Исследование процесса упрочнения длинномерных цилиндрических изделий совместным растяжением и кручением

Актуальность темы

На территории Российской Федерации круглосуточно работают тысячи нефтяных скважин, большинство из которых оборудовано штанговыми нефтенасосными установками [2, 53, 90, 110]. Одновременно в эксплуатации находятся сотни тысяч штанг, работающих в условиях циклического нагру-жения, порой в достаточно агрессивной среде. Большинство штанг, находящихся в эксплуатации, уже давно выработало свой ресурс, регламентируемый ГОСТ 13 877–96 [24] и ГОСТ Р 51 161−2002 [25], однако из-за экономических трудностей их интенсивная замена на новые далеко не всегда осуществима. Кроме того, в связи с истощением запасов нефти условия эксплуатации нефтенасосных установок всё время ужесточаются, а требования, предъявляемые ГОСТом к качеству штанг, основаны на исследованиях, проведённых несколько десятилетий тому назад. Изменился и ассортимент изготовляемых штанг. Производители вынуждены искать замену хорошо зарекомендовавшим себя, но относительно дорогим сталям, на более дешевые, эксплуатационные свойства которых ещё недостаточно изучены. К сожалению, ГОСТ не регламентирует требования к коррозионно-усталостной прочности материала штанг, ограничиваясь только характеристиками статической прочности, что не стимулирует изготовителей контролировать характеристики усталости. В результате сложилась обстановка, когда находящийся в эксплуатации парк насосных штанг уже не в состоянии обеспечить надёжную работу оборудования, а предлагаемые промышленностью новые штанги, хотя и удовлетворяют требованиям ГОСТа, не всегда удовлетворяют потребителя. Поэтому возникает задача повышения характеристик коррозионно-усталостной прочности данных изделий.

Усталостное разрушение, если не приняты специальные меры, обычно начинается с поверхности [104, 109], поэтому для повышения несущей способности штанги в первую очередь необходимо повысить сопротивление усталости приповерхностной области. Одним из наиболее эффективных механизмов упрочнения этой области является наведение в ней осевых сжимающих остаточных напряжений [39, 54, 61, 75, 76, 81, 85, 96, 103, 113]. Под упрочнением в работе понимается комплекс мер, направленных на повышение характеристик коррозионно-усталостной прочности. К широко известным методам упрочнения относятся методы поверхностного пластического деформирования (ППД: дробеструйный наклёп, обкатка шариками, обкатка роликами и др.) [7, 61, 78, 79, 83, 94, 96] и поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ) [30, 111, 112]. Данные методы позволяют наводить достаточно большие по абсолютному значению остаточные сжимающие напряжения в приповерхностном слое изделия. Применительно к насосным штангам наиболее широкое распространение получили дробеструйный наклёп 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 длительном времени работы изделия в агрессивной среде (в случае штанг — это несколько лет) происходит постепенное неизбежное разъедание поверхностного слоя от коррозии, и эффект упрочнения в итоге теряется.

Д.т.н., профессором Н. Н. Вассерманом и к.т.н., доцентом В. Е. Калугиным совместно с д.т.н. В. В. Семёновым разработан и при их же непосредственном участии доведён до промышленного применения отличающийся от отмеченных выше способ упрочнения штанг [15, 16, 18, 98, 105]. Он заключается в наведении в приповерхностной области изделия осевых сжимающих остаточных напряжений за счет последовательного 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 ещё и правка, т. е. восстановление пространственной геометрии длинномерного изделия. Способ отличается высокой технологичностью, а само упрочнение носит объёмный характер. Глубина упрочнённого слоя, т. е. глубина остаточных сжимающих напряжений, может достигать 1/3 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 настоящее время способ используется для восстановления работоспособности бывших в эксплуатации, но ещё не исчерпавших свой ресурс штанг.

Моделированию и оптимизации процесса восстановления работоспособности насосных штанг посвящена работа А. Н. Надымова, выполненная в 2002 г. под руководством д.т.н., профессора В. Ю. Столбова [69]. В работе проведено исследование искривлённости и неоднородности распределения механических характеристик по длине штанг, бывших в эксплуатации. Предложена математическая модель упругопластического деформирования штанги, а также предложен вариант оптимизации процесса восстановления с учетом неоднородности начальных свойств по длине штанги.

