CN110306020B - 一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法，包括以下试验：套管构想以及工装的设定、初拟主要工艺参数、定子套管螺旋化模型设计、套管形变压下量的设定、压头螺旋升角的设定以及试验、压头的设定、形变热处理参数的设定以及形变套管收缩量的设定，本发明涉及螺杆泵技术领域,本发明通压头的设计以及形变热处理工艺，完成了定子套管螺旋化的生产，同时将原本的非等壁厚的内衬注胶成为等壁厚，更好的迎合了转子，极大地增强了定子套管以及内衬的寿命，为飞速发展的油田生产开启了新篇章。
Description
技术领域
本发明涉及定子套管技术领域，具体为一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法。
背景技术
螺杆泵是容积式转子泵,它是依靠由螺杆和衬套形成的密封腔的容积变化来吸入和排出液体的，是油田中常用的工具。
其中，现有螺杆泵定子上的套管在井下复杂多变的恶劣情况下，承受着螺杆复杂交变的扭转、挤压以及接触应力，套管易损短寿，从而导致油田生产艰难，将定子套管制成与转子同步的螺旋管，从而使定子套管的内衬变为等壁厚，增强套管的寿命，是解决油田生产问题的根本途径。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，公开了一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法，包括以下试验：
S1、套管构想以及工装的设定；
(1)、将衬套衬附于定子套管的光滑内侧面，依照2:3内摆线结构，先制成螺旋内侧面，然后进行注胶，从而使所述定子套管形成2:3内摆线结构螺旋曲面，完成所述衬套的等壁化；
(2)、通过机床运作以及感应加热无模芯形变热处理工艺，完成所述定子套管的螺旋以及所述衬套注胶的等壁化；
S2、初拟主要工艺参数；
导程L-360mm、节距P-120mm、三压头均匀夹角∠θ-120°，压头压下量-6~9mm、感应加热形变热处理开始温度T1-800~950℃、感应加热形变热处理终止温度T2-750℃；
S3、定子套管螺旋化模型设计；
根据所述定子套管各指标以及预实施的各个参数，经过计算机模拟运算，制作出套管形变热处理化螺旋化后的预期视觉模型；
S4、套管形变压下量的设定；
根据所述定子套管的规格尺寸计算形变压下量；
S5、压头螺旋升角的设定以及试验；
根据所述压头与所述定子套管的导程关系，绘制所述压头在所述定子套管表面上一个导程的运行轨迹展开图，并计算所述压头的螺旋升角；
S6、压头的设定；
根据所述运行轨迹展开图计算所述压头的宽度；
S7、形变热处理参数的设定；
(1)、形变温度的设定：将所述定子套管采取正火进行处理，并利用红外线测温仪进行测温；
(2)、调节感应加热电源以及加热感应器；
(3)、加热时间的设定：压头开始停留时间为3-4秒、压头行进时间为2-3分钟；
S8、形变套管收缩量的设定；
(1)、取最高加热形变温度为950℃，计算每导程预留套管的导程增加量，试验两次，然后用千分尺测量计算，最终得出收缩率均值与钢的线膨胀系数进行对比；
(2)、取最高加热形变温度为830℃，对所述定子套管在无形变时进行线膨胀量、线收缩量以及形变热处理收缩量的试验和测量，且在所述定子套管形变后再次进行线膨胀量、线收缩量以及形变热处理收缩量的试验和测量，得出对比数据，从而计算出热处理形变收缩量以及热处理形变收缩率。
一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法，还包括以下工艺步骤：
(1)、准备好设备工装；
(2)、将所述压头靠到所述定子套管固定端内；
(3)、送电2-3秒后启动机床行进，并快速旋转压头至要求深度；
(4)、所述定子套管原料长度为1600mm，加热区域长度为1400mm时，所需工作时间为2-4分钟。
优选的，所述机床带有变频动力头，在刀架部位安装了三枚特制压头，三枚所述压头通过三等分安装在圆周卡盘上。
优选的，所述感应加热形变热处理温度的选择，应尽量在所选钢种的单相奥氏体下部区域进行。
