Полированный шток — стальной стержень с гладкой поверхностью, установленный в верхней части штанговой насосной установки. Он соединяет наземный привод со скважинной колонной штанг и образует уплотняемую поверхность, проходящую через сальниковое устройство. Обычно его изготовляют из углеродистой, легированной или коррозионностойкой стали в зависимости от механических нагрузок и свойств добываемой жидкости. В каждом цикле шток передает возвратно-поступательное движение и осевую нагрузку от привода к скважинному насосу, одновременно перемещаясь через сальник для сохранения непрерывного уплотнения и уменьшения утечек добываемой жидкости на устье. Полированные штоки применяют в обычных скважинах со штанговой откачкой, высоконагруженных насосных установках и условиях, где важны герметичность, износостойкость и коррозионная стойкость.
В отличие от скважинных насосных штанг, преимущественно передающих растягивающую нагрузку по колонне, полированные штоки работают в точке соединения наземного оборудования со всей штанговой системой. Их характеристики зависят от совместного контроля диаметра, прочности при растяжении, качества поверхности, прямолинейности, геометрии соединения и совместимости с сальником. Из-за повторных нагрузок и постоянного контакта поверхности при выборе необходимо учитывать условия откачки, нагрузку на колонну, коррозионную среду и сопряжение соединений, а не только диаметр.
Технические характеристики и размеры полированных штоков
Полированный шток API 11B определяется номинальным диаметром, рабочей длиной, классом материала, конструкцией соединения и состоянием поверхности. В отличие от стандартных насосных штанг он также должен иметь контролируемую уплотняемую поверхность для непрерывного перемещения через сальник.
Основные параметры — диаметр, длина, материал и совместимость соединения — определяются нагрузкой откачки, условиями хода, компоновкой устья и рабочей средой. Качество рабочей поверхности и точность размеров напрямую влияют на герметичность и эксплуатационную надежность.
Справочные характеристики полированных штоков
| Параметр | Технические данные |
|---|---|
| Продукция | Полированный шток |
| Основное применение | Передача нагрузки от наземного оборудования и динамическое уплотнение в штанговых насосных установках |
| Применимый стандарт | API Spec 11B, если указан в требованиях |
| Номинальные диаметры API | 1-1/8 in., 1-1/4 in., 1-1/2 in. |
| Дополнительная отраслевая конфигурация | Конфигурация 1-3/4 in. по требованиям проекта |
| Основные материалы | Углеродистая сталь, легированная сталь, нержавеющее / коррозионностойкое исполнение |
| Типы продукции | Обычный, с высаженным концом, с металлизационным покрытием |
| Рабочая поверхность | Уплотняемый участок с прецизионной отделкой |
| Концевое соединение | Ниппельное соединение полированного штока с совместимой муфтой |
| Длина | Определяется ходом, геометрией устья и монтажной компоновкой |
| Основные условия эксплуатации | Обычная штанговая откачка, повышенные нагрузки, агрессивные и абразивные среды, длинноходная работа |
Полированный шток следует выбирать как цельный рабочий компонент, а не только по диаметру. Размер, класс материала, состояние поверхности, конструкция соединения и совместимость муфты должны соответствовать нагрузке откачки, условиям хода, требованиям устьевого уплотнения и среде для надежной передачи нагрузки и стабильной работы сальника в повторных циклах.
Диаметр, площадь сечения и номинальная масса полированного штока
Диаметр полированного штока напрямую влияет на площадь стального сечения, несущую способность и номинальный вес тела. Больший диаметр дает большее сечение для осевой нагрузки, но увеличивает вес и может влиять на зазор вокруг муфты, совместимость с сальником и общую конструкцию колонны.
Следующие значения приблизительно характеризуют прямой участок тела штока и рассчитаны по плотности стали. Фактический вес готового изделия может отличаться в зависимости от геометрии высаженного конца, конструкции соединения и обработки поверхности.
| Номинальный размер | Наружный диаметр | Площадь поперечного сечения | Приблизительная масса сплошной стали |
|---|---|---|---|
| 1-1/8 in. | 28.58 mm | 641.5 mm² | 5.04 kg/m |
| 1-1/4 in. | 31.75 mm | 791.7 mm² | 6.22 kg/m |
| 1-1/2 in. | 38.10 mm | 1,140.1 mm² | 8.95 kg/m |
| 1-3/4 in.* | 44.45 mm | 1,551.8 mm² | 12.18 kg/m |
Увеличение диаметра дает большее несущее сечение, но выбор полированного штока не может основываться только на диаметре. В составе всей штанговой системы необходимо также учитывать нагрузку откачки, условия хода, требования сальника, конструкцию соединения и рабочую среду.
