Исследование процесса упрочнения длинномерных цилиндрических изделий совместным растяжением и кручением

Крюков, Алексей Андреевич

Исследование процесса упрочнения длинномерных цилиндрических изделий совместным растяжением и кручением тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Крюков, Алексей Андреевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Пермь МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Исследование процесса упрочнения длинномерных цилиндрических изделий совместным растяжением и кручением»

Автореферат диссертации на тему "Исследование процесса упрочнения длинномерных цилиндрических изделий совместным растяжением и кручением"

На правах рукописи

Крюков Алексей Андреевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УПРОЧНЕНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ СОВМЕСТНЫМ РАСТЯЖЕНИЕМ И КРУЧЕНИЕМ

01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 МАЙ 2013

005058383

Пермь-2013

005058383

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Вассерман Николай Натанович

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент

Калугин Вячеслав Евгеньевич

Официальные оппоненты: Роговой Анатолий Алексеевич,

доктор физико-математических наук, профессор, ФГБУН «Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАН», зам. директора

Ефимов Игорь Николаевич, доктор технических наук, профессор, Чайковский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова», директор

Ведущая организация: ЗАО «Специальное конструкторское

бюро» ОАО «Мотовилихинские заводы», г. Пермь

Защита состоится «23» мая 2013 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.188.05 при Пермском национальном исследовательском политехническом университете (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, ауд. 4236).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Пермского национального исследовательского политехнического университета.

Автореферат разослан 22 апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент

А.Г. Щербинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На территории Российской Федерации круглосуточно работают тысячи нефтяных скважин, большинство из которых оборудовано штанговыми нефтенасосными установками. Одновременно в эксплуатации находятся сотни тысяч штанг, работающих в условиях циклического нагружения, порой в достаточно агрессивной среде. Большинство штанг, находящихся в эксплуатации, уже давно выработало свой ресурс, регламентируемый ГОСТ 13877-96, однако из-за экономических трудностей их интенсивная замена на новые далеко не всегда осуществима. Кроме того, в связи с истощением запасов нефти условия эксплуатации нефтенасосных установок всё время ужесточаются, а требования, предъявляемые ГОСТом к качеству штанг, основаны на исследованиях, проведённых несколько десятилетий тому назад. Изменился и ассортимент изготовляемых штанг. Производители вынуждены искать замену хорошо зарекомендовавшим себя, но относительно дорогим сталям, на более дешевые, эксплуатационные свойства которых ещё недостаточно изучены. К сожалению, ГОСТ не регламентирует требования к коррозионно-усталостной прочности (КУП) материала штанг, ограничиваясь только характеристиками статической прочности, что не стимулирует изготовителей контролировать характеристики усталости. В результате сложилась обстановка, когда находящийся в эксплуатации парк насосных штанг уже не в состоянии обеспечить надёжную работу оборудования, а предлагаемые промышленностью новые штанги, хотя и удовлетворяют требованиям ГОСТа, не всегда удовлетворяют потребителя. Поэтому возникает задача повышения характеристик КУП данных изделий.

Усталостное разрушение, если не приняты специальные меры, обычно начинается с поверхности, поэтому для повышения несущей способности штанги в первую очередь необходимо повысить сопротивление усталости приповерхностной области. Одним из наиболее эффективных механизмов упрочнения этой области является наведение в ней осевых сжимающих остаточных напряжений. Под упрочнением в работе понимается комплекс мер, направленных на повышение усталостной прочности. К широко известным методам упрочнения относятся методы поверхностного пластического деформирования (ППД: дробеструйный наклёп, обкатка шариками или роликами и др.) и поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ). Данные методы позволяют наводить достаточно большие по абсолютному значению остаточные сжимающие напряжения в приповерхностном слое изделия. Применительно к насосным штангам наиболее широкое распространение получили дробеструйный наклёп и поверхностная закалка ТВЧ. Но недостатком этих методов является локальный характер упрочнения как по длине изделия (достигается неравномерное распределение остаточных напряжений), так и по сечению (упрочняется только поверхностный слой малой глубины). При длительном времени работы изделия в агрессивной среде (в случае штанг - это несколько лет) происходит постепенное неизбежное разъедание поверхностного слоя от коррозии, и эффект упрочнения в итоге теряется.

Д.т.н., профессором H.H. Вассерманом и к.т.н., доцентом В.Е. Калугиным совместно с д.т.н. В.В. Семёновым разработан и при их же непосредственном участии доведён до промышленного применения отличающийся от отмеченных выше способ упрочнения штанг. Он заключается в наведении в приповерхностной

области изделия осевых сжимающих остаточных напряжений за счет последовательного упругопластического деформирования сначала растяжением, а затем, при фиксации полученной при растяжении продольной деформации, кручением. В этом случае достигается равномерное распределение остаточных напряжений по длине штанги (при условии равномерности начальных свойств), а на стадии растяжения происходит ещё и правка, т.е. восстановление пространственной геометрии длинномерного изделия. Способ отличается высокой технологичностью, а само упрочнение носит объёмный характер. Глубина упрочнённого слоя может достигать 1/3 радиуса от поверхности, что превышает глубину проникновения коррозионных язв и препятствует дальнейшему развитию зарождающихся на поверхности трещин, поэтому эффект упрочнения сохраняется в течение длительного времени работы изделия. В настоящее время способ используется для восстановления работоспособности бывших в эксплуатации, но ещё не исчерпавших свой ресурс штанг.

Моделированию и оптимизации процесса восстановления работоспособности насосных штанг посвящена работа А.Н. Надымова, выполненная под руководством д.т.н., профессора В.Ю. Столбова. В работе проведено исследование неоднородности распределения механических характеристик по длине штанг, бывших в эксплуатации. Предложена математическая модель упругопластического деформирования штанги, а также предложен вариант оптимизации процесса восстановления с учетом неоднородности начальных свойств по длине.

Однако существующие режимы упрочнения, которые включают однократное кручение (кручение в одну сторону) предварительно растянутого изделия, нельзя назвать эффективными. Из-за неоднородности начальных свойств по длине штанги появляется опасность образования шеек и даже разрушения по телу изделия в процессе упрочнения. Поэтому вводится ограничение на величину угла закручивания, что не позволяет навести достаточные значения остаточных осевых напряжений, способных существенно повысить КУП изделия. К тому же, кроме проведённых под руководством профессора H.H. Вассермана усталостных испытаний на нескольких восстановленных штангах, отсутствуют другие исследования, доказывающие действительную эффективность данной упрочняющей технологии (относительное повышение предела выносливости и циклической долговечности изделия). Сами возможности способа недостаточно глубоко изучены теоретически и крайне слабо подтверждены экспериментально.

Таким образом, актуальной остаётся задача разработки такой методики, которая с одной стороны сохранит уже существующие преимущества упрочнения совместным растяжением и кручением, а с другой стороны позволит существенно повысить КУП и циклическую долговечность изделия.

