RU2048546C1

RU2048546C1 - Pump rod manufacture method

Info

Publication number: RU2048546C1
Authority: RU
Inventors: Владислав Владимирович Семенов; Валерий Витальевич Пепеляев
Original assignee: Владислав Владимирович Семенов; Валерий Витальевич Пепеляев
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 1995-11-20

Abstract

FIELD: oil mechanical engineering. SUBSTANCE: method provides for heading from both ends of rod rolling heads with nipple, bead, square and transforming into body of rod fillet, rod thermal treatment, its straightening, heads machining and surface hardening of rod ends with head, nipple, bead, square, fillet and adjacent to them parts of rod body, not covering average by length part of rod body. Surface hardening is exercised by methods of chemical thermal treatment, that is carried out simultaneously with heat treatment of rest part of rod body. EFFECT: improved design. 3 cl, 1 dwg, 3 tbl

Description

Изобретение относится к области нефтяного машиностроения и предназначено для использования при изготовлении насосных штанг для глубинно-насосной эксплуатации скважин. The invention relates to the field of petroleum engineering and is intended for use in the manufacture of sucker rods for deep pump operation of wells.

Известен способ изготовления насосных штанг, согласно которому концы мерного штангового проката (заготовки) подвергают высадке, формируя тем самым с обоих концов заготовки головки штанги с ниппелем, буртиком, квадратом и галтелью, переходящей в тело штанги, затем штанги с высаженными головками нормализуют, после чего осуществляют правку и механическую обработку высаженных частей. A known method of manufacturing sucker rods, according to which the ends of the measured rod hire (billet) is subjected to disembarkation, thereby forming from both ends of the workpiece the rod heads with a nipple, bead, square and fillet, passing into the rod body, then the rods with upset heads are normalized, after which carry out dressing and machining of the planted parts.

Однако этот известный способ изготовления насосных штанг не обеспечивает им достаточные механические характеристики, исключающие обрывы их при эксплуатации, а в случае разрыва штанги, изготовленной известным способом, не обеспечивается возможность к восстановлению такой штанги для ее повторного применения. However, this known method of manufacturing sucker rods does not provide them with sufficient mechanical characteristics that prevent them from breaking during operation, and in the event of a break in a rod made in a known manner, it is not possible to restore such a rod for reuse.

Практика эксплуатации показывает, что насосные штанги, изготовленные известным способом, обрываются, как правило, вблизи высаженной части, причем в 94% случаев обрывов расстояние от места обрыва в теле штанги до нижнего бурта головки не превышает 180 мм. Поэтому размеры обломков штанг с головкой в этих случаях недостаточны для их повторного использования, поскольку такие обломки невозможно зажать в патрон токарного станка при токарных работах (минимальный размер обломка должен быть не менее 250 мм, такой размер определяется исходя из технических характеристик существующего парка станков). Следовательно, известный способ изготовления насосных штанг не обеспечивает возможности восстанавливать насосные штанги, разрушившиеся в процессе эксплуатации. Operational practice shows that pump rods made in a known manner break, as a rule, near the planted part, and in 94% of cases of breaks, the distance from the break point in the body of the rod to the lower shoulder of the head does not exceed 180 mm. Therefore, the size of the fragments of the rods with the head in these cases is insufficient for their reuse, since such fragments cannot be clamped into the chuck of the lathe during turning operations (the minimum size of the fragment must be at least 250 mm, this size is determined based on the technical characteristics of the existing fleet of machines). Therefore, the known method of manufacturing sucker rods does not provide the ability to restore sucker rods that collapsed during operation.

Заявляемое изобретение впервые решает новую техническую задачу обеспечения при изготовлении насосной штанги возможности ее к восстановлению в случае разрыва штанги в процессе эксплуатации путем смещения по сравнению со штангами, изготовленными известным способом, места разрыва штанги по длине в часть тела штанги, обеспечивающую ее восстанавливаемость, за счет создания частей насосной штанги с разными пределами выносливости. Дополнительной задачей данного изобретения является повышение срока службы штанги. The claimed invention for the first time solves a new technical problem of ensuring, during the manufacture of a pump rod, that it can be restored in the event of a rod rupture during operation by displacing, in comparison with rods manufactured in a known manner, the rod rupture site along the length to the part of the rod body that ensures its recoverability, due to creating sucker rod parts with different endurance limits. An additional objective of this invention is to increase the service life of the rod.

