположенными внизу. При этом одновременно
со сборкой металлоконструкций монтируют навесные элементы — балконы,
площадки, лестницы и пальцы. Этот метод монтажа был предложен инж.
Я. М. Кершенбаумом, который спроектировал специальный подъемник.
Началу монтажа вышки предшествует монтаж подъемника (рис. 13.5),
который состоит из четырех парных стоек 1, устанавливаемых на полу буровой
на каждом углу сооружаемой вышки. Стойки вверху и внизу связаны трубча-
тыми поясами и раскреплены диагональными тягами 3, позволяющими придать
подъемнику правильную и жесткую форму.
Между парными стойками уложены траверсы 6 из двутавровых балок,
передвигающиеся при помощи талевых систем, подвешенных по углам между
стойками. Верхние блоки 2 талей укреплены в наголовниках стоек, а нижние
2 — на концах траверс.
На траверсах свободно размещены две мощные несущие трубы 4 диаметром
250 мм, которые используются для подхвата поднимаемых секций вышки.
С наружной стороны подъемника монтируют две однобарабанные редукторные
лебедки грузоподъемностью по 20 т. Барабаны разделены ребордой пополам;
Рис. 13.5. Подъемник Кершенбаума:
J — стойка; 2 — полиспаст; 3 — диагональная тяга; 4 — несущая труба; 5 — нижний пояс; 6 — траверса;
7 — ограничитель; 8 — верхний пояс
20*
307
каждая половина предназначена для навивки троса талевой системы одной
стойки.
Подъемник собирают на полу буровой. На полу агрегатного укрытия мон-
тируют первую раму подъемника, а на мостках вторую, затем при помощи
лебедок подъемника и вертикальной вспомогательной стрелы поднимают одну
из рам и надежно закрепляют ее оттяжками. К этой раме прикрепляют блочек,
при помощи которого также лебедкой подъемника поднимают вторую раму.
Поднятые рамы связывают трубчатыми поясами и растягивают диагональ-
ными тягами. Балки-траверсы подвешивают на талевых системах, размеща-
емых на каждой парной стойке. Поверх траверс укладывают две несущие
трубы. Собранный и отрегулированный подъемник при закрепленных растяж-
ках допускает нагрузку до 24 т.
В настоящее время для форсирования сборки вышек при индустриальном
методе монтажа бурового оборудования подъемник Я. М. Кершенбаума по пред-
ложению А. Т. Шмарева модернизирован. Модернизированный подъемник
позволяет поднимать одновременно две секции вышки, в связи с чем его высота
возросла до 8,2 м, а грузоподъемность до 65 т.
МОНТАЖ вышки ПОДЪЕМНИКОМ
После сборки подъемника на полу буровой в центре между его стойками
монтируют верхнюю секцию вышки. Вначале собирают пояса и хомуты верх-
ней секции, закрепляют скобы диагональных тяг, подкронблочные патрубки
и наголовники. Производят сборку верхней секции, монтируют подкронблоч-
ные балки и кронблок; затем устанавливают кронштейны из брусьев, по кото-
рым настилают пол подкронблочной площадки и устанавливают прочные
перила. При сооружении площадки предусматривается выступ в одну сторону
на 0,8 м, который служит опорой для маршевой лестницы.
К собранной секции подкатывают несущие трубы, которые лежат на травер-
сах подъемника. Эти трубы хомутами надежно соединяют с поясами собранной
секции вышки. К этим же трубам по углам собранной секции на мягких под-
весках прикрепляют элементы ног следующей секции вышки. По углам на поясах
подготовленной к подъему секции подвешивают четыре лестницы-стремянки.
Затем, включив лебедки подъемника, поднимают траверсы. Вместе с травер-
сами поднимаются несущие трубы, на которых подвешена собранная секция.
Подняв секцию на высоту 4,3 м, по лестницам-стремянкам поднимаются
четверо монтажников, каждый на своем углу вышки; они заводят элементы
ног вышки, висящие на подвесках, в хомуты и закрепляют их соединительными
болтами. Спустившись, монтажники надевают на нижние концы элементов
ног сборочные хомуты и скобы диагональных тяг.
После затяжки узлов крепежными болтами собранную секцию опускают
на деревянные подкладки, уложенные на полу буровой. Затем устанавливают
пояса собираемой секции, натягивают диагональные тяги, создавая этим
жесткость конструкции.
Когда новая секция собрана, открепляют хомуты, подвешенные на несу-
щих трубах, от поясов верхней секции и траверсы вместе с несущими трубами
опускают вниз. Хомутами несущие трубы прикрепляют к поясам вновь собран-
ной секции, включают лебедки, и начинают новый подъем на 4,3 м. Операции
по подъему остальных секций аналогичны описанным и показаны на рис. 13.6.
По мере увеличения высоты вышки для предупреждения ее падения вышку
раскрепляют оттяжками. Одновременно с монтажом металлических узлов
!«!*
ведется монтаж балконов,
маршевых лестниц, пальцев,
необходимых ограждений
и т. д. Поскольку габарит-
ные размеры подъемника
ограничены, монтаж марше-
вых лестниц производят
только до шестого пояса
вышки, считая от верха.
После сборки вышки
подъемник разбирают, а выш-
ку при помощи домкратов
центруют по отвесу относи-
тельно центра будущей сква-
жины. С этой целью между
ногами вышки натягивают
шнуры по диагонали, а с под-
кронблочной площадки спу-
скают отвес, который при
правильной центровке дол-
жен совместиться с точкой
пересечения шнуров (допуск
на центровку 300 мм).
Центровка осуществляет-
fl д 6
Рис. 13.6. Сборка вышки при помощи подъемника
Кершенбаума:
СЯ прокладками, устанавли- а — Сборка верхней секции; б — подъем пятой секции вышки
_______________________- с балконом; в — поднятая вышка
ваемыми между опорной
плитой ноги вышки и опорной плитой или брусом основания. Толщина
прокладки ориентировочно может быть определена из зависимости
6
0.5Z/z
II
где 6 — толщина прокладки, см; I — расстояние между опорами ног нижнего
основания вышки, см; h — расстояние, измеряемое от оси отвеса до точки
пересечения шнуров, см; Н — высота вышки до подкронблочной площадки, см.
На предприятиях, где приходится часто собирать и разбирать вышки,
подъемник для их монтажа собирают на специальных санях. В собранном
виде подъемник можно транспортировать с одной площадки на другую, что
значительно сокращает общую длительность монтажа вышки. Для монтажа
вышек башенного типа высотой 53 м применяют более мощный подъемник
ПВ-45 грузоподъемностью 45 т с полезной высотой подъема 4,7 м, позволя-
ющий собирать вышку с большими габаритами по нижней ее секции (до 10 м).
Техническая характеристика подъемников для монтажа башенных вышек
«сверху вниз» приведена в табл. 13.2.
При монтаже вышек методом горизонтальной сборки с последующим
подъемом по способу А. П. Духнина вышку собирают последовательно секци-
ями в горизонтальном положении.
Вначале собирают полностью нижнее полотно, наращивая его в направле-
нии верхних секций.
Затем предварительно собирают элементы секций вышки, располагая
их в сложенном виде па нижнем полотне по схеме, приведенной на рис. 13.7.
Техническая характеристика подъемников
Таблица 13.2
Параметры Марка подъемника
ПВК-1 ПВУ-35 ПВ2-45 ПВЗ-35
Максимальные размеры основания собираемой вышки, м Максимальная высота подъема (высота секции вышки), м 8X8 8X8 10X10 10X10
4,3 4,3 4,7 6,5
Грузоподъемность, т 24 35 45 65
Скорость подъема, м/мин 1,0 1,0 1,0 1,0
Максимальное тяговое усилие на барабане лебедки, Г т 1,25 1,80 1,70 1,90
Диаметр тягового каната, мм 15,5 16,0 15,5 16,0
Привод лебедки Электродвигатель мощностью 10 кВт
Габаритные размеры подъемника, мм: длина 9600 9300 11150 И 350
ширина 9280 8600 10 600 И 350
высота 6500 5755 6 140 8140
Масса подъемника, т 10,0 10,14 17,0 18,7
Рис. 13.7. Схема сборки вышки по способу Духнина:
1 — направляющий ролик; 2 — монтажная стрела; 3 — монтажный штроп; 4 — штроп; 5 — монтаж-
ная оттяжка; 6 — прокладка па подтоварника (доска); 7 — стержень ноги верхнего полотна; 8 — доска;
9 — соединительный хомут; 10 — боковой стержень пояса; 11 — нижнее полотно вышки; 12 — тяга верх-
него полотна
310
7
Рис. 13.8. Схема подъема 41-м вышки по способу Духнина.
1 — оттяжка длиной 100 м; 2 — штроп длиной 30 м; з — подъемная стрела; 4 — штроп длиной 55 м;
<5 — вспомогательная стрела; 6 — шарнир; 7 — талевый трехроликовый блок; S — оттяжка длиной 40 м;
9 — талевый канат длиной 320 м
При этом элементы поясов боковых секций соединяют с хомутами ног только
одним болтом, что позволяет этим элементам вращаться при подъеме каждой
секции из положения 7 в положения 77 и 777.
Сборку вышки начинают с верхней 10-й секции. Затем при помощи двух
стропов 5, идущих вдоль боковых секций и пропущенных через ролик 7 и
седлообразные концы двух монтажных стрел 2, собирают последующие секции.
Для страховки секции используется оттяжка 5. При подъеме каждой секции
концы стержней ног вводят внутрь полукольцевых хомутов и соединяют
болтами. Диагональные тяги 12 верхней грани поднимают вместе с секцией.
Подъем собранной вышки в вертикальное положение (рис. 13.8) произво-
дится с помощью специальной А-образной подъемной стрелы 3, закрепленной
в плоскости нижнего основания вышки.
Собранную вышку при помощи этой стрелы и тягового трактора выводят
в вертикальное положение. При этом вторым трактором, на котором закреп-
ляется оттяжка 7, идущая от подкронблочной площадки, задерживают вышку,
когда центр тяжести переходит ее вертикальную ось. Это обеспечивает плав-
ную посадку вышки на основание.
При монтаже вышек методом горизонтальной сборки с подъемом по спо-
собу Г. Н. Бержеца (рис. 13.9) вышку собирают на земле в горизонтальном
положении и поднимают при помощи шарнирной стрелы, смонтированной
на земле, и лебедки буровой установки.
Сборка вышек в горизонтальном положении несколько облегчает работу
монтажной бригады. Работы ведутся на небольшой высоте. Однако примене-
ние методов Духнина и Бержеца требует специальной оснастки, грузоподъем-
ных кранов, а главное — ровных монтажных площадок с площадью, значи-
тельно большей, чем при монтаже вышек при помощи подъемника Кершен-
баума. Поэтому сборка вышек в горизонтальном положении не нашла
широкого применения.
.311
Рис. 13.9. Подъем вышки по способу Г. Н. Бержеца:
л схема подъема головной части грани задних ворот; б — схема подъема задней грани вышки до нормаль-
ного положения; в — подъем головной части вышки для сборки вспомогательных узлов
312
МОНТАЖ А-ОБРАЗНЫХ ВЫШЕК
А-образная вышка (рис. 13.10) состоит из двух трехгранных мачт, соста-
вленных из цельносварных секций длиной 10—11,5 м, имеет площадку верхо-
вого рабочего, магазины для укладки свечей из бурильных труб и подкосы
к мачтам. А-образные вышки по сравнению с вышками башенного типа зна-
чительно легче и удобнее при транспортировке и монтаже.
Сборку вышки проводят на земле. Цельносварные секции согласно завод-
ской маркировке укладывают с помощью автокрана симметрично вертикаль-
ной оси вышки, которая должна быть продолжением оси основания. Затем
секции при помощи специального зажимного устройства (рис. 13.11) стяги-
вают, образуя жесткую систему из двух мачт. Мачты соединяют наголовником
с подкронблочными балками, над которыми устанавливают подкронблочную
площадку.
Вдоль мачт монтируют лестницы с площадками. Шарнирным соединением
к мачтам прикрепляют подкосы и увязывают оттяжки. Нижние основания
мачт при помощи специальных пальцев шарнирно соединяют в проушинах
на основании буровой установки. После сборки вышки проверяют симметрич-
ность ее осей и надежность крепления всех узлов.
Принципиально схемы подъема мачтовых вышек различных типоразмеров
аналогичны и незначительно различаются лишь конструктивными особенно-
стями механизмов подъема и способами их крепления.
Рис. 13.10. Вышка ВЛС-42
Рис. 13.11. Зажимиос устрой-
ство, стягивающее секции
мачт вышки
313
Так, для подъема вышки БУ-80Бр применяют монтажную стрелу решет-
чатой конструкции (рис. 13.12), шарнирно закрепленную на специальном
лежне. Для этого перед основанием установки роют приямок, куда укладывают
лежень, представляющий собой два деревянных бруса, уложенных на дне
вдоль приямка, на которых болтами собраны поперечные брусья. В поперечных
брусьях предусмотрены места для укладки опорных цапф монтажной
стрелы. Горизонтальность укладки лежня в приямке проверяют по
уровню.
Затем подтягивают монтажную стрелу, оснащенную талевой системой,
надежно закрепляют нижний конец ее в лежне, закрепив его специальными
упорами в основание буровой установки. Верхний блок талевой системы
монтируют в голове стрелы, а нижний крепят на основании буровой уста-
новки.
Талевую систему оснащают стальным тросом, при этом неподвижный
конец ее закрепляют на кронблоке, а ходовой конец — на барабане лебедки
буровой установки. После проверки правильности монтажа стрелы и пере-
мещения ее без заеданий и перекосов производят увязку вышки с наголовни-
ком стрелы. При этом концы канатов увязки мачт вышки должны быть строго
равны, в противном случае при подъеме может нарушиться соосность вышки
с основанием, что вызовет аварию. На рис. 13.13 показана схема оснастки
и подъема вышки буровой установки БУ-80Бр.
Для проверки правильности оснастки всей системы включают лебедку
буровой установки; вышку поднимают на 1,5 — 2 м и выдерживают в таком
состоянии 5—10 мин на тормозе лебедки. Затем ее опускают на выкладки
и монтируют площадку верхового рабочего. Далее, прикрепив две оттяжки
вышки, идущие от подкронблочной площадки к двум тракторам, установлен-
ным с противоположной стороны от ходового конца, идущего на лебедку,
начинают подъем вышки.
Подъем производят на минимальной скорости лебедки буровой уста-
новки, при этом необходимо постоянно контролировать равномерность нагрузки
канатов талевой системы, канатов увязки вышки и движение нижнего конца
подкосов вышки по направляющим на основании установки. Подкосы должны
перемещаться плавно, без рывков и толчков, также плавно должна подни-
маться вышка.
По мере подъема вышки страхующие тракторы перемещают в сторону
основания, чтобы закрепленные на них оттяжки имели во время подъема неко-
торую слабину. Когда нижние концы подкосов войдут в башмаки на основании,
их стопорят пальцами и фиксируют чекой. Затем при помощи винтовых дом-
кратов вышку центрируют и закрепляют растяжками.
Отличие монтажа вышек В АС-42 и В АС-53 заключается в том, что для их
подъема применяют стрелу МПВА (рис. 13.14) трубчатой конструкции, кото-
рую монтируют на металлическом основании бурового блока.
Недостатками расчлененного монтажа буровых установок являются
большая длительность, трудоемкость и высокая стоимость монтажных работ,
значительный износ отдельных объектов буровой установки как следствие
неоднократного монтажа — демонтажа и погрузки — разгрузки, длительное
и нерациональное использование транспортных средств для перевозки отдель-
ных агрегатов, потери материалов при переходе на новую точку бурения.
Эти недостатки и определили рациональность перехода к мелкоблочному,
а затем крупноблочному (индустриальному) методам монтажа.
314
-гвоо------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
А-А
(условно повели угла)
Рис. 13.12. Монтажная стрела для подъема А-образной вышки БУ-80Бр
Рис. 13.13. Оснастка и подъем вышки БУ-80Бр
31G
Рис. 13.14. Стрела МПВА (а) и трехшкивный блок механизма (б)
§ 3. МЕЛКОБЛОЧНЫЙ МОНТАЖ БУРОВЫХ УСТАНОВОК
При этом методе монтажа отдельные объекты и привыгпечные сооружения
буровой установки объединяют в группы и крепят на специальных основаниях:
в результате вся буровая установка представляет собой отдельные блоки,
соединяемые на площадке будущей буровой.
Основания предназначаются для монтажа на них отдельных агрегатов,
коммуникаций и укрытий буровой установки, а также для транспортировки
закрепленного на них оборудования с одной точки бурения на другую.
Как правило, основание представляет собой пространственную металли-
ческую конструкцию из отдельных ферм, на каждой из которых смонтирован
агрегат, составляющий вместе с фермой мелкий блок. Размеры блока позволяют
транспортировать их волоком тракторами или на специальных транспортных
средствах по существующим дорогам.
Установку оборудования на металлическое основание-сани, изготовленное
из отработанных труб или профильного проката, производят кранами на вышко-
монтажной базе.
317
Рис. 13.15. Агрегатный блок:
1 — сапи-осиование; 2 — редуктор с электродвигателями; з —
лебедка; 4 — ротор; 5 — шахта; 6 — шахтная труба; 7 — брусья
По сравнению с рас-
члененным (индивидуаль-
ным) методом мелкоблоч-
ный монтаж характери-
зуется меньшей трудоем-
костью и длительностью,
более низкой себестоимо-
стью и меньшим износом.
Мелкоблочный монтаж
привел к слиянию строи-
тельных и монтажных
работ и появлению ком-
плексных бригад монтаж-
ников. Появилась возмож-
ность овладения работни-
ками вторыми и третьими
профессиями, резко умень-
шились простои, повысилась производительность труда и уменьшилась
длительность монтажа.
Мелкоблочный метод монтажа широко применяют в разведочном бурении,
а также и в эксплуатационном бурении в тех случаях, когда невозможно исполь-
зовать крупноблочный монтаж.
Число блоков, на которых монтируется все оборудование буровой уста-
новки, и их конструктивные особенности зависят от географических и клима-
тических условий, а также от степени освоения месторождения.
Наиболее известными схемами мелкоблочного метода монтажа являются
схемы объединений «Грознефть» (12 блоков), «Азнефть» (11 блоков), «Дагнефть»
(6 блоков), «Краснодарнефть» (16 блоков), «Пермнефть» (12 блоков).
В табл. 13.3 приведен перечень блоков, входящих в комплект буровой
установки по перечисленным схемам.
В конструкции мелкоблочных оснований объединения «Грознефть» первый
блок, длина которого 9,5 м, включает буровую вышку, стояк и тале-
вую систему.
Второй блок — агрегатный (рис. 13.15), состоит из ротора 4, буровой
лебедки 3, двухмоторного редуктора 2 и саней 1, на которых установлен метал-
лический каркас, обшитый щитами из досок. Масса агрегатного блока 27—28 т,
длина 10,5 м, ширина 6,83 м. Третий блок состоит из двух саней-подсвечников
(рис. 13.16), поверх которых настлан пол буровой и уложены площадки-под-
свечники. Масса блока 4—7 т (в зависимости от высоты), длина 7,5 м, ширина
2,4 м. Блок индивидуального привода к ротору представляет собой сани-
основание с установленными на них коробкой скоростей ПИР, электродви-
гателем и укрытием. Масса блока 9,4 т, длина 5,1 м, ширина 3,4 м. Одним
из основных является блок бурового насоса с электродвигателем (рис. 13.17),
представляющий собой сани-основание с установленными на них укрытием
и оборудованием. Комплект двух блоков — это насосная установка буровой.
Масса каждого блока 22 т, длина 8,5 м, ширина 3,85 м. Конструкция осталь-
ных блоков аналогична описанным.
Процесс мелкоблочного строительства и монтажа буровых сводится к ком-
плексу подготовительных (прокладка коммуникаций — дорог, электролиний,
планировка монтажной площадки, устройство фундаментов под сани, транс-
портировка смонтированных блоков, механизмов и установка их на площадке)
318
Схемы мелкоблочного монтажа по объединениям
Таблица 13.3
«Грознефть» «Азнсфть» «Дагнефть» «Красппдарнефть» «Пермнефть»
1. Санп-основанпе под 1. Рамные салазки 1. Металлические сани 1. Сборно-разборное 1. Основание под
буровую вышку под буровую вышку под буровую вышку основание под вышку, лебедку и ротор вышку и буровое обо- рудование
2. Агрегатный блок 2. Основание под ро- 2. Агрегатный блок- 2. Основание под двух- 2. Блок-санп прием-
(лебедка, редуктор и ро- тор) тор сани с редукторным са- раем и находящимися в нем лебедкой, редук- тором, ротором и элект- родвигателями (трех) дизельный привод ных мостков
3. Сани-подсвечники для бурильных труб 3. Основание под ле- бедку и редуктор 3. Электросиловой блок 3. Блок-приемные мостки 3. Основание для ди- зельного агрегата, комп- рессоров, воздухосбор- ника, электропривода 4. Основание с двумя дизельными агрегатами и электростанцией
4. Блок ПНР с элект- родвигателями 4. Основание подсвеч- ника для установки труб 4. Насосный блок 4. Блок-сани под же- лобную систему
5. Приемный секцион- ный мост 5. Мостки 5. Блок циркуляцион- ной системы 5. Блок глиномешалки с емкостями и центро- бежным насосом 5. Основание с дизель- ными агрегатами и теп- ловым отстойником
С0 со 6. Блок буровых на- сосов (с электродвига- телем) 7. Блок глпномешалкп с электродвигателем 8. Блок приемных чанов 9. Блок запасных чанов 10. Блок циркуляци- онной системы 11. Блок понизитель- ной п трансформаторной подстанции 12. Блок-киоск стан- ций управления 6. Передвижной агре- гатный сарай 7. Основание под ПИР 8. Передвижной сарай для насосов с электро- двигателями 9. Основание под два чана 10. Желобная система И. Глиномешалка с электрооборудованием 6. Приемный мост 6. Блок емкостей хи- мических реагентов 7. Блок очистных уст- ройств 8. Блок емкостей для воды и ГСМ 9—11. Блок-сани бу- ровых насосов с элект- родвигателями 12—13. Блок емкости для хранения глини- стого раствора 14. Блок-сани элект- ростанции 15. Блок-сани РВНО-6 16. Блок заливных емкостей 6. Основание с дизель- ными агрегатами при- вода бурового насоса 7. Основание с буро- вым насосом 8. То же 9. Основание с при- емной емкостью 10. Основание с при- емной емкостью 11. Основание с меха- низмами очистки про- мывочной жидкости 12. Основание с гли- номешалкой
6500
— 7500----------------->-
Рис. 13.16. Сани-подсвечники
и монтажных работ (соединение блоков между собой, устройство шахтового'
направления, работы электромонтажные и по обвязке трубопроводов).
Блоки устанавливают в определенной последовательности.
Блок сани-основание под буровую вышку затаскивают при помощи трак-
торов на фундамент и прикрепляют к якорям. Затем затаскивают и устанавли-
вают блок из саней-подсвечников и между ними агрегатный блок, после чего
проводят работы по установке и бетонированию шахтового направления.
Затем монтируют блок передвижного приемного моста, который подтаскивают
и устанавливают со стороны запроектированного входа. Блок ПИР монтируют
с правой стороны буровой, а блок станции управления — сзади агрегатного
блока.
Насосные блоки устанавливают на специально отведенной для них пло-
щадке, а блоки глиномешалки, приемных емкостей, циркуляционной системы,
понизительной трансформаторной подстанций — в зависимости от конкретных
условий расположения монтажной площадки.
На рис. 13.18 показана схема расположения бурового оборудования
на основаниях конструкции объединения «Азнефть».
Основания объединения «Пермнефть» (рис. 13.19) предназначены для
монтажа буровой установки Уралмаш-5Д. Каждое основание представляет
собой металлические сани, на которых смонтированы каркас с укрытием и
балки под соответствующие агрегаты буровой установки, в сочетании с кото-
рыми оно составляет блок.
Отличительная особенность этих оснований — аналогичность конструк-
тивных элементов, а также возможность их транспортировки волоком в собран-
ном виде либо в разобранном виде на универсальном транспорте.
Разработка схем мелкоблочного монтажа буровых установок проводилась
на различных нефтяных месторождениях в зависимости от местных условий:
Рис. 13.17. Блок насоса с электродвигателем:
1 — сани; 2 — насос; 3 — электродвигатель; 4 — брусья; 5 — окна
32в
Рис. 13.18. Рациональная схема расположения бурового оборудования на основаниях
конструкции объединения «Азнефть»
j и 2 — площадки для хранения реагентов и блок глиномешалки; з — приемные чаны к насосам; 4 — ком-
пенсаторы к насосам; 5 — блок насосной установки; 6 — трансформаторный блок и блок пускового устрой-
ства; 7 — блок циркуляционной системы; 8 — подсвечник; 9 — агрегатный сарай; 10 — станции управле-
ния к электродвигателям; 11, 12, 13 — агрегатный блок; 14 — буровая вышка высотой 41 м на салазках;
13 — блок ПИР с сараем; 16 — стояк-компенсатор; 17 — блок мостков; 18 — блоки запасных емкостей
парка используемого оборудования, наличия дорог и транспортных средств
и технологических требований, обусловленных особенностями данного место-
рождения. Тем не менее, по мере освоения мелкоблочного монтажа буровых
установок наметилась тенденция к укрупнению блоков и сокращению их
числа.
Так, комплект оснований буровой установки Уралмаш-125 БД (рис. 13.20)
состоит из следующих блоков: I — приемные мостки со стеллажами; II —
подсвечники; III — вышечный; IV — лебедочный; V — силовой; VI — насос-
ный; VII — сборно-разборные каркасы укрытий.
Несмотря на несомненную прогрессивность блочного монтажа бурового
оборудования по сравнению с расчлененным (индивидуальным), блочный
монтаж имеет недостатки — относительно большое число блоков и значитель-
ный объем работ для их установки. Кроме того, для транспортировки входящих
в комплект буровой установки 10—16 блоков, перемещаемых волоком, требуется
значительное число тракторов.
В Советском Союзе разработаны буровые установки, приспособленные
к перевозке мелкими блоками на вертолетах. Число и габаритные размеры
блоков обусловливаются грузоподъемностью вертолета.
21 Заказ 7 63
.421
!2 13
Рис. 13.19. Основания конструкции объеди-
нения «Пермнефть».
а — общая схема расположения блоков: I — для
установки дизельного агрегата с реверсивным
устройством, компрессора с приводом от трансмис-
сии, компрессора с электроприводом, воздухосбор-
ника и электрощита; II — с двухшкивным и одно-
шкивным дизельными агрегатами и электростан-
цией; III (промежуточного) — с дизсль-генерато-
ром, тепловым отстойником и другим мелким обо-
рудованием; IV — с двухшкивным и одношкивным
дизельными агрегатами привода бурового насоса;
V — с буровым насосом; VI — с приемной емкостью;
VII —с буровым насосом; VIII — со второй прием-
ной емкостью; 1 — прицеп блока; 2, ю, 11, 12 —
кронштейны циркуляции; з и 9 — рельсы крапбал-
кя; 4 — кронштейн рельса; 5 — стойка; 6 — крон-
штейн ресивера; 7 — кронштейн угловой; 8 —
подкладка; 13 — блок очистки; 14 — блок глино-
мешалки; 15 — ротор; 16 — вышка; 17 — приемные
мостки; б — основание под вышку и лебедку
Установлено, что с помощью небольших изменений конструкции буро-
вых установок можно отказаться от применения массивных кранов в процессе
монтажа установки. При этом вариант конструкции буровой установки, пред-
полагающий применение вертолета, должен обеспечивать удобный и безопасный
ее монтаж. Для этого в конструкцию буровой установки вводят карданно-цеп-
ные передачи, облегчающие достижение соосности отдельных узлов и блоков;
322
Рис. 13.20. Буровая установка Уралмаш-125БД.
а — вид сбоку; б — вид сверху
21*
323
винтовые домкраты, обеспечивающие удобную и надежную центровку буровой
вышки и т. д.
Для перевозки вертолетами установку БУ-75 БрМ расчленяют на мелкие
блоки, а подъемный механизм — на три блока: собственно лебедку в одноваль-
ном исполнении массой 8 т, коробку передач массой 6,2 т и вспомогательную
лебедку массой 1 т.
Соединение лебедки и коробки передач осуществляется карданно-цепной
передачей, обеспечивающей нормальную работу без соблюдения строгой парал-
лельности соединяемых валов.
Размеры центрального блока уменьшены и масса его снижена до 6,9 т
за счет того, что силовой привод установки не имеет общей рамы под агрегаты
и смонтирован непосредственно на основании. Масса левого и правого блоков
оснований снижена до 3,4 т каждого, что позволяет транспортировать их
вместе. Масса вышки установки БУ-75БрМ на 3 т меньше, чем в установке
БУ-75Бр. Проведенные изменения конструкции позволяют расчленять уста-
новку БУ-75 БрМ более чем на 23 мелких блока массой до 8 т каждый. Блоки
установки перевозят как внутри вертолета, так и на внешней подвеске. Пере-
базирование буровой установки занимает не более 70 летных часов, включая
полеты без груза.
Исходя из этого, в конструкции установки БУ-80БрД компоновка блоков
позволяет транспортировать ее мелкими блоками вертолетом и автомобильно-
тракторной тягой.
§ 4. КРУПНОБЛОЧНЫЙ МОНТАЖ БУРОВЫХ УСТАНОВОК
При мелкоблочном методе монтажа буровую установку расчленяют на боль-
шое число блоков, что удлиняет этап строительства и перебазировки буровых
установок.
Крупноблочным (индустриальным) монтажом называется монтаж бурового
оборудования и привышечных сооружений на транспортабельных крупных
блоках с использованием для их передвижения специальных тяжеловозов,
а для механизации монтажа — передвижных подъемных кранов; при этом
предусматривается также широкое применение строительно-монтажных меха-
низмов для механизации земляных и строительных работ.
Крупный блок — это передвижное сооружение, в состав которого входит
определенная группа агрегатов буровой установки с укрытиями и коммуни-
кациями, смонтированными на массивном металлическом основании в общую
технологическую схему. Габаритные размеры крупных блоков колеблются
в пределах 8—15 м, а масса достигает 130 т.
Крупноблочный метод монтажа предусматривает:
1) изготовление крупноблочных оснований и транспортных средств в за-
водских условиях;
2) изготовление крупных блоков — монтаж агрегатов и укрытий на осно-
ваниях;
3) транспортировку крупных блоков к месту монтажа буровой установки;
4) крупноблочный монтаж буровой установки на точке бурения.
Буровую установку расчленяют на два-три крупных блока массой 60—
130 т, перевозимых на тяжеловозах. При перевозке блоков все коммуникации
и кинематические связи, а также укрытия на каждом блоке не нарушаются.
Монтаж буровой сводится к установке крупных блоков на фундаменты и соеди-
нению коммуникаций между ними.
324
Поскольку нет единой системы унифицированных крупных блоков, в насто-
ящее время применяют различные схемы расположения оборудования и кон-
струкции оснований в зависимости от типа буровой установки. Так, комплект
оснований крупных блоков конструкции Гипронефтемаша состоит из основа-
ний вышечного, силового и насосного блоков (рис. 13.21).
Основание вышечного блока (рис. 13.21, а) служит для расположения
вышки и приемного моста. Для крепления ног вышки предусмотрены стойки 1
и 2. Несущие балки 3 являются главными опорами для тяжеловозов, а шар 4
служит третьей опорой при перевозке блока.
Соответствующими опорами основания силового блока (рис. 13.21, б)
служат несущие балки 1 и шар 2. На этом основании монтируют лебедку,
ротор, редуктор с двумя электродвигателями, две пусковые магнитные станции,
компрессорную станцию и ключ АКБ-3.
На насосном основании (рис. 13.21, в) монтируют два буровых насоса
с электродвигателями, ящики РВНО (или ЯЖНУ) и обвязку нагнетательной
и всасывающей линий.
Ири перевозке основание опирается на тяжеловозы несущими балками 1
и шаром 2 на лыжу. В табл. 13.4 приведена техническая характеристика
оснований крупных блоков конструкции б. Гипронефтемаша (ВНИИНефтемаш).
Таблица 13.4
Техническая характеристика оснований крупных блоков
Основания блоков Габаритные размеры, мм Масса, кг
длина ширина высота основания блока
Вышечного 22 335 13 540 1600 19 932 76 000
Силового 13 850 12 070 1900 15 203 65 000
Насоспого 12 000 12 940 5000 13 633 73 000
Вышечный блок (рис. 13.22) включает металлическое основание с приемными
мостками, полностью оснащенный фонарь вышки (талевая система, стояк, верт-
люг, квадратная штанга, спуско-подъемный инструмент) и укрытия; в процессе
транспортировки для придания устойчивости блоку талевый блок с крюком
укладывают на полу буровой, а ротор и спуско-подъемный инструмент — на
приемных мостках.
Вышечный блок транспортируется при помощи двух тяжеловозов (ТК-40) 1,
подведенных под его основание, одной направляющей лыжи 2 и нескольких
тракторов 3 (рис. 13.23).
Силовой блок включает металлическую пространственную ферму-основа-
ние, буровую лебедку 1, редуктор 2, двигатели с пусковыми устройствами,
подсвечники и укрытия 3 (рис. 13.24). Этот блок транспортируется также
при помощи двух тяжеловозов ТК-40, направляющей лыжи и тракторов
(рис. 13.25).
Аналогично транспортируют и насосный блок.
По прибытии всех блоков па монтажную площадку производят их уста-
новку. В течение 2—4 дней буровая установка может быть снята, перевезена
и установлена на новой точке.
325
2
326
Рис. 13.22. Вышечный блок в транспортном положении
Рис. 13.23. Схема соединения тракторов при перевозке вишенного блока:
j — тяжеловоз ТК-40; 2 — лыжа; 3 — гусеничные тракторы; 4 — вышечный блок
В настоящее время широко применяют комбинированные сборно-разбор-
ные основания крупных блоков. Эти основания отличаются от оснований кон-
струкции б. Гипронефтемаша тем, что они выполнены не цельносварными,
а сборно-разборными, собираемыми из составных частей с помощью фланцевых
соединений. Это позволяет перевозить крупные блоки в собранном виде на
тяжеловозах, а в разобранном виде на универсальном транспорте.
На этих основаниях монтируют буровые установки Уралмаш-ЗД, Урал-
маш-43, Уралмаш-5Д, Уралмаш-бЭ, Уралмаш-125БД и Уралмаш-125БЭ.
В комплект входят основания бурового, силового и насосного блоков
(рис. 13.26).
Значительное повышение монтажеспособности и транспортабельности до-
стигнуто в конструкции буровых установок Бу-80БрД и БУ-80БрЭ, которые
можно транспортировать двумя крупными блоками: вышечно-лебедочным
и насосно-приводным (рис. 13.27).
Таким образом, базой современной буровой установки являются сборно-
разборные основания с минимальным числом неделимых элементов и крепежных
деталей.
При таком конструктивном решении возможна следующая наиболее целе-
сообразная организация строительства, монтаж и эксплуатация буровых уста-
новок.
327
Основания изготовляют на заводах машиностроительных или металло-
конструкций в наиболее благоприятных организационных и технологических
условиях и доставляют универсальным транспортом на вышкомонтажные базы,
размещенные в районах нефтегазовых месторождений.
В заводских условиях основания изготовляют из профильного проката —
в основном из швеллерной и двутавровой стали. На вышкомонтажных базах
для изготовления оснований часто используют отработанные бурильные и от-
бракованные обсадные трубы. На базах собирают основания и оборудование
в крупные блоки, причем предусматривается возможность деления их на более
мелкие блоки, если это потребуется в связи с природными и климатическими
условиями. Отсюда начинается нормальная техническая эксплуатация крупно-
блочной буровой установки — транспорт крупных блоков к местам бурения
скважин с помощью специальных транспортных средств, монтаж блоков,
выполнение буровых работ, демонтаж и переброска установок на новые точки
бурения.
328
Рис. 13.26. Комбинированные
сборно-разборные основания круп-
ных блоков:
а — основание бурового блока; б —
основание силового блока; в — основа-
ние насосного блока
Все металлоконструкции буровой установки перед переброской на новую
точку бурения должны быть проверены и отремонтированы, так как при пере-
движении могут возникнуть очень большие нагрузки на них.
Все ремонтные работы выполняются персоналом передвижных ремонтных
мастерских с привлечением членов буровой бригады.
Перед выполнением- подготовительных работ к перебазированию буровую
установку отключают от питания электроэнергией.
Элементы талевой системы, трубопроводы, трапы, лестницы укладывают
в транспортное положение на блоках. Затем под транспортные опоры крупных
блоков подводят тяжеловозы и тележку или лыжи. Подсоединяют необходимое
по расчету число тракторов (в нормальных условиях для вышечного блока
3—5 тракторов), включают пневмогидравлические системы, блоки поднимают
329
Рис. 13.27. Буровая установка БУ-80БрД в транспортном положении:
а — вышечно-лебедочный блок; б — насосно-приводной блок
8000
2000
^-4000-
Рис. 13.28. Расположение фундаментов
буровой установки Уралмаш-5Д под комби-
нированные основания блоков (случай
установки башенной вышки):
Г— буровой блок; II — силовой блок; 111 —
насосный блок
и стаскивают с фундаментов. Требуется особая осторожность при стаскивании
вышечного блока, чтобы исключить любую возможность повреждения арма-
туры скважины. Затем весь поезд переводят в транспортное положение —
домкраты тяжеловозов опускают (теперь сила тяжести груза действует непо-
средственно на низ рамы), подаются команды и начинается марш.
Освободившиеся фундаменты, если они изготовлены из нормализованных
железобетонных блоков, демонтируют и используют на других точках бурения.
Привезенные на новую точку бурения блоки затаскивают на заранее под-
готовленные фундаменты.
Примеры расположения фундаментов под крупноблочную буровую уста-
новку представлены на рис. 13.28. Сначала устанавливают вышечный блок,
затем силовой и насосный. После установки на фундаменты вышечного блока
крепят к якорям и регулируют растяжки вышки. Устанавливают на фунда-
менты все вспомогательное оборудование (элементы циркуляционной системы,
котельно-отопительный агрегат и др.). Остается только подсоединить все системы
коммуникаций — электроэнергию, пар, воду, всасывающий и нагнетательный
трубопроводы буровых насосов, сжатый воздух, системы связи и управления,
а также установить трапы и лестницы, и буровая установка будет готова
к работе.
При крупноблочном монтаже основные затраты труда приходятся на мон-
таж-демонтаж разъемных соединений.
Различные конструкции быстроразъемных соединений трубопроводов раз-
ного назначения представлены на рис. 13.29. Шарнирные соединения допу-
скают изгиб трубопроводов без нарушения плотности, что очень важно при
стыковке различных коммуникаций блоков, так как при монтаже таких кон-
струкций возможны и допустимы значительные отклонения. Хомуты (рис. 13.29,а)
шарнирные или на болтах с обеих сторон применяют также для соединения
трубчатых звеньев А-образных буровых вышек.
331
Рис. 13.29. Быстроразъемные соединения, применяемые прп монтаже коммуникации буро -
вых установок:
а — плоское дли труп диаметром 100, 125 и 150 мм; б -- сферическое для труб диаметром Н'О, 125, 1 50 мм;
« — сферичсчччю для труб диаметром 25, 50 и 100 маг, г - плоское.тая труб ди-кмггром 5.П и 101) мм
При крупноблочном монтаже буровых установок применяют специальные
транспортные средства — тяжеловозы, тракторные тележки, сани, лыжи и
в некоторых случаях мощные трейлеры.
Чаще всего для перевозки крупных блоков используют комплект подъемно-
транспортных средств, состоящий из двух тяжеловозов ТК-40 и направляющей
лыжи, которые в сочетании с тянущими и страхующими тракторами обеспе-
чивают снятие крупного блока с фундамента, перевозку его на новое место
и установку там на фундамент.
Большой интерес для тяжелых условий Западной Сибири представляет
перспективный метод транспортировки буровой установки на воздушной по-
душке, предложенный работниками треста «Сургутнефть».
Буровую установку типа Бу-75 или Бу-80 монтируют на металлической
платформе (площадью около 500 м2), изготовленной из листовой стали, под
которой расположена эластичная оболочка из капроновой ткани с системой
отверстий для выхода воздуха. Воздушная подушка образуется потоком
воздуха, нагнетаемого в оболочку вентилятором ВДН-20, установленным
на платформе. В результате резко снижается давление на грунт (до 0, 03 кг/см2),
а наличие воздушной прослойки между оболочкой и грунтом практически
ликвидирует силу трения платформы об опорную поверхность, что позволяет
буксировать буровую установку одним-двумя тракторами, а там, где они
не проходят — даже лебедкой, так как необходимое тяговое усилие не
превышает 5 т.
Крупноблочный монтаж стал основным методом монтажа. Время пере-
броски и монтажа буровой установки сократилось до 3—4 дней.
На эффективность применения крупноблочного метода влияют факторы:
объем буровых работ, густота сетки разбуривания месторождения, рельеф
местности и климатические условия, наличие и характер коммуника-
ций и др.
Наибольшую эффективность дает применение крупноблочного метода
на месторождениях, расположенных на открытых непересеченных местностях
с густой сеткой разбуривания, т. е. главным образом в эксплуатационном
бурении.
В связи с многообразными условиями, в которых приходится монтировать
буровое оборудование, целесообразно пользоваться различными методами
монтажа.
.332
Так, уже много лет существует конструкция моноблока, т. е. совмещении
в одном передвижном блоке всей буровой установки; подобные установки
(передвижные и полупередвижные) используют для неглубокого бурения.
Крупноблочный метод монтажа не может быть использован в пересеченной
и горной местности, при перевозке оборудования на большие расстояния через
топи, болота и широкие реки, из-за необходимости больших затрат времени,
средств и труда на подготовку трасс и перевозку крупных блоков. В подобных
условиях более рационален блочный, а иногда даже расчлененный метод мон-
тажа.
§ 5. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОИТЕЛЬСТВЕ
БУРОВЫХ УСТАНОВОК НА МОРЕ
В настоящее время интенсивно развивается бурение на нефть и газ на мате-
риковой отмели морей. Добыча нефти на морских месторождениях составляет
около 18% мировой добычи. Приблизительно 70 стран ведут бурение на нефть
и газ в море, охватив почти все континентальные шельфы земного шара. Наибо-
лее интенсивно бурение ведется на Каспийском море, в Мексиканском заливе
и Карибском море. Добыча нефти и газа на море благодаря своей специфике
развивается в особую отрасль нефтегазодобывающей промышленности.
Несмотря на интенсивное развитие техники морского бурения, в конструк-
ции самой буровой установки произошло мало изменений. Коренным измене-
ниям подверглись главным образом конструкции оснований буровых устано-
вок и методы их монтажа, которые определяются глубиной моря и погодными
условиями в районе бурения. Исходя из этого, существующие основания уста-
новок для морского бурения можно разделить на три категории: 1) стаци-
онарные; 2) полустационарные; 3) передвижные.
Стационарные основания и эстакады применяют, когда бурение ведется
в данном месте в течение длительного времени, т. е. при проводке разведочной
или куста эксплуатационных скважин.
Стационарные морские буровые основания (платформы) представляют
собой неподвижные, высоко поднятые над водой площадки, которые установлены
на опорах, закрепленных в дне
моря. В зависимости от комплект-
ности оборудования, расположен-
ного на платформе, стационарные
основания делят на автономные
и неавтономные.
На автономных (рис. 13.30, а)
смонтированы полный комплект
оборудования буровой установки
на дизельном приводе, помеще-
ния для людей, сосредоточены
запасы необходимого инструмен-
та, продовольствия, воды и ма-
териалов (бурильные трубы, арма-
тура, глина, цемент и др.).
