65338

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТА РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ЕЛЕКТРОШЛАКОВОГО ЛИТТЯ КОРПУСІВ ФЛАНЦЕВОЇ АРМАТУРИ ВИСОКОГО ТИСКУ

Автореферат

Производство и промышленные технологии

Метою роботи було розв’язання важливої народногосподарської задачі що полягає в створенні в Україні ефективного промислового виробництва високоякісних заготовок корпусів фланцевих засувок для видобутку нафти і природного газу з великих глибин методами електрошлакової технології.

Украинкский

2014-07-28

7.98 MB

0 чел.

PAGE  25

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання  ім. Є.О. Патона

На правах рукопису

Полєщук Михайло Анатолійович

                 

УДК 669.117.56

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТА РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ЕЛЕКТРОШЛАКОВОГО ЛИТТЯ КОРПУСІВ ФЛАНЦЕВОЇ АРМАТУРИ ВИСОКОГО ТИСКУ

Спеціальність 05.16.02

«Металургія чорних та кольорових металів і спеціальних сплавів»

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2010    

                                                              

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона Національної академії наук України


Науковий керівник –                    доктор технічних наук,    

                                                       старший науковий співробітник                     

                                                       Шевцов Віктор Львович,

                                                       старший науковий співробітник,

                                                      Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

Офіційні опоненти:                      доктор технічних наук,    

                                                       старший науковий співробітник                     

                                                       Саєнко Володимир Якович,

                                                       провідний науковий співробітник,

                                                      Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

                                                       кандидат технічних наук,    

                                                       докторант кафедри ФХОТМ ІФФ                    

                                                       Скрипник Сергій Вадимович,

                                                      Національний технічний університет України

                                                      «Київський політехнічний інститут»

Захист відбудеться «07» жовтня 2010 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона за адресою: 03680, Київ-150, вул. Боженка, 11, корп. 4.

                                        
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона за адресою: 03680, Київ-150, вул. Боженка, 11, корп. 4.

Автореферат розісланий        «03» вересня  2010 р.  

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради                                                                           

доктор технічних наук                                                                 Л.С. Киреєв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з пріоритетів розвитку економіки України є збільшення власного видобутку нафти і природного газу. На території нашої країни найбільш перспективні їх родовища залягають на великих глибинах. Для їхнього видобутку фонтанним методом потрібне спеціалізоване обладнання, здатне працювати при тиску до 70 МПа. Таким обладнанням є так звана фонтанна арматура, яка встановлюється на устя кожної свердловини і регулює потік продукту, що видобувається. До початку цієї роботи фонтанну арматуру на тиск 70 МПа в Україні не виготовляли, а купували переважно у Франції, Німеччині та США.

Основним елементом фонтанної арматури є прямоструминні засувки. Корпуси таких засувок на кінцях патрубків мають масивні фланці, які потрібні для нарізного з’єднання. Корпуси таких засувок для надійності виготовляють із сталей підвищеної міцності з достатнім запасом пластичності. Заготовки корпусів за кордоном отримують куванням або штампуванням. Така технологія вимагає наявності унікального пресового обладнання і оснащення, що значно здорожує виробництво засувок. Саме тому імпорт фланцевих засувок і фонтанної арматури у цілому вимагає великих фінансових витрат. Альтернативою штампуванню є вітчизняна технологія електрошлакового лиття (ЕШЛ), що розроблена в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона під керівництвом Б.Є. Патона за участю Б.І. Медовара, Г.О. Бойка, І.Й. Кумиша та ін. Метал заготовок, отриманих за цією технологією, має механічні властивості не гірші, ніж у штампованих. При цьому їхнє виробництво значно простіше та дешевше. Однак існуючі методи ЕШЛ не дозволяють отримувати заготовки корпусів з фланцями на кінцях патрубків. Тому створення в Україні виробництва фланцевих засувок на тиск до 70 МПа методами електрошлакових технологій є дуже актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в період з 2003 по 2009 рр. у відділі нових фізико-хімічних способів зварювання ІЕЗ ім. Є.О. Патона відповідно до планів науково-дослідних робіт відомчого замовлення НАН України: №1.6.1.6.38.8  та 1.6.1.6.38.1, а також в рамках госпдоговірних  науково-дослідних робіт з низкою підприємств України, в яких автор брав участь як виконавець.

        Мета і задачі дослідження. Метою роботи було розв’язання важливої народно-господарської задачі, що полягає в створенні в Україні ефективного промислового виробництва високоякісних заготовок корпусів фланцевих засувок для видобутку нафти і природного газу з великих глибин методами електрошлакової технології.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

- розробити нові спеціальні технологічні прийоми для отримання мето-дом ЕШЛ виробів потрібної геометрії, які неможливо виготовити існуючими способами;

- вивчити вплив цих прийомів на формоутворення електрошлакових виливок;

- дослідити механічні властивості литого електрошлакового металу заготовок складної форми і забезпечити їх відповідність вимогам АРІ до обладнання, яке працює при тиску до 70 МПа.

        Об’єкт дослідження. Об'єктом досліджень в даній роботі був електрошлаковий процес, що використовувався як засіб виготовлення литих заготовок корпусів фланцевих засувок високого тиску.

       Предметом дослідження були дві нові технології ЕШЛ заготовок корпусів засувок з фланцями на кінцях патрубків:

- електрошлакове лиття суцільнолитих заготовок корпусів засувок з багаторазовою зміною площі перерізу із сталей різних класів;  

- електрошлакове лиття заготовок корпусів фланцевих засувок з середньовуглецевих легованих сталей з приплавленням попередньо виготовлених патрубків з фланцями.

       Методи дослідження. Відповідно до поставленої мети використовували сучасні методи досліджень із залученням загальноприйнятих методик вимірю-вання електричних параметрів процесу електрошлакового плавлення, мета-лографічних досліджень макро- і мікроструктури металу, в тому числі, з використанням методу локального мікрорентгеноспектрального аналізу, стандартних методик визначення механічних властивостей металу, спеціально розроблених методик математичного та комп’ютерного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів. 

Вперше отримано залежність довжини (до 250 мм) якісно формованої центральної частини заготовки від питомої потужності, що виділяється в шлаковій ванні. Вона дозволяє обирати оптимальні електричні параметри електрошлакового процесу виплавки суцільнолитих заготовок корпусів фланцевих засувок різних типорозмірів.

Вперше за допомогою тривимірної математичної моделі встановлено характер перерозподілу джерел тепловиділення в шлаковій ванні при приплавленні патрубків у процесі виготовлення заготовок корпусів фланцевих засувок. Виявлено виникнення поблизу торців патрубків окремих зон тепловиділення інтенсивність якого сягає 10% зони в піделектродній області. Отримано залежності величини джерел джоулевої теплоти в цих зонах від глибини шлакової ванни (40-80 мм), напруги на шлаці (40-60 В) і діаметрів витратних електродів (100-130 мм), патрубків (120-160 мм) і кристалізатора (230-300 мм).

Вперше в зоні термічного впливу при зварюванні середньовуглецевих легованих сталей методом електрошлакового лиття з приплавленням (ЕШЛП) виявлено підвищення на 30-50% ударної в'язкості металу після загартування з відпуском по лінії сплавлення. Встановлено, що причиною цього явища є висока ступінь гомогенізації металу по лінії сплавлення, викликана тим, що час перебування металу цієї зони при високій температурі в процесі приплавлення  як мінімум в 1,5 раза більше, ніж при електрошлаковому зварюванні найбільших заготовок.

