DE3590880C2

DE3590880C2 - Verfahren zur Herstellung von Pumpenstangen

Info

Publication number: DE3590880C2
Application number: DE19853590880
Authority: DE
Inventors: Arthur Razi-Zade; Nariman Kurbanov; Pavel Sutovskyj; Talat Sichlinskyj; Chalid Kachramanov; Avraam Rabicovic; Karim Islam; Vladimir Timofeev; Oktaj Ibragimov
Original assignee: AZERBAJDZANSKIJ NI SKIJ I PKI
Current assignee: AZERBAJDZANSKIJ NI SKIJ I PKI
Priority date: 1985-11-26
Filing date: 1985-11-26
Publication date: 1989-02-23
Also published as: WO1987003330A1; AT391346B; US4796799A; BR8507313A; JPS63501582A; ATA908885A; GB2190616B; DE3590880T1; GB2190616A; GB8714349D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstel lung von Pumpenstangen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die bei der Erdölförderung eingesetzten Pumpenstan gen dienen zum Antrieb einer auf der Bohrlochsohle angeord neten Tiefpumpe. Die Pumpenstange stellt einen langen Zentralstab dar, auf dessen Enden Endköpfe mit einem Ge winde vorgesehen sind, das zur Verbindung der Stangen zu einem ins Bohrloch abgesenkten Pumpgestänge dient. Auf je dem Endkopf sind zwei zylindrische Bunde vorhanden, der ei ne dient, u. zw. der vom Zentralstab weiter entfernte, als Anschlag für eine die Stangen miteinander verbindende Gewindemuffe. Der Übergang von dem anderen, dem dem Zentralstab der Stange näher liegenden Bund ist stufenlos ausgebildet, um die Spannungsanhäufung zu reduzieren und das Aufsetzen auf ein Elevatorwerkzeug zu ermöglichen, mit dem das Pumpgestänge ins Bohrloch beim Betrieb ein- und ausgefahren wird. Zwischen den Bunden ist ein zum Ein- und Losschrauben der Stangen dienender Hals mit einem quadrati schen Querschnitt vorgesehen.

Während des Betriebs werden die Stangen einer zusam mengesetzten zyklischen Belastung ausgesetzt. Da die Stan gen in einer aus dem Bohrloch abgepumpten Flüssigkeit ar beiten, werden sie der Einwirkung von in der abgepumpten Flüssigkeit enthaltenen korrodierenden Mitteln ausgesetzt. Außerdem werden die Stangen auf Biegung, insbesondere in gekrümmten und geneigten Bohrlöchern beansprucht, und beim Ein- und Losschrauben werden die Gewindeverbindungen ver schlossen.

Das alles führt zu einem Verschleiß und zu Brüchen, vorwiegend der Gewindeverbindungen der Stangen und insbe sondere in Bohrlöchern mit einem Korrosionsmedium.

Allgemein bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung von aus einem Zentralstab und Endköpfen mit einem Gewinde bestehenden Pumpenstangen, das ein Stauchen der Köpfe auf den beiden Enden eines langen Stabes, eine nachfolgende Wärmebehandlung der Stange und eine mechanische Bearbei tung der Gewindeenden einschließt, wodurch eine als Ganz stück ausgeführte Pumpenstange hergestellt wird (siehe beispielsweise den Standard API Spec 11B (USA).

Bei der Herstellung solcher Stangen nach diesem Ver fahren werden kostspielige, vorwiegend mit Chrom, Nickel, Molybdän legierte Stähle eingesetzt, was vor allem durch hohe Anforderungen an die Endköpfe mit dem Gewinde bedingt ist, in denen die Spannungen konzentriert sind, durch die die Betriebsfähigkeit der Stangen, insbesondere in Bohrlöchern mit einem Korrosionsmedium herabgesetzt wird.

Es ist ein Verfahren zur Herstellung von aus einem Zentralstab und Endköpfen bestehenden Pumpenstangen be kannt, welches ein Stauchen und ein Preßschweißen (siehe beispielsweise GB-PS 21 04 936) umfaßt.

Bei der Stangenherstellung nach diesem Verfahren wer den die Endköpfe gestaucht und mechanisch bearbeitet und dann durch ein Preßschweißen und insbesondere durch das Reibschweißen an den Zentralstab angeschweißt, und von der Stelle der Schweißverbindung wird der entstandene Grat ent fernt.

Bei diesem Verfahren zur Herstellung von Stangen liegt die Schweißverbindung auf dem minimalen Stangenquerschnitt, was infolge der Einwirkung möglicher, die Festigkeit der Schweißverbindung beeinträchtigender Bindefehler und an derer Fehler der Schweißverbindung gefährlich ist. Außer dem liegt die Schweißverbindung an der Stelle der Stangen querschnittsänderung beim Übergang vom Stab zum Kopf in ei ner konstruktionsbedingten Spannungspitze, was inbeson dere bei der Stangenbiegung während des Betriebs in ge krümmten und geneigten Bohrlöchern unzuverlässig ist.