На неавтономных основаниях
(рис. 13.30, б) монтируют только
буровую вышку с ротором, лебед-
кой и приводом, а также распо-
лагают запас труб и материалов,
Рис. 13,30. Принципиальная схема конструк-
ции стационарного морского бурового осно-
вания:
д — автономного; б — неавтономного
333
Рис. 13.31. Схемы опорных блоков островных оснований:
а — призматического; б — пирамидального; в — клиновидного; г — крепление стойки блока ко дну моря
необходимых для бурения. Все остальные элементы сосредоточены на спе-
циальном плавучем тендере, который во время бурения пришвартовывают к
основанию.
Первые в мире деревянные стационарные основания были применены
в 1924 г. на Каспийском море в районе Баку. С 1934 г. стационарные основа-
ния стали строить на стальных трубчатых сваях (свайные основания), закреп-
ляемых в морском дне с помощью цемента.
В дальнейшем морские основания стали собирать из нескольких опорных
блоков, устанавливаемых на определенном расстоянии на дно моря, и проме-
жуточных пространственных секций, соединяющих их в одно целое.
Опорный блок — это пространственная конструкция из труб, снабженная
телескопическими стойками, закрепляемыми в морском дне (рис. 13.31). Призма-
тические опорные блоки (см. рис. 13.31, а) нашли применение на глубинах
до 25 м, при глубинах более 25 м устойчивее оказались конструкции
пирамидальная и клиновидная (см. рис. 13.31, б, в).
Для крепления блока к морскому дну вначале освобождают внутренние
стойки 5 (см. рис. 13.31, г) от временного крепления к каркасу (пальцем вверху
над водой и шлицами в башмаке 4 под водой). Затем с помощью парового мо-
лота забивают их в дно до плотного грунта. После этого через внутреннюю
полость забитых внутренних стоек бурят шурф, опускают в него перфориро-
ванный анкер 3 и заливают шурф цементным раствором способом «снизу вверх»,
обеспечивая надежное соединение анкера со стойкой 5. В заключение устана-
вливают в надводной части каркаса пальцы 1, соединяющие стойки 2 и 5.
334
Рис. 13.32. Конструктивная схема морского основания для буре-
ния двух разведочных скважин глубиной до 3000 м:
1 — причально-посадочная площадка 2 — промежуточная секция; 3 —
лестница; 4 — опорный блок под буровую установку; з — пешеходный
мостик; 6 — блок под жилое помещение
Отдельные крупные блоки массой до 250 т и размерами 78 х 24 х 72 м
изготовляют на берегу. Монтаж в море осуществляют с помощью специальных
краномонтажных судов грузоподъемностью не менее 250 т. Крупноблочные
основания подобного типа, разработанные в институте Гипроморнефть, полу-
чили название островных оснований. Их сооружают на акваториях Каспий-
ского и Черного морей при глубине моря до 60 м.
В тресте «Азморнефтеразведка» разработан метод, согласно которому
строительство морского основания во времени совмещается с монтажом буро-
вого оборудования. Комплект оборудования для сверхглубокой буровой состоит
из шести блоков:
1) вышечный блок (высота 41 м, масса 25 т);
2) насосный блок (размер 8,1 X 2,5 X 3,6 м, масса 28 т);
3) блок глинохозяйства (размер 5,2 X 3,7 X 2,8 м, масса 4 т);
4) блок емкостей (размер 11 X 2,9 X 3,8 м, масса 6 т);
5) блок компрессора, аварийного двигателя и станций управления электро-
двигателями лебедки, смонтированных на раме размером 6 X 4 м, масса 10 т);
6) трансформаторный блок (размер 4 X 3 м, масса 7 т).
Размеры производственной площадки крупноблочных оснований (более
1000 м2) позволяют бурить с них до 16 вертикальных и наклонных скважин
глубиною более 5 км.
Все работы по изготовлению и сборке отдельных блоков выполняют на за-
воде. Блоки оснований, покрытые антикоррозионной изоляцией транспорти-
руют на место сооружения специальными крановыми судами и с их помощью
устанавливают на дно моря. Сборочные работы в море сведены к минимуму.
Заканчивают работу без крановых судов. Обслуживает островные основания,
как правило, специализированный морской флот. На рис. 13.32 приведена
схема островного основания.
335
Рис. 13.33. Последовательность операций при установке основания на дно методом подъема
Рис. 13.34. Последовательность операций при установке основания на дно методом «регули-
руемой плавучести»
.336
Рис. 13.35. Буровая платформа «Хильда» в рабо-
чем положении
В США морские основания, исполь-
зуемые в Мексиканском заливе, представ-
ляют собой одно- или многоэтажное соору-
жение, находящееся на металлическом кар-
касе, колоннах или на сваях.
Чаще всего основание привозят на бар-
же, поднимают с нее при помощи одного
или двух плавучих деррик-кранов, опускают
в воду и устанавливают на дно. Для мон-
тажа крупных оснований применяют три
способа. Крупные основания доставляют на
точку бурения в горизонтальном положении
на барже. Там их поднимают и опускают
в воду (рис. 13.33), затем плавающее осно-
вание поворачивают в вертикальное поло-
жение и после заполнения водой полых
ног устанавливают на дно. Если основание
имеет очень тяжелую опорную часть, его
спускают в воду подобно спуску судна
со стапеля. При отсутствии достаточно
мощного плавучего крана основание уста-
навливают способом «регулируемой плаву-
чести», согласно которому оно доставляется
на точку бурения на плаву и опускается
на дно в результате заполнения водой его
нижней части (рис. 13.34).
Представляют интерес основания, при-
меняемые на тихоокеанском побережье
США. Они состоят из квадратной металли-
ческой башни, внизу которой находятся
кессоны, обеспечивающие в порожнем со-
стоянии необходимую плавучесть при тран-
спортировке, а при заполнении балластом — необходимое сцепление с дном
моря. Основание «Хильда» (рис. 13.35), предназначенное для бурения на
глубине моря 55 м, имеет два кессона и две полые опорные колонны диа-
метром по 4,8 м. Колонны выполняют роль поплавков при буксировке осно-
вания в горизонтальном положении.
Основание высотой 52 м имеет размеры опоры 24 X 23 м; размеры произ-
водственной площадки 36,5 X 36,5 м. Сорокадвухметровая вышка располо-
жена на высоте 18 м над уровнем воды. Для балластировки колонн и кессонов
требуется более 6000 т песка и цемента. Полная масса основания достигает
более 2100 т. Устанавливают его при помощи плавучего поворотного крана.
С платформы «Хильда» обычно бурят два ряда скважин по 12 в каждом ряду.
Стационарные основания являются пока наиболее распространенным
и дешевым видом морских платформ. Их недостатки — отсутствие мобильно-
сти и ограниченная глубина применения. В связи с этим стационарные морские
основания целесообразно использовать при глубине моря до 60 м.
22 Заказ 763
337
Рис. 13.36. Металлическая эстакада (строительство очередного пролета!
] —- ригель; 2 • - свая; в — ферма пролетного строении; 4 — астака'рляй стропгслллый крчл',;. -попереч-
ная надводная снизь
Для обеспечения планомерной разработки разведанных морских нефтяных
месторождений на Каспийском море широко применяют нефтепромысловые
эстакады.
Морская эстакада предназначается для обеспечения непре-
рывной сухопутной связи между нефтедобывающими объектами. Она предста-
вляет собой мостовую конструкцию пролетом 14—20 м на плоских опорах
из двух трубчатых свай на глубинах до 15 м или на пространственных опорах
на глубинах более 15 м. Проезжая часть шириной 3,2 м располагается на высоте
7—12 м над уровнем моря. С обеих сторон эстакады сооружают площадки
для кустового бурения и другого назначения. Строительство эстакад осуще-
ствляют так называемым «пионерным» способом: на головную часть построен-
ного участка эстакады монтируют эстакадостроительный кран (рис. 13.36).
с помощью которого производят поэлементный монтаж следующего пролета,
Рис. 13.37. Крупноблочная эстакада (строительство очередного пролета)
J — краповое судно; 2 — пролет; з — опорный блок; 4 — сборная железобетонная плита настила эста-
кады; 5 — кран
338
Рис. 13.38. Схема установки самоподнима-
ющихся оснований:
а — транспортировка установки; б — наращивание
свай в плавучем состоянии; в — перевод платформы
в стабильное положение (сваи углубляются в дно,
а основание платформы поднимается над уровнем
моря)
По окончании монтажа очередного
пролета удлиняют подкрановые пути,
передвигают кран и повторяют весь цикл
работ по монтажу очередного пролета.
«Пионерный» метод обеспечил широ-
кое строительство эстакад на глуби-
нах до 25 м.
Для освоения акваторий глуби-
ной 25—44 м разработан метод крупно-
блочного строительства эстакад с по-
мощью плавучих транспортно-монтаж-
ных крановых судов грузоподъем-
ностью 100—250 т (рис. 13.37).
Полустационарные основания при-
меняют при разведочном бурении.
Эти установки легко транспортируются
с помощью буксиров. В зависимости
от конструкции различают: основания
с затопляемыми кессонами; самопод-
нимающиеся основания; полупогруж-
ные основания.
Основания с затопля-
емыми кессонами применяют
для бурения на строго определенной
глубине воды, так как имеют постоян-
ную высоту. Обычно они имеют форму
параллелепипеда и состоят из рабочей
и опорной площадок (кессонов), жестко
связанных между собой цилиндриче-
скими опорами.
При перевозке кессоны служат
поплавками, а в рабочем положении
заполняются балластами и находятся на
дне. Такие установки применяют в за-
щищенных водоемах при глубине воды
до 20 м.
Самоподнимающиеся о
снования, состоящие из пла-
вучей платформы (понтона), снабженной металлическими опорами, которые
могут передвигаться в вертикальной плоскости, широко применяют для буре-
ния в открытом море па глубинах до 90 м.
Плавучую платформу (рис. 13.38), снабженную выдвижными ногами
и оснащенную полным комплексом бурового оборудования и необходимыми
материалами, буксируют к точке бурения. По прибытии на место бурения ноги
339
4
Рис. 13.39. Схема плавучей буровой установки «Апшерон»
1 — платформа; 2 — стойка-нога; .3 — подъемный механизм (домкрат);
4 — буроиая вышка; 5 — блок-кондуктор
платформы посредством мощных домкратов опускают на дно и углубляют
в грунт. После этого с помощью тех же домкратов буровую платформу отры-
вают от воды и поднимают вдоль ног на требуемую высоту. В специальный
вырез, имеющийся в платформе под буровой вышкой, заводят и крепят ко дну
блок-кондуктор, представляющий собой одноблочную пространственную конст-
рукцию с вмонтированной в нее направляющей трубой. По окончании бурения
платформу опускают на воду, ноги выдвигают и перевозят ее на новое место
бурения. Дальнейшие работы на данной точке ведут с блок-кондуктора.
В Советском Союзе использование плавучих самоподъемных буровых
установок (ПБУ) началось в 1966 г. введением в эксплуатацию ПБУ «Апшерон»
(рис. 13.39), которая имеет четыре цилиндрические опорные колонны и может
бурить скважины глубиной до 1800 м при глубине моря до 15 м.
Другая ПБУ «Азербайджан» — для глубин моря 20 м и бурения сква-
жин глубиной до 3000 м.
ПБУ «Хазар» с четырьмя опорами длиной по 94 м предназначена для буре-
ния разведочных скважин глубиной до 6000 м на глубине моря до 60 м.
Необходимость бурения на глубинах моря 200—300 м и более привела
к созданию полупогружных оснований (рис. 13.40), которые
представляют собой высоко поднятую над поверхностью воды рабочую плат-
форму, поддерживаемую плавучими колоннами и водонепроницаемыми пон-
тонами, расположенными значительно ниже уровня моря.
340
Рис. 13.40. Общий вид полупогружной буровой платформы
Платформа удерживается в заданной точке посредством системы якорей
или специальной динамической системы с гребными винтами.
Полупогружные основания легко транспортируются и позволяют бурить,
скважины на глубине моря более 300 м при якорной системе стабилизации,
а в случае применения динамической системы стабилизации — на любой глу-
бине. Основное преимущество полупогружных оснований — их «нрозрачность»
для морских волн.
Главной частью платформы являются затопляемые понтоны, которые
разделены на отсеки и могут быть погружены в море на любую глубину при
их заполнении водой и подняты при помощи сжатого воздуха.
На рис. 13.41 показана американская полупогружная буровая платформа,
предназначенная для бурения скважин глубиной 6000 м при глубине моря
до 305 м. Стабилизацию платформы обеспечивают восемь якорей массой по 10 т
каждый. Работой якорных лебедок управляет ЭВМ, благодаря чему смещение
платформы от устья скважины не превышает 3,6 м.
К передвижным буровым установкам для морского бурения относятся
буровые суда, баржи и другие плавающие устройства.
Преимуществом буровых судов является высокая мобильность и автоном-
ность, позволяющая обследовать значительные области моря на глубинах
до 300 м.
341
Рис. 13.41. Американская полупогружная морская плавучая
буровая платформа «Blue Water II» в рабочем (полупогруженном)
положении
Недостаток буровых судов — их зависимость от штормовых и погодных
условий.
Основным требованием, которому должно отвечать буровое судно, является
высокое сопротивление продольной, бортовой и вертикальной качке, а также
дрейфу и колебаниям под действием ветра, волнения и течений.
Современные буровые суда для бурения скважин глубиной до 6000 м
имеют грузоподъемность около 3000 т.
На рис. 13.42 показаны различные типы буровых судов. Буровые суда
с креплением на точке бурения при помощи восьми якорей могут бурить на глу-
бинах моря до 180 м. Применение системы динамической стабилизации обеспе-
чивает возможность бурения на любых морских глубинах.
342
Рис. 13.42. Типы плавучих бу-
ровых установок:
а — самоходные; б — несамоход-
ные:
7 — буровая установка сбоку судна;
2 — якорная лебедка; з — рабочая
плогцадка; 4 — ротор; 5 — мостик для
труб; 6 — буровая установка в цент-
ре судна; 7 — буровая установка па
корме; 8 — якорная цепь
Рис. 13.43. Схемы расположения
устьевого оборудования:
а — па дне моря; б — на дне1 моря
с гибкой направляющей колонной;
в — на подводном основании; г — на
надводном основании
Глубина воды в месте бурения скважины — самый важный фактор, опре-
деляющий выбор схемы бурения и варианта монтажа устьевого оборудования.
На рис. 13.43 показаны варианты монтажа устьевого обрудования при
бурении скважин с плавающих судов.
ГЛАВА 14
ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ
Монтаж оборудования для добычи нефти имеет ряд особенностей.
1. Оборудование для добычи нефти в зависимости от способа эксплуата-
ции скважин имеет разнообразные формы, размеры и массу.
2. Даже при одинаковых методах добычи нефти (штанговая и бесштанго-
вая глубиннонасосная и другие) оборудование одинакового назначения раз-
личается производительностью, размерами и типами. Использование различных
установок одинакового технологического назначения определяется их произ-
водительностью и режимом эксплуатации.
3. Оборудование для добычи нефти, в отличие от бурового оборудования,
устанавливается капитально на длительный срок; поэтому вопросы легкости
и быстроты демонтажа не имеют здесь такого исключительного значения, как
в буровом оборудовании.
4. Значительная часть нефтедобывающего оборудования работает на откры-
том воздухе, что предъявляет к монтажникам дополнительные требования
по обеспечению высокой надежности монтажа оборудования и его дальнейшей
эксплуатации в сложных климатических условиях.
5. Некоторые объекты нефтедобывающего оборудования монтируются
у устья скважины, в условиях газовых проявлений, поэтому необходимо приме-
нение специальных противопожарных средств и мер предосторожности.
Техническая документация для монтажа состоит из монтажной схемы
подлежащего установке оборудования, проектов фундаментов, проектов мон-
тажных работ и графиков выполнения.
Графики выполнения работ должны предусматривать обеспечение монтажа
необходимыми материалами, механизмами и устройствами, а также последо-
вательность завоза оборудования и длительность монтажных работ.
Монтаж оборудования для добычи нефти состоит из следующего комплекса
работ: подготовки площадки и сооружения фундамента, транспортировки обо-
рудования на площадку и раскладывания его с учетом последовательности
монтажа, установки и выверки положения оборудования относительно фун-
дамента, крепления оборудования на фундаменте, регулировки, наладки и
сдачи смонтированного оборудования.
§ 1. МОНТАЖ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ФОНТАННОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
Фонтанная эксплуатация скважин осуществляется, когда запасы природ-
ной энергии иласта велики и скважина фонтанирует. Устье скважины осна-
щают при этом фонтанной арматурой. Фонтанная арматура, обеспечивающая
подвеску фонтанных труб, герметизацию устья скважины, контроль и регу-
лирование режима работы скважины, представляет собой прочную стальную
арматуру, состоящую из трубной головки и фонтанной елки.
В настоящее время изготовляют фланцевую фонтанную арматуру на рабо-
чее давление 70—700 кгс/см2 тройникового (рис. 14.1) и крестового типов
(рис. 14.2). Преимущество крестовой арматуры заключается в ее меньшей
высоте, недостатком ее является необходимость при замене крестовика или
задвижек, присоединенных к боковым отводам, закрывать центральную за-
движку и тем самым останавливать добычу. Поэтому, если в фонтаниру-
ющей нефтяной среде есть песок, лучше использовать тройниковую фонтанную
арматуру.
Прежде чем направить фонтанную арматуру для монтажа, ее подвергают
в нефтепромысловых мастерских осмотру, проверке и гидравлическому испы-
танию на пробное давление. При предварительной проверке фонтанной арма-
туры особое внимание следует обращать на тщательную установку уплотни-
тельных прокладок и надежное крепление фланцевых соединений. При монтаже
фонтанной арматуры на скважине следует иметь в виду возможность газовых
проявлений, исключающих, из-за опасности взрыва, применение самоходных
грузоподъемных устройств. Однако вследствие большой массы и громоздкости
фонтанной арматуры необходимо пользоваться различными устройствами,
облегчающими и ускоряющими монтаж. Так, буровая талевая система может
быть использована для подтаскивания, монтажа и демонтажа фонтанной арма-
туры.
344
Трудная _ _________Фонтанная--
Рис. 14.1. Фонтанная тройниковая арматура
1 — манометр; 2 — трехходовой кран; 3 — буфер; 4 —
тройник; 5 и 12 — задвижки; 6 — штуцер; 7 — пере-
водная катушка; 8 — тройник трубной головки; 9 —
переводная втулка; 10 — крестовик трубной головки;
11 — переводный фланец.
Рис. 14.2. Фонтанная крестовая арматура'
1 — манометр; 2 — трехходовой кран; 3 — буфер; 4 и 8 — задвижки;
5 — крестовик; 6 — переводная катушка; 7 — крестовик трубной головки;
9 — штуцер
Рис. 14.3. Приспособление для снятия фон-
танной арматуры с устья скважины
Монтаж начинают с захвата крю-
ком талевой системы стального стро-
па длиной 2 м, надетого на верхнюю
задвижку арматуры, и подъема этой
арматуры па высоту, позволяющую со-
единить специальный фланец арматуры
с фланцем тройника трубной головки.
При креплении фланцевых соедине-
ний во избежание перекоса и для уве-
личения надежности уплотнения, диа-
метрально расположенные болты следует
затягивать попеременно за три или
четыре приема.
Если необходимо быстро демонтиро-
вать и монтировать елки фонтанной арма-
туры, применяют простое приспособле-
ние (рис. 14.3), состоящее из стально-
го (оттяжного) каната длиной 13,4 м, диа-
метром 15—18 мм, на концах которого
сделаны петли. На одной из ног вышки
на уровне крепления подкосов (высота)
устанавливают оттяжкой ролик 3 и на
этой же ноге внизу хомут 1. Оттяжной
канат перекидывают через ролик 3
и одной концевой петлей при помощи
хомута 4 присоединяют к верхней за-
движке арматуры, а вторую концевую
петлю после подъема арматуры закреп-
ляют в хомуте 1. Хомут 1 установлен
на такой высоте, чтобы арматура, удер-
живаемая на оттяжном канате, устана-
вливалась на полу вышки; хомут 2 обе-
спечивает крепление концевых петель
каната.
Буровой крюк при помощи стального стропа длиной 2 м захватывает
верхнюю задвижку арматуры, и после отсоединения специального фланца
арматуры от фланца трубной головки происходит подъем арматуры на высоту
2 м; затем^в хомуте 1 закрепляют вторую концевую петлю и опускают арма-
туру.
При опускании вступает в действие оттяжной канат, а арматура под дей-
ствием собственного веса описывает дугу и отводится в угол буровой к ноге
вышки, на которой установлен хомут 1, где и удерживается оттяжным канатом
даже при освобождении крюка талевой системы.
Для установки арматуры на трубную головку описанные этаны работы
выполняют в обратном порядке.
346
§ 2. МОНТАЖ ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ
И КОМПРЕССОРНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
Для оебспечения высоких темпов добычи нефти и увеличения нефтеотдачи
пласта широко применяют методы поддержания пластового давления путем
нагнетания в пласт воды, воздуха или газа. Для закачки воды в пласт строят
кустовые насосные станции, оборудованные мощными центробежными насо-
сами. Для закачки в пласт воздуха или газа с целью поддержания пластового
давления, а также в случае компрессорной эксплуатации нефтяных скважин,
строят специальные компрессорные станции. Монтаж насосов и компрессоров
является очень ответственной работой и поэтому его следует выполнять высоко-
квалифицированными специалистами.
ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ
К МОНТАЖУ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ НАСОСОВ
И КОМПРЕССОРОВ
При монтажных работах должно быть обеспечечено:
1) получение установленной технической характеристики;
2) отсутствие перекосов, перегревов, стуков, вибраций и сдвигов с фунда-
мента;
3) надежность сальниковых уплотнений, охлаждения и точной регули-
ровки;
4) выполнение требований по противопожарной технике и охране труда.
Содержание и последовательность операций по монтажу насосов и компрес-
соров различных типоразмеров изложены в заводских инструкциях, напра-
вляемых обычно заводами-изготовителями вместе с машинами. В особых слу-
чаях (новизна машины, сложность и особая ответственность) заводы-изгото-
вители руководят монтажом на месте установки машины. Поэтому достаточно
изложить общие положения и рекомендации при подготовке и монтаже насосов
и компрессоров.
Здания насосных и компрессорных станций следует проектировать в сбор-
ном железобетоне индустриального изготовления одноэтажными, бесфопарными,
как правило, прямоугольной формы. Применение фонарей над отдельными
зданиями насосных и компрессорных станций допускается только при соот-
ветствующем технико-экономическом обосновании.
Для монтажа и ремонта оборудования не следует применять мостовые
краны, лучше заменять их наземными подъемно-транспортными средствами
и подвесными такелажными приспособлениями. Грузоподъемность подъемно-
транспортных средств следует определять по наиболее тяжелой сменной детали
машины. В районах с расчетной наружной температурой ниже —5° С в зданиях
следует располагать только компрессоры и насосы, не приспособленные для
работы в условиях отрицательных температур, а также перекачивающие
застывающие нефтепродукты и воду. Для насосов с приводом, приспособленных
для работы при расчетной наружной температуре —40° С п работающих с пере-
качивающими незастывающими жидкостями, необходимо их только частично
укрыть. При устройстве приточной механической вентиляции в насосных
.447
и компрессорных, воздух следует подавать в рабочую зону, а забирать его
в местах, наиболее удаленных и защищенных от выброса вредных газов, паров
и пыли.
В качестве источника теплоснабжения целесообразно в первую очередь
использовать отходящее тепло производства или при его отсутствии применять
перегретую воду или пар.
В производственных помещениях с автоматизированным технологическим
процессом следует принимать внутреннюю температуру +5 С, а при периоди-
ческом обслуживании 10° С.
Подготовка к монтажу насосов и компрессоров включает в себя обеспече-
ние транспортировки и складирование прибывшего оборудования, подготовку
монтажных механизмов и устройств, мероприятия по технике безопасности и
охране труда рабочих, проверку комплектности машины, выяснение типа и
характеристики присоединительных фланцев машины, выявление возможных
повреждений машины в процессе транспортировки и т. д.
Отдельный этап подготовки — сооружение фундаментов под монтируемые
машины — рекомендуется завершить до окончания строительства здания или
перекрытий. Это позволит использовать гусеничные самоходные краны для
затаскивания и установки машин через раскрытое перекрытие здания.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ПРОИЗВОДСТВУ
СОВСТВГ.ППО МОНТАЖА НАСОСОВ II КОМПРЕССОРОВ
Монтаж центробежных насосов ведется в описываемой ниже последова-
тельности:
1) приемка под монтаж сооруженных фундаментов;
2) приемка иод монтаж насосов и доставка их к месту установки;
3) установка монтажных механизмов и устройств;
4) подтаскивание, подъем и установка насоса на фундамент с последующей
их выверкой и закреплением;
5) подливка цементным раствором фундаментных болтов и рамы насоса;
(> ) уборка монтажных механизмов и устройств;
7) разборка и сборка машины для проверки уплотняющих устройств,
подшипников, регулировка системы смазки и охлаждения, точная центровка
насоса и электродвигателя;
8) проверка правильности монтажа, испытание и обкатка установленного
насоса.
Монтаж поршневых и плунжерных насосов отличается тем, что проводится
разборка и сборка машины для проверки поршневых колец, регулировка
вредного пространства, проверка и регулировка клапанов и системы смазки,
набивка и регулировка сальников.
Вертикальный электроприводной компрессор монтируют в такой после-
довательности:
1) приемка иод монтаж сооруженных фундаментов;
2) приемка под монтаж компрессора и доставка его к месту установки;
3) установка монтажных механизмов и устройств;
4) подтаскивание, подъем и установка компрессора на фундамент с после-
дующей его выверкой и закреплением;
5) подливка цементным раствором фундаментных болтов и рамы компрес-
сора;
6) уборка монтажных механизмов и устройств;
348
7) разборка и сборка машины для проверки, пригонки крейцкопфа к па-
раллелям, а также пригонка крейцкопфного подшипника, сборка холодиль-
ников, проверка горизонтальности коленчатого вала с шабровкой вкладышей
коренных и шатунных подшипников, проверка перпендикулярности осей
шатуна и коленчатого вала и параллельности осей мотылевой и крейцкопфной
головок шатуна, промывка керосином и смазка маслом шейки вала и вклады-
шей подшипников, монтаж масляного насоса, надевание маховика на вал
и установка выносного подшипника;
8) проверка правильности монтажа, испытание и обкатка установленного
компрессора.
Газомотокомпрессор монтируют в такой же последовательности. Монтаж
ведут согласно заводской инструкции.
Как видно из изложенного, монтаж насосов и компрессоров имеет много
общих элементов.
При приемке под монтаж сооруженных фундаментов проверяют соответ-
ствие выполненных фундаментов чертежам. Для приемки и доставки насосов
и компрессоров на монтажный участок используют обычно автотранспорт.
Содержание работ по установке монтажных механизмов и устройств зависит
от габаритных размеров и массы машин, а также от конкретных условий мон-
тажной площадки (высота фундамента, трасса подтаскивания, возможность
использования передвижных кранов и др.). Так, для затаскивания и установки
машины на фундамент используют лебедки и полиспасты, передвижные краны,
мачты, треноги и козлы, домкраты и наклонные площадки.
Смонтированные на фундаменте машины необходимо проверить в попереч-
ном и продольном направлениях на горизонтальность установки, и, если необ-
ходимо, под станину рядом с фундаментными болтами подбить для выравни-
вания стальные клинья.
Подливка цементным раствором фундаментных болтов и рамы машины
состоит в сборке опалубки, приготовлении раствора и его заливке под раму.
Рекомендуется в процессе заливки все время проталкивать раствор под раму;
заливка считается законченной только тогда, когда раствор появится со всех
Сторон рамы. После твердения цемента, повторной проверки горизонтальности
машины и окончательной подтяжки фундаментных болтов убирают монтаж-
ные механизмы и устройства и приступают к монтажу насосов или компрессо-
ров согласно инструкции завода-изготовителя. Последняя операция монтажа —
проверка его правильности, проведение испытаний и обкатка установленной
машины. Обычно содержание, длительность и характер испытания и обкатки
указываются в инструкции завода-изготовителя.
В настоящее время все больше применяют крупноблочный метод соору-
жения насосных и компрессорных станций, обеспечивающий значительное
повышение качества и темпов строительства.
§ 3. МОНТАЖ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ НАСОСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
Для извлечения нефти из скважин при насосной эксплуатации чаще всего
применяют:
1) поршневые глубинные насосы;
2) погружные центробежные насосы.
.349
Рис. 14.4. Замковая
опора насоса НГВ-1
Поршневые глубинные насосы бы-
вают двух разновидностей: трубные и вставные.
Цилиндр трубных насосов спускают в скважину на
насосно-компрессорных трубах, продолжением которых
он является. После этого на штангах спускают клапаны
и плунжер насоса. Поэтому для подъема цилиндра труб-
ного насоса из скважины приходится сперва поднять
штоки с плунжером, клапанами и потом насосные тру-
бы. Это занимает много времени. При использовании
вставных насосов их опускают и извлекают на колонне
штанг при стационарно подвешенных в скважине тру-
бах, благодаря чему значительно сокращается время
на смену насоса.
