СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ ИМПУЛЬСНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ Российский патент 2007 года по МПК C21D1/04 

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к способам повышения надежности и долговечности рабочих органов погружного оборудования установок электрических центробежных насосов (УЭЦН), используемых в нефтедобывающей промышленности.

В настоящее время в потоке закономерных отказов системы УЭЦН-скважина, вызванных известными осложняющими факторами, велика доля параметрических и абсолютных отказов, вызванных асфальтосмолопарафиновыми отложениями (далее - АСПО) и солеотложениями на рабочих деталях (органах) насосов из-за адгезии на твердой поверхности ядер, кристаллов, конгломератов, выпадающих из перекачиваемой среды вследствие ее неравновесности.

Данные осложняющие факторы входят в число основных факторов, определяющих надежность системы, устранение которых, либо изменение динамики их роста и влияния, в настоящее время представляет собой серьезную проблему.

Данное изобретение решает эту проблему путем обработки поверхности деталей импульсным электромагнитным полем, изменяющей механические, физико-химические, в том числе адгезионные свойства металла.

Из уровня техники известны способы обработки металла импульсным электромагнитным полем. Такая обработка, как правило, осуществляется либо с целью изменения свойств металла, повышающих надежность и долговечность режущего, штампового, горного инструмента (см., например, SU №1440936, кл. C21D 1/04, 1986; SU №1723151, кл. C21D 1/04, 1989; SU №1786116, кл. C21D 1/04, 1989; RU №2009210, кл. C21D 1/04, 1992; RU №2064510, кл. C21D 1/26, 1993; RU №2082766, кл. C21D 1/04, 1995), либо с целью придания металлу новых физических свойств, а именно магнитных свойств (см., например, SU №357265, №607446, кл. C22F 3/02; SU №1723151, кл. C21D 1/04, 1992).

Однако известные способы не позволяют изменять адгезионные свойства поверхности деталей машин и инструментов, работающих в условиях, когда высокая адгезионная активность рабочей металлической поверхности способствует существенному сокращению ресурса работы изделия в целом. К таким изделиям относятся, в частности, рабочие органы погружного оборудования установок электрических центробежных насосов (УЭЦН), используемых в нефтедобывающей промышленности.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ обработки металла по патенту RU №2064510, кл. C21D 1/26, 1993, включающий в себя воздействие на металл, «вне зависимости от его вида: металл в состоянии поставки, заготовка или готовая деталь», импульсного электромагнитного поля с частотой 700-800 Гц, длительностью 3/4р-5/4р периода частоты и напряженностью магнитного поля 2·10⁵-8·10⁶ А/м.

Согласно данному источнику информации обработка, например, стали в импульсном электромагнитном поле указанных параметров приводит, в частности, к увеличению на 6% относительного сужения j и на 23-38% относительного удлинения d, что свидетельствует о повышении пластичности стали. Данный способ позволяет, например, на определенной марке меди (M1) снизить величину удельного сопротивления r и микротвердость H_μ.

Однако полученные экспериментальные данные указывают только на то обстоятельство, что обработка металла импульсным электромагнитным полем эквивалентна по результату рекристаллизационному отжигу, применяемому для холоднокатаной листовой и сортовой стали, холоднотянутой проволоки и холодноштампованных изделий как межоперационная термическая обработка в процессе деформации в холодном состоянии.

В данном источнике информации также, как и в вышеуказанных, отсутствуют какие бы то ни было сведения о том, что обработка металла в импульсном магнитном поле может менять адгезионные свойства поверхности обрабатываемого металла.

В основу настоящего изобретения положена задача разработки эффективного способа обработки металла в виде готовых деталей машин и механизмов, позволяющего увеличить в 2-3 раза их ресурс работы за счет улучшения комплекса эксплуатационных характеристик деталей, в том числе снижения адгезионной активности их рабочих поверхностей.

Поставленная задача решается тем, что обработку деталей осуществляют сильным импульсным магнитным полем в два этапа, на этапе I воздействуют импульсным магнитным полем с частотой 10³÷10⁵ Гц, с амплитудой напряженности 10⁵÷10⁷ А/м, длительностью воздействия от 1 до 10 с; на этапе II используют апериодический импульс магнитного поля с амплитудой напряженности 10⁶÷10⁷ А/м со скоростью нарастания импульса напряженности 10⁹÷10¹¹ А/м/с и длительностью импульса 100÷1000 мкс, при этом число импульсов составляет 10÷100, а градиент напряженности магнитного поля индуктора выбирают равным не менее 10⁵ А/м/мм.

