Номенклатура конструкційних матеріалів. Рекомендації щодо їх використання

Для виготовлення деталей та вузлів машин і обладнання використовуються в залежності від призначення і умов роботи різноманітні конструкційні матеріали: чавуни, сталі, кольорові метали та їх сплави, гумові, пластмасові та інші матеріали.

Чавуни. В конструкціях використовують такі види чавунів: сірий, ковкий, високоміцний, легований, анти-фрикційний. Чавуни, як конструкційні матеріали, харак-теризуються як позитивними так і негативними сторонами своїх властивостей. До перших слід віднести відносно невисоку вартість, високі ливарні властивості, добру оброблюваність різанням. Недоліки чавунів – невисока в порівнянні з сталями міцність, крихкість, чутливість до ударних навантажень, низька зварюваність.

Вказані вище недоліки чавунів є причиною їх обмеженого використання в конструкціях бурового і нафто-газопромислового обладнання. Чавуни можуть використо-вуватися для виготовлення станин бурових насосів, корпусів запірних пристроїв на невисокий тиск, клинопасових шківів, корпусів насосів невисокого тиску, опорних вузлів, тощо. Широкого використання в нафтогазовому машинобудуванні набули сірі чавуни. Наприклад, шківи клинопасових передач бурових установок виготовляють з чавунів СЧ–12–28, СЧ–15–36, вхідну кришку насоса ЦНС 180–1900 виготовляють з чавуна СЧ–21–40. Механічні характеристики сірих чавунів показані в табл. 3.3.

Таблиця 3.3 – Механічні властивості відливок з сірого чавуна

Приклади умовного позначення чавунів:

СЧ 25 - сірий чавун з границею міцності на розтяг 250 МПа;

КЧ 30–6 - ковкий чавун з границею міцності на розтяг 300кМПа і відносним видовженням 6 %;

ВЧ 50–7 - високоміцний чавун з границею міцності на розтяг 500 МПа і відносним видовженням 7 %.

Приклади використання чавунів в машинобудуванні показано в табл. 3.4.

Таблиця 3.4 – Приклади використання чавунів в машинобудуванні

Вуглецеві сталі звичайної якості. В машинобудуванні використовують, як правило, сталі звичайної якості групи А, які постачаються з гарантованими механічними властивостями. Випускаються таких марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. Зазначені сталі використовують, в основному, для виготовлення деталей з невисокими вимогами до міцності і які не потрібно зміцнювати термічними методами. Вони характеризуються високими пластичними властивостями (відносне видовження 20 – 30 %), добре обробляються різан-ням, зварюються. Це найдешевші сталі.

Властивості та приклади використання вуглецевих сталей звичайної якості наведено в табл. 3.5 і 3.6.

Таблиця 3.5 – Механічні і зварювальні властивості вуглецевих сталей звичайної якості

Умовні позначення:

ДВ – дуже висока;

В – висока;

З – задовільна

Таблиця 3.6 – Приклади використання вуглецевих сталей звичайної якості

Сталі вуглецеві якісні конструкційні. Вуглецеві якісні конструкційні сталі використовують, як правило, для виготовлення середньонавантажених деталей, які зміцнюють термічними або хіміко-термічними методами. Сталі випускають таких марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60. Вартість зазначених сталей вища вартості вуглецевих сталей звичайної якості на 20-25 %.

В машинобудуванні знаходять використання низько- і середньовуглецеві якісні конструкційні сталі. Перші (сталі 08, 10, 15, 20) використовують для виготовлення зносостійких деталей з невисокими вимогами до міцності серцевини. Для підвищення поверхневої міцності таких деталей їх зміцнюють шляхом цементації. Крім того, ці сталі характеризуються високою пластичністю, тому з них виготовляють деталі і вузли посудин, що працюють під тиском.

Середньовуглецеві якісні конструкційні сталі викорис-товують для виготовлення деталей порівняно невеликих перерізів, середньої міцності і нескладної конфігурації. Деталі зміцнюють шляхом термічної обробки. Деталі великих перерізів об’ємним гартуванням не зміцнюють.

Властивості та приклади використання вуглецевих якісних конструкційних сталей наведено в табл. 3.7, 3.8.

Таблиця 3.7 – Механічні і технологічні властивості якісних вуглецевих конструкційних сталей

Примітка: Значення показників s_в, s_т, d, НВ наведені для нормалізованих заготовок.