Указанная техническая задача решается благодаря тому, что в известном способе изготовления насосной штанги, включающем высадку с обоих концов штангового проката головок с ниппелем, буртиком, квадратом и галтелью, переходящей в тело штанги, термическую обработку штанги, ее правку и механическую обработку головок, производится поверхностное упрочнение галтелей и прилегающих к ним частей тела штанги, не захватывая среднюю по длине часть тела штанги, причем упрочнение может производиться методами химико-термической обработки, например цементацией, причем упрочнение химико-термической обработкой концов штанги может производиться одновременно с термической обработкой остальной части тела штанги, причем поверхностное упрочнение может производиться после механической обработки головок. The specified technical problem is solved due to the fact that in the known method of manufacturing a pump rod, including the landing from both ends of the rod rolling heads with a nipple, shoulder, square and fillet, passing into the body of the rod, the rod is heat treated, straightened and the heads machined, surface hardening of fillets and adjacent parts of the body of the rod without capturing the middle part of the body of the rod, and hardening can be carried out by methods of chemical-thermal treatment, for example entatsiey, wherein hardening of the chemical-thermal treatment of the rod ends may be performed simultaneously with the heat treatment of the rest of the rod body, wherein the surface hardening can be carried out after the mechanical machining heads.

В настоящее время из общедоступных источников информации нам не известны способы изготовления насосных штанг, которые бы в случае разрыва штанги в процессе эксплуатации обеспечивали бы возможность их восстановления. Поэтому предлагаемый способ соответствует критерию "Новизна", так как не известен из уровня техники. Currently, from publicly available sources of information, we are not aware of methods for manufacturing sucker rods that would ensure the possibility of their recovery if the rod burst during operation. Therefore, the proposed method meets the criterion of "Novelty", as it is not known from the prior art.

Благодаря указанным операциям в заявляемом способе впервые обеспечивается повышение механических характеристик отдельных участков штанг, а именно галтелей и прилегающих к ним частей тела штанги, путем их поверхностного упрочнения, в результате чего место статистически установленного усталостного разрушения штанги, изготовленной известным способом, смещается за пределы упрочненного участка в среднюю часть штанги. Благодаря тому, что предел выносливости галтелей и прилегающих к ним частей тела штанги в заявляемом способе повышается поверхностным упрочнением, включающем, например, химико-термическую обработку, до 590 ± 23 МПа, в то время как предел выносливости для нормализованного тела составляет 243 ± 17 МПа, а для нормализованного и закаленного ТВЧ 500 ± 10 МПа, как следствие, усталостное разрушение штанг с упрочненными концевыми участками при любых условиях эксплуатации будет происходить за пределами упрочненных участков. При этом переход в структуре металла от упрочненных участков штанги к ее телу, как показали данные дефектоскопии, имеет плавный характер, и протяженность этой переходной области составляет 50-100 мм, благодаря чему в этой области исключается повышенный уровень внутренних напряжений, который обычно имеет место там, где есть резкий градиент свойств. Значения величин пределов выносливости образцов, вырезанных из упрочненных участков, переходной области и средней части штанг, изготовленных по заявляемому способу, приведены в табл. 1 (испытания проведены методом Локати по схеме "консольный изгиб с вращением", ГОСТ 25.502-78). Thanks to these operations, the claimed method for the first time provides an increase in the mechanical characteristics of individual sections of the rods, namely fillets and adjacent parts of the rod body, by surface hardening, as a result of which the place of the statistically determined fatigue failure of the rod made in a known manner is shifted beyond the hardened area in the middle of the bar. Due to the fact that the endurance limit of the fillets and adjacent parts of the body of the rod in the present method is increased by surface hardening, including, for example, chemical-thermal treatment, to 590 ± 23 MPa, while the endurance limit for a normalized body is 243 ± 17 MPa and for normalized and quenched HDTV 500 ± 10 MPa, as a result, fatigue failure of rods with hardened end sections under any operating conditions will occur outside the hardened sections. In this case, the transition in the metal structure from hardened sections of the rod to its body, as shown by flaw detection, is smooth, and the length of this transition region is 50-100 mm, which eliminates the increased level of internal stresses that usually occurs there where there is a sharp gradient of properties. The values of the endurance limits of samples cut from hardened sections, the transition region and the middle part of the rods made by the present method are shown in table. 1 (tests were performed by the Locati method according to the "cantilever bending with rotation" scheme, GOST 25.502-78).

Из табл. 1 следует, что усталостное разрушение в переходной области маловероятно и оно возможно только в средней части тела штанги. From the table. 1 it follows that fatigue failure in the transition region is unlikely and it is possible only in the middle part of the rod body.