Материал и прочность полированных штоков при растяжении
Выбор материала определяет диапазон механических свойств штока. Углеродистую, легированную и нержавеющую сталь выбирают по требуемой прочности, коррозионному воздействию и рабочей среде.
| Вариант материала | Представительная группа материалов | Требование к временному сопротивлению готового изделия |
|---|---|---|
| Углеродистая сталь | AISI 1035–1050 | 90–160 ksi / 621–1,103 MPa |
| Легированная сталь | AISI 4120–4140, 4315–4340, 4615–4625, 8620–8630 | 95–160 ksi / 655–1,103 MPa |
| Нержавеющая сталь | 304 / 316 | ≥70 ksi / 482 MPa |
Более высокое временное сопротивление не определяет автоматически лучший выбор штока. Итоговая конфигурация должна учитывать механическую нагрузку, коррозию, требования к поверхности и совместимость с остальной штанговой системой.
Влияние диаметра полированного штока на номинальное напряжение
Влияние диаметра особенно заметно при сравнении номинальных напряжений при одинаковой осевой нагрузке. Большая площадь сечения снижает среднее напряжение при том же усилии, обеспечивая дополнительный механический запас в работе.
| Размер | Площадь поперечного сечения | Напряжение при 60 kN | Напряжение при 80 kN | Напряжение при 100 kN |
|---|---|---|---|---|
| 1-1/8 in. | 641.5 mm² | 93.5 MPa | 124.7 MPa | 155.9 MPa |
| 1-1/4 in. | 791.7 mm² | 75.8 MPa | 101.0 MPa | 126.3 MPa |
| 1-1/2 in. | 1,140.1 mm² | 52.6 MPa | 70.2 MPa | 87.7 MPa |
| 1-3/4 in. | 1,551.8 mm² | 38.7 MPa | 51.6 MPa | 64.4 MPa |
Сравнение показывает влияние диаметра штока на номинальное напряжение при одинаковой осевой нагрузке. Большие диаметры снижают напряжение за счет большего несущего сечения, но при окончательном выборе также необходимо учитывать класс материала, конструкцию соединения и условия эксплуатации.
Конструкция, цепь передачи нагрузки и производство полированных штоков
Полированный шток — не только наземный соединительный компонент между приводом и скважинной колонной, но и механический элемент, воспринимающий повторные осевые нагрузки при штанговой откачке. Его конструкция объединяет рабочий участок с прецизионной отделкой, несущее тело и соединение, позволяя передавать движение наземного привода и сохранять надежное уплотнение в сальнике.
Общие характеристики штока зависят от взаимосвязи конструктивных элементов, цепи передачи нагрузки и производственного контроля. Тело воспринимает основную осевую нагрузку, а кованый конец, ниппель штока и муфтовое соединение обеспечивают ее надежную передачу в колонну насосных штанг.
Конструктивные элементы полированного штока
Конструкция штока включает несколько функциональных зон с разными механическими задачами. В отличие от простого сплошного стального прутка каждый участок выполняет определенную роль в передаче нагрузки, надежности соединения и герметичности.
| Конструктивный элемент | Функция |
|---|---|
| Полированный участок | Обеспечивает гладкую рабочую поверхность, перемещающуюся через набивку сальника и поддерживающую динамическое уплотнение |
| Тело штока | Воспринимает основную осевую растягивающую нагрузку при откачке |
| Кованый конец | Обеспечивает увеличенное сечение зоны соединения и возможность обработки резьбы |
| Ниппельное соединение | Образует резьбовое соединение с муфтой полированного штока и передает осевую нагрузку через стык |
| Муфта | Соединяет шток с соседней колонной насосных штанг, сохраняя механическую непрерывность |
Полированный участок образует динамическое уплотняемое сопряжение с набивкой сальника и требует контролируемого состояния поверхности и точности размеров при повторном возвратно-поступательном движении. Тело — основной участок передачи осевой нагрузки, а кованый конец увеличивает сечение для ниппеля, бурта и резьбы. Вместе эти зоны образуют непрерывную цепь нагрузки от наземного привода к колонне штанг; каждый участок рассчитан на надежную передачу нагрузки при циклической откачке.
