Ключовий компонент трансмісії поршневого компресора — поршневий шток: матеріал, термообробка та перевірка виробництва

У поршневому компресорі поршневий шток є основним компонентом трансмісії, що з’єднує поршень і траверсу. Він виконує кілька функцій, таких як передача енергії, керування рухом, ущільнювальна посадка та несіння навантаження. Його продуктивність безпосередньо впливає на робочу стабільність компресора, надійність ущільнення, безпеку та термін служби, що робить його однією з найбільш критично навантажених ключових частин поршневого вузла. Вибір матеріалу, процес термічної обробки, зміцнення поверхні та перевірка якості поршневого штока є особливо важливими в нафтохімічній, вугільній хімічній промисловості та на морських платформах, що включають корозійні середовища, такі як H₂S, CO₂ і кислотна водяна пара. Беручи за приклад поршневий шток з нержавіючої сталі H1150M умова 17-4PH, що зміцнюється дисперсійним зміцненням, ця стаття систематично представляє позиціонування продукту, вибір матеріалу, процес термообробки, процес виробництва та вимоги до перевірки.

 

1. Позиціонування та основні функції

Поршневий шток, як ключова частина трансмісії в поршневому вузлі поршневого компресора, потребує чіткого функціонального позиціонування. Він з'єднує поршень і хрестовину і в основному виконує наступні функції:

Передача потужності: передає зворотно-поступальну силу, що виходить від хрестовини, на поршень, змушуючи поршень здійснювати зворотно-поступальні рухи в циліндрі для досягнення впуску, стиснення та випуску газу.

Поверхня ущільнювальної посадки: Корпус штока щільно прилягає до сальникової коробки та масляного скребкового кільця, запобігаючи витоку стисненого середовища з циліндра, одночасно блокуючи мастило картера двигуна від потрапляння в камеру стиснення, забезпечуючи тим самим чистоту середовища.

Керування рухом: взаємодіє з напрямним кільцем і сальником, щоб обмежити траєкторію руху поршня та зменшити ексцентричний знос поршня та аномальний знос циліндра.

Витримує навантаження: витримує змінну напругу стиску, силу зсуву тертя та силу удару газу протягом усього процесу та має мати достатню втомну міцність та ударну в’язкість.

Ці функції визначають, що поршневий шток є не окремою частиною, що несе навантаження, а ключовим компонентом, який одночасно впливає на передачу, ущільнення, напрямок і термін служби. Таким чином, подальше конструкційне проектування, вибір матеріалів і виробничі процеси повинні зосереджуватися на високій міцності, високій міцності, високій точності та високій надійності.

 

2. Структурний дизайн

Конструктивна конструкція штока поршня обертається навколо передачі потужності, напряму та ущільнення. Зазвичай він використовує цілісну високоміцну круглу конструкцію валу, виготовлену за допомогою цілісного кування або з високоякісного прутка. Один кінець з’єднаний з головкою поршня за допомогою тонкої різьби, плечового затискача або конічного з’єднання, тоді як інший кінець з’єднаний з хрестовиною або шатунним механізмом за допомогою різьби, фланця або гідравлічного затягувального з’єднання. Використання тонких ниток і переходів великого радіусу дозволяє мінімізувати концентрацію напружень і уникнути втомного руйнування при змінних навантаженнях.

Критичні базові поверхні встановлюються в одній установці в поєднанні з багатопроцесорною точною обробкою та випрямленням, із суворим контролем прямолінійності, округлості та співвісності, що гарантує, що поршневий шток підтримує стабільну осьову точність під час високошвидкісного зворотно-поступального руху та зменшує ризик нецентрального навантаження та ненормального зносу сальника.

З конструкційної точки зору, основним завданням конструкції поршневого штока є зменшення концентрації напруги, забезпечення надійного з’єднання та збереження точності руху. Коли конструкція визначена, вибір матеріалу стає ключовою ланкою, що визначає її здатність адаптуватися до умов експлуатації.

