СПОСОБ РЕМОНТА ШТАНГ НАСОСНЫХ МЕТОДОМ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
METHOD FOR REPAIR OF PUMP RODS BY METHOD OF PLASTIC DEFORMATION

Предлагаемое изобретение относится к области ремонта изделий из черных металлов, бывших в длительной эксплуатации, а именно к технике и технологии восстановительного ремонта изношенных штанг насосных (ШН). Штанги насосные являются важным элементом в системе привода штанговых насосов, передающих возвратно-поступательное движение от нефтяных качалок непосредственно штанговым насосам. Штанговые насосы получили широкое применение в нефтедобыче. Около 80 тыс. нефтяных скважин (из общего фонда 150 тыс. скважин в нефтяной промышленности России) оборудованы штанговыми насосами, а суммарный эксплуатационный фонд ШН составляет около 30 млн штук. Штанги насосные являются одним из наиболее применяемых материальных ресурсов в нефтяной промышленности. Именно поэтому продление эксплуатационного ресурса ШН является одним из важных факторов снижения материальных и финансовых затрат при добыче нефти.
В процессе эксплуатации ШН подвергаются сложному напряженно-деформационному нагружению (растяжению, изгибу и сжатию). Действие силового нагружения на штанги усиливается коррозионным воздействием агрессивных составляющих, содержащихся в добываемом продукте - флюиде (смесь нефти, пластовой воды, нефтяного газа, сероводорода, углекислоты, фрагментов биологической коррозии и т.д.).
Напряженно-деформационное состояние ШН, усиленное действием агрессивных в коррозионном отношении компонентов флюида, в конечном счете приводит к образованию различного рода дефектов, в том числе потертостей тела ШН в результате их соприкосновения в процессе возвратно-поступательного движения с насосно-компрессорными трубами, забоины, изъязвления коррозионного происхождения и т.п. Штанговые колонны периодически демонтируют, осуществляют контроль их состояния и по результатам контроля некоторая часть ШН, бывших в длительной эксплуатации, направляется в ремонт.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ ремонта ШН, описанный в журнале «Нефть и жизнь» издательства ОАО «Татнефть» №2, 2004, с 14-15.
Этот способ ремонта предусматривает следующие операции: очистка ШН от асфальтосмолопарафинистых (АСП) отложений, радиационный контроль, визуальный и приборный (на основе физических неразрушающих методов) контроль качества ШН. На основе результатов контроля ШН разбраковываются и те из них, которые имеют дефекты не более допустимых, направляются для осуществления восстановительного ремонта, в процессе осуществления которого осуществляются: обрезка головок ШН и участков с недопустимыми дефектами, высадка новой головки ШН, термическая обработка (нормализация или высокий отпуск), горячая правка, совмещенная с охлаждением ШН, дробеструйная обработка поверхности ШН, механическая обработка, включая нарезание резьбы на головках ШН.
Состояние поверхности новых ШН (до эксплуатации), после длительной эксплуатации (до ремонта), после ремонта по известной технологии показано соответственно на фиг.1а, б, в.
Поверхность новых ШН, фиг.1а, соответствует техническим требованиям ГОСТ 13877-96 «Штанги насосные и муфты штанговые».
В соответствии с требованиями этого ГОСТа на поверхности ШН допускаются без ремонта продольные дефекты (риски, волосовины и т.п.) глубиной «h» не более 0,5 мм, а поперечные дефекты глубиной до 0,1. Дефекты, глубина которых более 0,5, но не более 1,0 мм, должны быть защищены, например шлифовкой. ШН с дефектами более 1,0 мм не могут быть признаны годными и выбраковываются.
В процессе эксплуатации ШН, как было уже отмечено выше, изнашиваются, размеры имевшихся дефектов на новых штангах фиг.1б поз.1 и 2 увеличиваются, а также появляются новые продольные и поперечные дефекты рис.1а поз 3, 4. Кроме того, на поверхности ШН наблюдаются изъязвления фиг.1б, поз.5 коррозионного происхождения.
т
в
к
Под действием внешних сил в процессе эксплуатации изменяются механические характеристики металла ШН - возрастают прочностные свойства (предел текучести - σ и предел прочности σ) и уменьшаются пластические свойства металла (относительное удлинение - δ и ударная вязкость α). Штанги охрупчиваются, что в сочетании с износом, в конечном счете, приводит к обрывам штанговых колонн. На ликвидацию обрывов затрачиваются значительные материальные и финансовые ресурсы, а простои скважин на ремонтных работах снижают их производительность и объемы добываемой нефти.
Известный способ ремонта предусматривает термическую обработку металла штанг, в том числе: либо нормализацию - нагрев до температуры 920-950°С и охлаждение на воздухе, либо высокий отпуск-нагрев до температуры 600-650°С, выдержка при температуре отпуска не менее 2 часов и охлаждение на воздухе.
т
в
Известный способ ремонта ШН за счет термической обработки улучшает механические характеристики, уменьшает прочностные свойства металла (σ и σ) и увеличивает пластические - относительное удлинение и ударную вязкость.
В результате ремонта уменьшается хрупкость металла ШН, что улучшает в некоторой степени их служебные свойства.
Однако этот способ ремонта не предусматривает исправления поверхностных дефектов, их количество, размеры и форма полностью сохраняются см. рис.1в, что ухудшает служебные свойства ШН.
Итак, к недостаткам известного способа ремонта ШН относится следующее:
1. Ремонт не исправляет поверхностные дефекты на теле ШН, они уменьшают несущую способность штанг и их служебные свойства.
2. Технические условия на ремонт штанг ТУ 3665-032-00217515-04 «Штанги насосные восстановленные» допускают на поверхности отремонтированных штанг поверхностные дефекты глубиной до 2,0 мм, а общее уменьшение поперечного сечения ШН до 20%.
Такие дефекты снижают несущую способность штанг, поэтому их применение техническими условиями рекомендовано со снижением расчетного сопротивления металла ШН на 20%, что существенно уменьшает область применения отремонтированных штанг, а также и объемы их ремонта.
Более полное восстановление служебных свойств ШН и увеличение объемов ремонта штанг бывших в длительной эксплуатации возможно осуществить пластической деформацией, осуществляемой в режиме высокой термомеханической обработки (ВТМО).
Технологическая схема осуществления изобретения ремонта ШН показана на фиг.2.
Очищенная от асфальтосмолопарафинистых отложений, прошедшие радиационный, приборный и визуальный контроль, после обрезки головок ШН поступают в методическую нагревательную печь 1 и нагреваются до температуры прокатки по режиму высокой термомеханической обработки до 800-850°С, (температура нагрева зависит от марки стали ШН). Нагретые заготовки одна за другой поступают в прокатный стан 2 и подвергаются прокатке (обжатию) по заранее заданному режиму. Нагретый металл имеет как бы тестообразное состояние, в процессе обжатия поверхностные слои металла смещаются к центру, а начальный диаметр ШН Д1 уменьшается до размера Д2. В результате деформации металла все дефекты, высота которых не превышает размера, равного
т
в
закатываются (залечиваются), поверхность прокатанной штанги приобретает высокую чистоту, изъязвления на поверхности ШН полностью устраняются, овальность тела ШН, образующаяся в результате истирания штанги о поверхность насосно-копрессорнных труб, полностью исправляется, штанги приобретают форму идеального круга. После прокатки заготовки ШН подвергаются интенсивному охлаждению в спрейере 3 до температуры 250-300°С, в результате металл приобретает мелкозернистую, равновесную структуру и высокие физико-механические свойства. Прочностные характеристики (σ и σ) и пластические свойства металла увеличиваются. Окончательное охлаждение заготовок до цеховой температуры осуществляется на цепном холодильнике 4.
После осуществления технологических операций пластической деформации в режиме ВТМО осуществляются известные технологические операции изготовления насосных штанг.
Технологическая возможность исправления (залечивания) дефектов подтверждена соответствующим экспериментом.
Пример 1. Из насосных штанг диаметром Д1=22 мм (см. фиг.3) бывших в длительной эксплуатации изготовили 10 образцов. На их поверхности ножовочным полотном и напильником нанесли искуственные дефекты, как это показано на фиг.3а. Глубина всех искуственных дефектов составляла 1,5 мм, ширина дефектов от ножовочного полотна (прямоугольное сечение) - 0,8 мм, а ширина пропила напильником (треугольное сечение) на поверхности образца - 2,4 мм. Длина пропила по периметру образцов находилась в пределах 9-10 мм. Таким образом, искуственные дефекты иммитировали поперечные (наиболее опасные для эксплуатации ШН) дефекты. В результате прокатки образцов по описанной выше технологической схеме с обжатием их диаметра с 22 мм до диаметра 19 мм визуальным осмотром установлено полное «залечивание» искуственных дефектов, как это показано на фиг.3б.
Таким образом, эксперимент полностью подтвердил возможность обеспечения технического результата, заявленного объекта, заключающегося в исправлении («залечивании») дефектов ШН методом пластической деформации по режиму ВТМО.
Улучшение физико-механических свойств металлов в результате прокатки по режиму ВТМО хорошо известно из научно-технической литературы, в том числе описано в монографии Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металла. -М.: Металлургия, 1979, 495 с.
Стандартный ряд размеров ШН, определенный ГОСТ 13877-96, содержит следующие величины их диаметров: 13, 16, 19, 22, 25 и 28 мм. Исходя из этого положения, пластическая деформация тела ШН должна осуществляться с таким расчетом, чтобы тело штанги после прокатки имело стандартный диаметр. Например, ШН с первоначальным диаметром 25 мм можно деформировать до диаметров 22, 19, 16 и 13 мм. Степень деформации ШН, начальный диаметр Д1 и конечный Д2 (после деформации) определяется по формуле:
где Δ - глубина дефекта на теле ШН.
Технический результат от применения заявляемого объекта заключается в исправлении («залечивании») поверхностных дефектов на теле ШН методом пластической деформации и увеличении объемов ремонтируемых штанг насосных, а также снижения их металлоемкости благодаря увеличению прочностных характеристик (предела текучести).
Предварительные исследования доступной патентной и научно-технической литературы по фондам РГТУ Нефти и газа им. Губкина, Московский институт «Стали и сплавов» показали, что совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения является новой и ранее не использовалась на практике, что позволяет сделать заключение о соответствии технического решения критериям «новизна» и «изобретательный уровень», а его промышленную применимость считать целесообразной и технически осуществимой, что вытекает из его описания.