Способ изготовления насосной штанги

 

Использование: нефтяное машиностроение. Сущность изобретения: после высадки головок штанги ее нагревают до 500 600°С, выдерживают при данной температуре и охлаждают на воздухе. Штанги подвергают правке и окончательной механической обработке, причем правку можно также осуществлять либо с дополнительным нагревом до 500 700°С, либо после высадки головок, либо непосредственно после выдержки при 500 700°С. 3 з.п.ф-лы, 3 ил. 1 табл.

Изобретение относится к области нефтяного машиностроения и предназначено для использования при изготовлении глубинно-насосных штанг.

Известен способ изготовления насосной штанги, включающий высадку концов штангового проката, закалку, высокий отпуск, правку штанг и механическую обработку головок.

К недостаткам данного способа следует отнести обезуглероживание поверхности штанг в процессе выдержки при нагреве под закалку, коробление тела штанг (длина штанг достигает 8 м) при закалке, длительность процесса термической обработки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ изготовления насосной штанги, в соответствии с которым осуществляют высадку концов штангового проката, формируя головку штанги с ниппелем, буртиком, квадратом и галтелью, затем проводят нормализацию штанг, правку и механическую обработку головок.

При изготовлении штанг по данному способу одновременно с измельчением структуры и улучшением комплекса механических свойств в высаженных частях штанг может иметь место существенное изменение структуры и свойств в поверхности и сердцевине тела, в результате чего происходит снижение основного показателя предела выносливости и увеличивается вероятность обрыва штанг при эксплуатации на нефтепромыслах. Причинами, вызывающими опасное изменение структуры и свойств тела штанг, являются обезуглероживание поверхности штанг в процессе нормализации, структурная полосчатость, проявляющаяся при нормализации горячедеформированного тела штанги, автодеформация штанг в процессе нормализации и последующая правка изогнутых участков тела штанг, а также прямолинейных участков с малой степенью пластической деформации.

Цель изобретения повышение предела выносливости штанг, как единого целого, повышение его стабильности и снижение обрывности насосных штанг.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом способе, включающем высадку головок с ниппелем, буртиком, квадратом и галтелью, нагрев штанги до заданной температуры, выдержку, охлаждение на воздухе, правку и механическую обработку головок, нагрев осуществляют до 500-700^оС, а правку проводят либо после высадки, либо непосредственно после выдержки, либо с дополнительным нагревом до 500-700^оС.

Приведенный патентно-информационный поиск показал, что в настоящее время низкотемпературная термическая обработка горячедеформированных штанг или других деталей с нагревом до 500-700^oС и охлаждением на воздухе не используется в качестве термической обработки при изготовлении насосных штанг или других деталей с целью повышения предела выносливости и обеспечение его стабильности. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение отвечает критерию "новизна".

Существенное отличие способа состоит в новом регламентировании температуры нагрева под термическую обработку штанг, а также в новой совокупности операций осуществления способа.

Сущность изобретения раскрывается в ходе рассмотрения технологического процесса изготовления насосных штанг. Первой операцией при изготовлении является высадка концов штангового проката, в процессе которой происходит формирование головки с ниппелем, буртиком, квадратом и галтелью. Нагрев проката осуществляют в индукторе до температуры 1250^оС. Высокотемпературный нагрев приводит к тому, что в районе головки штанги формируется крупнозернистая структура с характерным видманштеттовым строением. Для устранения этой структуры, повышения вязкости, снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием после высадки головок проводят термическую обработку. В соответствии с известным способом такой термической обработкой является нормализация с нагревом до 870^оС в течение 0,5 ч.

В заявляемом способе после высадки головок заготовки штанги подвергаются низкотемпературному отжигу при температуре 500-700^оС с охлаждением на воздухе. Использование низкотемпературного отжига взамен нормализации позволяет повысить предел выносливости тела и штанг в целом, снизить вероятность обрыва насосных штанг. При этом некоторое снижение предела выносливости в высаженных концах штанг в достаточной степени компенсируется их массивностью (площадь сечения головки примерно в два раза больше площади сечения тела).

К числу факторов, оказывающих существенное влияние на величину предела выносливости штанг, как целого, и их обрывность при эксплуатации, как показали исследования, относятся обезуглероживание поверхности, структурная полосчатость тела штанг, неблагоприятные напряжения и пластическая деформация критической величины, возникающие при правке штанг.

В известном способе при нормализации с нагревом до 870^оС в течение 0,5 ч происходит обезуглероживание поверхности штанг на глубину 0,23 ± 0,11 мм. Обезуглероженный слой в поверхности стальных образцов и деталей снижает их предел выносливости, облегчая зарождение усталостных трещин, и увеличивает вероятность обрыва насосных штанг при эксплуатации. Предлагаемый низкотемпературный отжиг с нагревом до 500-700^оС практически не создает дополнительного обезуглероживания, глубина слоя остается такой, какая сформировалась в ходе проката заготовок, и составляет 0,086 ± 0,033 мм. Влияние глубины обезуглероженного слоя (h_о.с.) на величину предела выносливости стали 20Н2М изображено на фиг. 1. Глубина обезуглероженного слоя в штангах определялась методами "М" и "МТ" согласно ГОСТ 1763-68.