 

3. Вибір матеріалу

Вибір матеріалу здійснюється по-різному відповідно до корозійних умов експлуатації, номінального тиску та характеристик середовища та в основному поділяється на три категорії:

• Матеріали для нормальних умов експлуатації: високоякісна вуглецева та легована сталь, така як 45#, 40Cr, 42CrMo, 38CrMoAlA тощо. Після загартування та відпустки + поверхневого зміцнення вони мають високу міцність, високу в’язкість і гарну зносостійкість і підходять для загальних сценаріїв із некорозійними або слабо корозійними середовищами, такими як повітря, азот і природний газ, під робочим тиском. ≤20 МПа.

• Матеріали для корозійних робочих умов: для корозійних середовищ, що містять H₂S, CO₂, кислу водяну пару тощо, вибрано нержавіючу сталь 17-4PH, що зміцнюється дисперсійним процесом, мартенситну нержавіючу сталь 2Cr13 і аустенітну нержавіючу сталь 316L відповідно до NACE MR0175. Вони мають високу стійкість до рівномірної корозії та корозійного розтріскування під напругою та підходять для кислотних умов експлуатації в нафтохімічній, вугільній хімічній промисловості, на морських платформах та в інших сферах застосування.

• Матеріали для особливих умов експлуатації: для сценаріїв стиснення водню перевагу надають сплаву на основі нікелю Inconel718 і стабільній аустенітній нержавіючій сталі з відмінною стійкістю до водневої крихкості; для особливих ситуацій, що вимагають легких, немагнітних і міцних корозійних стрижнів, також можна використовувати армовані вуглецевим волокном композитні поршневі штоки.

Загалом, універсального рішення щодо вибору матеріалу не існує; Ключ полягає в відповідності умов експлуатації. Для сценаріїв із високим ризиком корозії, таких як кислотна нафта та газ, нержавіюча сталь 17-4PH, що зміцнюється дисперсійним опадом, у поєднанні з відповідними умовами термічної обробки є важливим рішенням, яке збалансовує міцність, міцність і стійкість до корозійного розтріскування під напругою.

 

4. Процес термічної обробки H1150M і переваги продуктивності

Для кислих нафти та газу та умов експлуатації з ризиком корозії під впливом сірководню може використовуватися нержавіюча сталь 17-4PH, що зміцнюється дисперсійним опадом, і поставляється в стані ASTM A564 H1150M. H1150M має помірну міцність, найкращу міцність і оптимальну стійкість до корозійного розтріскування під напругою, з меншою механічною деформацією та низьким залишковим напруженням.

4.1 Типові механічні властивості Н1150М (поздовжній напрямок поковок)

• Міцність на розрив Rm: 790~860 МПа

• Межа текучості Rp0.2: 620~720 МПа

• Подовження: ≥18%

• Твердість: HRC 24~29

4.2 Порівняння умов H1150/H1150D/H1150M

Шлях термічної обробки H1150M можна просто записати так: обробка розчином → 760 ℃ × 2 год. повітряне охолодження → 621 ℃ × 4 год. повітряне охолодження. Серед них високотемпературна попередня відпустка 760 ℃ є основним етапом, який відрізняє H1150M від H1150/H1150D, а 621 ℃ — старіння в опадах.

 

5. Обробка поверхні

Робоча частина, яка з’єднується з сальником і маслосъемним кільцем, повинна бути піддана поверхневому зміцненню. Основні процеси включають:

• Тверде хромування: товщина 0,05 ~ 0,25 мм;

• Азотування: підходить для матеріалу 38CrMoAlA;

• Напилення карбіду вольфраму (WC): процес, подібний до кераміки, з твердістю до 60 HRC і оптимальною зносостійкістю.

Після напилення карбіду вольфраму шорсткість поверхні становить Ra≤0,2 мкм, що може зменшити тертя та знос ущільнень і подовжити термін служби сальника.

Шток поршня з напиленням карбіду вольфраму (WC).

6. Потік виробничого процесу

Від сировини до готового продукту обробка поршневого штока повинна відбуватися в чіткій послідовності: спочатку завершити обробку матеріалу розчином, потім виконати загартування та відпуск і термічну обробку, після чого слід накочування різьби, напилення поверхні та точне шліфування. Кожен процес впливає на кінцеву продуктивність, тому контроль процесу є особливо важливим.

