тем самым прекращается пластическое удлинение насосной штанги в процессе правки. При снятии нагрузки толкатель 14 под действием пружины возвращается в исходное положение. В исходное положение возвращаются двуплечий рычаг 16, упор 19 и пластина 17. Насосная штанга 9, прошедшая правку, из захватов 7 и 8 подается на позицию консервации и упаковки. В захваты 7 и 8 устройства укладывается новая штанга, и процесс правки повторяется.
Таким образом, устройство позволяет в результате холодной правки изделий растяжением вернуть в производство до 15 % годового объема поднятых на поверхность при ремонтных работах насосных штанг, которые ранее списывались как непригодные для повторного использования.
1.8. Исследованиевозможностиупрочнениядлинномерных цилиндрических изделийдействиемпродольной растягивающейнагрузкиикручения
Из технологических методов, повышающих эксплуатационную надежность изделий, наиболее применима поверхностная пластическая деформация (ППД), а именно – обкатка роликами, дробеструйная обработка поверхности, пластическая деформация изделия под действием продольной растягивающей нагрузки, одновременном воздействии продольной растягивающей нагрузки и кручения [38, 39, 40].
В результате ППД существенно повышается сопротивление усталости изделий, уменьшается отрицательное воздействие различных поверхностных концентраторов напряжений, причем применяемые методы ППД не используют весь резерв прочности материала изделия. Благодаря работам, выполненным научными коллективами под руководством В.Д. Садовского, М.Л. Бернштейна, Д.А. Прокошкина, А.Г. Рахштадта, А.П. Гуляева, К.Ф. Стародубова, В.С. Ивановой, Л.И. Тушинского, О.Н. Романова и других, предложены комплексные методы температурно-силового воздействия на металл – термомеханическая (ТМО), механико-термическая (МТО) обработки, ба-
76
зирующиеся на создании в металле оптимального для эксплуатации характера структуры и свойств [41, 42, 43]. В сталях после термомеханической и механико-термической обработки повышаются характеристики вязкости разрушения, сопротивление усталостному разрушению, сопротивление контактному разрушению и износу, временное сопротивлениеи предел текучести при статических нагрузках.
Впервые предложенный исследуемый процесс упрочнения при нормальной температуре длинномерных цилиндрических изделий, осуществляемый действием продольной растягивающей нагрузки и кручения, касающийся способов упрочнения насосных штанг, как новых, в процессе их изготовления, так и бывших в эксплуатации, используемых в механизированной глубинно-насосной нефтедобычи, также может быть использован в машиностроении для упрочнения валов, стержней и других длинномерных цилиндричесикх изделий при их изготовлении либо перед их повторным ис-
пользованием [42, 43, 44, 45, 46].
Целью проведенных исследований является обеспечение качества упрочнения длинномерного изделия за счет повышения его усталостной прочности путем установления оптимальных режимов технологического процесса при пластическом деформировании изделия под действием продольной растягивающей нагрузки и кручения
[44, 45, 46, 47, 48].
Поставленная цель достигается тем, что в способе упрочнения длинномерных цилиндрических изделий, включающем упругую и пластическую деформацию продольным нагружением и контроль величины удлинения изделия, существенным является то, что после пластической деформации длинномерного изделия продольным нагружением производят деформацию изделия кручением, при этом продольное нагружение изделия ведут со скоростью в диапазоне 0,12–12,0 мм/с до величины удлинения, в 0,5–9,0 раза превышающего удлинение, соответствующее пределу пропорциональности для новых изделий, или до величины удлинения, в 1,5–5,0 раза превышающего удлинение, соответствующее пределу пропорциональности для изделий, бывших в эксплуатации. После этого фиксируют вели-
77
чину продольного нагружающего усилия и величину пластического удлинения и через паузу продолжительностью в пределах 0,25–60,0 с осуществляют деформацию изделия кручением со скоростью в диапазоне 0,002–1,8 об/с с одновременным контролем величины продольного нагружающего усилия, при уменьшении которого относительно зафиксированной величины в 1,25–4,0 раза заканчивают деформацию кручением и через паузу продолжительностью 0,25–30,0 с производят полное разгружение изделия от действия продольной растягивающей нагрузки со скоростью в пределах диапазона 0,12–14,0 мм/с и через паузу продолжительностью 0,25–30,0 с снимают полностью крутящий момент со скоростью в пределах диапазона 0,01–1,8 об/с.
Поскольку продольное нагружение ведут со скоростью в диапазоне 0,12–12,0 мм/с, создается возможность плавного нагружения изделия (а не интенсивное пластическое деформирование), обеспечивающего постоянное приращение продольной нагрузки, позволяющей изменить величину межатомных расстояний в кристаллической решетке металла в пределах всего объема изделия и при достижении напряжения в теле изделия выше предела пропорциональности обеспечить пластическую деформацию в кристаллах металла путем плавного скольжения частей кристалла относительно друг друга.
