DE1608002C3

DE1608002C3 - Verfahren zur Wärmebehandlung einer Pumpenstange und Anwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1608002C3
Application number: DE19681608002
Authority: DE
Inventors: Farmer Lee Oil City Pa. Current (V.StA.)
Original assignee: United States Steel Corp
Current assignee: United States Steel Corp
Priority date: 1967-03-01
Filing date: 1968-02-22
Publication date: 1976-03-11

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Pumpenstange aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von wenigstens 0,15%. Sie bezieht sich auch auf Anwendungen des Verfahrens.

Unter »Pumpenstangen« werden in der Bohrlochpumpentechnik Stangen verstanden, die sich in einem Bohrloch nach unten erstrecken und dazu neigen, eine hin- und hergehende Bewegung von einer an der Oberfläche befindlichen Pumpeneinheit auf eine unterirdische, in der Nähe des Bohrlochbodens angeordnete Pumpe zu übertragen. Die einzelnen Stangen sind an ihren Enden durch Innengewindekupplungen, die mit an den Stangenenden oben und unten vorhandenen Außengewindestiften in Eingriff stehen,

ίο miteinander verbunden.

Pumpenstangen mit wenigstens 0,15% Kohlenstoff sind aus der US-Patentschrift 22 81 850 bekanntgeworden. Dort ist vorgesehen, die Pumpenstangen insgesamt zu härten. In Anbetracht der Belastungen und Beanspruchungen, die in der Bohrtechnik auftreten, haben sich derartige Pumpenstangen jedoch als verbesserungsbedürftig erwiesen.

Ein Pumpenstangenstrang ist bei seiner Aufwärts- und Abwärtsbewegung zyklischen Belastungen unterworfen, die oftmals zu Ermüdungsbrüchen führen. Korrosionsangriff durch in dem Bohrloch befindliche Flüssigkeiten oder Abrieb der Stange an dem Bohrlochrohr kann einen derartigen Ausfall noch beschleunigen.

In den meisten ölbohrlöchern ist Schwefelwasserstoff anzufinden, der eine Wasserstoffversprödung der Pumpenstangen verursacht. Bekanntermaßen steigt die Anfälligkeit von Kohlenstoffstahl gegenüber Wasserstoffversprödung sehr stark an, wenn der Stahl gehärtet ist. Wasserstoffversprödung vermindert die Fähigkeit des Stahls, Zugbeanspruchungen zu widerstehen. Somit verspricht sich der Fachmann vom Einsatzhärten einer Pumpenstange kein gutes Ergebnis in bezug auf die Verbesserung der Wider-Standsfähigkeit gegen Ermüdungsbruch, weil die härtere Oberfläche aus anderen Gründen zu einem frühzeitigen Versagen des Materials führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Anwendungen desselben zur Herstellung von Pumpenstangen vorzusehen, die zu einer Verbesserung der Dauerfestigkeit führen.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Gattung gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 geführt.

Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und vorteilhafte Anwendungen des Verfahrens.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung, auf die sich folgende Be-Schreibung bezieht, schematisch dargestellt. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine teilweise weggebrochene Seitenansicht eines Teils einer erfindungsgemäß behandelten Pumpenstange,

Fig. 2 eine ähnliche Ansicht einer anders gebauten Pumpenstange und

F i g. 3 eine gleichfalls ähnliche Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Pumpenstange.
Die in Fig. 1 gezeigte Pumpenstange weist einen länglichen Körper 10 auf, an dessen Ende sich ein vergrößerter Aufzugknopf 12 befindet. Über dem Aufzugknopf besitzt die Stange hintereinander einen viereckigen Dorn 13, eine Zapfenschulter 14, eine Hinterschneidung 15 und einen Gewindezapfen 16.

Die in F i g. 2 dargestellte Pumpenstange ist mit einem gerundeten oder wulstartigen Aufzugknopf 12a versehen, sonst jedoch der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform gleich. Die Pumpenstange von

3 4

Fig. 3 besitzt einen viereckigen Dorn 13a, dessen ein erstreckt, so daß sie den viereckigen Dorn einKanten gerundet sind, ist jedoch sonst der in F i g. 1 schließt. Die Schalenhärte sollte zwischen 400 und gezeigten Ausführungsform gleich. In jedem Fall ist 800, vorzugsweise 475 und 650 Binell betragen,
diese Konstruktion am anderen Ende der Stange Der weitere Verfahrensschritt bei der erfindungsnoch einmal vorhanden. Die Pumpenstange besteht 5 gemäßen Behandlungsweise besteht darin, die bereits aus Stahl, dessen beispielsweise Zusammensetzung unter Druck stehende, martensitische Schale weiter die folgende ist: zu komprimieren, was vorzugsweise durch Druckhämmern der Stangenoberfläche geschieht. Es hat

