В Перми придумали как изготовить нефтяные насосы без дефектов

Статья с результатами опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика». Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Пермского края.

Плунжерные насосы в нефтегазовой промышленности в основном находят применение там, где требуется работа со средами под высоким давлением — как на суше, так и на морских платформах. Устройство плунжер создает эффект всасывания, благодаря которому нефть перекачивается непрерывным потоком. Для изготовления такого вида насосов в нефтедобывающей промышленности используется длинномерный тонкостенный биметаллический цилиндр, состоящий из таких деталей, как обечайка и лейнер.

Чтобы улучшить износостойкость внутренней поверхности цилиндра, лейнер подвергают, например, радиальной ковке и последующему ионно-плазменному азотированию, когда при определенной температуре сталь насыщают азотом для ее упрочнения. Однако нагрев изделия приводит к короблению (искажению геометрии, появлению выпуклостей на ровной части) цилиндра и отделению лейнера от обечайки. Одна из главных причин возникновения таких дефектов — это повышение внутренних напряжений изделия при обработке.

Для определения остаточных напряжений существует множество экспериментальных способов: химические, рентгенографические, магнитные, поляризационно-оптические, термические и механические. Но многие из них неприменимы, так как требуют больших временных затрат, приводят к нарушению структуры образцов, удалению части материала на них или к полному уничтожению.

Ученые Пермского Политеха предложили свою методику для оценки внутренних напряжений биметаллических цилиндров, которая позволяет определить наиболее эффективный технологический цикл производства изделия. Чтобы реализовать методику, они сформулировали и решили задачу в рамках теории упругости, вывели новые формулы, которые позволяют находить уровень напряжений в зависимости от экспериментальных измерений, а затем провели исследования на биметаллических образцах (кольцах) с лейнером из разных классов сталей после различных вариантов обработки.

«Мы определяли остаточные напряжения по перемещениям, измеренным после разрезания образцов. Исследования с использованием разработанной методики позволили для каждого изученного материала лейнера установить необходимый вид обработки, степень деформации и температуру постдеформационного нагрева. Так мы подобрали оптимальные режимы обработки биметаллических цилиндров, которые обеспечивают высокий уровень адгезии (сцепления поверхностей), минимальные остаточные напряжения и изменения геометрии лейнера», — объясняет кандидат технических наук, доцент кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ Ольга Силина.

В ходе исследования политехники сформулировали критерии для оптимизации термомеханической обработки изделий: остаточные напряжения в цилиндре, отклонения в размерах деталей и разница напряжений между обечайкой и лейнером должны быть минимальными, а сцепление между ними — максимальным.

Наиболее эффективные режимы обработки цилиндров, соответствующие всем четырем критериям: для лейнера из стали 38Х2МЮА — дробеструйная обработка внешней поверхности, степенью деформации 10 процентов, температурой постдеформационного нагрева 520°C и 570°C. Из стали 15Х5М — классическая обработка щетками и холодной радиальной ковкой со степенью деформации 10-17 процентов и температурой нагрева 520°C. Из стали 12Х18Н10Т — дробеструйная обработка, степень деформации 10 процентов и температурой нагрева 520°C.

Метод ученых Пермского Политеха позволяет эффективно оценить уровень остаточных напряжений в биметаллических цилиндрах, что в свою очередь помогает подобрать нужные режимы их обработки. Применение такой методики значительно улучшает процесс изготовления плунжерных нефтяных насосов, снижает риск деформации элементов конструкции, повышает качество и надежность продукции нефтегазовой промышленности.

ПНИПУ

850 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше