СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА НАСОСНЫХ ШТАНГ Российский патент 1998 года по МПК B23P15/00 E21B17/00 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к производству длинномерных насосных штанг, используемых при эксплуатации нефтяных скважин с применением штанговых скважинных насосов.

Известные способы производства насосных штанг [1,2] включают в себя использование цельной горячекатаной круглой заготовки, на концах которой после дополнительного нагрева высаживают головки с накаткой резьбы. Штанги изготовленные по такой технологии имеют множество скрытых технологических дефектов, которые отрицательно влияют на прочность, надежность и долговечность штанговых колонн в процессе эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче к предлагаемому является широко распространенный способ производства насосных штанг [3], включающий использование штангового проката в виде горячекатанных прутков из конкретной марки стали, термообработку штанговой заготовки, нагрев концов штанговой заготовки и высадку головок штанги, механическую обработку поверхности штанги и накатку резьбы на головках, контроль качества готовых штанг.

По этой технологии все конструктивные элементы насосной штанги формируются на цельной штанговой заготовке. Указанная технология не позволяет в доступной степени устранить концентраторы напряжений в зоне сопряжения головки с телом штанги, в переходных зонах самой головки, в зоне термического влияния от нагрева концов штанги под высадку головок на участке тела штанги от подэлеваторного бурта длиной 250 см.

Сложные проблемы возникают при механической обработке штанги для снятия поверхностных дефектов после высадки головок.

Анализ работы насосных штанг, изготовленных по известной технологии показывает, что ремонт по обрывам штанг на нефтяных промыслах составляет 30% от общего объема ремонтных работ [1]. Обрывы штанг наблюдают в зоне термического влияния, от вмятин, царапин, по резьбе. Наблюдаются разрушения в результате коррозионно-усталостных и других видов коррозионных процессов, от возникновения и распространения трещин, зародившихся на дефектах и в местах концентраторов напряжений.

Таким образом, насосные штанги, собранные в штанговые колонны, работают в сложных условиях при ассиметричных знакопеременных нагрузках при поперечных вибрациях в контакте с агрессивными средами (нефть, минерализованная пластовая вода, растворенные коррозионно-активные газы и др.). Поэтому одной из актуальных задач является повышение технологической культуры производства высококачественых недорогих, долговечных и надежных в различных условиях эксплуатации насосных штанг.

В настоящей заявке поставлена задача разработать универсальный надежный и высокопроизводительный способ производства насосных штанг высокого качества, эксплуатационной надежности, в том числе по коррозионной стойкости, сопротивлению поперечным и продольным вибрациям, низким значениям сил гидродинамического трения для любых типоразмеров штанг и их назначения.

Сущность предполагаемого изобретения и поставленная задача решается тем, что в известном способе производства насосных штанг, включающем прокатку и использование горячекатаной заготовки, термическую и механическую обработку, формирование головок насосной штанги и контроль качества готовых штанг, для тела и головок насосной штанги используют горячекатаные заготовки из разных по химическому составу марок сталей, затем раздельно проводят термическую и механическую обработки заготовок до заданных параметров по свойствам, размерам и чистоте поверхности обработки тела и головок штанги, а на обработанной заготовке для головки проводят высадку размерного профиля головки, накатку на них резьбы, после чего методом сварки трением к торцам тела штанги приваривают головки.

Указанные отличительные признаки и порядок выполнения технологических операций при производстве насосных штанг позволяют решить целый ряд проблем технологического характера, обеспечить современные требования по качественным характеристикам и надежности эксплуатации насосных штанг.

По техническим нормам и требованиям заказчика для тяжелых условий работы насосные штанги должны изготавливаться только из легированных (никель, молибден, хром, марганец) конструкционных сталей [2,3]. В основном эти требования лимитируются запасом конструктивной прочности и надежности работы головок штанги, как потенциального источника концентраторов напряжений, вместе с этим тело штанги обеспечивает запас прочности и надежности превышающий требуемый.

