Full Text

Введение К машиностроительным предприятиям от нефтегазовых компаний и буровых подрядчиков поступают запросы на выпуск оборудования с повышенными требованиями к надежности, и, в частности, это проявилось в технологии наклонно-направленного и горизонтального бурения нефтяных и газовых скважин в условиях повышенного пластового давления и воздействия высоких температур. Здесь требуется более прочное и надежное, с высокими техническими характеристиками оборудование [1, 2]. Решением конструкторских и технологических задач повышения надежности бурового оборудования в Российской Федерации занимаются ООО «ПКНМ», ООО «ПКНМ-Урал», ОАО «Мотовилихинские заводы», ОАО «ТМК-Премиум Сервис», ООО «ВНИИБТ - Буровой инструмент» и др. Однако проведенные научные исследования, имеющийся производственный опыт машиностроительных предприятий нефтяной и газовой промышленности показали, что метод упрочнения резьб поверхностным пластическим деформированием не в полной мере изучен для обеспечения долговечности труб. Анализ научных работ и опыта исследователей показал, что не полностью изучены и не представлены в комплексе научные и методологические основы технологического процесса упрочнения резьбовых соединений, направленные на повышение надежности бурильных труб и других деталей. Выполненные исследования показали, что наиболее эффективным решением этой проблемы является упрочнение поверхности дна впадины резьбы для повышения долговечности соединения. Среди различных рассмотренных методов упрочнения поверхностей наиболее перспективными являются метод поверхностной пластической деформации на основе обкатывания резьбы специальным профильным роликом и электромеханическая обработка1 [3-35]. Ниппельная часть бурильной трубы показана на рис. 1. Проведенные исследования показали, что при обкатывании резьбы роликом повышаются долговечность и надежность резьбовых соединений путем формирования рациональных сжимающих остаточных напряжений, увеличивается микротвердость и снижается шероховатость впадины резьбы [36-43]. В продолжение данных исследований необходимо определить влияние режимов резьботочения на качество поверхности резьбы и ее физико-механические свойства. Важным считается выполнение сборки деталей с оптимальным моментом свинчивания. Рис. 1. Бурильные трубы Необходимо отметить то, что ресурсные показатели наземного и подземного оборудования нефтегазовой отрасли в основном определяются качеством поверхностного слоя деталей, формируемого в течение всего технологического процесса изготовления детали. Задачей современного машиностроения является повышение долговечности изделий. Так, электромеханическая обработка (ЭМО) может обеспечить повышение износостойкости изделий и как следствие - надежности оборудования. ЭМО - это технология поверхностного упрочнения с применением концентрированных потоков энергии. В ее основе лежит комплексное термодеформационное воздействие на обрабатываемую деталь при прохождении через зону контакта детали электрического тока большой плотности и низкого напряжения. В итоге формируется эффективный упрочненный поверхностный слой на глубину 0,2-0,3 мм с повышенной микротвердостью и одновременным поверхностным наклепом, значительно повышающим износостойкость и сопротивление усталости детали, действие ЭМО распространяется на 2-3 мм в глубину обрабатываемого материала. Для комплексного изучения надежности резьбовых соединений требуется проведение анализа технологической наследственности поверхностного слоя резьбы, формируемого в результате лезвийной обработки [4, 44-49]. Известны методы лазерного упрочнения поверхности, однако применительно к резьбе недостаточно проведенных исследований с целью разработки практических рекомендаций для предприятий машиностроительного комплекса [50]. Таким образом, разработка теоретических основ конструкторско-технологического обеспечения надежности деталей нефтепромыслового и бурового оборудования является актуальной научной задачей. Внедрение методик и практических рекомендаций при изготовлении и сборке резьбовых соединений важно для предприятий нефтяного машиностроения в Российской Федерации. Постановка задачи Разработать методологию, реализующую системный подход к обеспечению надежности нефтепромыслового и бурового оборудования за счет комплексной технологической и конструкторской проработки эксплуатационных факторов, режимов резания при резьботочении высоконагруженных резьб с обеспечением требуемой шероховатости и физико-механических свойств поверхностного слоя, упрочняющей обработки с формированием технологических остаточных напряжений, рационального значения момента свинчивания резьб бурильных труб, Выполнение этой задачи возможно при проведении теоретических численных исследований, которые состоят в разработке физических и математических моделей, учитывающих эти факторы. В дальнейшем разработанные практические рекомендации послужат основой для осуществления технологических процессов обработки изделий с прогнозируемыми параметрами. Наиболее значимы эти разработки для компаний нефтяного, газового и горного машиностроения. Результаты исследований Производство изделий с высоконагруженной резьбой в Российской Федерации неуклонно увеличивается, наблюдается постоянный рост требований заказчиков к прочностным характеристикам изделий [51]. В процессе эксплуатации оборудования резьбовые соединения испытывают значительные знакопеременные нагрузки от действия растягивающих сил, изгибающих моментов, химического и абразивного воздействий, что нередко приводит к разрушению резьбовых соединений. В результате проведенных исследований установлено, что это носит преимущественно усталостный характер, в основном в зоне впадины резьбы, где зарождаются трещины. Одними из таких конструкторско-технологических требований, предъявляемых к резьбовым поверхностям бурильных труб согласно ГОСТ Р.50864-96, являются шероховатость резьбы не более Ra 3,2 мкм и точность шага резьбы ±0,04 мм. Анализ их исследований показал, что поверхностное пластическое деформирование приводит к образованию в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений, упрочнению поверхности, что способствует повышению сопротивления усталости и надежности деталей машин2 [5-33, 51-53]. Для решения задач обеспечения качества замковых соединений бурильных труб разработана комплексная математическая модель замкового резьбового соединения бурильных труб (рис. 2), позволяющая оценивать влияние технологических параметров изготовления резьбы и условий эксплуатации на циклическую прочность резьбовых соединений. После свинчивания резьбового соединения с некоторым моментом к соединению прикладывается вес колонны, который затем разгружается, формируя цикл. Получение напряжений в осевом сечении соединения для различных шагов нагружения дает возможность оценить изменения циклической прочности при варьировании различных исходных данных путем расчета амплитуд и средних напряжений цикла в каждом узле модели и их приведения по зависимости Гудмана к амплитудам эквивалентных напряжений симметричного цикла нагружения. Проведенные исследования позволили определить зависимость максимальных эквивалентных амплитуд напряжений в узлах модели от момента затяжки резьбового соединения после циклического нагружения для деталей, изготовленных посередине поля допуска по стандарту, а также с различными отклонениями (рис. 3). Анализ зависимости эквивалентных амплитуд напряжений от момента затяжки при отклонениях конусности показал преимущество полей допусков на конусность по API spec 7 и ГОСТ 28487-2018 перед установленными в ГОСТ Р 50864-96. Выполнение изделий посередине поля допуска в соответствии с API позволяет повысить крутящий момент. С использованием основных программных комплексов ANSYS и ABAQUS, предназначенных для проведения многоцелевых инженерных междисциплинарных численных расчетов, получены зависимости, характер распределения остаточных напряжений и их визуализация. Известны исследования, проведенные в области моделирования ППД деталей, в следующих странах: · США: Каллен Морисон, Emuge, Хетч; M.D. Richards, M.E. Burnett, J.G. Speer и D.K. Matlock; · Китай: You-Li Zhu, Kan Wang, Li Li и Yuan-Lin Huang; · Великобритания: A.M. Abra˜o, B. Denkena, B. Breidenstein, T. Mo¨; G.H. Majzoobi, F. Zare Jouneghani, E. Khademi; · Франция: Jasenko Perenda, Jovan Trajkovski, Andrej Žerovnik и Ivan Prebil; · Норвегия: A.P. Voskamp, E.J. Mittemeijer; · Италия: Angelo Terranova и Laura Vergani. Разработка методов математического моделирования упрочнения поверхностного слоя резьбовых соединений является одной из актуальных проблем для предприятий машиностроительной отрасли, с целью определения величины и характера распределения остаточных напряжений. Визуализация интенсивности остаточных напряжений при динамической постановке задачи с перемещением профильного деформирующего ролика вдоль резьбовой поверхности представлена на рис. 4. В продолжение исследований следует отметить, что одним из направлений практического применения метода ППД является электромеханическая обработка (ЭМО). Она широко используется для повышения износостойкости плунжеров насосов высокого