Насосная штанга — стальной стержень, применяемый в системах механизированной добычи нефти для передачи возвратно-поступательного движения и механических нагрузок от наземного привода к скважинному насосу. Штанги подразделяются на классы по механической прочности, составу материала и условиям эксплуатации. Классы насосных штанг определяют механическую прочность, требования к стали и эксплуатационные характеристики штанг для систем возвратно-поступательной механизированной добычи. API 11B охватывает стандартные насосные штанги классов C, K и семейства D; для более сложных конструкций штанговых колонн доступны высокопрочные изделия и изделия для специальных условий. Основные различия связаны с пределом текучести, пределом прочности, составом сплава и условиями эксплуатации, для которых выбираются штанги.
Для штанг классов C и K обычно установлен предел прочности 90–115 ksi (621–793 MPa), а для стандартных штанг семейства D — 115–140 ksi (793–965 MPa). Однако срок службы определяется не только прочностью. На выбор класса также влияют диаметр штанги, циклическая нагрузка, коррозионная активность жидкости, термообработка и надёжность соединений.
Обзор классов насосных штанг
| Класс штанги | Минимальный предел текучести | Предел прочности | Основной критерий выбора |
| Класс C | 60 ksi | 90–115 ksi | Стандартная прочность при контролируемой коррозии |
| Класс K | 60 ksi | 90–115 ksi | Выбор легированной стали для условий с риском коррозии |
| Класс D, углеродистая сталь (DC) | 85 ksi | 115–140 ksi | Повышенная прочность при умеренных нагрузках |
| Класс D, легированная сталь (DA) | 85 ksi | 115–140 ksi | Повышенные нагрузки с использованием свойств легированной стали |
| Класс D, специальная сталь (DS) | 85 ksi | 115–140 ksi | Выбор специального сплава для сложных условий |
| Класс KD | Требования семейства D | Обычно 115–140 ksi | Коммерческий класс семейства D для коррозионных условий |
| Высокопрочные | Зависит от изделия | Обычно выше стандартных классов D | Высокие нагрузки на штанговую колонну, требующие специального подтверждения пригодности |
Значения для стандартных классов обобщают требования API 11B, приведённые в отраслевых сравнительных руководствах. Обозначения KD и высокопрочных изделий необходимо проверять по данным конкретного изготовителя и применимой редакции стандарта.
Таблица классов насосных штанг и механические свойства
Таблица классов насосных штанг показывает основные различия в прочности стандартных и высокопрочных штанг. Предел текучести указывает начало остаточной деформации при растяжении, а предел прочности — максимальное условное напряжение, достигнутое при испытании на растяжение.
Для штанговой добычи важны оба показателя. Штанговая колонна испытывает повторяющееся растяжение при каждом ходе наземного привода. Максимальная нагрузка на штангу должна оставаться в пределах применимого эксплуатационного ограничения, а переменное напряжение влияет на усталостную работоспособность при многократных циклах откачки.
Механические свойства насосных штанг API 11B
| Классификация | Предел текучести, мин. (ksi / MPa) | Предел прочности (ksi / MPa) |
| C | 60 / 414 | 90–115 / 621–793 |
| K | 60 / 414 | 90–115 / 621–793 |
| D, углеродистая сталь (DC) | 85 / 586 | 115–140 / 793–965 |
| D, легированная сталь (DA) | 85 / 586 | 115–140 / 793–965 |
| D, специальная сталь (DS) | 85 / 586 | 115–140 / 793–965 |
Примечание: механические свойства основаны на требованиях API 11B к классам штанг. Фактические гарантированные значения могут различаться у изготовителей; их следует сверять с применимой редакцией стандарта и спецификацией заказа.
Эти классы также можно сравнивать по показателям пластичности: относительному удлинению и относительному сужению. При указанных условиях испытания для C и K приведены минимальное удлинение 13% и минимальное сужение 40%, а для стандартных классов семейства D — 10% и 40% соответственно. Без подтверждения эти значения нельзя считать универсально обязательными для каждой редакции API или каждого фирменного класса.
Более высокий предел прочности не означает автоматически лучшую усталостную стойкость. Чистота стали, состояние поверхности, геометрия концов штанги, термообработка, воздействие коррозии и рабочий диапазон напряжений могут сильнее влиять на долговечность.
