Способ упрочнения длинномерных цилиндрических изделий

 

Изобретение относится к способам упрочнения насосных штанг, как в процессе их изготовления, так и бывших в эксплуатации, используемых в механизированной глубинно-насосной нефтедобыче. Технический результат - повышение качества упрочнения путем повышения усталостной прочности материала изделия (И). Сущность: способ включает упругую и пластическую деформацию продольным нагружением (ПН) и деформацию кручением (К), при этом установлены оптимальные режимы пластического деформирования И. ПН ведут со скоростью 0,12-12,0 мм/с до величины удлинения для И, в 0,1-9,0 раза превышающего удлинение, соответствующее пределу пропорциональности, после чего фиксируют величину упруго-пластической деформации И, выдерживают паузу 0,25-60,0 c и осуществляют деформацию К со скоростью 0,002-1,8 об/с с одновременным контролем величины ПН усилия, при уменьшении которой в 1,25-4,0 раза заканчивают деформацию К. Через паузу 0,20-30,0 c производят полное разгружение И от действия продольной растягивающей нагрузки со скоростью 0,12-14,0 мм/с и через паузу 0,25-30,0 с снимают полностью крутящий момент со скоростью 0,01-1,8 об/с.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности, к способам упрочнения насосных штанг, как новых, в процессе их изготовления, так и бывших в эксплуатации, используемых в механизированной глубинно-насосной нефтедобыче.

Изобретение также может быть использовано в машиностроении для упрочнения валов, стержней и других длинномерных цилиндрических изделий при их изготовлении либо перед их повторным использованием.

Известен способ упрочнения длинномерных цилиндрических изделий, включающий упругую и пластическую деформацию продольным нагружением и контроль за величиной удлинения при деформации (см., например, Р.А. Баграмов, А.М. Раскин. Упрочнение насосных штанг направленным наклепом. Сб. "Новости нефтяной техники", Машиностроение, N 3, 1956 г.). Согласно известному способу оптимальная степень упрочнения достигается при величине остаточного удлинения 5 - 10% в результате продольного нагружения штанги в области пластической деформации, что повышает усталостную прочность материала насосной штанги.

Однако этот известный способ не обеспечивает надежное упрочнение насосной штанги, поскольку величина остаточного удлинения в 5 - 10%, полученная при пластической деформации продольным нагружением во время упрочнения штанги при ее изготовлении, в ряде случаев, например, при наличии структурной неоднородности материала штанги, может привести к образованию сужений в теле штанги, что снижает усталостную прочность материала изделия. Поэтому после инструментального контроля структуры металла такие штанги отбраковываются как дефектные.

К тому же, этот известный способ вообще не приемлем для упрочнения длинномерных изделий, в частности, насосных штанг, бывших в эксплуатации, для их повторного использования, так как пластическая деформация с величиной остаточного удлинения 5 - 10% для таких штанг, уже прошедших упрочнение пластическим деформированием при их изготовлении, в большинстве случаев приводит к нарушению структуры металла штанги и делает ее непригодной для повторного использования.

Известен способ упрочнения изделий, работающих на статическое и циклическое кручение, согласно которому после поверхностного наклепа изделия производят деформацию кручением (см. а.с. СССР N 406916, кл. C 21 D 7/14, опубл. 1973 г.). Поверхностный наклеп (обкаткой роликами либо обдувной дробью) вызывает изменение физических свойств поверхностного и приповерхностного слоя металла изделия и благоприятные напряжения в них.

Однако, в процессе упрочнения поверхности изделия наклепом возможен местный перенаклеп или недоклеп, т.е. поверхность изделия приобретает разные физические свойства. Как следствие - невозможно достичь дальнейшего упрочнения кручением длинномерного изделия равномерно по всей длине, т.к. при кручении деформация будет иметь место только в участках недоклеп, а в участках перенаклеп упрочнения деформацией кручением не будет.

Известен также способ упрочнения длинномерных цилиндрических изделий с заранее заданными режимами технологического процесса, используемый при изготовлении насосных штанг, и включающий упругую и пластическую деформацию продольным нагружением и контроль величины удлинения заготовки штанги. Нагружение изделия прекращают при достижении величины остаточного удлинения 160 ± 10 мм при исходной длине штанги 7880 ± 10 мм; 150 ± 10 мм при исходной длине 7850 ± 10 мм; 130 ± 10 мм при исходной длине 7820 ± 10 мм. Продолжительность приложения нагрузки 18 с. (см., например, Технологический процесс: операция штамповка, нормализация, растяжка, механическая обработка. СССР, министерство химического машиностроения, тех документация 30.1.00.00113 от 15.11.93 г., штанговый цех N 2, г. Очер, Пермская обл., Очерский машзавод).

Известный способ - наиболее близкий к заявляемому по технической сущности.