Вставной насос в скважину спускают в следующем
порядке. Сперва спускают колонну насосных труб, на
конце которой установлены замковая опора (рис. 14.4),
состоящая из переводника 1, кольца 2 и пружинного
замка 3. Пружинный замок 3 представляет собой
полый усеченный конус, имеющий в нижней части
систему разрезов, благодаря которым он пружинит.
Переводник 1 имеет в верхней части резьбу под насосно-
компрессорную трубу, на которой замковая опора спу-
скается в скважину. К нижней части замковой опоры
присоединена рубашка 4 насоса с направляющей муфтой
на конце, к которой, в свою очередь, можно присоединять
различные защитные устройства (фильтры, сетки и др.).
Затем в спущенные трубы спускают на штангах насос в собранном виде.
Дойдя до пружинного замка, насос раздвигает его и проходит вниз до тех пор,
пока пружина замка не зайдет за буртик упорного ниппеля, обеспечив тем
самым прочное закрепление насоса. Закрепленный в замковой опоре вставной
насос работает, как трубный насос.
Для приведения в движение плунжера глубинного насоса над устьем
скважины устанавливают станок-качалку.
Станок-качалка является балансирным приводом глубиннонасосной уста-
новки, который преобразует вращательное движение вала двигателя в верти-
кальное возвратно-поступательное движение точки подвеса штанг. На нефте-
промыслах эксплуатируют балансирные станки-качалки нескольких типов:
так называемого нормального ряда (СКН), снабженные подшипниками каче-
ния, тормозом и роторным или комбинированным противовесом, приводом
от электродвигателя при помощи клиноременной передачи, зубчатым редукто-
ром и кривошипно-шатунным механизмом.
Станок-качалка СКНЗ-915 нормального ряда (рис. 14.5) состоит из че-
тырехопорной стойки 5, соединенной с рамой балансира J, несущей
набор грузовых плит 2. Траверса 4, состоящая из двух швеллеров, является
соединительным звеном между редуктором 9 и балансиром 1; соединяется при
помощи подвеса 3 и шатунно-кривошиппых механизмов 6.
Кривошипы 8, закрепленные на ведомом валу редуктора 9, кроме шпоноч-
ных соединений дифференциальными стяжками 10 несут на себе по два пере-
мещающихся дополнительных уравновешивающих груза 7. Таким образом,
станок-качалка обеспечивается балансирным и роторным уравновешиванием.
Тормоз 12 обеспечивает фиксацию положения балансира, а клиноременпая
350
3750
Рис. 14.5. Станок-качалка СКНЗ-915
передача 11 — передачу вращения вала электродвигателя 13 на редуктор 9.
Остальные станки-качалки нормального ряда СКН2-615, СКН5-1812,
СКН10-2165, СКН10-3012 отличаются от рассмотренного СКНЗ-915 размерами,
длиной хода головки балансира, величиной максимальной нагрузки на головку
балансира, мощностью электродвигателя, числом качаний в минуту и т. д.
Монтаж станка-качалки начинается с подготовки и планировки площадки
и рытья котлована под фундамент.
Фундаментпод станок-качалку состоит из двух частей: подземной, например,
бутовой кладки п наземной (цокольной) — бутобетона, изготовляемого на месте,
или бетонных блоков (что предпочтительнее), выполняемых в заводских ус-
ловиях и соединяемых на фундаменте при помощи болтов.
По окончании сооружения фундамента начинается монтаж станка-качалки,
который поступает на монтажную площадку в разобранном виде (кроме станка
СКН-2, доставляемого в собранном виде), что облегчает его транспортировку
на специальном лафете или грузовой платформе.
Разгружаемые части станка-качалки необходимо располагать на площадке
с учетом последовательности его монтажа. Так, раму с редуктором укладывают
возможно ближе к фундаменту. Значительно облегчает и ускоряет монтаж
351
применение передвижных грузоподъемных кранов (автомобильных, тракторных
и др.).
Для подтаскивания рамы на фундамент можно использовать также катки,
которые предпочтительнее перекатывать по деревянному настилу. Раму, доста-
вленную и установленную на фундаменте, проверяют при помощи уровня
на горизонтальность установки в продольном и поперечном направлениях,
при этом, если необходимо, под основание подкладывают металлические клинья.
Стойки станка-качалки устанавливают на раму передвижным краном или
при помощи каната, который пропускают через кронблок вышки или мачты и
наматывают на барабан трактора-подъемника. Установленную стойку прикреп-
ляют к раме болтами; горизонтальность положения ее верхней плиты проверяют
в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. Затем поднимают балансир п
устанавливают его так, чтобы совпали болтовые отверстия корпусов подшипни-
ков балансирного вала с соответствующими отверстиями на плите опорной
стойки. После этого подшипники прикрепляют к плите болтами и гайками.
Правильность положения балансира относительно центра устья скважины
определяют при помощи отвеса, прикрепленного к центру траверсы подвески.
Если отвес не совпадает с центром скважины, то следует перемещать балансир
до соответствующего положения. После этого его закрепляют скобами и
болтами.
Далее при помощи серьги поперечную траверсу с двумя шатунами прикреп-
ляют к хвосту балансира, собирают тормоз, устанавливают кривошипы в гори-
зонтальное положение и надежно закрепляют па них роторные противовесы.
При помощи кривошипных пальцев и гаек нижние головки шатунов присоеди-
няют к кривошипам. На этом монтаж станка-качалки заканчивается.
Затем еще раз проверяют правильность установки станка-качалки, под-
ливают цементный раствор под раму, а после его затвердения крепят гайками
и контргайками фундаментные болты. Собранный станок-качалку оснащают
металлической лестницей с перилами и металлической площадкой обкатывают
и сдают персоналу промысла.
В настоящее время широко применяют погружные центробе-
жные электронасосы (ЭЦН).
Выбор типа насоса определяется характеристикой скважины и является
задачей технологов. Задача механиков — правильно смонтировать насосную
установку, наладить ее и обеспечить нормальную эксплуатацию в задайном
технологами режиме. В соответствии со схемойДрис. 14.6), установка состоит
из электродвигателя 7, протектора 2, собственно насоса 4, фильтра 3, насосных
труб, на которых агрегат подвешен в скважине, кабеля 5 электропередачи,
закрепляемого на насосных трубах одновременно со спуском агрегата в сква-
жину, кабельного барабана 7, подвесного направляющего ролика 6, станции
управления установкой 9 с автотрансформатором 8.
Все эти элементы установки доставляют на место эксплуатации раздельно
и монтируют непосредственно на скважине. Для монтажа насосной установки
применяют подъемник с вышкой или мачтой.
При монтаже электродвигатель подвешивают на специальном элеваторе
над скважиной, подсоединяют кабель и прокручивают двигатель на холостом
ходу, проверяя качество его работы и нужное направление вращения. Попутно
размечают концы кабеля во избежание ошибки в направлении вращения вала
насоса после монтажа.
Затем на электродвигатель устанавливают протектор и заполняют систему
маловязким маслом, необходимым для защиты электродвигателя от попадания
J52
Рис. 14.6. Схема установки погружного центробеж-
ного электронасоса
перекачиваемой жидкости. Электродвигатель с протектором опускают в сква-
жину и устанавливают на фланце обсадной колонны па специальном хомуте-
элеваторе. Затем устанавливают и закрепляют на протекторе насос. В таком
виде агрегат готов к спуску в скважину.
Особое внимание при монтаже следует обратить на прочность и плотность
всех соединений (прокладок, уплотнительных колец). Герметичность сборки аг-
регата проверяют его опрессовкой маловязкпм маслом при давлении 4 кгс/см2,
нагнетаемым через обратный клапан в протекторе или в электродвигателе. После
опрессовки важно выпустить из протектора часть масла (300—700 см3) в рас-
чете на его расширение при нагреве во время работы агрегата (возможен наг-
рев до 100° С).
Очень важно обеспечить надежное соединение питающего кабеля с вводом
в электродвигатель.
Из характеристик насосов известно, что центробежные насосы должны
пускаться в ход при максимальном давлении на нагнетательной линии. Тогда
мощность, затрачиваемая на запуск, будет минимальной. Для этого колонна
насосных труб должна быть всегда заполнена жидкостью. Обратный шаровой
клапан, смонтированный в головке насоса, исключает утечку жидкости из на-
сосных труб после остановки насоса или при заливе.
Для выпуска жидкости из колонны насосных труб перед подъемом агре-
гата из скважины для ремонта в одной из нижних муфт колонны монтируют
спускной клапан.
Насосный агрегат в скважину спускают последовательным наращиванием
колонны насосных труб с одновременным креплением к ним сбоку питающего
кабеля. Весьма желательно обеспечить контролируемую затяжку резьбовых
муфт. Кабель туго прижимается к насосным трубам специальными металли-
ческими поясами на расстоянии 100—150 мм по обе стороны соединительных
муфт.
Очень важно следить за параллельностью кабеля оси трубы по всей длине
колонны, так как кабель, навитый на трубу по спирали, может заклинить
колонну и вызвать тяжелые затруднения при демонтаже.
При спуске кабеля с колонной можно повредить его защитную оболочку
о края фланца на входе в обсадную трубу. Чтобы избежать повреждений,
на фланец обсадной трубы устанавливают подставку с боковым роликом, через
который перекатывается кабель при спуске.
В процессе спуска колонны следует периодически проверять мегометром
качество изоляции кабеля. Когда агрегат спущен на проектную глубину,
монтажную подставку убирают, а на последнее звено колонны насосных труб
монтируют мощную шайбу, на которой висит вся система во время эксплуата-
ции. Затем оборудуют устье скважины в соответствии с заданием технологов
и заливают колонну насосных труб жидкостью для облегчения запуска. Если
в скважине возможно отложение парафина, на ее устье ставят приспособление
для применения скребков. Из описания видно, что монтаж — демонтаж под-
земной части насосной установки является операцией длительной и трудоемкой,
поэтому на тщательность выполнения всех работ и текущий контроль их каче-
ства должно быть обращено особое внимание, чтобы исключить необходимость
преждевременного подъема насосного агрегата из скважины.
Станция управления дает возможность управлять работой установки
вручную и автоматически по заданной программе. Станцию доставляют на место
монтажа в собранном виде; остается лишь соединить кабель с вводами на стан-
ции, а главное, проверить и наладить электрическую часть установки на задан-
354
ный режим. Станцию управления монтируют на некотором расстоянии от сква-
жины и соединяют ее с кабелем,
Во время наладки электрической части тщательно проверяют схему,,
состояние приборов и аппаратуры, а также состояние изоляции и заземления.
Все станции снабжают максимальным и минимальным реле для защиты уста-
новки от перегрузки и исключения возможности работы вхолостую при срыве
подачи, которые необходимо отрегулировать: первое на максимальный ток
перегрузки, второе — на минимальный ток холостого хода. В схеме станции
имеется также реле самозапуска установки после перерыва подачи электроэнер-
гии и реле времени для периодической работы установки по заданной техноло-
гами программе откачки нефти из скважины. Все электротехнические работы
по монтажу, проверке и наладке насосной установки выполняют специалисты-
электромеханики.
§ 4. КРУПНОБЛОЧНЫЙ МОНТАЖ
НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
В настоящее время коренным образом изменены методы обустройства неф-
тяных и газовых промыслов Советского Союза за счет внедрения транспорта-
бельных блок-комплектных объектов нефтегазопромыслового хозяйства, изго-
товленных целиком на заводах или строительно-монтажных базах с макси-
мальным сокращением строительно-монтажных работ на месте эксплуатации.
Система заводского изготовления комплектных объектов оказалась исклю-
чительно эффективной не только с точки зрения уменьшения сроков п повы-
шения качества строительно-монтажных работ, но и резкого уменьшения трудо-
емкости, материалоемкости и общей стоимости объектов (табл. 14.1 и 14.2).
Таблица 14.1
Характеристики основных объектов нефтепромыслового хозяйства
Объект Производительность, м3/сут Масса стро- ительно-мон- тажных кон- струкций, т Объем, м3 Площадь, м-
традиционное исполнение крупноблочное пополнение традиционное исполнение крупноблочное исполнение традиционное исполнение крупноблочное исполнение
Дожимная (групповая) нефтепромысло- вая станция Групповая замсрно-сеиарационпая на- сосная установка Кустовая насосная станция поддержа- ния пластового давления 1000 600 —12<>о 7200 2600 160,0 40,0 980 40.0 12,5 130,0 282.2 128.0 1226.0 83.4 42.0 365.0 132,0 74 .о 2 16.0 74,0 44.0 121.0
В практике строительного проектирования разработаны конструкции
блок-боксов со смонтированными в них насосами, компрессорами, электро-
двигателями мощностью до 1000 кВт, нормально работающими без специаль-
ных фундаментов. Конструкции оснований блок-боксов выполнены так, что
26* З.г>.г>
Таблица 14.2
Технико-экоаомическпе показатели строительства кустовой насосной станции
Показатели Исполнение
традицион- ное крупноблоч- ное
Производительность, м3/сут 7200 7200
Марка насоса ЦН1 50-100 ЦН1 50-100
Масса объекта-здания пли блока, т 1620 130
Объем земляных работ, м3 Расход, м3: 5620 140
бетона и железобетона 263 59
песчано-гравийной массы 510 80
Расход металла и арматуры, т Продолжительность строительства (плановая), ме- 28,9 27.1
сяцы 16,8 3,1
Трудоемкость работ, чел.-дни 8125 4415
Себестоимость, тыс. руб 204,0 136.0
обеспечивают надежность крепления и центровки агрегатов без их нарушения
при транспортировке, т. е. достигается возможность пуска в эксплуатацию
агрегатов без разборки и ревизии на месте монтажа. Блоки с завода-изготовителя
доставляют мощными универсальными или специальными транспортными сред-
ствами (см. стр. 271), устанавливают на нивелированную площадку с гравийно-
песчаной подушкой, и после подключения коммуникаций они будут полностью
готовы к эксплуатации.
Жесткость несущей части всего сооружения обеспечивается изготовленной
на заводе мощной железобетонной фундаментной плитой, верхняя плоскость
которой является полом блок-бокса, а нижняя представляет собой жесткую
Рис. 14.7. Крупноблочная, установка низкотемпературной сепарации газа
.456
Рис. 14.8. Крупноблочная промысловая насосная станция
систему ребер с опорной и несущей частями. Плита воспринимает без существен-
ных деформаций монтажные и транспортные нагрузки и гасит вибрации рабо-
тающего агрегата в процессе эксплуатации, несмотря на то, что фундаментная
плита в 2—3 раза легче монолитного традиционного фундамента. Возможно
изготовление опорной плиты и в виде металлоконструкций.
Для обеспечения транспортабельности блок-комплектных устройств, т. е.
