Файл: Щербюк, Н. Д. Резьбовые соединения труб нефтяного сортамента и забойных двигателей.pdf

ь, кгс/ммг

б

Рис. 20. Распределение напряжений по длине свинчивания в замковом соединении 3 1/2" JF.

разгружающих зарезьбовых канавок в ниппеле, муфте или в ниппеле и муфте на предел выносливости замкового резьбового

Рис. 21. Стендовая установка для испытания замковых соединений на растяжение и кручение.

1 — образец; 2 — нагрузочный гидравли­ ческий домкрат.

соединения Al/2" FH с внутренним каналом в ниппеле диаметром 57 мм. Перед испытанием резьбовые соединения, изготовленные из стали SAE 4140 (стандарт АНИ) с пределом текучести сгт=

62

уступа) составило о3= 0,73ат. Такое напряжение затяжки для зам­ ков, изготовленных из легированных сталей, является завышен­ ным. Поэтому предел выносливости резьбового соединения соста­ вил всего 10 кгс/мм2, т. е. заданный крутящий момент свинчива-

М, кгс-м

Рис. 22. Кривые выносливости замкового резьбового соедине­ ния 4 1/2" (УБТ-146) с обкатанной резьбой и с разгружающи­ ми зарезьбовыми канавками (испытание на знакопеременный изгиб).

М — разрушение муфты, Н м и Мн — разрушение и муфты и ниппеля).

ния не являлся оптимальным. Этот предел выносливости на 10% выше предела выносливости, полученного Фарром при свинчива­ нии резьбового соединения от руки.

На рис. 22 представлены кривые выносливости замкового резь­ бового соединения 41/г// FH (УБТ-146).

Анализируя кривые выносливости, можно сделать вывод, что при проведении обкатки впадин резьбы ниппеля (с увеличением глубины резьбы на 0,254 мм) предел выносливости повысится на 34% . Применение разгружающей зарезьбовой канавки в конце резьбы муфты повышает предел выносливости на 58% , а приме­ нение канавки у упорного уступа ниппеля — на 90% . Разгружаю­ щие канавки в ниппеле и муфте одновременно повышают предел

63

выносливости на 105%, поэтому, когда резьбовое соединение раз­ рушается от усталости по резьбе ниппеля, целесообразно делать зарезьбовые разгружающие канавки только у упорного уступа ниппеля.

Т. Альтман [47] провел широкие исследования на знакопере­

радиальном направлениях, а ниппель сжимается. После контакта упорных торцов на них возникает давление Q, а боковые поверх­ ности резьбы от 5 в сторону S' (рис. 23, б ) замыкаются. Между упорными торцами и плоскостью S ниппель удлиняется, а муфта сжимается.

Такое соединение технологически может быть выполнено за счет некоторого изменения шага резьбы ниппеля по сравнению с муфтой в средней части резьбы. Можно также изготовить резьбу ниппеля бочкообразной. Однако все это значительно усложняет технологию изготовления резьбы. По-видимому, такую резьбу не­ обходимо применять в тех случаях, когда исчерпаны другие тех­ нологические и конструктивные возможности: поверхностно­ пластическое деформирование (обкатка), зарезьбовые разгру­ жающие канавки, усиленный профиль резьбы (с увеличенными радиусами закруглений), профиль резьбы с углом 90° и др.

Для образцов Т. Альтман применил сталь марки 35 без тер­ мообработки с пределом текучести до 35 кгс/мм2. По данным [47]

64

напряжение затяжки составило а 3ат = 0,9ат. Несмотря на высокое напряжение затяжки, получен также высокий предел выносливо­ сти при знакопеременном изгибе приблизительно 15 кгс/мм2. Повышенный предел выносливости объясняется применением уг­ леродистой стали высокой пластичности.

Исследования Т. Альтмана повторили результаты, полученные Л. Тришманом. Кроме того, им установлено, что применение резьбы с углом профиля 90° повышает предел выносливости на

60%, а резьбы VdW — на 100%.

