Эксплуатация и ремонт машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов 

При эксплуатации деталей оборудования наблюдается равномерный и неравномерный износ, а также образование рисок и надиров на рабочих поверхностях деталей.
Поскольку при работе детали оборудования подвергаются чаще всего переменным по
величине и знаку нагрузкам, то наибольшее распространение имеет неравномерный 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 или при работе деталей в абразивной среде.

Быстрому изнашиванию подвергаются бурильные замки, из-за многократного свинчивания - развинчивания, усталости от циклических нагрузок изнашивания резьбы струей промывочной жидкости и наружной поверхности трением о стенки скважины.

Износ от действия промывочной жидкости служит причиной быстрого разрушения деталей буровых насосов: цилиндровых втулок, поршней, клапана, штока.

Износ деталей — основной дефект, приводящий к выходу машин из строя. Другие виды повреждений деталей менее распространены в эксплуатации бурового и нефтегазопромыслового оборудования. Поэтому всестороннее изучение явлений изнашивания и их причин чрезвычайно важно.

КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ИЗНАШИВАНИЯ

В классификации три основных вида изнашивания — механическое, молекулярно-механическое и коррозионно-механическое.

Механическое изнашивание — изнашивание в результате механических воздействий. В свою очередь механическое изнашивание подразделяется на:

1)абразивное, 2)гидроабразивное, 3)газоабразивное, 4)эрозионное, 5)усталостное и кавитационное.

Абразивное изнашивание — механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц. Очень опасен износ поверхностей твердыми подвижными частицами, попадающими между трущимися поверхностями (например, с загрязненной смазкой).

Абразивная эрозия, гидро- и газоабразивное изнашивание — основной вид изнашивания деталей насосов, трубопроводов, арматуры, дымососов, вентиляторов, эжекторов, пескоструйных
аппаратов в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа.

Усталостное изнашивание –изнашивание при котором повторное деформирование микрообъемов материала приводит к возникновению трещин и отделению частиц. (При трении качения: шарик или ролик, перемещаясь по поверхности кольца подшипника, гонит перед собой волну сжатия материала, а сзади создает зону растяжения.)

К а в и т а ц и о н н о е 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 изнашивание во много раз активнее других видов изнашивания.
В результате сочетания кавитационно-эрозионного и гидроабразивного видов изнашивания под действием потока промывочной жидкости, как правило, выходят из строя отводы вертлюгов.

Молекулярно-механическое изнашивание. Молекулярное взаимодействие между поверхностями, находящимися друг от друга на расстоянии действия атомных сил равном 3—5 А⁰ (3—5∙10^-7 мм), возможно, если между этими поверхностями полностью отсутствуют смазка, адсорбированные пленки окислов и загрязнений и имеются значительные местные напряжения сжатия. Это характерно для трения со значительными пластическими деформациями и обнажениями чистого материала. Молекулярно-механическое изнашивание весьма активно (более 6 мкм/ч) — коэффициент трения при схватывании возрастает до 4 — 6 единиц, образуются глубокие задиры поверхностей и может быть заклинивание.

К о р р о з и о н н о - м е х а н и ч е с к о е  и з н а ш и в а н и е. Среда, окружающая трущиеся поверхности, вступает с их материалом:  в химическое 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 слой. Например, защитным слоем от окислительного действия атмосферного воздуха обладают поверхности алюминиевых деталей.

2.3.4 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.

Изнашиваемость - свойство материала детали поддаваться изнашиванию. Изнашиваемость - свойство, противоположное износостойкости.

Факторы, влияющие на износостойкость деталей: качество материала 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 поверхностей; форма и размер зазора между сопряженными поверхностями; условия смазки трущихся поверхностей; наличие, размер и форма абразива, участвующего в процессе трения, и физико-механические свойства абразива.

Качество материала детали 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 оказывают большее сопротивление внедрению абразивных частиц. Исследования показали, что с увеличением твердости стали ее износостойкость повышается.

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 оборудования, работающего в сложных условиях, широко применяются высокопрочные хромистые, хромо-никелевые и другие легированные стали со значительной вязкостью.

На износостойкость металлов и сплавов большое влияние оказывает их х и м и ч е с к и й состав и с т р у к т у р а.

Наиболее износостойкий сплав — сталь, имеющая мелкозернистую структуру. Чем выше содержание углерода в стали, тем больше ее износостойкость.

Выводы о связи износостойкости с твердостью металлов:

1) при одной и той же термической обработке возрастание твердости углеродистой 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.