CC BY
107
ГРНТИ 55.35.43
Ж. М. Ыксан1, Г. А. Усенова2
'к.т.н., доцент, кафедра «Машиностроение и стандартизация», Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан; 2магистрант, кафедра «Машиностроение и стандартизация», Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан e-mail: 4xan_0180@mail.m; 2ussenova28g84@mail.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОцЕССА ДРОБЕСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ
Исследуется метод дробеструйного упрочнения резьбовых соединений насосно-компрессорных труб как способ повышения их эксплуатационного ресурса. Кроме этого, отмечаются широкие технологические возможности дробеструйной обработки, высокая производительность, а также возможность автоматизации обработки при выполнении отделочно-упрочняющих и зачистных операций.
Исследована технология дробеструйного упрочнения резьбовой части НКТ, проведено исследование свойств нанесённого покрытия, и выявлены закономерности влияния параметров дробеструйного упрочнения на свойства наносимого покрытия.
Исследования показали получение заданных конструктивных параметров резьбы в процессе упрочнения, повышение микротвёрдости поверхности резьбовых соединений, а также зависимость коррозионной стойкости, прочности сцепления и использования материала от шероховатости. В результате исследования установлены их оптимальные параметры, что позволило рекомендовать наиболее рациональные режимы подготовки поверхностей стальных изделий дробеструйной обработкой.
Результаты исследований позволяют повысить ресурс и надежность, снизить трудоёмкость изготовления и восстановления НКТ путем упрочнения резьбовой части методом дробеструйной обработки.
Ключевые слова: насосно-компрессорные трубы, резьбовое соединение, адгезионное схватывание, дробеструйное упрочнение.
ВВЕДЕНИЕ
Основной составляющей любого добывающего оборудования для нефтяных скважин, трубо- и газопроводов, а также для осуществления ремонтных и спуско-подъёмных работ являются насосно-компрессорные трубы [1, с. 58].
Резьбовое соединение «резьба ниппеля трубы - резьба муфты» в процессе эксплуатации подвергается коррозионно-агрессивному воздействию и одновременно значительным механическим нагрузкам, циклическому изгибу и кручению, абразивному износу, приводящие к ухудшению уплотнительных свойств резьбового соединения (нарушение герметичности, уменьшение натяга) и, как следствие, к преждевременному выводу трубопроводной системы из эксплуатации, что сопровождается значительными временными потерями и финансовыми издержками [2, с. 4].
В зависимости от условий эксплуатации НКТ ресурс работы и надёжность резьбового соединения «резьба ниппеля - резьба муфты» различна.Так, например, резьбовое соединение «труба - муфта» стальной насосно-компрессорной трубы
(НКТ) выдерживает в среднем пять - шесть спускоподъёмных операций, затем герметичность резьбового соединения нарушается и насосно-компрессорную трубу необходимо выводить из эксплуатации [2, с. 4].
Другой проблемой при эксплуатации насосно-компрессорной трубы, является обрыв НКТ по резьбе или зоне сбега резьбы ниппеля НКТ. С целью увеличения ресурса работы и повышения надёжности в эксплуатации резьбового соединения «резьба ниппеля трубы - резьба муфты» необходимо произвести улучшение механических свойств трубной стали в зоне ниппеля НКТ.
В этой связи, широкие технологические возможности дробеструйного упрочнения, высокая производительность, а также возможность автоматизации обработки деталей сложной конфигурации при выполнении отделочно-упрочняющих операций ставят её в число наиболее распространённых методов обработки деталей [2, с. 4].
Наибольший интерес в области обработки деталей дробью представляют работы Саверина М. М., Петросова В. В., Рыковского Б. П., Смирнова В. А., Щетинина Т. М. [3, с.10].
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Основной составляющей любого добывающего оборудования для нефтяных скважин, трубо- и газопроводов, а также для осуществления ремонтных и спуско-подъёмных операций являются насосно-компрессорные трубы [4, с. 41].
