Технология упрочнения длинномерных цилиндрических изделий совместным растяжением и реверсивным кручением

УДК 539.4 + 620.178.3

Технология упрочнения

длинномерных цилиндрических изделий

совместным растяжением и реверсивным кручением

А. А. Крюков

Исследована технология упрочнения длинномерных цилиндрических изделий, заключающаяся в создании в приповерхностной области изделия благоприятных сжимающих остаточных напряжений путем последовательного упругопластического деформирования сначала растяжением, а затем, при фиксации полученной при растяжении продольной деформации, кручением. Взамен традиционным режимам упрочнения, включающим однократное кручение изделия, находящегося в состоянии растяжения, разработаны новые режимы, заключающиеся в реверсивном кручении изделия, находящегося в состоянии растяжения. Новые технологические режимы обеспечивают оптимальное распределение остаточных осевых напряжений по поперечному сечению изделия при минимальных значениях остаточных касательных напряжений. При таком распределении остаточных напряжений повышается усталостная прочность изделия. Проведенные коррозионно-усталостные испытания показали высокую эффективность технологии упрочнения совместным растяжением и реверсивным кручением.

Ключевые слова: совместное растяжение и кручение, знакопеременное кручение, остаточные напряже ния, упругопластическое деформирование, коррозионно-усталостные испытания, предел выносливости, циклическая долговечность, технология упрочнения.

Введение

На территории Российской Федерации круглосуточно работают тысячи нефтяных скважин, большинство из которых оборудовано штанговыми нефтенасосными установками. Одним из основных элементов таких установок является колонна насосных штанг [1]. Насосные штанги работают в условиях циклического нагружения в коррозионной среде, которая порой является весьма агрессивной. Поэтому для таких изделий, как штанги, крайне важными являются характеристики коррозионно-усталостной прочности. Для повышения коррозионно-усталостной прочности применяют разнообразные методы упрочнения.

Усталостное разрушение, если не приняты специальные меры, обычно начинается с поверхности, поэтому для повышения несущей способности штанги в первую очередь необходимо повысить сопротивление усталости при-

поверхностной области. Одним из наиболее эффективных механизмов упрочнения приповерхностной области является создание в ней осевых сжимающих остаточных напряжений [2]. К широко известным методам упрочнения относятся поверхностное пластическое деформирование (дробеструйный наклеп, обкатка шариками или роликами и др.) и поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ). Данные методы позволяют создавать большие по абсолютному значению остаточные сжимающие напряжения в приповерхностном слое изделия. Применительно к насосным штангам наиболее широкое распространение получили дробеструйный наклеп и поверхностная закалка ТВЧ. Но недостатком этих методов является локальный характер упрочнения как по длине изделия (достигается неравномерное распределение остаточных напряжений), так и по сечению (упрочняется только поверхностный слой малой глубины). При длительной

работе изделия в агрессивной среде (в случае штанг — это несколько лет) происходит постепенное неизбежное разъедание поверхностного слоя из-за коррозии, и эффект упрочнения в итоге теряется.

Применяют также отличающееся от отмеченных выше способов упрочнение длинномерных цилиндрических изделий совместным растяжением и кручением [3-6]. Оно заключается в создании в приповерхностной области изделия осевых сжимающих остаточных напряжений путем последовательного упруго-пластического деформирования сначала растяжением, а затем, при фиксации полученной при растяжении продольной деформации, кручением. В этом случае достигается равномерное распределение остаточных напряжений по длине штанги (при условии равномерности начальных свойств), а на стадии растяжения происходит еще и правка, т. е. восстановление пространственной геометрии длинномерного изделия. Способ отличается высокой технологичностью, а само упрочнение носит объемный характер. Глубина упрочненного слоя может достигать */з радиуса от поверхности, что превышает глубину проникновения коррозионных язв и препятствует дальнейшему развитию зарождающихся на поверхности трещин, поэтому эффект упрочнения сохраняется в течение длительного времени работы изделия. В настоящий момент технология используется для восстановления работоспособности бывших в эксплуатации, но еще не исчерпавших свой ресурс насосных штанг.