Сущность способа заключается в следующем.

Обрабатываемый объект (деталь) помещают в рабочую зону индуктора и воздействуют сильным импульсным магнитным полем (ИМП) (как средством создания технологического давления) в два этапа, каждый из которых характеризуется определенными параметрами, а именно: на первом этапе воздействуют ИМП с частотой 10³÷10⁵ Гц, с амплитудой напряженности 10⁵÷10⁷ А/м, длительностью воздействия от 1 до 10 с; на втором этапе используют апериодический импульс магнитного поля с амплитудой напряженности 10⁶÷10⁷ А/м со скоростью нарастания импульса напряженности 10⁹÷10¹¹ А/м/с и длительностью импульса 100÷1000 мкс.

Элементом, создающим магнитное поле, которое воздействует на обрабатываемый объект, является индуктор. Индуктор входит в состав установки, обеспечивающей его функционирование и создание магнитного поля с заданными параметрами в течение определенного отрезка времени.

В качестве индуктора для создания магнитного поля может служить катушка соленоида или плоская катушка, намотанная, например, на плоскую панель. Обрабатываемый объект размещают в рабочей зоне индуктора. Соответственно, в зависимости от обрабатываемого объекта осуществляют подбор индуктора, характеризующегося градиентом напряженности его магнитного поля.

Градиент напряженности магнитного поля индуктора - это характеристика самого индуктора и определяется множеством условий: материалом проводника, его поперечным сечением, количеством витков и т.д. В рамках данного изобретения для качественного усиления заявленных эффектов или для получения побочных положительных эффектов индуктор выбирают таким образом, чтобы градиент напряженности создаваемого им магнитного поля был не менее 10⁵ А/м/мм.

На первом, подготовительном, этапе обработки ИМП реализуется комплекс факторов, отвечающих более совершенному напряженно-деформированному и структурному состоянию (далее - НДСС) материала (изменение напряжений I и II рода, деформирование кристаллической решетки и блоков мозаики, появление упорядоченной структуры металла), что является подготовкой детали ко второму этапу обработки ИМП. При этом на этапе I диссипация вводимой энергии ИМП проявляется во внутренних объемных слоях материала на дислокациях, движущихся в объеме.

На втором, основном, этапе обработки ИМП формируется тонкая структура поверхностных слоев твердого тела, отличающаяся специфическим НДСС, характеризующимся пониженной свободной энергией, пониженной физической и химической активностью. На втором этапе диссипация вводимой электромагнитной энергии проявляется в поверхностных микрообъемных слоях на дислокациях, движущихся у поверхности материала твердого тела, что и является причиной снятия (уменьшения) поверхностного натяжения и, соответственно, снижения физической и химической активности поверхности, а, следовательно, ее адгезионных и коррозионных свойств.

Изобретение позволяет улучшить комплекс эксплуатационных характеристик деталей: механических, физических, физико-химических, в том числе существенно понизить такую характеристику поверхности металла, как ее адгезионная активность, ответственную за вывод из строя рабочих органов погружного оборудования установок электрических центробежных насосов (УЭЦН), используемых в нефтедобывающей промышленности.

Как показала серия экспериментов, проведенных в лабораторных условиях, при использовании для обработки деталей ИМП с заявленными характеристиками высокий уровень повышения качества и срока службы достигается при обработке штампов (удалось в 2,5-3 раза повысить их ресурс и, следовательно, снизить затраты на изготовление и эксплуатацию); металлорежущего инструмента: сверл, фрез, резцов (ресурс работы до переточки увеличивается в 2 раза); высока эффективность обработки ИМП горного инструмента.

