Способ изготовления нефтенасосных штанг

Способ изготовления нефтенасосных штанг

Реферат

Изобретение относится к области нефтяного машиностроения и может быть использовано для изготовления нефтенасосных штанг из низкоуглеродистых сталей типа 20Н2М, 15Х2ГМФ, 20ХГНМ и др.

Известен способ изготовления нефтенасосных штанг, включающий штамповку головок на ГКМ, нормализацию штанги и последующую механическую обработку головок, которые соответствуют по геометрическим размерам и прочностным свойствам ГОСТ 13877-80.

Однако данная технология не обеспечивает высокий уровень прочностных свойств, что ведет к частым обрывам и заменам штанг.

Известен также способ, включающий штамповку головок на ГКМ, нормализацию штанги, механическую обработку головок, поверхностную закалку ТВЧ или объемную закалку с последующим высоким отпуском, обеспечивающими повышенные прочностные свойства (классы К, D), соответствующие ГОСТ 13877-80, но значительно усложняющие технологии за счет применения специальных печей для нагрева под закалку и отпуск, требующих больших расходов электроэнергии, площадей обслуживающего персонала и повышенной трудоемкости.

Задачей изобретения является повышение характеристик прочности, пластичности для низкоуглеродистых сталей при снижении трудоемкости и повышении культуры производства.

Поставленная задача решается согласно способу изготовления нефтенасосных штанг, включающему штамповку головок на ГКМ, электроотпуск при температуре 480-500°С, правку растяжением усилием (0,3-0,5)σ_0,2, упрочнение штанги на участке 300-500 мм путем обкатки профильными роликами с усилием (0,7-0,8)σ_0,2 при осевой подаче 8-9 м/м за счет разворота роликов.

Сущность предлагаемого способа изготовления нефтенасосных штанг заключается в следующем. Исходная заготовка (прокат) поставляется с металлургических предприятий без дополнительной термической обработки (улучшение, нормализация) мерными прутками. После высадки головок на ГКМ штангу подвергают электроотпуску при температуре 480-500°С с выдержкой 15-20 мин для придания материалу штанги равнопрочного состояния по длине. Далее проводят правку растяжением при температуре 180-200°С с усилием (0,3-0,5)σ_0,2. При этом закрепление штанги происходит за квадратную часть головки, что позволяет выдержать прямолинейность тела штанги относительно самих головок. Далее проводится упрочнение галтели с прилегающим участком штанги 300-500 мм, т.е. зоны термического влияния (переходной зоны), возникающего при штамповке головок. Упрочнение осуществляется вращающейся головкой с тангенциальным перемещением роликов по радиусу галтели. Усилие обкатки (0,7-0,8)σ_0,2 обеспечивается скоростью вращения головки, а разворот обкатывающих роликов относительно оси тела штанги обеспечивает продольную подачу штанги 8-9 м/мин.

Проведение технологических операций в данной последовательности и режимами обработки по предлагаемому способу позволяет на данном классе сталей получить нефтенасосные штанги с высокими механическими свойствами, соответствующими классу D и позволяющими их использовать в коррозионно-активной среде.

Термическая обработка 480-500°С проводится для релаксации остаточных напряжений и стабилизации структуры и механических свойств металла. Данная температура выбрана из условия температуры отпуска для данных сталей, поставляемых в нормализованном или улучшенном состоянии с учетом того, что в нашем случае принимается скоростной электронагрев, поэтому температура отпуска занижена на 100-150°С. При более низкой температуре (ниже 480-500°С) не происходит полной стабилизации структуры и выявляются неоднородности ее по длине. При повышенной температуре отпуска (выше 480-500°С) происходит снижение предела прочности и предела пластичности металла. Следует отметить, что данный класс стали при небольших количествах легирующих элементов (никеля, хрома, марганца, молибдена) обеспечивает высокую прокаливаемость и не требует высоких скоростей охлаждения (достаточно охлаждения на воздухе) [Гутман Э.М. и др. Применение малоуглеродистых сталей для глубинно-насосных штанг. ФХМН, 1979, №1, С.67].