Типы классов насосных штанг
Насосные штанги выпускаются в нескольких классах прочности и материала для различных нагрузок при откачке, требований по усталости и условий скважинной жидкости. Классы C и K относятся к стандартной прочности, а D и KD обеспечивают более высокую механическую прочность. Для применения, требующего дополнительной несущей способности сверх стандартных изделий семейства D, доступны высокопрочные классы.
Сравнение классов насосных штанг
| Класс насосной штанги | Мин. предел текучести | Предел прочности | Основные характеристики |
| Класс C | 60 ksi | 90–115 ksi | Стандартная прочность для умеренных нагрузок |
| Класс K | 60 ksi | 90–115 ksi | Выбор легированной стали для коррозионных условий |
| Класс D | 85 ksi | 115–140 ksi | Повышенная прочность для увеличенных нагрузок на штанговую колонну |
| Класс KD | 85 ksi | 115–140 ksi | Повышенная прочность с выбором сплава для коррозионных условий |
| Высокопрочные | Зависит от класса | Обычно выше стандартных диапазонов семейства D | Специальные конструкции штанговых колонн для высоких нагрузок |
Примечание: значения отражают диапазоны стандартных классов или общую классификацию изделий. Требования к высокопрочным штангам зависят от изготовителя и конкретного класса.
Классификация материалов класса D
Насосные штанги класса D могут изготавливаться из сталей различного состава с разными режимами термообработки. Обозначения DC, DA и DS различают варианты материала в высокопрочном семействе D.
| Классификация | Характеристики материала | Пример материала |
| D, углеродистая сталь (DC) | Углеродистая сталь с контролируемой термообработкой | Модифицированная сталь 1530 |
| D, легированная сталь (DA) | Легированная сталь, обычно содержащая хром и молибден | Модифицированная сталь 4142 |
| D, специальная сталь (DS) | Специальные легированные составы, часто содержащие никель, хром и молибден | Модифицированная сталь 4330 |
Эти примеры материалов отражают документированные варианты изготовления, а не обязательные составы для всех изделий. Требования к механическим свойствам, ограничения твёрдости и подтверждение пригодности для среды необходимо сверять с заданным классом и данными изготовителя.
Различия в прочности и условиях эксплуатации между классами
Классы C и K имеют сходные требования к стандартной прочности, но различаются выбором материала. Для класса K часто используют никельсодержащие легированные стали, когда коррозионное поведение является важным критерием.
Классы D и KD имеют более высокие пределы прочности и текучести, чем C и K. Класс D обычно выбирают для повышенных механических нагрузок, а KD сочетает повышенную прочность со сплавами, предназначенными для условий с риском коррозии. Ни одно обозначение само по себе не гарантирует пригодность для H₂S или других конкретных коррозионных сред.
Высокопрочные классы, включая фирменные изделия HA, HS, HL и HY, выходят за стандартные диапазоны прочности семейства D. В некоторых спецификациях HA и HS указан предел прочности 140–155 ksi, хотя требования зависят от изделия. Их применение требует дополнительной оценки усталостной работоспособности, несущей способности соединений и совместимости со средой.
Класс следует выбирать по фактическим нагрузкам на штанговую колонну, химическому составу добываемой жидкости, условиям усталости и применимым требованиям API 11B, а не только по пределу прочности.
Классы материалов насосных штанг и химический состав
Класс насосной штанги определяет требуемую классификацию готового изделия, а марка стали AISI определяет группу химического состава материала. Эти обозначения связаны, но не взаимозаменяемы.
Например, AISI 4142 и AISI 4330 — обозначения легированных сталей. Их использование в насосных штангах само по себе не определяет конечный класс API. Требуемые свойства при растяжении также зависят от термообработки, испытаний готового изделия и утверждённой производственной спецификации изготовителя.
Типичные стали и химический состав
В следующей таблице приведены примеры материалов из каталога Tenaris для демонстрации различий между выбранными классами насосных штанг. Все значения химического состава указаны в массовых процентах.
| Класс штанги | Пример стали | Углерод (C) | Никель (Ni) | Хром (Cr) | Молибден (Mo) |
| C | 1530 мод. | 0.30–0.36 | 0.15 макс. | 0.10 макс. | 0.05 макс. |
| K | 4621 мод. | 0.18–0.25 | 1.65–2.00 | 0.30 макс. | 0.20–0.30 |
| D, легированная сталь | 4142 | 0.40–0.45 | 0.25 макс. | 0.80–1.10 | 0.15–0.25 |
| KD | 4320 мод. | 0.20–0.25 | 1.15–1.50 | 0.70–0.90 | 0.25–0.30 |
| D, специальная сталь | 4330 мод. | 0.29–0.37 | 1.65–2.00 | 0.80–1.10 | 0.20–0.30 |
Приведённые составы — типичные справочные примеры материалов из каталогов изготовителей. Они предназначены только для сравнения и не должны рассматриваться как фиксированные ограничения API по химическому составу или подтверждённые производственные спецификации Octal. Фактический материал может различаться в зависимости от требуемого класса штанги, термообработки и спецификации заказа.
При интерпретации этой таблицы важно учитывать несколько различий.
Содержание углерода влияет на потенциальную твёрдость и прочность после термообработки. Повышенное содержание углерода не всегда полезно: необходимо также учитывать вязкость, сопротивление трещинообразованию и поведение в рабочей среде.
Хром и молибден повышают прокаливаемость и влияют на результат контролируемой термообработки. Заданные концентрации зависят от системы легирования и требуемых механических свойств.
Никель применяют в ряде материалов для коррозионных условий и специальных сплавах для изменения вязкости и общего поведения сплава. Содержание никеля само по себе не означает невосприимчивости к коррозии или сульфидному растрескиванию под напряжением.
При закупке заданный химический состав материала следует сверять с применимой спецификацией изделия и фактическим сертификатом анализа плавки.
Размеры насосных штанг и доступность классов
Стандартные насосные штанги поставляются с несколькими номинальными диаметрами тела. Больший диаметр увеличивает несущую площадь сечения, но также повышает массу колонны, что влияет на нагрузки при откачке и проектирование колонны.
Распространённые размеры насосных штанг
| Номинальный диаметр штанги | Диаметр (mm) | Распространённые номинальные длины штанг |
| 5/8 in. | 15.88 | 25 ft / 30 ft |
| 3/4 in. | 19.05 | 25 ft / 30 ft |
| 7/8 in. | 22.23 | 25 ft / 30 ft |
| 1 in. | 25.40 | 25 ft / 30 ft |
| 1-1/8 in. | 28.58 | 25 ft / 30 ft |
Приведены распространённые размеры стандартных насосных штанг; доступность конкретного сочетания класса, диаметра и длины необходимо подтвердить.
Обозначение класса не определяет диаметр штанги, ниппельное соединение или тип муфты. Эти размеры необходимо задавать отдельно. Для ступенчатых штанговых колонн отдельные участки могут иметь разные диаметры и иногда разные классы материала в соответствии с расчётными нагрузками.
Выбор классов насосных штанг для различных условий скважины
Выбор классов насосных штанг начинается с фактических нагрузок и рабочей среды, а не только с номинальной глубины скважины.
Для двух скважин одинаковой глубины могут потребоваться разные штанги из-за различий в диаметре насоса, плотности добываемой жидкости, длине хода, числе ходов в минуту, газовом влиянии, коррозии и отклонении ствола.
Матрица выбора класса насосных штанг
| Условия эксплуатации | Классы для оценки | Основной инженерный критерий |
| Низкие и умеренные циклические нагрузки | Класс C | Диапазон напряжений, защита от коррозии и усталость |
| Умеренные нагрузки при риске коррозии | Класс K | Химия жидкости, ингибирование и подтверждение пригодности материала |
| Умеренные и высокие осевые нагрузки | Класс D, углеродистая / легированная сталь | Предел текучести, усталость и требования к термообработке |
| Повышенные нагрузки с коррозионно-активной добываемой жидкостью | KD / подтверждённый D Special | Коррозионная усталость, состав сплава и эксплуатационные ограничения |
| Колонны для высоких нагрузок или глубоких скважин | Высокопрочные классы с подтверждённой пригодностью | Спектр напряжений, диаметр штанги, прочность соединения и усталость |
| Наклонные скважины с контактом штанг и НКТ | Класс выбирается по совокупности условий | Контактный износ, усталость при изгибе, коррозия и направляющие штанг |
Матрица указывает группы классов для инженерной оценки; она не является безусловной рекомендацией класса и не заменяет проектирование штанговой колонны.
