Рис. 3. Роторы турбин и газотурбинных двигателей отремонтированные с использованием новых импортозамещающих лазерных технологий: а – роторы ОК и ТВД ГТК – 10И, ОК и ТВД ГТК 10-4; б – ротор турбины Framatone

Автор: Е.И. Тескер (ООО «Агромаш).

Опубликовано в журнале Химическая техника №9/2014

В современных условиях наиболее актуальными являются проблемы, связанные с повышением технического уровня, надежности и эффективности эксплуатации машинного оборудования, продлением его жизненного цикла, увеличения межремонтных пробегов и других эксплуатационных показателей.

Именно эти характеристики определяют конкурентоспособность машиностроительной продукции.

На основе всестороннего анализа технической документации отечественных и зарубежных фирм – производителей насосно-компрессорного оборудования, отзывов с мест эксплуатации и данных о предельных состояниях быстроизнашивающихся базовых деталей и узлов насосно-компрессорного и газотербинного оборудования фирм (Ruhrpumpen, Burghardt, Siemens, Greenfild, Neuman Esser, KSB, Hermetic, Sulzer, ITT, ASCO, LEWA, Siemens KKK, Pollrich, General Electric и др.), можно констатировать следующее:

  • уровень конкурентоспособности и условия импортозамещения определяются прежде всего точностью сопряжений, которая у импортного оборудования на 1…2 класса выше по сравнению с общемашиностроительными нормами РФ для аналогичных изделий. Следует отметить, что ужесточение требований к точности сопряжений и качеству рабочих поверхностей импортного оборудования не всегда технически обосновано и чаще всего связано с повышением конкурентоспособности и в какой-то мере защитой от копирования оригинальных изделий. Можно утверждать, что общемашиностроительные стандарты РФ и действующие технические условия на производство отечественных технических объектов во многом устанавливают более обоснованные характеристики качества. Это положение основано на многолетнем опыте работы автора в соответствующих Технических комитетах Госстандарта России и ISO. Кроме того, автор является разработчиком ряда ГОСТов, в том числе и межгосударственных;
  • в конструкциях импортного оборудования часто отсутствуют новые оригинальные технические решения на основе ноу-хау. Фирмы практически без изменений много лет выпускают оборудование в одном и том же конструктивном исполнении (например, гиперкомпрессоры фирмы Burghardt);
  • в конструкциях импортных машин применяются детали из обычных экономно-легированных конструкционных материалов, но при этом обеспечиваются высокие требования к химическому составу, микроструктуре и физико-механическим свойствам.
  • в последние годы в машиностроении наметился прогресс в области применения новых конструкционных материалов и износостойких покрытий, например на основе карбида вольфрама (уплотнения, подшипники, лопатки и т.п.). Ограничения применения покрытий различного назначения обусловлены технологическими трудностями и значительным удорожанием изделий;
  • во многих случаях низкое качество имеют детали и узлы, поставляемые как запасные части, для поддержания жизненного цикла оборудования. Эти комплектующие по своим показателям и свойствам существенно хуже оригинальных. Попытка повлиять на поставщиков с целью повышения качества комплектующих была предпринята ООО «Лукойл». Компания разработала новые ТУ на поставку насосных агрегатов, в которых установлены требования к ресурсу, например быстроизнашивающихся деталей, не менее трех лет. Многочисленные поставщики предлагают более низкие гарантийные сроки (12 мес.).

Необходимо отметить, что импортозамещение определяется прежде всего соответствием оригинального технического уровня и эксплуатационных показателей, а также полной взаимозаменяемостью составных частей и комплектующих, что очень важно для разработки технически обоснованных норм поставки по импорту.

В неблагоприятных условиях находятся ремонтные производства, технический уровень которых в большинстве случаев существенно ниже, фирм-производителей.

В большинстве случаев ремонту подвергается оборудование, которое выработало свой проектный ресурс.

Фирма-изготовитель для такого оборудования, как правило, сама уже запасные части не изготавливает, а передает документацию фирмам с более низким уровнем производства. Положение усугубляется тем, что на многих предприятиях достоверный входной контроль запасных частей и комплектующих практически отсутствует. Фирмы не предоставляют конструкторско-технологическую документацию. На ремонтных производствах часто нет необходимых средств измерений и оценки качества.

По указанным причинам эксплуатационные показатели отремонтированного оборудования значительно уступают характеристикам новых изделий.

Необходимо отметить, что увеличение эксплуатационных показателей в послеремонтный период является серьезным резервом для импортозамещения, для снижения себестоимости продукции, экономии средств, материалов, энергии и трудовых затрат, что особенно важно в тех случаях, когда длительность эксплуатации оборудования значительно превышает нормативные и проектные сроки.