В предлагаемом способе изготовление штанги осуществляется из различных по химическому составу и уровню прочности марок сталей для тела и головок штанги.

При этом проводится раздельная термическая и механическая обработка заготовок деталей штанги. Это позволяет прогнозировать и получать гарантированные показатели прочностных, пластических и эксплуатационных свойств (коррозионная стойкость, стойкость против вибраций, низкие значения гидродинамического трения в вязких средах) за счет расширения возможности подбора и реализации оптимальных режимов термообработки, использования различных приемов удаления дефектов металлургического характера и достижения высокой степени чистоты поверхности готовых штанг, их наклепа.

Например, возможен вариант изготовления тела штанги из углеродистой качественной конструкционной стали (ГОСТ 1050-88), а головок штанги из легированной конструкционной стали (ГОСТ 4543-71) и проведение термической обработки заготовок тела штанги по режиму ВТМО с прокатного нагрева при температуре деформации T_деф. = Ac₃ + (100-120)^oC в последнем проходе с деформацией 25-30%, с последующим переохлаждением до температуры T_пер. = Ac₁-(95-135)^oC со скоростью, обеспечивающей распад аустенита с образованием мелкодисперсного бейнита в поверхностных слоях на глубине до 1/3 и феррито-перлитной структуры в центральной части заготовки.

Получаемый уровень прочности и пластичности металла тела штанги после указанной термообработки, возможность глубокой чистовой обработки и наклепа ее поверхности дает основание использовать не легированные углеродистые стали взамен легированных Ni, Cr, Mo, Mn.

Как показали экспериментальные исследования, изготовление штанги из трех составных элементов (тело и две головки), соединенных между собой методом сварки трением помимо указанных выше возможностей и преимущества, значительно повышает надежность эксплуатации штанг за счет практически полного исключения зоны термического влияния в готовой штанге; устранения несоосности про оси резьбы головок и штанги, замедления вибрационных и коррозионных процессов в элементах конструкции штанги, изготовленных из разных марок сталей "головка-тело-головка". Кроме того, высокая степень чистоты обработки поверхности элементов конструкции штанги значительно снижает силы гидродинамического трения в жидких и вязких средах.

Таким образом, реализация признаков предлагаемого способа производства в технологическом процессе изготовления насосных штанг обеспечивает следующие преимущества:
- упрощение и гибкость технологического процесса;
- экономия легирующих дорогостоящих элементов (Ni, Cr, Mo, Mn)%;
- расширение сортамента продукции по требованию потребителя;
- высокая степень устранения дефектов металлургического и механического характера на элементах конструкции штанги;
- высокое качество и эксплуатационная надежность готовых штанг.

Анализируя вышеизложенное, можно сделать вывод, что предлагаемый способ выражается совокупностью существенных признаков, их последовательностью и условиями осуществления действий. По сравнению с известным решением, признаки, характеризующие заявленный способ, являются новыми существенными, что соответствует критерию "новизна".

Из научно-технической информации известен метод соединения деталей металлоконструкций путем сварки трением [4]. Этот метод широко используют для соединения сравнительно небольших по размеру и металлоемкости конструкций (режущий и мерительный инструменты, клапаны для двигателей внутреннего сгорания и других деталей машиностроения) или для присоединения мелких деталей к сложным по исполнению механизмов иным способом.

В предлагаемом способе метод сварки трением использован по иному назначению, а именно, для соединения деталей длинномерного изделия из разнородных материалов и обеспечения их эксплуатационной надежности за счет замедления коррозионных и вибрационных процессов, устранение несоосности головок и тела штанги.

Из известных источников информации не выявлено использование порядка и совокупности других новых существенных признаков предлагаемого способа по их функциональному назначению и достигаемому результату, что соответствует критерию "изобретательский уровень".