Однако наиболее важным результатом данного изобретения является эффект, полученный при обработке деталей, контактирующих с внешними средами, в том числе неравновесными и агрессивными, и (или) в парах трения. В частности, обработка ИМП деталей, применяемых в насосостроении и нефтедобыче, приводит к снижению, в потоке закономерных отказов системы УЭЦН-скважина, числа параметрических и абсолютных отказов, вызванных АСПО и солеотложениями из пластового флюида на рабочих органах погружного оборудования скважинных установок электрических центробежных насосов, до 200% (в среднем), что соответствует увеличению в три раза межремонтного периода. Эти результаты являются следствием устранения или существенного ослабления влияния, в частности, следующих причин подъема установок: снижение или потеря подачи из-за отложений в насосе на поверхностях, контактирующих с основными потоками перекачиваемой жидкости; заклинивание или слом вала из-за отложений в насосе на этих поверхностях; снижение или потеря подачи из-за износа поверхностей, контактирующих в парах трения и с жидкостью паразитных перетоков; заклинивание или слом вала из-за износа этих поверхностей.

В качестве конкретного примера осуществления способа обработки магнитным полем различных объектов можно привести обработку деталей насосной ступени УЭЦН.

Следует отметить, что данный пример только иллюстрирует изобретение, но ни в коей мере не ограничивает его.

Пример.

I. Защитную втулку размещают внутри катушки соленоида и проводят обработку ИМП со следующими его характеристиками: I этап: f=10³ Гц, Н=10⁵ А/м, τ=1 с; II этап: n=10 имп., Н=10⁶ А/м, V=10⁹ А/м/с, τ=1000 мкс;

II. Рабочее колесо размещают на горизонтально расположенной плоской панели с намотанной на ней плоской катушкой и обрабатывают ИМП: I этап: f=10⁴ Гц, Н=10⁶ А/м, τ=5 с; II этап: n=50 имп.,Н=5·10⁶ А/м, V=10¹⁰ А/м/с, τ=500 мкс;

III. Направляющий аппарат размещают в комбинированном индукторе: на плоской катушке и соленоиде последовательно и обрабатывают ИМП. На плоской катушке - I этап: f=10⁵ Гц, Н=10⁷ А/м, τ=10 с; II этап: n=100 имп., Н=10⁷ А/м, V=10¹¹ А/м/с, τ=100 мкс. На катушке соленоида - I этап: f=10³ Гц, Н=10⁵ А/м, τ=1 с; II этап: n=10 имп., Н=10⁶ А/м, V=10⁹ А/м/с, τ=1000 мкс.

Результат: увеличение в три раза межремонтного периода, соответственное уменьшение числа ремонтов УЭЦН по вышеуказанным причинам и увеличение времени работы системы УЭЦН-скважина в режиме продуктивной откачки пластового флюида.

Использование: изобретение относится к машиностроению, в частности, к способам повышения надежности и долговечности рабочих органов погружного оборудования электрических центробежных насосов (УЭЦН), используемых в нефтедобывающей промышленности. Техническим результатом изобретения является улучшение комплекса эксплуатационных характеристик деталей: механических, физических, физико-химических и понижение адгезионной активности поверхности металла. Для достижения поставленного технического результата обработку деталей машин и механизмов осуществляют импульсным магнитным полем, создаваемым индуктором магнитного поля, в два этапа, причем на первом этапе воздействуют импульсным магнитным полем с частотой 10³÷10⁵ Гц, напряженностью 10⁵÷10⁷ А/м, длительностью воздействия от 1 до 10 с, на втором этапе используют апериодический импульс магнитного поля с амплитудой напряженности 10⁶÷10⁷ А/м со скоростью нарастания импульса 10⁹÷10¹¹ А/м/с и длительностью импульса 100÷1000 мкс, при этом число импульсов составляет 10÷100, а градиент напряженности магнитного поля индуктора выбирают равным не менее 10⁵ А/м/мм.

Способ обработки деталей машин и механизмов импульсным магнитным полем, создаваемым индуктором, заключающийся в том, что обработку ведут в два этапа, причем на первом этапе воздействуют импульсным магнитным полем с частотой 10³÷10⁵ Гц, напряженностью 10⁵÷10⁷ А/м, длительностью воздействия от 1 до 10 с, на втором этапе используют апериодический импульс магнитного поля с амплитудой напряженности 10⁶÷10⁷ А/м со скоростью нарастания импульса напряженности 10⁹÷10¹¹ А/м/с и длительностью импульса 100÷1000 мкс, при этом число импульсов составляет 10÷100, а градиент напряженности магнитного поля индуктора выбирают равным не менее 10⁵ А/м/мм.