Außerdem wird durch die Gratreste sogar nach dem Ent graten infolge der unvermeidbaren Verlagerung des Stabes und der Schweißköpfe während des Schweißvorgangs die Kor rosion- und Ermüdungsfestigkeit des Werkstoffs des Stabes und der Endköpfe vermindert.

Die mit dem Schweißen verbundene Hochtemperaturerhit zung im Bereich der Schweißverbindung führt zur Änderung des ursprünglichen Metallgefüges des Stabes und der End köpfe sowie zum Auftreten von Wärmerestspannungen, wo durch die Betriebsfähigkeit der Stange herabgesetzt wird.

Durch die Herstellung der Köpfe aus einem Stahl mit einer höheren Festigkeit als beim Stahl des Zentralstabes wird der Verbrauch an kostspieligem Legierungsstahl verringert. Jedoch ist auch in diesem Fall der Verbrauch an kostspieligem Stahl für die Herstellung der Köpfe relativ groß, wenn auch der feste legierte Stahl nur für die Herstellung des Gewindeteils des Kopfes erforderlich ist.

Bedingt durch die obengenannten Faktoren wird eine ho he Zuverlässigkeit der Stangen, die unter komplizierten Be dingungen, unter zyklischer Belastung und unter Kor rosionseinwirkung der geförderten Flüssigkeit betrieben werden, infolge einer geringen Korrosions- und Ermüdungs festigkeit des Werkstoffs und einer geringen Standzeit der nach dem genannten Verfahren ausgeführten Schweißverbin dung, nicht gewährleistet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren zur Herstellung von Pumpenstangen zu ent wickeln, nach dem das Preßschweißen und das Stauchen so durchgeführt werden, daß die Herstellungskosten für die Stangen bedeutend reduziert und die Zuverlässigkeit der Stangen, die unter schweren Bedingungen, inbesondere in Bohrlöchern mit einem Korrosionsmedium betrieben werden, erhöht werden.

Das wird dadurch erzielt, daß in einem Verfahren zur Herstellung von aus einem Zentralstab und Endköpfen bestehenden Pumpen stangen, welches ein Stauchen und ein Preßschweißen umfaßt, erfindungsgemäß zuerst ein Zentralstabrohling und Endstab rohlinge, die aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt werden, unter Erzeugung eines einzigen Schweißstücks preßgeschweißt und dann die Endköpfe aus dem Schweißstück gestaucht wer den, wobei die Länge der Endstrabrohlinge so gewählt wird, daß die Schweißverbindungen nach dem Stauchen auf dem maximalen Querschnitt des Stangenkopfes liegen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Pumpenstangen wird eine Schweißverbindung hergestellt, die eine wesentlich größere Fläche im Vergleich zum Stan genkörper (bei ihrer Lage auf dem maximalen Querschnitt ist die Fläche um ein 3,5 bis 4,0faches größer) besitzt, d. h., sie liegt in der Einwirkungszone der minimalen Spannungen und hat folglich eine mehrfache Festigkeitsreserve, wo durch eine hohe Zuverlässigkeit und eine große Lebensdauer der Stangen gewährleistet wird.

Bei der Stangenherstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entfällt die Notwendigkeit der Einhaltung einer hohen Genauigkeit beim Schweißen der Stabrohlinge und beim Entgraten, weil während des nachfolgenden Stauchvor gangs eine Formänderung des Schweißstücks stattfindet das dabei einer bedeutenden plastischen Verformung unterworfen wird. Während des nachfolgenden Stauchens der Endköpfe aus dem Schweißstück und der Wärmebehandlung der Stange wird der Einfluß der Erhitzung in der Zone der Schweißverbin dung beim Schweißen beseitigt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Verbrauch an kostspieligem Legierungsstahl verringert, weil die Größe (die Länge) der Stabrohlinge ausgehend von der Lage der Schweißverbindung nach dem Stauchen auf dem maximalen Kopfquerschnitt, vorzugsweise im mittleren Teil des vom Zentralstab weiter entfernten zylindrischen Anschlagbundes gewählt wird, d. h., der kostspielige Legierungsstahl wird nur zur Herstellung des besonders beanspruchten Stangen teils, u. zw. des Gewindes eingesetzt.

Die Stangenherstellung nach dem erfindungsgemäßen Ver fahren erfordert keine großen Produktionskosten, weil das Schweißen der Stabrohlinge ein einfacher und billiger Vor gang ist.

