книги / Технологические процессы и технические средства для глубинно-насосной эксплуатации нефтяных скважин

ческая обработка головок штанг и нарезка резьбы на автоматической линии. Насосные штанги, изготовленные по описанной схеме, подвергали механическим испытаниям.

По результатам одноосного растяжения образцов диаметром 5 мм и рабочей частью 25 мм определяли предел прочности (σв, МПа), предел текучести (σт, МПа), относительное удлинение (δ, %), относительное сужение (ψ, %) в соответствии с ГОСТ 1497–73. Ударную вязкость (KCU, МДж/м2) определяли на маятниковом копре МК-30 на образцах размером 10× 10× 55 мм (ГОСТ 9454–78).

Усталостные испытания образцов, вырезанных из штанг, были проведены методом ступенчатого нагружения Локати (ГОСТ 19533–74) с начальным напряжением 200 МПа и шагом 20 МПа. Значения предела выносливости (σ–1 , МПа) были определены расчетным путем и изложеныв [28]. Результатыиспытаний приведены в табл. 1.6.

Таблица 1 . 6

Механические свойства штанг из стали 20Н2М после различных режимов термической обработки

51

Таким образом, существенное преимущество способа изготовления насосной штанги из горячедеформированной заготовки, низкотемпературной термической обработкой состоит в новом регламентировании температуры нагрева под термическую обработку штанг, а также в новой совокупности операций осуществления способа.

В заключение следует добавить, что низкотемпературная термическая обработка (отжиг 1-го рода) обеспечивает в штангах мелкозернистую однородную структуру, за счет чего на 20–30 % возрастает величина предела выносливости в сравнении с пределом выносливости нормализованных штанг, что подтверждено данными, представленными в табл. 1.6, и микроструктурой фрагментов насосных штанг, представленных на рис. 1.20.

Рис. 1.20. Микроструктура фрагмента насосной штанги при 100-кратном увеличении, исходя из величины ее деформации (ε), вызванной продольным растяжением, изготовитель Очёрский машзавод (г. Очёр), сталь 20Н2М, режим термообработки низкотемпературный

52

Для сравнения микроструктура фрагментов штанг из стали 20Н2М после полного отжига и величины продольной деформации растяжением представлена на рис. 1.21. Анализ представленных на рис. 1.20 и 1.21 структур свидетельствует о том, что фрагменты исследованных штанг, прошедших низкотемпературный отжиг, имеют мелкозернистую сравнительно однородную ферритно-сорбитную структуру с номером зерна 9–10 по ГОСТ 5639–82, а фрагменты штанг, подвергнутых полному отжигу, имеют неоднородную полосчатую ферритно-сорбитную структуру с баллом 4Б по ГОСТ 5640–68.

Рис. 1.21. Микроструктура фрагмента насосной штанги при 100-кратном увеличении, исходя из величины ее деформации (ε), вызванной продольным растяжением, изготовитель Очёрский машзавод (г. Очёр), сталь 20Н2М, режим термообработки нормализация

Существенное преимущество способа изготовления насосной штанги из горячедеформированной заготовки низкотемпературной термической обработкой состоит как в новом регламентировании

53

температуры нагрева под термическую обработку штанг, так и в новой совокупности операций осуществления способа.

Как следствие, при использовании данной технологии было достигнуто:

–повышение предела выносливости штанг за счет уменьшения глубины обезуглероженного слоя в теле штанги и исключения возможности получения в теле штанг полосчатой ферритно-сорбитной структуры;

–повышение стабильности предела выносливости за счет изменения режимов и последовательности технологических операций

изготовления штанг, вследствие чего обеспечивается отсутствие в готовой продукции неблагоприятных растягивающих напряжений

иповышается стабильность дислокационной структуры;

–уменьшение вероятности обрыва штанг при эксплуатации за счет повышения предела выносливости, поскольку 100 % штанг разрушаются при эксплуатации по усталостному механизму;

–экономический эффект за счет сокращения расхода газа при термической обработке штанг.

1.6. Химико-термическое упрочнение концевых участков насосной штанги, обеспечивающее ее восстанавливаемость

Способ упрочнения насосной штанги включает высадку с обоих концов штангового проката головок с ниппелем, буртиком, квадратом и галтелью, переходящих в тело штанги, термическую обработку штанги, ее правку, механическую обработку головок и поверхностное упрочнение концов штанги с головкой с ниппелем, буртиком, квадратом, галтелью и прилегающих к ним частей тела штанги, не захватывая среднюю по длине часть тела штанги. Поверхностное упрочнение проводят методами химико-термической обработки, которую проводят одновременно с термической обработкой остальной части тела штанги [29, 30, 31].

