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.