Improvement of valve rods thread connection run life at cyclic loading

Abstract


The problem of the reliability at the promotion of modern advanced types of thin wall API pumps was investigated. Pumps that are still rare in the Russian Federation. The difference from the traditional heavy wall pumps, including an elevated exploitation stresses at the valve rods are counted and the typical failures of such model sucker rod pumps are discussed. The review of fatigue fractures of threaded connections is carried out for the search of effective methods to improve their reliability and durability. The classical procedure for determining failures has been shown, including examination of the quality of the rod, metallographic examination of bars typical for the oil industry and special fractography. Observing destructions cases of the rods happened at different operating conditions was done an assumption about their similarity. To explain the systematic nature of the failures is performed a stress calculation by the modified Inglis formula. At paper is presented nonlinear stress distributions at microvolumes under the API tapered thread profile. The most significant stresses under the thread roots are considered in detail and here is shown in five times higher stresses in respect to the body of the rod behind the thread. Based on the graphical interpretation of the Goodman modified law is presented for tapered thread rod connections API LP are build safe stresses diagram contained stresses regions with proper reliability and durability of products. The approach for fatigue crack prediction is explained based on the comparation the real cyclic stresses and the safe region, limited according the Goodman modified law and dependent on load parameters and mechanical properties of the rods. The necessary mechanical properties level of the thread material is assessed and explained that method of safe region diagram developing. A review and analysis of approaches for achieving the requested reliability and durability of cyclic loaded parts thread is carried out. Investigated the interconnection between the static and cyclic plastic zones and the minimum material volume of thread rod ends have to be local strengthened. Described the calculation methods for that zones needed to be improved. Highlighted especially effective improvements, discussed the possibility of their combination. The insufficiency of the classical methods of metallurgy for investigated rods quality improving is explained.