Передача нагрузки при откачке
При штанговой откачке полированный шток служит верхним элементом передачи нагрузки колонны. Наземный привод создает возвратно-поступательное движение, а шток передает это движение и соответствующую осевую нагрузку через колонну скважинному насосу.
Нагрузка непрерывно меняется в каждом цикле. На ходе вверх шток главным образом испытывает растяжение при подъеме колонны. На ходе вниз направление нагрузки и распределение напряжений меняются при опускании колонны и насоса. Поэтому шток рассчитан на повторные циклические нагрузки, а не на одно статическое нагружение.
| Рабочий этап | Характер нагрузки | Инженерное требование |
|---|---|---|
| Ход вверх | Растягивающая нагрузка увеличивается при подъеме колонны | Достаточная прочность тела и надежность соединения |
| Ход вниз | Нагрузка меняется при движении вниз, вызывая циклическое изменение напряжений | Усталостная стойкость штока и зон соединения |
| Непрерывный цикл откачки | Повторные нагрузки на протяжении длительной эксплуатации | Контролируемые свойства материала, геометрия и состояние поверхности |
Циклическое нагружение особенно важно в кованом переходе, у бурта ниппеля и в зоне резьбы, где изменения геометрии могут повышать местную концентрацию напряжений. Поэтому производство полированных штоков требует контролируемой ковки, механической и термической обработки для сохранения целостности соединения в работе.
Процесс производства полированных штоков
Производство направлено на контроль механических свойств, геометрии соединения и состояния поверхности, необходимых для надежной работы при повторных циклах. Основные этапы включают ковку концов, механическую обработку, термообработку и отделку поверхности. Каждый этап влияет на передачу нагрузки, надежность соединения и герметичность.
| Этап производства | Инженерная цель |
|---|---|
| Ковка концов | Формирование увеличенного концевого участка для ниппеля, бурта и соединения с контролируемым переходом от тела |
| Механическая обработка | Получение точного полированного диаметра, геометрии ниппеля и профиля резьбы для правильного сопряжения и стабильных размеров |
| Термическая обработка | Получение требуемого баланса прочности, вязкости и усталостной стойкости при циклических нагрузках |
| Отделка поверхности | Создание контролируемой рабочей поверхности для стабильного контакта с набивкой сальника и длительного уплотнения |
Качество изготовления определяется взаимодействием этих процессов, а не одной операцией. Контролируемая ковка снижает концентрацию напряжений в переходе, точная механическая обработка обеспечивает совместимость соединений, а отделка поверхности сохраняет герметичность при непрерывном возвратно-поступательном движении.
Исполнения и применение полированных штоков
Исполнения штоков в основном различаются конструкцией концов, защитой поверхности и материалом. Подходящее исполнение зависит от совокупных требований к нагрузке, уплотнению в сальнике, коррозионному воздействию и совместимости соединений, а не только от номинального размера.
| Исполнение | Основные особенности | Типовой материал / обработка | Подходящие условия | Основные критерии выбора |
|---|---|---|---|---|
| Обычный полированный шток | Стандартный полированный участок с обычным концевым соединением | Углеродистая или легированная сталь с прецизионной отделкой поверхности | Обычные штанговые установки и умеренные нагрузки | Качество поверхности, точность размеров и совместимость с сальником и колонной |
| Полированный шток с высаженным концом | Увеличенный кованый конец с дополнительным сечением зоны соединения | Кованый конец с контролируемым переходом и обработанным ниппелем | Повышенная нагрузка, длинный ход или крупные насосные установки | Прочность соединения, геометрия кованого перехода и стойкость к циклической нагрузке |
| Полированный шток с металлизационным покрытием | Металлическое покрытие рабочей поверхности для повышения износостойкости | Основная сталь с защитным металлизационным покрытием | Агрессивные добываемые жидкости или абразивная среда | Целостность покрытия, износостойкость и совместимость с сальником |
| Коррозионностойкий полированный шток | Материал подобран для коррозионных характеристик в определенных условиях эксплуатации | Коррозионностойкий материал по условиям скважины | Высокое содержание хлоридов, воздействие CO₂/H₂S или сильная коррозия | Механизм коррозии, механическая нагрузка и длительные характеристики поверхности |
Выбранное исполнение должно соответствовать всей штанговой системе. Состояние поверхности, конструкцию соединения и рабочую среду следует оценивать совместно для надежной передачи нагрузки и уплотнения в повторных циклах.