Исследуемый способ решает техническую задачу обеспечения при изготовлении насосной штанги возможности ее к восстановле-

54

нию, в случае разрыва штанги в процессе эксплуатации выполняют при ее изготовлении по сравнению со штангами, изготовленными известным классическим способом [31, 32, 33], места разрыва штанги по длине в часть тела штанги, обеспечивающую ее восстанавливаемость, за счет создания частей насосной штанги с разными пределами выносливости. Дополнительной задачей данного решения является повышение срока службы штанги.

Благодаря указанным операциям в исследуемом способе достигнуто повышение механических характеристик отдельных участков штанг, а именно – галтелей и прилегающих к ним частей тела штанги, путем их поверхностного упрочнения, в результате чего место статистически установленного усталостного разрушения штанги, изготовленной известным способом, смещается за пределы упрочненного участка, а именно – в среднюю часть штанги.

Благодаря тому, что предел выносливости галтелей и прилегающих к ним частей тела штанги в исследуемом способе достигается поверхностным упрочнением, включающем, например, химикотермическую обработку, до 590±23 МПа, в то время как предел выносливости при нормализации ее тела составляет 243±17 МПа, при низкотемпературной термической обработке 290 МПа, а для нормализованного и закаленного ТВЧ тела составляет 500±10 МПа, как следствие, усталостное разрушение штанг с упрочненными концевыми участками при любых условиях эксплуатации будет происходить за пределами упрочненных участков. При этом переход в структуре металла от упрочненных участков штанги к ее телу, как показали результаты дефектоскопии, имеет плавный характер, и протяженность этой переходной области составляет 50–100 мм, благодаря чему в этой области исключается повышенный уровень внутренних напряжений, который обычно имеет место там, где есть резкий градиент свойств. Значения величин пределов выносливости образцов, вырезанных из упрочненных участков, переходной области и средней части штанг, изготовленных по данному способу, приведены в табл. 1.7 (испытания проведены методом Локати по схеме «консольный изгиб с вращением», ГОСТ 25.502–78).

55

Таблица 1 . 7

Величина предела выносливости участков штанг из стали 20Н2М

Из табл. 1.7 следует, что усталостное разрушение в переходной области маловероятно и оно возможно только в средней части тела штанги.

Поскольку закалка с нагревом ТВЧ является окончательной операцией изготовления штанг, в исследуемом способе появляется возможность поверхностного упрочнения галтелей и прилегающих к ним частей тела штанги непосредственно после механического изготовления головок путем закалки с нагревом ТВЧ, оставляя незакаленной среднюю по длине часть тела штанги. Это исключает отрицательное влияние поверхностного упрочнения на обрабатываемость головок. Значения предела выносливости образцов, вырезанных из участков штанг, подвергнутых закалке с нагревом ТВЧ, а также из незакаленных участков, содержатся в табл. 1.8. Вместе с тем из данных табл. 1.8 следует, что усталостное разрушение штанг должно происходить за пределами упрочненных участков.

Поскольку усталостное разрушение штанг во время эксплуатации будет происходить за пределами упрочненных участков и переходной области, впервые появляется возможность восстановить разрушившуюся по телу штангу, так как появляется возможность для механической обработки материала, а низкое содержание углерода в структуре металла средней части тела штанги обеспечивает свариваемость частей штанги. Даже если разрушение штанги при эксплуатации произойдет

56

в переходной области, в той ее части, где цементованный слой отсутствует, а обезуглероженного еще нет, то и в этом случае свариваемость соединяемых частей штанги будет удовлетворительной.

Таблица 1 . 8

Величина предела выносливости участков штанг их стали 20Н2М, подвергнутых закалке нагревом ТВЧ и незакаленных участков, МПа

Примечание. Испытания проведены методом «лестницы» по схеме консольный изгиб в одной плоскости, ГОСТ 25.502–78.

