Материал: Технологические процессы и технические средства для глубинно-насосной эксплуатации нефтяных скважин
ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ПРЕЖДЕВРЕМЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ НАСОСНЫХ ШТАНГ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ДЛЯ НЕФТЕДОБЫЧИ
Для установления причин преждевременного разрушения насосных штанг производства Очёрского машзавода (г. Очёр, Пермская обл.), машиностроительного завода им. В.И. Ленина (г. Пермь, Пермская обл.) 1977–1988 гг. выпуска и штанг ОАО «Мотовилихинские заводы» 2001 г. выпуска были взяты разрушившиеся их части с сохранившейся поверхностью усталостного разрушения. При этом основной объем исследований выполнен на штангах из стали 20Н2М производства Очёрского машзавода (ОМЗ) и стали 15Х2НМФ производства машзавода им. В.И. Ленина (г. Пермь). Отобранные штанги отмечались различной длительностью нахождения в эксплуатации: срок службы штанг ОМЗ из нормализованной стали 20Н2М составил от одного месяца (0,3·106 циклов) до 108 месяцев (27,9·106 циклов); штанги машзавода им. В.И. Ленина из термоулучшенной стали 15Х2НМФ находились в эксплуатации от 35 месяцев (9,1·106 циклов) до 122 месяцев (42,2·106 циклов). Также представлены исследования штанг из стали 38ХМ, 20ХГН1М, стали 45 и 40Х.
1.1. Механические характеристики, химический состав материала насосных штанг, преждевременно разрушившихся в процессе эксплуатации
Вобщей сложности было исследовано 39 насосных штанг.
Втабл. 1.1 приведены данные по химическому составу материала исследованных штанг. Несмотря на завышенные концентрации углерода в материале некоторых штанг (особенно штанг машзавода им. В.И. Ленина), в целом химический состав материалов, пред-
11
12
Таблица 1 . 1
Долговечность и химический состав материала исследованных штанг из стали 20Н2М, 15Х2НМФ, 38ХМ, 35Г2, 40Г2, 40ХГМ
|
|
Маркастали, |
|
Содержаниехимических элементов(мас. %) |
|
||||||
№ |
N·106 |
предприятие-изготовитель |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Ni |
|
Cr |
Mo |
скважины, |
циклов |
штанг, годвыпуска |
|
||||||||
образца |
нагружения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20Н2М |
0,17–0,25 |
0,1–0,3 |
0,40–0,70 |
<0,025 |
<0,025 |
1,5–1,6 |
|
– |
0,20–0,30 |
||
|
|
ГОСТ4543–71 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
10 |
11 |
2190 |
0,3 |
|
0,20 |
0,29 |
0,51 |
0,012 |
0,012 |
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
825 |
2,1 |
|
0,23 |
0,25 |
0,47 |
0,014 |
0,004 |
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
336 |
2,4 |
|
0,22 |
0,30 |
0,62 |
0,019 |
0,007 |
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
427 |
2,6 |
|
0,28 |
0,28 |
0,57 |
0,018 |
0,006 |
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
975 |
3,1 |
|
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
– |
507 |
4,5 |
|
0,28 |
0,29 |
0,51 |
0,020 |
0,003 |
– |
|
– |
– |
647 |
4,7 |
20Н2М, |
0,23 |
0,30 |
0,54 |
0,019 |
0,008 |
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
1057 |
5,2 |
0,20 |
0,26 |
0,63 |
0,017 |
0,007 |
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
|
|
|
предприятие-изготовитель |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
512 |
5,4 |
0,18 |
0,23 |
0,43 |
0,014 |
0,003 |
1,78 |
|
0,2 |
0,30 |
|
|
|
Очёрскиймашзавод(г. Очёр), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
281 |
6,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
годвыпуска1977–1988 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
204 |
7,6 |
0,24 |
0,32 |
0,49 |
0,015 |
0,005 |
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
|
160 |
7,9 |
|
0,23 |
0,27 |
0,55 |
0,016 |
0,005 |
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
114 |
9,1 |
|
0,19 |
0,22 |
0,39 |
0,018 |
0,006 |
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
175 |
11,4 |
|
0,24 |
0,30 |
0,55 |
0,022 |
0,019 |
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
450 |
13,5 |
|
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
– |
1033 |
15,0 |
|
0,24 |
0,52 |
0,016 |
0,016 |
0,009 |
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
574 |
15,6 |
|
0,20 |
0,22 |
0,50 |
0,019 |
0,008 |
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
63 |
16,6 |
|
0,23 |
0,30 |
0,61 |
0,023 |
0,006 |
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
Продолжение табл. 1 . 1
1 |
2 |
3 |
|
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
9 |
|
10 |
11 |
210 |
16,6 |
|
|
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
– |
|
– |
813 |
16,6 |
|
|
0,23 |
0,35 |
0,59 |
0,016 |
0,005 |
|
1,65 |
|
0,2 |
0,30 |
651 |
17,6 |
|
|
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
– |
|
– |
824 |
18,1 |
|
|
0,24 |
0,35 |
0,68 |
0,016 |
0,015 |
|
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
805 |
18,9 |
|
|
0,24 |
0,24 |
0,54 |
0,017 |
0,013 |
|
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
630 |
21,5 |
|
|
0,18 |
0,25 |
0,49 |
0,019 |
0,009 |
|
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
172 |
27,9 |
|
|
0,20 |
0,30 |
0,61 |
0,016 |
0,001 |
|
3,0 |
|
0,2 |
0,30 |
|
|
15Х2НМФ |
0,10–0,18 |
0,1–0,3 |
0,40–0,70 |
≤0,025 |
≤0,025 |
0,90–1,30 |
1,40–1,80 |
0,20–0,30 |
|||
|
|
ТУ 14-1-3488–82 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
513 |
9,1 |
|
|
0,18 |
0,26 |
0,58 |
0,025 |
0,007 |
|
1,5 |
|
2,5 |
0,30 |
2276 |
9,6 |
|
|
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
– |
|
– |
399 |
9,7 |
15Х2НМФ, |
|
0,22 |
0,32 |
0,66 |
0,026 |
0,012 |
|
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
339 |
10,9 |
|
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
– |
|
– |
|
|
|
поставщик проката |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
764 |
11,1 |
|
0,19 |
0,26 |
0,57 |
0,017 |
0,011 |
|
1,11 |
|
2,5 |
0,30 |
|
машзавод им. В.И. Ленина |
|
|
|
||||||||||
496 |
12,7 |
|
0,28 |
0,26 |
0,57 |
0,016 |
0,008 |
|
1,1 |
|
2,5 |
0,30 |
|
|
|
(г. Пермь), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
858 |
16,1 |
|
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
– |
|
– |
|
предприятие-изготовитель |
|
|
|||||||||||
786 |
22,5 |
0,15 |
0,21 |
0,49 |
0,021 |
0,012 |
|
1,5 |
|
2,5 |
0,30 |
||
штанг машзавод |
|
|
|
||||||||||
817 |
26,9 |
им. В.И. Ленина (г. Пермь), |
|
0,20 |
0,27 |
0,66 |
0,021 |
0,011 |
|
1,11 |
|
2,5 |
0,30 |
1136 |
28,5 |
год выпуска 1977–1988 |
|
0,18 |
0,29 |
0,66 |
0,020 |
0,013 |
|
1,11 |
|
2,5 |
0,30 |
1082 |
29,0 |
|
|
0,19 |
0,28 |
0,47 |
0,014 |
0,006 |
|
1,11 |
|
2,5 |
0,30 |
505 |
29,3 |
|
|
0,18 |
0,28 |
0,70 |
0,24 |
0,008 |
|
1,0 |
|
2,5 |
0,30 |
422 |
36,3 |
|
|
0,21 |
0,25 |
0,62 |
0,019 |
0,015 |
|
1,5 |
|
0,2 |
0,30 |
694 |
42,2 |
|
|
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
– |
|
– |
13
Продолжение табл. 1 . 1
14 |
1 |
2 |
3 |
|
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
|
|||||||||||
|
– |
– |
38 ХМ |
0,35–0,42 |
0,17–0,37 |
0,35–0,65 |
≤0,035 |
≤0,035 |
≤0,30 |
0,90–1,30 |
0,20–0,30 |
|
|
ГОСТ4543–71 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
1,3 |
новая |
38 ХМ, |
0,35 |
0,25 |
0,46 |
0,013 |
0,012 |
0,15 |
1,02 |
0,20 |
|
|
|
|
