Методика ученых ПНИПУ обеспечит бездефектное изготовление нефтяных насосов
Усовершенствованную методику изготовления цилиндров нефтяных насосов, позволяющую избежать возникновения производственных дефектов, разработали специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 25 июля сообщает пресс-служба вуза.
Нефтяные насосы предназначены для извлечения углеводородов из недр земли. На месторождениях, где добычу нефти приходится вести под высокими давлениями, используют плунжерные насосы, обеспечивающие ее равномерный и непрерывный поток за счет эффекта всасывания.
Такие устройства изготавливают из длинных тонкостенных полых биметаллических цилиндров, состоящих из таких деталей, как обечайка — наружная часть цилиндра, и лейнер — его внутренняя часть. Эти детали насоса для повышения прочности подвергают термомеханической обработке. В процессе такой обработки возникают большие внутренние напряжения, приводящие к серьезным проблемам.
Лейнер для упрочнения поверхности подвергают, например, радиальной ковке и последующему ионно-плазменному азотированию. Но при нагреве изделия из-за повышения в нем внутренних напряжений возникает коробление (искажение геометрии, появление выпуклостей на ровной части) цилиндра, из-за чего происходит отделение лейнера от обечайки.
Определить остаточные напряжения можно различными способами: химическим, рентгенографическим, магнитным, поляризационно-оптическим, термическим и механическим. Однако многие из них требуют больших временных затрат, другие приводят к нарушению структуры образцов, удалению из них части материала или даже к полному уничтожению.
Методика, которую предложили для оценки внутренних напряжений биметаллических цилиндров ученые Пермского Политеха, позволяет определить наиболее эффективный технологический цикл производства изделия для различных материалов.
В процессе ее разработки они сформулировали и решили задачу определения остаточных напряжений в рамках теории упругости, вывели формулы для определения уровня напряжений по данным экспериментальных измерений, после чего провели экспериментальные исследования методики на биметаллических образцах (кольцах) с лейнером из разных классов сталей для нескольких вариантов обработки.
Доцент кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ кандидат технических наук Ольга Силина пояснила суть проделанной работы:
«Мы определяли остаточные напряжения по перемещениям, измеренным после разрезания образцов. Исследования с использованием разработанной методики позволили для каждого изученного материала лейнера установить необходимый вид обработки, степень деформации и температуру постдеформационного нагрева. Так мы подобрали оптимальные режимы обработки биметаллических цилиндров, которые обеспечивают высокий уровень адгезии (сцепления поверхностей), минимальные остаточные напряжения и изменения геометрии лейнера».
В результате они установили, что для оптимизации термомеханической обработки изделий остаточные напряжения в цилиндре, отклонения в размерах деталей и разница напряжений между обечайкой и лейнером должны быть минимальными, а сцепление между ними — максимальным. Такие критерии обеспечивают установленные исследователями наиболее эффективные режимы обработки цилиндров:
— для лейнера из стали 38Х2МЮА — дробеструйная обработка внешней поверхности со степенью деформации 10%, температурой постдеформационного нагрева 520 °C и 570 °C;
— из стали 15Х5М — классическая обработка щетками и холодной радиальной ковкой со степенью деформации 10–17% и температурой нагрева 520 °C;
— из стали 12Х18Н10Т — дробеструйная обработка со степенью деформации 10% и температурой нагрева 520 °C.
Результаты исследования предложенной методики авторы представили в статье «Оценка остаточных напряжений в биметаллических цилиндрах плунжерного насоса после термодеформационной обработки», опубликованной в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика».
Метод ученых Пермского Политеха, позволяя эффективно оценить уровень остаточных напряжений в биметаллических цилиндрах, помогает подобрать нужные режимы их обработки. А это, в свою очередь, значительно улучшает процесс изготовления плунжерных нефтяных насосов, снижает риск деформации элементов конструкции и повышает качество и надежность нефтегазового оборудования.