Вследствие плавного скольжения происходит взаимный сдвиг частей кристалла по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям, образующим системы скольжения, причем взаимный сдвиг зависит от величины приращения продольной нагрузки в единицу времени и направления приложения продольной растягивающей нагрузки.
Нагружение изделия с предложенной скоростью позволяет вести продольное нагружение изделия в области пластической деформации до величины удлинения, в 0,5–9,0 раза превышающего удлинение, соответствующее пределу пропорциональности для новых изделий, или до величины удлинения, в 0,1–5,0 раза превышающего удлинение, соответствующее пределу пропорциональности для изделий, бывших в эксплуатации. Таким образом достигается упрочнение длинномерного изделия и исключается возможность превысить пре-
78
дел прочности материала изделия. При таком нагружении в указанных пределах обеспечивается взаимный сдвиг частей кристаллов, охватывающий весь объем изделия без образования преимущественной ориентировки кристаллов в объеме изделия, что позволяет повысить усталостную прочность материала изделия. На этой стадии снимаются остаточные напряжения, которые, возможно, имели место в теле штанги до начала упругой и пластической деформации под действием продольной растягивающей нагрузки.
Исходя из того, что при достижении указанной величины деформации изделия величину продольного нагружающего усилия и величину пластического удлинения изделия фиксируют, представляется возможным наложить на фиксированную упругопластическую деформацию изделия деформацию кручением и тем самым дополнительно повыситьусталостную прочностьизделия.
Наличие перед проведением операции кручения паузы продолжительностью 0,25–60,0 с при фиксированной величине продольного нагружающего усилия и фиксированной величине пластического удлинения обеспечивает условия для завершения процесса скольжения частей кристаллов по кристаллографическим плоскостям и, как следствие, для завершения пластической деформации изделия. Это объясняется тем, что разные зерна в структуре металла или разные системы скольжения в зернах по мере увеличения напряжения в них включаются в процесс скольжения последовательно по мере достижения в них критического напряжения сдвига.
Исходя из того, что пластически деформированное длинномерное изделие продольным нагружением подвергают дополнительно деформации кручением, обеспечивается дальнейший процесс упрочнения изделия. В результате деформации кручением каждое элементарное поперечное сечение изделия сдвигается, вращаясь относительно смежных сечений. Действие крутящего момента приводит к увеличению межатомных расстояний кристаллической решетки металла изделия, и при достижении приложенного напряжения, вызванного действием крутящего момента, выше напряжения, соответствующего пределу пропорциональности материала, происходит взаимный сдвиг
79
частей кристалла по кристаллографическим плоскостям в направлении действия крутящего момента. Деформация кручением приводит к образованию неоднородных по сечению касательных напряжений, при этом нормальные напряжения в сечении изделия уменьшаются, перераспределяясь в эпюру куполообразной формы с максимумом в центре тяжести сечения изделия. Присутствие при этом сжимающих напряжений приводит кувеличению усталостной прочности материала изделия.
Поскольку деформацию кручением ведут с постоянной скоростью из предложенного диапазона 0,002–1,8 об/с, появилась возможность изменить величину межатомных расстояний в кристаллической решетке металла в приповерхностном тонком слое металла без нарушения этих связей по всей длине длинномерного изделия.
Поскольку при деформации изделия кручением с фиксированной упругопластической деформацией происходит уменьшение напряжений в сечении изделия, уменьшается и величина деформации продольным нагружением. В результате в приповерхностном слое изделия образуются остаточные сжимающие напряжения, а в центральной части изделия – остаточные растягивающие напряжения. Остаточные сжимающие напряжения в приповерхностных слоях также приводят к повышению усталостной прочности материала изделия. Деформацию изделия кручением заканчивают при уменьшении величины продольного нагружающего усилия в процессе кручения в 1,25–4,0 раза. Установленные пределы позволяют осуществлять технологический процесс упрочнения длинномерных изделий без их разрушения для широкого диапазона марок сталей, имеющих многообразие механических свойств, например сталей 40, 30ХМА, 20Н2М, 15Н3МА, 15Х2НМФ, 15Х2ГМФ, 14Х3ГМЮ производства
СССР и СНГ, а также импортного производства.
Наличие паузы продолжительностью 0,25–30,0 с после прекращения деформации кручением обеспечивает дальнейшее последовательное скольжение частей кристаллов по кристаллографическим плоскостям, благодаря чему обеспечивается механизм однородной сдвиговой деформации в пределах длины изделия и поверхностном слое.
80