Однако применяемые режимы упрочнения, которые включают однократное кручение (кручение в одну сторону) предварительно растянутого изделия, нельзя назвать эффективными. Из-за неоднородности начальных свойств по длине штанги появляется опасность образования шеек и даже разрушения по телу изделия в процессе упрочнения. Поэтому вводится ограничение на угол закручивания, что не позволяет создавать остаточные осевые напряжения, способные существенно повысить коррозионно-усталостную прочность изделия. К тому же, кроме проведенных под руководством профессора Н. Н. Вассермана усталостных испытаний на нескольких восстановленных штангах [6], отсутствуют другие исследования, доказывающие действительную эффективность данной

упрочняющей технологии. Сами возможности технологии недостаточно глубоко изучены теоретически и крайне слабо подтверждены экспериментально.

Автором данной статьи проведены исследования, в результате которых технология упрочнения изделий совместным растяжением и кручением была модернизирована [7-12]. Взамен применяемой методики, заключающейся в однократном кручении стержня, находящегося в состоянии растяжения, разработана методика, заключающаяся в реверсивном (знакопеременном) кручении стержня, находящегося в состоянии растяжения.

Основная часть

На первом этапе проведено теоретическое и экспериментальное исследование поведения тонкостенных трубчатых образцов, для которых напряженное состояние в рабочей части можно считать однородным, в условиях совместного растяжения и кручения. Для этого была построена математическая модель упругопла-стического деформирования совместным растяжением и кручением тонкостенного трубчатого изделия [7]. По результатам испытаний трубчатых образцов на растяжение, чистый сдвиг, а также на совместное растяжение и кручение [8, 9] определены материальные параметры модели и подтверждена ее адекватность. На основе модели деформирования тонкостенного трубчатого изделия построена модель упрочнения стержня круглого сечения совместным растяжением и кручением, позволяющая рассчитать распределение по сечению остаточных осевых (аос) и остаточных касательных тос напряжений, созданных в процессе упрочнения [10]. Адекватность модели упрочнения подтверждена результатами испытаний образцов круглого сечения. Исследованы следующие упрочняющие методики: совместным растяжением и однократным кручением, совместным растяжением и реверсивным кручением со знакопеременной амплитудой (знакопеременным кручением), совместным растяжением и реверсивным кручением со знакопостоянной амплитудой. С помощью модели определены рациональные для каждой из исследуемых методик режимы упрочнения стержня из стали 15Х2ГМФ.

Рис. 1. Эскиз усталостного образца

Для подтверждения действительной эффективности подобранных рациональных режимов проведены сравнительные коррозионно-уста-лостные испытания образцов. Сравнивались три партии по 12-15 образцов: базовых не-упрочненных (№ 1), упрочненных по рациональному режиму совместного растяжения и однократного кручения (№ 2) и упрочненных по рациональному режиму совместного растяжения и знакопеременного кручения (№ 3). Испытания проведены в соответствии с ГОСТ 25.502-79 [13] на лабораторных гладких образцах диаметром 8 мм с цилиндрической рабочей частью длиной 20 мм (рис. 1).

Все образцы изготовлены из сердцевины цилиндрических частей новых насосных штанг из стали 15Х2ГМФ. При обработке результатов испытаний использованы индивидуальные размеры каждого образца с учетом их отклонения от базовых. Упрочнение партий № 2 и № 3 выполнено в Центре экспериментальной механики ПНИПУ на универсальной двухосевой сервогидравлической испытательной системе 1пв1гоп 8850. Основными параметрами, контролируемыми при упрочнении, были деформации и соответствующие им нагрузки. Относительные деформации — продольная е и сдвиговая по внешнему диаметру утах — регистрировались в рабочей цилиндрической части образца на длине 10 мм с помощью навесного экстензометра. Тем самым исключались погрешности измерения, обусловленные податливостью нагружающей системы и несовершенством закрепления образца в захватах. Через датчик силы синхронно с той же частотой регистрировались нагрузки: осевое усилие N и момент кручения M.

На рис. 2 представлено сравнение экспериментальных и теоретических (полученных решением уравнений модели) зависимостей для

образца из партии № 2. На этом же рисунке показано распределение согласно модели остаточных напряжений по радиусу сечения после упрочнения. На рис. 3 представлено сравнение экспериментальных и теоретических зависимостей для образца из партии № 3. На рис. 4 представлены графики распределения согласно модели остаточных напряжений по радиусу образца при соответствующем режиме упрочнения. На рисунках: <0,2 — условный предел текучести материала (<0,2 = 855 МПа); ф — абсолютный угол закручивания, вычисляемый исходя из известного значения сдвиговой деформации утах и размеров образца; R — радиус, т. е. расстояние от центра круглого сечения.

