АО «ЭЛКАМ-Нефтемаш», Пермь, Россия¹ ; Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия²

С. Н. Мольцен, директор по качеству¹, аспирант кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» (МТО)², эл. почта: stanislav@vputehod.ru

А. В. Кравченко, начальник ОТК¹, аспирант кафедры МТО², эл. почта: andrew@vputehod.ru

АО «ЭЛКАМ-Нефтемаш», Пермь, Россия ; Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия:

И. В. Шестакова, студентка кафедры МТО, эл. почта: sestakovailona741@gmail.com
Ю. Н. Симонов, зав. кафедрой МТО, докт. техн. наук, профессор, эл. почта: simonov@pstu.ru

Представлены результаты апробации индукционной термической обработки (ИТО) для улучшения механических свойств стали 40Х, используемой в качестве материала для штоков насосных тонкостенных штанговых глубинных насосов (ШГН) и оценки ее эффективности. Описаны преимущества ИТО, включая быстрый нагрев, минимизацию поверхностного обезуглероживания и экономию энергии. Приведен расчет необходимой глубины упрочнения. Обоснован выбор оборудования для проведения ИТО и измерения текущей температуры, а также перечислены основные технические характеристики индуктора и пирометра. Выполнен анализ влияния ИТО на микроструктуру стали, ее прочность и сопротивление усталости. Приведены результаты изменения микротвердости по глубине упрочненного слоя и усталостных испытаний полноразмерных образцов штоков, нагруженных поперечным изгибом при вращении. Показано, что ИТО по режиму, включающему закалку при 850 °C в воде и отпуск при 400 °C, приводит к существенному повышению сопротивления усталости по сравнению с накаткой резьбы и объемным упрочнением с использованием штоков из термоупрочненной стали 38ХГМ класса прочности Д. Представлен экономический анализ, демонстрирующий возможность снижения себестоимости и увеличения рентабельности производства ШГН за счет внедрения ИТО в процесс изготовления насосных штоков из стали 40Х.

Работа выполнена при поддержке АО «ЭЛКАМ-Нефтемаш».

1. American Petroleum Institute. API 11AX: Specification for subsurface sucker rod pumps and fittings. 13^th ed., Washington, D.C. : API Publishing Services, 2022. — 218 p.
2. Мольцен С. Н., Кравченко А. В., Симонов Ю. Н., Полежаев Р. М. Повышение долговечности резьбовых соединений штоков при циклической нагрузке // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2021. Т. 23. № 2. С. 27–35.
3. ГОСТ 31835–2012. Насосы скважинные штанговые. Общие технические требования. — Введ. 01.01.2014.
4. Brennan F. P. Fatigue and fracture mechanics analysis of threaded connections. Department of Mechanical Engineering University College London, 1992. — 402 p.
5. Мольцен С. Н., Кравченко А. В., Симонов Ю. Н., Полежаев Р. М. Гарантия качества через контроль критических девиаций микроструктуры // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2021. Т. 23. № 1. С. 36–45.
6. Мольцен С. Н., Кравченко А. В., Симонов Ю. Н. Влияние коррозионных повреждений на работоспособность штоков тонкостенных штанговых насосов. Моделирование и расчет // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2022. Т. 24. № 1. С. 5–14. DOI: 10.15593/2224-9877/2022.1.01
7. Штремель М. А. Разрушение. В 2 кн. Кн. 1. Разрушение : монография. — М. : Изд. дом МИСиС, 2015. — 976 с.
8. Кушнаренко В. М.. Репях В. С., Чирков Е. Ю., Кушнаренко Е. В. Дефекты и повреждения деталей и конструкций : монография. — Оренбург : ОГУ, 2011. — 402 с.
9. Фрактография и атлас фрактограмм : пер. с англ. Е. А. Шура / под ред. М. Л. Бернштейна. — М. : Металлургия, 1982. — 489 с.
10. Rudnev V., Akers R. R. et al. ASM Handbook Vol. 4C: Induction Heating and Heat Treatment, 2014. — ASM International, 2014. — 821 p.
11. Симонов Ю. Н., Симонов М. Ю. Физика прочности и механические испытания металлов. — Пермь : Издательство ПНИПУ, 2020. С. 56–90.
12. ГОСТ 31825–2012. Штанги насосные, штоки устьевые и муфты к ним. Технические условия. — Введ. 01.01.2014.
13. Heidersbach R. Metallurgy and corrosion control in oil and gas production. — Published by John Wiley & Sons, Inc., 2011. — 293 p.
14. Кравченко А. В., Мольцен С. Н., Симонов Ю. Н., Полежаев Р. М. и др. Анализ и выбор методов испытания сталей на стойкость к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением в H2S-содержащих средах // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2021. Т. 23. № 2. С. 43–54.
15. ГОСТ 4543–71. Прокат из легированной конструкционной стали. — Введ. 01.01.1973.
16. ГОСТ 18895–97. Сталь. Метод фотоэлектрического спектрального анализа. — Введ. 01.01.1998.
17. ГОСТ 1497–84. Металлы. Метод испытаний на растяжение. — Введ. 01.01.1986.
18. Георгиев М. Н., Симонов Ю. Н. Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов : монография. — Пермь : Изд-во ПНИПУ, 2013. — 418 с.
19. Tada H., Paris P. C., Irwin G. R. The stress analysis of cracks handbook. — New York : Wiley, 2000. P. 52–53.
20. Irwin G. R. Plastic zone near a crack and fracture toughness // Mech. Metall. Behavior of Sheet Mater. Proc. 7^th Sagamore Ordinance Mater. Res. Conf., New York, 1960. Vol. 4. P. 63–77.
21. Yokobori T. Fatigue crack propagation as successive stochastic processes and fatigue fracture toughness // Proc. Mech. Behavior of Materials, Vol. II, Japan Soc. Mats. Science. 1972. P. 233-239.
22. Toktaş G. Fatigue strength-load cycle relationships for ferrous materials // Wang Q. J., Chung Y. W. (eds). Encyclopedia of Tribology. Springer, Boston, MA. 2013. P. 1052–1059. DOI: 10.1007/978-0-387-92897-5_278
23. Boyer H. E. Atlas of fatigue curves. ASM, 1990. — 534 p.
24. Callister W. D., JR. Materials science and engineering. Wiley, 2014. — 990 p.
25. Мольцен С. Н., Шестакова И. В., Кравченко А. В., Симонов Ю. Н. Локальное упрочнение циклически нагруженных деталей индукционной термической обработкой // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2023. № 4. С. 81–91.
26. ГОСТ 25.502–79. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. — Введ. 01.01.1981.