Практичне значення одержаних результатів. Розв’язана важлива народногосподарська задача – вперше створено ефективне промислове виробництво високоякісних фланцевих засувок, застосовуваних для видобутку нафти і природного газу при тиску до 70 МПа, з міцними корпусами, що виробляють методами електрошлакової технології:

- методом електрошлакового лиття суцільнолитих заготовок корпусів засувок з багаторазовою зміною площі перерізу із сталей різних класів;

- методом електрошлакового лиття центральної частини заготовки корпусу засувки із середньовуглецевої легованої сталі з одночасним приплавленням до неї попередньо виготовлених патрубків з фланцями.

Особистий внесок здобувача полягає у самостійному пошуку та аналізі літературних джерел щодо дисертаційного дослідження. Поставлення мети дослідження, вибір експериментальних і теоретичних методик, обговорення отриманих результатів проводилося разом з науковим керівником. Автор провів експериментальне дослідження залежності довжини якісно формованої центральної частини суцільнолитих заготовок від питомої потужності, що виділяється в шлаковій ванні. Проаналізував результати металографічних досліджень структури електрошлакового металу суцільнолитих заготовок корпусів фланцевих засувок, результати механічних випробувань зразків металу всіх частин цих заготовок та визначив анізотропію механічних властивостей металу кожної її частини[1,3].

Автор разом з керівником запропонував технологію процесу ЕШЛП, яка  дозволяє виготовляти із середньовуглецевих легованих сталей заготовки корпусів фланцевих засувок необхідних типорозмірів. Проаналізував причини виникнення дефектів при формуванні галтелей на початку і при завершенні етапу приплавлення патрубків та результати металографічних досліджень структури електрошлакового металу і металу на лінії сплавлення. При оцінюванні механічних властивостей металу на лінії сплавлення вперше виявлено значне зростання показників пластичності та ударної в’язкості середньовуглецевих легованих сталей[2,6,9,10].

 Автором проаналізовано результати металографічних і мікрорентгено-спектральних досліджень, проведених під керівництвом академіка НАН України Г.М. Григоренка у відділі фізико-хімічних методів дослідження матеріалів ІЕЗ ім. Є.О. Патона канд. техн. наук Г.М. Горданем та науковим співробітником Т.Г. Соломійчук мікроструктури металу по лінії сплавлення після лиття та після відпалу та загартування з відпуском. Встановлено, що причиною аномально високої в’язкості середньовуглецевої легованої сталі в зоні термічного впливу є висока ступінь гомогенізації металу, яка характерна для процесу електрошлакового лиття з приплавленням[4].

Автором запропоновано схеми проведення вимірювання електричних параметрів процесу ЕШЛП. Експериментально визначена частка струму, що проходить через шлакову ванну до патрубків у процесі приплавлення, і впливає на якість їхнього з'єднання з центральною частиною заготовки корпусу. Разом з науковим співробітником О.Ф. Мужиченко (відділ математичних методів досліджень фізико-хімічних процесів ІЕЗ ім. Є.О.Патона) шляхом математичного моделювання вперше розв’язано тривимірну задачу розподілу в об'ємі шлакової ванни щільності струму і питомих джерел теплоти при різному положенні дзеркала металевої ванни, запропоновано схему граничних умов. Виявлено, що з початком процесу приплавлення в об’ємі шлаку проходить перерозподіл джерел тепловиділення. Поблизу торців патрубків виникають окремі зони інтенсивного тепловиділення. Встановлено залежність їхніх значень від параметрів процесу[5,8].

      Автором також проведено аналітичну обробку експериментальних даних щодо значень зсуву патрубків у процесі приплавлення. Запропоновано методи розрахунку оптимальних значень зсуву[7].

       Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи повідомлені й обговорені на 7-й Всеросійській науково-практичній конференції з міжнародною участю «Інноваційні технології і економіка в машинобудуванні» (м. Юрга, Російська Федерація, 2009 р.), на 4-й Міжнародній конференції «Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій» (м. Львів, Україна, 2009 р.), на 5-й Міжнародній конференції «Математичне моделювання та інформаційні технології в зварюванні і споріднених процесах» (пгт Кацивелі, Крим, Україна, 2010 р.).

Публікації. Матеріали і основні положення дисертаційної роботи опубліковано у 10-и наукових працях, з них 5 у фахових виданнях переліку ВАК України. За результатами роботи отримано два патенти України на корисні моделі за способом виготовлення фланцевої засувки та способом виготовлення фасонних заготовок методом електрошлакового лиття з приплавленням.

        Структура і обсяг роботи. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації 129 сторінок, з них 120 сторінок основного тексту, 54 малюнка,      15 таблиць, список використаних джерел з 81 найменувань і 2 додатка.    

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, показаний її зв'язок з науковими програмами і темами. Сформульовано мету досліджень, визначено об’єкт та предмет, розкрито наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, визначено особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію результатів.

Перший розділ «Аналіз існуючих способів виготовлення корпусів засувок високого тиску» є літературним оглядом. В ньому розглянуто умови роботи і конструктивні особливості фонтанної арматури, що використо-вується для видобутку нафти і природного газу, та її основного елемента – прямоструминних засувок високого тиску з фланцями на кінцях патрубків (рис. 1).

Наведено дані про сучасні технології (ковальсько-пресовий метод, штампування, звичайне лиття) виготовлення заготовок корпусів засувок. Проаналізовано можливості електрошлакових технологій для отримання зливків, литих заготовок та зварних з’єднань, метал яких за механічними властивостями не поступається поковкам або штамповкам. Проаналізовано відомі способи ЕШЛ фасонних заготовок різних розмірів і геометрії. Окремо розглянуто способи ЕШЛ, що використовуються для промислового виробництва корпусів засувок з патрубками під зварювання (рис. 2).

Рис.1. Схема прямоструминної засувки високого тиску з фланцями на кінцях патрубків

                                      а                                            б

Рис. 2. Схеми ЕШЛ заготовок корпусів засувок з патрубками під зварювання:  а - без порожнини; б - з внутрішньою порожниною:

1 - піддон; 2 - електрошлакова відливка; 3 - металева ванна; 4 - шлакова ванна; 5 - витратний електрод; 6 - частокіл електродів; 7 - охолоджувальний дорн;

8 - кристалізатор; 9 - джерело живлення

Ці способи дозволяють отримувати корпуси масою до 2 т, не вдаючись до кування.

Високі механічні властивості металу литих електрошлакових заготовок є гарантією експлуатаційної надійності, тому з них виготовляють засувки з патрубками під зварювання, що працюють на теплових та атомних електростанціях при тиску до 10 МПа.

Однак корпуси засувок з фланцями мають значно складнішу форму. Їх не можна отримати за відомими схемами ЕШЛ, оскільки не вдається сформувати фланці на кінцях патрубків (див. рис.1). Таким чином, створення нових методів ЕШЛ, що дозволяють отримувати заготовки корпусів фланцевих засувок є актуальним.