При проведении испытаний на моделях допускается ряд услов­ ностей, которые впоследствии затрудняют использование этих данных на натурных резьбовых соединениях. В связи с этим за­ служивает особого внимания работа, выполненная в ЦНИИТМАШ [11, 12, 13] с участием ВНИИБТ, по исследованию усталостной прочности резьбовых соединений больших диаметров. В этой работе нашли дальнейшее развитие следующие направле­ ния, способствующие повышению усталостной прочности замко­ вого соединения:

Исследовали также связь между средними напряжениями и предельной амплитудой изгиба в резьбовом соединении. Для ис­ следования выбрали два соединения утяжеленных бурильных труб с наружными диаметрами 75 и 178 мм с замковой резьбой соот­ ветственно 3-62 и 3-147 по ГОСТ 5286—58.

Соединения диаметром 75 мм испытывали на усталостной ма­

ЦНИИТМАШ позволяют испытывать образец при плоском знако­ переменном изгибе.

из стали марки 40ХНМА. Исследуемые образцы изготовляли из

Обкатка впадин резьбы — простой и эффективный метод, по­ вышающий усталостную прочность резьбового соединения. При статической нагрузке на ролик для упрочнения крупной замковой резьбы требуются значительные усилия, доходящие до 2700 кгс [48]. Такая большая нагрузка ведет к увеличению размеров уста­ новки для обкатки и требует усиленного суппорта станка. Упрочнение резьбы с помощью установки, где нагрузка приклады­ вается статически, по данным Тришмана [45], повышает предель­ ную амплитуду замкового соединения на 34%•

Применение виброобкатки устраняет недостатки обычной сило­ вой обкатки и значительно повышает усталостную прочность резьбового соединения. В процессе исследований применяли при­ способления конструкции ЦНИИТМАШ.

Важный критерий обкатки резьбы — уменьшение внутреннего диаметра Ad.

Испытали соединения УБТ диаметрами 75 и 178 мм из стали марок 45 и 40ХНМА. Перед испытаниями соединения диаметром 75 мм закрепляли приложением ЛТ;р=150 кгс-м, соединения диа­ метром 178 мм, испытываемые впервые, — Л4,;р = 3250 кгс-м. На соединениях диаметром 75 мм определяли предельные изгибаю­ щие моменты при различных значениях Ad. По полученным ре­ зультатам построили кривые предельных изгибающих моментов ^(пределов выносливости) в зависимости от Ad (рис. 24). Как видно из рисунка, оптимальное значение Ad находится в интерва­ ле 0,8— 1,0 мм. Резьбу 3-147 соединений диаметром 178 мм обка­ тывали при оптимальном значении Ad = 0,8 мм.

Кривые усталости для этих соединений приводятся на рис. 25. При обкатке резьбы ниппеля предел выносливости соединения увеличился более чем на 50%. Усталостное разрушение происхо­ дило по опасному сечению муфтовой части — последнему полному витку резьбы, находящемуся в сопряжении с резьбой ниппеля. После обкатки резьбы муфты усталостная прочность резьбового соединения повысилась более чем в 2 раза. При этом разрушение соединения происходило1по резьбе ниппеля (первый полный виток на расстоянии 24 мм от упорного уступа) или по резьбе муфты (последний полный виток), в зависимости от качества обкатки.

Исследованиями А. И. Якушева [43] установлено, что устало­ стная прочность болтов с проточкой повышается в некоторых случаях на 36%. В работе Л. Е. Тришмана [45] отмечается, что применение разгружающей зарезьбовой канавки на ниппеле позво­ лило увеличить усталостную прочность резьбового соединения 4i/2,/FH диаметром 146 мм на 90% (рис. 22). Авторами прово­ дились аналогичные исследования 75 и 178-мм соединений.

Размеры зарезьбовых канавок, выполненные у упорного усту­ па ниппеля исследуемых соединений, назначали из следующих соображений. Ширина зарезьбовой канавки, равная 25 мм, обес­ печивает стачивание неполных витков резьбы, не находя­

66