Нагрузки на штанги и усталость
В каждом цикле откачки штанговая колонна испытывает повторяющиеся изменения осевой нагрузки. Верхние штанги обычно несут большую долю веса подвешенной колонны; нагрузка от жидкости, ускорение и замедление, скорость откачки и отклонение ствола дополнительно изменяют напряжения вдоль колонны.
Для базовой проверки осевой нагрузки номинальное напряжение в теле штанги можно оценить следующим образом:
σ = F / A
где σ — номинальное осевое напряжение, F — осевая сила, действующая на штангу, а A — площадь поперечного сечения тела штанги.
При одинаковой осевой силе меньший диаметр штанги даёт более высокое номинальное напряжение. Этот простой расчёт полезен для сравнения размеров, но не описывает полностью условия усталости работающей колонны.
В эксплуатации штанги испытывают чередующиеся максимальные и минимальные нагрузки в каждом цикле откачки. Поэтому оценка усталости должна учитывать диапазон напряжений, частоту циклического нагружения, геометрию соединений, изгиб и локальную концентрацию напряжений на концах штанг. Коррозия или воздействие добываемой жидкости дополнительно снижают фактическую усталостную стойкость даже при допустимом номинальном осевом напряжении.
При проектировании реальной колонны расчётные напряжения следует оценивать совместно с классом и диаметром штанг, геометрией скважины, рабочими нагрузками и средой, а не использовать только предел прочности в качестве критерия выбора.
Коррозия и выбор материала
Коррозия способна снизить рабочую усталостную прочность насосной штанги задолго до появления заметной общей потери сечения.
Добываемые жидкости с CO₂ могут вызывать локальную или общую коррозию в зависимости от парциального давления, химического состава воды, температуры и условий защиты.
Жидкости с H₂S создают дополнительные риски сульфидного растрескивания под напряжением и водородного повреждения. Материал необходимо оценивать с учётом фактической сероводородной среды, твёрдости, уровня напряжений и применимых требований к подтверждению пригодности.
Хлоридсодержащая вода и загрязнение кислородом могут усиливать коррозию при определённых условиях добычи и химической обработки.
Классы K и KD часто рассматривают для коррозионных условий, однако нельзя предполагать, что название класса гарантирует стойкость ко всем коррозионным жидкостям.
Перед заменой или повышением класса изучите фактический анализ жидкости, историю коррозии, эффективность ингибитора и документированные эксплуатационные ограничения.
Соединения штанг и передача нагрузки
Повышенная прочность тела штанги не устраняет риск отказа соединений.
При повторяющихся нагрузках ниппель, упорный торец, впадина резьбы и переход высадки испытывают локальные напряжения. Повреждения соединений могут возникать из-за неправильного зацепления резьбы, неподходящей муфты, неверной затяжки, несоосности или дефектов поверхности.
Поэтому стандартное соединение API с упорным торцом следует оценивать как часть всей конфигурации колонны. Модифицированные соединения для повышенного момента и фирменные ниппели имеют собственные требования к совместимости и монтажу.
Для винтовых насосов осевой прочности класса недостаточно: конструкцию может определять сочетание растяжения и крутящего момента.
Проверка класса API 11B и контроль качества
Заданный класс штанги должен подтверждаться механическими свойствами готового изделия, идентификацией материала и соответствием размеров.
Состав материала и предел прочности — не единственные предметы контроля. Кованые концы штанг и обработанные участки соединений также должны соответствовать применимым требованиям к размерам и качеству поверхности.
