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

После указанной паузы производят полное разгружение изделия от действия продольной растягивающей нагрузки с постоянной скоростью разгружения из диапазона 0,12–14,0 мм/с, тем самым обеспечивается постепенное высвобождение потенциальной энергии без разрушения межатомных связей.

Наличие паузы продолжительностью 0,25–30,0 с после процесса разгружения от действия продольной растягивающей нагрузки обеспечивает дальнейшее высвобождение потенциальной энергии без разрушения межатомных связей.

Благодаря тому, что после указанной паузы производят полное разгружение изделия от действия крутящего момента с постоянной скоростью из диапазона 0,01–1,8 об/с, обеспечивается дальнейшее высвобождение потенциальной энергии без разрушения межатомных связей.

Нижняя граница скорости продольного нагружения изделия, а также скорости деформации изделия кручением установлены исходя из эффективности применения заявляемого способа. Дальнейшее снижение скорости продольного нагружения и скорости кручения уменьшает экономическую целесообразность использования данного способа. К этому же результату приведет увеличение продолжительности паузы перед операцией кручения и после снятия продольного нагружающего усилия.

Верхняя граница скорости продольного нагружения изделия и скорости деформации кручением установлены исходя из того, что дальнейшее увеличение скорости продольного нагружения и кручения приведет к образованию преимущественной ориентировки кристаллов в структуре металла, вследствие чего могут существенно измениться прочностные характеристики металла в этих участках, что в ряде случаев приведет к разрушению длинномерного изделия.

Таким образом, упрочнение длинномерного изделия продольным нагружением и кручением с предложенными режимами обеспечивает изменение межатомных расстояний в кристаллической решетке металла без разрушения межатомных связей в пределах всего объема изделия, что обеспечивает однородность деформирования по длине длинномер-

81

ного изделия, как следствие – повышение усталостной прочности материала за счет упрочнения, причем как новых, так и бывших в эксплуатации длинномерных изделий.

Способ реализуется следующим образом. Размещают длинномерное изделие в захваты нагрузочного устройства и производят его удлинение путем приложения к нему продольного нагружающего усилия. Нагружение ведут со скоростью в диапазоне 0,12–12,0 мм/с, одновременно с непрерывным продольным нагружением измеряют продольное нагружающее усилие и величину деформации и производят запись кривой в координатах «деформирующее усилие – деформация» на диаграммной ленте, нагружение изделия со скоростью из указанного диапазона ведут до величины удлинения, в 0,5–9,0 раза превышающего удлинение, соответствующее пределу пропорциональности для новых изделий, или в 0,1–5,0 раза превышающего удлинение, соответствующее пределу пропорциональности для изделий, бывших в эксплуатации. После этого фиксируют величину продольного нагружающего усилия и величину пластического удлинения, через паузу продолжительностью 0,25–60,0 с осуществляют деформацию изделия кручением со скоростью в диапазоне 0,002–1,8 об/с путем приложения пары сил с моментом, приложенным в плоскости, перпендикулярной к продольной оси изделия, одновременно с кручением изделия измеряют величину текущего продольного нагружающего усилия, при ранее зафиксированной величине этого усилия и величине пластического удлинения, и при уменьшении продольного нагружающего усилия относительно зафиксированной величины в 1,25–4,0 раза, заканчивают деформацию кручением. Затем через паузу продолжительностью 0,25–30,0 с полностью разгружают изделие со скоростью в диапазоне 0,12–14,0 мм/с от действия продольной растягивающей нагрузки и через паузу продолжительностью 0,25–30,0 с снимают полностью крутящий момент, приложенный к изделию, со скоростью 0,01–1,8 об/с, длинномерное изделие достают из захватов нагрузочной машины и подают на позицию механической обработки.

82

Пример осуществления способа в производственных условиях

Для реализации данного способа была использована установка для растяжения и кручения длинномерных изделий с усилием до 30 тс. Упрочнению подвергалась насосная штанга 1992 года выпуска, бывшая в эксплуатации с августа 1992 г. по июль 1996 г.

Насосную штангу длиной 8220 мм, диаметром 22 мм уложили в захваты нагрузочной машины [46]. Нагрузочная машина снабжена приспособлением для продольного нагружения и передачи крутящего момента к концу насосной штанги, установленному в подвижном захвате, другой конец насосной штанги жестко закреплен в неподвижном захвате. Нагрузочная машина снабжена диаграммным аппаратом с датчиком силы и перемещения конца штанги (установленного в подвижном захвате), дающим графическую зависимость деформирующего усилия от величины удлинения.

Осуществили продольное нагружение насосной штанги со скоростью 0,38 мм/с. Под действием продольной растягивающей нагрузки насосная штанга пластически деформировалась. Процесс нагружения вели до величины удлинения, в 0,48 раза превышающего удлинение, соответствующее пределу пропорциональности для данной марки стали. После этого зафиксировали величину продольного нагружающего усилия и величину пластического удлинения насосной штанги, для чего было остановлено перемещение подвижного штока силового цилиндра, связанного с подвижным захватом нагрузочной машины, обеспечивающей усилие нагружения в 30 тс.

Через паузу продолжительностью 10 с осуществили деформацию насосной штанги кручением со скоростью 0,0066 об/с путем приложения крутящего момента к ее концу, установленному в подвижном захвате нагрузочной машины. Одновременно при кручении контролировали величину продольного нагружающего усилия, при уменьшении которого относительно зафиксированной величины в 1,6 раза деформацию насосной штанги кручением прекратили.

