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

Выбор оптимального крутящего момента свинчивания сущест­ венно влияет на усталостную прочность резьбового соединения.

Ряд исследователей рекомендует напряжения затяжки равны­ ми о3ат= (0,4-f-0,6)aT. Однако эти рекомендации относятся к бол­ товым соединениям небольшого диаметра (до 30 мм). Поэтому

М^1,кгс-м

Рис. 26. Зависимость предела выносливости от кру­ тящего момента свинчивания резьбового соединения 3-62 диаметром 75 мм.

/ — сталь марки 45; 2 — сталь марки 40ХНМА.

натурные усталостные испытания 75-мм соединений из сталей ма­ рок 45 и 40ХНМА с целью определения оптимального Л4кр свин­ чивания представляют большой интерес. На усталость испыты­ вали четыре серии образцов из стали марки 45, каждая с крутя­ щими моментами свинчивания 75, 150, 225 и 300 кгс-м и четыре серии образцов из стали марки 40ХНМА, с крутящими момента­ ми свинчивания 150, 225, 300 и 375 кгс-м.

На рис. 26 представлены результаты усталостных испытаний. Рассматривая кривые 1 и 2, необходимо отметить, что величина крутящего момента свинчивания влияет на усталостную проч­ ность соединения. Так, предельная амплитуда изгибающих мо­ ментов образцов, изготовленных из стали марки 45, при увеличе­ нии момента затяжки с 75 до 225 кгс-м увеличилась с 184 да 307 кгс-м, т. е. на 87%- Дальнейшее увеличение момента затяж­ ки для образцов из стали марки 45 приводит к некоторому умень­ шению предельной амплитуды изгибающих моментов по сравне­ нию с ее максимальным значением. Несколько иной вид имеет кривая зависимости предельной амплитуды моментов от момента свинчивания образцов из стали марки 40ХНМА.

Сравнение кривых 1 и 2 показывает, что максимальные предельные амплитуды образцов из сталей марок 45 и 40ХНМА,.

68

сравнительной оценки материала соединения нельзя проводить усталостные испытания при одном и том же моменте свинчива­ ния. Так, при крутящих моментах 150 и 225 кгс-м образцы из стали марки 45 превосходят по предельной амплитуде изгибаю­

роны, на торцах стыка ниппеля и муфты создаются сжимающие напряжения, препятствующие его раскрытию в процессе действия на соединение внешней изгибающей или растягивающей нагрузки. Происходит благоприятное перераспределение напряжений между деталями соединений. Все это положительно влияет на предель­ ную амплитуду (рис. 26, 27).

В некоторых случаях материалы для резьбового соединения сравнивают по результатам усталостных испытаний валов, выпол­ ненных с надрезом. Эти испытания ведут при симметричном цикле нагружения, что является несовершенным, так как не отражает тех сложных процессов, которые наблюдают при испытании затяну­

69

Усталостные испытания дали следующие результаты: предел вы­ носливости валов из стали марки 40ХНМА равен 12,5 кгс/мм2, а из стали марки 45—-9,5 кгс/мм2. Таким образом, если при уста­ лостных испытаниях соединений из этих марок сталей предель­ ная амплитуда отличается незначительно (см. рис. 26), то при испытании валов с концентратором предел выносливости образцов из стали марки 40ХНМА оказался выше, чем у образцов из ста­ ли марки 45, примерно на 30%. Это обстоятельство доказывает, что легированная сталь марки 40ХНМА более чувствительна к средним растягивающим напряжениям, чем сталь марки 45.

Для объяснения характера кривых зависимости предела вы­ носливости от крутящего момента свинчивания (рис. 26) заме­ ряли напряжения в ниппеле и муфте, свинченных с различными крутящими моментами, при действии на них изгибающего момен­ та. Напряжения замеряли в соединении, изготовленном из стали марки 45 с диаметром 75 мм. Тензодатчики, с базой 5 мм, разме­ щались в канавке равномерно по длине, прорезанной по образую­ щей резьбы шириной 10— 12 мм и глубиной на 1 мм ниже впади­ ны резьбы. Первый датчик в канавке ниппеля располагался меж­

ветственно располагались датчики в канавке муфты.

