Спосіб виготовлення нафтонасосних штанг
Власники патенту UA 2270871:
Винахід відноситься до галузі нафтового машинобудування і може бути використане для виготовлення нафтонасосних штанг з низьковуглецевих сталей типу 20Н2М, 15Х2ГМФ, 20ХГНМ та ін. Технічний результат - підвищення характеристик міцності, пластичності для низьковуглецевих сталей при зниженні виробництва трудомісткості, Спосіб включає штампування головок на ГКМ, нормалізацію, правку, механічну обробку головок. Новим є застосування електровідпустки штанги з температурою 480-500°С після штампування головок на ГКМ, редагування розтягуванням при температурі 180-200°С із зусиллям (0,3-0,5)σ0,2 і поверхнево-пластичне деформування жолобника і прилеглої ділянки штанги довжиною 300-500 мм із зусиллям обкатки (0,7-0,8)σ0,2 профільними роликами.
Винахід відноситься до галузі нафтового машинобудування і може бути використане для виготовлення нафтонасосних штанг із низьковуглецевих сталей типу 20Н2М, 15Х2ГМФ, 20ХГНМ та ін.
Відомий спосіб виготовлення нафтонасосних штанг, що включає штампування головок на ГКМ, нормалізацію штанги і подальшу механічну обробку головок, які відповідають за геометричними розмірами та властивостями міцності ГОСТ 13877-80.
Однак дана технологія не забезпечує високий рівень властивостей міцності, що веде до частих обривів і замін штанг.
Відомий також спосіб, що включає штампування головок на ГКМ, нормалізацію штанги, механічну обробку головок, поверхневе загартування ТВЧ або об'ємне загартування з подальшою високою відпусткою, що забезпечують підвищені властивості міцності (класи К, D), відповідні ГОСТ 13877-80 рахунок застосування спеціальних печей для нагрівання під загартуваннята відпустку, що вимагають великих витрат електроенергії, площ обслуговуючого персоналу та підвищеної трудомісткості.
Завданням винаходу є підвищення характеристик міцності, пластичності для низьковуглецевих сталей при зниженні трудомісткості та підвищення культури виробництва.
Поставлене завдання вирішується згідно з способом виготовлення нафтонасосних штанг, що включає штампування головок на ГКМ, електровідпустку при температурі 480-500°С, редагування зусиллям (0,3-0,5)σ0,2, зміцнення штанги на ділянці 300-500 мм шляхом профільними роликами із зусиллям (0,7-0,8)σ0,2 при осьовій подачі 8-9 м/м за рахунок розвороту роликів.
Сутність запропонованого способу виготовлення нафтонасосних штанг полягає в наступному. Початкова заготівля (прокат) поставляється з металургійних підприємств без додаткової термічної обробки (покращення, нормалізація) мірними прутками. Після висадки головок на ГКМ штангу піддають електровідпустки при температурі 480-500°З витримкою 15-20 хв для надання матеріалу штанги рівноміцного стану по довжині. Далі проводять правку розтягуванням при температурі 180-200°З зусиллям (0,3-0,5)σ0,2. При цьому закріплення штанги відбувається за квадратну частину головки, що дозволяє витримати прямолінійність тіла штанги щодо самих головок. Далі проводиться зміцнення жолобника з прилеглою ділянкою штанги 300-500 мм, тобто. зони термічного впливу (перехідної зони), що виникає при штампуванні головок. Зміцнення здійснюється головкою, що обертається, з тангенціальним переміщенням роликів по радіусу галтелі. Зусилля обкатки (0,7-0,8)σ0,2 забезпечується швидкістю обертання головки, а розворот роликів, що обкатують, відносно осі тіла штанги забезпечує поздовжню подачу штанги 8-9 м/хв.
Проведення технологічнихоперацій в даній послідовності та режимами обробки за пропонованим способом дозволяє на даному класі сталей отримати нафтонасосні штанги з високими механічними властивостями, що відповідають класу D і дозволяють їх використовувати в корозійно-активному середовищі.