Через паузу продолжительностью 20 с произвели полное разгружение насосной штанги со скоростью 0,63 мм/с от действия продольной растягивающей нагрузки и затем через паузу продол-

83

жительностью 10 с сняли полностью крутящий момент со скоростью 0,02 об/с.

После завершения технологических операций насосную штангу освободили из захватов нагружающей машины и переместили в накопитель готовой продукции. Длина насосной штанги после упрочнения составила 8230 мм, остаточный угол сдвига – 90°. После снятия нагрузок в штанге наводятся остаточные напряжения, закон распределения которых зависит от свойств материала и режимов ее деформирования [48, 49].

По результатам усталостных испытаний насосных штанг, упрочненных по данному способу, имеем увеличение предела усталости на 15–20 % к пределу усталости насосной штанги, не прошедшей упрочнение по предлагаемому способу (испытанию подвергались насосные штанги одной марки стали, года выпуска, режима термообработки, за- вода-изготовителя).

1.8.1. Аналитическое представлениеостаточныхнапряжений втелефрагментанасоснойштангипорезультатам его пластического деформированиярастяжением икручением

Рассмотрим совместное растяжением и кручение цилиндрического образца радиусом R. Для упрощения выкладок будем считать, что материал несжимаем и диа-

84

где σ и τ – нормальное и касательное напряжения; ε и γ – линейная и угловая деформации.

При отсутствии упрочнения условие пластичности имеет вид

где σт – предел текучести.

Введем безразмерные величины напряжения и деформации:

где γmax – безразмерная угловая деформация на внешнем радиусе R;

ρ – безразмерный текущий радиус, ρ = r/R, r – текущий радиус. На основании гипотезы плоских сечений

Из условий равновесия растягивающая сила N и крутящий момент М определяются через безразмерные напряжения (1.7) следующим образом:

85

M – безразмерный крутящий момент,

Дальнейшее решение задачи зависит от принятого закона связи между напряжениями и деформациями в упругопластической области. Рассмотрим два варианта решения поставленной задачи по теории малых упругопластических деформаций и по теории течения [49].

1.8.2.Определение остаточных напряжений

втеле фрагмента насосной штанги по теории малых упругопластических деформаций

При осевом напряжении и кручении зависимости напряжений от деформаций имеют вид:

Используя обозначения (1.7) и зависимости (1.5) и (1.6), преобразуем выражения (1.14) в упругопластической области к форме:

Последние соотношения представляют собой зависимости безразмерных напряжений от заданного соотношения безразмерных осе-

86

вой ε и угловой γmax деформаций по теории малых упругопластических деформаций.

Подставляя (1.16) в (1.12) и (1.13), имеем:

Тогда безразмерные остаточные нормальные σост и касательные τост напряжения будут определяется следующим образом:

Исследуя выражение (1.19) на экстремум при ρ = 1, получим, что согласно теории малых упругопластических деформаций максимальные нормальные остаточные напряжения на поверхности образ-

Таким образом, согласно теории упругопластических деформаций остаточные напряжения определяются конечными значениями осевой и угловой деформации и не зависят от пути нагружения.

1.8.3. Определение остаточных напряжений в теле фрагмента насосной штанги по теории течения

Интенсивность приращений пластических деформаций при совместном растяжении и кручении

87

Уравнения теории течения в данном случае имеют вид

Используя обозначения (1.7), преобразуем условие пластичности (1.6) к виду

исложим полученные выражения. Используя соотношения (1.23)

и(1.25), получим

Подставляя (1.26) в уравнение (1.24) с учетом (1.23), имеем

Аналогично получим

88

Следовательно, зависимость напряжений от деформаций по теории течения определяется интегралами уравнений (1.27) и (1.28). Путь деформирования в этих уравнениях отражается производными

dγ или dε . dε dγ

Рассмотрим некоторые частные случаи нагружения. Пусть образец нагружается ступенями, причем сначала только растягивается,

а потом закручивается. Тогда на первой ступени нагружения dγ = 0

Безразмерные остаточные напряжения определяем по формулам:

89

Пусть на первой ступени нагружения образец растягивается до наступления пластического состояния во всем его объеме, т.е.

ε0 = σ0 =1, тогда при последующем закручивании на второй ступени

γ0 = τ0 = 0. и из (1.30) с учетом (1.8) следует

Безразмерные остаточные напряжения определяются по (1.31) и (1.32), где N и M находим по (1.12) и (1.13) путем численного ин-

тегрирования.

Максимальное значение осевых остаточных напряжений при данномрежимевозникаетпри γmax = 2, 20 исоставляет σ0 (1) = −0247σт .

Предложенные теоретические положения были положены в основу технологического процесса упрочнения, установления прочностных характеристик штанг насосных для нефтедобычи

[44, 45, 46, 47, 48, 50].

1.9. Промышленная реализация процессов восстановления пространственной геометрии, упрочнения, установления прочностных характеристик, устранения биения концевых участков насосных штанг и их неразрушающий контроль

Экономические показатели нефтегазодобывающих предприятий России в значительной мере зависят от надежности внутрискважинного нефтепромыслового оборудования, например насосных штанг, работающих в условиях периодически меняющейся нагрузки и коррозионного воздействия добываемой жидкости [51].

90