Пример конкретного выполнения способа:
На Серовском металлургическом заводе в мартеновской печи выплавлены различные марки стали - для тела штанги сталь 40 и для головок штанги сталь 20ХН2М.

В потоке прокатного стана 320 прокатано 1000 т сортового проката диаметром 22 мм, длиной 8 м стали 40. Критические точки стали: Ac₃ = 735^oC; Ac₁ = 780^oC.

Прокатку осуществляли по схемам термомеханической обработки с ускоренным регулируемым охлаждением со следующими температурно-деформационными параметрами:
- температура аустенизации - 1040-1060^oC;
- температура начала прокатки = 1020±20^oC;
- температура металла перед последней чистовой клетью - 900-920^oC;
- скорость прокатки - 6,5 м/с;
- степень деформации в последнем проходе - 27%;
- интенсивность охлаждения после прокатки в последнем проходе - 75^oC/с;
- среднемассовая температура после ускоренного охлаждения - 600-640^oC.

Перед последним проходом делали выдержку 25-30 с, в результате которой при температурах 900-950^oC в основном успевают пройти процессы рекристаллизации обработки, вследствии чего при последнем проходе в деформируемой стали формируется мелкое аустенитное зерно, а в процессе ускоренного регулируемого охлаждения распад аустенита на глубине 1/3 от поверхности штанги проходит с образованием мелкоячеистого бейнита, а к центру штанги с образованием феррито-перлитной структуры размером соизмеримым величине аустенитного зерна. Такая структура обеспечивает благоприятное сочетание прочностных, пластических и эксплуатационных свойств металла штанги по ее сечению и длине.

После термообработки заготовки штанг передавали в калибровочный цех на линию ВС-50 для обточки, правки и полировки. На бесцентровотокарном станке WDHV-80 заготовки обтачивали для удаления чернового дефектного и обезуглероженного слоя, а доводку прямолинейности, полировку и наклеп осуществляли на правильно-полировальной машине WRPF-50/75. После обработки тела штанги на линии ВС-50 шероховатость поверхности составляла 0,63 мкм, а кривизна прутка на 1 м длины 0,15 мм.

Заготовки длиной 6 м для головок штанги из стали 20ХН2М прокатывали также на мелкосортном стане 320. Шестиметровые заготовки после механической поверхностной обработки для снятия дефектов металлургического и прокатного происхождения разрезали на мерные конструктивные длины. Далее осуществляли проточку конца заготовки под высадку головки, высадку головки на горизонтально-ковочной машине, проточку буртов, подрезку торца, черновую и чистовую проточку под резьбу, проточку и обкатывание зарезьбовой канавки и накатку резьбы.

В зависимости от требований по прочностным и пластически свойствам по условиям эксплуатации штанг; шестиметровые заготовки используются в горячекатаном или термообработанном состояниях.

Приваривание подготовленных головок к торцам штанги осуществляли на специальной машине сварки трением МАСТ-10С, позволяющий сваривать длинномерные детали диаметром от 8 до 30 мм с усилием проковки до 10 т. Машина оборудована специальной системой зажимов, не ухудшающих качество обработанных деталей, системой управления и контроля на базе микропроцессора. Технологические параметры сварки задаются программой, в зависимости от состава сталей и диаметра свариваемых деталей.

Время сварки головки к телу штанги до 2 с.

После приваривания головок к телу штанги удаляли механическим путем сварной облой (утолщение).

Готовые штанги предъявляли приемочному контролю партиями, состоящими не более из 1000 штанг.

Качество сварного шва проверено визуально 100% и ультразвуковым контролем - 15% от партии.

Прочность сварного соединения проверяли испытанием на разрыв натурных образцов после сварки головки штанги с отрезком тела штанги длиной 200-300 мм. Кроме этого на натурных образцах по месту сварки проводили испытания на изгиб.

Качественные характеристики штанг, изготовленных по предлагаемой технологии:
Диаметр и предельные отклонения для квалитета h II 22,1-0,13 мм.

Кривизна тела штанги - 1 мм на 1 м длины.

Состояние поверхности тела штанги - обточка полировки R-O 0,32-0,62.

Несоосность по оси резьбы головки и телу штанги - до 1,5 мм на длине 200 мм от торца штанги.

Металлургические дефекты на поверхности штанги - отсутствуют.

Механические свойства тела штанги на натурных образцах - σ_в= 63 кг/мм², σ_т= 35 кг/мм², δ = 16%, ψ = 45%, σ_-1= 240 МПа (предел усталости на воздухе на базе N = 5 • 10⁶ циклов).

Изгиб по зоне сварки до 180^o σ_в= 65 кг/мм² для штанги в месте сварки.

Механические свойства головки - σ_в= 65 кг/мм², σ_т= 45 кг/мм², δ = 17%, ψ = 50%.

Качественные характеристики партии насосных штанг, изготовленных по известной технологии из нормализованной стали 20ХH2М;
Кривизна тела штанги - 3 мм на 1 м длины.

Состояние поверхности тела штанги - обточка, допускается черновая поверхность.

Несоосность по оси резьбы головки и телу штанги - до 2,5 мм на длине 200 мм от торца.

Металлургические дефекты на поверхности - присутствуют.

Механические свойства штанги - σ_в= 60 кг/мм², σ_т= 39 кг/мм², δ = 21%, ψ = 56%, σ_-1= 190 МПа.

Штанги, изготовленные по предлагаемому способу поставлены и установлены в штанговые колонны нефтяных скважин Северного Урала. Эксплуатация насосных штанг при перекачке нефти подтверждает их высокое качество и надежность (см. акты испытаний).

Таким образом предлагаемый способ производства насосных штанг реализован в промышленных условиях с использованием существующего металлургического и станочного оборудования. Технологический процесс устойчив, легко перестраивается на выпуск любых типов штанг с требуемым уровнем механических свойств и качественных характеристик с учетом условий эксплуатации штанг на нефтепромыслах.

Источники информации
1. Копей Б. В., Федорович Я.Т. Устранение технологических и эксплуатационных дефектов насосных штанг с одновременным их упрочнением - М.: ВНИИОЭНГ, 1987 - (Обзорная информ. Сер. машины и нефтяное оборудование).

2. Рекламный прайс австрийской фирмы "Шеллер-Блекман".

3. Штанги насосные и муфты к ним. Технические условия. ГОСТ 13877-80. М. : Издательство стандартов.

4. Вилль В.И. Сварка металлов трением. Издат. Машиностроение, Ленинград, 1970 г.

Изобретение относится к металлургии, конкретно к производству длинномерных насосных штанг для нефтяных скважин с применением штанговых скважинных насосов. Для тела и головок штанги используют заготовки из разных по химическому составу марок сталей, затем раздельно проводят термическую и механическую обработки заготовок, на отдельной заготовке формируют профильный размер головки с последующей накаткой резьбы, после чего методом сварки трением к торцам тела штанги приваривают головки. Технологический процесс, легко управляем и обеспечивает массовое производство насосных штанг различной категории качества и эксплуатационной надежности. 2 з.п.ф-лы.

1. Способ производства насосных штанг, включающий горячую прокатку заготовки, термическую и механическую обработку, формирование головок и тела штанги, контроль качества готовых штанг, отличающийся тем, что прокатку, термическую и механическую обработку проводят раздельно на заготовках из различных по химическому составу марок сталей для тела и головок штанги, а после высадки головок, накатки на них резьбы к термически и механически обработанному телу штанги к ее торцам методом сварки трением приваривают головки. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что тело штанги изготавливают из углеродистой качественной конструкционной стали, а головки штанги - из легированной конструкционной стали. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что термическую обработку заготовки тела штанги совмещают с горячей прокаткой по режиму ВТМО.