Материал: Технологические процессы и технические средства для глубинно-насосной эксплуатации нефтяных скважин

тяжения штанг с усилием до 18 тс с регулируемой скоростью деформации до 1,5 м/мин, ходом подвижной части до 780 мм; датчик контроля величины удлинения насосной штанги, включающий задатчик величины удлинения насосной штанги и исполнительный механизм, прекращающий процесс нагружения насосной штанги; датчик контроля величины нагружения штанги, динамограф ГДМ-3; машину для усталостных испытаний по схеме «консольный изгиб».

Из насосных штанг с известными техническими характеристиками (типоразмер, марка стали, режим термоупрочнения, заводизготовитель, год и квартал изготовления и т.п.) изготовили контрольные образцы базовой длины (например, по 350 м/м). Затем каждый образец устанавливали в захват растягивающего устройства и производили их пластическое удлинение на заданную величину (от минимально возможного 0,06 % до образования «шейки» в теле). Из образцов, прошедших пластическое удлинение, сформировали партии образцов насосных штанг с одинаковой для каждой партии величиной пластического удлинения (каждая партия включала до 15 образцов). После этого каждый образец из каждой партии насосных штанг устанавливали в захват машины для усталостных испытаний по схеме «консольный изгиб в одной плоскости» при частоте нагружения 20 Гц методом «лестницы» на воздухе и определяли предел усталости для каждой партии образцов насосных штанг при одновременном действии на образец нагрузки, полученной из величины приведенного напряжения в теле штанги, исходя из условий нагружения ее в скважине.

В табл. 1.10 приведены результаты усталостных испытаний натурных образцов из насосных штанг.

По результатам усталостных испытаний построили зависимость величины предела выносливости от величины пластического удлинения, представленную на рис. 1.25.

Эксплуатация пластически деформированных штанг с неустойчивой дислокационной структурой может привести к их преждевременному усталостному разрушению [36].

66

Таблица 1 . 1 0

Результаты усталостных испытаний натурных образцов из насосных штанг, пластически деформированных действием продольной нагрузки

Рис. 1.25. Зависимость величины выносливости натурных образцов из насосных штанг от величины пластического удлинения

Штангу насосную, бывшую в эксплуатации, подлежащую правке, укладывают в захваты машины для растяжения штанги и нагружают ее до величины, при которой происходит устранение местной кривизны изделия [35]. При данном нагружении замеряют длину штанги. Длина штанги составила, например, 8020 м (начало отсчета величины удлинения штанги).

Из полученной ранее зависимости предела выносливости от величины пластического удлинения насосной штанги с учетом ее технических характеристик, например марки стали 20Н2М, режима

67

термоупрочнения – нормализации, длины, определили величину требуемого пластического удлинения данной штанги, равную 38 мм, при этом условие достижения допустимой величины предела выносливости соблюдается, так как за пределами этой величины находится недопустимый диапазон значений относительного удлинения. Продолжают нагружение насосной штанги, непрерывно контролируя по записи самопишущего прибора величину упругого и пластического удлинения насосной штанги. При достижении величины пластического удлинения, соответствующего, например, заданной величине 38 мм, начинают разгружение насосной штанги. Штангу насосную достают из захватов растягивающей машины для последующей консервации, например с использованием многокомпонентного состава [37].

Наряду с процессом правки насосной штанги продольным нагружением осуществляли визуальный и/или инструментальный контроль за видом нагрузочной диаграммы, при этом штанги, имеющие пилообразный вид диаграммы, включая начало микропластической деформации, браковали [9]. В ходе проведенных исследований по виду нагрузочной диаграммы, по результатам магнитоиндукционного контроля [5] и металлографических работ, было установлено, что большинство штанг, поступающих на правку, имели нормальную однородную ферритно-сорбитную структуру, характерную для нормализованных сталей. Однако у ряда штанг с неоднородным распределением легирующих элементов, имеющим ликвационную природу, после замедленного охлаждения при нормализации возникали условия для формирования неблагоприятной полосчатой ферритносорбитной структуры.

По результатам усталостных испытаний, металлографических исследований насосных штанг, разрушившихся в процессе эксплуатации, было установлено, что порядка 20 % штанг из стали 20Н2М (режим термоупрочнения – нормализация) из общего количества разрушений имели полосчатую ферритно-сорбитную структуру.

Проведенные усталостные испытания показали, что у штанг

стакой структурой величина предела выносливости может снизиться

с22 до 40 %, что также подтверждено исследования, изложенными

68

[27]. Полосчатая ферритно-сорбитная структура представляет собой чередующиеся полосы малопрочных, пластинчатых ферритных зерен и полосы сорбита, имеющие большую величину предела текучести. При правке штанг с такой структурой первоначально пластическая деформация начинается в ферритных полосах, причем из-за обособленности сорбитных полос в ферритных участках может наблюдаться микрососредоточенная пластическая деформация, которая сопровождается уменьшением деформирующего усилия и продолжается до тех пор, пока в процесс деформации не включаются смыкающиеся сорбитные участки, после чего дальнейшая деформация происходит уже при увеличении деформирующего усилия. Первоначально такой цикл неоднородной деформации будет иметь место в тех сечениях штанги, где выше доля ферритных зерен, а по мере увеличения деформирующего усилия процесс неоднородной деформации будет происходить и в других сечениях штанги. В результате кривая «усилие – деформация» будет иметь характерный пилообразный вид, который косвенно свидетельствует о неоднородной полосчатой структуре деформируемой штанги [9].

У штанг с однородной ферритно-сорбитной структурой пластическая деформация ферритных зерен начинается практически одновременно в силу однородности структуры, а величина микрососредоточенной пластической деформации невелика из-за малой величины участков свободного феррита. Поэтому кривая «усилие – деформация» сохраняет плавный ход, включая начало микропластической деформации.

Для установления величин остаточных макронапряжений [22] в поверхности деформируемых штанг был взят прокат диаметром 19 мм Челябинского металлургического завода. Химический состав проката из стали 20Н2М представлен в табл. 1.11.

Далее из прутков, маркировка которых указана в табл. 1.11, были изготовлены две модельные структуры в режиме:

–низкотемпературного отжига при температуре 600 ° С в течение 1 ч с охлаждением на воздухе;

–нормализация при температуре 900 ° С в течение 1 ч.

69

Таблица 1 . 1 1 Химический состав проката из стали 20Н2М (плавка М50511)

Далее полученные образцы деформировали путем одноосного растяжения. Характеристики образцов после деформационного воздействия и остаточные макронапряжения, выявленные рентгенографическим путем, представлены в табл. 1.12.

Таблица 1 . 1 2

Характеристика образцов после деформационного воздействия и остаточные напряжения, выявленные рентгенографическим путем

70