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

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 16.10.2024

Просмотров: 88

Скачиваний: 6

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Ф132 Ф178•

ТК М*6,35*Р6

СК90/т*7*Р6

Рис. 28. Образцы резьбовых соединений замка ЗШ-178 для исследований нор­ мальных осевых и окружных напряжений.

 

J — проволочные тензодатчики.

 

Обозначение резьбы

d

dt

l

3-147

147,949

126,783

127

ТК -148

148

128

120

СК90/148

148

128

120

73

Стендовая установка оснащена специальной электронной ап­ паратурой, позволяющей регистрировать окружные и осевые на­ пряжения и крутящие моменты непосредственно в процессе свин­ чивания и развинчивания резьбового соединения. Образцы резьбо­ вых соединений свинчивали до упора в торцы с крутящим момен­ том Л4кр = 3000 кгс-м с применением смазок: с металлическими наполнителями типа Р-416 (цинк, свинец до 60% ) и графитовой

Рис. 29. Стенд для исследования замковых резьбовых соеди­ нений.

I — образец; 2 — вал; 3 — коромысло.

УСсА по ГОСТ 3333— 55. Напряжение затяжки после свинчива­ ния 0зат = О,35ч-О,4ат.

После свинчивания и регистрации осевых а0 и окружных сц на­ пряжений образец резьбового соединения подвергли растяжению на стенде нагрузкой Р = 210 тс. В процессе приложения растяги­ вающей нагрузки определяли напряжения ст0 и a t■ Таким образом, зная нормальные осевые напряжения в ниппеле и муфте, можно

экспериментально определить коэффициенты

внешней

нагрузки

k H и &м*

нормальных

осевых

На рис. 30 представлено распределение

напряжений в ниппеле и муфте по длине свинчивания соединения с резьбой 3-147. Поскольку резьба ниппеля выполнена с зарезьбовой канавкой, то опасное сечение ниппеля (первый полный ви­ ток резьбы) находится на расстоянии 32 мм. В результате упора по торцам и первому полному витку резьбы в опасном сечении ниппеля (на расстоянии 32 мм от упора уступа) возникают на­ пряжения растяжения, а в муфте — напряжения сжатия.

74

Рис. 30. Распределение нормальных осевых напряжений ас по длине свинчивания в ниппеле и муфте замкового соединения ЗШ-178 с резьбой 3-147X6,35X1 : 6 после приложения М„р. ов=3000 кгс-м и растягиваю­ щей нагрузки Р = 2 1 0 тс.

1 — в канавке вдоль

образующей

резьбы

ниппеля от Р; 2 — в

канавке

вдоль-

образующей резьбы

муфты от

Р\

.3 — на

наружной

поверхности

муфты

от Р'

4 — из

внутренней

поверхности

ниппеля от

Р;

5 — в

канавке вдоль

образующей-

резьбы

ниппеля от

AfKp ; 6 — на

внутренней

поверхности ниппеля

от

М к„ ;

7 —•в

канавке

вдоль образующей резьбы

муфты от Л1

; 8 — на наружной поверхности

 

 

 

 

муфты ОТ Л1Кр.

 

 

 

 

75

Из кривых, представленных на рис. 30, видно, что максимальные напряжения в ниппеле возникают в плоскости третьего полного витка резьбы, т. е. на расстоянии приблизитель­ но 45 мм от упорного уступа ниппеля. Однако происходит изгиб ниппеля, который искажает действительные напряжения растя­ жения, которые суммируются с изгибающими напряжениями. Из­ гиб ниппеля и муфты происходит также в плоскости шейки (зарезьбовой канавки). Например, на наружной поверхности зарезьбовой канавки напряжение растяжения 4500-4-5000 кгс/см2, а на внутренней поверхности в том же сечении напряжение сжатия равно 1000-4-1100 кгс/см2 (табл. 13). В этом сечении действует избающий момент Мизг« 7250-4-8700 кгс-м. Если в опасном сече­

нии ниппеля

напряжения растяжения составляют 2700,

2600 и

2100 кгс/см2,

то на наружной поверхности зарезьбовой

канавки

они равны 4500-4-5000 кгс/см2, т. е. в среднем в два раза больше. Из кривых напряжений, представленных на рис. 30, видно, что только в одном, опасном сечении ниппеля напряжения по сече­

нию распределяются равномерно

в

канавке

и

на

внутренней

поверхности

и

равны

соответственно

2700

кгс/см2 (3-147),

2600 кгс/см2

(ТК-148) и 2100 кгс/см2 (СК90/148)

 

(см. табл. 13).

