Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка технологии формообразования конической трубной резьбы методом пластической деформации и упрочнения её поверхности за счет создания нано-дуплексной структуры путем пластического деформирования с использованием ультразвуковых колебаний

Докладчик: Небогов Сергей Михайлович

Должность: Заместитель директора Департамента НИОКР, к.т.н.

Цель проекта:
1.1 В различных отраслях промышленности широко используются трубы. Соединения труб выполняются сваркой, механическими соединительными устройствами (различные втулки) и с помощью резьбы. При соединении труб с помощью резьбы предъявляются высокие требования к резьбовому соединению (равнопрочность с телом трубы, износостойкость при многократном свинчивании и развинчивании, обеспечение герметичности при высоких давлениях и температурах). Особенно высокие требования предъявляются к резьбовым соединениям нефтепромысловых труб - насосно-компрессорным (НКТ) и обсадным трубам. Эти трубы используются в нефтяных и газовых скважинах. Они работают при давлениях более 1000 Атм в газовых скважинах и при давлениях более 300 Атм в нефтяных скважинах при температуре до 150 град. Цельсия. Таким образом, остро стоит проблема повышения стойкости резьбового соединения, что позволяет существенно повысить эксплуатационную стойкость НКТ, что будет являться определяющим для нефтегазодобывающих или подрядных организаций при выборе НКТ. Существующий в настоящее время ресурс работы и надежность резьбового соединения «труба-муфта» НКТ не удовлетворяет современным требованиям нефтедобывающей промышленности. Из обзора известных методов выявлено, что наиболее эффективным методом получения резьбы с повышенными эксплуатационными свойствами является формообразование профиля пластической деформацией с последующей коррекцией геометрических параметров и упрочнением поверхности с помощью ультразвука. 1.2 Целью ПНИ является разработка технологии пластического формообразования и воздействия ультразвуковых колебаний на резьбу, которая позволит повысить прочность резьбового соединения за счет направления волокон вдоль профиля резьбы и упрочнения поверхностного слоя.

Основные планируемые результаты проекта:
2.1 Краткое описание основных результатов:
2.1.1 Разработанная методика расчета процесса формообразования конической резьбы на трубной заготовке методом пластической деформации и поверхностно-пластической деформации профиля резьбы с созданием нано-дуплексной структуры для её упрочнения, созданные экспериментальные установки.
2.1.2 Отработанные в лабораторных условиях технологические режимы ведения процесса.
2.1.3 Изготовленные опытные образцы НКТ с резьбой, полученной пластическим формообразованием и последующим упрочнением с помощью ультразвука.
2.1.4 Полученные результаты исследований образцов по геометрическим параметрам, микротвердости и износостойкости в сравнении с исходными образцами изготовленными по традиционной технологии.

2.2 Основные характеристики планируемых результатов, планируемой научной продукции:
- получение упрочненного слоя резьбы толщиной в пределах 10-15 мкм с микротвердостью не менее 320 кг/мм².
- результаты проекта позволяют обеспечить не менее 40 циклов свинчиваний – развинчиваний ниппеля и муфты по сравнению с 6-8 по ГОСТ.

2.3 Научная новизна ПНИ состоит в разработке нового способа получения резьбы и в разработке методики расчета технологического процесса для реализации данного способа.

2.4 Известна технология формообразования резьбы методом накатки, но данная технология не обеспечивает требования к геометрическим параметрам резьбы по точности, получаемое упрочнение профиля за счет явления наклепа не достаточно для повышения износостойкости резьбы. Две эти проблемы решаются в предлагаемом новом способе формообразования резьбы штамповкой, коррекции и упрочнения её профиля.
Известны способ и оборудование, в котором используется ультразвук для упрочнения резьбы. Известные способ и оборудование по ряду технических причин не обеспечивается стабильность получения параметров упрочнения поверхности резьбы и коррекция её профиля. В данной ПНИ предлагается использовать другой способ подвода ультразвуковых колебаний в очаг воздействия на резьбу, который ранее был исследован в МГТУ им. Н.Э. Баумана (является соисполнителем данной ПНИ).
Подана заявка на патент России №2014114892 от 16.04.2014 г. «Способ формообразования и упрочнения резьбы нефтепромысловых труб и установка для его осуществления», которая прошла предварительную экспертизу в ФИПС.

