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

Номер контракта: 14.576.21.0030

Руководитель: Моргунов Василий Александрович

Должность руководителя: Генеральный директор

Докладчик: Небогов Сергей Михайлович, старщий научный сотрудник

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
создание и обработка конструкционных металлических наноматериалов, формообразование резьбы пластическим деформированием, поверхностно-пластическая деформация, упрочнение поверхности конической трубной резьбы, ультразвук, ультразвуковые колебания радиального типа.

Цель проекта:
Существующий в настоящее время ресурс работы и надежность резьбового соединения «труба-муфта» насосно-компрессорных труб (НКТ) не удовлетворяет современным требованиям нефтедобывающей промышленности. На протяжении многих лет делаются попытки упрочнения резьбовых соединений для НКТ. Используются разнообразные смазки, защищающие от износа, применяют дробеструйную обработку для образования наклепанной поверхности, обработку лазерным лучом, локальную термообработку с использованием различных источников тепла. Но эти методы не находят практического применения по разным причинам: высокая энергоемкость, большая трудоемкость, не обеспечение равномерных параметров упрочненной поверхности из-за резкого изменения сечения зуба резьбы. Одним из эффективных методов является метод формообразования резьбы пластической деформацией, когда волокна металла не перерезаются, а направлены вдоль профиля резьбы. Но данный метод не обладает достаточной точностью при обеспечении геометрических параметров резьбы, требуемых для НКТ и обсадных труб. Наряду с повышением прочности зуба резьбы её износостойкость практически не повышается, т. к. поверхностный слой необходимо упрочнить для повышения износостойкости при свинчивании-развинчивании. С этой задачей справляется объемная поверхностно-пластическая обработка с помощью наложения ультразвуковых колебаний. Цель проекта: Создание технологии и экспериментальной установки для повышения прочности и износостойкости резьбовых соединений труб нефтегазового сортамента посредством получения направленных вдоль профиля резьбы волокон и упрочнения её поверхностного слоя за счет создания нано-дуплексной структуры с помощью ультразвука.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Проведен анализ состояния исследований в области использования мощных ультразвуковых колебаний для процессов воздействия на конструкционные металлические материалы в процессе пластической деформации.
2. Проведены теоретические исследования операции поверхностно-пластической деформации резьбы с наложением ультразвуковых колебаний с использованием инженерного метода.
3. Проведены расчеты напряженно-деформированного состояния резьбы в процессе поверхностно-пластической деформации с ультразвуком.
4. Проведены теоретические расчеты технологических параметров ведения процесса поверхностно-пластической деформации трубной резьбы. Получена аналитическая зависимость для определения удельного деформирующего усилия при поверхностно-пластической деформации резьбы с наложением ультразвука.
5. Проведены исследования и разработана методика для расчета операции поверхностно-пластической деформации профиля резьбы c наложением ультразвуковых колебаний для получения на её поверхности нано-дуплексной структуры.
6. Проведен выбор научно-технических методов и средств, направлений экспериментальных исследований и технологических способов получения резьбы методом пластической деформации с упрочнением профиля
7. Выполнены дополнительные патентные исследования.
8. Проведен анализ схем технологических планировок по размещению установок для проведения исследований формообразования конической трубной резьбы методом пластической деформации и проведения исследований поверхностно-пластической деформации профиля резьбы c наложением ультразвуковых колебаний для получения на её поверхности нано-дуплексной структуры.
9. Разработана схема размещения экспериментальной установки для формообразования резьбы поверхностно-пластическим деформированием с использованием ультразвука (транспортная система, устройство для вращения трубы, стойка для размещения компьютера и ультразвукового генератора). Разработана схема энергообеспечения установок.
10. Разработана ЭКД на установку для пластического формообразования резьбы и установку для последующей коррекции геометрических параметров и упрочнения поверхностного слоя.
11. Разработан лабораторный регламента на изготовление экспериментальных образцов НКТ с резьбой, полученной пластическим формообразованием и последующим упрочнением с помощью ультразвука.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом данного проекта является отработанная технология на экспериментальной установке для повышения прочности и износостойкости резьбовых соединений труб нефтегазового сортамента посредством получения направленных вдоль профиля резьбы волокон и упрочнения её поверхностного слоя за счет создания нано-дуплексной структуры с помощью ультразвука, последующая разработка проекта ТЗ на проведение ОКР и опытно-промышленное внедрения новой технологии и оборудования в производство.
Научная новизна. В результате теоретического анализа инженерным методом установлено, что радиальные напряжения, возникающие при формообразовании непосредственно профиля резьбы с введением в очаг деформации ультразвуковых колебаний, зависят от напряжения текучести материала заготовки, амплитуды ультразвуковых колебаний и ультразвукового коэффициента трения. Установлено также, что упрочнение поверхностного слоя зависит от мощности активации дислокаций от воздействия ультразвука, их «залечивания» и образовавшейся при этом нано-дуплексной структуры.
В результате проведенных теоретических исследований разработана методика ведения технологического процесса.
За рубежом аналоги отсутствуют. В России в двух компаниях ("НТС-Лидер" и "Инлаб") проводятся аналогичные работы. Однако из-за нестабильности ультразвукового воздействия на очаг деформации при пластическом формообразовании и упрочнении резьбы получаемые результаты не удовлетворительны. Для получения стабильных результатов в рамках данного проекта разработан новый способ и установка для его осуществления, на который получен патент №2562850 от 17 августа 2015 г.
Для достижения заявленных результатов необходимо отработать режимы ведения процесса. Основной риск заключается в нестабильном выделении субсидии.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Обсластью применения результатов проекта является нефтегазовая отрасль, а именно насосно-компрессорные трубы, которые устанавливаются в скважины для извлечения углеводородов. Рынок НКТ России в 2014 г. составил 570 тыс. тонн, что составляет приблизительно 28 млрд. рублей в год. Столь огромные затраты на НКТ производятся из-за не достаточной прочности труб. Основной причиной аварий и отказов (до 90%) является недостаточная прочность и износостойкость резьбовых соединений НКТ.
Практическое внедрение результатов и перспективой использования новой технологии и оборудования являются трубные заводы и трубные базы для производства и восстановления после эксплуатации НКТ.
Планируемые результаты позволят в будущем заменить существующую технологию нарезки резьбы на технологию штамповки и упрочнения резьбы с использованием ультразвука. Это принципиально изменяет структуру производства: вместо труборезных станков будут использоваться горизонтально-ковочные машины для штамповки резьбы НКТ и последующая её коррекция и упрочнение.
В плане международного сотрудничества исследования не планируются, т.к. "ноу-хау" не планируется передавать зарубежным компаниям. В плане популяризации науки результаты оказывают влияние (уже были проведены доклады на 2-х конференциях).

Текущие результаты проекта:
Основными текущими результатами проекта являются: разработанная ЭКД на экспериментальные установки, изготовленные элементы конструкции исполнительных узлов установки для ультразвуковой обработки и проведено согласование ультразвукового генератора с активной нагрузкой. Получен патент на изобретение №2562850 от 17 августа 2015 г.