Для получения нефти в России все чаще используют высокоэффективные тонкостенные штанговые глубинные насосы. Они повышают производительность добычи примерно на 25%, поскольку имеют больший объем рабочей камеры за счет тонкой высоконагруженной стенки. Однако такие насосы пока недостаточно надежны из-за повышенных неравномерных нагрузок. Уязвимой частью становятся места деталей, где концентрируется наибольшее напряжение. К ним, например, относится резьба штока – металлического прутка, который передает возвратно-поступательное движение, создаваемое двигателем, на рабочие органы насоса. Деталь может разрушиться и прийти в негодность из-за неравномерного распределения напряжения. Ученые Пермского Политеха предлагают использовать в изготовлении соединительных концов насосных штоков сталь 40Х, которая прошла индукционную термическую обработку при высоких температурах – это повышает ее твердость и устойчивость к нагрузкам.

Статья опубликована в журнале «Черные металлы», № 10 (1114), 2024. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

До 75% всех случаев неисправности насосных штоков происходит из-за разрушения присоединительной резьбы. Причина кроется в высоких нагрузках на эту область. Ее усиливает коррозия металла, которую обычно не учитывают при расчетах прочности. Решение проблемы, как считают ученые, заключается в локальном упрочнении материала деталей.

Обычно в скважинном оборудовании используют углеродистые и низколегированные стали, при этом производители вынуждены закупать материал в виде термически обработанной насосной штанги (стальной цилиндрический стержень), а затем самостоятельно ее обрезать, поскольку металлургические предприятия не поставляют изделия в необходимые сроки и объемы. Это значительно увеличивает стоимость изготовления насосных деталей.

Ученые Пермского Политеха совместно с ведущим машиностроительным предприятием города Перми АО «ЭЛКАМ-Нефтемаш» разработали технологию упрочнения штоков с применением индукционной термической обработки. В качестве материала использовали устойчивую к коррозии сталь 40Х.

По сравнению с другими видами обработки, метод ученых ПНИПУ обеспечивает быстрый нагрев, высокую производительность, повышенные механические свойства, экономию электроэнергии и низкие производственные затраты. Такой способ реализует сразу три-четыре механизма упрочнения.

– Мы изготовили 5 серий стальных образцов, которые отличались тем, что имели разную резьбу и проходили индукционную термическую обработку при различных температурах. Далее они подвергались усталостным испытаниям, то есть проверке того, как долго они могут выдерживать циклические нагрузки. Детали вращали с помощью специального станка с частотой около 5 Гц, что создавало в резьбе изделия чередование растяжения и сжатия, – объясняет Юрий Симонов, заведующий кафедрой «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, доктор технических наук.

– Лучшие результаты продемонстрировали образцы после обработки с режимом закалки 850 °C и последующего нагрева 400 °C. Практически одинаково долговечными оказались образцы, которые изготавливали при таком же режиме с отпуском 600 °C. Им немного уступают те, что были с накатанной резьбой вместо нарезанной, – рассказывает Станислав Мольцен, аспирант кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, директор по качеству АО «ЭЛКАМ-Нефтемаш».

Внедрение разработанной технологии упрочнения штоков не только уменьшит вероятность разрушения деталей, но и сделает штанговые глубинные насосы прочнее. По расчетам ученых Пермского Политеха, это может снизить себестоимость производства только одного вида деталей на 2,2 миллиона в год и повысить рентабельность изделий в целом на 2,5%.