优选的，步骤S3所述定子套管其型号为GB8-2。
优选的，步骤S7所述压头行进时间为2分53秒。
优选的，所述机床工作时要边行进边测温，保证运行。
优选的，所述机床运行时，做好电源、冷却水等设备。
优选的，所述工作时间为3分钟。
优选的，步骤S7所述正火工艺采用稳定奥氏体相变前加工变形的形变热处理。
优选的，所述红外线测温仪为50-1200℃红外线测温仪。
本发明的有益效果是：本发明通压头的设计以及形变热处理工艺，完成了定子套管螺旋化的生产，同时将原本的非等壁厚的内衬注胶成为等壁厚，更好的迎合了转子，极大地增强了定子套管以及内衬的寿命，为飞速发展的油田生产开启了新篇章。
附图说明
图1为本发明的套管形变热处理工装设备方块图。
图2为本发明的运行轨迹展开图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例：一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法，包括以下试验：
S1、套管构想以及工装的设定；
将衬套衬附于定子套管的光滑内侧面，依照2:3内摆线结构，先制成螺旋内侧面，然后进行注胶，从而使定子套管形成2:3内摆线结构螺旋曲面，完成衬套的等壁化；
根据图1所示，通过机床运作以及感应加热无模芯形变热处理工艺，完成定子套管的螺旋以及衬套注胶的等壁化；
S2、初拟主要工艺参数；
导程L-360mm、节距P-120mm、三压头均匀夹角∠θ-120°，压头压下量-6~9mm、感应加热形变热处理开始温度T1-800~950℃、感应加热形变热处理终止温度T2-750℃；感应加热形变热处理温度的选择，应尽量在所选钢种的单相奥氏体下部区域进行；
S3、定子套管螺旋化模型设计；
根据定子套管各指标以及预实施的各个参数，经过计算机模拟运算，制作出套管形变热处理化螺旋化后的预期视觉模型；
S4、套管形变压下量的设定；
已知定子套管外径ф为102mm，壁厚ъ为6.5mm，螺杆直径∮为76.6mm，由此可以计算形变下压量Ь=1/2（ф-∮-2Ь）=1/2（106-76.6-13）=6.2mm,
由此，本实验拟选Ь为6~9mm；
经过多支导管形变处理试验，处于现有条件，Ь≥7mm时，没进行完一支套管的试验而被迫中断，此后经过调整，最终选定其适宜的压头压下量Ь为5~6mm，同时也吻合上述计算中的6.2mm；
S5、压头螺旋升角的设定以及试验；
根据卡盘每旋转一周，每枚压头要刚好走完套管表面的一个导程，由此绘制压头在定子套管表面上一个导程的运行轨迹展开图，如图2所示，横坐标OA为套管的一个圆周长，纵坐标为套管的一个导程长，斜线OC为压头当前卡盘旋转一周时在套管表面上压下的轨迹，其中角α的正切便是本试验的螺旋升角，设压下量为7.5mm，套管形变热处理后收缩率η按15*10-6mm/mm·℃计算，则：
Tgα=AC/OA=360(1+0.015)/3.1416(102-2*7.5)=1.34,∠α=53.2°；
S6、压头的设定；
根据图2所示，OC线是压头延套管表面形变轨迹展开线，取OC上任意一点K，再K上作垂线MN，再作OA平行线PQ，令∠PKM为∠β，则∠β=90°-∠α=36.8°，令形变处理温度为1000℃，加热区总长度为1000mm，形变总收缩量为15mm，将钢的线膨胀系数约为14*10-6mm/mm·℃取整为15...，匡算压头宽度为E，E=P*cos∠β=120*（1+0.015）*cos36.8°=97.44mm；
S7、形变热处理参数的设定；
(1)、形变温度的设定：本试验套管为45#钢管，其临界温度AC3为780℃，AR3为750℃，奥氏体化温度为810~830℃，通过进行正火工艺，并利用红外线测温仪进行测温；
开始经四支套管的具体试验，一支成品，三支报废，最终确定本套管形变热处理的形变温度T为780~830℃；
(2)、调节感应加热电源以及加热感应器；
由感应加热深度δ=f/500,其中f为感应加热器频率，感应加热比功率1KW/cm2J计，选定WZP-120中频加热电源可行；