Одной из основных и самой дорогостоящей по устранению при эксплуатации НКТ, является проблема обрыва колонны (резьбового соединения трубы с муфтой). В большинстве случаев обрыв происходит при разрушении резьбового соединения [4, с. 42].
Однако проектирование технологических процессов обработки дробью затруднено из-за отсутствия теоретических зависимостей для определения шероховатости обработанной поверхности. Недостаточно полно проработаны вопросы формирования степени и глубины упрочнения поверхностного слоя обработанных деталей, не разработана аналитическая методика расчёта технологических параметров процесса обработки дробью для обеспечения требуемого качества изделий [5, с. 40].
При дробеструйной обработке на поверхность детали из специальных дробемётов направляется поток стальной или чугунной дроби малого диаметра (0,5-1,5мм). Удары концентрируются на весьма малых поверхностях, поэтому возникают очень большие местные давления. В результате повышается твёрдость и износостойкость обработанной поверхности. Кроме того, сглаживаются мелкие поверхностные дефекты. Глубина упрочнённого слоя при дробеструйной обработке составляет около 0,7 мм [6, с. 4].
Пластическое деформирование поверхности детали при отделочно-упрочняющей обработке дробью происходит при многократном взаимодействии с ней дроби. Образуются единичные лунки с поперечной шероховатостью, зависящие
от параметров исходного профиля. Микрорельеф поверхности образуется путём наложения и пересечения единичных следов (в соответствии с рисунком 1).
/ Шероховатость на промежуточном эгаге обработки
1 Устанайивй.здся шероховатость
Рисунок 1 - Образование профиля установившейся шероховатости
В данном исследовании были экспериментально изучены влияние дробеструйного упрочнения поверхности резьбового соединения на шероховатость, микротвёрдость, геометрические параметры, а также определена взаимосвязь шероховатости с прочностью сцепления и газопроницаемостью.
1 При исследовании установившейся шероховатости в качестве абразива применялась чугунная дробь с размером частиц 0,5-1,5 мм, диаметр выходного сопла пистолета камеры струйно-абразивной обработки составлял 6,5-7,5 мм, расход воздуха - около 40 м3/ч. Расход абразивных частиц оценивался по изменению их объема за единицу времени и контролировался весовым методом (при этом исключалось попадание отработанного абразива обратно). Обработке подвергались образцы из стали 32Г2 для измерения прочности сцепления покрытий на отрыв штифтовым методом.
Шероховатость оценивалась параметрами Rа, Rmax, 1р при помощи профилографа - профилометра модели «Та1шиг^4». Параметры S (средний шаг местных выступов профиля), Sm (средний шаг неровностей профиля) определялись по профилограммам поверхности.
Анализ параметров шероховатости поверхности после струйно-абразивной обработки показал, что формируемая поверхность имеет хорошо развитый микрорельеф, характеризуемый достаточно большими высотными параметрами, средними значениями шаговых параметров, малыми радиусами впадин и выступов и достаточно большими углами наклона боковой стороны профиля. Все это обеспечивает надёжное сцепление напылённого слоя с основой.
2 Также было оценено влияние расстояния от среза сопла пистолета на диаметр пятна обработки и удельную энергию потока частиц корунда. Установлено, что диаметр пятна обработки поверхности практически линейно возрастает от 10 мм на дистанции 25 мм до 30 мм на дистанции 90 мм.
Дальнейшее повышение дистанции несколько снижает размер пятна, хотя из геометрических соображений конус распыла не должен изменяться. По всей вероятности, падает эффективность обработки и постепенно исчезает чётко выраженный светло-серый цвет пятна, свидетельствующий о качестве подготовки
поверхности. Величина удельной энергии потока частиц не пропорционально уменьшается с ростом дистанции, что обусловлено сложным характером изменения скорости полета частиц абразива по длине потока.
Изучение адгезии покрытий, напылённых на поверхность образцов, подготовленных с различной удельной энергией потока частиц, показало что максимальные значения прочности сцепления обеспечиваются после подготовки поверхности струей корунда с удельной энергией потока 70-150 кДж/кв.см, которая достигается на дистанции 50-80 мм. Большие величины 170-350 кДж/кв.см соответствуют меньшей дистанции обработки (менее 50 мм) [7, с. 20].
Для количественной оценки взаимосвязи шероховатости с прочностью сцепления и газопроницаемостью был проведен ряд экспериментов. Результаты проведенных исследований влияния шероховатости поверхности на параметры покрытия приведены на рисунках 2-4.
Рисунок 2 - Влияние шероховатости поверхности основы на газопроницаемость стальных покрытий: Толщина слоя: 1,2-0,15 мм, 3,4-0,20 мм; Дистанция напыления: 1,3-150 мм
0 10 20 30 40 Иг, мкм
Рисунок 3 - Влияние шероховатости поверхности основы на прочность сцепления стальных покрытий: Толщина слоя 0,15 мм; дистанция напыления: 1-150 мм: 2-100 мм
Анализ этих результатов показывает, что коррозионная стойкость покрытия с ростом шероховатости поверхности снижается вследствие увеличения его газопроницаемости (рисунок 2). Увеличение высоты микронеровностей поверхности основы до Rz40 приводит к росту прочности сцепления, дальнейшее повышение шероховатости заметного влияния на этот параметр не оказывает (рисунок 3). Характер зависимости и значение величины осц соответствуют данным Ю. А. Харламова и Ю. С. Борисова для плазменного напыления, что говорит об аналогичном качестве плазменного напыления и покрытий, полученных методом гиперзвуковой металлизации по этому параметру. Коэффициент использования материала растет с увеличением шероховатости до Rz40. В дальнейшем идёт его некоторое снижение (рисунок 4) [7, с. 22].
Щ 5
90
SO
70
60
50
J /
ш
10
15
20
25
10
35
40 Rz. ней
Рисунок 4 - Влияние шероховатости поверхности основы
на коэффициент использования стали: Толщина слоя - 0,15 мм; дистанция напыления - 150 мм
Из приведённых данных видно, что рациональное сочетание параметров покрытий из легированной стали - газопроницаемости, прочности сцепления, КИМ - достигается при шероховатости поверхности Rz = (30-35) мкм.
3 Экспериментальные исследования микротвёрдости при отделочно-упрочняющей обработке дробью проводились в лаборатории на трёх образцах резьбовой части трубы 073,02*5,51 мм, изготовленных по API 5CT тип прочности № 80.
Измерение микротвёрдости образцов производилось по сечению микрошлифов на микротвёрдомере модели LECO 247АТ при нагрузке 1000 грамм с автоматическим пересчётом в единицы по Роквеллу. Твёрдость материала резьбовой части труб представлена в таблице № 1.
Таблица 1 - Механические свойства материала резьбовой части труб по результатам исследования
Резьбовая часть труб Твёрдость, HRC
№ 1 № 2 № 3
Поверхность витка 22,1-23,9 22,7-25,9 24-26,4
Середина витка 22,7-24,1 24,5-24,6 23,4-24,9
По телу трубы 21,2-23,4 23-23,7 24-24,8
max на глубине до 0,02 мм 19,7-22,3 23,1-30,3 32,4
По результатам металлографического исследования было установлено, что микроструктура образцов труб представляет собой сорбит отпуска. С поверхности резьбы образца трубы № 3 наблюдается незначительное изменение травимости в виде светлого контура на глубину до 0,015 мм. С поверхности резьбы образцов труб № 1 и 2 изменений структуры не наблюдается.
Таким образом, на поверхности резьбы исследуемых образцов труб № 3 наблюдается упрочнение (на 7-8 HRC) по контуру на глубину до 0,02 мм.
4 Исследование геометрических параметров резьбы выполнялось на экспериментальных образцах резьбовой части трубы 073,02*5,51 мм, изготовленных по API 5CT тип прочности № 80 с использованием следующего оборудования и инструментов:
- шагомер «Solesa» 5600;
- профилометр для измерения высоты профиля резьбы «Solesa» 5650;
- профилометр для внутренней резьбы ПМ 2-100;
- универсальный микроскоп УИМ-21;
- конусомер 5701 для наружной резьбы;
- конусомер 5711-21 для внутренней резьбы.
Согласно полученным данным, геометрические параметры резьбовой части НКТ незначительно отличаются от показателей до проведения эксперимента, что подтверждает предположение об отсутствии влияния дробеструйного упрочнения на конструктивные параметры резьбы в процессе обработки (в соответствии с данными, приведенными в таблице 2).
Таблица 2 - Геометрические параметры профиля закруглённой треугольной резьбы соединений НКТ
Наименование параметра Образец № 1 Образец № 2
Шаг резьбы Р 2,54 2,55
Н - высота исходного профиля 2.200 2.205
Высота профиля Ы 1,412 1,411
h - рабочая высота профиля 1.336 1.335
а - угол профиля 60° 60°
а/2 - угол наклона стороны профиля 30° 30°
г - радиус закругления вершины профиля 0.432 0.431
г1 - радиус закругления впадины профиля 0.356 0.355
z - зазор 0.076 0.076
j - угол уклона 1° 47' 24'' 1° 47' 24''
Угол профиля а 60° 60°
Конусность резьбы К 1:16 1:16
Контроль натяга резьбы труб и муфт для резьбовых соединений НКТ проводилось резьбовыми калибрами-кольцами и калибрами-пробками согласно ГОСТ 10654.
Натяг резьбы трубы, определяемый как расстояние между плоскостью торца трубы и измерительной плоскостью резьбового калибра-кольца, равен 2,5 мм, что соответствует требованиям ГОСТ 53365.
Кроме контроля геометрических параметров резьбы, был произведён визуальный контроль. По результатам визуального контроля:
- на контролируемых образцах резьба не имеет видимых несовершенств (царапины, риски, забоины, заусенцы), нарушающих ее непрерывность, в пределах длины резьбы с полным профилем;
- на резьбовых поверхностях не имеются продукты коррозии;
- поверхность уплотнений не имеет дефектов, которые могли бы вызвать повреждение сопряжённой поверхности при затяжке.
5 На основании опытных данных разработаны рекомендации по режимам
и и и и
дробеструйной обработки стальной поверхности перед напылением покрытий на комплексе автоматической дробеструйной обработки BML-120LT (таблица 3).
Таблица 3 - Рекомендуемые режимы обработки стальной поверхности при нанесении стальных покрытий
Режимы дробеструйной обработки Значения
Размер абразива, кг/с 0,05-0,07
Размер абразивных частиц, х103, м 1,6-1,8
Дистанция обдува, х103, м 80-100
Расход воздуха, м3/с 0,08-0,1
Давление воздуха, МПа 0,5-0,6
На комплексе автоматической дробеструйной обработки BML-120LT выполняется дробеструйная обработка резьбовой поверхности ниппельного конца трубы, премиальных соединений дробью, с целью упрочнения резьбы и избегания коррозийного истирания деталей.
Обработка проводится на резьбовой поверхности ниппельных концов насосно-компрессорных труб на участке чистовых линий финишной отделки труб С5 в соответствии с указанными требованиями установки (таблица 4).
Таблица 4 - Технические характеристики и требования установки
Наименование Показатель
Диаметр обрабатываемых изделий от 60 до 177,8 мм
Длина наружной обработки резьбового соединения трубы 300 мм
Время обработки резьбы от 20 до 120 секунд
Количество рабочих мест 1 оператор
Тип используемого абразива круглая дробь до 1 мм
Материал дроби стекло, керамика или нержавеющая сталь диаметром от 0,2 до 0,4 мм
Необходимое давление 6-8 bar, объемом 4,6 м3/мин
Обработанная поверхность должна проходить проверку 4 раза в смену. Контроль натяга резьбы ниппельного конца трубы проверяется с помощью калибра-кольца. Обработка поверхности может быть проверена визуально сравнением с пластиной чистовой поверхности, или любым инструментом, способным произвести проверку чистовой поверхности, например Профилометром.
6 Проведённый расчёт технико-экономической эффективности внедрения дробеструйного упрочнения показал, что технологическая себестоимость 1 тонны упрочнённой трубной продукции увеличится всего на 2000 тенге (в соответствии с таблицей 5). Данный факт говорит о высокой технико-экономической эффективности проекта.
Таблица 5 - Расчёт себестоимости за 1 тонну упрочненной трубной продукции дробеструйной обработкой
Диаметр Толщина стенки Себестоимость дробеструя Себестоимость трубы P-110 Себестоимость с учетом дробеструя P-110
60,32 6,45 2 128,14 207 071,87 209 200,01
60,32 7,49 2 097,84 204 751,63 206 849,47
60,32 8,53 1 962,26 196 218,52 198 180,77
73,02 7,01 1 947,95 200 698,93 202 646,88
ВЫВОДЫ
В статье представлена технология дробеструйного упрочнения резьбовой части НКТ, проведены исследование свойств нанесённого покрытия, выявлены закономерности влияния параметров дробеструйного упрочнения на свойства наносимого покрытия.
По результатам экспериментального исследования образцов резьбовой части трубы 073,02*5,51 мм, изготовленных по API 5CT тип прочности № 80 на дробеструйной установке BML-120LT в условиях ПФ ТОО «KSP Steel» необходимо отметить следующее:
- значение среднего арифметического отклонения профиля установившейся шероховатости Ra составило 2,0 мкм, что свидетельствует о снижении шероховатости поверхности и увеличении антикоррозийной стойкости поверхности резьбы;
- соответствие геометрических параметров, что подтверждает отсутствие влияния дробеструйного упрочнения на заданные конструктивные параметры;
- на поверхности резьбы исследуемых образцов труб после дробеструйной обработки наблюдается упрочнение (на 7-8 HRC) по контуру на глубину до 0,02 мм, в то время как с поверхности резьбы образцов труб до обработки изменений структуры не наблюдается;
- улучшение механических свойств резьбовой части позволяет увеличить число «свинчиваний-развинчиваний» до 10 циклов (против 5-6 циклов без упрочнения);
- зависимость коррозионной стойкости, прочности сцепления и использования материала от шероховатости, установлены их оптимальные параметры, что позволило рекомендовать наиболее рациональные режимы подготовки поверхностей стальных изделий дробеструйной обработкой;
- технологическая себестоимость дробеструйного упрочнения одной резьбы ниппеля НКТ в автоматическом режиме не превышает 2 % от стоимости НКТ;
- дробеструйная установка имеет небольшие массогабаритные, энергетические показатели, которые позволяют достаточно легко интегрировать оборудование в технологические линии инфраструктур трубных заводов и производственных предприятий.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Ергешбаева, Г. Д. Обзор рынка стальных труб в Казахстане. Электронный журнал о Казахстане и Евразийской Экономической интеграции / Алматы, 2016.
- С. 57-67.
2 Песин, М. В. Повышение надёжности резьбовых соединений нефтегазовых изделий / М. В. Песин // Технология машиностроения - М., 2011. - № 9.
3 Лебеденко, В. Г. Повышение эффективности обработки деталей дробью и улучшение условий труда операторов / В. Г. Лебеденко // Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. - Ростов-на-Дону : ДГТУ, 2009. - 156 с.
4 Прокофьев, А. А. Технологическое повышение коррозионной стойкости резьб насосно-компрессорных труб / А. А. Прокофьев. - М. : Машиностроение, 2013. - № 2 (20). - С. 39-43.
5 Сароян, А. Е. Эксплуатация колонн НКТ / А. Е. Сароян, М. А. Субботин.
- М. : Недра, 1985. - 216 с.
6 Галеев, И. М. Повышение износостойкости резьбовых соединений насосно-компрессорных труб: Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций / И. М. Галеев, Е. Д. Бланк, В. Н. Слепнев, М. И. Анисимов // Материалы 5-й
Международной практической конференции-выставки. - Изд. : СПбГПУ, 2003; Харламов, Ю. А., Борисов, Ю. С. Влияние микрорельефа поверхности на прочность сцепления с газотермическими покрытиями // Автоматическая сварка. - 2001. - № 6. - С. 19-26.