Full Text

Введение Предприятие АО «ЭЛКАМ-нефтемаш» известно в нефтедобывающей отрасли широким модельным рядом выпускаемой продукции. Некоторые модели выпускаемых насосов, пусть даже стандартизированных международными спецификациями, на европейском континенте изготавливает только АО «ЭЛКАМ-нефтемаш». Обычно освоение новых моделей бросает вызов специалистам предприятия возникновением специфичных трудностей, иногда и проблем. Когда речь идет о стандартной продукции, ее конструктивное совершенствование ограничено четкими геометрическими параметрами. Повышение надежности и долговечности таких деталей и узлов - дело металловедения: найти внутренние уязвимости, управлять структурным дизайном, довести до совершенства, сохранив форму. Сегодня это вполне возможно. В чем можно убедиться на примере серьезнейшей проблемы нефтяной отрасли в виде усталости, рассмотренной в настоящем исследовании. К деталям штанговых глубинных насосов (ШГН) с тонкими стенками, нагружаемых при эксплуатации повышенными усилиями, относятся штоки насосные (рис. 1). Поверхность разрушения а б в Рис. 1. Типичный случай разрушения штока по резьбе: а - поверхность разрушения; б - разрушенное резьбовое соединение штока; в - профиль поверхности разрушения на обломке штока внутри переходника Безотказно работающие на младших по нагрузке моделях XHXX-175-XX-X-X-X1, эти же штоки (поставщик, материал, геометрические параметры) часто не дорабатывают ожидаемый потребителем срок наработки в тонкостенных насосах. Важно отметить, что подавляющее большинство наблюдаемых случаев разрушения штоков насосных происходит по резьбе API line pipe (LP) mod 1/2”-14. Плоскость разрушения практически совпадает с основной плоскостью конической присоединительной резьбы. Таким образом, компании необходимо повысить надежность и долговечность штоков насосных, обеспечивающих стабильную гарантированную наработку, в том числе в умеренно агрессивной среде. Поскольку лучшие решения могут быть основаны только на фактах, необходимо точно диагностировать разрушение и выявить истинные причины наблюдаемых разрушений деталей и связанной с ними резьбы. Определение причин разрушения Для исследования были выбраны три разрушившихся при эксплуатации штока. Данные приведены в табл. 1. Анализ приведенных данных показал, что штоки работали в ШГН одной и той же модели, все штоки разрушились по резьбовой части (см. рис. 1), наработка составила от 101 до 328 суток, рабочие нагрузки, глубина спуска и число качаний - близкие. Всюду сжимающей нагрузкой в циклах качания можно пренебречь. Таким образом, коэффициент асимметрии цикла практически R = 0 [1]. Интенсивность кривизны в зоне установки ШГН (град/10 м) и угол наклона скважины (градус) самые низкие у насоса, работавшего на скважине № 17149 с самой большой наработкой, однако на этой же скважине была зафиксирована самая высокая обводненность. Следует также отметить корреляцию сравнительно высоких механических свойств образца усл. № 3 со сравнительно большей наработкой до разрушения. Таблица 1 Сопоставление свойств и наработки штоков Номер образца Образец усл. № 1 Образец усл. № 2 Образец усл. № 3 Мех. свойства σт = 436 σв = = 687 МПа, 208 HB σв = = 700 МПа 207 HB σт = 826 σв = = 955 МПа, 244 HB Наработка, сут 101 145 328 Максимальная нагрузка на шток, тс 5,400 3,656 5,243 Средняя нагрузка в цикле качания, тс 2,7 1,828 2,622 Наработка на отказ, сут 101< <145< <328 Достаточно длительный период эксплуатации и разрушение по резьбовой части могут свидетельствовать об усталостной природе данного разрушения. Однако для однозначного установления причины и механизма разрушения необходимо было проведение специальных исследований, результаты которых приведены далее. Результаты общего фрактографического, химического и металлографического анализа Общий фрактографический анализ показал, что поверхности разрушения представленных штоков однотипны: во всех трех случаях разрушение началось во впадине витка резьбы, т.е. в зоне действия концентратора напряжений. Был проведен спектральный оптико-эмиссионный анализ [2]. Анализ химического состава материала штоков позволил установить, что материалом штоков усл. № 1 и № 3 является сталь 40Х по ГОСТ 4543-71, а материалом штока усл. № 2 - сталь 15Х2ГМФ. Результаты оценки загрязненности материала штоков неметаллическими включениями, представленные ниже, позволяют утверждать, что металл штоков имеет вполне удовлетворительное металлургическое качество - балл загрязненности сульфидами строчечными не выше 1. Результаты специального фрактографического анализа штоков В результате проведения специального фрактографического анализа выяснили, что в зоне очага во всех образцах наблюдаются короткие параллельные ступеньки (рис. 2). Такие ступеньки характерны для стадии начального роста усталостных микротрещин. Расстояние между ступеньками характеризует ширину фронта такой усталостной микротрещины. Длина ступенек говорит о длине микротрещин, на которой они объединились в одну усталостную макротрещину. Установлено, что максимальная длина ступенек составляет 400-500 мкм (0,4-0,5 мм). а б Рис. 2. Рельеф поверхности разрушения в образцах № 1 (а) и № 2 (б). Желтыми стрелками показаны ступеньки, ограничивающие фронт усталостных микротрещин, красными - коррозионные каверны Рис. 3. Рельеф поверхности разрушения в образце № 2. Желтыми стрелками показаны ступеньки, ограничивающие фронт усталостных микротрещин, красными стрелками - коррозионные каверны. Картина является типичной по образцам Активное участие процессов коррозии в разрушении штоков подтверждается наличием на поверхности витков резьбы большого количества коррозионных каверн (рис. 3). Некоторые из них располагаются во впадине витка резьбы и вполне могли явиться дополнительными концентраторами напряжений. Таким образом, становится ясно, что основным механизмом разрушения штоков является усталость, усугубленная протеканием коррозионных процессов [3]. Кроме того, коррозионные повреждения присутствуют и на поверхностях разрушения всех трех представленных штоков (рис. 2, 3 и рис. 4). Исследования профилей изломов показали, что во всех трех образцах в очаговых зонах и зонах стабильного роста трещины профили изломов имеют минимальную высоту рельефа и преимущественно прямолинейную траекторию развития трещин [4]. По мере продвижения трещин и постепенного перехода к стадии ускоренного роста высота рельефа увеличивается, появляются вторичные трещины. 200 600 1000 1400 1800 Предел прочности σВ, МПа σ-1, МПа 200 400 600 800 Рис. 4. Взаимосвязь предела выносливости и предела прочности закаленных и отпущенных конструкционных сталей [2] Поверхности витков резьбы за плоскостью разрушения покрыты сеткой коррозионных каверн, что особенно очевидно на образце усл. № 2 (см. рис. 3). Вывод по причинам разрушения Основным механизмом разрушения штоков является усталость. Трещина зарождается по впадинам витков резьбы штоков [5]. Представленные штоки вполне удовлетворяют требованиям API 11AX, хотя имеют неодинаковые механические свойства (см. табл. 1), обусловливающие различие наработки [6, 7]. Механические свойства образцов могут быть разграничены по приведенной схеме (см. рис. 4) [2]. Наработка штоков на отказ полностью коррелирует с уровнем механических свойств, в частности пределами текучести и прочности (см. табл. 1). Расчет напряжений в резьбе по формуле Инглиса аналитически Как уже было отмечено выше, практически все известные случаи разрушения штоков происходят по резьбе. Деталь отличается своей простотой, и уязвимый конструктивный элемент очевиден. В Нормах расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок2 [8-10] в основе расчета коэффициента концентрации напряжений лежит доработанная формула Инглиса [11, 12]: Учитывая параметры резьбы API LP mod 1/2”-143, Легко подсчитать, что Для лучшей демонстрации зависимости напряжения в резьбе от радиуса скругления впадины построим график в декартовой системе координат (рис. 5). Кк Радиус скругления впадины резьбы, мм Расчет напряжения во впадине витка резьбы от радиуса скругления по формуле Инглиса на 1 тс растяжения штока Радиус скругления впадины резьбы, мм Рис. 5. Зависимость значений напряжения от радиуса впадины резьбы на растяжение 1 тс. Синим прямоугольником отмечены данные, относящиеся к исследованным штокам При постоянном радиусе скругления 0,27 мм во впадине витка резьбы будет действовать напряжение, в 5,1 раза большее по сравнению с номинальным напряжением. Приведенные выше результаты показывают, что глубокие и острые резьбы являются мощнейшими концентраторами напряжений [13]. Так, при той же высоте витка и радиусе при вершине 0,07 мм номинальное напряжение может увеличиться почти в 8,5 раз! Расчет величины коэффициента концентрации напряжений (см. рис. 5) Кк показывает, что за счет увеличения радиуса скругления от 0,08 до 0,27 мм Кк уменьшается практически с 8 до 5. Таким образом, эффективной конструкционной возможностью смягчения концентраторов напряжения следует считать изменение параметров резьбы штоков насосных. Однако в отношении рассматриваемых штоков эта возможность уже была исчерпана ранее. Применяя некоторые параметры из аппарата усталостной прочности4 [1], построим безопасную область напряжений и нанесем на нее проекцию механических свойств: и (1) где и - напряжение амплитуды и среднее напряжение соответственно. Формулой (1), связывающей в уравнение напряжения цикла и предел прочности, является модифицированный закон Гудмана для оценки долговечности и надежности циклически нагруженных элементов5. Применяя формулу (1), можно очертить безопасную область напряжений (рис. 6) в осях и . Координата пересечения вектора механических свойств найдена в данном случае графически методом подбора . При практическом равенстве нулю коэффициента асимметрии цикла (R = 0) = и вектор наклонен к осям под углом 45° [14]. Этому среднему напряжению цикла 210 МПа соответствует максимальное напряжение цикла МПа. Под безопасной областью следует понимать такие эксплуатационные характеристики, при которых шток отработает 10 млн циклов без усталостного разрушения. Рис. 6. Зона безопасного напряжения штока по модифицированному закону Гудмана. Данные механических свойств взяты из справочной литературы [15] Максимальное напряжение в конической резьбе при растяжении штока нагрузкой в 3 тс составляет около 485 МПа, что весьма существенно выходит за границу безопасной области. Приведенные аналитические расчеты ясно ограничивают нагрузку растяжения цикла не более 2,5 тс (см. рис. 5, рис. 7). Рис. 7. Ограничения средней нагрузки и среднего напряжения цикла К сожалению, разрушение рассмотренных штоков усл. № 1 и № 3 данной геометрии (в основном радиуса скругления) и прочности (обусловлено маркой стали и режимом ТО) вполне закономерно, так как безопасная нагрузка была превышена - более 2,5 тс (табл. 2). Разрушение вероятно всюду, где напряжения (красная область на рис. 7) превосходят безопасный уровень (синяя область на рис. 7). Таблица 2 Результаты расчета напряжений по телу штока и во впадине резьбы Нагрузка, тс Номинальное напряжение по телу штока, МПа Кк Напряжение в концентраторе, МПа 3 76,01 5,1 485,75 Рис. 8. Пути повышения надежности и долговечности резьбы при циклической нагрузке в рамках стандарта Выбор наиболее эффективных методов повышения долговечности штоков Рассмотренный случай примечателен тем, что позволяет достаточно четко распределить варианты повышения долговечности по уровню эффективности [16]. Приведем важные результаты расчета напряжений. Проведем анализ методов повышения надежности и долговечности резьбы штоков (рис. 8), учитывая необходимость повышения прочности на глубину как циклической пластической зоны (ЦПЗ), так и статической пластической зоны (СПЗ). Выделим наиболее эффективные методы. К наиболее эффективным [17, 18] можно отнести как накатку резьбы, так и обкатку впадины роликом [19]. Особенно высокий эффект можно ожидать от закалки ТВЧ с последующим средним отпуском, как уже было указано выше. Следует отметить, что обозначенные эффективные методы (обведены штриховой линией на рис. 8) можно применять как по отдельности, так и в комбинации. Для применения указанных выше высокоэффективных методов упрочнения важно оценить размер и глубину зоны воздействия. Очевидно, что зона упрочнения не должна быть меньше СПЗ и ЦПЗ. В противном случае усталостная трещина может зародиться под недостаточно протяженной зоной упрочнения, что необратимо запустит процесс усталостного разрушения. Размер зон может быть определен по формулам Ирвина [20]: (2) где - радиусы статической пластической зоны (СПЗ) и циклической пластической зоны (ЦПЗ) соответственно; - максимальный коэффициент интенсивности напряжений (КИН) в цикле; - рабочий КИН; B - коэффициент, равный 0,0075, как это предложено Ёкобори [21]. Следует отметить, что упрочнение зон, расчет которых приведен выше в формулах (2), является необходимым условием повышения качества штоков. Для оценки достаточности необходимо проведение испытаний по определению предела выносливости6. При применении одного или нескольких методов упрочнения СПЗ - накаткой или закалкой ТВЧ, а ЦПЗ - обкаткой роликами, с учетом лучших по трещиностойкости характеристик материала 40Х (табл. 3), безопасная область напряжений цикла существенно расширится. Ориентировочная [7] расширенная область приведена на рис. 9. Таблица 3 Механические свойства 40Х после закалки по справочнику [15] Температура отпуска, °С σ0,2 (МПа) σв (МПа) KCU (кДж /м2) HB 400 1180 1320 49 417 Ясно, что если качественно выполнить улучшение резьбовых концов по приведенным вариантам, то штоки, вероятно, не разрушились бы вплоть до 107 циклов7, отработав ожидаемый срок. Если и не все (штоки № 1 и № 3 очень близки к границе безопасной области), то как минимум шток № 2. Рис. 9. Расширение безопасной области после упрочнения. Стрелкой показано движение исходной границы безопасной области Выводы по результатам исследования 1. Установлено, что в тонкостенных скважинных штанговых насосах API одним из самых уязвимых элементов является резьба штоков. Типичное разрушение происходит поперек штоков по основной плоскости конической резьбы. 2. Показано, что, несмотря на соответствие механических параметров штоков, их химического состава и металлургического качества требованиям стандарта API, при высоких нагрузках происходит усталостное разрушение. Трещина зарождается во впадине резьбы и развивается в плоскости, перпендикулярной основным растягивающим напряжениям. Коррозионные каверны, обнаруженные на поверхности витков резьбы, могут являться дополнительными концентраторами напряжений. 3. Проведенный расчет напряжений показывает, что во впадине резьбы напряжения в 5,1 раза выше номинальных при максимально допустимом радиусе скругления впадин. 4. Напряжения цикла исследованных штоков выходят за пределы безопасных областей модифицированного закона Гудмана, связывающего допустимые напряжения без разрушения со средними напряжениями цикла и их амплитудой. 5. Проведенный анализ показал, что из представленных путей повышения надежности и долговечности резьбы при циклической нагрузке наиболее эффективными являются упрочнение термообработкой ТВЧ и/или накаткой резьбы для объема СПЗ, обкатка впадины резьбы роликами для упрочнения в ЦПЗ. 6. Расширение безопасной области напряжений при упрочнении резьбы указанными способами позволяет прогнозировать обеспечение требуемой надежности и долговечности штоков насосных для тонкостенных штанговых скважинных насосов API.