Как следует из фиг. 1, обезуглероживание на глубину 0,23 мм, создаваемое прокатным нагревом и нормализацией при 870^оС, влечет снижение предела выносливости до 270 МПа. Обезуглероженный слой глубиной 0,086 мм, полученный в результате только прокатного нагрева, поскольку низкотемпературный отжиг при 500-700^оС не вносит дополнительного обезуглероживания, снижает предел выносливости лишь до 325 МПа. Уменьшение глубины обезуглероженного слоя при замене нормализации на низкотемпературный отжиг позволяет повысить предел выносливости в среднем на 17% В известном способе на нормализацию поступают горячедеформированные заготовки штанг со структурой оскольчатого видманштеттова феррита (фиг. 2), кристаллографически ориентированного относительно исходно деформированного и текстурованного аустенита. В результате при нагреве заготовок в процессе нормализации вновь образующимся аустенитом наследуется кристаллографическая ориентировка и структура аустенитных зерен в прокате. В процессе охлаждения заготовок штанг формируется полосчатая ферритно-сорбитная структура (фиг. 3), которая в сравнении с однородной ферритно-сорбитной структурой проката (фиг. 2), снижает предел выносливости штанг в среднем на 20% Полосчатость ферритно-сорбитной структуры обусловлена преимущественной диффузией углерода к границам деформированного и текстурованного аустенита при охлаждении в межкритическом интервале температур. При низкотемпературном отжиге с нагревом до температур, не превышающих А_с1, не происходит фазовой перекристаллизации, и сохраняется сравнительно однородная ферритно-сорбитная структура проката.

Известный способ изготовления насосных штанг в качестве обязательной операции после нормализации предусматривает правку штанг, необходимость которой определяется значительным короблением штанг при нормализации. Неоднородная упруго-пластическая деформация искривленных участков штанг при правке может сопровождаться появлением в поверхности этих участков штанг неблагоприятных растягивающих напряжений (упругая деформация в области сжатия, пластическая деформация в области растяжения). Растягивающие напряжения, как известно, уменьшают величину предела выносливости и повышают вероятность обрыва штанг при эксплуатации. Правка штанг операция, в обязательном порядке проводимая после нормализации в известном способе, не является необходимой непосредственно после низкотемпературного отжига при температуре 500-700^оС, поскольку такой нагрев с охлаждением на воздухе, как показали эксперименты, не сопровождается короблением штанг. Правка штанг в предложенном способе имеет целью облегчить требуемую соосность тела и головки штанг и может быть проведена как после отжига, так и до отжига, непосредственно после высадки головки. В последнем случае нагрев деформированной штанги до температур 500-700^оС полностью устраняет самые незначительные остаточные напряжения и наклеп, полученный при правке.

В известном способе правка штанг осуществляется с максимальными усилиями до 18 тс, а степень пластической деформации прямолинейных участков тела штанг изменяется от 1,9 до 3,2% При таких степенях пластической деформации штанг повышается плотность дислокаций и точечных дефектов в решетке α -фазы, но еще сохраняется их подвижность, чем создаются благоприятные условия для формирования дислокационных ансамблей, предшествующих зарождению микроскопической усталостной трещины. В наибольшей степени этот эффект проявляется после деформации с остаточным удлинением 2% при этом уменьшение предела выносливости достигает 10% и более (см. Поведение стали при циклических нагрузках. Под ред. В. Даля, М. Металлургия, 1983 г. стр. 231). Эксплуатация пластически деформированных штанг с неустойчивой дислокационной структурой может привести к их преждевременному усталостному разрушению. В заявляемом способе правку штанг предлагается осуществлять при температуре 500-700^оС либо непосредственно после термической обработки, либо после охлаждения на воздухе и повторного нагрева до этих температур. Пластическая деформация при 500-700^оС (теплая деформация) сопровождается повышением плотности дислокаций, но и одновременным их перераспределением с образованием малоподвижных устойчивых конфигураций среднеугловых субграниц. Такие дислокационные конфигурации неблагоприятны для образования зародышевых усталостных трещин.

Дополнительной задачей низкотемпературного отжига является подготовка структуры к последующей механической обработке. Нагрев до температуры 500-700^оС позволяет устранить остаточный наклеп в высаженных частях штанги, понизить твердость, улучшить обрабатываемость резанием, повысить характеристики пластичности, выводя механические свойства на уровень требуемых ГОСТ 13877-80. Более низкая температура нагрева (ниже 500^оС) не обеспечивает требуемого снижения твердости материала штанг, поскольку в этом случае не будет достигнута температура рекристаллизации стали. Более высокая температура (более 700^оС) лежит выше температуры фазовой перекристаллизации, и нагрев выше этой температуры сопровождается как дополнительным обезуглероживанием поверхности, так и повышением напряжений за счет образования новой фазы и, как следствие, увеличением коробления штанги. Перегрев головки штанги в процессе ее высадки, не устраняемый отжигом при температуре 500-700^оС, не приводит к снижению предела выносливости штанги, как целого, о чем свидетельствуют результаты усталостных испытаний: 100% испытанных штанг с перегревом в головке (номер зерна 5 и менее) разрушились по телу, имеющему меньшее сечение по сравнению с головкой.