Рассматриваемый способ был реализован в производственных условиях Очёрского машзавода (г. Очёр, Пермский край), где было использовано следующее оборудование и материалы:

– высокочастотная установка ВПЧ-100/8000 с индуктором 0774–6074 для нагрева концевых участков штанг под высадку головок до температуры 1250 ° С за 16–26 с;

–ковочный 4-ручьевой пресс для высадки головок;

–газоплазменный проходной агрегат для нормализации штанг конструкции ВНИИ «Теплопроект», температура по зонам 850–920 ° С, продолжительность нормализации 28 мин;

–установка для растяжения штанг с усилием до 18 тс, скоростью деформации до 1,5 м/мин, ходом подвижной части до 780 мм (Г833.022.00.00.00.00СБ. Разработчик ПКТБхиммаш, г. Пермь);

–автоматическая линия для механической обработки головок штанги и нарезке резьбы, тип ЛМ 0768;

–агрегат для поверхностной закалки ТВЧ, тип УШ-12;

–заготовка из стали 20Н2М (ГОСТ 4543–71), условное обозначение 19 НОИ.ОЗУ;

57

–контейнеры цилиндрические из стали марки ст. 40 с глухим дном, длиной 500 мм, внутренним диаметром 45 мм, соответствующим наибольшему диаметру высаженной части насосной штанги,

итолщиной стенки 3 мм;

–картон асбестовый (ГОСТ 2850–80);

–карбюризатор древесно-угольный (ГОСТ 2407–83).

Выбор качества насыщающей среды твердого древесно-уголь- ного карбюризатора был осуществлен с целью:

–обеспечения высокого углеродного потенциала среды для ускорения диффузионных процессов, поскольку длительность цементации в условиях Очёрского машзвода не могла превышать 0,5 ч;

–исполнения способа химико-термического упрочнения концевых участков штанги непосредственно в технологическом процессе изготовления насосных штанг.

Концевые участки заготовки насосной штанги помещали в индуктор высокочастотной установки и нагревали до температуры 1250 ° С, продолжительность нагрева 16–26 с, после чего высаживали при помощи 4-ручьевого пресса головки заготовки насосной штанги. Заготовки насосных штанг с высаженными головками укладывали на монтажное приспособление. Высаженные части заготовки штанги

собоих концов штанги помещали в цилиндрические стальные контейнеры с глухим дном (рис. 1.22).

Рис. 1.22. Конструкция контейнера для цементации концевых участков штанги: 1 – цилиндрический стальной контейнер с глухим дном для цементации концевых участков штанг; 2 – карбюризатор древесноугольный; 3 – заглушка (картон асбестовый); а, б, в, г – участки штанги, выбранные для металлографических исследований

58

Внутренний диаметр контейнера, составлявший 45 мм, соответствовал наибольшему диаметру высаженной части насосной штанги; длина контейнера составляла 500 мм, а толщина стенок – 3 мм. Внутреннее пространство каждого контейнера между внутренней поверхностью контейнера и концевой частью насосной штанги, а именно – галтелью и прилегающей к ней частью тела штанги, заполняли свежим древесно-угольным карбюризатором (при этом высаженная часть насосной штанги, которая была расположена за галтелью к концам штанги, была свободна от карбюризатора). Уплотняли карбюризатор в контейнерах и герметизировали их размоченным в воде асбестовым картоном.

После этого заготовку насосной штанги с контейнерами на концевых участках укладывали на транспортер цепного конвейера и подавали в зону нагрева газопламенной проходной печи для проведения одновременно процесса нормализации и поверхностного упрочнения методом цементации, температура по зонам составляла от 850 до 920 ° С, время нахождения в печи 28 мин. Затем штангу с контейнерами на концах охлаждали на воздухе до температуры окружающего воздуха цеха, после чего освобождали от контейнеров.

В результате проделанных операций в частях штанги, находившихся в контейнерах, в галтелях и прилегающих к ним частях тела штанги длиной порядка 350 мм с каждого конца произошел процесс цементации, а в средней по длине части тела штанги – только процесс нормализации. Затем штангу насосную подвергали правке на установке для растяжения штанг с усилием до 18 тс и удлинением не более 120 мм на длине 8000 мм, после чего осуществили неразрушающий контроль с целью выявления дефектов несплошности и неоднородности структуры насосной штанги.

Прошедшие неразрушающий контроль штанги насосные подавали на автоматическую линию механической обработки головок штанги, где производили нарезку резьбы. После механической обработки проводили дополнительное упрочнение всей насосной штанги закалкой с нагревом ТВЧ. Распределение микротвердости (НV0,2) по глубине h исследованных образцов насосных штанг, изготовленных по данному способу, приведено на рис. 1.23.

59