ОЦЕНКА ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЦИЛИНДРАХ ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА ПОСЛЕ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ

  • Авторы: Силина О.В.1, Ледон Д.Р.2, Бабкин Е.О.1, Босяков М.Н.3
  • Учреждения:
    1. Пермский национальный исследовательский политехнический университет
    2. Институт механики сплошных сред УрО РАН
    3. Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси
  • Выпуск: № 6 (2023)
  • Страницы: 115-123
  • Раздел: Статьи
  • URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/4034
  • DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.6.11
  • Цитировать

Аннотация


Плунжерные насосы, используемые для нефтедобычи, изготавливаются из длинных полых биме- таллических цилиндров. С целью повышения прочностных и иных физико-механических характеристик данные элементы конструкции подвергаются термомеханической обработке. В процессе таких воздей- ствий в изделиях возникают остаточные напряжения, которые могут приводить к положительным, неже- лательным и недопустимым изменениям геометрии. В настоящей работе рассмотрена задача выбора оптимальных режимов обработки. В связи с трудоёмкостью оценки остаточных напряжений во всём из- делии было решено использовать небольшие кольца, являющиеся представительными для каждой кон- кретной трубы. Ввиду сложности или невозможности применения существующих методов предложена методика, которая позволяет оценить уровень остаточных напряжений. Для этого сформулирована и ре- шена задача в рамках теории упругости. Получено аналитическое решение, которое позволяет находить уровень напряжений в зависимости от экспериментальных измерений при разрезании колец. Рассмот- рено три различных материала – стали 38Х2МЮА, 15Х5М, 12Х18Н10Т. Исходя из условий эксплуатации, сформулировано четыре критерия оптимизации при термообработке: минимальный уровень остаточных напряжений в трубе; минимальная разница между напряжениями в обечайке и лейнере; минимальное изменение радиуса трубы после обработки; наибольшее значение адгезии между лейнером и обечайкой. Согласно введённым критериям, проведён анализ полученных результатов. Выявлены оптимальные ре- жимы термомеханической обработки и отброшены недопустимые, которые приводят к нежелательным изменениям в изделиях. Для каждого исследуемого материала установлены необходимая степень де- формации и температура постдеформационного нагрева. В результате даны рекомендации промышлен- ному предприятию по производственному процессу.

Полный текст

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].

Об авторах

О. В. Силина

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Д. Р. Ледон

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Е. О. Бабкин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

М. Н. Босяков

Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси

Список литературы

  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.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 256

PDF (Russian) - 78

Cited-By


PlumX


© Силина О.В., Ледон Д.Р., Бабкин Е.О., Босяков М.Н., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах