Пермские ученые разработали технологию, которая увеличивает прочность деталей нефтяного оборудования и снижает их производственные затраты.

Статья с результатами была опубликована в журнале «Черные металлы». Исследование было выполнено при поддержке АО «ЭЛКАМ-нефтемаш».

В большинстве случаев разрушение насосного штока нефтедобывающего оборудования происходит из-за коррозии в резьбовых впадинах. Внешние нагрузки и возникающие напряжения в детали усугубляют этот процесс. Традиционные методы увеличения долговечности, такие как добавление благородных металлов в сплав или химическая очистка от вредных примесей, часто оказываются экономически нецелесообразными, особенно для изделий с низкой рентабельностью. Поэтому для улучшения качества штоков востребовано локальное упрочнение, которое сочетает простоту и финансовую выгоду.

Ученые Пермского Политеха предлагают использовать технологию индукционной термической обработки. Это процесс, при котором металл нагревается с помощью мощного электромагнитного поля, что приводит к изменению его структуры и повышению прочности.

Данная технология все чаще применяется на предприятиях для высокотемпературной обработки металлов. Она характеризуется быстрым нагревом, низкими затратами на электроэнергию, высокой производительностью, простотой использования, мобильностью оборудования и высокой экологичностью.

Политехники разработали и протестировали режим локального упрочнения насосного штока с помощью индукционной термической обработки, включающей нагрев металла и последующее охлаждение. Для эксперимента использовались заготовки из распространенных в нефтяном машиностроении сталей 40Х и 38ХГМ.

Индукционным нагревателем образцы закаливали при температуре 850°С, затем охлаждали до 600°С или 400°С. Для каждого режима рассчитывали вероятность разрушения при нагрузке. После обработки проводили испытания на прочность, создавая переменную нагрузку на внешнюю поверхность на специально разработанном испытательном стенде. 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. Наилучшим режимом оказалась закалка при 850°С с последующим отпуском при 400˚С.

«Мы также рассчитали экономический эффект от внедрения результатов и рекомендаций, приведенных в исследовании, на предприятия. Он формируется за счет значительного снижения затрат на материалы. Только для рассматриваемых нами штоков суммарное снижение производственной себестоимости может составить около 2,2 миллиона рублей в год, что может повысить рентабельность штанговых глубинных насосов на 7,66 процента», – отметил Станислав Мольцен, аспирант кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ и директор по качеству АО «ЭЛКАМ-нефтемаш».

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