СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАСОСНЫХ ШТАНГ
METHOD OF FABRICATION OF PUMP BARS

Изобретение относится к нефтедобыче, в частности к технологии изготовления насосных штанг, используемых для передачи движения в составе колонны насосных штанг от наземного привода к скважинному штанговому насосу, работающих в условиях циклически изменяющихся нагрузок и подвергающихся дополнительному воздействию агрессивных сред (минерализованная пластовая вода, растворенные в нефти коррозионно-активные газы и др.), усиливающему усталостные явления в материале насосных штанг и приводящему к их усталостно-коррозионному разрушению.
Существуют способы изготовления насосных штанг по ГОСТ 13877-96 и ГОСТ Р 51161-2002, включающие в себя использование цельной горячекатаной круглой заготовки, на концах которой горячей ковкой высаживают головки, после чего накатывают резьбу.
В указанных способах изготовления насосных штанг упрочнение тела насосной штанги осуществляют за счет поверхностной закалки тела насосной штанги.
Другим способом упрочнения поверхности тела насосной штанги в целях уменьшения возможности образования первичных усталостных трещин является повышение качества обработки ее поверхности и наклеп.
Наиболее близким является способ изготовления насосных штанг по ТУ 3665-029-00217515-06 ОАО «Очерский машиностроительный завод», включающий нагрев концов заготовки круглого проката под штамповку головок насосной штанги, штамповку головок насосной штанги, термообработку и правку насосной штанги, упрочнение резьбы насосной штанги накаткой, упрочнение поверхности зарезьбовой канавки обкатыванием, упрочнение поверхностного слоя тела насосной штанги дробеструйной обработкой (наклеп). При этих видах обработки достигается также повышенное качество обработки поверхности. При этом в поверхностном слое возникают сжимающие остаточные напряжения, препятствующие усталостному разрыхлению поверхности и возникновению первичных усталостных трещин.
Недостатками вышеперечисленных способов изготовления насосных штанг является то, что применяемые способы упрочнения тела насосной штанги (поверхностная закалка, дробеструйная обработка) не позволяют достичь желаемого уровня упрочнения тела насосной штанги (Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в 3-х книгах. Кн. 1. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Машиностроение, 1977. - 623 с., Кравчук B.C., Абу Айаш Юсеф, Кравчук Л.В. Опiр деформуванню та руйнуванню поверхнево-змiщнених деталей машин i елементiв конструкцiй (Сопротивление деформированию и разрушению поверхностно-упрочненных деталей машин и элементов конструкций): Монографiя. - Одеса: Астропринт, 2000. - 160 с.).
Технической задачей изобретения является разработка способа изготовления насосной штанги, повышающего усталостно-коррозионную прочность тела насосной штанги за счет повышения уровня сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое тела насосной штанги после наклепа.
Поставленная задача решается способом изготовления насосных штанг, включающим нагрев концов заготовки круглого проката под штамповку головок насосной штанги, штамповку головок насосной штанги, термообработку насосной штанги и последующую правку тела насосной штанги в горячем состоянии, накатывание резьбы насосной штанги, обкатывание поверхности зарезьбовой канавки и упрочнение поверхностного слоя тела насосной штанги.
Новым является, что упрочнение поверхностного слоя тела насосной штанги осуществляют наклепом в предварительно напряженном состоянии в направлении воздействующих на штангу при эксплуатации продольной и/или крутящей рабочих нагрузок.
Способ изготовления насосных штанг по предлагаемому методу содержит следующие операции.
Нагревают оба конца заготовки круглого проката. Штампуют головки насосной штанги. Затем для выравнивания структуры металла и снятия внутренних напряжений выполняют процедуры термообработки и правки насосной штанги в горячем состоянии, выполняют накатку резьб головок и обкатывание поверхностей зарезьбовых канавок насосной штанги.
Упрочение поверхностного слоя тела насосной штанги выполняют наклепом известными методами (например, дробеструйной обработкой или накатыванием) в предварительно напряженном в направлении воздействия рабочих нагрузок (например, натянутом/сжатом и/или закрученном - см. стр.590 Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти: Учебное пособие для вузов. М.: ФГУП Изд-во "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2003. - 816 с.) состоянии в пределах упругих деформаций или упруго-пластических деформаций при уровне напряжений, на 20…30% превышающем предел текучести материала.
Одним из путей снижения обрывности насосных штанг является повышение сопротивляемости материала поверхности тела насосной штанги к возникновению усталостных трещин.
В настоящее время наиболее доступным и производительным методом снижения скорости зарождения и развития усталостно-коррозионных трещин является создание в поверхностном слое тела насосной штанги остаточных напряжений сжатия, упрочняющих поверхностный слой.
Из тех же источников известно, что в конструкционных сталях первичные усталостные трещины возникают в слое малой толщины от 0,05 до 0,20 мм, в то время как повышающие сопротивляемость разрушению значительные по величине остаточные напряжения (до 700 МПа) можно создать в слое от 0,5 до 1,0 мм.
Для насосной штанги применяются следующие способы создания остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое ее тела:
- поверхностная закалка;
- заневоливание (пластическое деформирование тела насосной штанги путем ее растяжения, скручивания или последовательным воздействием растяжения и скручивания нагрузками, превышающими предел текучести материала на 20-30%);
- наклеп (например, дробеструйная обработка).
Из тех же источников известно, что дробеструйный наклеп и заневоливание повышают долговечность элементов конструкций примерно в 2 раза.
Но наилучшие результаты дает наклеп в предварительно напряженном состоянии (наклеп в состоянии заневоливания или сообщения телу упругих деформаций в направлении воздействия рабочих нагрузок), который может дополнительно повысить долговечность на 20…30%.
Наклеп в предварительно напряженном состоянии представляет собой сочетание упрочнения перегрузкой с наклепом. При этом способе деталь нагружают нагрузкой того же направления, что и рабочая, вызывая в материале упругие или упруго-пластические деформации. Поверхностные слои металла, подвергающиеся действию наиболее высоких напряжений растяжения или сдвига, подвергают наклепу (например, накаткой, алмазным выглаживанием, дробеструйной обработкой). После снятия нагрузки в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия, гораздо более высокие, чем при действии только заневоливания или только наклепа.
Таким образом, предлагаемый способ изготовления насосных штанг позволяет решить задачу повышения усталостно-коррозионной прочности тела насосной штанги за счет повышения уровня остаточных сжимающих напряжений в поверхностных слоях тела насосной штанги и улучшения качества обработки ее поверхности, и дополнительно повысить ее долговечность на 20…30%.