способ изготовления нефтенасосных штанг

Формула изобретения

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) _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) _0,2 при осевой подаче 8-9 м/мин за счет разворота роликов.

Описание изобретения к патенту

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) _0,2, упрочнение штанги на участке 300-500 мм путем обкатки профильными роликами с усилием (0,7-0,8) _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) _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) _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) _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 0,3 _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 0,5 _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 _0,2=(730-820) МПа, _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) _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 0,7 _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 0,8 _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) _0,2 и поверхностно-пластическое деформирования галтели и прилегающего участка длиной 300-500 мм профильными роликами с усилием обкатки (0,7-0,8) _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) _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 _0,2=(780-820) МПа, _в=(860-930) МПа, =15-16%, =59-63% при требованиях стандарта API для класса D - _в=690 МПа, _в=(790-965) МПа, =12%, =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 10×10 ⁶ 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 _-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 _в=790-960 МПа, _0,2min=586 МПа.