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung an Hand der Beschreibung konkreter Ausführungsbeispiele unter Be zugnahme auf Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Strabrohlinge vor dem Schweißen nach dem er findungsgemäßen Verfahren (in Gesamtansicht);

Fig. 2 ein Schweißstück mit Grat nach dem erfindungs gemäßen Verfahren (in Gesamtansicht);

Fig. 3 ein Schweißstück nach dem Entgraten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (in Gesamtansicht);

Fig. 4 einen Pumpenstangenrohling mit Außengewinden nach dem Stauchen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (in Gesamtansicht);

Fig. 5 einen Pumpenstangenrohling mit Außen- und In nengewinden nach dem Stauchen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (in Gesamtansicht);

Fig. 6 eine Pumpenstange mit Außengewinden, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist (in Gesamtansicht);

Fig. 7 eine Pumpenstange mit Außen- und Innengewin den die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist (in Gesamtansicht).

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Pumpenstangen gestattet eine wirkungsvolle Herstellung von Pumpenstangen , die vorwiegend unter schweren Betriebsbe dingungen in Bohrlöchern mit einem Korrosionsmedium einge setzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß ein Zentralstabrohling 1 (Fig. 1) und Endstabrohlinge 2 und 3 genommen werden. Dabei werden für die Herstellung der Rohlinge unterschiedliche Werkstoffe verwendet, bei spielsweise für den Zentralrohling 1 ein Stahl mit folgen der Zusammensetzung (in Masseprozent): Kohlenstoff 0,37 -0,45, Silizium 0,17-037, Mangan 05-0,8, Chrom max. 0,25, Schwefel max. 0,04, Phosphor max. 0,35, Rest - Eisen oder ein Stahl mit folgender Zusammensetzung (in Masseprozent): Kohlenstoff 0,17-0,25, Silizium 0,17-0,37, Mangan 0,4-0,7, Nickel 1,5-1,9, Molybdän 0,2-0,3, Schwefel und Phosphor max. 0,035, Rest - Eisen; und für die Endrohlinge 2 und 3 ein Legierungsstahl mit folgender Zusammensetzung (in Massepro zent): Kohlenstoff 0,13-0,18, Silizium 0,17-0,37, Mangan 0,35-0,65, Chrom max. 0,35, Kupfer max. 0,30, Nickel 3,2 -3,8, Molybdän 0,20-0,30, Schwefel und Phosphor max. 0,025, Rest - Eisen.

Zuerst wird ein Preßschweißen, u. z. das Reibschweißen des Zentralstabrohlings 1 und der Endstabrohlinge 2 und 3 durchgeführt. Nach dem Schweißen wird der an den Schweißstel len entstandene Grat 4 (Fig. 2) und 5 entfernt und es wird ein Schweißstück als Stangenrohling, siehe Fig. 3, mit Schweißverbindungen 6 und 7 gewonnen.

Dann werden aus dem Schweißstück Stangenendköpfe 8, 9, 10, 11 gestaucht, wie dies in Fig. 4 und 5 ge zeigt ist, wobei in Abhängigkeit von der Stangenkonstrukti on die Endköpfe 8 (Fig. 4 und 5), 9 und 10 jeweils mit einem Außengewinde und der Endkopf 11 (Fig. 5) mit einem Innengewinde versehen werden. Die Länge der Endstabrohlinge 2 und 3 wird so gewählt, daß die Schweißverbindungen 6 und 7 nach dem Stauchen auf dem maximalen Querschnitt der Stan genköpfe 8, 9, 10, 11, vorzugsweise im mittleren Teil der vom Zentralstab 1 weiter entfernten zylindrischen Anschlag bunde 12, 13, 14 und 15 liegen. Dabei wird das Stauchen, wie vorher gesagt, in Abhängigkeit von der Stangenkon struktion für Außengewinde (Fig. 4) oder für Außen- und Innengewinde (Fig. 5) ausgeführt: die Länge der End stabrohlinge 2 (Fig. 1) und 3 kann gleich oder verschieden sein.

Die Lage der Schweißverbindungen 6 (Fig. 4 und 5) und 7 nach dem Stauchen im mittleren Teil der Anschlagbunde 12, 13, 14 und 15 ist am vorteilhaftesten, weil dabei für die Schweißverbindungen 6 und 7 eine maximale Fläche und folg lich eine maximale Festigkeit bei einem relativ geringen Verbrauch an kostspieligem für die Herstellung der End rohlinge 2 (Fig. 1) und 3 verwendeten Legierungsstahl ge währleistet werden.