C 0,15 bis 0,50 °/o sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Stange

Mn 0,30 bis 1,75 °/o io bei einer etwas erhöhten Temperatur, d. h. bis etwa

P 0 bis 0,07% 149° C, gehämmert wird. Wenn sich die Stange da-

S 0 bis 0,35% nach auf Umgebungstemperatur abkühlt, bewirkt

Si 0,10 bis 0,35 % die sich einstellende thermische Kontraktion eine

Ni 0 bis 3,50% zusätzliche Druckspannung. Dadurch können aber

Cr 0 bis 1,25 % 15 auch die Geschwindigkeit der dynamischen Span-Mo 0 bis 0,30 % nungsalterung erhöht und demzufolge Gefügever-

B 0 bis 0,005 % Schiebungen verhindert werden. Die sich einstellende

V 0 bis 0,05 % Druckspannung kann eine beliebige Höhe aufweisen

Al 0 bis 0,05% und bis zur Elastizitätsgrenze des Stahls reichen, sie

Rest Eisen und unbedeutende Verunreinigungen 20 sollte jedoch wenigstens 28,1 kg/mm² betragen. Der

bevorzugte Bereich liegt in dieser Hinsicht zwischen

Ein hoher Schwefelgehalt ist unerwünscht, weil er 42,2 und 87,9 kg/mm².

den Widerstand der Stange gegen Korrosion herab- Gemäß einer abgeänderten Verfahrensweise kann

setzt. Oberflächenentkohlung der Stange sollte ver- die geschmiedete Stange aus der Schmiedehitze, also

mieden werden. Der Kohlenstoffgehalt an der Ober- *5 von der Rothitze, mit der sie die Stauchmaschine

fläche sollte wenigstens 0,15% betragen, damit die verläßt, einfach in Wasser abgeschreckt werden; so-

im folgenden beschriebenen Beanspruchungswerte bald die Enden in Wasser abgeschreckt sind, sind

erreicht und der Korrosionswiderstand erhöht wird. sie maschinell nicht mehr bearbeitbar. Wenn die

Wie üblich wird die Stange in einem Schmiede- Stange durch Induktion erhitzt wird, wird ihr eine

Vorgang geformt. Gemäß einer Verfahrensweise zur 30 Wärmemenge zugeführt, die ausreicht, um sie an-

Austenitisierung wird die geschmiedete Stange zulassen. Die Enden, die mit Gewinde versehen

wärmebehandelt und in Luft abgekühlt oder in werden sollen, werden zwar durch Induktion erhitzt,

Flüssigkeit abgeschreckt. Darauf wird sie angelassen jedoch nicht darauffolgend abgeschreckt, wie dies

und gerichtet und schließlich entzundert. Nachdem bei der übrigen Stange der Fall «st. Vor dem O?.-

die Stange in der im folgenden beschriebenen, erfin- 35 windeschneiden wird die weiche Metallhaut entfernt,

dungsgemäßen Weise behandelt worden ist, werden Die übrige Behandlung wird in der bereits bescnne-

auf die Zapfen 16 Gewinde geschnitten. benen Weise durchgeführt.

Erfindungsgemäß wird der Körper 10 der Stange Wenn sich die Stange im Einsatz befindet, verdurch Induktion erhitzt und danach abgeschreckt, ringert die durch die erfindungsgemäße Behandlungsum eine im wesentlichen martensitische Schale 17 zu 40 weise der Stange aufgeprägte Spannungsverteilung erzeugen. Unter einer »im wesentlichen martensi- die Nettozugspannung, die die Hauptursache für tischen« Schale wird eine Schale verstanden, die frei Ermüdungsbrüche darstellt. Die im wesentlichen von Ferrit ist, aber eine kleine Menge Restaustenit martensitische Schale ist erforderlich, um die geenthalten darf. Die Tiefe der Schale sollte etwa 3 bis wünschte Spannungsverteilung im Kern ohne teure

15 % oder vorzugsweise 5 bis 8 % des Stangendurch- 45 Legierungen oder Behandlungen, beispielsweise messers betragen. Eine Schalentiefe von weniger als Nitrierung oder Aufkohlung, zu erhalten. Die im etwa 3% ist unzureichend, während eine Schalen- wesentlichen martensitische Schale verbessert aber tiefe, die größer etwa 15% ist, die Stange zu spröde auch den Korrosionswiderstand der Stange im Vermacht. Diese äußere Schale kann sich über die ganze gleich zu einer üblichen Stange, die ein Zweiphasen-Länge der Stange mit Ausnahme der Gewindezapfen 5° gefüge aus Eisenkarbit und Ferrit aufweist. Wie

16 erstrecken. Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 bereits erwähnt wurde, könnte die gehärtete Stangensoll jedoch vorzugsweise die Schale in der Ebene oberfläche möglicherweise die Empfindlichkeit der enden, wo der Aufzugknopf 12 seinen größten Durch- Stange gegen Wasserstoffversprödung vergrößern, messer erreicht, oder bei dem Aufzugknopf 12 a in wodurch ihr Widerstandsvermögen gegen Zug-F i g. 2 etwas darüber hinaus reichen. Wenn sich die 55 beanspruchungen abnehmen würde. Erfindungsgemäß Schale in den viereckigen Dorn 13 dieser Ausfüh- wird diese Schwierigkeit dadurch beseitigt, daß die rungsformen erstreckt, läßt sich eine Gleichmäßig- Stangenoberfläche mit einer zusätzlichen Druckspankeit der Schale nur schwer bewirken, so daß die nung beaufschlagt wird. Wenn somit die Stange in Gefahr besteht, daß die Stange bricht, sobald eine einem Bohrloch hin- und herbewegt wird, so steht Kupplung auf ihrem Gewinde festgezogen wird. Auch ⁶° ihre Oberfläche entweder unter einer reinen Druckbefinden sich an den Enden der Schale Restspannun- beanspruchung oder nur unter einer vernachlässigbar gen, die die Stange an dieser Stelle schwächen. Es ist geringen Zugbeanspruchung. Ein Bruch würde in der deshalb erwünscht, daß derartige Spannungen dorthin Stangenoberfläche seinen Ausgang nehmen. Wenn verlagert werden, wo die Querschnittsfläche oder aber keine Zugbeanspruchungen auftreten, die diese -masse am größten ist. Der viereckige Dorn 13a in 65 Brüche verursachen, dann treten keine Brüche auf. F i g. 3 läßt sich leichter einer gleichmäßigen Einsatz- In einer Versuchsreihe wurden Untermaß (15,88 härtung unterziehen. Deshalb wird bei dieser Stan- oder 19,05 mm Durchmesser) aufweisende, erfingenform die Schale bis in die Zapfenschulter 14 hin- dungsgemäß behandelte Stangen in Stränge aus

größeren, gewöhnlicherweise verwendeten Stangen (19,05 oder 22,23 mm Durchmesser) zwischengekoppelt. Bei Normalbetrieb betrug die Spannung in den größeren Stangen etwa bis 14,1 kg/mm²; in den kleineren Stangen war sie jedoch wegen des kleineren Querschnitts weitaus größer. In jedem Fall haben die größeren Stangen zuerst versagt.
Obgleich das Druckhämmern von Pumpenstangen als an sich bekannt zu gelten hat, ist seine Anwendung in Verbindung mit Induktionshärtung, angewendet auf einen kritischen Teil der Stangenoberfläche, neu. Dieser Teil weist eine Schale auf, die sowohl hart als auch vorgespannt ist. Die Kombination dieser Behandlungen ist notwendig, um die geschilderten erfindungsgemäßen Vorteile sicherzustellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Wärmebehandlung einer Pumpenstange aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von wenigstens 0,15%, die an jedem Ende mit Gewindezapfen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange neben den Zapfen zur Erzeugung einer im wesentlichen martensitischen Schale mit einer Dicke von etwa 3 bis 15% des Stangendurchmessers und einer Härte innerhalb 400 bis 800 Brinell induktionsgehärtet wird und daß die Schale dann zur Erzeugung einer Spannung von mindestens 28,1 kp/ mm² bis zur Elastizitätsgrenze komprimiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalentiefe 5 bis 8% des Durchmessers und die Schalenhärte zwischen 475 und 650 Brinell betragen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kompression der Schale durch Druckhämmern erreicht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckhämmern bei erhöhter Temperatur bis etwa 149° C erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange vor der Induktionshärtung austenitisiert, abgeschreckt und angelassen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange geschmiedet und aus der Schmiedehitze in Wasser abgeschreckt wird und daß die Enden der Stange während der Induktionshärtung angelassen werden.

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf eine Stange, die einen vergrößerten Aufzugknopf (12, 12 a), einen viereckigen Dorn (13, 13 a) und zwischen dem Stangenkörper und dem Zapfen (16) eine Zapfenschulter (14) aufweist, mit der Maßgabe, daß die im wesentlichen martensitische Schale (17) an dem Aufzugknopf (12, 12 a) endet.

8. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf eine Stange, die einen vergrößerten Aufzugknopf (12, 12 a), einen viereckigen Dorn (13, 13 a) und zwischen dem Körper und dem Zapfen (16) eine. Zapfenschulter (14) aufweist, mit der Maßgabe, daß die im wesentlichen martensitische Schale an der Zapfenschulter (14) endet.

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf eine Stange nach Anspruch 8, bei der der viereckige Dorn (13 α) zur Erleichterung der Herstellung einer gleichmäßigen, im wesentlichen martensitischen Schale abgerundete Kanten besitzt.