давления и НКТ, используемых при проведении гидроразрыва пласта (ГРП). Проведены исследования по использованию электромеханической обработки (ЭМО) на образцах насосно-комперессорных труб (НКТ) и цилиндрах малого диаметра. Полученные результаты показали значительное повышение твердости поверхностного слоя обработанной поверхности. Так, твердость от 18-22 HRC возросла до 48-52 HRC, а на сталях с более высоким содержанием углерода и легирующих элементов от 36-37 HRC увеличилась до 48-49 HRC. При этом наблюдается плавное снижение твердости на глубину 0,5-0,6 мм, а эффект наблюдается до 1-2 мм; в зависимости от материала детали и режимов обработки ЭМО полученные значения могут изменяться, и для каждого материала и формы обрабатываемой поверхности требуется проведение исследования. К преимуществам ЭМО перед другими способами относят: Эксплуатация Производство Параметры наладки Модель ф/о Геометрия деталей Модель свинчивания НДС в собранном соединении Модель циклического нагружения Сопротив-ление усталости Момент свинчивания Условия эксплуатации Рис. 2. Этапы математического моделирования технологического обеспечения сопротивления усталости замковых резьбовых соединений σаэкв, МПа МЗ, кНм 1 2 3 4 5 Рис. 3. Зависимость эквивалентных амплитуд напряжений от момента затяжки при отклонениях конусности (вертикальная линия - рекомендуемый производителем момент затяжки): 1 - конусность ниппеля минимальна, а муфты максимальна; 2 - середина поля допуска по конусности по ГОСТ Р 50864-96; 3 - конусность ниппеля максимальна, а муфты минимальна; 4 - середина поля допуска по конусности по ГОСТ 28487 и API 7; 5 - предел выносливости материала σ-1 Рис. 4. Типовая картина распределения интенсивности остаточных напряжений в динамической постановке • отсутствие обезуглероживания поверхностного слоя; • отсутствие окисления поверхностного слоя; • технологическая простота; • повышение износостойкости до 12 раз; • повышение предела выносливости на 30-200 %; • закалка длинномерных и маложестких деталей. Таким образом, проведенный анализ научно-технической литературы и опыта предприятий показал, что разработка методологических основ и практических рекомендаций для технологического процесса лезвийной обработки и последующего упрочнения впадин резьбовых соединений является актуальной научной и производственной задачей. С целью повышения надежности нефтепромыслового и бурового оборудования следует рассмотреть повышение надежности изделий путем моделирования процесса упрочнения и эффективного использования электромеханической обработки для улучшения качества поверхности и повышения ее износостойкости. Предложенное сквозное моделирование позволяет наиболее оптимально подобрать параметры резьбы и технологической наладки оборудования для вновь вводимых типоразмеров, а также дать рекомендации по сборке бурильных колонн, включающие контроль момента затяжки при использовании ключей с автоматизированным считыванием текущих значений угла и момента свинчивания. Выводы Разработка методологических основ и практических рекомендаций для технологического процесса лезвийной обработки и последующего упрочнения впадин резьбовых соединений является актуальной научной и производственной задачей. Наряду с этим для комплексной оценки надежности следует учесть эффективность процесса сборки резьбовых соединений с оптимальным моментом. Для обеспечения надежности предложен комплексный подход к повышению надежности нефтепромыслового и бурового оборудования путем применения технологических и конструктивных решений при механической обработке резьбы и последующей управляемой сборке соединений. Разработаны практические рекомендации для лезвийной обработки резьбы в пределах допусков на размер шага. Определены режимы обработки для упрочения поверхности резьбы методом обкатывания роликом, включающие силу прижима ролика, профильный угол, материал ролика, скорость вращения обрабатываемой заготовки. Разработана промышленная установка для серийного производства упрочненных бурильных труб и переводников. Проведены стендовые испытания, показывающие превышение упрочненной резьбы над неупрочненной в 3-4 раза.

About the authors

M. V Pesin

Perm National Research Polytechnic University

V. F Makarov

Perm National Research Polytechnic University

O. A Khalturin

Perm National Research Polytechnic University

A. A Pavlovich

CJSC “SKB”

A. S Melnikov

Perm National Research Polytechnic University

E. S Makarenkov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 34

PDF (Russian) - 16

Refbacks

• There are currently no refbacks.