Термічна обробка 480-500°С проводиться для релаксації залишкових напруг та стабілізації структури та механічних властивостей металу. Ця температура обрана з умови температури відпустки для даних сталей, що поставляються в нормалізованому або покращеному стані з урахуванням того, що в нашому випадку приймається швидкісний електронагрів, тому температура відпустки занижена на 100-150°С. При нижчій температурі (нижче 480-500°С) немає повної стабілізації структури і виявляються неоднорідності її за довжиною. При підвищеній температурі відпустки (вище 480-500°С) відбувається зниження межі міцності та межі пластичності металу. Слід зазначити, що цей клас стали при невеликих кількостях легуючих елементів (нікелю, хрому, марганцю, молібдену) забезпечує високу прожарювання і не вимагає високих швидкостей охолодження (достатньо охолодження на повітрі) [Гутман Е.М. та ін. Застосування маловуглецевих сталей для глибинно-насосних штанг. ФХМН, 1979 №1, С.67].
Час витримки при електровідпустці визначено 15-20 хв, яке є достатнім для релаксації залишкових напруг та стабілізації структури та механічних властивостей металу.
При витримці менше 15 хв структура металу залишається неоднорідною, що призводить до додаткового викривлення тіла штанги. Витримка більше 20 хв недоцільна, оскільки подальше поліпшення як за геометричними характеристиками, так і структурою феритно-перлітної суміші не змінюється. Твердість у своїй відповідає 277-286 НВ.
Підстуджування штанги до 180-200 ° С після відпустки перед правкою розтягуванням необхідно через переход зони крихкості при середніх температурах (250-400 ° С) і можливості проведення правки-розтягування, не порушуючи суцільності металу. Виправлення вище 200°С може призвести до руйнування при порозі крихкості при середній відпустці, а правка нижче 180°С небажана через утворення мікротріщин на поверхні тіла штанги, що надалі послужить концентраторами напруги. Тому за стандартом API редагування в холодному стані не допускається.
Правка штанг проводиться при зусиллі (0,3-0,5)σ0,2 з витримкою 50-70 с, що забезпечує геометричні характеристики штанги відповідно до групи ГОСТ 14955-77 (Ra- (1,1-1,8) мкм, дефекти поверхневі (0,012-0,02) мкм При зусиллі редагування розтягуванням менше 0,3σ0,2 і витримкою менше 50 з штанга не виправляється повністю, залишається кривизна більше 5 мм в кінцевій частині штанги на ділянці 0,5 метра від головки При зусиллі більше 0,5σ0,2 і часу витримки понад 70 з штанга виправляється і відповідає стандарту, але значно збільшує цикл обробки, Слід також відзначити, що час витримки 50-70 з напруженим станом дозволяє додатково зміцнити метал рівномірно по всій довжині і одержати механічні властивості σ0,2=(730-820) МПа, σв=(850-960) МПа, що відповідає класу D згідно зі стандартами API Spec 11B.
Поверхневе зміцнення галтелі та поделеваторної ділянки штанги з ділянкою довжиною 300-500 мм проводиться шляхом обкатки профільними роликами зі зусиллям (0,7-0,8)σ0,2 зі швидкістю 8-9 м/хв. Дана операція поверхневого зміцнення проводиться з метою додаткового зміцнення ділянки штанги, схильної до зони температурного впливу при штампуванні головок, де температура досягає 1100°С, тому створення стискаючихзалишкових напруг на поверхні даної ділянки та зміцнення поверхневих шарів металу дозволяє підвищити міцнісні властивості даної ділянки та циклічну довговічність усієї штанги. Обкатка ділянки штанги із зусиллям менше 0,7σ0,2 не забезпечує зміцнення і створює залишкові напруги стиснення менше 120 МПа, залишаючи при цьому шорсткість поверхні більше 5 мкм, що знижуватиме характеристики міцності штанги через дефекти поверхневого шару. При зусиллі обкатки більше 0,8 0,2 відбувається перенаклеп поверхневого шару на ділянках перекриття слідів обкатки і виникає хвилястість поверхні у вигляді гвинтового сліду, що веде до мікротріщин поверхні і служить концентратором при роботі, особливо в корозійно-активних середовищах.
Істотною відмінністю запропонованого способу виготовлення нафтонасосних штанг із низьковуглецевих сталей від відомих технічних рішень є застосування електровідпустки штанги після штампування головок з температурою 480-500°С, правка-розтягування при температурі 180-200°З зусиллям (0,3-0,5 σ0,2 та поверхнево-пластичне деформування галтелі та прилеглої ділянки довжиною 300-500 мм профільними роликами із зусиллям обкатки (0,7-0,8)σ0,2.