Умовні позначення:

ДВ – дуже висока

В – висока

З – задовільна

Н – низька.

Таблиця 3.8 – Приклади використання вуглецевих якісних конструкційних сталей

Леговані конструкційні сталі. Як відмічалося раніше бурове та нафтогазопромислове обладнання працює у важких експлуатаційних, а деколи екстремальних умовах. Крім того, слід відмітити велику групу деталей та вузлів обладнання, які є надзвичайно важливими і відповідальними в конструкції і відмова яких може привести до непередбачуваних негативних наслідків: важкого травматизму, економічних втрат, екологічного забруднення, втрати свердловини, відкритого фонтанування та ін.

Для прикладу у 80-х роках минулого століття при освоєнні Астраханського газоконденсатного родовища виникла проблема корозійної стійкості свердловинного і устьового обладнання. Газ даного родовища, що містив 18–25 % сірководню (H₂S), безпосередньо контактував з устьовим обладнання і приводив його до корозійного руйнування (сульфід-ного розтріскування або загальної корозії в залежності від характеру напруженого стану деталей обладнання).

Для даних умов експлуатації були розроблені і рекомендовані спеціальні марки конструкційних легованих сталей.

Леговані конструкційні сталі використовуються для виготовлення деталей, до яких пред’являють вимоги високої міцності, а також спеціальні вимоги: зносостійкості, термо-стійкості, корозійної стійкості, в’язкості та інші. Деталі, виготовлені з легованих сталей, як правило, зміцнюють термообробкою або хіміко-термічною обробкою.

Як легуючі елементи в сталях використовують: хром – Х, нікель – Н, вольфрам – В, кремній – С, марганець – Г, молібден – М, ванадій – Ф, азот – А, титан – Т, бор – Р, алюміній – Ю. Легуючі елементи можуть бути присутні в сталях як поодинці, так і в комбінації з іншими.

В табл. 3.9 і 3.10 показано вплив основних легуючих елементів на механічні і технологічні властивості сталей.

Практикою нафтогазового машинобудування набутий великий досвід використання легованих сталей. В табл. 3.11 наведена номенклатура найбільш використовуваних легова-них сталей, їх механічні характеристики та основні техноло-гічні властивості. Детальніша інформація про номенклатуру легованих сталей, їх використання в залежності від умов експлуатації викладена в спеціальній літературі.

Таблиця 3.9 – Вплив деяких легуючих елементів на властивості сталі

Таблиця 3.10 – Вплив основних легуючих елементів на технологічні і механічні властивості сталі

Примітка: 1) при вмісті більше 15 %;

2) при вмісті до 0,6 %;

3) при малому вмісті

Прийняті умовні позначення в табл. 3.10:

ЗС – зменшує суттєво ;

З – зменшує;

ВМ – впливає мало ;

ПН – підвищує несуттєво;

П – підвищує;

ПС – підвищує суттєво.

Таблиця 3.11 – Механічні та технологічні властивості легованих, термічно зміцнених (гартування і відпуск) конструкційних сталей

Умовні позначенняі в табл. 3.11:

В – висока; З – задовільна; Н – низька.

Сплави кольорових металів. Як конструкційні мате-ріали для бурового і нафтогазопромислового обладнання використовуються в основному бронзи, бабіти, латуні.

Бронзи – це сплав міді з оловом, свинцем, цинком, алюмінієм та іншими компонентами. Деталі з бронзи харак-теризуються високими антифрикційними властивостями, ви-соким корозійним опором, універсальними технологічними властивостями (виливаються, обробляються тиском і різан-ням). Бронзи використовуються для виготовлення радіальних і осьових підшипників ковзання, направляючих, ходових гайок, водяної, парової та масляної арматури. Наприклад, в біль-шості конструкцій засувок для фонтанних арматур ходова гайка та опори шпинделя виготовляються з бронзи.