试验初，压头行进速度电机频率低到4.6f，功率调到最大也难以达到要求，当感应器调好后，变频电机的频率调到5.0~5.6f，温度可达950~1000℃，电源频率变为21.2KH，在恒定变频电机的频率5.0f，加热温度780~820℃，压下量为5~6mm时，电源功率降低到原来的三分之一，此时其电压为380V，电流为280A，计算功率为102KW，由此可见，这一部分参数便是本试验确定工艺参数的重要部分；
一般中频加热感应器为Ф20mm铜管单匝绕制，考虑到加热时，压头和感应器之间的距离较长，当压头行进速度较慢时，温度的降低达不到工艺要求，故采用Ф10mm铜管二支并联多匝绕制，开始纵排7匝，匝间距和轴间距均为15mm，经过测试，温度难以达到指定高度，经过多次试验后，将七匝改为五匝，匝间距以及轴间距均改为7mm以下，匝间用高温绝缘布袋隔离，变频电机频率降低至5.0f，电源功率降低至原本的三分之一处，此时，试验得以进入正轨；
(3)、加热时间的设定：自电源送电至压头开始，压头开始停留时间为8-10秒，参数正常后为3-4秒；
压头轴向行进速度，由机床电机卡盘转数确定，为保证温度要求，需额外增加一台11KW的变频步进电机，最终确定其速度为5.0f，相当于压头行进速度V为7.8/s，压头行进时间为2分53秒；
S8、形变套管收缩量的设定；
取最高加热形变温度为950℃，计算每导程360mm预留套管的导程增加量为4.79mm，取整为5mm，即每导程增加到365mm，
试验两次，然后用千分尺测量计算，最终得出收缩率均值13.7*10-6mm/mm·℃与钢的线膨胀系数14*10-6mm/mm·℃进行对比，比较吻合；
取最高加热形变温度为830℃，加热区域取1400mm,对定子套管在无形变时进行线膨胀量、线收缩量以及形变热处理收缩量的试验和测量，且在定子套管形变后再次进行线膨胀量、线收缩量以及形变热处理收缩量的试验和测量，得出结果如下：
无形变套管：加热到830℃时的伸长量为12.3mm，冷却至50℃时的收缩量为12.3mm，从而其线膨胀率aw为10.06*10-6mm/mm·℃，热处理收缩量为1mm，从而热处理收缩率为0.86*10-6mm/mm·℃；
无形变套管：加热到830℃时的伸长量为3.8mm，冷却至50℃时的收缩量为3.8mm，从而其线膨胀率ay为3.27*10-6mm/mm·℃，热处理收缩量为8.3mm，从而热处理收缩率为7.14*10-6mm/mm·℃。
此试验一是确定了45#钢管的实际线膨胀率α,它基本上是10.06*10-6mm/mm·℃，二是确定了本套管在本条件下的热处理形变收缩率η为7.14*10-6mm/mm·℃，三是从具体数据看，形变后的热处理膨胀率与收缩率的和仍等于原套管的线膨缩率，四是本导管无论线膨胀率还是形变热处理收缩率，都比预想的小。
由此，本试验的基本参数已经确定：
套管的基本参数：直径为Ф-102mm，壁厚δ-6.5mm，导程为L-360mm，节距P-120mm，材质45#钢；
套管形变数据：压头螺旋升角α-53.2°，压头辊宽E-96mm，压下量ъ-5~6mm，形变温度T-780~830℃，加热时压头行进速度V-7.8mm/s，形变收缩率η-7.14*10-6mm/mm·℃；
本试验的基本工装：
带有变频动力头的机床一台、WZP-120感应变频器一台、Ф10mm铜管双排并联纵排密绕5匝感应器一具、红外线50~1200℃测温仪一个以及千分尺等测量仪。
一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法的工艺步骤为：
准备好设备工装；
将压头靠到定子套管固定端内；
送电2-3秒后启动机床行进，并快速旋转压头至要求深度；
定子套管原料长度为1600mm，加热区域长度为1400mm时，所需工作时间为2-4分钟。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法，其特征在于，包括以下试验：
S1、套管构想以及工装的设定；
(1)、将衬套衬附于定子套管的光滑内侧面，依照2:3内摆线结构，先制成螺旋内侧面，然后进行注胶，从而使所述定子套管形成2:3内摆线结构螺旋曲面，完成所述衬套的等壁化；
(2)、通过机床运作以及感应加热无模芯形变热处理工艺，完成所述定子套管的螺旋以及所述衬套注胶的等壁化；