в первую очередь для лимитирования их габаритных размеров (см. стр. 239)
потребовались принципиально новые компоновки оборудования, аппаратуры,
управления и коммуникаций и изменение традиционных условий эксплу-
атации.
На рис. 14.7 приведен пример крупноблочного монтажа установки для
сепарации попутного газа, а на рис. 14.8 — промысловой насосной стан-
ции. Создание различных объектов нефтегазопромыслового хозяйства в
крупноблочном исполнении ведется с позиций максимальной унификации
деталей, частей агрегатов и даже целиком блоков с таким расчетом, чтобы
различным их сочетанием можно было создавать технологические установки,
соответствующие различным требованиям эксплуатации. Так, кустовая насос-
ная станция для поддержания пластового давления состоит из блока собст-
венно насосной и блока электростанции; групповая замерная установка — из
блока замерного и блока КИП и А; дожимная насосная станция производитель-
ностью до 2000 м3/сут —из блоков сепарационно-насосного, КИП и А и электро-
подстанции, а дожимная станция до 600 м3/сут — из двух-трех сепарационно-
насосных блоков и также блоков КПП и А и энерготехнического.
"Гаковы современные прогрессивные методы строительства и монтажа нефте-
газопромысловых объектов, которые находят все более широкое применение
при обустройстве новых и реконструкции действующих нефтяных и газовых
промыслов.
П Р И Л О Ж Е Н И Я
ПРИЛОЖЕНИЕ J
Коэффициенты использования оборудования по машинному и календарному времени
Наименование оборудования ь* ** маш S; ал
Лебедка буровая <1,35 0.5,3 0.83—0,95
Роторы 0,40—0,55 0.00—0,80
Насосы буровые 0,23—0,37 0,83—0,95
Вертлюги 0,23—0,37 0,60—0,83
Кронблоки 0,35-0,53 0,74—0,83
Талевые блоки 0,35—0,53 0,69—0,80
Крюки (крюкоблокп) 0,35-0,53 0,69—0,80
Компрессорные станции 0,55*** 0.55—0,60
Дизельные двигатели (0,5—0,75) *** 0,60—0,64
Буровые ключи q j *** 0,62—0,67
Клинья ротора Q j *** 0,66—0,71
Краны поворотные 0,2 *** 0.87—0,94
Цементировочные (цементно-смесительные) машины . . . . Q2 *** I 0,83—0,90
* Коэффициенты использования бурового оборудования по машинному времени Ьмаш установлены
порайонно для различных нефтедобывающих объединений на основе статистических данных баланса вре-
мени по законченным скважинам, а также с учетом глубины бурения и природно-климатических условий.
Для объединений с тяжелыми условиями работы (Главтюменнефтегаз, Мангышлакнефть, Сахалиннефть,
Коминефть) коэффициенты снижены; для объединений с более благоприятными условиями работы (Аз-
нефть, Грознефть и др.) коэффициенты повышены.
** При установлении коэффициентов использования оборудования по календарному времени Лкал
были учтены неизбежные потери его в связи с монтажом и демонтажем оборудования, его транспортом
и необходимым оперативным резервом. Диапазон коэффициентов учитывает технологические, природно-
климатические и организационные особенности работы оборудования (использован тот же принцип рас-
пределения нефтегазодобывающих объединений, что и в предыдущем случае).
*** ^маш взяты из Положения о системе ППР Миннефтепрома первого издания.
358
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Длительность и структура ремонтных циклов
Наименование оборудова- ния Структура ремонтного цикла Длительность кален- дарного времени, месяцы Число капиталь- ных ремонтов за срок службы Срок службы обо- рудования. лет
цикла периода между ПО
Буровое обору- дование Лебедки КР-ЗТР-СР-ЗТР-СР-ЗТР- 24,0 2,0 Перио- 2 6
Роторы КР КР-ТР-СР-ТР-СР-ТР-КР 14,5 2,4 дическое обслу- 4 6
Буровые насосы КР-2ТР-СР-2ТР-СР-2ТР- 18,0 1,5 живание 3 6
Вертлюги СР-2ТР-КР КР-ТР-СР-ТР-СР-ТР-КР 14,5 2,4 (ПО) выпол- 4 6
Кронблокп КР-ТР-СР-ТР-СР-ТР-КР 24,0 4,0 няется 2 6
Талевые блоки КР-ТР-СР-ТР-СР-ТР-КР 24,0 4,0 один раз 2 6
Крюки КР-ТР-СР-ТР-СР-ТР-КР 24,0 4,0 в неделю 2 6
Двигатели дизеля КР-2ТР-КР 12,0 4,0 2 3
В2-300, В2-450М Силовой агрегат КР-2ТР-КР 12,0 4,0 2 3
САТ-450АМ Компрессорные станции КР-ТР-СР-ТР-СР-ТР-КР 13,5 2,2 7 9
КСЭ-ЗМ, КТ-6 Краны поворотные KP-2TP-GP-2TP-CP-2TP- КР 18,0 2,0 3 6
Цементировочные маши- КР-2ТР-СР-2ТР-СР-2ТР- 20,0 2,2 2 5
ны и агрегаты Эксплуатацион- ное оборудова- н и е Станки-качалки КР КР-ЗТР-СР-ЗТР-С Р-ЗТР- 60,0 3,8 1 раз 2 15
Тракторные эксплуата- СР-ЗТР-КР КР-ТР-СР-ТР-СР-ТР-СР- 19,0 2,4 в месяц То же 4 8
ционные подъемники и агрегаты Агрегат для освоения ТР-КР КР-ТР-СР-ТР-СР-ТР-СР- 22,0 2,7 » 4 9
скважин Промывочные агрегаты ТР-КР КР-ТР-СР-ТР-СР-ТР-КР 24,0 4,0 » 8
Компрессоры промысло- КР-2ТР-СР-2Т1 ’-С Р- 2ТР- 17,0 2,0 2 (i 10
вьте Погружные центробеж- КР КР-СР-КР 24,0 8,0 8 2 6
лыс насосы Насосы центробежные нормальные: КР-ЗТР-С1 >-ЗТ Р-С Р-.ЗТР- КР
359
Продолжение прилож. ~
Наименование оборудова- ния Структура ремонтного никла Длительность кален- дарного времени, месяцы Число капитальных ремонтов за срок । службы Срок службы обо- рудования. лет
1 Пикла периода ОН ХПжзк 1 1
неагрессивные 28,8 2,4 4 12
жидкости агрессивные жидко- 14,4 1,2 1 раз 4 6
сти — горячая нефть, конденсат в месяц
и др. агрессивные жидко- 12,0 1,0 4 5
сти — нестабиль- ные бензины, пластовая вода, кислоты и др.
II р и м е ч а п ис. Нормативные показатели в мес. календарного времени могут быть переведены
и машино-часы по формуле:
Тц = 720 •ТкалАмашЛкал, где Ткал и Тц—длительность цикла соответственно в мес. и в машино-часах;
Ьмаши#1кал—коэффициенты использования оборудования соответственно по машинному и календарному
времени; 720—месячный календарный фонд времени из расчета круглосуточной работы оборудования.
Один месяц календарного времени
в машино-часах (в среднем)
ь ь
кал маш
h h
кал маш
Лебедки..............
Роторы...............
Буровые насосы . . . .
Вертлюги.............
Кронблоки ...........
720x0,90x0,45 = 292
720x0,70x0,50 = 232
720X0,90X0,30= 191
7 20X0,70x0,30= 15 L
720X0,78X0,45 = 253
Талевые блоки ......
Крюки ..............
Дизели..............
Компрессоры..........
Цементировочные агре-
гаты
720X0,75X0,45 = 243
720X0,75X0,45 = 243
720X0,62X0,65 =290
720 Х0.57 Хб.55 = 226
720X0.87X0,2= 125
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Затраты труда на ремонт оборудования
Наименованиие оборудо- вания, тип или марка Виды ремонта Простой иепосрсдстпсипо в ремонте, дней Затраты труда, чел.-ч Категория сложности ремонта
Всего па механическую обработку на кузнечно-прес- совую обработку В том числе на молярные рабо- ты на слесарные, сбо- рочные работы и испытания
на термическую обработку и ТВЧ । на сварку, наплав- 1 ку и резку
Буровое обору- дование Лебедка У2-5-5 КР 17 795 260 75 10 115 5 330 33
СР 8 360 120 32 5 50 3 150 15
ТР 2 65 — — — 15 — 50 5
360
Продолжение прилож. 3
Наименование оборудова- ния, тип или марка Виды ремонта Простой непосредственно в ремонте, дней Затраты труда, чел.-ч Категория сложности ремонта
Всего В том числе
на механическую обработку на кузнечно-прес- совую обработку на термическую обработку и ТВЧ на сварку, наплав- ку и резку на малярные рабо- ты на слесарные, сбо- рочные работы и испытания
БУ-75Бр КР 8 590 200 52 6 80 2 250 25
СР 4 235 80 21 3 30 1 100 10
ТР 0,5 42 — — — 7 — 35 3,5
Ротор У7-560-6 КР 7 210 95 8 5 25 2 75 7,5
СР 3 100 47 3 2 12 1 35 3,5
ТР 1 16 — — — 4 — 12 1,2
БУ-75Бр КР 5 130 60 3 2 10 1 54 5,4
СР 1,5 55,5 25 2 1 4 0,5 23 2,3
ТР 0,5 8 — — — 2 — 6 0,6
Буровой насос У8-6М КР 17 395 68 17 23 32 5 250 25
СР 8 170 31 8 9 15 2 105 10,5
ТР 1 45 — — — 5 — 40 4
12Гр КР 12 330 48 12 16 25 4 225 22,5
СР 5 125 20 4 5 9 2 85 8,5
ТР 1 24 — — — 4 — 20 2,0
Вертлюг ШВ15-300 КР СР 5 2 125 55 52 24 14 6 3 2 9 4 2 1 45 18 4,5 1,8
ТР 1 10 — — 1 — — 9 0,9
БУ-75 КР 4 70 28 5 1 5 1 30 3,0
СР 2 30 12 2 0,5 2 0,5 13 1,3
ТР 1 6 — — — 1 — 5 0,5
Кронблок КБН7-300 КР 4 105 45 10 3 8 1 38 3,8
СР 2 50 23 4 1,5 3 0,5 18 1,8
ТР 1 7 — — — 1 — 6 0,6
БУ-75Бр КР 2 60 24 4 1 5 1 25 2,5
СР 1 25 10 2 0,5 2 0,5 10 1,0
ТР 0,5 4 — — — 1 — 3 0,3
Талевый блок ТБН6-300 КР 4 100 42 10 3 8 34 3,4
СР 2 45 20 4 1 3 2 15 1,5
ТР 1 7 — — — 1 — 6 0,6
361
Продолжение прилож. 3
Наименование оборудова- ния, тип или марка Виды ремонта Простоя непосредственно в ремонте, дней Затраты труда, чел.-ч Категория сложности ремонта
Всего В том числе
1 па механическую обработку на кузнечно-прес- соиую обработку па термическую обработки}7 и ТВЧ па сварку, наплав- ку и резку 1 па малярные рабо- ты па слесарные, сбо- рочные работы и испытания
БУ-75Бр КР 2 55 20 4 1 4 1 25 2,5
СР 1 25 10 2 0,5 2 0,5 10 1
ТР 0,5 4 — — 1 — 3 0,3
Крюк КТ-300Бр КР СР 5 3 55 25 20 10 4 2 3 1 2 1 3 1 23 10 2,3 1
ТР 1 3 — — — — — 3 0,3
Крюк БУ-75Бр КР СР 3 1,5 35 15 13 5 2 1 1 0,5 2 1 1 0,5 16 7 1,6 0,7
ТР 0,5 2 — — — — — 2 0,2
Дизель В 2-450AM КР СР 10 7 365 115 176 57 8 4 8 3 4 6 2 160 45 16 4,5
ТР 2 20 — — — 2 — 18 1,8
В2-300 КР 9 320 150 6 5 6 5 148 14,8
СР 6 100 52 3 2 3 2 38 3,8
ТР 2 15 — — — 1 — 14 1,4
Компрессорная станция КСЭ-5М КР СР 8 5 260 120 130 66 5 2 4 2 6 3 5 2 110 45 11 4,5
ТР 1 20 — — — 2 — 18 1,8
КСЭ-ЗМ КР 7 160 80 4 3 5 4 64 6,4
СР 4 70 38 2 1 2 2 25 2,5
ТР 1 14 — — — 1 — 13 1,3
Кран поворотный 12КП-3 КР СР 6 4 190 90 76 25 4 2 3 1 46 20 4 2 57 40 5,7 4,0
ТР 2 25 — — — 15 — 10 1
Цементировочный агрегат ЭЦА-400 КР СР ТР 16 7 2 530 230 38 125 62 17 7 5 2 28 12 3 15 7 340 140 35 34 14 3,5
Эксплуатацион- ное оборудование 14,8
Станок-качалка КР 10 215 60 1 1 3 2 148
СКН10-3315 СР 5 145 50 0,5 0,5 1 1 92 9,2
ТР 2 36 — — — 36 3,6
СКН2-615 КР СР 6 3 90 60 25 19 0,5 0,5 1 0,5 1 0,5 62 40 6,2 4
ТР 2 16 — — — — — 16 1,6
362
Продолжение прилож, 3
Наименование оборудова- ния, тип или марка Виды ремонта Простой непосредственно в ремонте, дней Затраты труда, чел.-ч Категория сложности ремонта
всего В том числе
на механическую обработку । на кузнечно-прес- । совую обработку на термическую обработку и ТВЧ на сварку, наплав- ку и резку на малярные рабо- ты 1 1 на слесарные, сбо- рочные работы и испытания
Тракторный подъемник КР 17 250 52 7 5 12 6 168 16,8
ЛТ-2М-80 СР 8 165 36 3 3 7 4 112 11,2
ТР 2 45 — — — — — 45 4,5
Промывочный агрегат тракторный КР СР 16 7 945 515 560 300 40 25 60 37 50 28 5 2 230 123 23 12,3
АзИНМаш-32М ТР 2 75 — — — — — 75 7,5
Агрегаты подъемного КР 15 300 63 и 8 15 5 198 19,8
ремонта СР 7 210 45 6 4 9 2 144 14,4
«Бакинец КМ и ЗМ» ТР 2 100 — — — — — 100 10
Промысловый компрессор КР 15 620 418 15 2 2 3 180 18
2СГ-50 СР 7 285 200 6 1 1 2 75 7,5
ТР 2 30 — — — — — 30 3
УКП-80 КР 12 805 240 20 15 32 5 493 49,3
СР 6 560 195 4 2 7 2 350 35
ТР 2 144 — — — — — 144 14,4
Погружные центробеж- ные насосы КР СР 4 2 88 60 26 20 2 1 1 0,5 3 1 1 0,5 55 37 5,5 3,7
(средние нормы) ТР 1 20 — — — — — 20 2
Насосы центробежные КР 5 90 27 1 1 1 4 56 5,6
водяные крупные СР 3 67 20 — 0,5 — 1,5 45 4,5
ЗВ-200ХИ, 8НД-9 X 3, АЯП-150 (средние нор- ТР 1 12 — -— — — — 12 1,2
мы)
То же, средние МС-100 КР 7 70 21 1 1 1 5 41 4,1
8НД-9 X 2 СР 3 45 15 — — 0,5 1,5 28 2,8
(средние нормы) ТР 1 12 — — — — — 12 1,2
То же, малые КР 6 50 12 0,5 0,5 1 4 32 3,2
АЯП-150, МС-30, СР 3 28 8 — — — 2 18 1,8
МС-50, МС-70, бНДс, 6НДВ и 5НДВ (сред- ние нормы) ТР 1 5 5 0,5
Примечания. 1 В нормативной части системы ППР приведена трудоемкость ремонта бурового
и эксплуатационного оборудования всех основных марок, например, лебедок У2-5-5, У2-5-4, У2-4-8,
У2-4-5 й БУ-75Бр.
