Комплексный подход к повышению надежности нефтепромыслового и бурового оборудования предложили ученые Пермского Политеха. Они применили новые технологические и конструктивные решения для изготовления и сборки резьбовых соединений.
Российские ученые нашли способ повысить долговечность бурового оборудования / ©Getty images
Результаты опубликованы в журнале «Вестник ПНИПУ: Машиностроение, материаловедение». Анализ производственного опыта российских и зарубежных машиностроительных предприятий нефтяной и газовой промышленности показал, что упрочнение резьбы методом поверхностного пластического деформирования для обеспечения долговечности бурильных труб и других деталей не полностью изучен.
Пермские ученые установили причину низкой долговечности резьбовых соединений бурового оборудования, а именно несовершенство составных частей и элементов (бурильных труб, переводников бурильных колонн, концевых деталей для винтовых забойных двигателей) и предложили перспективные способы упрочнения поверхностей. Из рассмотренных методов специалисты выделяют два: поверхностную пластическую деформацию на основе обкатывания резьбы специальным профильным роликом и электромеханическую обработку.
«Повышение долговечности и надежности резьбовых соединений при обкатывании резьбы роликом достигается за счет формирования рациональных сжимающих остаточных напряжений, в итоге увеличивается микротвердость и снижается шероховатость впадины резьбы, и, что не менее важно, повышается сопротивление усталости высоконагруженной резьбы, – поясняет декан механико-технологического факультета, профессор ПНИПУ Михаил Песин.
– Ресурсные показатели наземного и подземного оборудования нефтегазовой отрасли в основном определяются качеством поверхностного слоя деталей, формируемого в течение всего технологического процесса их изготовления. Задачей современного машиностроения является повышение долговечности изделий».
Электромеханическая обработка — технология поверхностного упрочнения с применением концентрированных потоков энергии — может обеспечить повышение износостойкости изделий и как следствие — надежности оборудования. В основе этого метода — комплексное термодеформационное воздействие на обрабатываемую деталь при прохождении через зону ее контакта электрического тока большой плотности и низкого напряжения. В итоге формируется упрочненный поверхностный слой на глубину 1,5–2,5 мм с повышенной микротвердостью в 2-3 раза превышающий первоначальное значение, при этом значительно повышающий износостойкость детали.
Исследования применения электромеханической обработки проводились на образцах насосно-комперессорных труб и деталей промпредприятий, бурильных трубах. В результате твердость увеличилась от 18-22 до 48-52 HRC (hrc – показатель твердости), на сталях с более высоким содержанием углерода и легирующих элементов – от 36-37 до 48-49 HRC.
К преимуществам электромеханической обработки в сравнении с другими способами исследователи отнесли отсутствие обезуглероживания и окисления поверхностного слоя; технологическую простоту; повышение износостойкости до 12 раз и предела выносливости на 30–200 процентов; закалку длинномерных и маложестких деталей.
Как отмечают специалисты, разработка методологических основ конструкторско-технологического обеспечения надежности резьбовых соединений — актуальная научная задача при изготовлении бурильных труб. Она имеет практическую значимость для народного хозяйства России. «Для комплексной оценки надежности мы разработали практические рекомендации для лезвийной обработки резьбы в пределах допусков на размер шага, позволяющие сформировать рациональные сжимающие напряжения, как в процессе изготовления, так и сборки резьбового соединения, – говорит Михаил Песин.
– Сочетание различных технологических методов обработки дает синергетический эффект в надежности конструкции, работающей в экстремальных условиях эксплуатации. Кроме этого, определены режимы обработки для упрочения поверхности резьбы методом обкатывания роликом, включающие силу прижима ролика, профильный угол, материал ролика, скорость вращения обрабатываемой заготовки. Разработана комплексная модель, позволяющая определить режимы обработки и рациональные параметры сборки высоконагруженных изделий».
