Прогнозування ресурсу насосних штанг, зміцнених металевими обертовими щітками та поліуретановим покриттям

Key words: pump rods, polyurethane coating, repair, restoration, loading.

Виклад основного матеріалу

Для ремонту штанг, які були в експлуатації, необхідно провести відповідну очистку поверхні від смолисто-парафінистих речовин, солей, продуктів корозії, окалини з метою наступного дробо- струминного зміцнення і нанесення покрить багатофункціонального призначення. Для цього доцільно використовувати металеві обертові щітки. Установка УВЩ-25 забезпечує подачу штанг по рольгангу в зміцнюючу головку, обробку її тіла і складування на стелажах. Установка (рис. 1) складається з блоку обробки 4 насосної штанги 5, металічних щіток 9, поворотних плит 8, підтримуючих 2 і приводних 3 рольгангів, головними елементами яких є ролики 1, а також системи електроприводів з ланцюговою 6 і пасовою 7 передачами.

Однією з особливостей установки є наявність магнітного ролика, змонтованого на поворотній плиті 8 з можливістю встановлення його під кутом до осі деталі, що транспортується. В поєднанні з глобоїдною конфігурацією опорної поверхні ролика це забезпечує поряд з поступальним рухом обертання оброблюваного виробу навкруг своєї осі. Магнітний ролик зібраний з трьох потужних кільцевих ферито-баріє- вих магнітів діаметром 85 мм і чотирьох полюсників з магнітом'якого матеріалу. Вся система зроблена в вигляді глобоїду загальною довжиною вздовж осі біля 200 мм. В процесі експлуатації магнітна система практично не розмагнічується. Використання постійних магнітів для ролика дозволяє досягти необхідної сили притягування переміщуваної штанги до опорної поверхні, що усуває нерівномірність руху і проковзування. Це, в свою чергу, позитивно впливає на якість зміцнення. Подаючий рольганг має два-три магнітних приводних ролики і три-чо- тири опорних гумовометалічних. Блок обробки (рис. 2) має три вузли металевих щіток 1, рівномірно розташованих по колу і послідовно насаджених на валу 2. Металевий канатний дріт і кільця масою 50 г використовуються, як ударні елементи. Металевий дріт при обертанні щітки і набіганні на тіло штанги вдаряється об її поверхню, виконуючи при цьому дві функції: очищує штангу від окалини, бруду, смолисто-парафіністих речовин і зміцнює поверхню тіла за рахунок утворення напружень стиску.

Ударні елементи в вигляді кілець діаметром 60 мм, товщиною 5 мм забезпечують глибокий поверхневий наклеп штанги, що додатково підвищує її опір корозійно-втомному руйнуванню. При збиранні щіток використовують до 20 кілець. Кільця насаджені на валу діаметром 20 мм з можливістю радіального переміщення відносно своєї осі приблизно на 10 мм. Кільця виготовляють з сталі 60Г або 60С2.

Працює установка УВЩ-25 таким чином. Насосну штангу 5 (див. рис. 1) встановлюють на рольганги 2 і 3. Через ланцюгову передачу 6 від електропривода ролики рольгангу 3 приводяться в обертання, викликаючи переміщення деталі з блоку обробки 4. Привод металевих щіток (електродвигун з пасовою передачею 7) розташовано таким чином, щоб їх обертання не викликало опору обертанню штанги, яке передається магнітними роликами при її транспортуванні. Після блоку обробки деталь по рольгангам передається до місця складування зміцнених штанг.

Рис. 1. Установка УВЩ-25 для зміцнення і очищення насосних штанг металевими обертовими щітками

Технічна характеристика установки і її робочих органів

Частота обертання металічних щіток n, хв-1... 1300

Маса ударного елемента т, г 50

Діаметр дроту d, мм 1,6

Густина ворсу, шт./см2 20/25

Швидкість подачі штанги, мм/с 65

Час зміцнення однієї штанги, хв 2-3

Обслуговуючий персонал, чол 1

Відомі способи відновлення насосних штанг, коли штангу з допустимими експлуатаційними пошкодженнями А.С.178780 передбачає послідовну -- пластичну деформацію та металізацію штанг. Недоліком даних способів є розчинення цинкового покриття за деякий час під дією пластової, мінералізованої води і зниження ефективності ремонту штанги.

Найбільш близьким способом до запропонованого є нанесення на оброблену дротяними щітками насосних штанг склотканинної стрічки. Проте склотканинна стрічка з часом роботи в свердловині відшаровується і корозійне середовище проникає до тіла штанги.

1 -- металічна щітка, 2 -- вал, 3 -- ударні кільця

Для оцінки ефективності зміцнення металевими щітками, що обертаються, з ударними елементами в вигляді кілець проводили натурні випробування насосних штанг діаметром 22 мм з сталі 20Н2М.

В результаті обробки штанг на установці УВЩ-25 глибина пластичного деформування склала 600...800 мкм, шорсткість поверхні Rz=40-80 мкм, залишкові осьові напруження стиску -- біля 600-700 МПа.

Зміцнені штанги випробовували на опір втомному руйнуванню при змінному консольному згині з частотою навантаження 15,2 Гц. Корозійне середовище -- 3% -ний водний розчин NaCI з періодичним насиченням сірководнем до граничної концентрації. Контроль втомної тріщини проводили за допомогою ультразвукового дефектоскопа ДУК-6В.

В результаті наклепу щітками довговічність насосних штанг при роботі в сірководневому середовищі зростає в 2,5 рази [8]. При цьому суттєво гальмується швидкість розвитку тріщини в початковий період роботи штанг. Величина G-критерію насосних штанг діаметром 22 мм при роботі в сірководневому середовищі після ППД металевими щітками зростає в 1,5-2 рази (рис. 3). насосний штанга поліуретановий покриття

Запропоновані рівняння лінійної регресії для оцінки величини G-критерію насосних штанг діаметром 22 мм з сталі 20Н2М: серійні G=1,93-2,01N/Nк, оброблені металевими щітками G=2,50-2,09N/Nк, де N/Nk відношення поточного числа відпрацьованих штангою циклів до її кінцевого значення.

Проведені експерименти показують, що металеві щітки можуть бути ефективним засобом очистки і зміцнення штанг, особливо тих, які вже були в експлуатації.

Для оцінки ефективності зміцнення металевими щітками, що обертаються, з ударними елементами в вигляді кілець проводили натурні випробування насосних штанг діаметром 22 мм зі сталі 20Н2М. В результаті обробки штанг на установці УВЩ-25 глибина пластичного деформування склала 600...800 мкм, шорсткість поверхні Rz = 40-80 мкм, залишкові осьові напруження стиску -- коло 600700 МПа. Зміцнені штанги випробовували на опір втомному руйнуванню при змінному консольному згині з частотою навантаження 15,2 Гц. Корозійне середовище -- 3% -ний водний розчин NaCI з періодичним насиченням сірководнем до граничної концентрації. Контроль втомної тріщини проводили за допомогою ультразвукового дефектоскопа ДУК-6В.

Ступінь пошкодження D оцінювали за площами зон корозійної втоми в небезпечному перерізі тіла штанги:

D=Fe / FH,