2. В настоящей таблице представлена трудоемкость ремонта только наиболее сложного и
простого представителей каждой группы, например, лебедок У2-5-5 и БУ-75 Бр.
363
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
{.Бабаев С. Г., Васильев Ю. А. Повышение надежности оборудования
применяемого для бурепия на нефть и газ. М., «Машиностроение», 1972, 161 с. с ил.
2. Елизаветин М. А., С а т е л ь Э. А. Технологические способы повышения
долговечности машин. М., «Машиностроение», 1969, 400 с. с ип.
3. Зеленков Г. И,, Д ехтеринский Л. В., Кри вши н А. П. Техно-
логия ремонта дорожных машин и основы проектирования ремонтных предприятий. М.,
«Высшая школа», 1971, 496 с. с ил.
4. К а з а р ц е в В. И. Ремонт машин. М., Сельхозиздат, 1961. 583 с. с ил.
5, Кершенба ум Я. М., 10 д о л о в и ч М. Я. Ремонт и монтаж нефтепро-
мыслового оборудования. М., Гостоптехиздат, 1962, 396 с. с ил.
6. Кершенбаум Я. М., Протасов В. Н. Восстановление нефтепромы-
слового оборудования клеевыми соединениями. М., «Недра», 1970, 119 с. с ил.
7. Кершенбаум Я. М., Авербух Б. А. Изготовление биметаллических
деталей нефтехимического оборудования наплавкой трением. М.. ЦНИИТЭНефтехим,
1972. 62 с. с ил.
8. К р а г е л ь с к и й И. В. Трение и износ. Изд. 2, перераб и доп. М., «Машино-
строение», 1968, 480 с. с ил.
9. К у з н е ц о в В. С. Обслуживание и ремонт бурового оборудования. М.,
«Недра», 1973, 343 с. с ил.
10. М а р х а с и н Э. Л., Шрейбер Г. К. Поверхностное упрочнение деталей
нефтяного оборудования и инструмента. М., Гостоптехиздат, 1959, 181 с. с ил.
11. Основы ремонта машин. Под ред. Ю. Н. Петрова. М., «Колос», 1972, 528 с. с ил.
12. РТМ 26-11-101—67. Методика оценки надежности нефтепромыслового оборудо-
вания. Изд. ЦИНТИХИМНЕФТЕмаш, М., 1969, 38 с. с ил. (ВНИИПТНЕФТЕмаш).
13 Сааков М. А. Строительство и монтаж буровых. М., Гостоптехиздат, 1963,
362 с. с ил.
> 14. С к р ы п н и к С. Г. Индустриальный метод сооружения буровых. М., «Недра»,
1972, 271 с. с ил.
15. Справочник механика машиностроительного завода. Под ред. Ю. С. Борисова.
Т. I. М., «Машиностроение», 1971, 565 с. с ил.
16. Справочная книга по добыче нефти. Под ред. Ш. К. Гиматудинова. М., «Недра»,
1974, 703 с. с ил.
17 Ткачев В. Н. Методы повышения долговечности д талей машин. М., «Машино-
строение», 1971, 272 с. с ил.
18. X р а и а ч Г. К. Монтаж и ремонт компрессора. М., «Недра», 1964, 480 с. с ил.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Азотирование 186
Балансировка машин 297
— статическая 102
— динамическая 105
Безотказность 5
Борирование 187
Вероятность безотказной работы 8
— отказа 9
Вибрация машин 294
— трубопроводов 299
Гамма-процентный ресурс 12
Генплан ремонтного предприятия 233
Гидроабразивная обработка 194
Дефектоскопия, методы 96
Диагностика техническая 70
Дисперсия 7
Долговечность 5
— физическая 19
— моральная 21
— технико-экономическая 22
Закон распределения
(случайной величины) 6
Зазор 45, 48
— расчет 50
Затяжка резьбовых соединений 291
Затраты труда на ремонт (трудоемкость)
360
Изнашивание абразивное 39
— абразивная эрозия 39
— гидро- и газоабразивное 39
— кавитационное 39
— коррозионно-механическое 40
— механическое 38
— молекулярно-механическое 39
— окислительное 40
— усталостное 39
— тепловое 40
— физическая картина 36
Износ 35
— методы измерения 55
— предельный 50
Износостойкость 41
Интенсивость отказов 9
Калибрование 193
Капитальный ремонт, индивидуальный 86
— агрегатный 88
— структура технологического процес-
са 86
Категория сложности ремонта 66
Клеевые соединения 168
Коэффициент готовности 11
— индустриализации 241
— использования оборудования по вре-
мени 65
— технического использования 12
— устойчивости фундамента 247
Математическое ожидание
(случайной величины) 7
Меднение 162
Металлизация 143
— газовая 145
— плазменная 147
— электродуговая 143
Монтаж 302
— крупноблочный 324
— мелкоблочный 317
— морских оснований 336
— расчлененный 302
Монтаж вышек А-образных 313
— — башенного типа 304
— — «сверху вниз» 307
— — «снизу вверх» 304
Надежность, классы 26
— количественные показатели 5, 13
Наплавка износостойких материалов 196
— трением 134
Наработка на отказ 10
Неисправность 4
Никелирование 162
Нитроцементация 187
Обкатывание 191
Обработка дробью 193
Основания буровых установок крупных
блоков 324
— — — мелких блоков 317
— — — морские 333
Осталивание электролитическое 156
Отказы, классификация 4
365
Параметр качества 3
— потока отказов 11
Период межремонтный 64
План - график ремонта 66
Планировка цехов и служб 231
Поверхностная закалка 180
Поверхностный наклеп 190
— — напряженный 192
Поверхностное упрочнение 179
Повреждения химико-тепловые 56
Полимерные покрытия, методы 165
Проект 215
Работоспособность 4
Разрушение деталей, классификация 30
Раскатывание 191
Расчет площади предприятия 226
— числа работающих 224
— — станков 223
Режим работы предприятия 222
Ремонт средний 59
— текущий 59
— капитальный 60
— деталей, классификация способов 114
— — давлением 120
— — механической обработкой, способы
115, 118
— — пайкой 162
— — перезаливкой антифрикционными
сплавами 163
— фундаментов 257
Ремонтный цикл 64
Ремонтопригодность 5
Ресурс 12, 73
Сварка и наплавка деталей, автоматиче.
ская под слоем флюса 129
— — — вибродуговая 132
— — — в среде защитных газов 131
— — — ручная газовая 124
— — — — электродуговая 127
— — — трением 134
Система ППР 58
— — состав 59
— — методика разработки 62
— — теоретические основы 60
Случайные величины, событие 6
Состав ремонтного предприятия 222
Соосность 286
Сохраняемость 5
Среднее квадратичное отклонение 7
Средняя наработка до первого отказа 9
Срок службы 12
Стадии проектирования, задание 216
— — рабочие чертежи 217
— — технический проект 216
Строи 261
Строповка 261
Структура межремонтного цикла 64, 68
Сульфидирование 188
Термомеханическая обработка 195
Техническое обслуживание 59
Трение без смазки 34
— граничное 35
— жидкостное 35
— физическая картина 36
Технологическая часть проекта 217
Тросы 258
Трудоемкость ремонтов, удельная 13
Ударное пластическое деформирование 193
Упрочнение пластическим деформирова-
ниям 190
Усталостная теория изнашивания 37
Фундамент 241
Хромирование 152
— диффузионное 188
Цементация 186
Цинкование 188
Частота отказов 9
Чеканка 194
Экономическая часть проекта 235
Электроискровая обработка 189
Эстакада морская 338
ОГЛАВЛЕНИЕ
ЧАСТЬ!
ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ БУРОВОГО И НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Глава 1. Основные сведения о надежности бурового и нефтегазопромыслового
оборудования ............................................................... 3
§ 1. Основы теории надежности .............................................................................................. 3
§ 2. Оценка надежности оборудования........................................................................................ 14
§ 3. Повышение надежности бурового и нефтегазопромыслового оборудования 24
Глава 2. Виды разрушений деталей бурового и нефтегазопромыслового оборудо-
вания ..................................................................... 30
§ 1. Классификация видов разрушения деталей............................................................... 30
§ 2. Деформация и изломы .................................................................................................. 31
§ 3. Износ ................................................................................................................ 33
§ 4. Химико-тепловые повреждения .......................................................................................... 56
ЧАСТЬ II
РЕМОНТ БУРОВОГО И НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Глава 3. Организация обслуживания и ремонта оборудования......................................................................... 58
§ 1. Система планово-предупредительного обслуживания и ремонта............................................................. 58
§ 2. Теоретические основы системы ППР...................................................................................... 60
§ 3. Методика разработки основных показателей системы ППР.................................................................. 62
§ 4. Система ППР технологического оборудования нефтяной промышленности 64
§ 5. Основные сведения о технической диагностике........................................................................... 69
§ 6. Структура управления ремонтным хозяйством нефтяной промышленности 83
Глава 4. Технология ремонта бурового и нефтегазопромыслового оборудования 86
§ 1. Структура технологического процесса капитального ремонта...... 86
§ 2. Подготовительные работы для сдачи оборудования в ремонт........ 89
§ 3. Моечно-очистные работы...... 90
• § 4. Разборка оборудования ............................................................................................. 94
§ 5. Контрольно-сортировочные работы........................................................ 96
§ 6. Комплектование деталей оборудования............................................... 101
§ 7. Балансировка деталей............................................... 102
§ 8. Сборка оборудования ............................................... 107
§ 9. Приработка и испытание агрегатов и машин..................................... 108
§ 10. Окраска оборудования ...................................... 110
Глава 5. Способы ремонта деталей . . ,................................. ИЗ
§ 1. Причины нарушения и методы восстановления работоспособности сопря-
жений ................................................ 113
§ 2. Классификация способов ремонта изношенных деталей. 114
§ 3. Ремонт деталей механической обработкой..... 115
§ 4. Ремонт деталей давлением................... 119
§ 5. Ремонт деталей сваркой и наплавкой......... 122
§ 6. Ремонт деталей металлизацией............... 143
§ 7. Ремонт деталей гальваническим наращиванием.................................... 149
§ 8. Ремонт деталей пайкой......................................................... 162
§ 9. Ремонт деталей перезаливкой антифрикционными сплавами............................................................... 163
§ 10. Ремонт деталей полимерными покрытиями......................................... 165
§ 11. Ремонт деталей с применением клеевых соединений..................................................................... 168
§ 12. Выбор рационального способа ремонта деталей......................................................................... 176
367
Г л а в а 6. Методы поверхностного упрочнения деталей....................... 177
§ 1. Упрочняющая термическая обработка ............................. 180
§ 2. Упрочняющая химико-термическая обработка....................... 180
§ 3. Упрочняющая электроискровая обработка.......................... 189
§ 4. Упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием 190
§ 5. Упрочняющая обработка наплавкой износостойких материалов....... 196
Глава 7. Типовые технологические процессы ремонта деталей бурового и нефте-
газопромыслового оборудования ............................................... 200
§ 1. Ремонт деталей типа валов...................................... 200
§ 2. Ремонт деталей типа втулок..................................... 204
§ 3. Ремонт деталей типа дисков..................................... 208
§ 4. Ремонт крупногабаритных деталей............................... 2'10
Глава 8. Основы проектирования ремонтных предприятий........................ 215
§ 1. Стадии проектирования........................................... 210
§ 2. Методика проектирования ........................................ 218
Ч А С Т Ь III
МОНТАЖ БУРОВОГО И НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Глава 9. Индустриализация монтажных работ................................... 237
Глава 10. Фундаменты под оборудование и их строительство................... 21.
§ 1. Расчет фундаментов ............................................. 242
§ 2. Конструкции фундаментов ......................................... 248
§ 3 Освоение монтажной площадки и строительство фундаментов.......... 252
Глава 11. Транспортные и такелажные работы. Подъемно-транспортное обору-
дование и такелажный инструмент.............................................. 258
§ 1. Такелажная оснастка.............................................. 258
§ 2. Грузоподъемные машины и механизмы............................... 264
§ 3. Транспорт массивных и габаритных грузов......................... 270
Глава 12. Монтаж машин ..................................................... 280
§ 1. Монтаж рамы ..................................................... 280
§ 2. Сборка крупногабаритного оборудования при монтаже ............... 282
§ 3. Контроль затяжки резьбовых соединений........................... 291
§ 4. Устранение вибрации машин и трубопроводов....................... 294
Глава 13. Особенности монтажа буровых установок . ..................... . . 300
§ 1. Методы монтажа буровых установок................................. 302
§ 2. Расчлененный монтаж буровых установок.......................... 302
§ 3. Мелкоблочный монтаж буровых установок.......................... 317
§ 4. Крупноблочный монтаж буровых установок......................... 324
§5. Краткие сведения о строительстве буровых установок на море....... 333
Глава 14. Особенности монтажа оборудования для добычи нефти................. 343
§ 1. Монтаж оборудования при фонтанной эксплуатации нефтяных скважин 344
§ 2. Монтаж оборудования для поддержания пластового давления и компрес-
сорной эксплуатации нефтяных скважин................................. 347
§ 3. Монтаж оборудования для насосной эксплуатации нефтяных скважин 349
§ 4. Крупноблочный монтаж нефтегазопромыслового оборудования......... 355
Приложение 1, Коэффициенты использования оборудования по машинному
и календарному времени ................................ 358
Приложение 2. Длительность и структура ремонтных циклов..................... 359
Приложение 3. Затраты труда на ремонт оборудования.......................... 360
Список литературы........................................................... 364
Предметный указатель ................................................... 365
368
ОПЕЧАТКА
Страница Строка Напечатано Следует читать
309 23 сверху . . . 300 мм). ... 30 мм).
Заказ 76 3