Bei einer Stange mit einem Außengewinde (Fig. 4), de ren Zentralstabrohlinge 1 (Fig. 1) einen Durchmesser von 22 mm (⁷/₈″) hat, beträgt beispielsweise die Länge jedes der End rohlinge 2 und 3 mit dem gleichen Durchmesser ca. 150 mm, wodurch die Lage der Schweißverbindung 6 (Fig. 4) und 7 im mittleren Teil der Anschlagbunde 12 und 13 der Endköpfe 8 und 9 gesichert wird. Bei einer Gesamtlänge der Stange von ca. 8000 mm ist der Stahlverbrauch für die Herstel lung der Endrohlinge 2 und 3 ca. 300 mm oder 4% der Ge samtlänge.

Bei Notwendigkeit kann die Länge der Endrohlinge ver größert werden, jedoch unter der Bedingung, daß sich die Schweißverbindungen unbedingt auf einem Querschnitt befinden, der größer als der Querschnitt des Zentralstabrohlings der Stange ist, beispielsweise im Bereich des Kopfhalses mit einem quadratischen Querschnitt oder mit einem zylindrischen, am Zentralstab näher gelegenen Kopfbund.

Nach der Wärmebehandlung und der mechanischen Be arbeitung der Endköpfe, die wie bei der normalen Stangen herstellung gestaucht worden sind, erhält man Schweißstan gen (Fig. 6 und 7), die aus dem Zentralstab 16 und 17 und den Endköpfen 8, 9, 10 und 11 entsprechend bestehen.

Auf der Schweißstange gemäß Fig. 6, die nach dem er findungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist, sind die beiden Enden des Zentralstabes 16 mit Endköpfen 8 und 9 versehen, die aus Außengewinden 18 und 19, zylindrischen Hülsen 20 und 21, vom Stab 16 weiter entfernten zy lindrischen Anschlagbunden 12 und 13, Hülsen 22 und 23 mit einem quadratischen Querschnitt und zylindrischen Bunden 24 und 25 bestehen, wobei die letzteren näher am Zentralstab 16 gelegen sind und stufenlose Übergänge 26 und 27 von den Bunden 24 und 25 zum Zentralstab 16 für das Aufsetzen auf einen Elevator aufweisen. Die Schweißverbindungen 6 und 7 liegen im mittleren Teil der Anschlagbunde 12 und 13, d. h. auf dem maximalen Querschnitt der Stangenköpfe 8 und 9.

Bei der Herstellung der Stange gemäß Fig. 7 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, die auf der einen Seite mit einem Außengewinde 18 und auf der anderen mit einem Innen gewinde 28 versehen ist, unterscheidet sich die Stangen konstruktion von der Konstruktion der Stange gemäß Fig. 6 nur dadurch, daß die Schweißverbindung 7 (Fig. 7) im mitt leren Teil des Anschlagbundes 15 liegt, der mit dem Innen gewinde 28 versehen ist.

Die Herstellung der Stangen nach dem erfindungsgemä ßen Verfahren gestattet es, bei unbedeutenden Kosten für die Stangenherstellung den Verbrauch an kostspieligem Legierungsstahl wesentlich (mehr als um 90%) zu reduzie ren, wodurch der Aufwand für die Stangenherstellung ver ringert sowie eine maximal hohe Sicherheit der Schweiß verbindungen und eine hohe Festigkeit und Korrosionsbe ständigkeit des Gewindes gewährleistet werden. Da der Stangendurchmesser durch die Werkstoffestigkeit und die Ge windeabsmessungen bestimmt werden, können gegebenenfalls bei der Stangenherstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfah ren die Gewindeabmessungen durch den Einsatz eines Werk stoffs mit einer höheren Festigkeit kleiner gehalten wer den, wodurch nicht nur die Abmessungen der Stange selbst verringert werden können, sondern auch die Verwendung von kleineren Pumpenrohren ermöglicht wird, in denen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Stangen ein gesetzt werden.

Die Erfindung kann zur Herstellung von Pumpenstangen angewendet werden, die bei der Erdölförderung eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von aus einem Zentralstab (16, 17) und Endköpfen (8, 9, 10, 11) bestehenden Pumpen stangen, welches ein Stauchen und ein Preßschweißen ein schließt, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst ein Zentral stabrohling (1) und Endstabrohlinge (2, 3), die aus unter schiedlichen Werkstoffen hergestellt werden, unter Er zeugung eines Schweißstücks preßgeschweißt werden und dann die Endköpfe (8, 9, 10, 11) aus dem Schweißstück gestaucht werden, wobei die Länge der Endstabrohlinge (2, 3) so ge wählt wird, daß die Schweißverbindungen (6, 7) nach dem Stauchen auf dem maximalen Querschnitt der Stangenköpfe (8, 9, 10, 11) liegen.