Таким образом, для обеспечения необходимых эксплуатационных показателей оборудования (как при изготовлении, так и в послеремонтный период) и реализации концепции импортозамещения требуется разработка новых инновационных импортозамещающих ремонтных технологий, обеспечивающих полное восстановление технических характеристик и работоспособности оборудования.

Одной из важнейших проблем при ремонте насоснокомпрессорного и газоперекачивающего оборудования иностранного производства является отсутствие ремонтной нормативно-технической документации, содержащей сведения, необходимые для нормальной эксплуатации и обеспечения требуемого качества ремонта оборудования. Как правило, иностранные фирмы-производители не предоставляют необходимую документацию, содержащую указания о критериях предельных и допустимых состояний деталей, лимитирующих ресурс машин; сведения о допустимых зазорах в сопряжениях; данные о характеристиках применяемых материалов, покрытий и т. д.

Установлено, что предельные состояния деталей машинного оборудования нефтехимических и газовых производств в процессе длительной эксплуатации чаще всего обусловлены постепенным накоплением в материале детали повреждений, приводящих к зарождению макротрещин и их развитию до критических размеров, а также предельным износом и разрушением трущихся деталей и поверхностей в условиях многофакторного воздействия.

Только достоверные критерии предельных состояний, основанные на закономерностях процессов накопления и развития повреждений при эксплуатации, позволяют прогнозировать остаточный ресурс, предотвращать отказы, правильно планировать ремонтно-обслуживающие мероприятия.

Таким образом, для обеспечения необходимого уровня надежности машинного оборудования требуется системный подход и комплексный подход к созданию инновационных технологий и многофункциональных покрытий, используемых для формирования поверхностных слоев быстроизнашивающихся деталей.

Разработанный нами комплексный подход, реализуемый при разработке новых технологий, включает следующие этапы:

  • получение достоверной информации о техническом состоянии оборудования и его составных частей на основе критериев работоспособности, динамики развития повреждений и изнашивания базовых деталей в реальных условиях эксплуатации;
  • разработку расчетных методов оценки несущей способности рабочих поверхностей высоконагруженных деталей, от которых зависит ресурс оборудования в целом;
  • разработку методов прогнозирования ресурса высоконагруженных деталей на основе механики разрушения в условиях многофакторного воздействия;
  • определение требуемых свойств поверхностных слоев деталей, определяющих сопротивляемость разрушению и изнашиванию;
  • разработку новых технологий формирования поверхностных слоев, обеспечивающих необходимые эксплуатационные свойства.

Приведем краткую информацию о результатах реализации комплексного подхода при выполнении работ по разработке новых импортозамещающих лазерных технологий, используемых для производственного насосно-компрессорного оборудования дочерних предприятий ОАО «Газпром», ОАО «Каустик», ООО «Ротор», Брянск «Турборемонт» и др.

Рис. 1. Примеры предельных состояний деталей насосно- компрессорного оборудования после длительной эксплуатации
Рис. 1. Примеры предельных состояний деталей насосно- компрессорного оборудования после длительной эксплуатации

На основании анализа данных о предельных состояниях деталей насосно-компрессорного и газотурбинного оборудования установлены причины выхода из строя деталей, виды повреждений и факторы, влияющие на работоспособность оборудования. В качестве примера рис. 1 показаны детали насосно-компрессорного оборудования иностранного производства после длительной эксплуатации на предприятиях ОАО «Газпром». Основной причиной выхода деталей из строя является интенсивное изнашивание и разрушение поверхностных слоев, работающих в условиях многофакторного воздействия (агрессивная среда, высокие контактные нагрузки, интенсивные процессы трения и изнашивания).

Результаты всесторонних исследований поверхностных повреждений свидетельствуют о том, что применение традиционных методов упрочняющих обработок или нанесение газотермических покрытий не позволяет обеспечить необходимую сопротивляемость разрушению и изнашиванию деталей.

Для повышения надежности и эффективности эксплуатации нефтехимического и газового машинного оборудования был разработан комплекс новых технологий, который включает:

  • получение износостойких покрытий лазерной наплавкой с использованием нанокомпозиционных сложнолегированных материалов отечественного производства, многослойных покрытий с эффектом демпфирования (для деталей, работающих в условиях действия высоких нагрузок), жаропрочных и жаростойких покрытий, комбинированных многослойных покрытий;
  • технологии лазерной заварки трещин и других дефектов на деталях газотурбинных двигателей;
  • применение антифрикционных коррозионно-стойких эластогидродинамических покрытий на основе износостойких полимеров триботехнического назначения;
  • лазерную модификацию рабочих поверхностей с целью управления свойствами поверхностных слоев и целенаправленного их формирования для повышения свойств деталей трибосопряжений.

