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石油機械軸承-油田設備用軸承

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近年來隨著石油行業的發展,對石油機械用軸承的壽命提出了越來越高的要求,石油機械用軸承不僅要承受拉伸、壓縮、彎曲、剪切、等復雜的交變應力狀態和高應力還要受到腐蝕介質的侵蝕。本文根據石油機械用軸承的服役要求,以滾動軸承為例,以選擇合適的鋼材和熱處理工藝使得軸承最終熱處理后的硬度在52~60HRC之間為目標,首先分析了軸承零件的服役條件,在此基礎上根據其可能的失效形式,工作環境及性能要求選擇合適的材料,設計零件加工工藝路線,分析熱加工過程包括鍛造,預備熱處理,淬火,回火等的加熱溫度及加熱時間,***進行性能檢測及分析。經過研究,歸納,得到以下結論:該軸承應采用9Cr18鋼,采用等溫球化退火,淬火加熱溫度為1050~1075℃,保溫時間根據零件厚度而定,采用油淬,加熱至終加熱溫度前要進行預熱,淬火后要深冷處理?;鼗饻囟葹?00~350℃,保溫時間為2~3小時,對于D級以上軸承零件可施行二次補加回火。

 

工件的服役條件

 

軸承的作用是支承軸。軸在工作時可以是旋轉的,也可以是靜止的。軸承是各種機械中傳遞和承受負荷的重要支撐零件,常被稱之為機械的“關節”。 

石油機械軸承-油田設備專用軸承

軸承零件在實際使用過程中,往往要在拉伸、壓縮、彎曲、剪切、交變等復雜應力狀態和高應力值條件下,高速長時間工作。

 

軸承應滿足:一、能承擔一定的載荷,具有一定的強度和剛度;二、具有小的摩擦力矩,使回轉件轉動靈活。三、具有一定的支撐精度,保證被支撐零件的回轉精度。

 

  滾動軸承轉動時,承受徑向載荷Fr,外圈固定。當內圈隨軸轉動時,滾動體滾動,內、外圈與滾動體的接觸點不斷發生變化,其表面接觸應力隨著位置的不同作脈動循環變化。滾動體在上面位置時不受載荷,滾到下面位置受載荷***,兩側所受載荷逐漸減小。所以軸承元件受到脈動循環的接觸應力。軸承的失效形式主要有三種:疲勞點蝕,塑性變形和磨損。對于一般轉速的軸承,如果軸承的制造、保管、安裝、使用等條件均良好時,軸承的主要失效形式為點蝕,此時應以疲勞強度計算為依據進行軸承的壽命計算。對于高速軸承,除疲勞點蝕外其工作表面的過熱也是重要的失效形式,除需要進行壽命計算外還應校驗其極限轉速。對于低速軸承,可近似地認為軸承各元件是在靜應力作用下工作的,其主要失效形式為塑性變形。

 

  對于在石油機械中使用的軸承,其不但要受到以上所述的各種復雜的交變應力。還要考慮其所處的工作環境,該軸承還受到腐蝕介質的侵蝕。

 

材料的選取

選擇制造軸承的材料是否合適,對其使用性能和壽命將有很大影響。而選擇材料的基本方法是根據軸承的失效形式來決定的。一般情況下,滾動軸承的主要破壞形式是在交變應力作用下的疲勞剝落,以及由于摩擦磨損而使軸承的精度喪失,此外,還有裂紋、壓坑、銹蝕等原因造成軸承的非正常破壞??傮w而言,滾動軸承應具有高的抗塑性變形能力,少的摩擦磨損,良好的尺寸穩定性,以及長的接觸疲勞壽命。

軸承材料的性能要求

高的接觸疲勞強度

 

接觸疲勞破壞是軸承正常破壞的主要形式。滾動軸承運轉時,滾動體在軸承內,外圈的滾道間滾動,其接觸部分承受周期性交變載荷,多者每分鐘可達數十萬次,在周期性交變應力的反復作用下,接觸表面出現疲勞剝落。滾動軸承開始出現剝落后便會引起軸承振動、噪音增大、工作溫度急劇上升,致使軸承最終損壞,這種破壞形式稱為接觸疲勞破壞。因此,要求滾動軸承應具有高的接觸疲勞強度。

 

高的耐磨性

 

滾動軸承工作時,出了發生滾動摩擦外,還伴有滑動摩擦。發生滑動摩擦的主要部位是:滾動體和滾道之間的接觸面、滾動體和保持架兜空之間的接觸面、保持架和套圈引導擋邊之間以及滾子端面與套圈引導擋邊之間等。滾動軸承中滑動摩擦的存在不可避免的使軸承零件產生磨損。如果軸承鋼的耐磨性差,滾動軸承便會因磨損而過早的喪失精度或因旋轉精度下降而使軸承振動增加、壽命將降低。因此要求軸承鋼應具有高的耐磨性。