Положение и принцип работы полированного штока в штанговой системе
Положение в штанговой системе
Полированный шток установлен в верхней части штанговой насосной установки между наземным приводом и скважинной колонной. Он соединяет наземный подъемный механизм с подземными насосными компонентами и проходит через сальник, образуя движущуюся уплотняемую поверхность на устье.
Полную цепь передачи механической нагрузки можно описать так:
Наземный привод → Зажим полированного штока → Полированный шток → Колонна насосных штанг → Скважинный насос
Каждый компонент выполняет свою функцию в передаче движения и нагрузки от наземного оборудования к насосу.
| Рабочий компонент | Функция в системе |
|---|---|
| Наземный привод | Создает возвратно-поступательное движение для откачки |
| Зажим полированного штока | Передает движение наземного привода и поддерживает соединение штока |
| Полированный шток | Передает осевую нагрузку, перемещаясь через уплотнение сальника |
| Сальниковое устройство | Поддерживает динамическое уплотнение вокруг движущейся поверхности штока |
| Колонна насосных штанг | Передает движение и нагрузку скважинному насосу |
| Скважинный насос | Преобразует движение штанг в подъем жидкости |
Принцип работы в циклах откачки
При работе полированный шток движется вертикально вместе с наземным приводом и колонной штанг. Он испытывает повторные растягивающие нагрузки, а не одну статическую, поскольку колонна постоянно ускоряется, меняет направление и условия нагружения в каждом цикле.
При ходе вверх привод поднимает колонну, а шток воспринимает растягивающую нагрузку от подвешенных штанг, жидкости и сопротивления насоса. При ходе вниз условия нагрузки меняются, но шток продолжает направлять движение через сальник, сохраняя уплотняющий контакт.
Поэтому характеристики штока зависят не только от прочности при растяжении, но и от качества поверхности, прямолинейности, соосности соединения и совместимости с уплотнением сальника.
Совместимость соединений и муфт полированных штоков
Соединение полированного штока — важнейшая часть наземной цепи нагрузки: оно передает возвратно-поступательную нагрузку в колонну штанг. Его характеристики зависят от совместной конструкции ниппеля, бурта, профиля резьбы и муфты, а не только от номинального диаметра.
Правильно подобранное соединение сохраняет механическое зацепление и распределение нагрузки в повторных циклах. Ниже приведены основные справочные особенности резьбы и муфт, влияющие на совместимость.
| Особенность соединения | Типовые данные | Инженерная функция |
|---|---|---|
| Тип соединения | Ниппель полированного штока с соответствующей муфтой | Передает осевую нагрузку между штоком и колонной штанг |
| Тип резьбы | Цилиндрическая резьба | Обеспечивает механическое зацепление ниппеля и муфты |
| Число витков резьбы | 10 витков на дюйм | Определяет зацепление резьбы и сопряжение соединения |
| Профиль наружной резьбы | UNR с закругленным контуром впадины | Улучшает усталостные характеристики резьбы при циклических нагрузках |
| Профиль внутренней резьбы | Профиль UN | Соответствует геометрии ниппеля полированного штока |
| Конструкция бурта | Соединение с контактом по упорному бурту | Обеспечивает опорный контакт для осевой нагрузки после свинчивания |
| Конус сбега резьбы | 9° | Определяет сбег резьбы и геометрию соединения |
| Тип муфты | Совместимая муфта полированного штока | Обеспечивает правильные габариты соединения и передачу нагрузки |
Соединение следует рассматривать как единую систему из ниппеля полированного штока, его муфты и присоединенной колонны штанг. Муфта со схожими размерами, но несовместимой резьбой или конструкцией бурта может привести к неправильному свинчиванию и неравномерной передаче нагрузки.