Требования к проверке класса и контролю
| Объект контроля | Что необходимо проверить | Типичный подтверждающий документ |
| Химический состав стали | Заданный состав сплава и идентификация плавки | Сертификат материала / анализа плавки |
| Предел текучести | Соответствие заданному минимуму | Отчёт об испытании на растяжение |
| Предел прочности | Соответствие требуемому диапазону класса | Отчёт об испытании на растяжение |
| Термообработка | Требуемое состояние термообработки и производственная прослеживаемость | Протокол термообработки |
| Размеры тела штанги | Диаметр, длина и применимые допуски | Контроль размеров |
| Геометрия концов штанги | Переход высадки, геометрия ниппеля и состояние упорного торца | Отчёт о размерах концов штанги |
| Соответствие соединения | Профиль и размеры резьбы и приёмка соответствующими калибрами | Протокол контроля резьбы |
| Идентификация изделия | Класс, размер и идентификация плавки/партии | Записи маркировки и прослеживаемости |
Объём контроля, частота отбора проб, критерии приёмки и комплект документов должны соответствовать применимой редакции API 11B, заказу и плану контроля и испытаний (ITP).
Типовой производственный маршрут может включать:
Проверка сырья → Правка → Резка → Высадка концов → Термообработка → Механическая обработка → Контроль → Маркировка и упаковка
Точная последовательность зависит от конструкции штанги, материала и утверждённого процесса изготовителя. Не следует предполагать наличие конкретной обработки поверхности или неразрушающего контроля, если они не включены в подтверждённую производственную спецификацию или требования заказа.
Для согласования закупки записи контроля должны быть прослеживаемы до поставленного класса и производственной плавки или партии. Если требуется сторонняя инспекция, точки свидетельствования и разрешительные документы следует согласовать до производства.
Поддержка заказа насосных штанг и техническая проверка
При запросе предложения укажите класс штанги или материал, диаметр, номинальную длину, требования к ниппелю и муфте, количество, применимую редакцию API 11B, документы контроля и пункт доставки. Одно название класса может не полностью определять требуемый материал, соединение или объём контроля.
Для скважин с коррозионно-активной жидкостью, повышенными циклическими нагрузками или наклонным стволом полезно также предоставить анализ жидкости, рабочую температуру, максимальные и минимальные нагрузки на штанги, отклонение ствола и специальные требования проекта к соединениям. Это помогает определить пригодность предлагаемого класса и системы материалов для нужных условий.
Octal Sucker Rod помогает проверить заказ до производства, сопоставляя представленные требования с доступными классами штанг, материалами, размерами и конфигурациями соединений. Мы также можем подтвердить необходимую документацию контроля, требования к маркировке и прослеживаемости, способ упаковки и условия доставки до запуска заказа.
Если исходная спецификация неполна, наша команда помогает определить сведения, которые необходимо подтвердить: сочетание класса и материала, размер штанги, совместимость ниппеля и муфты, объём контроля или требования к документам. Эти вопросы уточняются до производства, а не на этапе окончательного контроля или доставки.
Часто задаваемые вопросы
Чем отличаются насосные штанги C и D?
Для класса C установлены минимальный предел текучести 60 ksi и предел прочности 90–115 ksi. Для стандартных штанг семейства D — минимальный предел текучести 85 ksi и предел прочности 115–140 ksi. Класс D обеспечивает более высокую заданную прочность, однако выбор также зависит от усталостных нагрузок, коррозии и характеристик соединений.
Взаимозаменяемы ли штанги K и KD?
Не автоматически. K — класс стандартной прочности из легированной стали, тогда как KD обычно обозначает более прочное изделие семейства D из специального сплава. Перед заменой необходимо проверить различия в механических свойствах, химическом составе, термообработке и подтверждении пригодности для эксплуатации.
Какой класс подходит для скважин с H₂S?
Ни один класс насосных штанг нельзя допускать к работе с H₂S только по названию. Пригодность материала зависит от парциального давления H₂S, pH, температуры, концентрации хлоридов, твёрдости, напряжений и заданных требований к сероводородной среде. Материал и программу защиты от коррозии необходимо оценивать совместно.
Означает ли большая прочность больший усталостный ресурс?
Нет. Усталостная долговечность зависит от рабочего диапазона напряжений, локальных концентраций, состояния поверхности, металлургии, качества соединений и коррозионного воздействия. Более прочная штанга может не дать преимущества по сроку службы, если эти факторы не контролируются должным образом.
Что проверить перед сменой класса?
Подтвердите требуемую прочность, спецификацию материала, диаметр штанги, совместимость ниппеля и муфты, рабочие нагрузки, коррозионные условия и применимую редакцию API 11B. Перед монтажом заменяющий класс также должен иметь подходящие протоколы контроля и прослеживаемость.