 

高的彈性極限

 

滾動軸承工作時,由于滾動體與套圈道之間接觸面積很小,軸承在承受載荷時尤其是在承受大載荷的情況下,接觸表面的接觸壓力很大。為了防止在高接觸應力下發生過大的塑性變形,是軸承精度喪失或發生表面裂紋。因此,要求軸承鋼應具有高的彈性極限。

 

適宜的硬度

 

硬度是滾動軸承的重要指標之一,它與材料接觸疲勞強度、耐磨性、彈性極限有著密切的關系,直接影響著滾動軸承的壽命,軸承的硬度通常要根據軸承承受載荷的方式和大小、軸承尺寸和壁厚的總體情況來決定。滾動軸承用鋼硬度要適宜,過大或過小都將影響軸承使用壽命。眾所周知,滾動軸承的主要失效形式是接觸疲勞破壞,以及由于耐磨性差或者尺寸不穩定而使軸承精度喪失;軸承零件如果缺乏一定的韌性,在承受較大沖擊載荷時又會由于發生脆斷而導致軸承的破壞。所以,一定要根據軸承的具體情況和破壞的方式來確定軸承的硬度。對于由于疲勞剝落或耐磨性差使軸承精度喪失的情況。軸承零件應選用較高硬度;對于承受較大沖擊載荷的軸承(例如:軋機軸承、鐵路軸承和一些汽車軸承等),應適當降低硬度以提高軸承的韌性是十分必要的。

 

一定的沖擊韌性

 

很多滾動軸承在使用過程中都會受一定的沖擊載荷,因此要求軸承鋼具有一定的韌性,以保證軸承不因沖擊而破壞。對于承受較大沖擊載荷的軸承鋼如:軋機軸承、鐵路軸承等要求材料具有相對較高的沖擊韌性和斷裂韌性,這些軸承有的用貝氏體淬火熱處理工藝,有的用滲碳鋼材料,就是為了保證這些軸承具有較好的耐沖擊韌性。

 

良好的尺寸穩定性

 

滾動軸承是精密的機械零件,其精度是以毫米為計算單位,在長期的保養和使用過程中,因內在組織發生變化或應力變化會引起軸承尺寸的變化,導致軸承喪失精度。因此,為保證軸承的尺寸精度,軸承鋼應具有良好的尺寸穩定性。

 

良好的防銹性能

 

滾動軸承的生產工序繁多,生產周期較長,有的半成品或成品零件在裝配前還需要較長時間的存放。有的軸承工作在腐蝕介質中等。因此,軸承零件在生產過程中或在成品保存以及一些工作環境中都極易發生一定的銹蝕,特別是在潮濕的空氣中,所以,要求軸承鋼要具有良好的防銹性能。

 

良好的工藝性能

 

滾動軸承在生產過程中,其零件要經過多道冷,熱加工工序,這就要求軸承鋼應具有良好的工藝性能,如冷,熱成型性能,切削、磨削加工性能及熱處理性能等等,以適應滾動軸承大批量、高效率、低成本和高質量生產的需要。

石油機械用軸承材料的選擇

根據石油機械的工作環境,其軸承處于腐蝕環境中。故為了能夠延長軸承的使用壽命應采取防銹軸承,根據防銹的目的選取材料,應選用不銹鋼制造。常用不銹鋼在軸承零件上的應用如下:

 

牌 號

用途

9Cr18

9Cr18Mo

⑴用于制造海水,河水,蒸餾水,硝酸,海洋性氣候蒸汽等腐蝕環境及無潤滑的強氧化氣氛中工作的軸承,如船舶、化工、石油機械中的軸承及航海儀表上的軸承等,也可作為耐蝕高溫軸承材料,但使用溫度不能超過250℃。此外,它們還可以用于制作醫療手術刀具。

⑵用于微型軸承套圈和鋼球;

⑶適于在高真空以及在-253~350℃溫度范圍內工作的軸承零件(套筒以及滾動體)。

0Cr18Ni9

1Cr18Ni9

1Cr18Ni9Ti

 

制造耐腐蝕軸承保持架,防塵蓋,套圈,鋼球等

Cr17Ni2

制造高速,耐腐蝕軸承保持架,鋼球。

1Cr13

制造940/00型滾針軸承的外套。

2Cr13

制造關節軸承的內套

3Cr3

制造關節軸承的內套

4Cr13

制造耐腐蝕滾針和套圈。

所以適于制造石油機械用的軸承的用選用9Cr18或者9Cr18Mo。

 

 

表1-1 9Cr18和9Cr18Mo鋼的化學成分


化學成分(質量分數%)

