ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА;doc

Исследование влияния коррозионных процессов на результаты измерения твердости основного металла конструкций морских нефтегазовых сооружений.
Рудозуб А. В., [email protected]
Научный руководитель - Борейко Д. А.
Ухтинский государственный технический университет, г. Ухта
3D-принтер — устройство, использующее метод послойного создания
физического объекта по цифровой 3D-модели. 3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе
любого из них лежит принцип послойного создания (выращивания) твѐрдого
объекта.
Область применения 3D-принтеров и технологий 3D-печати очень и
очень широка, поэтому многие развитые страны внедряют эту технологию в
производство. И это не удивительно, ведь продукт, который они получают, отличается большой дешевизной и сравнительной простотой изготовления. И это
говорит о многом, о том, что это технология поставлена на поток, что это востребовано и главное, во многих случаях экономически выгодно.
Вдохновленные мировым опытом использования технологий 3Dпрототипирования и созданием на базе нашего университета ультрасовременной лаборатории прототипирования мы задались целью исследовать возможности применения этих технологий в нефтегазовой отрасли. Нами была выбрана
на первый взгляд очень простая, но в то же очень ответственная деталь - рабочее колесо погружного центробежного электронасоса. И начали мы со сравнительного анализа материалов.
Сравнительный анализ материалов для 3D-печати и сталей с чугунами
по их свойствам на примере рабочего колеса погружного центробежного
электронасоса.
Одним из перспективных методов повышения эксплуатационной надежности и коррозионной стойкости деталей различного назначения является применение в производстве полимерных материалов, посредством 3D печати. При
этом их отличает сравнительная легкость производства и значительно меньшие
затраты на изготовление, но об экономической части – чуть позже.
Был проведен сравнительный анализ основных эксплуатационных
свойств различных композиционных материалов, которые возможно использовать для изготовления рабочих колѐс центробежных погружных насосов, и металлов, которые чаще всего используются при производстве этих же колес. Далее, следует сказать, что в некоторых случаях приходится считаться с возможностью попадания посторонних тел в насос, которые при достаточно пластичном материале приводят к образованию лишь вмятин, не вызывая трещин и
разрушения колеса. Поэтому материал должен быть не только прочен, но и
пластичен.
Вследствие малых зазоров между колесом и уплотнительными кольцами
возможно также кратковременное задевание колеса о кольцо в условиях большой относительной скорости перемещения. Поэтому материал колеса должен
обладать хорошими антифрикционными качествами в паре с материалом
уплотнительного кольца. Учитывая эти и другие критерии, нами были выбраны
следующие, наиболее распространѐнные среди производителей, металлы.
Для сравнительного анализа рассмотрены выпускаемые различными производителями марки коррозионно-стойких жаропрочных сталей 12Х13, 2Х13,
чугунов ЧН16Д7ГХШ, ЧН16Д7ГХ, СЧ03Ц01Б (ЛР6) и некоторые композиционные материалы с различными компонентами – ProtoCast 115 , ProtoCast 120,
ProtoCast 140, ProtoCast 195.
На первом этапе мы попытаемся сравнить только порошок, в нашем случае он будет двух- или трехкомпонентным, с теми свойствами, которые предлагает производитель, а в дальнейшем, на следующих этапах, изготовить колеса
из нескольких композитов и сделать сравнение на основе проведенных опытов.
Но, даже если результаты экспериментов будут отрицательны, то всегда есть
возможность самостоятельно повысить свойства материала, добавив в этот порошок подходящие наполнители, или же покрыть уже готовое колесо упрочняющим покрытием.
Работоспособность любого конструктивного элемента будет определяться наиболее слабым звеном в его конструктивной схеме, механические удары
считаются основным разрушающим фактором, хотя не исключено и химическое воздействие, поэтому за основные характеристики мы приняли предел
прочности и твердость.
В приведенной таблице 1 видны численные значения этих и некоторых
других свойств металлов, о которых мы говорили ранее.
Таблица 1
Характеристики металлов.
СЧ03Ц01Б
материал
12Х13 2Х13
ЧН16Д7ГХШ ЧН16Д7ГХ
(ЛР6)
Твердость по
615
577
654
560
463
Бринеллю
предел прочно490
500
110
125
160
сти, МПа
В таблице 2 приведены характеристики композита ProtoCast, а именно,
его различных, на наш взгляд, самых подходящих по свойствам модификаций.
Таблица 2
Характеристики композиционных материалов.