Другий розділ «Створення технології ЕШЛ суцільнолитих заготовок корпусів фланцевих засувок» присвячено розробці технології електрошка-кового лиття заготовок з багаторазовою зміною площі перерізу. У фонтанній арматурі використовують прямоструминні засувки різних типорозмірів з умовним проходом діаметром від 50 до 100 мм та масою до 500 кг на робочий тиск 35 або 70 МПа. Загальноприйнята специфікація Американського нафтового інституту (API) для кожного робочого тиску  передбачає мінімальний рівень механічних властивостей металу, з якого має виготовлятись устаткування для оснащення промислового виробництва (табл. 1). Для забезпечення цих вимог закордонні фірми використовують середньовуглецеві леговані сталі типу 34СrМо4, аналогом якої є вітчизняна

Таблиця 1

Вимоги API до механічних властивостей сталей залежно від тиску

Робочий

тиск

МПа

sт,

МПа

sв,

МПа

d,

%

ψ,

%

KCU,

Дж/см2

35

310

483

19

35

20

70

517

655

17

32

20

сталь 38ХМ. Оскільки ці сталі погано зварюються, то для корпусів засувок, що працюють при тиску до 70 МПа, специфікація АРІ забороняє застосування дугового зварювання.

Для формування фланців на кінцях патрубків розроблено новий спосіб ЕШЛ, при якому вісь засувки, що проходить через патрубки, розташовують вертикально (рис. 3).

                                  а                                  б                                в

Рис. 3. Схема виплавлення суцільнолитої заготовки корпусу засувки з фланцями на кінцях патрубків: а - початок процесу; б - виплавлення центральної частини; в - завершення виплавлення:

1 - піддон; 2 - кристалізатор; 3 - шлакова ванна; 4 - витратний електрод;             5 - заготовка; 6 - металева ванна; 7 - джерело живлення

Витратний електрод подають в плавильний простір з боку майбутнього верхнього фланця, а нижній фланець формується на піддоні. Далі плавка  переходить у вужчу порожнину патрубка, а потім в найширшу, в якій виплавляється центральна частина корпусу. Надалі розміри плавильного простору змінюються в зворотному порядку. При створенні цієї технології основною складністю було отримання якісної центральної частини заготовки корпусу після переходу плавки з вузької порожнини патрубка в порожнину значно більшу за площею. В цей час значно зменшується глибина шлакової ванни та різко зростає відведення теплоти від рідких металу та шлаку в охолоджувану стінку кристалізатора, що перешкоджає якісному формуванню центральної частини корпусу засувки. Для встановлення оптимальних електричних режимів ЕШЛ було експериментально визначено залежність довжини якісно формованої заготовки від питомої потужності, що виділяється в шарі шлаку постійної товщини (рис. 4).

Рис. 4. Залежність довжини якісно формованої центральної частини заготовки від питомої потужності, що виділяється в шлаковій ванні

Ця залежність дозволяє вибирати мінімальну електричну потужність, яку необхідно виділити в шлаковій ванні для формування якісного корпусу кожного типорозміру заготовки. Виходячи з значень потужності і діаметру витратного електроду призначають робочий струм і напругу на шлаковій ванні.

Ще однією проблемою при такій схемі ЕШЛ є те, що в процесі плавлення кристалізатор перешкоджає температурній усадці литого металу в поздовжньому напрямі. Це призводить до виникнення в заготовці  розтяжних напружень, що можуть викликати появу тріщин в районі патрубків та деформацію кристалізатора. Для запобігання цьому була створена конструкція розбірного і піддатливого в поздовжньому напрямі кристалізатора. В таких кристалізаторах у місцях зміни площі плавильного простору були передбачені галтелі й ухили, що забезпечують безперешкодне заповнення внутрішньої порожнини розплавленим металом і його послідовне твердіння. Були встановлені оптимальні параметри електрошлакового процесу, що дозволили стабільно отримувати заготовки двох типів Ду 50х70 та Ду 80х70 з якісною зовнішньою поверхнею без гофр і пережимів (рис. 5).

 

Рис. 5. Суцільнолита заготовка  корпусу фланцевої засувки Ду 80х70 зі сталі 40ХН2М

Дослідження якості металу суцільнолитих електрошлакових заготовок корпусів підтвердило, що він у всіх частинах щільний і однорідний, дефекти усадкового і лікваційного походження відсутні (рис. 6),

Рис. 6. Макроструктура заготовки корпусу фланцевої засувки Ду 80х70

а його механічні властивості повністю задовольняють вимогам API (табл. 2).

Таблиця 2

Механічні властивості металу електрошлакової суцільнолитої заготовки зі сталі 40ХН2М

з/п

Місце і напрямок вирізання зразків

sт, МПа

sв, МПа

d,%

ψ,%

KCU,

Дж/см2

1

Фланець, поперечні

667,1

805,5

19,4

48,4

115,0

2

Фланець, поздовжні

654,1

790,5

18,9

45,9

104,3

3

Патрубок, поздовжні

619,8

726,4

18,3

46,6

118,8

4

Патрубок, поперечні

676,8

723,8

18,5

45,5

122,3

5

Корпус, поздовжні

666,0

803,9

19,4

53,1

120,0

6

Корпус, поперечні

664,1

800,5

19,6

46,9

105,3

Вимоги API для 70 МПа

517

655

17

35

20

Вимоги ДСТУ для  КП 540

540

685

12

35

44

Коефіцієнт анізотропії механічних властивостей металу (табл. 3) розрахо-

Таблиця 3

Коефіцієнт анізотропії механічних властивостей металу різних

частин заготовок корпусів фланцевих засувок

Метод виготовлення

заготовки корпусу

Корпус

Патрубок

Фланець

ЕШЛ

1,14

1,35

1,31

Штампування «Cameron»

3,22

вували за формулою           

                                   N= 0,5 (1 / 2 +  KCU 1/ KCU 2 ),                                (1)

де ψ, KCU – показники відповідно відносного звуження і ударної в'язкості металу; індекси 1 і 2 вказують на результати випробування зразків, вирізаних у взаємно перпендикулярних напрямах.

Як видно, анізотропія механічних властивостей металу кожної частини литого корпусу значно менша, ніж у штампованої заготовки фірми «Cameron». Все це дозволило спрогнозувати підвищену надійність литих електрошлакових корпусів при експлуатації під високим тиском.

Розроблена технологія ЕШЛ дозволяє отримувати суцільнолиті заготовки із сталей різних класів, у тому числі високолегованих, потрібних для виготовлення корозійностійких засувок. Однак ця технологія має певні недоліки.

По-перше, використовувана схема ЕШЛ вимагає застосовувати довгі витратні електроди з меншим діаметром, ніж діаметр патрубка (див. рис. 3). Тому для виплавки заготовок засувок великої маси потрібні унікальні електрошлакові  установки з  високою колоною.

По-друге, у зв'язку з багаторазовою різкою зміною площі перерізу плавильного простору в певні моменти плавки необхідно кілька разів змінювати електричний режим процесу.

Нарешті, по-третє, несиметрична конструкція центральної частини складеного кристалізатора призводить до появи в ньому теплових залишкових деформацій, що значно зменшує термін експлуатації дорогого мідного оснащення. 

Усі ці обставини змусили розробити простішу технологію для виготовлення заготовок корпусів фланцевих засувок у звичайному виконанні.

В третьому розділі «Розробка технології виготовлення корпусів фланцевих засувок методом ЕШЛ з приплавленням» наведено результати роботи зі створення способу, який передбачає електрошлакову виплавку лише центральної частини заготовки корпусу засувки з одночасним приплав-ленням до неї двох попередньо виготовлених патрубків з фланцями. Цей процес, який є симбіозом електрошлакового лиття і електрошлакового зварювання (ЕШЗ), раніше був розроблений в ІЕЗ ім. Є.О. Патона для виготовлення заготовок складної форми із сталей, які добре зварюються, марок 20, 20Г і 22К. Складність нашого завдання полягала в необхідності отримання якісного з'єднання з середньовуглецевих легованих сталей. При ЕШЗ заготовок з таких сталей практично неможливо отримати рівноміцне з’єднання, використовую-чи присадковий електрод такого ж хімічного складу, що і зварювані деталі. З початку проведення досліджень для посилювання умов експерименту ми використовували сталь 40Х, яка найбільш схильна до утворення тріщин при зварюванні, ніж інші сталі цього класу, леговані молібденом або нікелем.

При ЕШЛП заготовки корпусу засувки з фланцями витратний електрод переплавляли в спеціальному кристалізаторі з горизонтальним розніманням і бічними отворами, в які перед плавкою вставляли патрубки з фланцями.

                    а                                            б                                     в

Рис. 7. Схема процесу ЕШЛП заготовки корпусу фланцевої засувки:

а - початкова стадія; б - стадія приплавлення; в - завершальна стадія;

1 - піддон; 2, 4 - кристалізатор (відповідно нижня і верхня частина);

3 - патрубки з фланцями; 5 - витратний електрод; 6 - шлакова ванна;

7 - металева ванна; 8 - джерело живлення; 9 - виплавлена частина заготовки; 10 -  напрям протікання електричного струму

Процес проходить в три стадії (рис. 7). Перша починається з «сухого» старту і закінчується, коли рівень шлакової ванни досягає нижніх країв торців патрубків. На другій стадії шлакова і металева ванни переміщаються вгору вздовж торців патрубків, де відбувається їхнє приплавлення. Під час третьої стадії виплавляється верхня частина заготовки корпусу і виводиться усадкова раковина. В ході приплавлення торці патрубків прогріваються і підплав-ляются. Величина їхнього провару залежить від електричного режиму плавки, маси патрубків і умов тепловідводу від бічної поверхні (рис. 8).

                        

                         а                                                        б

Рис. 8 . Збільшення глибини проплавлення залежно від діаметра    

патрубка: а - діаметр патрубка 120 мм; б - діаметр патрубка 160 мм;

1 - литий електрошлаковий метал, 2 - лінія сплавлення, 3 - метал патрубка

У верхній частині патрубка провар може бути більший, ніж у нижній. Знизу і з боків патрубків за відсутності провару галтелі не формуються і в таких місцях між патрубком і литим металом залишається шлак. При великому проварі проплавлення верхньої частини патрубків може поширю-ватися далеко вглиб отворів в охолоджуваній стінці кристалізатора і навіть виходити за її межі. В цьому випадку можливе проплавлення бічної поверхні патрубка з витіканням металу або утворення шлакових включень у верхній частині патрубка.

Особливістю ЕШЛП є те, що на стадії приплавлення (див. рис. 7б) в шлаковій ванні з'являються додаткові шляхи протікання струму від витратного електрода до патрубків. Вони впливають на розподіл теплоти в шлаці, а значить і на якість приплавлення. Досліджували це явище за допомогою математичного моделювання характеру розподілу електричного струму і тепловиділення в об’ємі шлаку. Подібні задачі раніше розглядалися в двовимірній постановці. Відмінністю нашої є те, що в області приплавлення патрубків вона стає тривимірною.

Розв’язання починали з побудови тривимірної моделі заготовки в конструкторській програмі Autocad, яку потім втягували в розрахункову програму ANSYS. Моделювали лише плавильний простір обмежений: зверху – торцем витратного електрода Ге, і вільною поверхнею шлакової ванни Гш; знизу – дзеркалом розплавленого металу Гм; з боків – стінкою кристалізатора, вкритою гарнісажем Гк і торцем патрубка Гп, а також двома площинами симетрії ГС1 і ГС2 (рис. 9).

Рис. 9. Схема граничних умов, прийнятих при розв’язанні задачі:

1 - виплавлена частина заготовки; 2 - шлакова ванна; 3 - витратний електрод;

4 - патрубок, що приплавляється; 5 - кристалізатор; 6 - гарнісаж

Для визначення щільності струму у шлаковій ванні використовували поле потенціалів 

                                               div (σ grad φ) = 0,                                                  (2)                                                                                              

де =(t) - питома електропровідність шлаку, Ом-1мм-1; t - температура шлаку, 0С.

Далі розраховували об'ємну щільність джерел теплоти, що виділяється в шлаковій ванні q (Вт/мм3)

                                                        q= | grad  |2,                                            (3)

де - потенціал електричного поля, В.  

Розв’язання рівнянь (2) і (3) шукали в квазістаціонарній постановці для різних положень дзеркала металевої ванни відносно поздовжньої осі патрубка, що приплавлявся, за граничних умов, зазначених в табл. 4.

Таблиця 4

Граничні умови для розрахунку розподілу об'ємних джерел теплоти

Межа

, В

, Ом-1мм-1

Тс, С

ГЕ

=U

М(T)

1510

ГШ

/dy=0

Ш(T)

1600

ГМ

=U0

М(T)

1550

ГК

0

1200

ГП

=U0

М(T)

1510

ГС1,  ГС2

dI/dn=0;  dφ/dn=0

М(T), Ш(T)

ТШ, ТМ

Примітка: величина струму І у амперах; n- нормаль до площини симетрії.

Для перевірки адекватності розробленої моделі реальному процесу проведено розрахунок інтегральних значень струму на межах патрубків, витратного електрода і металевої ванни для різних моментів ЕШЛП. Розрахункові значення струму порівнювали з експериментальними (рис. 10), що отримані при виготовлені заготовок корпусів Ду 80х70 (робочий струм 3,2 кА, напруга 40 В, шлакова ванна з флюсу АНФ-6 глибиною 75 мм). Спостері-

Рис. 10. Співставлення розподілу струму І залежно від висоти заготовки корпусу засувки h: 1 -  струм електроду; 2 - струм піддону; 3 - струм патрубка

гається добра кореляція між розрахунковими і експериментальними даними. Це підтверджує правильність вибору граничних умов.