C

Si

Mn

Cr

Mo

S

P

9Cr18

0.9~1.00

≤0.80

≤0.80

17.00~19.00


≤0.030

≤0.035

9Cr18Mo

0.95~1.10

≤0.80

≤0.80

16.00~18.00

0.40~0.70

≤0.030

≤0.035

考慮經濟因素,鉬的價格比較高故選用9Cr18。

表1-29Cr18鋼的室溫力學性能

熱處理工藝

抗拉強度ób/MPa

斷后伸長率ó5(%)

斷面收縮率ψ(%)

沖擊韌度αk/(J/cm2)

硬度

850℃退火

745

14.0

27.5

15.68

230~240HBW

1060℃淬火,350℃回火





≥52HRC

表1-39Cr18鋼回火溫度與力學性能的變化

回火溫度/℃

硬度HRC

αk/(J/cm2)

應力為960MPa時的彎曲疲勞/106次

旋轉達8×104次后的磨損/mg

100

60

3.04

6.3

60

150

60

3.72

8.4

60

200

59

4.51

4.5

63

注:淬火溫度為1050~1060℃,淬火后以不同溫度回火。

表1-4冷處理對淬火的9Cr18鋼硬度的影響

淬火溫度/℃

硬度HRC

淬火后

冷至-75℃保持1H后

回火溫度/℃

100

150

200

1000

58


58

57

55

1000

59

59.5

59.5

59

57

1050

60


60

59

57

1050

60

61.5

61

61

59

1100

60.5


60

59.5

57

1100

60.5

62

62

62

60.5

要求該軸承最終硬度為52~60,據表1-4可知9Cr18在不同淬火及回火溫度下其硬度值不同,若提高回火溫度可進一步降低硬度,故選用9Cr18可保證硬度。

 

石油設備軸承的種類

 

油田專用軸承有泥漿軸承、轉盤軸承、水龍頭軸承、天車軸承

 

泥漿軸承 24052CA/C3W33、3506/381/C9、NFP6/723.795Q4/C9-1

 

大型油田專用軸承:二類:666.75Q228/600Q228/666.75Q92984Q929/558.8Q929/660.4Q928/508Q928/660.4Q1032980H
三類:3003736CA/W33 3003740CA/W33 3003760CA/W33 4053172K
七類:579529786097960209716420971722097936K2097948K2097952K37941K37951K37961K
八類: 50081/67090081889168164916818491681/50091681/60091681/7501681/80091682/8001687/5601687/6501689/5201689/620
大型油田專用軸承:
二類:32840 32844 22761 2761 228/666.75Q 228/600Q 228/666.75Q 92984Q 929/558.8Q 929/660.4Q 928/508Q 928/660.4Q 1032980H
三類: 3003736CA/W33 3003740CA/W33 3003760CA/W33 4053172K
七類: 57952 97860 97960 2097164 2097172 2097936K 2097948K 2097952K 37941K 37951K 37961K
八類:81/500 81/670 9008188 9168164 9168184 91681/500 91681/600 91681/750 1681/800 91682/800 1687/560 1687/650 1689/520 1689/620 RY65/630 RY65/620
九類:29426 29428 29430 29432 29434 29436 29440 29456 9019436 9019440 9019456Q 19954Q 19955Q 19742L 9549424
滾針:154836Q 154942Q 254936Q 254941Q 254735Q 354935Q 354920Q 還有 小滾針的401 402 403 404等特殊油田專用軸承.及鋼廠軸承:D1007992 1007996 10079/530 1097980 1097988 10979/600 10979/710 10979/ 900 10979/950 2007172 7180 7188 71/500 71/560 71/600 71/630 及千類軸承 : 61840M 61880M 61884M 61888M 618/500M 618/530M 618/560M 618/600M 618/710M 618/750M 61960M 61968M 61980M 619/500M 619/530M 619/560M 銷售特大型軸承。

 

進口軸承圍繞海陸石油、天然氣的開發,對煉油、乙烯及三大合成材料(合成樹脂、合成橡膠、合成纖維)的需要求量將以6%至9%的增速遞增。這樣需要一大批油、氣管線集輸設備和大型高效的石油化工設備,重點發展沙漠、海洋大型石油勘探和鉆采設備,年產60萬噸以上乙烯、45萬噸合成氨、80萬噸尿素和化纖等大型成套設備。因此,為石油化工設備配套和維修用的23156軸承、機械密封件和填料靜密封等的市場年需求量將會有較大增長。

 

進口軸承開發出一系列適用于惡劣環境下的耐高溫密封式調心滾子軸承,這種軸承的特點是兩側各有橡膠密封件,保證進口軸承滾道在無塵的環境中安全運轉,防止潤滑脂的外漏,具有防塵、防水、耐高溫高壓、重載荷等優點,也有開式以及適用于特定應用的耐高溫23156軸承,能在-40至+350度的工況下可連續安全運轉,這是軸承具有吸引力的特點,在很多要求高的應用中無法被取代。


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