Благодаря тому, что закалка с нагревом Т.В.Ч. является окончательной операцией изготовления штанг, в заявляемом способе появляется возможность поверхностного упрочнения галтелей и прилегающих к ним частей тела штанги непосредственно после механического изготовления головок путем закалки с нагревом Т. В.Ч. оставляя незакаленной среднюю по длине часть тела штанги. Это исключает отрицательное влияние поверхностного упрочнения на обрабатываемость головок. Значения предела выносливости образцов, вырезанных из участков штанг, подвергнутых закалке с нагревом Т.В.Ч. а также из незакаленных участков, содержатся в табл. 2. Из этих данных следует, что усталостное разрушение штанг должно происходить за пределами упрочненных участков. Благодаря тому, что усталостное разрушение штанг во время эксплуатации будет происходить за пределами упрочненных участков и переходной области, впервые появляется возможность восстановить разрушившуюся по телу штангу, поскольку появляется возможность для проведения токарных работ, а низкое содержание углерода в структуре металла средней части тела штанги обеспечивает свариваемость частей штанги. Даже если разрушение штанги при эксплуатации произойдет в переходной области, в той ее части, где цементованный слой отсутствует, а обезуглероженного еще нет, то и в этом случае свариваемость соединяемых частей штанги будет удовлетворительной. Due to the fact that quenching with heating is the final operation of the manufacture of rods, in the claimed method, it becomes possible to surface harden the fillets and adjacent parts of the rod body immediately after the mechanical manufacture of the heads by quenching with heating T. V.Ch. leaving the middle part of the rod body unhardened. This eliminates the negative effect of surface hardening on the machinability of the heads. The endurance limit of samples cut from sections of rods subjected to quenching with heating as well as from unhardened areas, are contained in table. 2. From these data it follows that the fatigue failure of the rods should occur outside the hardened areas. Due to the fact that the fatigue failure of the rods during operation will occur outside the hardened areas and the transition region, for the first time it becomes possible to restore the rod that has collapsed over the body, since it is possible to carry out turning operations, and the low carbon content in the metal structure of the middle part of the rod body provides weldability parts of the bar. Even if the destruction of the rod during operation occurs in the transition region, in that part where the cemented layer is absent and decarburized yet, then in this case, the weldability of the connected parts of the rod will be satisfactory.

Таким образом, предложенные отличительные признаки заявляемого технического решения в совокупности с известными признаками явным образом не следуют из уровня техники и обеспечивают данному объекту новые свойства, отраженные в цели изобретения, исходя из чего можно сделать вывод о том, что заявляемый способ отвечает критерию "Изобретательский уровень". Thus, the proposed distinctive features of the proposed technical solution in conjunction with the known features do not explicitly follow from the prior art and provide this object with new properties reflected in the purpose of the invention, based on which we can conclude that the claimed method meets the criterion of "Inventive step "

Пример осуществления заявляемого способа. An example implementation of the proposed method.

Заявляемый способ был реализован в производственных условиях, где было использовано следующее оборудование и материалы:
высокочастотная установка ВПЧ-100/8000 с индуктором 0774-6074 для нагрева концевых участков штанг под высадку головок до температуры 1250^оС за 16-26 с;
ковочный 4-ручьевой пресс для высадки головок;
газоплазменный проходной агрегат для нормализации штанг конструкции ВНИИ " Теплопроект", температура по зонам 850-920^оС, продолжительность нормализации 28 мин;
установка для растяжения штанг с усилием до 18 тс, скоростью деформации до 1,5 м/мин, ходом подвижной части до 780 мм (Г833.022.00.00.00.00СБ. Разработчик ПКТБхиммаш, г. Пермь);
автоматическая линия для механической обработки головок штанги и нарезке резьбы, тип ЛМ 0768;
агрегат для поверхностной закалки ТВЧ, тип УШ-12;
заготовка из стали 20Н2М (ГОСТ 4543-71), условное обозначение 19 НОП.ОЗУ;
контейнеры цилиндрические из стали марки сталь 40 с глухим дном, длиной 500 мм, внутренний диаметр 45 мм, соответствующий наибольшему диаметру высаженной части насосной штанги, и толщиной стенки 3 мм;
карбюризатор древесно-угольный (ГОСТ 2407-83);
картон асбестовый (ГОСТ 2850-80).The inventive method was implemented in a production environment where the following equipment and materials were used:
setting the high frequency of HPV-100/8000 0774-6074 with the inductor to heat the end portions of the rods under the landing heads to a temperature of ¹²⁵⁰ C for 16-26 seconds;
forging 4-strand head-cutting press;
gas-plasma passage unit for the normalization of the rods design VNII "Teploproekt", the temperature in the zones of 850-920 ^about C, the duration of the normalization of 28 minutes;
a machine for stretching the rods with a force of up to 18 tf, a deformation speed of up to 1.5 m / min, a stroke of the moving part up to 780 mm (G833.022.00.00.00.00 SB. Developer PKThimmash, Perm);
automatic line for machining rod heads and threading, type LM 0768;
unit for surface hardening of high frequency alloys, type USh-12;
billet from steel 20N2M (GOST 4543-71), symbol 19 NOP.OZU;
cylindrical containers made of steel steel grade 40 with a blind bottom, 500 mm long, internal diameter 45 mm, corresponding to the largest diameter of the upset portion of the pump rod, and a wall thickness of 3 mm;
charcoal carburetor (GOST 2407-83);
asbestos cardboard (GOST 2850-80).

Концевые участки заготовки насосной штанги помещали в индуктор высокочастотной установки и нагревали их до температуры 1250^оС, продолжительность нагрева 16-26 с, после чего высаживали при помощи 4-ручьевого пресса головки заготовки насосной штанги. Заготовки насосных штанг с высаженными головками укладывали на монтажное приспособление. Высаженные части заготовки штанги с обоих концов штанги помещали в цилиндрические стальные контейнеры с глухим дном. Внутренний диаметр контейнера, составлявший 45 мм, соответствовал наибольшему диаметру высаженной части насосной штанги; длина контейнера составляла 500 мм, а толщина стенок 3 мм. Внутреннее пространство каждого контейнера между внутренней поверхностью контейнера и концевой частью насосной штанги, а именно галтелью и прилегающей к ней частью тела штанги, заполняли свежим древесно-угольным карбюризатором (при этом высаженная часть насосной штанги, которая была расположена за галтелью к концам штанги, была свободна от карбюризатора). Уплотняли карбюризатор в контейнерах и загерметизировали их размоченным в воде асбестовым картоном. После этого заготовку насосной штанги с контейнерами на концевых участках укладывали на транспортер цепного конвейера и подавали в зону нагрева газопламенной проходной печи для проведения одновременно процесса нормализации и поверхностного упрочнения методом цементации, температура по зонам составляла от 850 до 920^оС, время нахождения в печи 28 мин. Затем штангу с контейнерами на концах охлаждали на воздухе до температуры окружающего воздуха цеха, после чего освобождали от контейнеров. В результате проделанных операций в частях штанги, находившихся в контейнерах, в галтелях и прилегающих к ним частях тела штанги длиной порядка 350 мм с каждого конца произошел процесс цементации, а средней по длине части тела штанги только процесс нормализации. Затем насосную штангу подвергали правке на установке для растяжения штанг с усилием до 18 тс и удлинением не более 120 мм на длине 8000 мм, после чего штангу подвергали неразрушающему контролю с целью выявления дефектов несплошности и неоднородности структуры новой насосной штанги. Прошедшие неразрушающий контроль насосные штанги подавали на автоматическую линию механической обработки головок штанги, где производили нарезку резьбы. После механической обработки проводили дополнительное упрочнение всей насосной штанги закалкой с нагревом ТВЧ.The end portions of the preform rod pump was placed in the high-frequency inductor installation and heated to a temperature of ¹²⁵⁰ C, the heating time 16-26 s, and then precipitated with 4-strand die presses the workpiece sucker rod. Blanks of sucker rods with upset heads were laid on the mounting fixture. The landed parts of the rod blank from both ends of the rod were placed in cylindrical steel containers with a blank bottom. The inner diameter of the container, which was 45 mm, corresponded to the largest diameter of the upset portion of the pump rod; the length of the container was 500 mm and the wall thickness was 3 mm. The inner space of each container between the inner surface of the container and the end part of the pump rod, namely the fillet and the adjacent part of the rod body, was filled with fresh charcoal carburizer (the upset part of the pump rod, which was located behind the fillet to the ends of the rod, was free from the carburetor). The carburizer was sealed in containers and sealed with asbestos cardboard soaked in water. The preform sucker rod with containers on the end portions laid on the conveyor chain conveyor and fed into a heating zone flame continuous furnace for carrying out simultaneously the normalization process and surface hardening by carburization, the zones temperature of 850 to 920 ^{° C,} residence time in the furnace 28 min Then the rod with the containers at the ends was cooled in air to the ambient temperature of the workshop, and then freed from the containers. As a result of the operations performed in parts of the rod located in containers, in fillets and adjacent parts of the rod body with a length of about 350 mm, a cementation process occurred at each end, and only the normalization process was average along the length of the rod body. Then, the pump rod was subjected to editing at the installation for stretching the rods with a force of up to 18 tf and elongation of not more than 120 mm over a length of 8000 mm, after which the rod was subjected to non-destructive testing in order to detect defects in the discontinuity and heterogeneity of the structure of the new pump rod. The non-destructive testing sucker rods were fed to an automatic line for machining the rod heads, where threads were made. After machining, an additional hardening of the entire pump rod was carried out by quenching with heating of the high frequency current.