Однако интенсивная пластическая деформация заготовки штанги (время деформации 18 с при величине остаточного удлинения 130 ± 10 мм - 160 ± 10 мм) по данному способу приводит к образованию преимущественной ориентировки кристаллов кристаллической решетки металла, а это значит - к образованию неоднородных текстур, и в ряде случаев, как показали исследования, уже упругая деформация (до начала пластической деформации) может завершиться хрупким разрушением изделия. Поэтому и этот известный способ не обеспечивает качественное упрочнение длинномерных изделий.

Целью изобретения является повышение качества упрочнения длинномерного изделия путем повышения усталостной прочности материала изделия за счет установления оптимальных режимов технологического процесса при пластическом деформировании изделия.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе упрочнения длинномерных цилиндрических изделий, включающем упругую и пластическую деформацию продольным нагружением и контроль величины удлинения изделия, новым является то, что после пластической деформации длинномерного изделия продольным нагружением производят деформацию изделия кручением, при этом продольное нагружение изделия ведут со скоростью нагружения 0,12 - 12,0 мм/с, продольное нагружение ведут до величины удлинения в 0,5 - 9,0 раза превышающего удлинение, соответствующее пределу пропорциональности, для новых изделий или до величины удлинения в 1,5 - 5,0 раза превышающего удлинение, соответствующее пределу пропорциональности, для изделий, бывших в эксплуатации, после чего фиксируют величину продольного нагружающего усилия и величину пластического удлинения, и через паузу продолжительностью 0,25 - 60,0 с осуществляют деформацию изделия кручением со скоростью 0,002 - 1,8 об/с с одновременным контролем величины продольного нагружающего усилия, при уменьшении которого относительно зафиксированной величины в 1,25 - 4,0 раза заканчивают деформацию кручением, и через паузу продолжительностью 0,25 - 30,0 с производят полное разгружение изделия от действия продольной растягивающей нагрузки со скоростью 0,12 - 14,0 мм/с и через паузу продолжительностью 0,25 - 30,0 с снимают полностью крутящий момент со скоростью 0,01 - 1,8 об/с.

Благодаря тому что продольное нагружение изделия ведут со скоростью из предложенного диапазона 0,12 - 12,0 мм/с, обеспечивается плавное нагружение изделия (а не интенсивное пластическое деформирование), обеспечивающее постоянное приращение продольной нагрузки, благодаря чему появилась возможность изменить величину межатомных расстояний в кристаллической решетке металла в пределах всего объема изделия, и при достижении напряжения в теле изделия выше предела пропорциональности обеспечить пластическую деформацию в кристаллах металла путем плавного скольжения частей кристалла друг относительно друга.

Благодаря такому скольжению происходит взаимный сдвиг частей кристалла по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям, образующим системы скольжения, причем взаимный сдвиг зависит от величины приращения продольной нагрузки в единицу времени и направления приложения продольной растягивающей нагрузки.

Нагружение изделия с предложенной скоростью позволяет вести продольное нагружение изделия в области пластической деформации до величины удлинения в 0,5 - 9,0 раза превышающего удлинение, соответствующее пределу пропорциональности, для новых изделий или до величины удлинения в 0,1 - 5,0 раза превышающего удлинение, соответствующее пределу пропорциональности, для изделий, бывших в эксплуатации, что обеспечивает условие упрочнения - не превысить предел прочности материала изделия. При таком нагружении в указанных пределах обеспечивается взаимный сдвиг частей кристаллов, охватывающий весь объем изделия, без образования преимущественной ориентировки кристаллов в объеме изделия и тем самым позволит повысить усталостную прочность материала изделия.

Благодаря тому, что при достижении указанной величины деформации изделия величину продольного нагружающего усилия и величину пластического удлинения изделия фиксируют, появилась возможность наложить на фиксированную упруго-пластическую деформацию изделия деформацию кручением и тем самым дополнительно повысить усталостную прочность изделия.

Наличие перед проведением операции кручения паузы продолжительностью 0,25 - 60,0 с при фиксированной величине продольного нагружающего усилия и фиксированной величине пластического удлинения создает условия для завершения процесса скольжения частей кристаллов по кристаллографическим плоскостям и - как следствие - завершение пластической деформации изделия. Это объясняется тем, что разные зерна в структуре металла или разные системы скольжения в зернах по мере увеличения напряжения в них включаются в процесс скольжения последовательно по мере достижения в них критического напряжения сдвига.

Благодаря тому что пластически деформированное длинномерное изделие продольным нагружением подвергают дополнительно деформации кручением, обеспечивается дальнейший процесс упрочнения изделия. В результате деформации кручением каждое элементарное поперечное сечение изделия сдвигается, вращаясь, относительно смежных сечений. Действие крутящего момента приводит к увеличению межатомных расстояний кристаллической решетки металла изделия, и при достижении приложенного напряжения, вызванного действием крутящего момента, выше напряжения, соответствующего пределу пропорциональности, происходит взаимный сдвиг частей кристалла по кристаллографическим плоскостям в направлении действия крутящего момента. Деформация кручением приводит к образованию неоднородных по сечению касательных напряжений, при этом нормальные напряжения в сечении изделия уменьшаются, перераспределяясь в эпюру куполообразной формы с максимумом в центре тяжести сечения изделия, что приводит к увеличению усталостной прочности материала изделия.