2.5 В течение 2,5 лет планируется выполнить 5 этапов ПНИ:
Этап 1: Выбор направления исследований.
Этап 2: Теоретические исследования поставленных перед ПНИ задач.
Этап 3: Разработка экспериментально-конструкторской документации для изготовления 2-х установок.
Этап 4: Изготовление 2-х экспериментальных установок.
Этап 5: Проведение экспериментальных работ, обобщение и оценка результатов исследований. Разработка технического задания на проведение ОКР.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
3.1 Результаты ПНИ планируется применять в металлургии при прокатке труб нефтегазового сортамента. Необходимость упрочнения резьбы НКТ выдвигается крупными нефтяными компаниями – в качестве обязательного условия поставки трубной продукции.

3.2 Технология упрочнения, полученная в результате ПНИ, будет внедрена на площадке индустриального партнера – ОАО «ПНТЗ» (Свердловская область) – в трубопрокатном цехе, выпускающем трубы нефтяного сортамента.

3.3 Несколько последних лет объемы потребления НКТ в России росли и соответственно, повышалось количество труб с повышенной эксплуатационной надежностью (коррозионно-хладостойкие, с высоконадежными резьбовыми соединениями, со специальным комплексом свойств для особых условий эксплуатации – например термо-кейсы), в настоящий момент доля которых составляет не менее 20% от общих объемов поставок НКТ.
Темп роста спроса на НКТ составляет примерно 6–7 % в год в связи с уплотнением сетки скважин на освоенных месторождениях, вводом новых скважин при освоении новых месторождений, а также вводом простаивающих скважин для повышения добычи нефти.
Высокий темп роста спроса на НКТ также вызван сокращающимся сроком эксплуатации НКТ в изменяющихся условиях добычи нефти (на шельфах, в агрессивных средах, в глубоких скважинах). В среднем за 7 лет парк НКТ в добывающей компании полностью обновляется.
В связи с увеличением глубины скважин в России (средняя глубина возросла с 3000 м до 3600 м) доля рынка НКТ с низкой прочностью с 2006 г. по 2015 г. уменьшится с 68% до 53%, а высокой прочностью увеличится с 11% до 17% за тот же период.
Новая технология окажет влияние на технические характеристики трубной продукции нефтегазового сортамента и позволит решать задачи импортозамещения для осложненных условий эксплуатации труб.

Текущие результаты проекта:
ПНИ начаты во конце второго квартала 2014 года. В настоящее время выполняется 1-й этап «Выбор направления исследований».

1. В результате аналитического обзора выявлено, что исследование напряженного состояния трубной заготовки, имеющей изотропные свойства, при обжиме выполнено достаточно подробно с учётом влияния основных факторов. При анализе напряжённого и деформированного состояний заготовки в формоизменяющих операциях труб (оболочек), напряжённое состояние в большинстве случаев принимается плоским.
Выявлено, что способы формообразования резьбы НКТ посредством пластического деформирования (штамповкой) с последующей коррекцией её и упрочнением с получением нано-дуплексной структуры в литературных источниках отсутствуют.
2 Проведено теоретическое исследование напряженно-деформированного состояние формообразования резьбы, установлен характер течения металла во время деформации. Теоретический анализ формоизменения заготовки во время деформации дал возможность также оценить качество получаемого изделия с точки зрения эффективности заполнения резьбовой матрицы металлом и остаточной деформации. Установлен характер влияния углов конуса заходной части пуансона и коэффициента трения на параметры процесса штамповки резьбы.
Выполнены теоретические исследования для определения основных параметров процесса выдавливания-формования резьбы. Получены расчетные формулы для определения напряжений и силы на пуансоне для формообразования резьбы на НКТ.