книги / Технологические процессы и технические средства для глубинно-насосной эксплуатации нефтяных скважин

Таблица 3 . 4

Результаты коррозионно-усталостных испытаний фрагментов штанг в трех средах

Примечание. σ–1 – среднее значение предела выносливости; Sσ−1 – величина среднеквадратичного отклонения.

коррозионно-усталостных испытаний фрагментов штанг, а также для сравнения с результатами других исследователей в качестве базовой агрессивной средыпринят 3%-йраствор NaCl вдистиллированной воде.

Наряду с консольным изгибом и вращением фрагментов из штанг ШН19, ШН22 для углубления исследований и установления усталостных показателей штанги в зависимости от ее механических свойств и при наличии дефекта (несплошность, структурная неоднородность) были выполнены также исследования, включающие низкочастотный изгиб образца в одной плоскости при консольном нагружении для установления корреляции между уровнем сигнала от дефекта, вызванного структурной неоднородностью, установленного в процессе неразрушающего контроля насосной штанги, и пределом выносливости. Для усталостных испытаний были использованы фрагменты из насосных штанг ШН19, ШН22 длиной порядка ~300 м. База испытаний составила 5·10 циклов с использованием машины У-20 конструкции ЦНИИТМАШ и машины УИМП-10.

Испытания на плоский изгиб позволили создавать на поверхности образца в плоскости изгиба наибольшие нормальные напряжения. Поскольку сравниваются структурные дефекты, то ориентация плоскости изгиба по отношению к сечению не имеет значения. Кон-

181

цевой участок образца длиной 120–150 мм обкатывали роликом для создания упрочненного слоя. По этой поверхности образец устанавливали в захвате машины. Выше обкатанной части на расстоянии 20–40 мм располагали дефектный участок.

Обкатка обеспечила разрушение образца в дефектной области, и тем самым было исключено разрушение образца в захвате от фрет- тинг-усталости. Усталостные испытания были выполнены в соответствии с ГОСТ 25.502–79. Например, для установления усталостных показателей натурных фрагментов из насосных штанг (маркировка 19Н7И.9И – старый цех) путем неразрушающего контроля магнитоиндукционным методом были выявлены дефектные участки конечной длины с точностью ±10 мм, имеющие неоднородную структуру. По величине сигнала на дефектограмме из дефектных участков штанг были составлены три серии для усталостных испытаний путем низкочастотного изгиба фрагмента в одной плоскости. Кроме того, из этих же штанг была изготовлена серия из участков, на которых дефектоскопомне зарегистрированы сигналы, повышающие уровеньфона.

Всего получилось 4 серии образцов, маркированных следую-

Маркировка образцов 1, 2, 3-й серии, включающая три группы цифр, расшифровывается следующим образом:

–первая цифра – означает номер штанги;

–вторая группа – однозначное число – номер серии, т.е. высоту сигнала;

– третья группа – двузначное число – обозначает место образца в штанге: первая цифра показывает направление отсчета образцов (1 – отсчет от правой головки штанги; 0 – отсчет от левой головки штанги); вторая цифра – порядковый номер образца по длине штанги.

Образцы штанг без дефекта были промаркированы двумя группа цифр – номер штанги и число два.

182

Таким образом, клеймо 1-1-13 означает первую штангу первой серии (сигнал 20 мм и выше), третий участок с дефектом с правого конца штанги. При дефектоскопировании штанги № 1 дефектограмма включала сигналы разной амплитуды на различных расстояниях от концов штанги.

Образцы (сталь 20Н2М), вошедшие в состав четырех серий, были изготовлены из штанг с условным диаметром 19 мм. Образцы были изготовлены при условии, согласно которому дефектный участок образца, включенного в серию, размещали в зоне механического воздействия при плоском его изгибе.

Среднее значение предела выносливости при симметричном цикле и его среднеквадратичное отклонение определяли методом ступенчатого изменения нагрузки.

Данные испытания были выполнены при комнатной температуре, атмосферном давлении воздуха с частотой 20 Гц. Испытательные машины и методика испытаний обеспечивали точность контроля нагружения и условия испытания в соответствии с ГОСТ 25.502–79. Результаты усталостных испытаний и их режимы представлены в табл. 3.5–3.8.

Таблица 3 . 5

Результаты испытаний участков штанг с дефектами структуры (высота сигнала дефектоскопа h ~ 22 мм)

183

Окончание табл. 3 . 5

Таблица 3 . 6

Результаты испытаний участков штанг с дефектами структуры (высота сигнала дефектоскопа h ~ 18 мм)

184

Таблица 3 . 7

Результаты испытаний участков штанг с дефектами структуры (высота сигнала дефектоскопа h ~ 14 мм)

Таблица 3 . 8

Результаты испытаний участков штанг с дефектами структуры. Структурная неоднородность материала штанги отсутствует

185

Окончание табл. 3 . 8

Примечание. База испытаний – 5·10 6 млн циклов.

Сопоставление полученных результатов, представленных

втабл. 3.5–3.8, при соответствующей амплитуде сигнала дефектоскопа, указывает на существование зависимости между усталостными, прочностными характеристиками натурного образца из штанги и уровнем сигнала на выходе дефектоскопа от дефектного участка. Данное положение подтверждено наличием смещения зоны долома

вобласть меньших номинальных напряжений с увеличением амплитуды сигнала дефектоскопа. Особенно существенное снижение усталостной прочности натурного образца из штанги наблюдается, как следует из табл. 3.6 и рис. 3.7, для участков штанги с амплитудой сигнала ~18 мм, из которых данные образцы были изготовлены.

Расчет среднего значения предела выносливости σ–1 и среднеквадратичного отклонения Sσ−1 выполнен по методике [28] с исполь-

зованием выражений:

шение фрагмента штанги при принятой базе испытаний, МПа; ∆ σ – шаг изменения нагрузки, МПа; А и В – расчетные величины; N – общее число одинаковых событий; знак минус используется для расчета среднего значения предела выносливости σ–1 для неразрушившихся фрагментов штанг; знак плюс используется для расчета среднего

186

значения предела выносливости σ–1 для разрушившихся фрагментов штанг. Результаты усталостных испытаний насосной штанги ШН19 (сплав 20Н2М) представлены в табл. 3.4 и на рис. 3.6.

Рис. 3.7. Положение изломаL– Lp изначение нормального напряжения визломеσр для испытания четырех серийфрагментов штанг 1987 года выпуска, Очёрский машзавод, старыйцех, г. Очёр(над точкойуказано значение сигналадефектоскопа на еговыходевмм): серия а(уровеньh сигнала навыходе0 мм), маркировка фрагментов 19Н7И.911; серия б

(уровень h сигнала дефектоскопа навыходе~14 мм), маркировка фрагментов 19Н7И.911; серия в(уровеньh сигнала навыходе~18 мм), маркировкафрагментов 19Н7И.911 и19Н7И.975; серия г(уровень h сигнала навыходе~22 мм), маркировкафрагментов 19Н7И.911

187

3.3. Неразрушающий метод определения предела пропорциональности материала насосных штанг (предела микротекучести) по кривым магнитоупругого размагничивания при растягивающем напряжении

В [82, 83] установлено, что при нагружении намагниченных образцов, изготовленных из различных сталей, напряженность их магнитного поля рассеяния Н (остаточная намагниченность) убывает на первых этапах быстро, а затем медленнее. В [83] предложена экспоненциальная зависимость для описания магнитоупругого размагничивания. В [84] указывается, что зависимость логарифма напряженности поля от величины механических напряжений может быть представлена двумя пересекающимися прямыми. Однако механизм этого явления не описывается и не объясняются причины существования критического напряжения (точки пересечения прямых).

Для решения поставленных задач и оценки возможности использования магнитоупругого размагничивания для неразрушающего контроля предела пропорциональности (микротекучести) некоторых сталей были проведены исследования на стандартных образцах для механических испытаний диаметром 10 мм, вырезанных из бывших в эксплуатации насосных штанг, изготовленных из сталей 20Н2М, 15Х2НМФ и 15Х2ГМФ. Для снятия магнитограмм при магнитоупругом размагничивании датчик Холла закрепляли вблизи конца образца, где магнитное поле рассеяния больше всего. Измерения вели для установления зависимости напряженности магнитного поля рассеяния от величины действующих в образце растягивающих напряжений. Исследовали также зависимость деформации ∆L цилиндрической части образца от величины приложенных напряжений σ с помощью механического рычажного тензометра, позволяющего фиксировать наименьшую деформацию в 5 мкм.

На рис. 3.8 показана зависимость напряженности магнитного поля рассеяния Н при растяжении на примере образца из стали

188

15Х2НМФ, а на рис. 3.9 представлены зависимости ее логарифма от величины напряжений с помощью двух прямых, также указана точка пересечения σк.

В соответствии с экспоненциальным выражением магнитоупругого размагничивания его механизм можно представить в следующем виде. При действии растягивающих напряжений на поперечные домены 90-градусные междоменные границы испытывают силу, стремящуюся вырвать их из положения минимума энергии: сместить в положение с новым минимумом энергии, складывающейся из магнитоупругой и магнитостатистической энергии взаимодействия намагниченности с внутренним магнитным полем [85]. Последнее обусловлено размагничивающим фактором как всего образца, так и локально неоднородных намагниченных участков. В результате объем доменов, ориентированных вдоль оси растяжения, начинает увеличиваться, а объем поперечных доменов уменьшается. При этом образуется магнитная текстура, которая называется «конус легких магнитных полей».

189

В микроучастках образца, неоднородных по своим магнитным свойствам, происходит разрыв намагниченности, и при исчезновении

врезультате приложения напряжений замыкающих (поперечных) доменов возникают сильные локальные размагничивающие поля, образуется пространственная структура неупорядоченно расположенных многочисленных «магнитных зарядов». Они представляют собой большие энергетические барьеры для движения границ доменов. В этом случае сравнительно небольшой магнитоупругой энергии приходится конкурировать с энергией взаимодействия намагниченности с сильными локальными магнитными полями. При этом величина полей, локализующихся в микрообъемах, на границах зерен и разнородных металлографических фазах будет тем больше, чем меньше будет оставаться замыкающих объемов. Естественно считать, что энергия активации процесса движения 90-градусных границ

вприсутствии «магнитных зарядов» будет намного меньше, чем междоменных границ без таковых. Этим и объясняется замедление темпов размагничивания с ростом нагрузки (см. рис. 3.9). Рассматриваемые процессы в какой-то мере можно сравнить с явлениями, происходящими при приближении намагниченности к насыщению с описываемыми законом приближения к насыщению [85]. Остается выяснить, с чем связана точка пересечения двух прямых на рис. 3.9.

Для этого снимались кривые «напряжение – деформация ∆L(σ)» для того же образца, на котором снималась магнитограмма. По точке перегиба на зависимости ∆L(σ) определялась величина предела пропорциональности, обусловленного началом процесса микротекучести σмт. Установлено, что точка перегиба σк на кривой ln H(σ) и точка предела пропорциональности σпц практически совпадают у исследованных ста-

лей (например, у образца 15Х2НМФ σпц = 270 Н/мм2 и σк = 260 Н/мм2 соответственно). Причина совпадений, по-видимому, заключается в том, что при достижении внешними напряжениями уровня внутренних процесс магнитоупругого размагничивания заканчивается, так как происходит перестройка основных доменов. Далее начинается микротекучесть, и характер магнитоупругого размагничивания изменя-

190