Однако существующие режимы упрочнения, которые включают однократное кручение (кручение в одну сторону) предварительно растянутого изделия, нельзя считать 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 величину угла закручивания, что не позволяет навести достаточные значения остаточных осевых напряжений, способных существенно повысить коррозионно-усталостную прочность и долговечность изделия. К тому же, кроме проведённых под руководством профессора H.H. Вассермана усталостных испытаний на нескольких восстановленных штангах, отсутствуют другие исследования, доказывающие действительную эффективность данной упрочняющей технологии. Эксперименты на новых штангах или лабораторных образцах не проводились. Сами возможности способа недостаточно глубоко изучены теоретически и крайне слабо подтверждены экспериментально. Между тем, изначальное упрочнение новых штанг с помощью эффективных режимов должно существенно повышать их циклическую долговечность, т. е. способствовать увеличению срока службы, а также надёжности безотказной работы в течение данного срока. Для нефтедобывающих компаний такая практика должна оказаться более рентабельной, чем восстановление бывших в эксплуатации штанг, многие из которых вообще не подлежат такому восстановлению.

Таким образом, актуальной остаётся задача разработки такой методики, которая с одной стороны сохранит уже существующие преимущества упрочнения совместным растяжением и кручением, а с другой стороны позволит существенно повысить коррозионно-усталостную прочность и циклическую долговечность изделия.

Идея работыприменить реверсивное кручение в процессе упрочнения совместным растяжением и кручением.

Объект исследования: способ упрочнения длинномерных цилиндрических изделий совместным растяжением и кручением (на примере однородного прямолинейного стержня круглого сечения).

Цель работы: разработать, теоретически обосновать и экспериментально подтвердить методику упрочнения длинномерных цилиндрических изделий совместным растяжением и реверсивным кручением с последующей рационализацией процесса упрочнения, направленной на повышение коррозионно-усталостной прочности изделия.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Построение математической модели упругопластического деформирования совместным растяжением и кручением тонкостенного трубчатого изделия из конструкционной стали.

2. Определение материальных параметров модели и подтверждение её адекватности по результатам экспериментов на сертифицированном оборудовании.

3. Построение математической модели упрочнения однородного стержня круглого сечения совместным растяжением и кручением на основе модели деформирования тонкостенного трубчатого изделия.

4. Подтверждение адекватности модели упрочнения круглого стержня по результатам экспериментов на сертифицированном оборудовании.

5. Исследование с помощью разработанной модели различных вариантов и последовательностей деформирования совместным растяжением и кручением и определение наиболее рациональных режимов упрочнения.

6. Проведение сравнительных коррозионно-усталостных испытаний нескольких партий образцов с выявлением действительной эффективности определённых с помощью модели рациональных режимов.

Научная новизна работы:

1. Построена математическая модель упругопластического деформирования совместным растяжением и кручением стержня круглого сечения, которая позволяет рассчитать распределение по радиусу изделия остаточных напряжений (осевых и касательных), наведённых в результате упрочнения совместным растяжением и кручением (в т.ч. реверсивным кручением), а также получить зависимости продольной силы и крутящего момента от угла закручивания в процессе деформирования. Адекватность модели подтверждена результатами испытаний тонкостенных трубчатых образцов на одноосное растяжение, чистый сдвиг, на различные комбинации совместного растяжения и кручения, а также результатами испытаний образцов круглого сечения на различные комбинации совместного растяжения и кручения.

2. Разработана новая более эффективная по сравнению с существующей методика упрочнения, заключающаяся в последовательном упругопластическом деформировании изделия сначала растяжением, а затем, при фиксации полученной при растяжении продольной деформации, кручением со сменами направления закручивания (знакопеременным). Упрочнение с использованием данной методики позволяет обеспечить наиболее благоприятное (с позиции повышения коррозион-но-усталостной прочности) распределение по радиусу изделия остаточных осевых напряжений при минимальных значениях остаточных касательных напряжений.

3. Определены наиболее рациональные для каждой из исследуемых методик (совместным растяжением и однократным кручением, совместным растяжением и знакопеременным кручением, совместным растяжением и реверсивным кручением со знакопостоянной амплитудой) режимы упрочнения однородного стержня из конструкционной стали 15Х2ГМФ, применяемой для изготовления насосных штанг.

