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

с суммарным отклонением конусности 0,15 мм и замыканием у большого диаметра конуса. Рис. 32,6 демонстрирует распределе­ ние напряжений в резьбовом соединении с замыканием у мень­ шего диаметра конуса, суммарным отклонением конусности 0,32 мм и отрицательным натягом 1 мм.

Осевые напряжения в опасном сечении ниппеля в соединении

= 210 тс оставшееся напряжение сжатия на наружной поверхности муфты у упорных торцов значительно выше в соединении на рис. 32, а. Упорные торцы не раскрыты, ‘соединение находится в напряженном состоянии. В этом случае сказывается положитель­ ное влияние замыкания соединения у большого диаметра конуса.

В соединении на рис. 32, б, выполненном с отрицательным на­ тягом, с отклонением конусности 0,32 мм и замыканием по мень­ шему диаметру конуса, осевое напряжение в опасном сечении в 1,7 раза меньше, максимальные изгибающие напряжения нахо­

ные торцы раскрываются, соединения теряют свою монолитность, напряженность. Такое соединение в процессе приложения пере­ менных нагрузок во время бурения обычно разрушается, поэтому расположение поля допуска на отклонение конусности резьбы по среднему диаметру должно быть асимметричным: плюс для нип­ пеля и минус для муфты.

Необходимо изготовлять коническую резьбу с такой точностью (по шагу, половине угла профиля), чтобы избежать появления отрицательных натягов. Кроме того, замыкание резьбового соеди­ нения по меньшему диаметру конуса ведет к увеличению радиаль­ ных давлений на витки резьбы, что вызывает задиры и заедания резьбовых соединений.

вание без упора в торцы, происходит изгиб ниппеля на расстоянии 40— 45 мм от упорного уступа. В процессе приложения растяги­ вающей нагрузки максимальные осевые напряжения увеличи­ ваются в 2,3 раза. Следовательно, изгиб ниппеля на расстоянии 40—45 мм от упорного уступа — следствие наличия конуса резьбы, служащего также упором при свинчивании резьбового соединения.

Исследованиями напряжений в замковом резьбовом соедине­ нии, возникающих от затяжки крутящим моментом свинчивания и приложения растягивающей осевой нагрузки, выявлено наиболее опасное сечение ниппеля, а также сечения, подвергающиеся наи­ большим, изгибающим нагрузкам. Установлено влияние конструк­ тивных и технологических факторов на прочность замкового со­ единения. На повышение прочности резьбового соединения сущест-

81

83

ния, а после приложения осевой нагрузки — к раскрытию торцов. Для устранения этих недостатков резьбового соединения точность изготовления резьбы должна быть повышена в 1,5—2 раза и вве-

Рис. 33. Распределение нормальных осевых 0о и ок­ ружных 01 напряжений на внутренней поверхности нип­ пеля и наружной поверхности муфты по длине свинчи­ вания при закреплении на величину осевого натяга 1,5 мм и приложении растягивающей нагрузки Р=210 т

дено асимметричное расположение полей допусков на конусность: плюс для ниппеля и минус для муфты.

Анализ экспериментальных данных показывает, что для повы­ шения эксплуатационных характеристик замковых соединений механические свойства материалов (особенно предел текучести) должны быть повышены на 20— 25%.

84

КОНСТРУКЦИИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

Бурильные трубы

Увеличение глубин и внедрение прогрессивных форсированных режимов бурения требует от конструкций резьбовых соединений бурильных труб повышенных прочности и герметичности. Основ­ ной задачей при разработке высокопрочных резьбовых соедине­ ний бурильных труб является создание конструкций, исключаю­ щих возможность усталостных поломок труб по последнему витку трубной резьбы, находящемуся в зацеплении. Эта цель дости­ гается применением труб с приваренными соединительными кон­ цами и труб со стабилизирующими поясками (ТБВК, ТБНК).

Трубные резьбовые соединения разрушаются в результате усталости от знакопеременного изгиба. Изгиб колонны бурильных труб может быть вызван кривизной скважины, сжатием труб при передаче нагрузки на долото, эксцентриситетом и вибрациями, воз­ никающими в колонне. В процессе бурения роторным способом замковое соединение бурильных труб действует как концентрация массы, вызывая поперечное колебание. Кроме изгиба труба под­ вергается кручению' и растяжению.