В результаті математичного моделювання встановлено, що на етапі приплавлення відбувається перерозподіл джерел тепловиділення в об'ємі шлаку. Поблизу торців патрубків виникають нові зони інтенсивного тепловиділення (рис. 11). Завдяки цьому при надійному електричному контак-

             а     б                         а      б                        а      б                          а     б

               І                                 ІІ                               ІІІ                               ІV

Рис. 11. Розподіл щільності струму (а) і джерел джоулевої теплоти (б) при ЕШЛП заготовок корпусів засувок Ду 80х70 і  Ду 50х70 у вертикальному перерізі шлакової ванни при різних положеннях дзеркала металевої ванни від осі патрубка: І - 170 мм ; II - 80 мм; III - 0 ; IV - 120 мм

ті піддону з патрубками їхні торці прогріваються сильніше, гарантовано оплавляються і утворюють необхідні галтелі по всьому периметру з'єднання. Отримано підтвердження залежності значень джерел теплоти в цих зонах від геометричних розмірів плавильного простору (рис. 12), а також від падіння напруги на шла-

аб

Рис. 12. Розподіл  питомих джерел теплоти  в шлаковій ванні при ЕШЛП заготовок різних розмірів Ду 80х70 (а) і Ду 50х70 (б)

ковій ванні та її глибини (рис. 13).

                           а                                                            б

Рис. 13. Залежність додаткового тепловиділення біля торця патрубка від напруги на шлаковій ванні (а) і від її глибини (б) у момент положення дзеркала металевої ванни від піддону Z =80 мм

За допомогою цих залежностей обирають оптимальні електричні режими процесу ЕШЛП заготовок заданих типорозмірів. Глибину шлакової ванни та напругу на ній призначають такими, щоб додаткове тепловиділення поблизу торців патрубків було максимальним.

В четвертому розділі «Дослідження якості заготовок корпусів фланцевих засувок, що отримані методом ЕШЛП, і організація серійного виробництва» показано, що в зонах з'єднання патрубків з литою електро-шлаковою частиною заготовки (рис. 8) відсутні непровари, тріщини та інші дефекти. Механічні властивості металу цієї зони повністю відповідають вимогам специфікації API для тиску 70 МПа (табл. 5).

Таблиця 5

Механічні властивості металу заготовок корпусів

засувок Ду 50х70 і Ду 80х70 із сталі 40Х

Тип засув-

ки

Місце вирізки

sт,

МПа

sв,

МПа

d,

%

ψ,

%

KCU,

Дж/см2

  зразків

Ду 50

Литий метал

570,2

778,2

18,0

58,8

93,7

Лінія сплавлення

534,4

738,7

18,5

65,0

130,6*

Метал патрубка

    573

776

17,8

47,7

96,7

Ду 80

Литий метал

577,2

743,4

20,5

54,5

106,3

Лінія сплавлення

543,6

714,8

20,5

69,0

155,1*

Метал патрубка

558,6

731,8

20,3

51,2

96,9

Вимоги API

517

655

17

35

20

              * Надріз на цих зразках виконувався по лінії сплавлення.

Привертає увагу незвичайно висока в'язкість металу по лінії сплавлення, яка на 40-50% вища, ніж у литого електрошлакового металу і катаного металу патрубка. При ЕШЗ такого не спостерігається, властивості металу пришовної зони після термічної обробки в найкращому разі знаходяться на рівні властивостей основного металу і металу шва. Для виявлення причин цього явища проведено металографічне дослідження структури металу на зразках, вирізаних впоперек лінії сплавлення безпосередньо після ЕШЛП (рис. 14), а також  після подальших відпалу і загартування з відпуском (рис. 15). 

                     а                                       б                                        в

Рис. 14. Мікроструктури металу зони з'єднання після ЕШЛП (х25):

а - литий електрошлаковий метал, б - лінія сплавлення, в - зона термічного впливу

Основною відмінністю структури металу при ЕШЛП від такої при ЕШЗ є значно більший розмір зерна у високотемпературній ділянці зони термічного впливу. Так, при ЕШЛП бал зерна в цій ділянці становить -3 і -2 проти -1 і 1 при ЕШЗ. Це відбувається через більш тривале перебування металу цієї зони при високій температурі в процесі ЕШЛП. Мінімальна швидкість зварювання приблизно 0,35–0,40 м/год має місце при ЕШЗ багатотонних заготовок. У той же час при ЕШЛП навіть відносно невеликих заготовок корпусів фланцевих засувок швидкість плавки не перевищує 0,25 м/год, тобто майже в 1,5 раза нижче. Через це термічний цикл при ЕШЛП більш розтягнутий у часі. Тривале перебування металу патрубка при ЕШЛП поблизу температури солідуса сприяє його більшій гомогенізації, що може бути причиною під-вищення в'язкості після подрібнення зерна при загартуванні з відпуском. Методом локального мікрорентгеноспектрального аналізу встановлено повну відсутність хімічної неоднорідності в великих кристалах пришовної зони, тоді як в кристалітах литого електрошлакового металу має місце помітна неоднорідність за вуглецем (табл. 6). 

Таблиця 6

        Вміст елементів ( % за масою) в кристалах литого металу і  зони термічного впливу

Місце аналізу

C

Fe

Cr

Mn

Si

Лите зерно

0,25 – 0,75

97,5 – 96,5

1,0 – 1,1

0,6 – 0,67

0,3 – 035

Зерно зони термічного впливу

0,35 – 0,4

97,1 – 96,7

1,0 – 1,2

0,6

0,4

Структура металу зони з'єднання після термічної обробки подрібнюється до 11–13 балів (рис. 15). На ділянці (рис. 15б) , де до термообробки було велике зерно, є більш світла хімічно однорідна структура із зниженою твердістю, порівнюючи з литим і основним металом.

                        а                                              б                                                в

Рис. 15. Мікроструктури металу зони з’єднання після відпалу і загартування з відпуском (х200):

а - литий електрошлаковий метал, б - лінія сплавлення, в - метал патрубка

Можна зробити припущення, що через рівномірний розподіл вуглецю в великому зерні цієї зони при загартуванні відбувається виділення карбідів у всьому її об'ємі. При подальшому високому відпуску рівномірно розподілені дрібнодисперсні карбіди коагулюють. Відбувається розчинення дрібних і зростання більш великих карбідів, а феритна матриця збіднюється на вуглець. Це, як відомо, призводить до зменшення твердості та зростання пластичності й в'язкості металу. При ЕШЛП в зоні термічного впливу цей процес перебігає більш повно, ніж при ЕШЗ, що, на нашу думку, і обумовлює аномально високу ударну в'язкість по лінії сплавлення.

На основі досліджень, наведених в роботі, були розроблені два варіанти технології серійного виробництва заготовок корпусів засувок з фланцями на кінцях патрубків:

- ЕШЛ суцільнолитих заготовок із сталей різних класів, у тому числі, корозійностійких;

- ЕШЛ заготовок з приплавленням патрубків з фланцями із середньо-вуглецевих легованих сталей.

На першому етапі методом ЕШЛ серійно виготовляли суцільнолиті заготовки Ду 80х70 і Ду 50х70 із сталей 38ХМ і 40ХН2М (див. рис. 5). Ця технологія може використовуватися для виплавки суцільнолитих заготовок з високолегованих сталей при виготовленні корпусів засувок у корозійно-стійкому виконанні.

На другому етапі методом ЕШЛП серійно виготовляли заготовки трьох типів Ду 80х70, Ду 50х70 і Ду 65х35 із сталі 40Х (рис. 16).