В умовах заводу ІжНафтамаш освоєно виробництво нафтонасосних штанг за пропонованим способом.
Як вихідна заготовка використовується гарячекалібрована сталь марки 20ХГН1М мірної довжини. Заготовка закладається в щілинну газову піч на довжину ˜400 мм і нагрівається до кувальної температури. Після нагрівання по одній штуці заготовки піддають куванню на ГКМ, де формується головка штанги за 5 переходів. Після висадки головок штанги подаються на установку електровідпустки, де кожна заготовка закладається на електроконтакти та нагрівається до температури 480-500 ° С з витримкою15-20 хв. При цьому розкид температур довжиною штанги не перевищує ±5°С. З установки електровідпустки штанги подають на стелаж, де охолоджуються до температури 180-200°З розрахунковий час 15-18 хв залежно від типу розміру. Штангу з температурою 180-200°С поміщають в машину розтягування в захоплення за квадратну частину головки і розтягують із зусиллям (0,3-0,5)σ0,2, контрольованим по тиску на штоку гідроциліндра (10,8-11,9 ) т для штанги діаметром 19,2 мм, при цьому напруга розтягування становить (380-410) МПа, а для штанги діаметром 22,4 мм (15,3-16,1) т при таких значеннях напруг.
Далі штанга подавалася на установку поверхнево-пластичної деформації, де в автоматичному режимі обкатується головкою, що обертається, з неприводними роликами з циліндричним профілем - 2 мм, що переходить в радіус 20 мм , повернутими на кут 3° по відношенню до осі штанги, що забезпечують подачу 9) м/хв при швидкості обертання 180 об/хв і зусиллям стиснення за рахунок радіального переміщення від відцентрових сил, що дорівнює (500-530) МПа, на контактних поверхнях.
Готові штанги піддаються контролю за геометричними характеристиками та дефектами поверхні. При цьому твердість відповідала (260-270) НВ, однорідна структура - феритно-перлітна суміш. Механічні властивості готових штанг σ0,2=(780-820) МПа, σв=(860-930) МПа, δ=15-16%, ψ=59-63% при вимогах стандарту API для класу D - σв=690 МПа, σв=(790-965) МПа, δ=12%, ψ=55%. Також було проведено випробування на багатоциклову втому (тип зразка II згідно з ГОСТ 5.502-79). Схема навантаження - поперечний вигин при обертанні, симетричний цикл. База випробувань 10 10 6 циклів. При навантаженні 3,0 кгс число циклів 1240000 – не зруйнувався, при навантаженні 2,7 кгс 1х10 8 циклів – не зруйнувався. Межа витривалості дляцієї сталі становить σ-1=402 МПа. На дані штанги отримано сертифікат відповідності № РОС РІ АЯ04В12655, термін дії 22.06.04 по 22.06.07 р.р. Штанги також пройшли експлуатаційні випробування на свердловині 11 Як-Бодінського родовища, де після 5 місяців роботи обривів та відворотів не спостерігалося.
Застосування цієї технології дозволить використовувати низьковуглецеві сталі з характеристиками міцності класу D стандарту API спец. 11в. При цьому значно спрощується технологія та знижується собівартість виготовлення. Немає необхідності використовувати громіздке та дороге обладнання для гарту та відпустки. Дозволить використовувати на складних свердловинах у корозійно-активних середовищах.
Підприємство ІжНафтамаш сьогодні виробляє за даною технологією штанги насосні ШН19, ШН22, ШН25 стандартної довжини 7620 мм, 8000 мм, 9140 мм та укорочені від 1000 мм до 3680 мм з механічними властивостями Σв=790-σ6.
Спосіб виготовлення нафтонасосних штанг, що включає висадку головок на прутку, термічну обробку штанги, правку, механічну обробку головок, який відрізняється тим, що термічну обробку проводять шляхом електровідпустки при температурі 480-500°З витримкою 15-20 хв, підстуджують на повітря 200°С і при цій температурі піддають штангу редагування розтягуванням з зусиллям (0,3-0,5)σ0,2 і витримкою в напруженому стані 50-70 с, потім ведуть зміцнення на ділянці галтелі штанги шляхом обкатки профільними роликами із зусиллям (0 ,7-0,8)σ0,2 при осьовій подачі 8-9 м/хв за рахунок розвороту роликів.