Распределение микротвердости (НVO,2) по глубине (h) исследованных образцов насосных штанг, изготовленных по заявляемому способу, приведено на чертеже. The distribution of microhardness (HVO, 2) in depth (h) of the investigated samples of sucker rods made by the present method is shown in the drawing.

Из чертежа следует, что участки 2 насосной штанги (галтели и прилегающие к ним части тела штанги), прошедшие поверхностное упрочнение методом цементации и закалки с нагревом ТВЧ, имеют микротвердость поверхности 690 кГц/мм² и цементованный слой глубиной 0,2-0,3 мм (t=900^оС; 0,5 ч), в то время, как часть 1 насосной штанги (средняя часть тела штанги), прошедшая только нормализацию и закалку с нагревом ТВЧ, имеет микротвердость поверхности 200 кГс/мм² и обезуглероженный слой до 0,3 мм (900^оС, 0,5 ч).It follows from the drawing that sections 2 of the pump rod (fillets and adjacent parts of the rod body) that have undergone surface hardening by cementation and hardening with high-frequency heating have a surface microhardness of 690 kHz / mm ² and a cemented layer with a depth of 0.2-0.3 mm (t = 900 ^° C; 0.5 h), while part 1 of the pump rod (middle part of the rod body), which underwent only normalization and quenching with heating of the HDTV, has a surface microhardness of 200 kG / mm ² and a decarburized layer up to 0.3 mm (900 ^° C, 0.5 h).

Результаты усталостных испытаний образцов насосной штанги, изготовленной по заявляемому способу, приведены в табл.3. The results of fatigue tests of samples of the pump rod made by the present method are shown in table 3.

Таким образом, благодаря предложенной технологии изготовления насосных штанг, появилась возможность получить насосные штанги, концевые участки которых, а именно галтели и прилегающие к ним части тела штанги, имеют предел выносливости, превосходящей предел выносливости средней по длине части тела штанги в 1,2 раза для штанг, прошедших дополнительное упрочнение нагревом ТВЧ, и в 2,4 раза для штанг, прошедших только нормализацию (прототип), что позволяет увеличить межремонтный период штанги в 2,5-10 раз. И поскольку усталостное разрушение штанг будет происходить за пределами термоупрочненных концов насосной штанги, тем самым обеспечивается возможность разрушенной во время эксплуатации штанги к восстановлению, так как разрушенную в средней по длине части штангу возможно подвергнуть токарной обработке, а низкое содержание углерода в данной части штанги обеспечивает свариваемость этих частей. При этом и после ремонта сохраняется достаточный для эксплуатации межремонтный период. Thus, thanks to the proposed technology for the manufacture of sucker rods, it became possible to obtain sucker rods, the end sections of which, namely the fillets and adjacent parts of the rod body, have a fatigue limit exceeding the endurance limit of the average rod body length by 1.2 times for rods that have undergone additional hardening by heating the HDTV, and 2.4 times for rods that have passed only normalization (prototype), which allows to increase the overhaul period of the rod by 2.5-10 times. And since the fatigue failure of the rods will occur outside the heat-strengthened ends of the pump rod, this ensures that the rod destroyed during operation of the rod can be restored, since it is possible to turn the rod destroyed in the middle part along the length of the rod, and the low carbon content in this part of the rod ensures weldability of these parts. At the same time, the overhaul period sufficient for operation is maintained even after repair.

Отмеченное доказывает, что заявляемый способ может быть использован в промышленности и тем самым является промышленно применимым. The above proves that the inventive method can be used in industry and thereby is industrially applicable.

Claims

1. METHOD FOR PUMP BAR MANUFACTURE, including landing on both ends of the rod rolling heads with a nipple, bead, square and fillet, turning into the body of the rod, heat treatment of the rod, straightening and machining of the heads, characterized in that the ends of the rod after machining with a head with a nipple, a collar, a square, a fillet and adjacent parts of the body of the rod are subjected to surface hardening, without capturing the middle part of the body of the rod.

2. The method according to claim 1, characterized in that the surface hardening is carried out by methods of chemical-thermal treatment.

3. The method according to p. 2, characterized in that the chemical-heat treatment of the ends of the rod is carried out simultaneously with the heat treatment of the rest of the body of the rod.