Идея работы: применить реверсивное кручение в процессе упрочнения совместным растяжением и кручением.

Объект исследования: способ упрочнения длинномерных цилиндрических изделий совместным растяжением и кручением (на примере однородного прямолинейного стержня круглого сечения).

цией процесса упрочнения, направленной на повышение коррозионно-усталостной прочности изделия.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Построение математической модели упругопластического деформирования совместным растяжением и кручением тонкостенного трубчатого изделия из конструкционной стали.

2. Определение материальных параметров модели и подтверждение её адекватности по результатам экспериментов на сертифицированном оборудовании.

3. Построение математической модели упрочнения однородного стержня круглого сечения совместным растяжением и кручением на основе модели деформирования тонкостенного трубчатого изделия.

4. Подтверждение адекватности модели упрочнения круглого стержня по результатам экспериментов на сертифицированном оборудовании.

5. Исследование с помощью разработанной модели различных вариантов и последовательностей деформирования совместным растяжением и кручением и определение наиболее рациональных режимов упрочнения.

6. Проведение сравнительных коррозионно-усталостных испытаний нескольких партий образцов с выявлением действительной эффективности определённых с помощью модели рациональных режимов.

Научная новизна работы:

2. Разработана новая более эффективная по сравнению с существующей методика упрочнения, заключающаяся в последовательном упругопластическом деформировании изделия сначала растяжением, а затем, при фиксации полученной при растяжении продольной деформации, кручением со сменами направления закручивания (знакопеременным). Упрочнение с использованием данной методики позволяет обеспечить наиболее благоприятное (с позиции повышения КУП) распределение по радиусу изделия остаточных осевых напряжений при минимальных значениях остаточных касательных напряжений.

3. Определены наиболее рациональные для каждой из исследуемых методик (совместным растяжением и однократным кручением, совместным растяжением и знакопеременным кручением, совместным растяжением и реверсивным кручением со знакопостоянной амплитудой) режимы упрочнения однородного стержня из конструкционной стали 15Х2ГМФ, применяемой для изготовления насосных штанг.

4. Проведены сравнительные коррозионно-усталостные испытания, доказывающие повышение КУП и циклической долговечности в результате упрочнения совместным растяжением и кручением, а также доказывающие более высокую эффективность новой методики упрочнения - совместным растяжением и знакопеременным кручением перед существующей методикой — совместным растяжением и однократным кручением.

Достоверность результатов обеспечивается корректным применением методов и подходов механики деформируемого твёрдого тела, а также подтверждается достаточно точной согласованностью данных теоретического решения с данными проведённых экспериментальных исследований на тонкостенных трубчатых образцах и образцах круглого сечения. Преимущества и эффективность разработанных новых режимов упрочнения подтверждаются результатами проведённых многоцикловых коррозионно-усталостных испытаний.

Практическая значимость работы:

1. Получена новая более эффективная по сравнению с существующей методика упрочнения совместным растяжением и знакопеременным кручением, которую можно использовать для повышения КУП насосных штанг (для упрочнения новых или восстановления работоспособности бывших в эксплуатации штанг), а также других длинномерных цилиндрических изделий.

2. Разработан программный комплекс, позволяющий определить параметры процесса упрочнения совместным растяжением и кручением (уровень начального напряжения растяжения, с которого начинается кручение, количество стадий кручения, величины углов закручивания на каждой стадии кручения) для длинномерных цилиндрических изделий из конструкционных сталей.

3. Разработанная методика и рекомендации на основе результатов исследования переданы изготовителю оборудования для правки и упрочнения насосных штанг ООО «ИНОКАР», г. Пермь (акт о внедрении приведён в приложении к диссертации).

Апробация работы. По материалам диссертации были сделаны доклады на следующих научных конференциях: Международная молодёжная научная конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2010 г.), XVII Зимняя школа по механике сплошных сред (Пермь, 2011 г.), VII международная научно-практическая конференция «Современные вопросы науки - XXI век» (Тамбов, 2011 г.), I Международная научно-практическая конференция «Молодые ученые Прикамья - 2011», (Пермь, 2011 г.).

Полностью диссертация обсуждалась на научных семинарах: Института механики сплошных сред УрО РАН (руководитель: академик РАН, д.т.н., профессор В.П. Матвеенко), кафедр «Вычислительная математика и механика» ПНИПУ (руководитель: д.т.н., профессор H.A. Труфанов), «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ (руководитель: д.ф.-м.н., профессор П.В. Трусов), «Конструирование машин и технология обработки материалов» ПНИПУ (руководитель: д.т.н., профессор A.M. Ханов).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 статьи в российских периодических рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 137 наименований и приложения. Полный объём диссертации составляет 187 страниц, включая 98 рисунков и 7 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность сотрудникам Центра экспериментальной механики (ЦЭМ) ПНИПУ: директору, д.ф.-м.н., профессору В.Э. Вильдеману и младшему научному сотруднику М.П. Третьякову за ценную помощь и содействие в проведении экспериментальных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности выбранной темы, формулировку цели и основных задач диссертационного исследования, описание научной новизны, а также общей характеристики выполненной работы.

В первой главе представлен обзор литературы, посвященный проводимым ранее исследованиям по теме диссертации. Анализируются факторы, влияющие на КУП и долговечность изделий, существующие способы повышения КУП, их преимущества и недостатки. Рассматривается механизм упрочнения цилиндрических изделий методом совместного растяжения и кручения. Рассматриваются проводимые ранее исследования поведения материалов в условиях совместного растяжения и кручения.

Во второй главе проведено теоретическое и экспериментальное исследование поведения тонкостенных трубчатых образцов в условиях совместного растяжения и кручения. Построена математическая модель упругопластического деформирования растяжением и кручением тонкостенного трубчатого изделия, основанная на теории пластического течения. Область применимости модели: одноосное растяжение, чистый сдвиг, а также совместное растяжение и кручение.

Основные положения разработанной математической модели:

1. Напряженно-деформированное состояние (НДС) в случае совместного растяжения и кручения в цилиндрической системе координат (г, <p, z) можно охарактеризовать следующими компонентами напряжений и деформаций:

ог=°(р=0' о_-=а, тг_.= тф, = О, т_-ф=т,

е. = е, ег = Еф = -ц • е. = -ц • е, уг:= уфГ= 0, уГф= у,

где о и т — нормальное и касательное напряжение в точке тела, е и у — полная продольная и полная угловая деформации в точке тела, ц - коэффициент Пуассона (для пластических составляющих деформаций ц = 0,5).

2. Влияние временного фактора не существенно, с допустимой погрешностью им можно пренебречь.

3. Начало пластического течения не выделяется, общие деформации на всём пути нагружения складываются из упругой и пластической составляющих:

z = ze+zD, dz = dze+dzD,

pep (1)

1 = 1 е+Ур' <*1 = dYe + dyp,

где dz и с/у - приращения продольной и угловой деформаций, индексом «е» обозначены упругие составляющие деформаций и их приращений, индексом «р» -пластические составляющие.

4. Справедливой считается гипотеза о существовании единой кривой. НДС рассматривается как состояние, эквивалентное одноосному растяжению. В качестве эквивалентного напряжения (оек) и приращения эквивалентной пластической деформации (dzek р) принимаются аналоги интенсивности напряжений (о,) и интенсивности приращений пластических деформаций (dzjp), которые для случая совместного растяжения и кручения описываются зависимостями:

аек(о,т) = ^2+(Кгг)2 , dzck р = ^drJp2 + (к2 ■ d/pf , (2)

где К\ к К2 - безразмерные коэффициенты, согласно теории течения: Кх = л/3, К2 = (экспериментально подтверждены для исследуемого материала).

5. Материал принимается однородным и изначально изотропным.

6. Связи между напряжениями и деформациями, а также их приращениями определяются законом Гука при растяжении и при чистом сдвиге:

а = £-(е —ер), <1о = Е-[с1г-с1гр),

т = 0\ч-чр\ ск = о\сЬ!-*{р\ (3)

где Ли А - приращения нормальных и касательных напряжений, Е иС-модули Юнга и сдвига.

7. Диаграмма пластического деформирования описывается дифференциальным уравнением вида:

= при ^>0, ^ = 0 при с!аек < 0, (4)

где /¡{Ъек) - первая определяющая функция модели, которая работает при активном нагружении и равна нулю в случае разгрузки; (1<зек - приращение эквивалентного напряжения.

8. Предполагается, что разгрузка подчиняется линейному упругому закону.

9. Отношение приращения угловой пластической деформации к приращению продольной пластической деформации является функцией от действующих напряжений, т.е. описывается дифференциальным уравнением следующего вида:

р- = /гМ (5)

где /¡(о, т) - вторая определяющая функция модели.

10. В итоге приращение эквивалентной пластической деформации выражается следующей зависимостью:

^ек.р = <*£р ■ + /г^))2 = <кр ■ /зО,т)>

I--^'

где /3(а,х) = ^1 + {К2-/2(с,-с))2

11. Окончательные выражения, связывающие приращения продольной и угловой пластических деформаций с величинами напряжений:

л =_о.^-Д^Ю+^.т^-С-/!^,)_

" /з(о,т) • а н(о,т)-5^п(а) + а-£-у;(аек) + К* ■ т■ /2(о,т)• в ■ £(аек)

и из (5): сЬ(р=(1ер-/2(с>,1)

Для каждого конкретного материала можно принимать наиболее подходящие определяющие функции /¡{аек) и т), не меняя при этом саму модель. Для исследуемого материала — конструкционной стали 15Х2ГМФ, не выявляющей площадки текучести, в качестве первой функции принята зависимость:

/¡(аек,А,т) = А-

»ек

(8)

где Со,2 _ условный предел текучести материала, т - показатель степени, А — параметр, который выражается через о0,2 и т из условия прохождения диаграммы пластического деформирования через точку с координатами (0,002; О02):

Л=1п, + 1).Ш ' (9)

ст0,2

Замена//(аг*) на //(а,,*, А, т) применена для описания эффекта Баушингера, т.е. параметры А и т, определяющие наклон кривой пластического деформирования, могут меняться в зависимости от стадии деформирования.

В качестве второй определяющей функции принята зависимость:

/2(о,т) = Д

а /

(10)

где Вид- безразмерные параметры.

Входными параметрами модели являются величины полных деформаций, достигаемых на каждой стадии деформирования. Материальными параметрами являются механические характеристики материала (Е, С, 00,2) и коэффициенты определяющих функций (8) и (10). На выходе модели - зависимости между напряжениями и деформациями. Для решения уравнений используется метод конечных разностей, процесс численного решения реализован в виде программы, составленной в пакете МаШСАЭ.

Необходимые испытания на тонкостенных трубчатых образцах для определения материальных параметров модели и подтверждения адекватности полученного решения были проведены в ЦЭМ ПНИПУ на универсальной двухосевой сер-вогидравлической испытательной системе 1пз1гоп 8850. Испытания проведены с использованием навесного экстензометра, позволяющего регистрировать продольную и угловую деформации непосредственно в рабочей зоне образца. Тем самым, исключались погрешности измерения, обусловленные податливостью нагружающей системы и несовершенством закрепления образца в захватах.

Исследованы как существующие в настоящее время режимы деформирования, применяемые в рассматриваемой технологии упрочнения и включающие в себя растяжение, фиксацию достигнутой продольной деформации на постоянном уровне и последующее однократное кручение, так и разрабатываемые новые режимы, включающие растяжение, фиксацию достигнутой продольной деформации на постоянном уровне и последующее знакопеременное кручение.

Теоретическое решение показывает достаточно точное соответствие результатам экспериментов на стадиях растяжения, частичной разгрузки после растяжения (если такая стадия присутствует) и последующих двух стадиях знакопеременного кручения, на которых наблюдается интенсивное снижение нормальных напряжений (рисунки 1 и 2). На третьей стадии кручения наблюдается отклонение результатов, где согласно эксперименту нормальное напряжение практически не снижается, даже наоборот сначала идёт небольшое его повышение, что, возможно, вызвано анизотропией свойств, наведённых в процессе деформирования. Тем не менее, петлю т - у модель описывает достаточно точно на всех стадиях. Это достигается благодаря тому, что на третьей стадии кручения параметры А и т у первой определяющей функции /¡(ось А, т) уменьшены, в то время как на стадии растяжения и первых двух стадиях кручения они остаются неизменными.

"0.012 "0.008 -0.004 0 0.004 0.003 0.012 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007

а) * 6)

Рис. 1. Графики зависимостей: а) ст -у, б) а - е, в) т - у, г) х - ст при испытании образца из стали 15Х2ГМФ в последовательности: растяжение до е = 0,006 (соответствует ао.г), фиксация достигнутой деформации е на постоянном уровне, кручение до у = уа (уа = 0,01), кручение в противоположную сторону до у = - уа, кручение в первоначальном направлении до у = уа. I - модель, 2 - эксперимент, 3 - эллипс Мизеса: ст2 + 3-х2 = а0,22 (сгод = 844 МПа)

С точки зрения самого процесса упрочнения интерес представляет именно снижение нормального напряжения, так как в этом случае за счет уменьшения продольной упругой деформации идёт процесс накопления продольной пластической деформации, которая в конечном итоге и связана с формированием остаточных осевых напряжений. Таким образом, полезными можно считать только стадии растяжения и последующие две стадии кручения, т.е. те, в пределах которых модель достаточно точно описывает результаты эксперимента. Третья стадия кручения в дальнейшем оставлена частично, в пределах, когда соответствие модели и эксперимента можно считать удовлетворительным.