8 Паннер, В. А. Ремонт и контроль конической резьбы насосно-компрессорных труб, применяемых при добыче нефти / В. А. Паннер, С. А. Альжанов // Омский научный вестник. - 2013. - № 1 (117). - С. 99-101.
9 Berezantseva , L. I.Ingreasedtightness, strengthanddurabilityofthethreadedcon-nections «pipe-coupling» = Повышение герметичности, прочности, долговечности резьбового соединения «труба-муфта» / L. I. Berezantseva, A. Zh. Kasenov, D. A. Iskakova // ПМУ хабаршысы=Вестник ПГУ. Сер. Энергетическая. - 2014. -№ 4. - P . 33-36.
10 Тюфтяев, А. С. Влияние плазменной обработки на износостойкость модифицированной поверхности / А. С. Тюфтяев, В. Б. Мордынский, М. Г. Фролова // Технология машиностроения. - 2016. - № 9. - С. 44-50.
11 Волков, А. А. Формирование заданной шероховатости поверхности и упрочнение деталей при выглаживании / Волков А. А., Кургузов С. А., Сидоренко В. В. // Кузн.-штамп. пр-во. ОМД. - 2009. - С. 16-20. - С. 10.
Материал поступил в редакцию 14.02.18.
Ж. М. Ыцсан1, Г. А. Усенова2
Соргы компрессорльщ кубырлардыц бурандалы косылыстарды бытыраагынымен евдеушщ зерттеу процес
1,2С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы.
Материал баспаFа 14.02.18 тYстi.
Zh. M. Yksan1, G. А. Ussenova2
Investigation of the blasting process of threaded connections of pump-compressor pipes
1,2S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan.
Material received on 14.02.18.
Осы мацалада соргы компрессорлыц цубырлардыц бурандалыц осылыстарын бытыра агынды берiктендiру олардыц цызметету Mep3iMM узарту edid ретшде зерттеледi. Сонымен цатар, бытыра агыны мен вцдеуШц кец технологиялыц мYмкiндiктeрi, жогары вшмдшк, сондай-ац автоматтандыру мyмкiндiгi вцдеу кезтде эрлеу-бытырамен тазалайтын операциялар байцалады.
Мацалада цубырлардыц бурандалы бвлжтерш бытыра агынды бeрiктeндiру технологиясы зeрттeлдi, кeлтiрiлгeн жабу цасиeттeрi зерттеу жyргiзiлдi жэне эсер ету параметрлерш бытыраагынды бeрiктeндiру цасиeттeрi кeлтiрiлeтiн жабу зацдылыцтары аныцталды.
Зерттеулер бойынша бершген конструктивтж парамeтрлeрдi алуга, кесу процестде
6epiKmeHdipy арттыру, микроцаттылыц бетш бурандалы цосылыстар, сондай-ац коррозиялъщ турацтылыгын, бержтшн Шшсу жэне пайдалану материал Kedip-будыр бойынша тэуелдшгт кврсеттi. Зерттеу нэтижестде, олардыц оцтайлы параметрлерi орнатылган, негурлым yстiцгi болат буйымдар-бытыра агынымен дайындау тиiмдi режимт усынысуга мумкшдж бердi.
This article examines a method of shot peening threaded connections ofpump-compressor pipes as a way to increase their service life. In addition, there is a high technological capabilities of the blasting, high performance, and the ability to automate the processing when the finishing-grinding and hardening operations.
In this article the technology of shot peening hardening of the threaded part of the tubing was investigated, the properties of the applied coating were studied, and the regularities of the influence of the parameters of shot-peening hardening on the properties of the applied coating were revealed.
Studies have shown obtaining design parameters of a specified thread in the process of hardening, the increase of microhardness of the surfaces of threaded connections and the dependence of corrosion resistance, adhesion strength and use of material from the surface roughness. The study determined optimal parameters, allowing to recommend the most rational modes of surface preparation for steel items by shot peening.