В резьбовом соединении, на которое передается эта комбиниро­ ванная нагрузка, наиболее неблагоприятная зона — последний ви­ ток резьбы трубы, который является надрезом — концентратором напряжений. Надрез значительно уменьшает предел выносливости высаженной части по сравнению с телом трубы. Значения эффек­ тивных коэффициентов концентрации напряжений k„ для случая

140 мм).

Для стали группы прочности К ов = 70 кгс/см2 при отношении r /d = 0,003; (£<х)о=2,2; 5=1,16.

ka = 1 + 1,16(2,2 — 1 ) « 2,40.

85

Коэффициент концентрации ka при знакопеременном изгибе прессовых соединений равен приблизительно 1,7 [23]. Следова­ тельно, использование прессовой посадки в резьбовом соединении повышает усталостную прочность на 41%. Таким образом более высокая прочность (сопротивление знакопеременным изгибающим нагрузкам) бурильных труб со стабилизирующими поясками (ТБВК, ТБНК) достигается за счет отсутствия в опасном сечении надреза (концентратора напряжений), образованного резьбой

(рис. 34).

1^5,08— -|

аж

'Линия,параллель-

S

Рис. 35. Профиль трапецеидально-конической резьбы ТТ замков ЗШК и ЗУК (а), бурильных труб ТБВК и ТБНК (б).

В соединении применена трапецеидальная резьба с шагом 5,08 мм с углом профиля 30°, конусностью 1 :32, рабочая высота резьбы 1,7 мм. Применение трапецеидальной резьбы ТТ (рис. 35) с посадкой по внутреннему диаметру резьбы трубы гарантирует заданный диаметральный натяг (табл. 15). При нарезании внут­ ренней резьбы ТТ достижение точности расточки по внутреннему диаметру с проверкой по гладкому калибру не представляет боль­ шой трудности.

Если применить цилиндрическую или коническую резьбу тре­ угольного профиля, заданный натяг по среднему диаметру может быть достигнут только высокой точностью резьбы. В этом случае трудно исключить влияние диаметральной компенсации, вызванной отклонением шага и половины угла профиля резьбы. Причем в цилиндрической резьбе треугольного профиля на шаг и половину

87

Размеры трапецеидальной резьбы ТТ

угла профиля устанавливают самостоятельные допуски. Допуски на средний диаметр уменьшают на 25% по сравнению с резьбой первого класса по ГОСТ 16093— 70. В процессе горячей сборки бурильных труб по ГОСТ 631—63 с замками по ГОСТ 5286— 58 и с трубной конической резьбой их подбирают по натягу путем пред­ варительного свинчивания вручную. При наличии стабилизирую­ щего пояска это выполнить невозможно ввиду заданного натяга по пояску. Следовательно, обеспечение заданного диаметрального натяга по конической треугольной резьбе невозможно.

Диаметральная компенсация f s в конической резьбе, вызван­ ная погрешностью шага, равна

1.732AS,

где AS — погрешность шага.

В результате сочетания максимальных плюсовых отклонений резьбы трубы и замка диаметральная компенсация f8= 1,732-0,3 = = 0,52 мм, т. е. равна заданному диаметральному натягу. В этом случае при сборке труб с замками диаметральный натяг по резь­ бе отсутствует. Замки на бурильные трубы ТБВК, ТБНК кре­ пятся горячим способом с диаметральным натягом по резьбе и стабилизирующему пояску в среднем 0,4 мм. Замок нагревается до температуры 380—450° С (в зависимости от размера) и навин­ чивается на трубу.

Увеличение внутреннего диаметра замка по стабилизирующему пояску (в зависимости от размера) составляет 0,6— 1 мм. В резь­ бе ТТ с профилем 30° предусматривают зазоры по боковым сто­ ронам профиля, выполняющие роль компенсаторов продольной деформации при горячей сборке резьбового соединения. В процес­ се горячей посадки возникают радиальные а г и окружные напря­ жения О/. Наибольшие напряжения ot будут на внутренней по­ верхности муфтовой части соединения — по резьбе и стабилизи­ рующему пояску, а также на внутренней поверхности трубы. Определить напряжения по внутренней поверхности муфты замка и внутренней поверхности стабилизирующего пояска после горя­ чей посадки трудно.

88

Деформации по наружной поверхности муфты и внутренней поверхности трубы при натягах значительной величины (например 6,4 мм) можно измерить с помощью микрометрического и инди­ каторного инструмента. Для проведения экспериментов по опреде­

табл. 16.

89