Благодаря тому что деформацию кручением ведут с постоянной скоростью из предложенного диапазона 0,002 - 1,8 об/с, появилась возможность изменить величину межатомных расстояний в кристаллической решетке металла в приповерхностном тонком слое металла без нарушения этих связей по всей длине длинномерного изделия.

Поскольку при деформации изделия кручением с фиксированной упруго-пластической деформацией происходит уменьшение напряжений в сечении изделия, уменьшается и величина деформации продольным нагружением. В результате в приповерхностном слое изделия образуются остаточные сжимающие напряжения, а в центральной части изделия - остаточные растягивающие напряжения. Остаточные сжимающие напряжения в приповерхностных слоях также приводят к повышению усталостной прочности материала изделия. Деформацию изделия кручением заканчивают при уменьшении величины продольного нагружающего усилия в процессе кручения в 1,25 - 4,0 раза. Установленные пределы позволяют осуществлять технологический процесс упрочнения длинномерных изделий без их разрушения для широкого диапазона марок сталей, имеющих многообразие механических свойств, например сталей 40, 30ХМА, 20Н2М, 15Р3МА6 15Х2НМФ, 15Х2ГМФ, 14Х3ГМЮ производства СССР и СНГ, а также импортного производства (см. ГОСТ 13877-80).

Наличие паузы продолжительностью 0,25 - 30,0 с после прекращения деформации кручением обеспечивает дальнейшее последовательное скольжение частей кристаллов по кристаллографическим плоскостям, благодаря чему обеспечивается механизм однородной сдвиговой деформации в пределах длины изделия и поверхностном слое.

Благодаря тому что после указанной паузы производят полное разгружение изделия от действия продольной растягивающей нагрузки с постоянной скоростью разгружения из диапазона 0,12 - 14,0 мм/с, обеспечивается постепенное высвобождение потенциальной энергии без разрушения межатомных связей.

Благодаря наличию паузы продолжительностью 0,25 - 30,0 с после процесса разгружения от действия продольной растягивающей нагрузки обеспечивается 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.

Предложенные режимы упрочнения длинномерного изделия установлены экспериментальным путем. 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 изменяться 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 длинномерного изделия, как следствие - повышение усталостной прочности материала, т.е. повышение качества 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. Скорость нагружения составляет 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 чего фиксируют величину продольного нагружающего усилия и величину пластического удлинения, через паузу продолжительностью 0,25 - 60,0 с осуществляют деформацию изделия кручением со скоростью 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, далее через паузу продолжительностью 0,25 - 30,0 с полностью разгружают изделие со скоростью 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.

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 предназначалась насосная штанга 1992 г. 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. 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 штанги со скоростью 0,38 мм/с. Под действием продольной растягивающей нагрузки штанга пластически деформировалась. Процесс нагружения вели до величины удлинения в 0,48 раза превышающего удлинение, соответствующее пределу пропорциональности для данной марки стали, после чего зафиксировали величину продольного нагружающего усилия и величину пластического удлинения 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 изделия кручением со скоростью 0,0066 об/с путем приложения крутящего момента к концу насосной штанги, 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 изделия со скоростью 0,63 мм/с от действия продольной растягивающей нагрузки, и затем через паузу продолжительностью 10 с сняли полностью крутящий момент со скоростью 0,02 об/с.

После завершения технологических операций штангу освободили из захватов нагружающей машины и переместили в накопитель готовой продукции.

Длина штанги после упрочнения составила 8230 мм, остаточный угол сдвига составил 90^o.

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

Формула изобретения

Способ упрочнения длинномерных цилиндрических изделий, включающий упругую и пластическую деформацию продольным нагружением и контроль величины удлинения изделия, отличающийся тем, что после пластической деформации длинномерного изделия продольным нагружением производят деформацию изделия кручением, при этом продольное нагружение изделия ведут со скоростью нагружения 0,12 - 12,0 мм/с, продольное нагружение ведут до величины удлинения, в 0,1 - 9,0 раза превышающего удлинение, соответствующее пределу пропорциональности, после чего фиксируют величину продольного нагружающего усилия и величину пластического удлинения и через паузу продолжительностью 0,25 - 60,0 с осуществляют деформацию изделия кручением со скоростью 0,002 - 1,8 об/с с одновременным контролем величины продольного нагружающего усилия, при уменьшении которого относительно зафиксированной величины в 1,25 - 4,0 раза заканчивают деформацию кручением, и через паузу продолжительностью 0,25 - 30,0 с производят полное разгружение изделия от действия продольной растягивающей нагрузки со скоростью 0,12 - 14,0 мм/с, и через паузу продолжительностью 0,25 - 30,0 с снимают полностью крутящий момент со скоростью 0,01 - 1,8 об/с.