Для добычи нефти из скважин больших глубин используют штанговые глубинные насосы, которые в процессе эксплуатации подвергаются высоким нагрузкам. Особенно это сказывается на одной из важнейших частей устройства – насосном штоке. Это цельный металлический пруток, который толкает плунжер, создавая необходимое для перекачки нефти давление. Работа оборудования в суровых условиях приводит к появлению коррозии на резьбе детали, из-за чего его материал в дальнейшем разрушается. Для стабильной работы насосов необходимы методы, предотвращающие быстрое изнашивание таких элементов. Ученые Пермского Политеха предложили способ локального упрочнения насосных штоков с помощью технологии индукционной термической обработки. Применение разработанных рекомендаций на практике обеспечит надежность и долговечность скважинного оборудования в агрессивных условиях, свойственных горнодобывающей отрасли.

Статья с результатами опубликована в журнале «Черные металлы», 2024 год. Работа выполнена при поддержке АО «ЭЛКАМ-нефтемаш».

В большинстве случаев разрушение насосного штока нефтедобывающего оборудования происходит из-за появления коррозии во впадинах резьбы. А внешняя нагрузка и возникающие напряжения в детали усугубляют этот процесс. Традиционные методы повышения долговечности, в том числе добавление благородных элементов в металл или химическая очистка от вредных примесей, часто экономически нецелесообразны, особенно для изделий с невысокой рентабельностью. Поэтому для улучшения качества штоков востребовано именно локальное упрочнение, которое сочетает в себе простоту и финансовую выгоду.

Ученые Пермского Политеха предлагают использовать технологию индукционной термической обработки. Это процесс, при котором металл нагревается под действием мощного электромагнитного поля, в ходе чего его структура меняется и становится более прочной.

Сама технология в последнее время все активнее применяется на предприятиях для высокотемпературной обработки металлов. Она отличается быстрым нагревом, низкими затратами и потреблением электроэнергии, высокой производительностью, а также простотой применения, мобильностью оборудования и даже современной высокой экологичностью.

Политехники разработали и апробировали режим локального упрочнения насосного штока индукционной термической обработкой в виде нагрева металла и последующего охлаждения. Для эксперимента использовали заготовки из распространенных в нефтяном машиностроении марок стали 40Х и 38ХГМ.

Индукционным нагревателем образцы закаляли с температуры 850°С и опускали на 600°С или 400°С. Для каждого применяемого режима рассчитывали вероятность разрушения при их нагружении. После обработки испытывали их прочность, создавая переменную нагрузку на внешнюю поверхность на специальном испытательном стенде собственной разработки. Также исследовали микроструктуру и микротвердость полученного материала.

Результаты эксперимента показали, что индукционная термическая обработка значительно повышает усталостную прочность образцов, то есть их стойкость к внешним циклическим нагрузкам. Лучшим режимом оказалась закалка с 850°С и последующий нагрев для отпуска на 400˚С.

– Мы также рассчитали экономический эффект от внедрения приведенных в исследовании результатов и рекомендаций на предприятия. Он формируется за счет существенного снижения затрат на материал. Только для штоков, рассмотренных нами, суммарное снижение производственной себестоимости можно ожидать на уровне 2,2 млн в год, что способно повысить рентабельность штанговых глубинных насосов на 7,66%, – поделился Станислав Мольцен, аспирант кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, директор по качеству АО «ЭЛКАМ-нефтемаш».

Ученые Пермского Политеха доказали, что технология индукционной термической обработки способна улучшить механические свойства резьбовых деталей нефтяного насосного оборудования. Рекомендованные режимы повысят прочность насосных штоков и обеспечат их надежное использование в глубинной нефтедобыче.

Когда не хочешь менять свой автомобиль (не на что..), а что-то нужно менять, можно сменить цвет)