Осуществление предлагаемого способа позволяет получить кроме всего прочего и дополнительный технический результат: расход газа в проходном агрегате за счет снижения температуры с 870^оС до 500-700^оС снижается в 1,8 раза.

Таким образом, предложенные отличительные признаки заявляемого технического решения в совокупности с известными признаками явным образом не следуют из уровня техники и обеспечивают данному объекту новые свойства, отраженные задачей изобретения, исходя из чего можно сделать вывод, что заявляемый способ отвечает критерию "изобретательский уровень".

Возможность осуществления изобретения подтверждается тем, что заявляемый способ опробован в производственных условиях при изготовлении насосных штанг из стали 20Н2М.

Материалом для исследования служил штанговый прокат диаметром 19 мм и длиной 8000 мм.

Оборудование, используемое для осуществления предложенного способа: высокочастотная установка ВПЧ-100/8000 с индуктором 0774-6074 для нагрева концов штанг под высадку головок до температуры 1250^оС за 16-26 с; ковочный 4-ручьевой пресс для высадки головок; газопламенный проходной агрегат для низкотемпературного отжига штанг конструкции ВНИИ "Теплопроект" с двенадцатью температурными зонами; время выдержки 28 мин; установка для растяжения штанг с усилием до 18 тс, скоростью деформации до 1,5 м/мин, ходом подвижной части до 780 мм (Г8337.022.00.00.00.00СБ. Разработчик ПКТБхиммаш. г. Пермь); автоматическая линия для механической обработки головок штанги и нарезки резьбы (ЛМ0768).

Концы заготовки насосных штанг нагревали в индукторе высокочастотной установки до температуры 1250 ± 30^оС в течение 16-26 с, после чего высаживали концы штангового проката, формируя головку штанги с ниппелем, буртиком, квадратом и галтелью. Следующим этапом проводили низкотемпературный отжиг в газопламенном проходном агрегате. Температура нагрева по зонам изменялась в диапазоне от 550 до 590^оС, время выдержки 28 мин. Штанги охлаждали на воздухе до температуры цеха. После этого заготовки правили на установке для растяжения штанг с усилием до 18 тс и удлинением не более 120 мм на длине 8000 м. Завершающая операция механическая 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 (σ_в, МПа), предел текучести (σ_т, МПа), относительное удлинение (δ, ), относительное сужение (ϑ,) в соответствии с ГОСТ 1497-73. Ударную вязкость (KCU, МДж/м²) определяли на маятниковом копре МК-30 на образцах размером 10 х 10 х 55 мм (ГОСТ 9454-78). Усталостные испытания образцов, вырезанных из штанг, проводили методом ступенчатого нагружения Локати (ГОСТ 19533-74) с начальным напряжением 200 МПа и шагом 20 МПа. Значения предела выносливости (σ_-1, МПа) определяли расчетным путем (см. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. М. Металлургия, 1978, 304 с.). Результаты испытаний приведены в таблице.

Из данных результатов испытаний следует: заявляемый способ изготовления насосной штанги обеспечивает получение механических свойств в теле штанг не ниже требуемых ГОСТ 13877-80; из трех предложенных режимов термической обработки заявляемого способа оптимальным является низкотемпературный отжиг с нагревом до 600^оС, выдержка 28 мин, охлаждение на воздухе; заявляемый способ изготовления насосной штанги позволяет получить более высокое значение предела выносливости по сравнению с известным способом.

Таким образом, предложенная технология изготовления насосных штанг дает возможность.

Повысить предел выносливости штанг за счет уменьшения глубины обезуглероженного слоя в теле штанги и исключения возможности получения в теле штанг полосчатой ферритно-сорбитной структуры.

Повысить стабильность предела выносливости за счет изменения режимов и последовательности технологических операций изготовления штанг, вследствие чего обеспечивается отсутствие в готовой продукции неблагоприятных растягивающих напряжений и повышается стабильность дислокационной структуры.

Уменьшить вероятность обрыва штанг при эксплуатации за счет повышения предела выносливости, поскольку 100% штанг разрушаются при эксплуатации по усталостному механизму.

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

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАСОСНОЙ ШТАНГИ для нефтедобычи, включающий высадку головок штанги с ниппелем, буртиком, квадратом и галтелью, включающий нагрев штанги до заданной температуры, выдержку, охлаждение на воздухе, правку и механическую обработку головок, отличающийся тем, что нагрев проводят до 500 700^oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что правку штанги осуществляют после высадки головок штанги.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что правку штанги осуществляют непосредственно после выдержки при 500 700^oС.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что правку штанги осуществляют с дополнительным нагревом до 500 700^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 22-2002

(73) Патентообладатель:
ЗАО "Торговый Дом нефтепромыслового оборудования" (RU)

Договор № 14439 зарегистрирован 21.05.2002

Извещение опубликовано: 10.08.2002