Время выдержки при электроотпуске определено 15-20 мин, которое является достаточным для релаксации остаточных напряжений и стабилизации структуры и механических свойств металла.

При выдержке менее 15 мин структура металла остается неоднородной, что ведет к дополнительному искривлению тела штанги. Выдержка более 20 мин нецелесообразна, так как дальнейшее улучшение как по геометрическим характеристикам, так и структуре ферритно-перлитной смеси не изменяется. Твердость при этом соответствует 277-286 НВ.

Подстуживание штанги до 180-200°С после отпуска перед правкой растяжением необходимо по причине перехода зоны хрупкости при средних температурах (250-400°С) и возможности проведения правки-растяжения, не нарушая сплошности металла. Правка выше 200°С может привести к разрушению при пороге хрупкости при среднем отпуске, а правка ниже 180°С нежелательна из-за образования микротрещин на поверхности тела штанги, что в дальнейшем послужит концентраторами напряжений. Поэтому по стандарту API правка в холодном состоянии не допускается.

Правка штанг проводится при усилии (0,3-0,5)σ_0,2 с выдержкой 50-70 с, что обеспечивает геометрические характеристики штанги в соответствии с группой В ГОСТ 14955-77 (Ra- (1,1-1,8) мкм, дефекты поверхностные (0,012-0,02) мкм. При усилии правки растяжением менее 0,3σ_0,2 и выдержкой менее 50 с штанга не выправляется полностью, остается кривизна более 5 мм в концевой части штанги на участке 0,5 метра от головки. При усилии более 0,5σ_0,2 и времени выдержки более 70 с штанга выправляется и соответствует стандарту, но значительно увеличивает цикл обработки. Следует также отметить, что время выдержки 50-70 с в напряженном состоянии позволяет дополнительно упрочнить металл равномерно по всей длине и получить механические свойства σ_0,2=(730-820) МПа, σ_в=(850-960) МПа, что соответствует классу D согласно стандартам API Spec 11B.

Поверхностное упрочнение галтели и подэлеваторного участка штанги с участком длиной 300-500 мм проводится путем обкатки профильными роликами с усилием (0,7-0,8)σ_0,2 со скоростью 8-9 м/мин. Данная операция поверхностного упрочнения проводится с целью дополнительного упрочнения участка штанги, подверженного зоне температурного влияния при штамповке головок, где температура достигает 1100°С, поэтому создание сжимающих остаточных напряжений на поверхности данного участка и упрочнение поверхностных слоев металла позволяет повысить прочностные свойства данного участка и циклическую долговечность всей штанги. Обкатка участка штанги с усилием менее 0,7σ_0,2 не обеспечивает упрочнение и создает остаточные напряжения сжатия менее 120 МПа, оставляя при этом шероховатость поверхности более 5 мкм, что будет снижать прочностные характеристики штанги из-за дефектов поверхностного слоя. При усилии обкатки более 0,8σ_0,2 происходит перенаклеп поверхностного слоя на участках перекрытия следов обкатки и возникает волнистость поверхности в виде винтового следа, что ведет к микротрещинам поверхности и служит концентратором при работе, особенно в коррозионно-активных средах.

Существенным отличием предлагаемого способа изготовления нефтенасосных штанг из низкоуглеродистых сталей от известных технических решений является применение электроотпуска штанги после штамповки головок с температурой 480-500°С, правка-растяжение при температуре 180-200°С с усилием (0,3-0,5)σ_0,2 и поверхностно-пластическое деформирования галтели и прилегающего участка длиной 300-500 мм профильными роликами с усилием обкатки (0,7-0,8)σ_0,2.

Пример.

В условиях завода ИжНефтемаш освоено производство нефтенасосных штанг по предлагаемому способу.