Осевые напряжения вдоль образующей резьбы

(по ;длине

ка­

навки) на

2/3

длины резьбы как в ниппеле, так

и в муфте рас­

пределяются

по закону

параболы

у2 = 2Рх

с

директрисой

\р=

= 50 мм),

проходящей

по плоскости

упорного

уступа

ниппеля и

упорного торца муфты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значения осевых напряжений

я

 

 

 

 

 

3 = 147X 6,35X 1 :6

 

 

 

 

ТК 1 4 8 X 6 ,35Х

ЕС

 

 

 

 

 

1

 

МесторасположенИ) чиков

 

Расстояниеот уступаупорного мм,ниппеля|

 

 

 

Расстояниеот торцаупорного

мм,муфты

 

 

уступаупорного мм,ниппеля

 

 

я

X

 

 

X

 

 

Расстояниеот

*~о.

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

С

 

 

X

 

<

 

С

 

 

£

£

 

 

 

 

 

 

э*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

я

 

то

 

 

 

 

 

и

 

 

т

 

 

 

et

 

 

II

 

 

Но

 

 

!1

 

 

£

 

 

 

 

е

 

 

о

 

 

 

to

 

(Э

 

 

to°

to

 

 

to

to

Канавка вдольобра­ зующей резьбы

1

100

950

 

2100

101

— 100

1600

105

800

1800

2

81

1300

 

2600

72

—800

 

700

 

72

1050

2100

3

40

2100

 

3450

38

—2500

—850

 

40

2000

3400

 

 

4

12

5000

 

6500

12

—5200

—3700

 

12

5000

6500

g- к

*

5

117

600

1000

115

—500

1300

110

500

1300

§ “ f

6

91

1100

1800

89

— 1000

500

 

86

1000

2100

S С g 2

7

65

3400

4700

63

—2000

—400

 

61

3000

4100

к В

к -5-

8

46

4200

5000

46

—2000

—500

 

47

3300

4500

Р 2 g

9

39

3900

4700

36

—1600

—100

 

35

2800

4000

£■£ * JJ

10

28

1800

2800

25

—1050

200

 

29

2200

3400

Ер о

а. и

И

10

— 1100

—400

11

—1300

—100

 

12

—100

900

* х

со о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ш X Е I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

76

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вследствие изгиба ниппеля и муфты напряжения в канавке резьбы ниппеля и на внутренней поверхности его, а также в ка­ навке резьбы муфты и на наружной ее поверхности отличаются на 2/з длины и лишь в конце резьбы это отличие незначительно.

Врезультате упора в зоне торца муфта изгибается, причем на­ пряжения сжатия на внутренней поверхности (расточке) значи­ тельно превышают напряжения на наружной поверхности муфты.

Взависимости от профиля резьбы напряжения на внутренней по­ верхности муфты соответственно в 4; 2,9 и 3,4 раза выше напря­ жений на наружной поверхности в том же сечении (см. табл. 13).

При бурении глубоких скважин (5000-4-5500 м) вес колонны бурильных труб может превышать 200 тс, поэтому резьбовые со­ единения после свинчивания с крутящим моментом 3000 кгс-м подвергаются растяжению силой 210 тс. В результате прило­ жения внешней нагрузки напряжения растяжения в канавке и на внутренней поверхности ниппеля повышаются, а напряжения сжа­ тия в канавке и на наружной поверхности муфты уменьшаются. Причем примерно с половины длины резьбы (от упорного торца) напряжения сжатия переходят в напряжения растяжения.

Из рис. 30 и табл. 13 видно, что напряжения на наружной

поверхности шейки ниппеля повышаются до 6000-4-6500 кгс/см2, в то время как напряжения сжатия муфты в этом сечении падают почти до нуля. Уменьшение напряжений сжатия в муфте в про­

цессе

бурения

может

привести к нарушению монолитности резьбо­

вого

соединения, раскрытию

упорных торцов, поэтому

крутящий

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 13

в кгс/см* для резьб

 

 

 

 

 

 

 

1 :6

 

 

|

 

СК90/1 4 8 x 7 x 1 :6

 

 

Расстояниеот упорноготорца муфты, мм

 

 

Расстояниеот упорногониппеля, мм

to

to

Расстояниеот упорноготорца муфты, мм

to

to

 

 

 

 

 

 

 

'~а.