Рис.16. Зовнішній вигляд заготовок із сталі 40Х Ду 65х35 (а);

Ду 50х70 (б); Ду 80х70 (в), отриманих методом ЭШЛП

Метод ЕШЛП, порівнюючи з освоєною раніше технологією ЕШЛ суцільнолитого корпусу, значно зменшує енерговитрати і підвищує продуктивність процесу за рахунок зменшення маси металу, що переплавляється. При ЕШЛП використовують кристалізатори більш простої форми і менших розмірів, а термін їх експлуатації перевищує 500 плавок. Все це значно зменшує вартість виплавних заготовок, що, і підвищує їхню конкурентоспроможність, що особливо важливо в сучасних економічних умовах.

Серійний випуск заготовок корпусів фланцевих засувок організовано разом з «ІФ Елтерм» на Дослідному заводі спеціальної електрометалургії ІЕЗ ім. Є.О.Патона. Заготовки виготовляють і поставляють партіями від 3 до 5 штук. Після відпалу кожну заготовку піддають ультразвуковому контролю, а зони сплавлення за необхідності контролюють за допомогою кольорової дефектоскопії. Хімічний склад металу і механічні властивості визначають на зразках-свідках, вирізаних з однієї заготовки від кожної партії. Результати здавальних механічних випробувань суцільнолитих заготовок наведено в табл. 7, а отриманих ЕШЛП – в табл. 8.

Таблиця 7

Механічні властивості металу заготовок із сталей 38ХМ і 40ХН2М

Марка

сталі

    sт,

  МПа

    sв,

   МПа

d,%

ψ,%

KCU,

Дж/см2

38ХМ*

675

873

19,4

53,8

107

40ХН2М**

791

984

18,7

51,3

119

Вимоги КП 540

540

685

12

35

44

Вимоги API  для 70 МПа

517

655

17

35

20

* Корпус засувки Ду 50х70, середнє значення за результатами випробувань 74 партій.

       ** Корпус засувки Ду 80х70, середнє значення за результатами випробувань 37 партій.

Таблиця 8

Механічні властивості металу заготовок із сталі 40Х

Тип засувки

sт,

МПа

sв,

МПа

d,%

ψ,%

KCU,

Дж/см2

Ду 50х70

547

725

17,5

45

75

Ду 80х70

553

735

18,5

48

83

Ду 65х35

551

730

18,7

52

79

Вимоги API

517

655

17

35

20

З цих заготовок «ІФ Елтерм» виробляє засувки Ду 50х70, Ду 80х70 (рис. 17б) та фонтанну арматуру АФ6–80/50х70 (рис. 18) для роботи при тиску до 70 МПа, а ДП «ЛІКВО» НАК «Нафтогаз України» засувки Ду 65х35 на тиск до 35 МПа (рис. 17а). Надійність засувок і фонтанної арматури з литими електро-шкаковими корпусами підтверджується успішною експлуатацією на газо-конденсатних родовищах України. При цьому вартість обладнання, що виго-товляють «ІФ Елтерм» і ДП «ЛІКВО», значно нижча за ціну імпортного. Наприклад, вартість засувки Ду-65х35 з литим електрошлаковим корпусом 14 тис. грн., у той час такої ж засувки із штампованим корпусом фірми «Cameron» -  близько 35 тис. грн.

а                                                                      б

Рис. 17. Готові засувки: а - Ду 65х35; б - Ду 80х70

Рис. 18.  Фонтанна арматура АФ6-80/50х70

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. В результаті проведеної роботи розв’язана важлива народно-господарська задача – вперше методами електрошлакової технології створено ефективне промислове виробництво високоякісних заготовок корпусів фланцевих засувок, що використовуються для видобутку фонтанним методом нафти і природного газу при тиску до 70 МПа.

2. Експериментально отримана залежність довжини (до 250 мм)  якісно формованої центральної частини заготовки від питомої потужності, що виділяється в шлаковій ванні. Вона дозволяє призначати оптимальний електричний режим, що забезпечує виплавку суцільнолитих заготовок корпусів засувок для фонтанної арматури всіх типорозмірів.

3. Механічні властивості металу всіх частин суцільнолитих електрошлакових заготовок перевищують вимоги міжнародної специфікації API (КП 517), а їх анізотропія вдвічі менша, ніж у штампованих. Це забезпечує вищу надійність електрошлакових корпусів засувок під час експлуатації при тиску до 70 МПа.

4. Вперше досліджено розподіл струму і виділення теплоти в шлаковій ванні при ЕШЛП заготовок корпусів фланцевих засувок за допомогою спеціально створеної тривимірної математичної моделі. Адекватність моделі реальним процесам підтверджена порівнянням розрахункових і експеримен-тальних значень електричного струму, що протікає через патрубки в задані моменти часу.

5. Щодо процесу ЕШЛП заготовок корпусів фланцевої арматури високого тиску, то визначено характер розподілу щільності джерел джоулевої теплоти в шлаковій ванні на всіх етапах плавки. Встановлений перерозподіл джерел тепловиділення в об'ємі шлаку при приплавленні патрубків. Поблизу їхніх торців виникають нові зони тепловиділення, інтенсивність якого сягає 10% зони в піделектродній області. Отримано залежності величини джерел джоулевої теплоти в цих зонах від глибини шлакової ванни (40-80 мм), напруги на шлаці (40-60 В) і діаметрів витратних електродів (100-130 мм), патрубків (120-160 мм) і кристалізатора (230-300 мм).

6. Визначено технологічні параметри (діаметр витратного електрода, робочий струм, напруга джерела живлення, глибина і склад шлакової ванни) процесу ЕШЛП заготовок корпусів фланцевих засувок, що забезпечують стабільний провар торців патрубків у межах товщини охолоджуваної стінки кристалізатора (до 50 мм) і приплавлення їх до частини заготовки, що виплавляється, без тріщин, несплавів і шлакових включень.

7.  Встановлено відповідність механічних властивостей металу заготовок з середньовуглецевої легованої сталі марки 40Х в зоні приплавлення патрубків вимогам міжнародної специфікації API (КП 517). Вперше виявлено підвищення на 30-50% ударної в'язкості металу після загартування з відпуском по лінії сплавлення, порівнюючи з вихідним металом патрубка. Металографічними дослідженнями встановлено, що причиною цієї аномалії є висока ступінь гомогенізації металу по лінії сплавлення, викликана тим, що час перебування металу цієї зони при температурі вище 1100°С як мінімум в 1,5 раза більше, ніж при ЕШЗ найбільших заготовок.

8. Розроблено і впроваджено у виробництво новий спосіб виготовлення  електрошлакових суцільнолитих заготовок корпусів засувок з фланцями на кінцях патрубків із сталей різних класів масою до 0,5 т.  

Для виготовлення заготовок корпусів засувок з умовним проходом діаметром від 50 до 150 мм  із середньовуглецевої легованої сталі розроблений і впроваджений у виробництво спосіб електрошлакового лиття з одночасним приплавленням попередньо виготовлених патрубків з фланцями (ЕШЛП).

      9. Спільно з «ІФ Елтерм» організовано промислове виробництво трьох типів заготовок корпусів фланцевих засувок Ду 50х70, Ду 80х70 і Ду 65х35. З цих заготовок фірма виготовляє конкурентоспроможну фонтанну арматуру АФ6–80/50х70 і окремо засувки для облаштування газоконденсатних родовищ України. Вартість цього устаткування в 2-2,5 раза нижче, ніж імпортного. Надійність устаткування з литими електрошлаковими корпусами підтверджу-ється його успішною безаварійною експлуатацією протягом кількох років.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Электрошлаковое литье заготовок корпусов задвижек высокого давления/М.А. Полещук, Л.Г. Пузрин, В.Л. Шевцов, А.И. Бородин// Современная электрометаллургия. – 2009.– № 1. – С.12-17.