В табл. 3.12 приведені механічні властивості трьох марок бронз. Їх хімічний склад такий:

Бр 04Ц4С17 (олово – 4 %; цинк – 4%; свинець – 17 %; решта – мідь);

Бр А9ЖЗЛ (алюміній – 9 %; залізо – 3 %; решта – мідь);

Бр А10Мц2Л (алюміній – 10 %; марганець – 2 %; решта – мідь)

Таблиця 3.12 – Механічні властивості бронз (ГОСТ 613-79)

Бабіти – сплави на основі м’яких металів – олова, свинцю, алюмінію та інших. Бабіти – це високоякісний анти-фрикційний підшипниковий матеріал. Вони добре оброб-ляються, мають високу теплопровідність, здатні утримувати мастило. Бабітові підшипники ковзання можуть працювати в режимі високих швидкостей і великих контактних навантажень.

Типовим прикладом використання бабітів є конструкція підшипникових вузлів насоса типу ЦНС, що використовується в системі підтримання пластового тиску. Сталевий вкладиш

підшипника залитий бабітом Б83 або Б89 (сплав олова, сурми і міді) з вмістом олова відповідно 83 % і 89 %.

Механічні властивості бабіту Б83 наведені нижче.

Границя міцності при розтязі, МПа 90

Границя міцності при стиску, МПа 115

Відносне видовження, % 6

Твердість НВ, МПа 300

Бабіти в порівнянні з іншими підшипниковими матеріалами мають нижчі значення коефіцієнта тертя f. Приблизні значення коефіцієнтів тертя деяких підшипникових матеріалів в умовах рідкого змащування наступні:

бабіти олов’яні f = 0,01–0,02

бабіти свинцеві f = 0,015–0,025

бронза свинцева f = 0,02–0,03

чавун антифрикційний f = 0,05–0,08

Допустимі контактні навантаження на бабітові підшип-ники складають 10–15 МПа. Для підвищення довговічності підшипників доцільно вали зміцнювати термообробкою до твердості HRC 50.

Латуні представляють собою сплави міді із цинком. В деяких випадках додають свинець, кремній, алюміній, залізо та інші метали. Латуні характеризуються високими анти-корозійними і технологічними властивостями, мають достатню, як для кольорових сплавів, міцність. Викорис-товуються для виготовлення трубок і арматури спеціального призначення, ущільнювальних прокладок, в приладобуду-ванні, в електромашинобудуванні.

Тверді сплави. Тверді сплави – це сплави на основі карбідів вольфраму, титану, хрому. До них відносяться такі сплави (ГОСТ 3882-74): ВК3, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25, Т30К4, Т15К6 та інші.

Тверді сплави характеризуються високою зносо-стійкістю, твердістю (HRA 80-90), міцністю (границя міцності при статичному згині складає 1170-2150 МПа). Викорис-товуються для виготовлення породоруйнівних і ловильних інструментів, запірних вузлів регулювальних дроселів та інших конструкцій з відповідними вимогами.

Інші конструкційні матеріали. Крім розглянутих вище в нафтогазовому машинобудуванні використовують неметалеві конструкційні матеріали і в першу чергу пластмаси і гуму.

Пластмаси – це матеріали на основі високомолеку-лярних органічних з’єднань. В залежності від типу напов-нювача, який входить до складу пластмас останні можуть мати різноманітні фізико-механічні і технологічні властивості. До основних пластмас, які використовуються в машино-будуванні відносяться: текстоліт, гетинакс, вініпласт, фторопласт, поліамід, поліпропилен, поліуритан та ін. При проектуванні бурового і нафтогазопромислового обладнання пластмаси слід використовувати в конструкціях, які працюють в умовах агресивного середовища (наприклад, робочі апарати відцентрових насосів для видобутку нафти, турбобурів), а також у вузлах ущільнення високого тиску (30 – 100 МПа).

Більш детальна інформація про номенклатуру і умови використання пластмас наводиться в спеціальній літературі.

Гума – матеріал на основі натурального або синтетич-ного каучука. Як конструкційний матеріал, гума має особливі властивості, а саме: допускає великі пружні деформації, гасить коливання, стійка в агресивному середовищі, володіє високими діелектричними властивостями. В буровому і нафтогазопромисловому обладнанні гумові конструкції мають надзвичайно широке використання. З гуми виготовляють різноманітні ущільнення, приводні паси, діафрагми, амортизатори, підшипники ковзання. Конкретніша інформація про фізико-механічні властивості гуми, умови її викорис-тання, рекомендації щодо проектування та виготовлення гумовотехнічних виробів виходить за межі даного посібника і приводиться в [ 7, 11 ].