Эксплуатация и ремонт машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов 

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 напря­жений! сжатия и измельчения кристаллической структуры.

Особенно эффективно упрочнение поверхностным наклепом для деталей, работающих в условиях циклических знакопеременных нагрузок и в корро­зионных средах.

Поверхностный наклеп (ПН) представляет собой поверхностное пластиче­ское деформирование с изменением структуры материала без его полной рекри­сталлизации. 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 механи­ческие 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 на­пряжением для деформации неупрочненного металла. В результате наклепа повышается прочность поверхностного слоя металла и возникает благоприят­ное распределение остаточных напряжений по сечению детали, при котором поверхностный слой оказывается в зоне сжатия.

Установлено, что величина остаточных сжимающих напряжений в поверх­ностном слое после наклепа может достигать более 100 кгс/мм². Сжимающие остаточные напряжения, складываясь в процессе эксплуатации детали с растя­гивающими напряжениями от внешней нагрузки, уменьшают величину послед­них; следовательно, поверхностный слой оказывается менее нагруженным, чем.

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, напря­женный 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 обкаты­вания.

При упрочняющем обкатывании, которое производят при высоких давле­ниях, достигается значительная глубина наклепа, а также создаются большие остаточные напряжения сжатия в упрочненном слое. Шероховатость поверх­ности при этом увеличивается.

Упрочняюще-выглаживающее обкатывание наряду с упрочнением поверх­ностного слоя обеспечивает уменьшение исходной шероховатости поверхности на 2—3 класса (можно получить 11 класс чистоты).

Результаты упрочнения зависят от правильного выбора режимов обкаты­вания (давления, подачи, скорости, числа проходов) и геометрии ролика. ■С увеличением давления глубина наклепанного слоя растет, остаточные напря­жения 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 изготовлен. :и 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 отверстий применяют жесткие (регулируемые и нерегулируемые) и упругие раскатники (рис. 6.11). В качестве рабочего органа используются цилиндриче­ские 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 HRC 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 поверх­ностном упрочнении цилиндровых втулок буровых насосов.

Сущность напряженного поверхностного наклепа заключается в поверхностном пластическом деформировании детали под стати­ческой 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 поверх­ностного наклепа для упрочнения глубиннонасосных штанг, в результате которой коррозионно-усталостная выносливость этих штанг возросла в 2 раза.

Для калибрования от­верстий шариком и оправкой (ста­тическое упрочнение) используется гладкая оправка или шарик, про­талкиваемые через отверстие с натя­гом. В результате повышаются мик­ротвердость поверхности отверстия, ее чистота и точность обработки ( рис. 6.13).

Калибрование отверстий выпол­няется с применением керосина для " чугуна и машинного масла для стали и бронзы. Оно получило распростра­нение в ряде отраслей машинострое­ния; при изготовлении бурового оборудования оно применяется для упрочнения втулок втулочно-роли-ковых цепей.

Ударное ПЦЦ осуществляется следующими способами: обработкой дробью, гидроабразивной обработ­кой, центробежной обработкой, че­канкой, вибрирующим роликом.

В основе процесса обработки 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 длитель­ностью наклепа. Продолжительность наклепа деталей устанавливается экс­периментально 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 кинети­ческой энергии. На ремонтно-механических заводах обработка дробью выпол­няется на специальных механических или пневматических установках. Боль­шее распространение получили механические роторные дробеметы, как наи­более экономичные и обеспечивающие стабильность процесса.

Обработка дробью увеличивает в несколько раз ресурс глубиннонасосных штанг, спиральных пружин и других деталей нефтегазопромыслового обору­дования.

М. М. Саверин приводит следующие данные повышения долговечности деталей (в %) в результате обработки дробью.

Спиральные пружины      ............2900

Рессоры....................600

Термомеханическая обработка большое влия­ние оказывает на повышение прочностных харак­теристик стали: у конструкционных легирован­ных сталей достигаются предел прочности 250— 300 кгс/мм², относительное удлинение 6—8% и ударная вязкость 5—6 кгс-м/см², что превы­шает соответствующие значения этих парамет­ров, полученных после обычной закалки и от­пуска. Упрочнение после ТМО зависит от кон­центрации углерода в стали. Максимальные значе­ния механических характеристик достигаются у сталей, содержащих 0,5—0,6%  С.

Недостатком НТМО является сложность последующей механической обработки из-за повы­шения твердости и прочности, а также снижение эффекта упрочнения в случае эксплуатации детали при температурах выше 100—150° С. При исполь­зовании ВТМО аустенитных сталей и сплавов эффект упрочнения  сохраняется  до 900—950° С.

Термомеханическая обработка широко при­меняется в машиностроении. Для осуществления деформации используется прокатное, волочильное, ковочное  или  штамповочное оборудование.  Для

проведения закалки рядом с указанным оборудованием, располагают охла­ждающие (спрейерные) устройства, в которые детали попадают непосред­ственно после деформации.

Высокую эффективность показала ТМО при упрочнении бурильных труб.