ESTIMATION OF RESIDUAL STRESSES IN BIMETALLIC PLUNGER PUMP CYLINDERS AFTER THERMAL DEFORMATION

Abstract


Plunger pumps used in oil production are made of long hollow bimetallic cylinders. These components are thermo-mechanically treated to improve strength and other physical and mechanical properties. These operations result in residual stresses within the parts, which can lead to positive, undesirable and unacceptable changes in the geometry. In the present work, we consider the problem of choosing the optimal machining modes. Estimations of residual stresses in the whole product take too much time, so it was decided to use small rings, which are representative for each particular pipe. In view of complexity or impossibility of applying the existing methods, the authors have designed a novel technique to estimate the level of residual stresses. For this purpose, we formulated and solved this problem within the theory of elasticity. An analytical solution, which makes it possible to find the level of stresses depending on the experimental measurements when cutting the rings, has been obtained. Three different steels were chosen. i.e. 38Cr2MoAl, 15Cr5Mo, 12Cr18Ni10Ti. Based on operating conditions, four optimization criteria for the heat treatment have been produced: the minimum level of residual stresses in the pipe; the minimum difference between stresses in the shell and liner; the minimum change in the pipe radius after the treatment; the highest value of adhesion between the liner and the shell. The obtained results have been analyzed based on the above four criteria. We revealed the optimum and intolerable modes of thermo-mechanical processing, which enabled undesirable changes in products. The required degree of deformation and temperature of the post-deformation heating have been found for each steel under study. As a result, recommendations for industrial enterprises have been drawn up.

Full Text

В многолетней практике нефтедобычи наиболее широко используются конструкции скважинного штанго- вого насоса (СШН) [1; 2]. В России СШН-установками оборудовано около 49 % всех действующих скважин. К сведению, в США – 90 %, в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» – 71 % [3]. Поэтому создание конкурентоспособного про- изводства СШН, обеспечивающего их преимущество по качеству и долговечности, является важной задачей по- вышения эффективности (ТЭК) и энергетической без- опасности [4; 5]. Для изготовления плунжерных насосов нефтедобывающей промышленности используется длинномерный тонкостенный биметаллический ци- линдр, состоящий из обечайки и лейнера [6; 7] (рис. 1), соединенных методом холодной радиальной ковки (ХРК) [8–11]. На современном рынке материалов для из- готовления обечайки и лейнера данной продукции более широкое распространение получили марки сталей 45 и 38Х2МЮА соответственно. Для обеспечения износо- стойкости внутренней поверхности цилиндра лейнер подвергается ионно-плазменному азотированию (ИПА) [12–14]. С целью повышения эксплуатационных харак- теристик в качестве альтернативы для материала лейнера были исследованы стали 12Х18Н10Т (ГОСТ 9941–81) и 15Х5М (ГОСТ 550–75) [15]. Постдеформационный нагрев изделия приводит к короблению длинномерных тонкостенных цилиндров и отделению лейнера от обечайки. Одной из главных причин возникновения дан- ных дефектов является величина внутренних напряже- ний изделия [16; 17].