Для режима упрочнения с однократным кручением после разгрузки остаточные осевые сжимающие напряжения на поверхности равны -122 МПа, остаточные растягивающие напряжения в сердцевине — 129 МПа (см. рис. 2, в). Для режима упрочнения со знакопеременным кручением при полной разгрузке после окончательной третьей стадии кручения (см. рис. 4, а, кривая 3) остаточные осевые сжимающие напряжения на поверхности равны -238 МПа, остаточные растягивающие напряжения в сердцевине — 254 МПа.

Рациональными режимами упрочнения являются такие режимы, при которых создается наиболее благоприятное распределение остаточных напряжений по радиусу изделия.

Критерии благоприятного распределения остаточных напряжений

1. В приповерхностной области создаются как можно большие по абсолютному значению остаточные осевые сжимающие напряжения, положительно влияющие на повышение коррозионно-усталостной прочности изделия.

2. В сердцевине стержня создаются как можно меньшие остаточные осевые растягивающие напряжения, отрицательно сказывающиеся, когда на них накладываются рабочие напряжения в изделии (осевые растягивающие напряжения, возникающие в насосной штанге). Согласно работе [1] наибольшие рабочие напряжения в наиболее нагруженных верхних штангах могут достигать 98 МПа. Остаточные растягивающие напряжения в сердцевине должны удовлетворять условию статической

МЕШПООБМБОТК|»

а) Ы, кН 50

40 30 20 10

в) оос, МПа 200

100

-100

-200

б) М, Н  м

1

2

50 40 30 20 10

0,01

0,02

0,03

0,04

ф, рад

0 0, 97 1, 2 3,

Я, мм

100

-100

-200

2 - у*

г

У 1

X

0,01

0,02

0,03

0,04 ф, рад

г) тос, МПа 200

7 1,9 3,9

Я, мм

Рис. 2. Графики зависимостей продольной силы (а), крутящего момента (б) от угла закручивания и графики распределения остаточных осевых (в), остаточных касательных (г) напряжений по радиусу поперечного сечения образца из стали 15Х2ГМФ при его упрочнении в последовательности: растяжение до 00 2, разгрузка до о = 0,7500 2, фиксация достигнутой продольной деформации на постоянном уровне, кручение до ф = 0,038 рад (утах = 0,0075):

1 — теоретические графики; 2 — экспериментальные графики

0

0

при упрочнении образца из стали 15Х2ГМФ в последовательности: растяжение до 00 2, разгрузка до о = 0,7500 2, фиксация достигнутой продольной деформации на постоянном уровне, кручение до ф = фа (фа = 0,039 рад, фтах = 0,0075), кручение в противоположную сторону до ф = -фа, кручение в первоначальном направлении до ф = 0,021 рад (фтах = 0,004); 1 — теоретические графики; 2 — экспериментальные графики

а) оос, МПа 300 п

200 100

-100 -200 -300

2

1 0 0,97 2,9 3,8

3

Я, мм

б)

тос, МПа 120 60 90 30 0

И, мм

Рис. 4. Распределение остаточных осевых

прочности, т. е. в сумме с наибольшими рабочими напряжениями в наиболее нагруженных верхних штангах быть меньше допускаемого напряжения на растяжение ([о] = 610 МПа). Величина [о] определена как отношение предела текучести (855 МПа) к коэффициенту запаса (п = 1,4), с поправкой на то, что остаточные растягивающие напряжения могут повлиять на характеристики усталостной прочности, их допускаемые значения уменьшены в 2 раза — до 260 МПа (а по возможности желательно оставлять их еще меньшими).

3. Сердцевина стержня остается упругой (имеет упругое ядро).

4. В приповерхностной области создаются как можно меньшие по абсолютному значению остаточные касательные напряжения, которые могут отрицательно повлиять на характеристики усталостной прочности.

5. Возникает большая глубина залегания от поверхности остаточных осевых сжимающих напряжений, которая не позволяет развиваться зарождающимся в приповерхностной области коррозионным трещинам.

На основе данных критериев выявляются преимущества методики упрочнения совместным растяжением и знакопеременным кручением перед существующей методикой — совместным растяжением и однократным кручением. На рис. 2 и 4 видно, что при режимах упрочнения с однократным кручением и со знакопеременным кручением достигается большая глубина залегания остаточных сжимающих напряжений (около 1/3 радиуса, счи-

тая от поверхности). И в том и в другом случае выполняется условие прочности в сердцевине (остаточные растягивающие напряжения не превышают допускаемого значения в 260 МПа), а сама сердцевина остается упругой, имеет упругое ядро. Однако при упрочнении совместным растяжением и знакопеременным кручением на поверхности удается создать в 2 раза большие по абсолютному значению остаточные сжимающие напряжения (-238 против -122 МПа). При этом благодаря неполной третьей стадии кручения минимизируются значения остаточных касательных напряжений. На рис. 4, б можно видеть, что касательные напряжения после третьей стадии кручения (зависимость 3) на поверхности близки к нулю, а по радиусу не превышают по абсолютному значению 35 МПа, что на порядок меньше значения остаточных осевых сжимающих напряжений, созданных в приповерхностной области. В случае же упрочнения совместным растяжением и однократным кручением в приповерхностной области создаются и остаточные осевые, и остаточные касательные напряжения одного порядка, что видно на рис. 2, в и г.

Если применить рассматриваемые режимы упрочнения не к лабораторным образцам, а к конкретным изделиям — насосным штангам, то в процессе работы штанги в ее приповерхностной области в результате сложения рабочих растягивающих напряжений и остаточных сжимающих напряжений итоговые напряжения будут оставаться сжимающими.

Усталостные испытания трех партий образцов проведены в лаборатории усталостной прочности кафедры МТиКМ ПНИПУ. Вид испытаний: консольный изгиб вращающегося образца в среде 3,5%-ного раствора ЫаС1 при симметричном мягком нагружении с частотой 50 Гц. Для получения результатов испытаний в исследуемой области долговечностей (от 106 до 107 циклов) применена стратегия метода вверх-вниз [14]. Для описания кривой усталости в коррозионной среде применено степенное уравнение вида

N0^ = С,

где N — долговечность на соответствующем уровне напряжения; 0тах — уровень максимального напряжения цикла.

Параметры кривой усталости C и т^, соответствующие 50%-ной вероятности разрушения, находятся по результатам испытаний методом наименьших квадратов. При этом, вводя дополнительное предположение о постоянстве коэффициента т.1 для всей выборки, а рассеяние результатов связывая с изменчивостью только параметра С, можно построить вероятностные диаграммы усталости. На рис. 5 представлены диаграммы для вероятностей разрушения 10, 50 и 90 %.

°мах' МПа

430 420 410 400 390 380 370 360 350 340 330 320 310 300 290 280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170

160 1  105

Р = 0,1 Р = 0, 5 Р = 0,9

/ Я = -1

X

Р = 0,1 Р Р

= 0,5 = 0,94 V

А

2 -*= 1 к V V >,

I V г А >

/ V, »V.

V \

а

\

\ V. т

N.

V с ч л 1 ъ

\ }

с

А.

1 > ^ л

Р = 0,1 Р = 0,5 Р = 0,9

1  106

1  10

1108 Ы, циклов

Рис. 5. Диаграммы коррозионной усталости, построенные по результатам испытаний образцов из стали 15Х2ГМФ в среде 3,5%-ного раствора ЫаС1: о — экспериментальные точки неупрочненной партии образцов; + — экспериментальные точки партии образцов, упрочненных по рациональному режиму совместного растяжения и однократного кручения; х — экспериментальные точки партии образцов, упрочненных по рациональному режиму совместного растяжения и знакопеременного кручения; Р — вероятность разрушения; ^ — образец не разрушился

Для партии образцов, упрочненных по рациональному режиму совместного растяжения и однократного кручения, средневероятностный ограниченный предел выносливости на базе 107 циклов о-1 = 235,3 МПа при среднеквадратичном отклонении 5о-1 = 13,48 МПа, что в 1,22 раза выше предела выносливости партии неупрочненных образцов, у которых о_1 = 193 МПа при 5о-1 = 15,08 МПа. Долговечность, соответствующая 50%-ной вероятности разрушения, на сопоставимых уровнях напряжений (270210 МПа) повысилась в 1,5-2,5 раза по сравнению с партией неупрочненных образцов. При этом на уровнях напряжений выше 315 МПа, т. е. выше уровня пересечения кривых 1 и 2, долговечность, наоборот, уменьшилась.

Для партии образцов, упрочненных по рациональному режиму совместного растяжения и знакопеременного кручения, предел выносливости: о-1 = 318,8 МПа при во_1 = 14,6 МПа, что в 1,65 раза выше предела выносливости неупрочненных образцов. Долговечность, соответствующая 50%-ной вероятности разрушения, на сопоставимых уровнях напряжений (330-290 МПа) повысилась в 5-10,5 раза по сравнению с партией неупрочненных образцов.

Заключение

Таким образом, в результате проведенных коррозионно-усталостных испытаний подтверждается более высокая эффективность разработанной новой технологии упрочнения, заключающейся в реверсивном (знакопеременном) кручении предварительно растянутого стержня с зафиксированной продольной деформацией, перед существующей технологией, заключающейся в однократном кручении предварительно растянутого стержня с зафиксированной продольной деформацией.

Разработанная технология упрочнения совместным растяжением и реверсивным кручением может быть применена для повышения коррозионно-усталостной прочности насосных штанг, а также других длинномерных цилиндрических изделий, подвергающихся в процессе работы циклическому нагружению.

В случае насосных штанг необходимо корректировать разработанную методику упрочнения, с учетом неоднородности распределения начальных механических свойств по длине изделия. Поэтому следующий этап исследований — это пе-

реход от прямолинейного стержня с однородными свойствами к стержню с неоднородным распределением механических свойств по длине, т. е. применение разработанной упрочняющей технологии для натурного изделия — насосной штанги.

Литература

1. ГОСТ 13877—96. Штанги насосные и муфты штанговые.

2. Павлов В. Ф., Кирпичёв В. А., Вакулюк В. С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно-упрочненных деталей по остаточным напряжениям. Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, 2012. 125 с.

3. Вассерман Н. Н., Калугин В. Е. Определение остаточных напряжений в длинномерных цилиндрических изделиях после их пластического деформирования растяжением и кручением // Динамика и прочность механических систем: Сб. науч. тр. Пермь, 1996. С. 35-43.

4. Вассерман Н. Н. Насосным штангам долгую жизнь // Механико-технологическому факультету 50 лет: Сб. науч. тр. Пермь, 2005. С. 118-129.

5. Пат. № 2069496 РФ. Способ восстановления длинномерных цилиндрических изделий // В. В. Семенов, Н. Н. Вассерман, В. Е. Калугин. № 94030098/02; заявл. 11.08.94; опубл. 20.11.96, бюл. 32. 3 с.

6. Технология восстановления прямолинейности и упрочнения насосных штанг / Н. Н. Вассерман, В. В. Семенов, В. Е. Калугин, Н. П. Надымов // Наука производству. 2000. № 5. С. 49-50.

7. Моделирование упругопластического деформирования конструкционной стали при сложном напряженном состоянии / А. А. Крюков, В. Е. Калугин, Н. Н. Васс-серман // Вестн. Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки. 2011. № 3 (31). С. 122-128.

8. Исследование закономерностей упругопластического деформирования стали 15Х2ГМФ при сложном напряженном состоянии / Н. Н. Вассерман, В. Э. Виль-деман, А. А. Крюков, М. П. Третьяков // Вестн. ПГТУ. Механика. 2010. № 2. С. 34-47.

9. Исследование поведения конструкционной стали при простых видах нагружения / Н. Н. Вассерман, В. Е. Калугин, А. А. Крюков, М. П. Третьяков // Вестн. ПНИПУ. Машиностроение и материаловедение. 2012. № 1. Т. 14. С. 41-50.

10. Крюков А. А. Моделирование и экспериментальное исследование упрочнения цилиндрических изделий методом совместного упругопластического деформирования растяжением и кручением // Изв. Самарского научного центра РАН. 2011. Т. 13. № 4 (4). С. 970-974.

11. Крюков А. А., Калугин В. Е. Повышение корро-зионно-усталостной прочности длинномерных цилиндрических изделий в результате упрочнения совместным растяжением и кручением // Изв. Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14. № 4 (5). С. 1257-1262.

12. Крюков А. А. Исследование процесса упрочнения длинномерных цилиндрических изделий совместным растяжением и кручением: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Пермь, 2013. 19 с.

13. ГОСТ 25.502—79. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость.

14. Школьник Л. М. Методика усталостных испытаний: справ. М.: Металлургия, 1978. 301 с.