Нанесение защитных покрытий на роторы винтовых забойных двигателей методом лазерной наплавки

Номер документа 7220170047

РУБРИКА:
18. Технологии

РУБРИКА ГРНТИ:
29.33.47. Воздействие лазерного излучения на вещество

АТРИБУТЫ:
Отрасли: нефтегазовая
Тепловая энергия:
Электрическая энергия:
Виды топлива:
Водные ресурсы:

РЕКВИЗИТЫ:
Вид документа: Информационный листок
Номер: 72-019-17
Автор (принявший орган): Тюменский индустриальный университет, Технополис, 625000 г.Тюмень, ул. Володарского,38, Кусков Константин Викторович, к.т.н., директор Технополиса, 8(3452)390316, kuskovkv@tyuiu.ru
Дата: 31.07.2017
Регион: Тюменская область
Источник информации: www.tyuiu.ru

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ ДОКУМЕНТА:

 Предназначено для повышения износостойкости деталей буровой техники, подвергаемых абразивному и коррозионному воздействию среды в процессе эксплуатации

Винтовые забойные двигатели (ВЗД) предназначены для бурения наклонно-направленных, глубоких, вертикальных, горизонтальных и других скважин. Так же применяются для разбуривания песчаных пробок, цементных мостов, солевых отложений и т.д. Применяются в нефтегазовой и нефтегазодобывающей областях. Силовая секция ВЗД предназначена для преобразования потока жидкости во вращательное движение. Она состоит из стального ротора с наружной винтовой поверхностью и статора, который имеет эластичную обкладку с внутренней винтовой поверхностью, выполненную из резины. Основная проблема эксплуатации двигательной секции ВЗД связана с высоким содержанием  абразивных частиц в жидкости, что способствует быстрому износу  ротора. Наработка ВЗД в настоящее время составляет около 200 часов, наиболее частой причиной выхода из строя является разрушение ротора. 
 
Традиционная технология защитного хромового покрытия имеет ряд недостатков: отсутствие стойкости к агрессивным средам (соляная кислота); большое количество ядовитых выделений; небольшая толщина хромового слоя (0,05÷0,2 мм); склонность к скалыванию (видно на фото).
   Существуют альтернативные технологии нанесения защитных покрытий (на основе самофлюсующихся порошков) для повышения износостойкости и коррозионной стойкости деталей. Основными различиями технологий являются источники  энергии, применяемые при нанесении покрытия. Однако после опробования на практике аналогичной технологии по нанесению защитного покрытия на ротор винтового забойного двигателя были выявлены следующие проблемы (на примере газопламенного напыления):
  неравномерность наплавляемого слоя ввиду сложной геометрии;
  перегрев обрабатываемой детали и, как следствие, поводки и внутренние напряжения;
   сложность автоматизации процесса (необходимо контролировать появление зеркальной поверхности);
  низкий коэффициент использования наплавляемого материала; 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Неравномерность толщины покрытия при газопламенном напылении самофлюсующихся порошков     с последующим оплавлением 
 
Для повышения износостойкости ротора ВЗД Технополисом Тюменского индустриального университета совместно с индустриальным партнером при поддержке Министерства образования РФ была проведена работа по разработке, проектированию, изготовлению и монтажу линии по нанесению защитных покрытий методом лазерной наплавки.
Газопорошковая лазерная наплавка – эффективный метод восстановления старых или повышения прочности новых деталей машин и механизмов. С его помощью можно создать новые функциональные свойства наплавляемой поверхности. Лазерная наплавка создает на поверхности изделия плакирующий слой из порошкового материала с проплавлением его посредством лазерного луча. Разработанная технология представляет собой совокупность режимов, позволяющих получить на поверхности ротора покрытие, обладающее следующими параметрами:
      Адгезия ? не менее 300 МПа
      Пористость? менее 0,5%
      Толщина ?не менее 0,3 мм
      Твердость ?58÷62 HRC
      Шероховатость ?не менее 0,8 Rа
 
Срок наработки ВЗД увеличился до 300 часов.
 
Метод нанесения
покрытия
Газопламенное напыление
Плазменное напыление
Высоко-
скоростное напыление
Лазерная наплавка
Производи-тельность,
кг/час
3-15
2-10
8-10
0,8
Адгезия, МПа
100
100
200
360
Пористость,%
7-20
12
1
0
Толщина, мм
0,5-15
0,05-20
0,03-10
0,01-5,0
Значительное термическое воздействие на деталь
ДА
ДА
ДА
НЕТ
 
 
К основным технологическим преимуществам метода лазерной наплавки можно отнести следующие:
Минимальные тепловые вложения в наплавляемую деталь;
Минимизация термических поводок и зон термического влияния;
Минимизация коэффициента перемешивания наплавляемого металла с основой (минимальная глубина проплавления основного металла составляет несколько десятков микрон);
Возможность наплавки поверхностных слоев минимальной толщиной в несколько сот микрон;
Возможность сформировать заданные функциональные (служебные) свойства наплавленного слоя за один проход при минимальной толщине слоя в несколько сот микрон;
Высокое значение адгезии наплавленного слоя А> 300 МПа с подложкой, так как взаимодействие наплавленного слоя с подложкой металлургическое;
Возможность формирования поверхностного слоя с улучшенными характеристиками: повышенной износостойкостью, ударной вязкостью, коррозийной стойкостью по сравнению с классическими методами наплавки;
Возможность обработки деталей больших габаритов благодаря высокой производительности наплавки;