Технологии аттестованы ОАО «Газпром» в установленном порядке и рекомендованы к использованию на ремонтных предприятиях, удостоены премии ООО «Газпром» в области науки и техники.

Примеры реализации технологии приведены на рисунках 2–5.

Рис. 2. Реновация деталей и узлов оборудования нефтехимической и газовой промышленности
Рис. 2. Реновация деталей и узлов оборудования нефтехимической и газовой промышленности
Рис. 3. Роторы турбин и газотурбинных двигателей отремонтированные с использованием новых импортозамещающих лазерных технологий: а – роторы ОК и ТВД ГТК – 10И, ОК и ТВД ГТК 10-4; б – ротор турбины Framatone
Рис. 3. Роторы турбин и газотурбинных двигателей отремонтированные с использованием новых импортозамещающих лазерных технологий:
а – роторы ОК и ТВД ГТК – 10И, ОК и ТВД ГТК 10-4;
б – ротор турбины Framatone
Рис. 4. Лазерная наплавка направляющих плит гиперкомпрессоров
Рис. 4. Лазерная наплавка направляющих плит гиперкомпрессоров

Применение новых технологий позволяет обеспечить высокие физико-механические и адгезионные свойства; отсутствие пористости и дефектов, снижающих свойства поверхностных слоев; высокую трещиностойкость и сопротивляемость ударным, знакопеременным нагрузкам; высокую коррозионную стойкость; износостойкость, в том числе и условиях ограниченной смазки; возможность восстановления номинальных геометрических размеров предельно изношенных деталей и повышение свойств их рабочих поверхностей в зонах концентраторов напряжений (резьба, шпоночные канавки, упорные бурты и т.п.); возможность применения новых принципов конструирования и формирования заданных свойств высоконагруженных деталей с композиционными биметаллическими многофункциональными покрытиями на быстроизнашивающихся участках рабочих поверхностей.

Рис. 5. Вал винтового компрессора 9-КР-201
Рис. 5. Вал винтового компрессора 9-КР-201

Результаты длительной эксплуатации оборудования различных типов свидетельствуют о существенных преимуществах разработанных технологий. При этом обеспечиваются высокие эксплуатационные показатели не только новых изделий, но и восстановленных предельно изношенных (вышедших из строя) сложных дорогостоящих деталей насосно-компрессорного и газоперекачивающего оборудования.

Стоимость реновации предельно изношенных деталей, узлов и агрегатов не превышает 30 % стоимости новых изделий при гарантии работоспособности на уровне новых изделий. Процесс реновации реализуется на роботизированном лазерном комплексе с применением отечественных материалов.

Основная часть номенклатуры восстановленного оборудования приведена в таблице.

Оборудование Производитель
ГТК-10И (OK и ТВД ТНД) Nuovo Pignone (Италия); General Electric (США)
ЦБН PCL Nuovo Pignone (Италия)
Нагнетатели CDP Ingersol Rend (США)
Паровые турбины 6РЗ Creaseau Loire (Франция)
Газодувки ROTUNI-130 Neu (Франция)
Центробежные компрессоры  RD7B Framatome (Франция); John Crane
Поршневые  компрессоры Creaseau Loire
Технологические насосы Wortington (Германия)
Плунжерные насосы Clextral, Brann und Lubbe, (Италия, Германия)
Пневмоприводы Cameroon, Malbranuue, (Германия)
Центробежные насосы Ruhrpumpen
Компрессор первого/второго каскада Burghardt
Паровые турбины Siemens
Поршневые  компрессоры Greenfild
Поршневые  компрессоры Neuman Esser
Центробежные насосы KSB, Hermetic, Sulzer
Шестеренчатые насосы ASCO
Турбокомпрессор Siemens
Турбина насоса питательной воды Siemens KKK

Экономический эффект от внедрения новых технологий только при ремонте оборудования ООО «Газпром Трансгаз Волгоград» превысил 500 млн. руб. При этом полностью обеспечивается импортозамещение.

Ресурс некоторых базовых деталей в послеремонтный период увеличился в 5–8 раз и более.

По нашему мнению, расширение применения новых технологий позволят решить сложные проблемы импортозамещения и повышения эксплуатационных показателей машинного оборудования.