About the authors

O. V. Silina

Perm National Research Polytechnic University

D. R. Ledon

Institute of Continuum Mechanics, RAS Ural Branch

E. O. Babkin

Perm National Research Polytechnic University

M. N. Bosyakov

Physical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus

References

  1. Бойко В.С. Разработка и эксплуатация нефтяных место- рождений: учеб. для вузов. – М.: Недра, 1990. – 427 с.
  2. Бухаленко Е.И. Нефтепромысловое оборудование: справ. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1990. – 559 с.
  3. Лучшие насосы для нефтяного дела // Техсовет. – 2006. – № 11. – С. 98.
  4. Бушуев В.В. Энергетическая безопасность России. – Новосибирск: Наука, 1998. – 302 с.
  5. Санникова И.Н. Анализ энергетической безопасности России // Экономика. Профессия. Бизнес. – 2017. – № 3. – С. 65–70.
  6. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти. – М.: Нефть и газ, 2003. – 816 с.
  7. Уразаков К.Р. Справочник по добыче нефти. – М.: Недра-Бизнесцентр, 2000. – 371 с.
  8. Структурообразование конструкционной низкоуглеро- дистой стали при комплексной механотермической обработке на этапе холодной пластической деформации методом ради- альной ковки / А.Н. Балахнин, Р.А. Вагин, Д.О. Панов, А.И. Смирнов, Н.А. Морева // Обработка металлов (техноло- гия, оборудование, инструменты). – 2012. – № 3 (56). – С. 92–94.
  9. Механические свойства конструкционной низкоуглеро- дистой стали 10Х3Г3МФ после холодной пластической дефор- мации методом радиальной ковки / А.Н. Балахнин, Д.А. Ко- стюк, Д.О. Панов, А.А. Никулина, Ю.Н. Ромашова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2012. – № 3 (56). – С. 64–66.
  10. Влияние холодной пластической деформации мето- дом радиальной ковки и последующей термической обработки на структуру и свойства стали 10Х3Г3МФ / А.Н. Балахнин, Д.О. Панов, М.Г. Титова, А.С. Перцев, А.И. Смирнов, Ю.Н. Си- монов // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2012. – № 11 (689). – С. 22–27.
  11. Эволюция структуры и механических свойств низко- углеродистого мартенсита при холодной радиальной ковке и последующей термической обработке / А.Н. Балахнин, Д.О. Панов, А.С. Перцев, А.И. Смирнов, Ю.Н. Симонов // Ма- териаловедение. – 2015. – № 2. – С. 19–26.
  12. Поболь И.Л. Ионное азотирование поверхности от- верстий в длинномерных изделиях из сталей // Вестник Брест- ского государственного технического университета. 2019 – № 4. – С. 25–30.
  13. Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка ме- таллов в активизированных газовых средах. – М.: Машиностро- ение, 1979. – 224 с.
  14. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специ- альные стали – 2-е издание переработанное и дополненное – М.: МИСиС, 1999. – 405 с.
  15. Решение задачи кастомизации биметаллических ци- линдров нефтепромыслового оборудования / О.В. Силина, Е.С. Лобова, С.П. Ковко, Е.О. Бабкин, Р.М. Полежаев, М.Н. Бо- сяков // Проблемы машиностроения и автоматизации, 2023. – № 1. – С. 25–33.
  16. Тюрин В.А. Ковка на радиально-обжимных маши- нах. – М.: Машиностроение, 1990. – 256 с.
  17. Дедюлина О.К., Салищев Г.А. Формирование ультра- мелкозернистой структуры в среднеуглеродистой стали 40ХГНМ ротационной ковкой и ее влияние на механические свойства // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 1. – С. 701–706.
  18. Соколов И.А., Уральский В.И. Остаточные напряжения и качество металлопродукции // Металлургия. – 1981. – С. 96.
  19. Биргер И.А. Остаточные напряжения. – М.: Машгиз, 1963. – С. 232.
  20. Хоргер О., Нейферт Г. Влияние остаточных напряже- ний на усталостную прочность машин и смежных явлений. Остаточные напряжения / под ред. В.Р. Осгуда. – М.: Изд. ино- странной литературы, 1957. – C. 243–280.
  21. Гликман A.A., Бабаев А.Н. Рациональное применение способа Закса при определении остаточных напряжений в сплошных и полых цилиндрах // Заводская лаборатория. – 1956. – № 4. – С. 466–472.
  22. Давиденков Н.Н. Избранные труды. – Киев: Наукова думка, 1981. – 655 с.
  23. Пат. РФ № 2366912 C1. Способ определения остаточ- ных напряжений / Г.Л. Колмогоров, Е.В. Кузнецова; № 2008111436/28; заяв. 24.03.2008; опубл. 10.09.2009.
  24. Кузнецова Е.В., Колмогоров Г.Л., Вавель А.Ю. Тех- нологические остаточные напряжения при производстве циркониевых листов // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. – 2016. – № 1. – С. 26–31. doi: 10.17073/0021-3438-2016-1-26-31
  25. Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В. Метод расчета пре- дельных технологических остаточных напряжений в трубной заготовке // Деформация и разрушение материалов. – 2016. – № 7. – С. 2–5.
  26. Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В. Технологические остаточные напряжения после обработки металлов давле- нием // Вестник Южно-Уральского государственного универ- ситета. Серия: Металлургия. – 2016. – Т. 16, № 1. – С. 41–45. doi: 10.14529/met160105
  27. Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В., Хабарова Д. Релак- сация остаточных напряжений и точность трубных металлоиз- делий // Вестник Магнитогорского государственного техниче- ского университета им. Г.И. Носова. – 2018. – Т. 16, № 3. – С. 103–108. doi: 10.18503/1995-2732-2018-16-3-103-108
  28. Лурье А.И. Теория упругости. – М.: Наука, 1970. – 940 с.
  29. Фролов К.В. Энциклопедия. Т. II-2: Стали, Чугуны. – М.: Машиностроение, 2001. – 780 с.
  30. Кикоин И.К. Таблицы физических величин. – М.: Ато- миздат, 1976. – 1008 с.

Statistics

Views

Abstract - 256

PDF (Russian) - 78

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Silina O.V., Ledon D.R., Babkin E.O., Bosyakov M.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies