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

Окончание табл. 3 . 8

Примечание. База испытаний – 5·10 6 млн циклов.

Сопоставление полученных результатов, представленных

втабл. 3.5–3.8, при соответствующей амплитуде сигнала дефектоскопа, указывает на существование зависимости между усталостными, прочностными характеристиками натурного образца из штанги и уровнем сигнала на выходе дефектоскопа от дефектного участка. Данное положение подтверждено наличием смещения зоны долома

вобласть меньших номинальных напряжений с увеличением амплитуды сигнала дефектоскопа. Особенно существенное снижение усталостной прочности натурного образца из штанги наблюдается, как следует из табл. 3.6 и рис. 3.7, для участков штанги с амплитудой сигнала ~18 мм, из которых данные образцы были изготовлены.

Расчет среднего значения предела выносливости σ–1 и среднеквадратичного отклонения Sσ−1 выполнен по методике [28] с исполь-

зованием выражений:

шение фрагмента штанги при принятой базе испытаний, МПа; ∆ σ – шаг изменения нагрузки, МПа; А и В – расчетные величины; N – общее число одинаковых событий; знак минус используется для расчета среднего значения предела выносливости σ–1 для неразрушившихся фрагментов штанг; знак плюс используется для расчета среднего

186

значения предела выносливости σ–1 для разрушившихся фрагментов штанг. Результаты усталостных испытаний насосной штанги ШН19 (сплав 20Н2М) представлены в табл. 3.4 и на рис. 3.6.

Рис. 3.7. Положение изломаL– Lp изначение нормального напряжения визломеσр для испытания четырех серийфрагментов штанг 1987 года выпуска, Очёрский машзавод, старыйцех, г. Очёр(над точкойуказано значение сигналадефектоскопа на еговыходевмм): серия а(уровеньh сигнала навыходе0 мм), маркировка фрагментов 19Н7И.911; серия б

(уровень h сигнала дефектоскопа навыходе~14 мм), маркировка фрагментов 19Н7И.911; серия в(уровеньh сигнала навыходе~18 мм), маркировкафрагментов 19Н7И.911 и19Н7И.975; серия г(уровень h сигнала навыходе~22 мм), маркировкафрагментов 19Н7И.911

187

3.3. Неразрушающий метод определения предела пропорциональности материала насосных штанг (предела микротекучести) по кривым магнитоупругого размагничивания при растягивающем напряжении

В [82, 83] установлено, что при нагружении намагниченных образцов, изготовленных из различных сталей, напряженность их магнитного поля рассеяния Н (остаточная намагниченность) убывает на первых этапах быстро, а затем медленнее. В [83] предложена экспоненциальная зависимость для описания магнитоупругого размагничивания. В [84] указывается, что зависимость логарифма напряженности поля от величины механических напряжений может быть представлена двумя пересекающимися прямыми. Однако механизм этого явления не описывается и не объясняются причины существования критического напряжения (точки пересечения прямых).

Для решения поставленных задач и оценки возможности использования магнитоупругого размагничивания для неразрушающего контроля предела пропорциональности (микротекучести) некоторых сталей были проведены исследования на стандартных образцах для механических испытаний диаметром 10 мм, вырезанных из бывших в эксплуатации насосных штанг, изготовленных из сталей 20Н2М, 15Х2НМФ и 15Х2ГМФ. Для снятия магнитограмм при магнитоупругом размагничивании датчик Холла закрепляли вблизи конца образца, где магнитное поле рассеяния больше всего. Измерения вели для установления зависимости напряженности магнитного поля рассеяния от величины действующих в образце растягивающих напряжений. Исследовали также зависимость деформации ∆L цилиндрической части образца от величины приложенных напряжений σ с помощью механического рычажного тензометра, позволяющего фиксировать наименьшую деформацию в 5 мкм.

На рис. 3.8 показана зависимость напряженности магнитного поля рассеяния Н при растяжении на примере образца из стали

188

15Х2НМФ, а на рис. 3.9 представлены зависимости ее логарифма от величины напряжений с помощью двух прямых, также указана точка пересечения σк.

В соответствии с экспоненциальным выражением магнитоупругого размагничивания его механизм можно представить в следующем виде. При действии растягивающих напряжений на поперечные домены 90-градусные междоменные границы испытывают силу, стремящуюся вырвать их из положения минимума энергии: сместить в положение с новым минимумом энергии, складывающейся из магнитоупругой и магнитостатистической энергии взаимодействия намагниченности с внутренним магнитным полем [85]. Последнее обусловлено размагничивающим фактором как всего образца, так и локально неоднородных намагниченных участков. В результате объем доменов, ориентированных вдоль оси растяжения, начинает увеличиваться, а объем поперечных доменов уменьшается. При этом образуется магнитная текстура, которая называется «конус легких магнитных полей».

189

В микроучастках образца, неоднородных по своим магнитным свойствам, происходит разрыв намагниченности, и при исчезновении

врезультате приложения напряжений замыкающих (поперечных) доменов возникают сильные локальные размагничивающие поля, образуется пространственная структура неупорядоченно расположенных многочисленных «магнитных зарядов». Они представляют собой большие энергетические барьеры для движения границ доменов. В этом случае сравнительно небольшой магнитоупругой энергии приходится конкурировать с энергией взаимодействия намагниченности с сильными локальными магнитными полями. При этом величина полей, локализующихся в микрообъемах, на границах зерен и разнородных металлографических фазах будет тем больше, чем меньше будет оставаться замыкающих объемов. Естественно считать, что энергия активации процесса движения 90-градусных границ

вприсутствии «магнитных зарядов» будет намного меньше, чем междоменных границ без таковых. Этим и объясняется замедление темпов размагничивания с ростом нагрузки (см. рис. 3.9). Рассматриваемые процессы в какой-то мере можно сравнить с явлениями, происходящими при приближении намагниченности к насыщению с описываемыми законом приближения к насыщению [85]. Остается выяснить, с чем связана точка пересечения двух прямых на рис. 3.9.

Для этого снимались кривые «напряжение – деформация ∆L(σ)» для того же образца, на котором снималась магнитограмма. По точке перегиба на зависимости ∆L(σ) определялась величина предела пропорциональности, обусловленного началом процесса микротекучести σмт. Установлено, что точка перегиба σк на кривой ln H(σ) и точка предела пропорциональности σпц практически совпадают у исследованных ста-

лей (например, у образца 15Х2НМФ σпц = 270 Н/мм2 и σк = 260 Н/мм2 соответственно). Причина совпадений, по-видимому, заключается в том, что при достижении внешними напряжениями уровня внутренних процесс магнитоупругого размагничивания заканчивается, так как происходит перестройка основных доменов. Далее начинается микротекучесть, и характер магнитоупругого размагничивания изменя-

190