ESTIMATION OF RESIDUAL STRESSES IN BIMETALLIC PLUNGER PUMP CYLINDERS AFTER THERMAL DEFORMATION

O.V. Silina, D.R. Ledon, E.O. Babkin, M.N. Bosyakov

Author details

O.V. Silina
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
D.R. Ledon
Institute of Continuum Mechanics, Perm, Russian Federation
E.O. Babkin
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
M.N. Bosyakov
Physical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, The Republic of Belarus

https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.6.11

Plunger pumps used in oil production are made of long hollow bimetallic cylinders. These components are thermo-mechanically treated to improve strength and other physical and mechanical properties. These operations result in residual stresses within the parts, which can lead to positive, undesirable and unacceptable changes in the geometry. In the present work, we consider the problem of choosing the optimal machining modes. Estimations of residual stresses in the whole product take too much time, so it was decided to use small rings, which are representative for each particular pipe. In view of complexity or impossibility of applying the existing methods, the authors have designed a novel technique to estimate the level of residual stresses. For this purpose, we formulated and solved this problem within the theory of elasticity. An analytical solution, which makes it possible to find the level of stresses depending on the experimental measurements when cutting the rings, has been obtained. Three different steels were chosen. i.e. 38Cr2MoAl, 15Cr5Mo, 12Cr18Ni10Ti. Based on operating conditions, four optimization criteria for the heat treatment have been produced: the minimum level of residual stresses in the pipe; the minimum difference between stresses in the shell and liner; the minimum change in the pipe radius after the treatment; the highest value of adhesion between the liner and the shell. The obtained results have been analyzed based on the above four criteria. We revealed the optimum and intolerable modes of thermo-mechanical processing, which enabled undesirable changes in products. The required degree of deformation and temperature of the post-deformation heating have been found for each steel under study. As a result, recommendations for industrial enterprises have been drawn up.

Keywords

linershellbimetallic pipecold radial forgingadhesive strengthpost-deformation heatinginternal stressessteelsamplecylinder

ОЦЕНКА ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЦИЛИНДРАХ ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА ПОСЛЕ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ

Плунжерные насосы, используемые для нефтедобычи, изготавливаются из длинных полых биметаллических цилиндров. С целью повышения прочностных и иных физико-механических характеристик данные элементы конструкции подвергаются термомеханической обработке. В процессе таких воздействий в изделиях возникают остаточные напряжения, которые могут приводить к положительным, нежелательным и недопустимым изменениям геометрии. В настоящей работе рассмотрена задача выбора оптимальных режимов обработки. В связи с трудоёмкостью оценки остаточных напряжений во всём изделии было решено использовать небольшие кольца, являющиеся представительными для каждой конкретной трубы. Ввиду сложности или невозможности применения существующих методов предложена методика, которая позволяет оценить уровень остаточных напряжений. Для этого сформулирована и решена задача в рамках теории упругости. Получено аналитическое решение, которое позволяет находить уровень напряжений в зависимости от экспериментальных измерений при разрезании колец. Рассмотрено три различных материала – стали 38Х2МЮА, 15Х5М, 12Х18Н10Т. Исходя из условий эксплуатации, сформулировано четыре критерия оптимизации при термообработке: минимальный уровень остаточных напряжений в трубе; минимальная разница между напряжениями в обечайке и лейнере; минимальное изменение радиуса трубы после обработки; наибольшее значение адгезии между лейнером и обечайкой. Согласно введённым критериям, проведён анализ полученных результатов. Выявлены оптимальные режимы термомеханической обработки и отброшены недопустимые, которые приводят к нежелательным изменениям в изделиях. Для каждого исследуемого материала установлены необходимая степень деформации и температура постдеформационного нагрева. В результате даны рекомендации промышленному предприятию по производственному процессу.

Ключевые слова

лейнеробечайкабиметаллические трубыхолодная радиальная ковкаадгезионная прочностьпостдеформационный нагреввнутренние напряжениястальобразеццилиндр