ProtoCast
ProtoCast
ProtoCast
ProtoCast
полиуретан
115
120
140
195
Твердость по Бринел453
443
443
446
455
421
лю
Прочность на разрыв,
53
60
55
60
61
140
МПа
макс. раб. температу85
105
110
130
140
95
ра ° C
Для большей наглядности обе эти таблицы мы объединили в два графика
(рис.1-2).
Рис. 1. Твердость по Бринелю
Рис. 2. Прочность на разрыв
Анализ этих таблиц, показывает, что прочностные характеристики рабочих колес из композитов в чем-то уступают, а в чем-то превосходят характеристики металлов. Они обладают меньшим удельным весом, но и меньшей прочностью на разрыв, твердость немного меньше, поэтому сказать о том, что они
смогут нести большую нагрузку, с большой уверенностью пока нельзя.
Но это только в теории, экспериментальные исследования, которые мы
планируем провести и покажут, на сколько все вышесказанное соответствует
действительности. Не было найдено никакой информации о каких-либо опытах,
связанных с этим композиционным материалом, а уж тем более, нигде не про-
изводилось испытаний рабочих колес, изготовленных из композиционного материала ProtoCast или изготовленных на его основе.
В любом случае, полиуретаны превосходят стали при решении конкретных эксплуатационных задач.
Существенным недостатком рабочих колес изготовленных из композитов
будет являться такое свойство как плохая стабильность размеров при нагревании. Колесо изготовленное из рассматриваемых композитов имеет предел температур до 140 градусов, что в значительной мере сужает пределы его использования, но в то же время, например, установки погружных центробежных
электронасосов УЭЦП предназначенные для закачки поверхностных или пластовых вод в нагнетательные скважины работают с температурой не выше 40 С,
электронасосы центробежные погружные типа Гном предназначенные для откачивания загрязненных вод температурой до 35 0С тоже подходят для применения в них композитных рабочих колес.
Что касается отрицательных температур, то нам удалось выяснить, что
большинство этих композитов, а их модификаций - много, вполне пригодны
для использования до температуры -370С.
Но и эту проблему, проблему с температурой тоже можно избежать, использовав при изготовлении - нано напыление. Но о целесообразности этого
стоит говорить немного позже, когда будут, проведены некие начальные опыты, чтобы было от чего отталкиваться.
Стоимости расходных материалов ProtoCast и сталей (чугунов) без затрат на изготовление конечного продукта.
С помощью интернета была найдена информация о следующих ценах.
Цена на металлы усредненная, т.к. различные поставщики предлагают свои
условия. Выбранные нами металлы продаются в паковках 200х270х600 мм в
тоннах. Но т.к. порошок мы будем приобретать в килограммах, по-другому он
не продается, то и массу металлов, для удобства сравнения, я привел к этой же
размерности.
Стоимость одного килограмма стали 12Х13 на рынке составляет - 107
рублей, стали 2Х13 – 105 рублей, цена одного килограмма чугуна СЧ03Ц01Б –
45 рублей, ЧН16Д7ГХШ – 56 рублей, ЧН16Д7ГХ – 60 рублей.
Средняя же цена порошка составляет 15 евро, это около 750 рублей, к
сведению, цена напыления такая же.
Глядя на эти цифры не стоит сильно пугаться, а следует вспомнить, что в
производстве на стоимость конечной детали влияет не столько цена на сырье и
его транспортировку, сколько трудоемкость и сложность самого технологического процесса, в результате которого получается деталь.
В нашем же случае весь технологический процесс будет состоять из единожды сделанной 3D-модели и работы самого принтера.
Уточненный экономический расчет мы не проводили, но с большой долей
уверенности можно предположить, что конечная стоимость детали сделанной
на 3D-принтере будет ниже.
О свойствах материалов конечно не достаточно судить только по их твердости, пределу прочности и относительному удлинению. Кроме упомянутых
параметров, экспериментально следует определить а) конструкционная прочность, б) степень проявления неупругих явлений, в) износостойкость, г) устойчивость к коррозии, д) хладноломкость, модуль упругости. Не стоит забывать и
о коэффициенте линейного расширения, от которого зависит насколько будет
плотной посадка уплотнительного кольца на колесе и многое другое, что следует учесть.
В наших планах – продолжить изучение композитов рассмотренных в докладе, провести опыты для определения параметров не обозначенных производителем, для подтверждения тех цифр, которые они предоставляют, постараться внести что-то свое, добавлением компонентов или нанесением различных
покрытий, что в значительной степени улучшило бы свойства материала
ProtoCast и сделать конечный вывод о целесообразности использования их для
производства деталей. На данном этапе, на наш взгляд, перспектива есть.