 

 

X

С

 

sf

С

 

35X

С

 

т

Т

 

но

II

 

II

в

 

 

 

 

 

о

 

о

9

по

300

2100

105

500

1500

105

200

2150

78

—300

1000

75

850

1900

75

—700

1000

46

—1400

—50

45

1300

2700

45

—1600

—50

12

—5000

—3400

12

4500

6000

12

—4500

—3000

ПО

—400

1100

108

450

900

116

—400

1200

96

—700

700

104

500

1000

98

—650

850

61

—1600

—500

75

1800

2800

78

— 1000

500

47

— 2000

—700

45

3000

4200

45

—1400

50

36

— 1800

—300

28

1550

2900

26

—1000

200

29

— 1300

250

10

—700

30

10

— 1300

30

12

—1800

— 200

•—

—

—

—

—

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

77

момент свинчивания (3000 кгс-м) для данных соединений яв­ ляется недостаточным. Повышение крутящего момента, например на 20%, потребует увеличения предела текучести материала зам­ ка до 704-75 кгс/мм2. В связи с этим необходимо особо обратить внимание на повышение механических свойств утяжеленных бу­ рильных труб.

Для предотвращения усталостных разрушений резьбовых сое­

динений УБТ, изготовленных из обычных углеродистых

сталей,

напряжение затяжки должно быть не

ниже

0,6ат.

Например,

если изготовить

УБТ-178

из стали

с пределом

текучести

40 кгс/мм2, то

напряжение

затяжки

должно

быть

не

менее

24 кгс/мм2. При этом напряжения сжатия на внутренней поверх­

ности расточки

муфты с

резьбой

3-147

составляют

уже

48 кгс/мм2, т. е.

превышают

предел

текучести

материала.

До­

полнительное действие динамических нагрузок в процессе бурения с использованием УБТ-178 может вызвать развинчивание муфты

резьбового соединения, что часто случается с УБТ,

изготовлен­

ными из

стали с

ат= 404-50 к г с /м м 2.

Д л я

надежной

работы ко­

лонны утяжеленных бурильных труб,

они

должны изготовляться

с пределом текучести не ниже 654-70 кгс/мм2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а

14

Тип резьбы

F „ ,

рн,

Q ,

Д '

° о

 

 

Т

°см

 

к Ф

см2

СМ 2

тс

 

 

 

* Н

я н

 

 

 

 

 

 

 

 

3-147

60

86

162

0,12

2700

411

200

543

2270

0,41

0,39

ТК-148

64

86

172

0,11

2600

158

80

432

2970

0,43

0,40

СК90/148

66

82

140

0,16

2100

585

300

465

1960

0,45

0,44

В табл. 14 приведены теоретические k J и фактические й* коэф­ фициенты внешней нагрузки ниппеля, осевые усилия и коэффи­ циенты трения в резьбе (при графитовой смазке), вычисленные с учетом действия осевой нагрузки в опасном сечении ниппеля, а

также напряжения по торцам а0,

a t, oz, т,

асм-

 

 

 

В табл. 13

приведены осевые

напряжения

от затяжки с Л4кр =

= 3000

кгс-м

и

растягивающей

нагрузки

Р = 210 тс

соединений

замка

ЗШ-178

 

с

резьбой 3 - 1 4 7 X 6 ,3 5 x 1 :6 ; ТК -148Х6.35Х 1 :6

и

СК90/148Х7Х1

:6

по длине резьбы. Из

этих

таблиц

и рис.

30

видно, что при одинаковом крутящем моменте свинчивания осе­

вые напряжения в резьбовом соединении

с профилем резьбы

СК90/148Х7Х 1 : 6 меньше напряжений

в

резьбовых соединениях

3 -147X 6,35x1 :6 и ТК -148Х 6,35Х 1 : 6.