Измерение производили при помощи электронного измерителя деформаций с автоматической балансировкой АИД-1М. Соеди­ нение последовательно закрепляли следующими крутящими мо­ ментами: 75, 150, 225 и 300 кгс-м. Все соединения испытывали

225 кгс-м уменьшаются. С увеличением Мкр до 300 кгс-м напря­ жения, возникающие в ниппеле при действии на соединение изги­ бающего момента 150 кгс-м, начинают расти. Аналогичная кар­

70

длины резьбы ниппеля и муфты с ростом момента затяжки при действии на соединение изгибающего момента 150 кгс-м. На рис. 27 эти зависимости даны в сопоставлении с кривой, устанав­ ливающей связь между предельной амплитудой и крутящим мо­ ментом свинчивания для соединений из стали марки 45. Для сое­ динений, свинченных с Мкр = 75 кгс-м, предельная амплитуда из­ гибающих моментов — наименьшая. При этом напряжения в нип­ пеле максимальные, а в муфте — минимальные, т. е. при недоста­ точном Мкр внешнюю нагрузку воспринимает в основном ниппель.

показали, что в ниппеле эти напряжения резко падают, а в муфте возрастают. Таким образом, увеличение Л1кр привело к благо­ приятному перераспределению напряжений в деталях соединений. Хотя напряжения в муфте стали больше напряжений в ниппеле» усталостные разрушения по-прежнему происходили по ниппелю»

300 кгс-м приводит к ее уменьшению по сравнению с максималь­ ным значением. Напряжения в ниппеле начинают расти, а в муф­ т е — падать. Таким образом выявляется связь между предельной амплитудой соединений, свинченных различными крутящими мо­ ментами, и напряжениями, возникающими в деталях соединения при действии на них изгибающего момента. Проведенные иссле­ дования позволяют прогнозировать оптимальный крутящий мо­ мент, т. е. момент, при котором предельная амплитуда соединения наивысшая. Для построения зависимости (см. рис. 27) потребо­ валось проведение усталостных испытаний четырех серий образ­ цов, после чего определили предельную амплитуду изгибающих моментов соединения при оптимальном крутящем моменте свин­ чивания. В то же время оптимальный Л4кр можно приблизительно определить по результатам замера напряжений в деталях соеди­ нения.

Таким образом, вместо проведения усталостных испытаний четырех серий образцов для определения наивысшей предельной амплитуды, зная результаты замера напряжений, достаточно испытать лишь одну серию.

Значительный интерес представляет изучение влияния средних растягивающих напряжений на усталостную прочность замкового соединения. Средние растягивающие напряжения в ниппеле опре­ деляются крутящими моментами свинчивания.

71

Известно, что

равно 6,85 кгс/мм2. Для соединений, свинченных с Мкр=150; 225; 376 кгс-м, напряжения составили соответственно 13,7; 20,6; 27,4

и 34,4 кгс/мм2.

Средние напряжения, при которых предельная амплитуда наи­ большая, будут оптимальными. Тогда для стали марки 45 они

замковое соединение помимо силы затяжки действует внешняя осевая нагрузка Р (вес колонны бурильных труб), которая уве-- личивает напряжение растяжения в ниппеле и уменьшает напря­ жение сжатия в муфте.

Для исследования осевых и окружных напряжений использо­ вали натурные образцы резьбовых соединений замка ЗШ-178, из­ готовленные из стали марки 40ХНМА, со следующими механиче­

НВ 285— 321; резьба фосфатированная (рис. 28). На образцах резьбовых соединений нарезали стандартную резьбу 3 -1 4 7 x 6 ,3 5 х X 1 : 6 по ГОСТ 5286— 58, а также специальную с трапецеидаль­ ным профилем 30° — ТК 148Х 6,35Х 1 : 6 и СК -90/148Х 7Х 1 : 6 с

углом профиля 90°. Точность нарезаемой резьбы: отклонение ша­

0ч— 0,06 мм. Осевой натяг при свинчивании резьбовых соедине­ ний вручную 0,3±0,4 мм.

Проволочные тензодатчики с базой 10 и 20 мм наклеивали на

шириной 12 мм в осевом и перпендикулярном к оси направле­ ниях. Глубина канавки больше высоты профиля резьбы на 1 мм.

Свинчивание образцов резьбовых соединений производили на стенде, обеспечивающем максимальный крутящий момент

4000 кгс-м (рис. 29).

72