Bibliography

1.BoikoV.S. Razrabotka i ekspluataciya neftyanyh mestorozhdeniy [Reservoir engineering]. Moscow, Nedra. – 1990. – 427 p. (in Russian). Scholar
2.Bukhalenko E.I. Neftepromysloveo oborudovanie [Oilfield- equipment]. Referencebook. 2nd ed. Moscow, Nedra, 1990. – 559 p. (in Russian). Scholar
3.Luchshie nasosy dly aneftyanogo dela [Best pumps for oil industry]. Techsovet, 2006, no. 11. – P. 98.(in Russian). Scholar
4.Bushuyev V.V. Energeticheskaya bezopasnost Rossii [Energy security of Russia]. Novosibirsk, Nauka, 1998. – 302 p. (in Russian). Scholar
5.Sannikova I.N. Analiz energeticheskoy bezopasnosti Rossii [Energy security analysis in Russia: current situation, problems, prospects]. Ekonomika. Professiya. Biznes, 2017, no. 3. – P. 65-70 (in Russian). Scholar
6.Mishchenko I.T. Skvazhinnaya dobycha nefti [Borehole oil production]. Moscow, Gubkin University, 2003. – 816 p. (in Russian). Scholar
7.Urazakov K.R. Spravochnik po dobyche nefti [Reference book on oil production]. Moscow, Nedra-Biznetsentr, 2000. – 371 p. (in Russian). Scholar
8.Balakhnin A.N., Vagin R.A., Panov D.O., Smirnov A.I., Moreva N.A. Strukturoobrazovanie konstrukcionnoy nizkouglerodistoy stali pri kompleksnoy mekhano-termicheskoy obrabotke na etape holodnoy plasticheskoy deformacii metodom radialnoy kovki [Research of structure formation of constructional low carbon steel by integrated thermo-mechanical method in the radial forging machine's deformation stage]. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty, 2012, no. 3 (56). – P. 92-94 (in Russian). Scholar
9.Balakhnin A.N., Kostuk D.A., Panov D.O., Nikulina A.A., Romashova Y.N. Mekhanicheskie svoystva konstrukcionnoy nizkouglerodistoy stali 10Cr3Mn3MoV posle holodnoy plasticheskoy deformacii metodom radialnoy kovki [Mechanical properties of constructional low carbon steel 10Cr3Mn3MoV after cold plastic deformation by radial forging method]. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty, 2012, no. 3 (56). – P. 64-66 (in Russian). Scholar
10.Balakhnin A.N., Panov D.O., Titova M.G., Pertsev A.S., Smirnov A.I., Simonov Y.N. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov [Effect of cold plastic deformation by radial forging followed by heat treatment on the structure and properties of steel 10KH3G3MF]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov, 2012, no. 11 (689). – P. 22-27 (in Russian). Scholar
11.Balakhnin A.N., Panov D.O., PertsevA.S., Smirnov A.I., Simonov Y.N. Evolvyuciya struktury i mekhanicheskih svoystv nizkouglerodistogo martensita pri holodnoy radialnoy kovke i posleduyushchey termicheskoy obrabotke [Evolution of structure and mechanical properties of low-carbon martensite under cold radial forging and thermal treatment]. Materialovedenie, 2015, no. 2. – P. 19-26 (in Russian). Scholar
12.Pobol I.L. Ionnoe azotirovanie poverhnosti otverstyi v dlinnomernyh izdeliyah iz staley [Ion nitriding of workhole surfaces in the long-length steel parts]. Vestnik Brestskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2019, no. 4. – P. 25-30 (in Russian). Scholar
13.Arzamasov B.N. Himiko-termicheskaya obrabotka metallov v aktivizirovannyh gazovyh sredah [Chemical-thermal treatment of metals inactivated gas media]. Moscow, Mashinostroyeniye, 1979. – 224 p. (in Russian). Scholar
14.Goldshtein M.I., Grachev S.V., Veksler Y.G. Specialnye stali [Special steels]. 2nd ed. Moscow: MISiS, 1999. – 405 p. (in Russian). Scholar
15.Silina O.V., Lobova E.S., Kovko S.P., Babkin E.O., Polezhaev R.M., Bosyakov M.N. Reshenie zadach kastomizacii bimetallicheskih cilindrov neftepromyslovogo oborudovaniya, Problemy mashinostroeniya i avtomatizacii [Solving the problem of customization of bimetallic cylinders for oilfield equipment]. Problemy mashinostroyeniya i avtomatizatsii, no. 1, 2023. – P. 25-33 (in Russian). Scholar
16.TyurinV.A. Kovka na radialno-obzhimnyh mashinah [Forging by radial clamping machines]. Moscow, Mashinostroyeniye, 1990. – 256 p.(in Russian). Scholar
17.Dedyulina O.K., Salishev G.A. Formirovanie ultramelkozernistoy struktury v sredneuglerodistoy stali 40CrMnNiMo rotacionnoy kovkoy i ee vliyanie na mekhanicheskie svoystva [Formation of ultrafine-grained structure in medium-carbon steel 40HGNM by swaging and its influence on mechanical properties]. Fundamental'nye issledovaniya, 2013, no. 1. – P. 701-706 (in Russian). Scholar
18.Sokolov I.A., Uralsky V.I. Ostatochnye napryazheniya i kachestvo metalloprodukcii [Residualstresses and metal products quality]. Metallurgiya, 1981. – 96 p.(in Russian). Scholar
19.Birger I.A. Ostatochnye napryazheniya [Residual stresses], Mashgiz, 1963. – 232 p. (in Russian). Scholar
20.Horger O., Neufert H. Vliyanie ostatochnyh napryazheniy na ustalostnuyu prochnost mashin i smezhnyh valyeniy, Ostatochnye napryazheniya. [Effects of residual stresses on fatigue strength of machines and related processes. Residual stresses]. Moscow, Izdatelstvo inostrannoy literatury, 1957. – P. 243–280 (in Russian). Scholar
21.Glikman A.A., Babaev A.N. Racionalnoe primenenie sposoba Zaksa pri opredelenii ostatochnyh napryazheniy v sploshnyh i polyh cilindrah [Practical application of the Sachs method in assessingresidual stresses in solid and hollowcylinders]. Zavodskaya laboratoriya, 1956, no. 4. – P. 466-472(in Russian). Scholar
22.Davidenkov N.N. Izbranny`e trudy` [Selected works]. Kiev: Naukova dumka, 1981. – 655 p. (in Russian). Scholar
23.Kolmogorov G.L., Kuznetsova E.V. RF Pat. no. 2366912 C1. Sposob opredeleniya ostatochnyh napryazheniy [Method to reveal residual stresses] / no. 2008111436/28; submitted 24.03.2008; published 10.09.2009. Scholar
24.Kuznetsova E.V., Kolmogorov G.L., Vavel' A.Y. Tekhnologicheskie ostatochnye napryazheniya pri proizvodstve cirkonievyh listov [Manufacturing residual stresses during the production of zirconium sheets]. Russian Journal of Non-Ferrous Metals., 2016, Vol. 57, No. 2. – P. 101-105. DOI: 10.3103/S1067821216020073 Scholar
25.Kolmogorov G.L., Kuznetsova E.V. Metod rascheta predelnyh tekhnologicheskih ostatochnyh napryazheniy v trubnoy zagotovke [Method for calculating the limiting technological residual stresses in a tubular billet]. Deformation and destruction of materials, 2016, No. 7. – P. 2-5. Scholar
26.Kolmogorov G.L., Kuznetsova E.V. Tekhnologicheskie ostatochnye napryazheniya posle obrabotki metallov davleniem [Technological residual stresses after metal forming] // Bulletin of the soumural state university. Series Metallurgy., 2016, Vol. 16, No. 1. – P. 41-45. DOI: 10.14529/met160105 Scholar
27.Kolmogorov G.L., Kuznetsova E.V., Khabarova D. Relaksaciya ostatochnyh napryazheniy i tochnost trubnyh metalloizdeliy [Relaxation of residual stresses and precision of steel pipes] // Bulletin of Nosov Magnitogorsk state technical university., 2018, Vol. 16, No. 3. – P. 103-108. DOI: 10.18503/1995-2732-2018-16-3-103-108 Scholar
28.Lurye A.I. Teoriya uprugosti [Theory of Elasticity], Moscow, Nauka, 1970. – 940 p. (in Russian). Scholar
29.Frolov K.V. Enciklopediya. T. II-2: Stali, Chuguny [Encyclopedia.Vol. II-2: Steels, castirons]. Moscow, Mashinostroenie, 2001. – 780 p. (in Russian). Scholar
30.Kikoin I.K. Tablicy fizicheskih velichin [Tables of physical values]. Moscow, Atomizdat, 1976. – 1008 p. (in Russian). Scholar

1.Бойко В.С. Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений: учеб. для вузов. – М.: Недра, 1990. – 427 с. Scholar
2.Бухаленко Е.И. Нефтепромысловое оборудование: справ. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1990. – 559 с. Scholar
3.Лучшие насосы для нефтяного дела // Техсовет. – 2006. – № 11. – С. 98. Scholar
4.Бушуев В.В. Энергетическая безопасность России. – Новосибирск: Наука, 1998. – 302 с. Scholar
5.Санникова И.Н. Анализ энергетической безопасности России // Экономика. Профессия. Бизнес. – 2017. – № 3. – С. 65–70. Scholar
6.Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти. – М.: Нефть и газ, 2003. – 816 с. Scholar
7.Уразаков К.Р. Справочник по добыче нефти. – М.: Недра-Бизнесцентр, 2000. – 371 с. Scholar
8.Структурообразование конструкционной низкоуглеродистой стали при комплексной механотермической обработке на этапе холодной пластической деформации методом радиальной ковки / А.Н. Балахнин, Р.А. Вагин, Д.О. Панов, А.И. Смирнов, Н.А. Морева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2012. – № 3 (56). – С. 92–94. Scholar
9.Механические свойства конструкционной низкоуглеродистой стали 10Х3Г3МФ после холодной пластической деформации методом радиальной ковки / А.Н. Балахнин, Д.А. Костюк, Д.О. Панов, А.А. Никулина, Ю.Н. Ромашова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2012. – № 3 (56). – С. 64–66. Scholar
10.Влияние холодной пластической деформации методом радиальной ковки и последующей термической обработки на структуру и свойства стали 10Х3Г3МФ / А.Н. Балахнин, Д.О. Панов, М.Г. Титова, А.С. Перцев, А.И. Смирнов, Ю.Н. Симонов // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2012. – № 11 (689). – С. 22–27. Scholar
11.Эволюция структуры и механических свойств низкоуглеродистого мартенсита при холодной радиальной ковке и последующей термической обработке / А.Н. Балахнин, Д.О. Панов, А.С. Перцев, А.И. Смирнов, Ю.Н. Симонов // Материаловедение. – 2015. – № 2. – С. 19–26. Scholar
12.Поболь И.Л. Ионное азотирование поверхности отверстий в длинномерных изделиях из сталей // Вестник Брестского государственного технического университета. 2019 – № 4. – С. 25–30. Scholar
13.Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов в активизированных газовых средах. – М.: Машиностроение, 1979. – 224 с. Scholar
14.Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали – 2-е издание переработанное и дополненное – М.: МИСиС, 1999. – 405 с. Scholar
15.Решение задачи кастомизации биметаллических цилиндров нефтепромыслового оборудования / О.В. Силина, Е.С. Лобова, С.П. Ковко, Е.О. Бабкин, Р.М. Полежаев, М.Н. Босяков // Проблемы машиностроения и автоматизации, 2023. – № 1. – С. 25–33. Scholar
16.Тюрин В.А. Ковка на радиально-обжимных машинах. – М.: Машиностроение, 1990. – 256 с. Scholar
17.Дедюлина О.К., Салищев Г.А. Формирование ультрамелкозернистой структуры в среднеуглеродистой стали 40ХГНМ ротационной ковкой и ее влияние на механические свойства // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 1. – С. 701–706. Scholar
18.Соколов И.А., Уральский В.И. Остаточные напряжения и качество металлопродукции // Металлургия. – 1981. – С. 96. Scholar
19.Биргер И.А. Остаточные напряжения. – М.: Машгиз, 1963. – С. 232. Scholar
20.Хоргер О., Нейферт Г. Влияние остаточных напряжений на усталостную прочность машин и смежных явлений. Остаточные напряжения / под ред. В.Р. Осгуда. – М.: Изд. иностранной литературы, 1957. – С. 243–280. Scholar
21.Гликман А.А., Бабаев А.Н. Рациональное применение способа Закса при определении остаточных напряжений в сплошных и полых цилиндрах // Заводская лаборатория. – 1956. – № 4. – С. 466–472. Scholar
22.Давиденков Н.Н. Избранные труды. – Киев: Наукова думка, 1981. – 655 с. Scholar
23.Пат. РФ № 2366912 С1. Способ определения остаточных напряжений / Г.Л. Колмогоров, Е.В. Кузнецова; № 2008111436/28; заяв. 24.03.2008; опубл. 10.09.2009. Scholar
24.Кузнецова Е.В., Колмогоров Г.Л., Вавель А.Ю. Технологические остаточные напряжения при производстве циркониевых листов // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. – 2016. – № 1. – С. 26–31. DOI: 10.17073/0021-3438-2016-1-26-31 Scholar
25.Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В. Метод расчета предельных технологических остаточных напряжений в трубной заготовке // Деформация и разрушение материалов. – 2016. – № 7. – С. 2–5. Scholar
26.Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В. Технологические остаточные напряжения после обработки металлов давлением // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. – 2016. – Т. 16, № 1. – С. 41–45. DOI: 10.14529/met160105 Scholar
27.Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В., Хабарова Д. Релаксация остаточных напряжений и точность трубных металлоизделий // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. – 2018. – Т. 16, № 3. – С. 103–108. DOI: 10.18503/1995-2732-2018-16-3-103-108 Scholar
28.Лурье А.И. Теория упругости. – М.: Наука, 1970. – 940 с. Scholar
29.Фролов К.В. Энциклопедия. Т. II-2: Стали, Чугунь. – М.: Машиностроение, 2001. – 780 с. Scholar
30.Кикоин И.К. Таблицы физических величин. – М.: Атомиздат, 1976. – 1008 с. Scholar

Article information

Published: 21 December 2023
Issue date: 21 December 2023
Issue: No. 6 (2023)