поставщикпроката |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
новая |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
1,6 |
Златоустовскийметаллургиче- |
0,35 |
0,25 |
0,48 |
0,013 |
0,011 |
0,15 |
1,03 |
0,20 |
||
|
|
|
скийкомбинат, предприятие- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,2 |
новая* |
0,37 |
0,26 |
0,46 |
0,016 |
0,009 |
0,15 |
1,02 |
0,20 |
||
|
|
|
изготовитель штанг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3,3 |
новая** |
ОАО«Мотовилихинские |
0,37 |
0,29 |
0,41 |
0,013 |
0,012 |
0,17 |
0,23 |
0,20 |
|
|
|
|
заводы» (г. Пермь), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
новая |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
3,4 |
годвыпуска2001 |
0,38 |
0,29 |
0,41 |
0,015 |
0,013 |
0,15 |
0,23 |
0,21 |
||
|
|
|
38 ХМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 (55) |
1,0 |
ГОСТ4543–71, |
|
0,44 |
0,25 |
0,67 |
0,01 |
0,018 |
0,15 |
0,11 |
0,22 |
|
|
|
поставщикпроката «Кама- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
– |
сталь» (г. Пермь), |
|
0,43 |
0,25 |
0,65 |
0,011 |
0,019 |
0,2 |
1,07 |
0,21 |
|
(325) |
предприятие-изготовитель |
|
|||||||||
|
|
|
штангОАО«Мотовилихин- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
скиезаводы» (г. Пермь), |
0,43 |
0,2 |
0,71 |
0,014 |
0,017 |
0,26 |
1,05 |
0,21 |
||
|
(195) |
|||||||||||
|
|
годвыпуска2001 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
– |
– |
35Г2 |
0,31–0,39 |
0,17–0,37 |
1,4–1,8 |
≤0,035 |
≤0,035 |
≤0,3 |
≤0,3 |
≤0,15 |
|
|
ГОСТ4543–71 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
1 (160) |
2,0 |
35Г2, |
0,34 |
0,23 |
1,65 |
0,035 |
0,024 |
0,14 |
0,20 |
0,04 |
|
|
|
|
поставщикпроката Омутнин- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 (245) |
2,0 |
0,34 |
0,23 |
1,65 |
0,035 |
0,023 |
0,14 |
0,20 |
0,04 |
||
|
|
|
скийметаллургический ком- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
6 (525) |
2,0 |
бинат(г. Омутнинск), |
0,33 |
0,21 |
1,24 |
0,022 |
0,025 |
0,09 |
0,12 |
0,03 |
|
|
|
|
годвыпуска2001–2003 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
– |
40 Г2 |
0,36–0,44 |
0,17– |
1,4–1,8 |
≤0,035 |
≤0,035 |
≤0,3 |
≤0,3 |
≤0,015 |
|
|
|
|
ГОСТ4543–71 |
0,37 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Окончание табл. 1 . 1
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
– |
– |
40Г2, |
0,4 |
0,41 |
1,87 |
0,03 |
0,024 |
0,11 |
0,17 |
0,04 |
|
|
|
Поставщикпроката Омутнин- |
|||||||||
7 (235) |
2,0 |
||||||||||
|
|
скийметаллургический ком- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
8 (45) |
2,0 |
бинат(г. Омутнинск), |
0,39 |
0,34 |
1,8 |
0,029 |
0,022 |
0,11 |
0,17 |
0,04 |
|
|
|
годвыпуска2001–2003 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
– |
40 ХГМDIN17200 |
0,6–0,9 |
≤0,4 |
0,6–0,9 |
≤0,035 |
0,03 |
– |
0,9–1,2 |
0,15–0,3 |
|
4 (330) |
2,0 |
40ХГМDIN |
0,41 |
0,26 |
0,22 |
0,012 |
0,021 |
0,2 |
0,17 |
0,22 |
|
17200 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примечание. 1. 
– отклонение от требований ГОСТа, ТУ и DIN. Химический состав металла (образцы
1.3, 1.6, 2.2, 3.3, 3.4, 9 (55), 11 (325), 12 (195), 1 (160), 2 (245), 6 (525), 7 (235), 8 (45) включительно) установлен с использованием вакуумного квантометра фирмы «ARL». 2*. 9,51·106 циклов нагружения по результатам стендовых ускоренных усталостных испытаний фрагмента из штанги (маркировка 7/8М11D 501628) на воздухе. 3**. 6,51× 106 циклов нагружения по результатам стендовых ускоренных усталостных испытаний фрагмента из штанги (маркировка 7/8М11D 501628) на воздухе.
15