При других вариантах начального напряжения растяжения и амплитуды кручения теоретическое решение также подтверждает свою адекватность, показывая достаточно точное соответствие результатам экспериментов на стадиях деформирования, представляющих интерес для упрочнения изделий (растяжение и последующие две полные и третья частичная стадии кручения).

_ G, МПа.

о,МПа

юоо-

-0012 -0.002 -0.004 0 0.004 0.00S 0.012

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.00(5 0.007

а)

-Т,МПа_500-

-Т ,МПа

б)

Рис. 2. Графики зависимостей: а) ст - у, 6) ст - е, в) т - у, г) т - ст при испытании образца из стали 15Х2ГМФ в последовательности: растяжение до б = 0,006 (соответствует сто.г), разгрузка до е = 0,005 (соответствует ст = 0,75-сто.г), фиксация достигнутой деформации е на постоянном уровне, кручение до у = уа (уа = 0,01), кручение в противоположную сторону до у = - уа, кручение в первоначальном направлении до у = уа. 1 - модель, 2 - эксперимент, 3 - эллипс Мизеса: а + 3-х = сто,22 ("од = 855 МПа)

В третьей главе проведено исследование процесса упрочнения однородных стержней круглого сечения совместным растяжением и кручением. Для этого на основе модели деформирования тонкостенного трубчатого изделия построена математическая модель деформирования круглого стержня.

Основные положения разработанной модели:

1. Стержень сплошного круглого сечения разбивается на п тонкостенных цилиндров со средним радиусом Л, и толщиной стенки 5/, где 8, « Л,-. Для каждого цилиндра они определяются по формулам:

= 8,=ЛУ,-ЛУы> (11)

где Лу, - внешний радиус /-го цилиндра, который определяется по формуле:

«vl=JW-nfl-i-C/-l)\

(12)

где RN- наибольший внешний радиус, т.е. радиус самого стержня.

Деформирование каждого такого тонкостенного цилиндра в отдельности описывается моделью деформирования тонкостенного трубчатого изделия, рассмотренной во второй главе.

2. Справедливыми считаются гипотезы плоских сечений и прямых радиусов. Вследствие этого все тонкостенные цилиндры получают одинаковые общие продольные деформации, а угловые деформации связаны между собой линейной зависимостью:

Zj = const, У i = Tmax > (13)

Щах

где ymax - угловая деформация наружного цилиндра, /?тах - средний радиус наружного цилиндра.

3. Величины продольных сил (Л/) и крутящих моментов (М) в процессе на-гружения определяются соотношениями:

^ = М = -6, -т() (14)

< /

4. При снятии внешнего растягивающего усилия и момента кручения происходит упругая разгрузка, по окончании которой в изделии (в случае неупругого деформирования на стадии нагружения) сохраняются остаточные деформации и остаточные напряжения. В соответствии с теоремой о разгрузке величины остаточных деформаций (eos, yos) определяются как разности между деформациями, возникающими при нагружении, и величинами снимаемых деформаций при разгрузке, и в конечном итоге приводятся к следующим выражениям:

2><-8<-£а><) 2><-5<-0

Y os

__I__

(15)

V max

В данном случае: eos - величина остаточной продольной деформации во всех цилиндрах, Yos - величина остаточной угловой деформации в наружном цилиндре.

5. По найденным значениям остаточных деформаций, а также по найденным значениям пластических деформаций в каждом /-том цилиндре вычисляются значения остаточных напряжений:

= Е ' (е<м — epi )> To.s; = G ■

о ' Р>

пщ\ у

(16)

где oOJ, и т„„ - остаточные осевые и остаточные касательные напряжения в i-том цилиндре.

Входные параметры модели: уровень начального напряжения растяжения, с которого начинается кручение, а также величины угловых деформаций, достигаемых на каждой стадии кручения. На выходе - распределение остаточных напряжений по радиусу изделия, а также зависимости продольной силы и крутящего

У I

момента от угла закручивания ср, где ф = -Lmií—, а / - длина рабочей части изде-

лия. Пошаговый процесс вычисления всех параметров реализован в виде программы, составленной в пакете MathCAD.

По результатам испытаний образцов круглого сечения, проведённых, как и ранее, в ЦЭМ ПНИПУ на испытательной системе ¡пб^оп 8850, подтверждена адекватность математической модели, и определена область режимов деформирования, в которой она с допустимой для практики точностью отражает поведение материала. На рисунках 4 и 5 показано сравнение теоретических и экспериментальных графиков зависимостей.

Рациональными режимами упрочнения являются такие режимы, при которых наводится наиболее благоприятное распределение остаточных напряжений по радиусу изделия.

Критерии благоприятного распределения остаточных напряжений:

• в приповерхностной области наводятся как можно большие по абсолютному значению остаточные осевые сжимающие напряжения, положительно влияющие на повышение коррозионно-устапостной прочности изделия;

• в сердцевине стержня наводятся как можно меньшие остаточные осевые растягивающие напряжения, отрицательно сказывающиеся, когда на них накладываются рабочие напряжения в изделии (осевые растягивающие напряжения, возникающие в насосной штанге);

• сердцевина стержня остаётся упругой (имеет упругое ядро);

• в приповерхностной области наводятся как можно меньшие по абсолютному значению остаточные касательные напряжения, которые могут отрицательно повлиять на характеристики усталостной прочности;

• возникает достаточно большая глубина залегания остаточных осевых сжимающих напряжений, которая не позволяет развиваться зарождающимся в приповерхностной области коррозионным трещинам.

Исходя из данных критериев для каждой из исследуемых методик упрочнения (совместным растяжением и однократным кручением, совместным растяжением и знакопеременным кручением, совместным растяжением и реверсивным кручением со знакопостоянной амплитудой) определены рациональные режимы деформирования однородного стержня. На рисунке 3 показано, как зависит величина остаточных осевых сжимающих напряжений на поверхности изделия от амплитуды угловой деформации при упрочнении совместным растяжением и знакопеременным кручением (диапазон рациональных режимов: уа = 0,007 н- 0,009).

-loo-—V-----

-150-V-----

-200--V— ---

-250-----

-30&J----

О03,МПа

Рис. 3. График зависимости осевых остаточных напряжений на поверхности изделия от амплитуды знакопеременного кручения при деформировании образца из стали 15Х2ГМФ в последовательности: растяжение до а = 0,75-ао.2, фиксация достигнутой деформации е на постоянном уровне, кручение до у max = уа, кручение в противоположную сторону ДО Ушах = - Уа, кручение в первоначальном направлении до ymiK = 0,55-уа

На рисунке 4 представлены зависимости, соответствующие упрочнению образца по рациональному режиму совместного растяжения и однократного круче-

0 \ 0 :i о и ,___&J

ния, а на рисунках 5 и 6 по рациональному режиму совместного растяжения и знакопеременного кручения. Представлены результаты упрочнения образцов, непосредственно на которых в дальнейшем проведены усталостные испытания.

Л^.кН 50т

2-""

001

ам.МПа

002 а)

0.03

0.04

ч>, рад

0.01

МПа

0.02 6)

0.03

0.04

рад

10»

-100-

-200

0 0 57 1 ?5 "5 3

1<»

-200

0 0 Л 1 95 2 й\чз

й, мм

б) г)

Рис. 4. Графики зависимостей: а) продольной силы, б) крутящего момента от угла закручивания; распределения: в) остаточных осевых, г) остаточных касательных напряжений по радиусу поперечного сечения образца из стали 15Х2ГМФ при его упрочнении в последовательности: растяжение до о0.2, разгрузка до о = О,75 о0.2, фиксация достигнутой деформации е на постоянном уровне, кручение до ф = 0,038 рад (угпах = 0,0075). 1 - модель, 2 - эксперимент

На рисунках 4 и 6 видно, что и в случае режимов упрочнения с однократным кручением, и в случае режимов со знакопеременным кручением достигается достаточно большая глубина залегания остаточных осевых сжимающих напряжений (около 1/3 радиуса от поверхности). И в том, и в другом случае обеспечивается выполнение условия прочности в сердцевине (остаточные растягивающие напряжения не превышают допускаемого значения), а сама сердцевина остаётся упругой. Однако при упрочнении совместным растяжением и знакопеременным кручением на поверхности удаётся навести в 2 раза большие по абсолютному значению остаточные сжимающие напряжения (-238 МПа против -122 МПа). При этом благодаря частичной третьей стадии кручения минимизируется величина остаточных касательных напряжений. На рисунке 6 (б) можно видеть, что касательные напряжения на поверхности близки к нулю, а по радиусу не превышают по абсолютному значению величины 35 МПа, что практически на порядок меньше величины остаточных сжимающих напряжений, наведённых в приповерхностной области. В случае же режимов упрочнения с однократным кручением в приповерхностной области наводятся и остаточные осевые, и остаточные касательные напряжения одного порядка, что видно на рисунках 4 (в) и (г).

Ещё одна из исследуемых методик упрочнения — совместным растяжением и реверсивным кручением со знакопостоянной амплитудой не выявила особых пре-

имуществ перед существующей методикой кратным кручением.

ч т

совместным растяжением и одно-

-0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02

0.03 0.04

<р. рад

а) 6)

Рис. 5. Графики зависимостей: а) продольной силы, б) крутящего момента от угла закручивания при упрочнении образца из стали 15Х2ГМФ в последовательности: растяжение до с?о,2, разгрузка до а = 0,75 оо,2, фиксация достигнутой деформации е на постоянном уровне, кручение до Ф = фа (фа = 0,039 рад, ушах = 0,0075), кручение в противоположную сторону до ф = - фа, кручение в первоначальном направлении до ф = 0,021 рад (утах = 0,004). 1 - модель, 2 - эксперимент

(т МПа

-100

-200

-ЗОО

0 0 ?7 1 J4 Ч> 3

3 х

, МПа

-120

З.В7

мм

а)

Рис. 6. Распределение остаточных осевых (а) и остаточных касательных (б) напряжений по радиусу поперечного сечения образца из стали 15Х2ГМФ в случае возможной разгрузки после: 1 - первой, 2 — второй и 3 - третьей стадии кручения при упрочнении в последовательности: растяжение до о0>2, разгрузка до а = 0,75-о0|2, фиксация достигнутой деформации £ на постоянном уровне, кручение до ф = фа (фа = 0,039 рад, ут!1Х = 0,0075), кручение в противоположную сторону до ф = - фа, кручение в первоначальном направлении до ф = 0,021 рад (утач = 0,004)

В четвёртой главе проведено исследование влияния упрочнения совместным растяжением и кручением на коррозионно-усталостную прочность изделия. Представлены результаты сравнительных многоцикловых коррозионно-усталостных испытаний трёх партий образцов: базовой неупрочнённой партии; партии, упрочнённой по рациональному режиму совместного растяжения и однократного кручения и партии, упрочнённой по рациональному режиму совместного растяжения и знакопеременного кручения. Упрочнение образцов выполнено в ЦЭМ ПНИПУ на испытательной системе Гг^гоп 8850, а усталостные испытания проведены в лаборатории усталостной прочности кафедры КМиТОМ ПНИПУ.

Вид испытаний: консольный изгиб вращающегося образца в среде 3,5 % раствора ИаС1 при симметричном мягком нагружении с частотой 50 Гц.

Для описания кривой усталости в коррозионной среде применено степенное уравнение вида:

т\

М-атгк=С, (17)

где отах - уровень максимального напряжения цикла, а. N - долговечность на соответствующем уровне напряжения. Параметры кривой усталости С и т\, соответствующие 50 %-ной вероятности разрушения, находятся по результатам испытаний методом наименьших квадратов. При этом, вводя дополнительное предположение о постоянстве коэффициента т\ для всей выборки, а рассеяние результатов связывая с изменчивостью только параметра С, построены вероятностные диаграммы усталости. На рисунке 7 представлены соответствующие диаграммы для вероятностей разрушения 10%, 50% и 90%.

Для партии образцов, упрочнённых по рациональному режиму совместного растяжения и однократного кручения, средневероятностный ограниченный предел выносливости на базе 107 циклов составил: ст_| = 235,3 МПа при среднеквадратичном отклонении 8о_| = 13,48 МПа. Это в 1,22 раза выше предела выносливости неупрочнённой партии, у которой = 193 МПа при Бст^ = 15,08 МПа. Долговечность, соответствующая 50 %-ной вероятности разрушения, на сопоставимых уровнях напряжений (270 + 210 МПа) повысилась в 1,5 ^ 2,5 раза по сравнению с неупрочнённой партией. При этом на уровнях напряжений выше 315 МПа, т.е. выше уровня пересечения кривых 1 и 2, долговечность наоборот уменьшилась.

Для партии образцов, упрочнённых по рациональному режиму совместного растяжения и знакопеременного кручения, предел выносливости составил: а_1 = 318,8 МПа при = 14,6 МПа, что в 1,65 раза выше предела выносливости не-упрочнённых образцов. Долговечность, соответствующая 50 %-ной вероятности разрушения, на сопоставимых уровнях напряжений (330 290 МПа) повысилась в 5 + 10,5 раз по сравнению с неупрочнённой партией.

Таким образом, подтверждается более высокая эффективность упрочнения по методике, включающей растяжение, фиксацию достигнутой продольной деформации и последующее знакопеременное кручение перед методикой, включающей растяжение, фиксацию достигнутой продольной деформации и последующее однократное кручение.

Для прогнозирования повышения предела выносливости в результате упрочнения совместным растяжением и кручением на основе критерия И.Л. Фаермана для приведённого напряжения получена следующая зависимость:

При известной величине остаточных осевых напряжений, наведённых в приповерхностной области (ст05), и известном а_ь определённом для неупрочнённой партии образцов на базе, равной заданной долговечности, по формуле (18) можно определить предел выносливости упрочнённого изделия на той же самой базе при коэффициенте асимметрии цикла Я (оя). При сопоставлении с результатами усталостных испытаний формула (18) даёт завышенное значение стл с относительной

погрешностью 8 -ь 10 %. Данная погрешность является приемлемой, так как сами по себе характеристики усталости подвержены значительному разбросу.

Рис. 7. Вероятностные диаграммы коррозионной усталости, построенные по результатам испытаний образцов из стали 15Х2ГМФ в среде 3,5% р-ра ЫаС1. 1 - диаграммы, о - экспериментальные точки неупрочнённой партии образцов; 2 - диаграммы, + - экспериментальные точки партии образцов, упрочнённой по рациональному режиму совместного растяжения и однократного кручения; 3 — диаграммы, х - экспериментальные точки партии образцов, упрочнённой по рациональному режиму совместного растяжения и знакопеременного кручения; Р - вероятность разрушения; -» - образец не разрушился

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе:

1. По совокупности исследования разработана, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена методика упрочнения длинномерных цилиндрических изделий, заключающаяся в реверсивном кручении предварительно растянутого стержня с зафиксированной продольной деформацией.

2. Построена математическая модель упругопластического деформирования совместным растяжением и кручением тонкостенного трубчатого изделия. По результатам испытаний тонкостенных трубчатых образцов на современном высокоточном оборудовании определены материальные параметры математической модели и подтверждена её адекватность.

3. На основе модели деформирования тонкостенного трубчатого изделия построена математическая модель упрочнения однородного стержня круглого сечения совместным растяжением и кручением. По результатам испытаний образцов круглого сечения на современном высокоточном оборудовании подтверждена адекватность математической модели и установлена область режимов упрочнения, в которой она с допустимой для практики точностью отражает поведение материала.

4. Исследованы как применяемые в настоящее время режимы упрочнения, включающие в себя стадии растяжения, фиксации достигнутой продольной деформации на постоянном уровне и последующего однократного кручения, так и предлагаемые новые режимы упрочнения, включающие растяжение, фиксацию достигнутой продольной деформации на постоянном уровне и последующее реверсивное кручение (со знакопостоянной и знакопеременной амплитудой).

5. С помощью построенной математической модели определены наиболее рациональные внутри каждой из исследуемых методик (совместное растяжение: и однократное кручение, и реверсивное кручение со знакопостоянной амплитудой, и знакопеременное кручение) режимы упрочнения для стержня из стали 15Х2ГМФ. При этом выявлено, что упрочнение по разработанной новой методике совместным растяжением и знакопеременным кручением является значительно эффективнее, чем методиками: существующей - совместным растяжением и однократным кручением, а также исследованной - совместным растяжением и реверсивным кручением со знакопостоянной амплитудой.

6. Проведены сравнительные коррозионно-усталостные испытания на изгиб вращающегося образца при симметричном мягком нагружении трёх партий образцов: базовой неупрочнённой; упрочнённой по рациональному режиму совместного растяжения и однократного кручения; упрочнённой по рациональному режиму совместного растяжения и знакопеременного кручения.

7. Подтверждено повышение характеристик сопротивления коррозионной усталости вследствие упрочнения прямолинейного круглого стержня совместным растяжением и кручением.

8. По результатам проведённых усталостных испытаний доказана более высокая эффективность разработанной новой методики упрочнения совместным растяжением и знакопеременным кручением перед существующей методикой -совместным растяжением и однократным кручением.

9. На основе критерия И.Л. Фаермана получена зависимость, позволяющая оценить предел выносливости упрочнённого изделия по известным величинам осевых остаточных напряжений, наведённых в приповерхностной области сечения, и известному пределу выносливости неупрочнённого изделия.

10. Методика упрочнения, полученная для прямолинейного однородного стержня, может быть применена в дальнейшем для неоднородного длинномерного изделия (насосной штанги) в результате определения эффективных режимов упрочнения с учетом неоднородности распределения механических свойств.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. A.A. Крюков, В.Е. Калугин, H.H. Вассерман. Моделирование упругопла-етического деформирования конструкционной стали при сложном напряженном состоянии // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия Технические науки, 2011.-№3 (31).-С. 122- 128.

2. A.A. Крюков. Моделирование и экспериментальное исследование упрочнения цилиндрических изделий методом совместного упругопластического деформирования растяжением и кручением // Известия Самарского научного центра РАН, 2011. - Том 13, № 4 (4). - С. 970 - 974.

3. A.A. Крюков, В.Е. Калугин. Повышение коррозионно-усталостной прочности длинномерных цилиндрических изделий в результате упрочнения совместным растяжением и кручением // Известия Самарского научного центра РАН, 2012. - Том 14, № 4 (5). - С. 1257 - 1262.

Публикации в остальных изданиях, материалы конференций

4. Экспериментальное изучение закономерностей упругопластического деформирования стали 15Х2ГМФ при растяжении и кручении / H.H. Вассерман, В.Е. Калугин, A.A. Крюков, М.П. Третьяков // Вестник ПГТУ. Машиностроение и материаловедение. - 2010. - № 5. - Том 12. - С. 15 — 24.

5. H.H. Вассерман, A.A. Крюков. О взаимосвязи диаграммы растяжения и кручения // Научному прогрессу - творчество молодых: сб. материалов междунар. молодёж. науч. конф. по естественнонауч. и техн. дисциплинам (16 - 17 апреля 2010 г.), Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. - Ч. 1 - С. 96 - 97.

6. Исследование закономерностей упругопластического деформирования стали 15Х2ГМФ при сложном напряженном состоянии / H.H. Вассерман, В.Э. Вильдеман, A.A. Крюков, М.П. Третьяков // Вестник ПГТУ. Механика. — 2010. — № 2. - С. 34 - 47.

7. H.H. Вассерман, В.Е. Калугин, A.A. Крюков. Моделирование процесса упрочнения длинномерных цилиндрических изделий методом совместного упругопластического деформирования растяжением и кручением // XVII Зимняя школа по механике сплошных сред, Пермь, 28 февраля - 3 марта 2011 г.: тез. докладов. Пермь - Екатеринбург: УрО РАН, 2011 - С. 71.

8. A.A. Крюков. Упрочнение длинномерных цилиндрических изделий методом упругопластического деформирования в сочетании растяжения и знакопеременного кручения // Современные вопросы науки - XXI век: материалы VII междунар. науч.-практ. конф. (29 марта 2011 г.), Тамбов, 2011. -Вып.7. - Ч. 5 - С. 81 -82.

9. A.A. Крюков, В.Е. Калугин, H.H. Вассерман. Исследование процесса упрочнения цилиндрических изделий совместным упругопластическим деформированием растяжением и кручением // Молодые ученые Прикамья — 2011: материалы I Междунар. науч.-практ. конф., Пермь, ПНИПУ, 26 мая 2011 г. - С. 244 - 254.

10.Исследование поведения конструкционной стали при простых видах на-гружения / H.H. Вассерман, В.Е. Калугин, A.A. Крюков, М.П. Третьяков // Вестник ПНИПУ. Машиностроение и материаловедение. - 2012. - № 1. - Том 14. - С. 41-50.

Подписано в печать 19.04.2013. Тираж 110 экз. Усл. печ. л. 1,0. Формат 60x84/16. Заказ № 874/2013.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства Пермского национального исследовательского политехнического университета 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел.: (342)219-80-33

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Крюков, Алексей Андреевич, Пермь

Министерство образования и науки РФ ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический

университет»

На правах рукописи

04201358872

Крюков Алексей Андреевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УПРОЧНЕНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ СОВМЕСТНЫМ

РАСТЯЖЕНИЕМ И КРУЧЕНИЕМ

01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Вассерман Николай Натанович, доктор технических наук, профессор

Научный консультант:

Калугин Вячеслав Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент

Пермь-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение.......................................................... 5

I. Обзор состояния вопроса..........................................12

1.1. Условия работы насосных штанг.................................12

1.2. Механизм усталостного и коррозионно-усталостного разрушения металлов..................................................... 15

1.3. Влияние коррозионного и механического факторов на разрушение насосных штанг...............................................20

1.4. Методы повышения эксплуатационных показателей насосных штанг .. 24

1.4.1. Изменение конструкции насосных штанг.....................24

1.4.2. Целесообразность применения высокопрочных сталей для изготовления насосных штанг..............................26

1.4.3. Применение новых технологических процессов для упрочнения насосных штанг................................27

1.5. Оценка эффективности различных методов поверхностного и объёмного упрочнения изделий..................................28

1.6. Упрочнение длинномерных цилиндрических изделий методом совместного растяжения и кручения..............................36

1.6.1. История метода упрочнения изделий совместным растяжением

и кручением............................................. 36

1.6.2. Механизм упрочнения прямолинейного стержня методом совместного растяжения и кручения.........................39

1.6.3. Обоснование актуальности исследования.....................41

1.6.4. Проводимые исследования поведения материалов в условиях совместного растяжения и кручения.........................44

1.7. Выводы по первой главе........................................49

II. Исследование поведения тонкостенных трубчатых образцов при совместном упругопластическом деформировании растяжением

и кручением: модель и эксперимент............................... 51

2.1. Математическая модель совместного упругопластического деформирования растяжением и кручением тонкостенного

трубчатого образца.............................................51

2.2.Экспериментальная проверка основных положений и определение

материальных параметров математической модели..................58

2.2.1. Методика проведения экспериментов на двухосевой сервогидравлической испытательной системе 1пз1гоп 8850 ....... 58

2.2.2. Экспериментальное исследование поведения конструкционной стали при растяжении и чистом сдвиге........................64

2.2.3. Экспериментальное исследование поведения конструкционной стали при совместном растяжении и кручении.................76

2.2.4. Определение материальных параметров и подтверждение положений математической модели..........................90

2.3. Проверка адекватности математической модели....................104

2.4. Выводы по второй главе........................................112

III. Упрочнение стержней круглого сечения методом совместного упругопластического деформирования растяжением и кручением: модель и эксперимент...........................................114

3.1. Математическая модель упрочнения стержня круглого сечения методом совместного растяжения и кручения......................114

3.2. Экспериментальная проверка адекватности математической модели .. 118

3.3. Определение рациональных режимов упрочнения изделия...........129

3.4. Выводы по третьей главе.......................................138

IV. Исследование влияния упрочнения совместным растяжением и кручением на характеристики коррозионно-усталостной прочности изделия........................................................139

4.1. Влияние остаточных напряжений на характеристики сопротивления коррозионной усталости........................................139

4.2. Коррозионно-усталостные испытания базовой неупрочнённой партии образцов.....................................................141

4.3. Упрочнение партий образцов методом совместного растяжения

и кручения................................................... 149

4.4. Коррозионно-усталостные испытания упрочнённых партий образцов . . 161

4.5. Сравнительная оценка эффективности упрочнения методом совместного растяжения и кручения при различных режимах........ 168

4.6. Выводы по четвёртой главе..................................... 172

Заключение....................................................... 173

Библиографический список.........................................176

Приложение (акт внедрения результатов исследования)..................188

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. На территории Российской Федерации круглосуточно работают тысячи нефтяных скважин, большинство из которых оборудовано штанговыми нефтенасосными установками [2, 53, 90, 110]. Одновременно в эксплуатации находятся сотни тысяч штанг, работающих в условиях циклического нагру-жения, порой в достаточно агрессивной среде. Большинство штанг, находящихся в эксплуатации, уже давно выработало свой ресурс, регламентируемый ГОСТ 13877-96 [24] и ГОСТ Р 51161-2002 [25], однако из-за экономических трудностей их интенсивная замена на новые далеко не всегда осуществима. Кроме того, в связи с истощением запасов нефти условия эксплуатации нефтенасосных установок всё время ужесточаются, а требования, предъявляемые ГОСТом к качеству штанг, основаны на исследованиях, проведённых несколько десятилетий тому назад. Изменился и ассортимент изготовляемых штанг. Производители вынуждены искать замену хорошо зарекомендовавшим себя, но относительно дорогим сталям, на более дешевые, эксплуатационные свойства которых ещё недостаточно изучены. К сожалению, ГОСТ не регламентирует требования к коррозионно-усталостной прочности материала штанг, ограничиваясь только характеристиками статической прочности, что не стимулирует изготовителей контролировать характеристики усталости. В результате сложилась обстановка, когда находящийся в эксплуатации парк насосных штанг уже не в состоянии обеспечить надёжную работу оборудования, а предлагаемые промышленностью новые штанги, хотя и удовлетворяют требованиям ГОСТа, не всегда удовлетворяют потребителя. Поэтому возникает задача повышения характеристик коррозионно-усталостной прочности данных изделий.

Усталостное разрушение, если не приняты специальные меры, обычно начинается с поверхности [104, 109], поэтому для повышения несущей способности штанги в первую очередь необходимо повысить сопротивление усталости приповерхностной области. Одним из наиболее эффективных механизмов упрочнения этой области является наведение в ней осевых сжимающих остаточных напряже-

ний [39, 54, 61, 75, 76, 81, 85, 96, 103, 113]. Под упрочнением в работе понимается комплекс мер, направленных на повышение характеристик коррозионно-усталостной прочности. К широко известным методам упрочнения относятся методы поверхностного пластического деформирования (ППД: дробеструйный наклёп, обкатка шариками, обкатка роликами и др.) [7, 61, 78, 79, 83, 94, 96] и поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ) [30, 111, 112]. Данные методы позволяют наводить достаточно большие по абсолютному значению остаточные сжимающие напряжения в приповерхностном слое изделия. Применительно к насосным штангам наиболее широкое распространение получили дробеструйный наклёп и поверхностная закалка ТВЧ. Но недостатком этих методов является локальный характер упрочнения как по длине изделия (достигается неравномерное распределение остаточных напряжений), так и по сечению (упрочняется только поверхностный слой малой глубины). При длительном времени работы изделия в агрессивной среде (в случае штанг - это несколько лет) происходит постепенное неизбежное разъедание поверхностного слоя от коррозии, и эффект упрочнения в итоге теряется.

Д.т.н., профессором Н.Н. Вассерманом и к.т.н., доцентом В.Е. Калугиным совместно с д.т.н. В.В. Семёновым разработан и при их же непосредственном участии доведён до промышленного применения отличающийся от отмеченных выше способ упрочнения штанг [15, 16, 18, 98, 105]. Он заключается в наведении в приповерхностной области изделия осевых сжимающих остаточных напряжений за счет последовательного пластического деформирования сначала растяжением, а затем, при фиксации полученной при растяжении продольной деформации, кручением. В этом случае достигается равномерное распределение остаточных напряжений по длине штанги (при условии равномерности начальных свойств), а на стадии растяжения происходит ещё и правка, т.е. восстановление пространственной геометрии длинномерного изделия. Способ отличается высокой технологичностью, а само упрочнение носит объёмный характер. Глубина упрочнённого слоя, т.е. глубина остаточных сжимающих напряжений, может достигать 1/3 радиуса от поверхности, что превышает глубину проникновения коррозионных язв

и препятствует дальнейшему развитию зарождающихся на поверхности трещин, поэтому эффект упрочнения сохраняется в течение длительного времени работы изделия. В настоящее время способ используется для восстановления работоспособности бывших в эксплуатации, но ещё не исчерпавших свой ресурс штанг.

Моделированию и оптимизации процесса восстановления работоспособности насосных штанг посвящена работа А.Н. Надымова, выполненная в 2002 г. под руководством д.т.н., профессора В.Ю. Столбова [69]. В работе проведено исследование искривлённости и неоднородности распределения механических характеристик по длине штанг, бывших в эксплуатации. Предложена математическая модель упругопластического деформирования штанги, а также предложен вариант оптимизации процесса восстановления с учетом неоднородности начальных свойств по длине штанги.

Однако существующие режимы упрочнения, которые включают однократное кручение (кручение в одну сторону) предварительно растянутого изделия, нельзя считать эффективными. Из-за неоднородности начальных свойств по длине штанги появляется опасность образования шеек и даже разрушения по телу изделия в процессе упрочнения. Поэтому вводится ограничение на величину угла закручивания, что не позволяет навести достаточные значения остаточных осевых напряжений, способных существенно повысить коррозионно-усталостную прочность и долговечность изделия. К тому же, кроме проведённых под руководством профессора H.H. Вассермана усталостных испытаний на нескольких восстановленных штангах, отсутствуют другие исследования, доказывающие действительную эффективность данной упрочняющей технологии. Эксперименты на новых штангах или лабораторных образцах не проводились. Сами возможности способа недостаточно глубоко изучены теоретически и крайне слабо подтверждены экспериментально. Между тем, изначальное упрочнение новых штанг с помощью эффективных режимов должно существенно повышать их циклическую долговечность, т.е. способствовать увеличению срока службы, а также надёжности безотказной работы в течение данного срока. Для нефтедобывающих компаний такая практика должна оказаться более рентабельной, чем восстановление бывших в

эксплуатации штанг, многие из которых вообще не подлежат такому восстановлению.

Таким образом, актуальной остаётся задача разработки такой методики, которая с одной стороны сохранит уже существующие преимущества упрочнения совместным растяжением и кручением, а с другой стороны позволит существенно повысить коррозионно-усталостную прочность и циклическую долговечность изделия.

Идея работы; применить реверсивное кручение в процессе упрочнения совместным растяжением и кручением.

Цель работы: разработать, теоретически обосновать и экспериментально подтвердить методику упрочнения длинномерных цилиндрических изделий совместным растяжением и реверсивным кручением с последующей рационализацией процесса упрочнения, направленной на повышение коррозионно-усталостной прочности изделия.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

Научная новизна работы:

1. Построена математическая модель упругопластического деформирования совместным растяжением и кручением стержня круглого сечения, которая позволяет рассчитать распределение по радиусу изделия остаточных напряжений (осевых и касательных), наведённых в результате упрочнения совместным растяжением и кручением (в т.ч. реверсивным кручением), а также получить зависимости продольной силы и крутящего момента от угла закручивания в процессе деформирования. Адекватность модели подтверждена результатами испытаний тонкостенных трубчатых образцов на одноосное растяжение, чистый сдвиг, на различные комбинации совместного растяжения и кручения, а также результатами испытаний образцов круглого сечения на различные комбинации совместного растяжения и кручения.

2. Разработана новая более эффективная по сравнению с существующей методика упрочнения, заключающаяся в последовательном упругопластическом деформировании изделия сначала растяжением, а затем, при фиксации полученной при растяжении продольной деформации, кручением со сменами направления закручивания (знакопеременным). Упрочнение с использованием данной методики позволяет обеспечить наиболее благоприятное (с позиции повышения коррозион-но-усталостной прочности) распределение по радиусу изделия остаточных осевых напряжений при минимальных значениях остаточных касательных напряжений.

конструкционной стали 15Х2ГМФ, применяемой для изготовления насосных штанг.

4. Проведены сравнительные многоцикловые коррозионно-усталостные испытания, доказывающие повышение коррозионно-усталостной прочности и циклической долговечности в результате упрочнения совместным растяжением и кручением, а также доказывающие более высокую эффективность новой методики упрочнения - совместным растяжением и знакопеременным кручением перед существующей методикой - совместным растяжением и однократным кручением.

Достоверность результатов подтверждается достаточно точной согласованностью данных теоретического решения с данными проведённых экспериментальных исследований на тонкостенных трубчатых образцах и образцах круглого сечения. Преимущества и эффективность разработанных новых режимов упрочнения подтверждаются результатами проведённых многоцикловых коррозионно-усталостных испытаний.

Практическая значимость работы:

1. Получена новая более эффективная по сравнению с существующей методика упрочнения совместным растяжением и знакопеременным кручением, которую можно использовать для повышения коррозионно-усталостной прочности насосных штанг (для упрочнения новых или восстановления работоспособности бывших в эксплуатации штанг), а также других длинномерных цилиндрических изделий.

3. Разработанная методика и рекомендации на основе результатов исследования переданы изготовителю оборудования для правки и упрочнения насосных штанг ООО «Инокар», г. Пермь (акт о внедрении приведён в прило