PDF《陶瓷涂层活塞杆的研制》

文章编号:

1003 -

1251 (2005)

01 -

0065 -

02 陶瓷涂层活塞杆的研制 王光1 , 任希文2 , 郭启宏3 , 何丽4 (1.

北京燕山石化公司,北京 100000;

2. 沈阳远大压缩机制造有限公司;

3. 辽河油田沈阳采油厂;

4. 沈阳理工大学) 摘要: 在往复压缩机中活塞杆的耐磨、 耐蚀性问题始终是提高产品质量的一大难题. 本文作者研制出一种陶瓷涂层活塞杆. 并经三年试车考验, 效果良好. 关键词: 往复压缩机 ;

活塞杆;

陶瓷涂层 中图分类号: TE974.

3 文献标识码: A 收稿日期:

2004 -

10 -

12 作者简介: 王光(1964―) , 男, 北京人, 高级工程师 . 往复压缩机主要用在汽、 柴油的加氢精制、 催 化重整等设备装置上, 涉及的压缩气体多为易燃易 爆、 且含有不同程度的腐蚀性. 活塞杆是往复压缩机中传递动力的关键部件. 它在高温, 高压, 受拉伸、 压缩交变载荷的条件下工 作, 并同填料、 密封环产生摩擦、 磨损. 活塞杆表面材料的耐蚀性是压缩机中的关键 问题, 尤其是含 H2 S 气体的应力腐蚀问题更难以解 决. 美国腐蚀工程协会 NACE MR -

01 -

75 《油田设 备金属材料防硫化作用裂纹材料要求》 规定: 硬度 HRC =

22 是临界值, 如果其材料硬度高于此值, 即 失去克服应力腐蚀的能力, 活塞杆本体采用的材料 无法同时满足防腐蚀和耐磨的要求. 对于活塞杆所 处的苛刻工作状况, 提高活塞杆的使用寿命便成为 气体压缩机制造中关键问题之一.

1 理论分析 1.

1 活塞杆腐蚀成因 首先是由于水和氧的存在, 活塞杆才发生锈 蚀. 一般说来, 小部分的水很容易挥发掉, 可是由于 机油的存在, 阻止了水的挥发, 使得锈蚀继续进行. 存放的时间越长, 锈蚀就越严重. 其次是 H2S 气体 的存在使活塞杆表面硫化而产生裂纹. 1.

2 活塞杆磨损分析 往复式压缩机的活塞组件通常是处于循环往 复运动状态下工作, 因曲轴回转运动转化为往复运 动而引起活塞杆受拉压交变应力, 同时还承受着活 塞组件重量引发的惯性力和摩擦力作用. 活塞式压缩机中, 产生摩擦力的因素很多. 在 动力计算中, 摩擦力可用下述公式计算 [1] . Ff = (0.

6 ~

0 7) N (1 / ηm - 1)

60 / (2S・n) (1) 式中,N 为机器的总功率;

S 为活塞行程;

ηm 为机器的机械效率;

n 为转速. 活塞杆因运动时的惯性力又产生了动载荷, 由 动载荷产生了动应力. 动应力 σd 与静应力 σ 的关 系可采用一个动荷系数 Kd 来修正, 即σd = Kd σ (2) 式(2) 中对于均质构件,Kd = 2. 在动载荷的循 环应力工作条件下, 活塞杆断裂的原因, 大致有

4 种: ①断裂部位的材料中存在杂质;

②加工中螺纹 根部残留刀尖的小刀痕;

③热处理中出现的微裂 纹;

④螺纹根部应力集中部位在不对称循环载荷的 条件下, 因疲劳损伤逐渐形成小裂纹 [2] .

2 陶瓷涂层活塞杆的研制 2.

1 不同型号钢材的机械性能 活塞杆母材材质和性能如表

1 所示. 表1活塞杆母材及性能 牌号 机械性能抗拉强度极限 σb / (N/ mm2 ) 屈服强度极限 σs / (N/ mm2 ) 断面收缩率 ψs / % 硬度 HRC 42CrMo

800 650

14 38CrMoAl

833 755

15 2Cr13

750 550

14 3Cr13

833 637

12 17 - 4pH

930 720

22 45#

637 353

17 35 ~

45 2

0 0

5 年3月沈阳理工大学学报Vol .

2 4 No .

1 第24卷第1期TRANSACTIONS OF SHENYANG LIGONG UNIVERSITY Mar.

2 0

0 5 2.

2 喷涂工艺 本试验采用等离子喷涂技术, 它是目前广泛使 用的制备陶瓷涂层的高新技术. 其原理是将气体送 入等离子喷涂枪内, 通过高频点火电离成 1000?C 以上高温离子气体, 再经过阳极喷嘴高速喷出, 粉 末用载气通道送入火焰中熔化并加速喷涂到工件 的表面上. 因而这种活塞杆表面陶瓷涂层技术具有 焰流温度高, 速度快, 气氛可控等一系列优点. 采用了不同型号的钢材作为陶瓷涂层的基体, 在基体上首先要喷涂铝包镍结合层, 其目的是在基 体外附加一层抗腐蚀保护层, 以提高基体金属表面 材料的抗蚀特性和表面强化. 在铝包镍结合层上, 即可喷涂金属陶瓷层 [3] . 喷涂底层: (4. 5% Al-Ni) Al 包Ni 金属层 喷涂面层: (40% TiO2 -Al2 O3 ) 陶瓷层 2.

3 喷涂设备 GP-80 等离子喷涂系统, 配有电源、 控制柜、 热 交换器、 喷枪、 DPSF-Ⅱ型送粉器. 2.

4 涂层工艺

4 : :

4 : :

4 : :

4 : :

4 : : 下料 车磨去油污 夹具保护

4 : :

4 : :

4 : : 吹砂 喷涂底层 喷涂陶瓷层 金刚

4 : :

4 : : 石砂轮粗磨 车SiC 砂轮精磨. 2.

5 活塞杆的物理性能 2. 5.

1 陶瓷涂层金相组织. 从陶瓷涂层金相组织 (图1) 中可看出, 铝包镍 组织细腻, 粘着强度高. 耐压损和抗腐蚀性好. 图1陶瓷涂层金相组织 *

250 2. 5.

2 陶瓷涂层活塞杆宏观物理特性 宏观硬度: HRC60 左右;

结合强度: 35MPa;

涂 层厚度: 300?m;

涂层气孔率: ≤2% ;

涂层粗糙度: Ra 0.

6 ~ 0. 4.

3 结束语 陶瓷涂层活塞杆装机试车, 陆续在几家厂家考 核, 使用厂家普遍反映陶瓷涂层活塞杆寿命高, 使 用周期长, 过去一年、 一年半更换一次, 现在使用时 间最长的已接近三年. 压缩机活塞杆在易腐蚀的工况下, 采用陶瓷涂 层这种新的工艺技术, 有利于产品使用寿命的提 高, 值得大力推广. 参考文献: [1]杨波, 谷传纲, 倪继军, 等. 往复式压缩机组活塞杆断裂监测及 联锁系统研究 [J] . 流体机械, 2003,

31 (6) , 30-31. [2]赵蛾君, 虞岩贵. 活塞杆疲劳 - 损坏-断裂的计算和分析 [J] . 机 电工程, 2000,

17 (3) . [3]张宇, 刘萍, 张树人. 陶瓷涂层液压缸及位移测量系统 [J] . 液 压气动与密封, 2000, (3) . A Study on the Development of Ceramic-Coating Piston-Rod WANG Guang1 ,REN Xi-wen2 , GUO Qi-hong3 (1. Beijing Yanshan Petro-Chemical Co. Beijing 100000, China;

2. Shenyang Yuanda Compressor Manufacturing Co. Ltd;

3. Shenyang oil-extraction Plant Liaohe Oil-field) Abstract: The wear and corrosion-resistant piston-rod is a difficult problem for improveing its quality in produc- tion for reciprocating piston compressor all the time. A new piston-rod with ceramic coating is developed . The piston-rod has passed through three-year @s experimental running and obtained a great success. Key words: reciprocating compressor;

piston-rod;

ceramic coating ・

6 6 ・ 沈阳理工大学学报2005 年