6.1 Обробка розчином матеріалу 17-4PH

Матеріал 17-4PH спочатку повинен пройти обробку розчином, перш ніж можна буде проводити іншу обробку. Обробка розчином Умова А: витримуйте при 1040 ℃ (1900 °F), охолоджуйте повітрям/масляним охолодженням для отримання мартенситної матриці, підготовки до подальшої механічної обробки та старіння.

6.2 Загартування, відпуск і термічна обробка

Після обробки розчину проводять гарт і відпуск, термічну обробку та інші процеси відповідно до матеріалу, креслень і умов експлуатації. Взявши як приклад H1150M, реалізовано шлях термічної обробки, визначений ASTM A564:

Перший етап: 760 ℃ (1400 °F) витримують 2 години, охолоджують повітрям;

Другий етап: 621 ℃ (1150 °F) витримувати протягом 4 годин, охолоджувати повітря.

Звичайна легована сталь приймає загартування та відпуск + поверхневе зміцнення; 38CrMoAlA може прийняти обробку азотуванням.

6.3 Накочування різьби

Всі різьби (гвинтові різьби) накочуються на різьбонакатному верстаті, а не формуються токарним способом. Прокатка може покращити втомну міцність кореня різьби, поверхневу щільність і безперервність волокна, що робить його більш придатним для витримування високочастотних змінних навантажень.

6.4 Покриття поверхні з карбіду вольфраму (WC).

На робочу частину штока поршня нанесено покриття з карбіду вольфраму (WC) з твердістю до 60 HRC і оптимальною зносостійкістю. Залежно від умов експлуатації також можна вибрати тверде хромування або азотування. Товщина покриття контролюється згідно з кресленнями та умовами експлуатації.

6.5 Точне шліфування до кінцевих розмірів

Після напилення карбіду вольфраму (WC) на поверхню поршневий шток шліфується відповідно до розмірів креслення, щоб отримати кінцеві розміри. Застосовується точне шліфування, а допуски округлості та циліндричності робочої секції тіла стрижня досягають класу IT6, відхилення прямолінійності ≤0,05 мм/м і вигин загальної довжини ≤0,08 мм, забезпечуючи рівномірне ущільнення та уникаючи витоку або ненормального зносу.

 

7. Перевірка продукції та забезпечення якості

Перевірка матеріалу: хімічний склад, механічні властивості, сертифікат матеріалу та металографічний огляд, якщо це необхідно.

Перевірка термічної обробки: записи кривої термічної обробки та випробування на твердість. Твердість H1150M контролюється на HRC 24~29; H1150 становить 28~37 HRC; H1150D становить приблизно 27~33 HRC.

Розміри та геометричні допуски: основні розміри, співвісність, округлість, циліндричність, прямолінійність та вигин повної довжини. Округлість і циліндричність робочої секції досягають класу IT6, прямолінійність ≤0,05 мм/м, загальна довжина вигину ≤0,08 мм.

Якість поверхні: шорсткість поверхні Ra≤0,2 мкм, товщина покриття, адгезія покриття та зовнішній вигляд без тріщин і подряпин.

Механічні властивості: міцність на розрив, межа текучості, подовження та ударна в'язкість. Беручи H1150M як приклад: Rm 790~860 МПа, Rp0.2 620~720 МПа, подовження ≥18%.

Неруйнівний контроль: Ультразвуковий контроль (UT), магнітопорошковий контроль (MT), проникаючий контроль (PT) тощо, якщо потрібно, щоб переконатися у відсутності внутрішніх і поверхневих дефектів.

Остаточна перевірка: повна перевірка розмірів відповідно до креслень, візуальна перевірка та підтвердження інформації про маркування та відстеження, що забезпечує відстеження продукції та консистенцію партії.

 

Висновок

Поршневий шток із термічно обробленої нержавіючої сталі 17-4PH H1150M завдяки розумному вибору матеріалу, стандартизованій термічній обробці, зміцненню поверхні карбідом вольфраму, накочуванню різьблення та точному шліфуванню може підтримувати стабільну міцність, ударну в’язкість і продуктивність ущільнення в суворих умовах, таких як кислотна нафта і газ, а також ризик корозії під впливом сірководню. У поєднанні з контролем якості повного процесу від матеріалів, термічної обробки, розмірів і поверхні до неруйнівного тестування, це може забезпечити надійну гарантію безпечної, ефективної та тривалої роботи поршневих компресорів.