About the authors

S. N Moltsen

Perm National Research Polytechnic University

A. V Kravchenko

Perm National Research Polytechnic University

Yu. N Simonov

Perm National Research Polytechnic University

R. M Polezhayev

ELKAM-neftemash

References

  1. Симонов Ю.Н., Георгиев М.Н. Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов: монография. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2013. - 418 с.
  2. Симонов Ю.Н., Симонов М.Ю. Физика прочности и механические испытания металлов: курс лекций. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2020. - 199 с.
  3. Heidersbach R. Metallurgy and corrosion control in oil and gas production. - New York: John Wiley & Sons, Inc., 2011. - 293 p.
  4. Дефекты и повреждения деталей и конструкций: монография / В.М. Кушнаренко, В.С. Репях, Е.Ю. Чирков, Е.В. Кушнаренко; Оренбург. гос. ун-т. - Оренбург, 2011. - 402 с.
  5. Фрактография и атлас фрактограмм / пер. с англ. Е.А. Шура; под ред. М.Л. Бернштейна. - М.: Металлургия, 1982. - 489 с.
  6. Breen D.H., Wene E.M. Fatigue in machines and structures-ground vehicles // Fatigue and microstructure / American Society for Metals, Metals Park OH. - 1979. - P. 77.
  7. Atlas of fatigue curves / ed. by H.E. Boyer; American Society for Metals. - 1990. - 534 p.
  8. Tada H., Paris P.C., Irwin G.R. The stress analysis of cracks handbook. - New York: ASME. 31. NACE, 2000. - 515 p.
  9. Комарова Т.А., Кузьмин Ю.С., Федосов В.Г. К вопросу о концентрации напряжений в резьбовом соединении главного уплотнения реактора типа ВВЭР / ОАО «Ижорские заводы». - СПб., 2010. - 8 с.
  10. Никифоров А.Д. Точность и технология изготовления метрических резьб. - М.: Высшая школа, 1963. - 181 с.
  11. Feargal P.B. Fatigue and fracture mechanics analysis of threaded connections / Department of Mechanical Engineering University College London. - London, 1992. - 402 р.
  12. Николаева Е.А. Основы механики разрушения: учеб. пособие. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2010. - 103 с.
  13. Штремель М.А. Разрушение: в 2 кн. Кн. 1. Разрушение. - М.: Изд. дом МИСиС, 2015. - 976 с.
  14. Зезюля В.В. Усталостная прочность: учеб. пособие по курсу «Сопротивление материалов». - Калуга: Манускрипт, 2018. - 16 с.
  15. Энциклопедический справочник термиста-технолога: в 3 т. / С.Б. Масленков, А.И. Ляпунов, В.М. Зинченко, Б.К. Ушаков. - М.: Наука и технологии, 2004. - Т. 1. - 392 с.
  16. Callister W.D., Rethwisch D.G. Materials Science and Engineering An introduction. - Wiley, 2014. - 990 p.
  17. Симонов Ю.Н., Георгиев М.Н., Симонов М.Ю. Основы физики и механики разрушения: учеб. пособие для вузов. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. - 203 с.
  18. Симонов Ю.Н. Физика прочности и механические испытания металлов. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2017. - 46 с.
  19. Песин М.В. Повышение надежности резьбовых соединений нефтегазовых изделий // Технология машиностроения - 2011. - № 9. - С. 49-50.
  20. Irwin G.R. Plastic zone near a crack and fracture toughness // Proc. 7th Sagamore Conf. - 1960. - P. IV-63.
  21. Yokobori T. Fatigue crack propogation as successive stochastic process // Report Research Inst. Strength Fract. Mater. Tohoku Univ. - 1971. - Vol. 6. - P. 7.

Statistics

Views

Abstract - 52

PDF (Russian) - 25

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

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

About Cookies