В качестве исходной заготовки используется горячекалиброванная сталь марки 20ХГН1М мерной длины. Заготовка закладывается в щелевую газовую печь на длину ˜400 мм и нагревается до ковочной температуры. После нагрева по одной штуке заготовки подвергают ковке на ГКМ, где формируется головка штанги за 5 переходов. После высадки головок штанги подаются на установку электроотпуска, где каждая заготовка закладывается на электроконтакты и нагревается до температуры 480-500°С с выдержкой 15-20 мин. При этом разброс температур по длине штанги не превышает ±5°С. С установки электроотпуска штанги подают на стеллаж, где охлаждаются до температуры 180-200°С за расчетное время 15-18 мин в зависимости от их типа размера. Штангу с температурой 180-200°С помещают в машину растяжения в захваты за квадратную часть головки и подвергают растяжению с усилием (0,3-0,5)σ_0,2, контролируемым по давлению на штоке гидроцилиндра (10,8-11,9) т для штанги диаметром 19,2 мм, при этом напряжение растяжения составляет (380-410) МПа, а для штанги диаметром 22,4 мм (15,3-16,1) т при таких же значениях напряжений.

Далее штанга подавалась на установку поверхностно-пластической деформации, где в автоматическом режиме обкатывается вращающейся головкой с неприводными роликами с профилем цилиндрическим - 2 мм, переходящим в радиус 20 мм , повернутыми на угол 3° по отношению к оси штанги, обеспечивающие подачу штанги (8-9) м/мин при скорости вращения 180 об/мин и усилием сжатия за счет радиального перемещения от центробежных сил, равным (500-530) МПа, на контактных поверхностях.

Готовые штанги подвергаются контролю по геометрическим характеристикам и по дефектам поверхности. При этом твердость соответствовала (260-270) НВ, структура однородная - ферритно-перлитная смесь. Механические свойства готовых штанг σ_0,2=(780-820) МПа, σ_в=(860-930) МПа, δ=15-16%, ψ=59-63% при требованиях стандарта API для класса D - σ_в=690 МПа, σ_в=(790-965) МПа, δ=12%, ψ=55%. Также были проведены испытания на многоцикловую усталость (тип образца II по ГОСТ 5.502-79). Схема нагружения - поперечный изгиб при вращении, симметричный цикл. База испытаний 10×10⁶ циклов. При нагрузке 3,0 кгс число циклов 1240000 - не разрушился, при нагрузке 2,7 кгс 1х10⁸ циклов - не разрушился. Предел выносливости для данной стали составляет σ_-1=402 МПа. На данные штанги получен сертификат соответствия № РОСС РИ АЯ04В12655, срок действия 22.06.04 по 22.06.07 гг. Штанги также прошли эксплуатационные испытания на скважине 11 Як-Бодьинского месторождения, где после 5 месяцев работы обрывов и отворотов не наблюдалось.

Применение данной технологии позволит использовать низкоуглеродистые стали с характеристиками прочности класса D стандарта API спец. 11В. При этом значительно упрощается технология и снижается себестоимость изготовления. Нет необходимости использовать громоздкое и дорогостоящее оборудование для закалки и отпуска. Позволит использовать на сложных скважинах в коррозионно-активных средах.

Предприятие ИжНефтемаш сегодня производит по данной технологии штанги насосные ШН19, ШН22, ШН25 стандартной длины 7620 мм, 8000 мм, 9140 мм и укороченные от 1000 мм до 3680 мм с механическими свойствами Σ_в=790-960 МПа, σ_0,2min=586 МПа.

Способ изготовления нефтенасосных штанг, включающий высадку головок на прутке, термическую обработку штанги, правку, механическую обработку головок, отличающийся тем, что термическую обработку проводят путем электроотпуска при температуре 480-500°С с выдержкой 15-20 мин, подстуживают на воздухе до 180-200°С и при этой температуре подвергают штангу правке растяжением с усилием (0,3-0,5)σ_0,2 и выдержкой в напряженном состоянии 50-70 с, затем ведут упрочнение на участке галтели штанги путем обкатки профильными роликами с усилием (0,7-0,8)σ_0,2 при осевой подаче 8-9 м/мин за счет разворота роликов.