При замене или новом монтаже необходимо совместно проверить тип соединения, совместимость муфты и конфигурацию установленной колонны для надежной работы при циклических нагрузках.
Выбор полированных штоков для разных условий скважин
При выборе необходимо учитывать совокупное влияние механических нагрузок, требований к уплотнению, свойств добываемой жидкости и монтажной совместимости. Один диаметр может поставляться с разными материалами и поверхностями, поэтому только диаметр не определяет пригодность. Выбор должен соответствовать фактической нагрузке колонны, состоянию сальника, коррозионной среде и рабочим требованиям.
| Условия эксплуатации | Основной критерий выбора | Рекомендуемые особенности исполнения |
|---|---|---|
| Обычная скважина со штанговой откачкой | Нормальная циклическая нагрузка и стабильное уплотнение | Стандартная полированная поверхность, подходящий диаметр и совместимая муфта |
| Повышенная нагрузка на колонну | Увеличенные растягивающие напряжения и требования к усталостной стойкости | Большее несущее сечение, соответствующая прочность материала и надежное соединение |
| Длинноходная работа | Увеличенный путь скольжения и число циклов контакта с набивкой | Качество отделки поверхности, контроль прямолинейности и износостойкость |
| Агрессивная добываемая жидкость | Коррозионное воздействие на поверхность и уплотняемый участок | Коррозионностойкий материал или исполнение с защитой поверхности |
| Абразивная жидкость / жидкость с отложениями | Задиры поверхности и ускоренный износ набивки | Износостойкая поверхность и правильная совместимость с сальником |
| Замена при эксплуатации | Требования соответствия существующей системе | Правильные диаметр, длина, тип соединения и совместимость муфты |
Правильное исполнение определяется всей рабочей системой, а не одним параметром. Механическую прочность, состояние поверхности, сопряжение соединений и среду скважины следует оценивать совместно для надежной передачи нагрузки и уплотнения в повторных циклах.
Поставка полированных штоков и техническая поддержка
Octal поставляет полированные штоки для штанговых насосных установок с разными размерами, материалами, исполнениями поверхности и требованиями к соединениям. Каждый шток можно согласовать с компонентами колонны, включая насосные штанги и муфты, для совместимости всей насосной системы.
Техническая поддержка включает проверку спецификации, подтверждение материала, подбор соединения, контроль размеров и производственную документацию. По требованиям проекта Octal может предоставить прослеживаемые записи идентификации материала, механических свойств, результатов контроля и маркировки для надежного монтажа и работы на скважине.
Часто задаваемые вопросы
Чем полированный шток отличается от насосной штанги?
Полированный шток и насосная штанга занимают разные положения и выполняют разные функции в системе. Шток установлен на наземном конце колонны и обеспечивает передачу осевой нагрузки и непрерывную уплотняемую поверхность в сальнике. Колонна насосных штанг в основном передает возвратно-поступательную нагрузку между наземным оборудованием и скважинным насосом. Поэтому при выборе штока дополнительно учитывают качество поверхности, прямолинейность и совместимость с сальником.
Как выбрать правильный размер полированного штока?
Размер следует выбирать по всей штанговой системе, а не только по диаметру. Основные факторы — нагрузка колонны, возможности наземного привода, требования сальника, совместимость соединения и рабочая среда. Больший диаметр дает большее несущее сечение, но окончательный выбор должен также учитывать монтажный зазор и герметичность.
Почему важно качество поверхности полированного штока?
Качество поверхности напрямую влияет на герметичность сальника, поскольку шток повторно перемещается через набивку в каждом цикле. Шероховатость, прямолинейность и поверхностные дефекты могут влиять на трение, утечки и износ набивки. Поэтому качество штока определяется не только прочностью, но и состоянием рабочей уплотняемой поверхности.
Можно ли использовать муфту насосных штанг с полированным штоком?
Стандартную муфту насосных штанг нельзя выбирать для полированного штока только по номинальному размеру. Соединению штока необходима совместимая конструкция муфты, соответствующая геометрии ниппеля, конфигурации резьбы и требованиям передачи нагрузки. Несовместимая муфта может ухудшить свинчивание, целостность соединения и длительные усталостные характеристики.