Максимальная осевая на­

грузка от затяжки возникает в резьбовом соединении ТК148, хотя в результате угла профиля 30° поперечные усилия в этом соеди­

нении очень малы. Окружные

напряжения

a t

составляют

158

кгс/см2, а радиальные ог только

80 кгс/см2, но они

в

2,5— 3 ра­

за

больше, чем в соединениях с углом профиля

резьбы

60 и 90°.

78

Так как при приложении внешней осевой нагрузки напряже­ ния сжатия упорных торцев муфты падают до нуля и упорные торцы раскрываются, соединения СК90/148Х7Х1 :6 применять в замковом соединении бурильных труб не рекомендуется (особен­ но в верхней части колонны). Их применение возможно только при значительном увеличении крутящего момента свинчивания, хотя это может привести к задирам и заеданиям резьбового со­ единения при развинчивании, так как коэффициент трения в слу­

чае применения графитовой смазки

р/ = 0,16.

Резьбовые

соединения с углом

профиля 90° рекомендуется

применять в

колонне утяжеленных

бурильных труб, где осевые

нагрузки не превышают 30-=-40 тс, а соединения испытывают зна­ копеременный изгиб. Применение конического резьбового соеди­ нения с углом профиля 90° повышает предел выносливости на

31— 60%.

Резьбовые соединения с углом профиля 30° следует приме­ нять в деталях с тонкими стенками (в них почти полностью от­ сутствуют окружные и радиальные напряжения) и для повыше­ ния герметичности, так как, несмотря на значительные внешние осевые нагрузки (до 210 тс), раскрытия упорных торцев не про­ исходит. Сохраняются наибольшие средние удельные давления по торцам муфты до 650 кгс/см2 против 500 кгс/см2 в резьбовом со­ единении 3-147 и 310 кгс/см2 — в СК90/148.

На рис. 31 схематично

представлен

характер

рспределения

осевых напряжений

по длине

свинчивания

в канавке

резьбы

3-147 ниппеля замка ЗШ-178

и на его

внутренней

поверхности.

В процессе эксплуатации

замкового

резьбового

соединения в

опасном сечении резьбы ниппеля (плоскость

F —F )

действуют

напряжения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о0 = kHP/FH,

 

 

 

 

 

 

где о о — напряжение растяжения от действия Р\

 

 

 

где от — среднее напряжение

растяжения

в

поперечном

сечении

F u плоскости F — F-,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а п, =

(MKVlndlpa) tg (а/2 — <р),

 

 

 

где ог11 — радиальное напряжение сжатия

в основании

(впадине)

резьбы в плоскости F — F\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ot = Мкр tg (а/2 — ф)/2лЫра,

 

 

 

где at — окружное

напряжение сжатия

в

основании

(впадине)

резьбы в плоскости F— F\

 

 

 

 

 

 

 

 

аиз = E d jfJj2 0 0 0 L 2J o,

где аиз — напряжение изгиба (растяжения в основании — впадине) резьбы в плоскости F— F;

79

т = {M JW KV) k„

где т — касательное напряжение от кручения в основании (впади­ не) резьбы в плоскости F — F.

В результате упора и внецентренного приложения нагрузки ниппель деформируется, изгибаясь в шейке и в плоскости на рас­ стоянии 45— 50 мм от упорного уступа. Если значения осевых на-

Рис. 31. Схема распределения нормальных осевых напряжений Сто по длине свинчивания в канавке резьбы и на внутренней поверхности ниппеля.

пряжений, возникающих в продольной канавке резьбы и на внут­ ренней поверхности ниппеля, отложить от соответствующих по­ верхностей, то напряжения в канавке представляют собой парабо­ лу (на 2/з длины резьбы) у2—2рх, а напряжения на внутренней поверхности — кривую линию.

Используя данные о напряжениях сжатия, возникающих у тор­ ца муфты, и фактическое усилие затяжки, можно определить рас­ пределение напряжений аом по ширине упорных торцов. Построе­ ние графиков показывает, что напряжения сгсм по ширине торцов распределяются по закону параболы. На характер распределения напряжений по длине свинчивания соединения влияет точность изготовления резьбы.

Рис. 32, а иллюстрирует распределение осевых и окружных на­ пряжений в резьбовом соединении замка ЗШ-178 с резьбой 3-147

80

Смотрите также файлы