2. Электрошлаковое литье заготовок корпусов фланцевых задвижек с приплавлением патрубков/М.А. Полещук, Л.Г. Пузрин, В.Л. Шевцов, А.И. Бородин//Современная электрометаллургия.– 2009.– № 2. – С.13-17.

3. Электрошлаковое литье - самый прогрессивный способ производства корпусов арматуры высокого давления/М.А. Полещук, Л.Г. Пузрин, В.Л. Шевцов, А.И. Бородин//Арматуростроение. – 2009. – № 4. – С.49-54.

4. Исследование области соединения в заготовках корпусов фланцевых задвижек высокого давления, полученных способом ЭШЛ с приплавлением/ М.А. Полещук, Т.Г. Соломийчук, Г.М. Григоренко, В.Л. Шевцов, Л.Г. Пузрин // Современная   электрометаллургия. – 2009. –  № 4. – С.8-12.

5. Исследование методом математического моделирования особенностей тепловыделения в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавле-нием  заготовок корпусов фланцевых задвижек /А.Ф. Мужиченко, М.А. Полещук, В.Л. Шевцов //Современная электрометаллургия. – 2010. – № 2. – С.17-20.

6. Выбор способа изготовления литых электрошлаковых корпусов флан-цевых задвижек высокого давления в коррозинностойком исполнении /М.А. Полещук, В.Л. Шевцов, Л.Г. Пузрин, А.М. Круцан, А.И. Радкевич, В.Р. Чучман //Современная электрометаллургия. - 2009. - № 3. - С.15-18.  

7. Патент 44020 Україна, МПК9 В23К 25/00, В21J 13/00. Спосіб виготовлення фланцевої засувки /заявники і патентовласники Полєщук М.А., Майданнік В.Я., Шевцов В.Л., Бородін А.І. – № u 2009 04560; заявл. 07.05.2009; опубл.10.09.2009, Бюл. № 17.

8. Патент 44021 Україна, МПК9 В21J 13/00 Спосіб виготовлення фасонних заготовок методом електрошлакового лиття з приплавленням /заявники і патентовласники Полєщук М.А., Майданнік В.Я., Шевцов В.Л., Бородін А.І.– № u 2009 04561; заявл. 07.05.2009; опубл.10.09.2009, Бюл. № 17.

9. Вибір сталей для корпусних деталей фонтанної арматури, яка експлуатується в сірководневих середовищах /Г. Куцан, В. Шевцов, О. Радкевич, Л. Пузрін, М. Чучман, М. Полєщук// Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій: [збірник праць під ред. академіка НАН України В.В. Панасюка]. – Львів.  – 2009.– С.953-958.

10. Электрошлаковое литье заготовок корпусов фланцевых задвижек вы-сокого давления/М.А. Полещук// Инновационные технологии и экономика в машиностроении: труды 7-й Всероссийской научно-практической конферен-ции с международным участием.Томск: Издательство Томского политехни-ческого университета, 2009. – С. 30-36.

АНОТАЦІЯ

Полєщук М.А. Дослідження процесу та розробка технології електрошла-кового лиття корпусів фланцевої арматури високого тиску. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.02 – металургія чорних та кольорових металів і спеціальних сплавів. – Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2010.

Робота присвячена дослідженню електрошлакового процесу з метою розробки технології електрошлакового лиття високоякісних заготовок корпусів засувок з фланцями на кінцях патрубків для видобутку фонтанним методом нафти і природного газу при тиску до 70 МПа.

В роботі експериментально досліджено закономірності електрошлакового процесу формоутворення і лиття заготовок складної геометрії. За допомогою методів математичного і комп’ютерного моделювання визначено характер розподілу щільності джерел джоулевої теплоти в шлаковій ванні на всіх етапах плавки. Встановлено перерозподіл джерел тепловиділення в об'ємі шлаку при приплавленні патрубків при електрошлаковому литті з приплавленням. Металографічними дослідженнями встановлено високу ступінь гомогенізації металу по лінії сплавлення, наслідком чого є значне підвищення ударної в’язкості металу цієї зони.

На основі досліджень, наведених в роботі, створено два варіанти технології серійного виробництва заготовок корпусів засувок з фланцями на кінцях патрубків:

- ЕШЛ суцільнолитих заготовок із сталей різних класів, у тому числі, корозійностійких;

- ЕШЛ заготовок з приплавленням патрубків з фланцями з середньо-вуглецевих легованих сталей.

Ключові слова: обладнання високого тиску для видобутку нафти і природного газу, заготовки корпусів засувок з фланцями, електрошлакове лиття заготовок складної форми, електрошлакове лиття з приплавленням, механічні властивості металу, висока надійність.   

АННОТАЦИЯ

Полещук М.А. Исследование процесса и разработка технологии электро-шлакового литья корпусов фланцевой арматуры высокого давления. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 – металлургия черных и цветных металлов и специальных сплавов. – Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению важной народно- хозяйственной задачи – созданию в Украине эффективного промышленного производства с помощью методов электрошлаковой технологии высоко-качественных заготовок корпусов фланцевых задвижек высокого давления, которые используются для добычи нефти и природного газа фонтанным методом.

На основе исследований, проведенных в работе, были созданы два варианта электрошлаковой технологии производства заготовок корпусов задвижек с фланцами на концах патрубков: 

- электрошлаковое литье цельнолитых заготовок из сталей разных классов, в том числе, коррозионностойких. При разработке этой технологии экспериментально исследованы закономерности электрошлакового процесса формообразования и литья заготовок сложной геометрии. Получены зависимости длины качественно формируемой центральной части заготовки от удельной мощности, которая выделяется в шлаковой ванне, что позволяет назначать оптимальные электрические режимы, обеспечивающие выплавку цельнолитых заготовок корпусов фланцевых задвижек всех типоразмеров, которые используются при добыче нефти и природного газа. Механические свойства металла цельнолитых электрошлаковых заготовок превышают требования международной спецификации API для оборудования, работающего при давлении до 70 МПа (КП 517), а их анизотропия вдвое меньше, чем у штампованных. Это обеспечивает повышенную надежность эксплуатации литых электрошлаковых корпусов задвижек во время работы под высоким давлением.

- электрошлаковое литье заготовок из среднеуглеродистых легированных сталей с приплавлением заранее изготовленных патрубков с фланцами. В процессе создания этой технологии экспериментально исследовано влияние начального расположения торцов патрубков относительно стенки кристаллизатора и электрического контакта между ними на качество соединения и образование галтелей постоянного радиуса по всему периметру. Впервые с помощью специально созданной трехмерной математической модели исследовано распределение тока и выделение теплоты в шлаковой ванне. Адекватность модели реальным процессам при заданных граничных условиях подтверждена экспериментально. Установлено, что с началом приплавления патрубков в объеме шлака происходит перераспределение источников тепловыделения. Вблизи торцов патрубков возникают новые зоны интенсивного тепловыделения, интенсивность которого может превышать 10% зоны в подэлектродной области. Определены зависимости интенсивности источников джоулевой теплоты в этих зонах от глубины шлаковой ванны, напряжения на шлаке и диаметров расходуемых электродов, патрубков и кристаллизатора. Полученные зависимости позволили установить оптимальные технологические режимы процесса ЭШЛП, которые обеспечивают стабильный провар торцов патрубков и приплавление их к заготовке без трещин, несплавлений и шлаковых включений.