S2、初拟主要工艺参数；
导程L为360mm、节距P为120mm、三压头均匀夹角∠θ为120°，压头压下量为6~9mm、感应加热形变热处理开始温度T1为800~950℃、感应加热形变热处理终止温度T2为750℃；
S3、定子套管螺旋化模型设计；
根据所述定子套管各指标以及预实施的各个参数，经过计算机模拟运算，制作出套管形变热处理化螺旋化后的预期视觉模型；
S4、套管形变压下量的设定；
根据所述定子套管的规格尺寸计算形变压下量；
S5、压头螺旋升角的设定以及试验；
根据所述压头与所述定子套管的导程关系，绘制所述压头在所述定子套管表面上一个导程的运行轨迹展开图，并计算所述压头的螺旋升角；
S6、压头的设定；
根据所述运行轨迹展开图计算所述压头的宽度；
S7、形变热处理参数的设定；
(1)、形变温度的设定：将所述定子套管采取正火进行处理，并利用红外线测温仪进行测温；
(2)、调节感应加热电源以及加热感应器；
(3)、加热时间的设定：压头开始停留时间为3~4秒、压头行进时间为2~3分钟；
S8、形变套管收缩量的设定；
(1)、取最高加热形变温度为950℃，计算每导程预留套管的导程增加量，试验两次，然后用千分尺测量计算，最终得出收缩率均值与钢的线膨胀系数进行对比；
(2)、取最高加热形变温度为830℃，对所述定子套管在无形变时进行线膨胀量、线收缩量以及形变热处理收缩量的试验和测量，且在所述定子套管形变后再次进行线膨胀量、线收缩量以及形变热处理收缩量的试验和测量，得出对比数据，从而计算出热处理形变收缩量以及热处理形变收缩率，一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法，还包括以下工艺步骤：
(1)、准备好设备工装；
(2)、将所述压头靠到所述定子套管固定端内；
(3)、送电2~3秒后启动机床行进，并快速旋转压头至要求深度；
(4)、所述定子套管原料长度为1600mm，加热区域长度为1400mm时，所需工作时间为2~4分钟。
2.根据权利要求1所述的一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法，其特征在于，所述机床带有变频动力头，在刀架部位安装了三枚特制压头，三枚所述压头通过三等分安装在圆周卡盘上。
3.根据权利要求1所述的一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法，其特征在于，所述感应加热形变热处理温度的选择，应尽量在所选钢种的单相奥氏体下部区域进行。
4.根据权利要求1所述的一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法，其特征在于，步骤S3所述定子套管其型号为GB8-2。
5.根据权利要求1所述的一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法，其特征在于，步骤S7所述压头行进时间为2分53秒。
6.根据权利要求1所述的一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法，其特征在于，所述机床工作时要边行进边测温，保证运行。
7.根据权利要求1所述的一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法，其特征在于，所述机床运行时，做好电源、冷却水设备。
8.根据权利要求1所述的一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法，其特征在于，所述工作时间为3分钟。
9.根据权利要求1所述的一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法，其特征在于，步骤S7所述正火工艺采用稳定奥氏体相变前加工变形的形变热处理。
10.根据权利要求1所述的一种等壁厚螺杆泵定子套管形变热处理的试验方法，其特征在于，所述红外线测温仪为50-1200℃红外线测温仪。
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