4. Проведены сравнительные многоцикловые коррозионно-усталостные испытания, доказывающие повышение коррозионно-усталостной прочности и циклической долговечности в результате упрочнения совместным растяжением и кручением, а также доказывающие более высокую эффективность новой методики упрочнения — совместным растяжением и знакопеременным кручением перед существующей методикой — совместным растяжением и однократным кручением.

Достоверность результатов подтверждается достаточно точной согласованностью данных теоретического решения с данными проведённых экспериментальных исследований на тонкостенных трубчатых образцах и образцах круглого сечения. Преимущества и эффективность разработанных новых режимов упрочнения подтверждаются результатами проведённых многоцикловых коррозионно-усталостных испытаний.

Практическая значимость работы:

1. Получена новая более эффективная по сравнению с существующей методика упрочнения совместным растяжением и знакопеременным кручением, которую можно использовать для повышения коррозионно-усталостной прочности насосных штанг (для упрочнения новых или восстановления работоспособности бывших в эксплуатации штанг), а также других длинномерных цилиндрических изделий.

2. Разработан программный комплекс, позволяющий определить параметры процесса упрочнения совместным растяжением и кручением (уровень начального напряжения растяжения, с которого начинается кручение, количество стадий кручения, величины углов закручивания на каждой стадии кручения) для длинномерных цилиндрических изделий из конструкционных сталей.

3. Разработанная методика и рекомендации на основе результатов исследования переданы изготовителю оборудования для правки и упрочнения насосных штанг ООО «Инокар», г. Пермь (акт о внедрении приведён в приложении к диссертации).

Апробация работы. По материалам диссертации были сделаны доклады на следующих научных конференциях: Международная молодёжная научная конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу — творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2010 г.), XVII Зимняя школа по механике сплошных сред (Пермь, 2011 г.), VII международная научно-практическая конференция «Современные вопросы науки — XXI век» (Тамбов, 2011 г.), I Международная научно-практическая конференция «Молодые ученые Прикамья — 2011», (Пермь, 2011 г.).

Полностью диссертация обсуждалась на научных семинарах: Института механики сплошных сред УрО РАН (руководитель: академик РАН, д.т.н., профессор В.П. Матвеенко), кафедр «Вычислительная математика и механика» ПНИПУ (руководитель: д.т.н., профессор H.A. Труфанов), «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ (руководитель: д.ф.-м.н., профессор П.В. Трусов), «Конструирование машин и технология обработки материалов» ПНИПУ (руководитель: д.т.н., профессор A.M. Ханов).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ [14, 17, 41, 42, 55−59, 118], в том числе 3 статьи [56, 57, 58] в российских периодических рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 137 наименований и приложения. Полный объём диссертации составляет 187 страниц, включая 98 рисунков и 7 таблиц.

4.6. Выводы по четвёртой главе.

1. Проведены сравнительные коррозионно-усталостные испытания на изгиб вращающегося образца при симметричном мягком нагружении трёх партий образцов: базовой неупрочнённойупрочнённой по рациональному режиму совместного растяжения и однократного крученияупрочнённой по рациональному режиму совместного растяжения и знакопеременного кручения.

2. По результатам проведённых испытаний для каждой партии образцов построены вероятностные диаграммы коррозионной усталости и определены основные характеристики сопротивления усталости.

3. Подтверждено повышение характеристик сопротивления коррозионной усталости вследствие упрочнения прямолинейного круглого стержня совместным растяжением и кручением.

4. Продемонстрирована более высокая эффективность разработанной новой методики упрочнения совместным растяжением и знакопеременным кручением перед существующей методикой — совместным растяжением и однократным кручением. Предел выносливости на базе 10 циклов для образцов, упрочнённых по рациональному режиму совместного растяжения и однократного кручения, повысился в 1,22 раза по сравнению с неупрочнёнными образцами, а циклическая долговечность на сопоставимых уровнях напряжений повысилась в 1,5 — 2,5 раза. Для образцов, упрочнённых по рациональному режиму совместного растяжения и знап копеременного кручения, предел выносливости на базе 10 циклов повысился в 1,65 раза по сравнению с неупрочнёнными образцами, а циклическая долговечность на сопоставимых уровнях напряжений повысилась в 5 — 10 раз.

5. На основе критерия И. Л. Фаермана получена зависимость, позволяющая оценить предел выносливости упрочнённого изделия по известным величинам остаточных осевых сжимающих напряжений, наведённых в приповерхностной области сечения, и известному пределу выносливости неупрочнённого изделия.