Установлено полное соответствие требованиям международной спецификации API (КП 517) механических свойств металла в зоне приплавления патрубков заготовок корпусов задвижек из среднеуглеродистой легированной стали 40Х. После закалки с отпуском заготовок впервые обнаружено повышение на 30-50% ударной вязкости металла вблизи линии сплавления по сравнению с исходным металлом патрубка и литым электрошлаковым металлом. При электрошлаковой сварке такого не наблюдается. Установлено, что причиной этого явления является высокая степень гомогенизации металла вблизи линии сплавления, обусловленная длительным пребыванием металла этой зоны при высокой температуре вследствие более растянутого во времени, чем при электрошлаковой сварке, термического цикла ЭШЛП.

Совместно с «ИФ Элтерм» организовано промышленное производство заготовок корпусов задвижек высокого давления с фланцами на концах патрубков, используемых при добыче нефти и природного газа. На первом этапе методом ЭШЛ серийно изготовляли цельнолитые заготовки Ду 80х70 и Ду 50х70 из сталей 38ХМ и 40ХН2М. Эту технологию можно использовать для выплавки цельнолитых заготовок из высоколегированных сталей, применяемых при изготовлении корпусов задвижек в коррозионностойком исполнении. На втором этапе методом ЭШЛП серийно изготовляли заготовки корпусов трех типов Ду 80х70, Ду 50х70 и Ду 65х35 из стали 40Х. Из этих заготовок «ИФ Элтерм» производит задвижки Ду 50х70 и Ду 80х70 для работы при давлении до 70 МПа, а ГП «ЛІКВО» НАК «Нафтогаз України» задвижки Ду65х35 для давления до 35 МПа. Надежность задвижек с литыми электрошлаковыми корпусами подтверждается их успешной эксплуатацией на газоконденсатных месторождениях Украины в течение ряда лет.

Ключевые слова: оборудование высокого давления для добычи нефти и природного газа, заготовки корпусов заслонок с фланцами, электрошлаковое литье заготовок сложной формы, электрошлаковое литье с приплавлением, механические свойства металла, высокая надежность.   

Abstract

    Poleshchuk M.A.  Investigation of the process and development of technology of electroslag casting of high-pressure flange stop valve bodies.- Manuscript.

 Thesis for scientific degree of Candidate of Technical Sciences by specialty 05.16.02: Metallurgy of ferrous and non-ferrous metals and special alloys, the E.O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine, Kyiv, 2010.

  The work is devoted to the investigation of electroslag process to develop the technology of electroslag casting of high-quality billets of stop valve bodies with flanges at the ends of branch pipes for Christmas tree method production of oil and natural gas at pressure of up to 70 MPa.

   The regularities of electroslag process of shape formation and casting of billets of intricate geometry were experimentally investigated in the work. Using methods of mathematical and computer modeling, the nature of distribution of density of Joule heat sources in slag pool was studied at all stages of melting. The redistribution of sources of heat generation in the slag volume was found in melting-on of branch pipes in electroslag casting with melting-on. The metallographic examinations showed the high degree of homogenization of metal near the fusion line resulting in high increase in impact strength of metal of this zone.

   As a result of investigations, carried out in this work, two variants of technology of a serial production of billets of stop valve bodies with flanges at the ends of branch pipes were developed:

  •  ESC of all-cast billets of steels of different classes, including corrosion-resistant steels;
  •  ESC of billets with melting-on of branch pipes with flanges of medium-carbon alloyed steels.

 Key words: high-pressure equipment for oil and natural gas production, billets of stop valve bodies with flanges, electroslag casting of intricate billets, electroslag casting with melting-on, mechanical properties of metal, high reliability.  

Підписано для друку 01.09.2010 р. Формат 60х84/16. Пап. офс. № 1. Офс. друк.

Ум. друк. Арк. 1.1 Ум. Фарбо-відб. 1.0. Тираж 110 прим. Зам. № 792

ПОД ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України, 03680, Київ 150, МПС, вул. Антоновича, 69


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

14594. Проведение простейших расчетов с использованием формул. Создание электронной таблицы 102.5 KB
  Практическая работа № 13 Тема: Проведение простейших расчетов с использованием формул. Создание электронной таблицы Знать: правила ввода формул в ячейку электронной таблицы понятие абсолютной и относительной адресации ячеек основные встроенные функции MS Excel. У...
14595. Построение и редактирование графиков и диаграмм в электронных таблицах 72 KB
  Практическая работа № 14 Тема: Построение и редактирование графиков и диаграмм в электронных таблицах. Знать: основные виды диаграмм и их элементов основные приемы форматирования диаграмм. Уметь: строить диаграммы и графики на основе табличных данных; Ход работ
14596. Комплексное использование возможностей электронных таблиц для создания документов 62 KB
  Практическая работа № 15 Тема: Комплексное использование возможностей электронных таблиц для создания документов Знать: элементы электронных таблиц типы данных правила ввода и редактирования данных форматирования таблиц понятие фильтрации и сортировки данных...
14597. Создание таблиц и пользовательских форм для ввода данных Microsoft Access 186 KB
  Практическая работа № 16 Тема: Создание таблиц и пользовательских форм для ввода данных Microsoft Access Цели работы: познакомиться с основными понятиями базы данных; научиться создавать таблицу базы данных в режиме Конструктор; освоить переход из режима Конструк...
14598. Модификация таблиц и работа с данными с использованием запросов 154 KB
  Практическая работа № 17 Тема: Модификация таблиц и работа с данными с использованием запросов Цели работы: закрепить навыки по созданию таблиц; продолжить знакомство с основными видами запросов; научиться создавать запросы: на обновление на добавле
14599. Работа с данными и создание отчетов 182.5 KB
  Практическая работа № 18 Тема: Работа с данными и создание отчетов Цель работы: научиться создавать отчеты. Ход работы Задание 1. Откройте учебную базу данных созданную на прошлом занятии. Порядок работы: Вызовите программу Access. Для этого дважды щелкн...
14600. Порядок высвобождения и реализации движимого имущества в системе МЧС 82 KB
  Предметом внутриведомственного финансового контроля является финансовая и хозяйственная деятельность территориальных органов, воинских частей войск гражданской обороны и организаций МЧС России (далее – организации МЧС России).
14601. Сложные запросы с использованием логических выражений 154.5 KB
  Практическая работа № 20 Тема: Сложные запросы с использованием логических выражений. Цели работы: закрепить навыки по редактированию таблиц; познакомиться с основными видами запросов; научиться создавать запросы на выборку различными способами. Х
14602. Разработка многотабличных баз данных 211.5 KB
  Практическая работа № 21 Тема: Разработка многотабличных баз данных Цели работы: научиться создавать таблицу базы данных с помощью Мастера таблиц; закрепить навыки по добавлению и удалению записей; закрепить навыки по заполнению и редактированию таблиц б...