Для получения нефти в России все чаще используют высокоэффективные тонкостенные штанговые глубинные насосы. Они повышают производительность добычи примерно на 25 процентов, поскольку имеют больший объем рабочей камеры за счет тонкой высоконагруженной стенки. Однако такие насосы пока недостаточно надежны из-за повышенных неравномерных нагрузок. Уязвимой частью становятся места деталей, где концентрируется наибольшее напряжение. К ним, например, относится резьба штока — металлического прутка, который передает возвратно-поступательное движение, создаваемое двигателем, на рабочие органы насоса. Деталь может разрушиться и прийти в негодность из-за неравномерного распределения напряжения. Ученые Пермского Политеха предложили использовать в изготовлении соединительных концов насосных штоков сталь 40Х, которая прошла индукционную термическую обработку при высоких температурах — это повысит ее твердость и устойчивость к нагрузкам.
Нефтедобыча / © Zbynek Burival, unsplash.com
Статья опубликована в журнале «Черные металлы». Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
До 75 процентов всех случаев неисправности насосных штоков происходит из-за разрушения присоединительной резьбы. Причина кроется в высоких нагрузках на эту область. Ее усиливает коррозия металла, которую обычно не учитывают при расчетах прочности. Решение проблемы, как считают ученые, заключается в локальном упрочнении материала деталей.
Обычно в скважинном оборудовании используют углеродистые и низколегированные стали, при этом производители вынуждены закупать материал в виде термически обработанной насосной штанги (стальной цилиндрический стержень), а затем самостоятельно ее обрезать, поскольку металлургические предприятия не поставляют изделия в необходимые сроки и объемы. Это значительно увеличивает стоимость изготовления насосных деталей.
Ученые Пермского Политеха совместно с ведущим машиностроительным предприятием города Перми АО «ЭЛКАМ-Нефтемаш» разработали технологию упрочнения штоков с применением индукционной термической обработки. В качестве материала использовали устойчивую к коррозии сталь 40Х.
По сравнению с другими видами обработки, метод ученых ПНИПУ обеспечивает быстрый нагрев, высокую производительность, повышенные механические свойства, экономию электроэнергии и низкие производственные затраты. Такой способ реализует сразу три-четыре механизма упрочнения.
«Мы изготовили пять серий стальных образцов, которые отличались тем, что имели разную резьбу и проходили индукционную термическую обработку при различных температурах. Далее они подвергались усталостным испытаниям, то есть проверке того, как долго они могут выдерживать циклические нагрузки. Детали вращали с помощью специального станка с частотой около пять Гц, что создавало в резьбе изделия чередование растяжения и сжатия», – объясняет Юрий Симонов, заведующий кафедрой «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, доктор технических наук.
«Лучшие результаты продемонстрировали образцы после обработки с режимом закалки 850 °C и последующего нагрева 400 °C. Практически одинаково долговечными оказались образцы, которые изготавливали при таком же режиме с отпуском 600 °C. Им немного уступают те, что были с накатанной резьбой вместо нарезанной», – рассказывает Станислав Мольцен, аспирант кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, директор по качеству АО «ЭЛКАМ-Нефтемаш».
Внедрение разработанной технологии упрочнения штоков не только уменьшит вероятность разрушения деталей, но и сделает штанговые глубинные насосы прочнее. По расчетам ученых Пермского Политеха, это может снизить себестоимость производства только одного вида деталей на 2,2 миллиона в год и повысить рентабельность изделий в целом на 2,5 процента.
