Full Text

Введение В практике эксплуатации замковых соединений бурильных труб известно явление оптимального момента затяжки (рис. 1). Это явление заключается в снижении сопротивления соединения переменным изгибающим нагрузкам при превышении моментом затяжки некоторого значения [1]. Рис. 1. Зависимость предельного изгибающего момента от момента затяжки резьбового соединения З-62 диаметром 75 мм для сталей марки 45 (1) и марки 40ХНМА (2) [1] В рекомендациях по расчету резьбовых соединений бурильных колонн отсутствуют методики определения оптимального момента затяжки. Рекомендуемый момент затяжки рассчитывается по предельно допустимым напряжениям в опасных сечениях деталей [2-4]. Оптимальный момент затяжки определяется в достаточно широких пределах, а более точное его значение рекомендуется устанавливать экспериментально. В советские годы был накоплен большой экспериментальный материал, позволяющий рекомендовать примерное значение момента исходя из соотношения напряжений. Однако сложность определения фактических внутренних напряжений в свинченном соединении не позволила раскрыть механизм явления оптимального момента затяжки. С появлением средств компьютерного моделирования стали применятся методики конечно-элементного моделирования напряженно-деформированного состояния в резьбовых соединениях [5]. Из-за сложности геометрии резьбового соединения и ограниченности вычислительных ресурсов ранее исследователи прибегали к использованию плоских осесимметричных моделей. К таким моделям нельзя прикладывать изгибные нагрузки - только нагрузки растяжения-сжатия. Обратный переход к результатам, возникающим при приложении изгибных нагрузок, осуществлялся на основе общих предположений теории сопротивления материалов с помощью уточняющих коэффициентов [6, 7]. Рост сопротивления усталости при увеличении момента затяжки объяснялся исследователями повышением монолитности соединения и, как следствие, уменьшением амплитуды нагрузок в опасном сечении. Последующее снижение сопротивления усталости при дальнейшем увеличении момента затяжки - ростом среднего значения растягивающих напряжений. Проведенные нами исследования показали неполноту данного взгляда на причины эффекта оптимального момента затяжки. Постановка задачи На рис. 2 показан фрагмент конечно-элементной модели замкового резьбового соединения (ЗРС) З-122 ГОСТ Р 50864-96 в трубе c наружным диаметром 159 и внутренним - 71 мм. Шаг сетки в зоне контакта был задан 0,333 мм, а общее количество конечных элементов в модели около 40 000. Геометрическая модель была построена в SolidWorks, а конечно-элементное моделирование проводилось в системе ANSYS. Рис. 2. Фрагмент конечно-элементной сетки в зоне наибольших напряжений в двухмерной модели ЗРС для испытания на растяжение Для учета возможности возникновения в местах концентрации напряжений, превышающих предел текучести, в соответствии с механическими свойствами стали 40ХНМА, предоставленными ОАО «ПКНМ» [8] была задана билинейная модель материала с кинематическим упрочнением. Механические свойства стали 40ХНМА Модуль Юнга E, МПа Коэффициент Пуассона ν Предел текучести σт, МПа Предел прочности σВ, МПа 2·105 0,3 758 956 Имитация свинчивания осуществлялась управлением температурой со специально подобранными коэффициентами анизотропного термического расширения [9-11]. Нагрев элемента в торце муфты приводил к осевым перемещениям, а нагрев ниппеля - к радиальным, что в совокупности имитировало подъем муфты по конической винтовой линии (рис. 3). Имитация приложения момента затяжки путем задания пропорциональных моменту температурных деформаций также является неточным приближением ввиду наличия неравномерности деформаций деталей вдоль соединения. Для устранения этого недостатка моделирования фактический момент затяжки рассчитывался дополнительно на основе контактных давлений в свинченном соединении. Интегрирование давлений в точках контакта позволило рассчитать усилие затяжки, которое через коэффициент трения, типичный для применяемых резьбовых смазок, было переведено в момент затяжки [4]. Рис. 3. Модель ЗРС для испытания на растяжение Для расчета усталости соединение подвергалось нагрузке и разгрузке осевыми силами, эквивалентными весу колонны в 35 т. В объеме тел деталей соединения характер напряженно-деформированного состояния соответствует несимметричному циклу нагружения, поэтому после нагрузки и последующей разгрузки рассчитывались амплитуды dS и средние значения Sm напряжений цикла. Результаты исследования плоской модели Как видно из графика на рис. 4, при испытаниях на осевое растяжение действительно отмечается увеличение среднего напряжения цикла и уменьшение амплитуды напряжений от увеличения момента затяжки. В месте перелома графиков предполагается оптимальное значение момента затяжки. Рис. 4. Напряжения в критических точках для разных моментов затяжки Мзат: dS - амплитуды напряжений цикла, Sm - средние значения напряжений. Исследование объемной модели На следующем этапе поворотом плоского сечения была получена трехмерная модель половины соединения, которая при различных моментах затяжки подвергалась приложению изгибающего момента к муфтовой части 1 с одновременным закреплением торца ниппельной части, полученного при отсечении трубы 2 (рис. 5). Ввиду направления изгибающего момента в дальнейшем будем левую часть соединения называть внешней стороной изгиба, а правую - внутренней. Плотность сетки конечных элементов в сечении была уменьшена, а само сечение повторено по окружности 16 раз. В результате количество конечных элементов в модели составило 49 200 шт. На рис. 6 показано НДС при приложении изгибающего момента к недовинченному соединению. Изгибающий момент по внешней стороне изгиба передается через муфту на витки в опасном сечении в виде дополнительного нагружения, а с внутренней стороны изгиба ниппель разгружается. Кроме деформации имеется поворот сечения муфты относительно сечения ниппеля с центром, расположенным в районе упорных торцев на разгружаемой стороне. Рис. 5. Схема нагружения резьбового соединения изгибающим моментом: 1 - ниппельная часть; 2 - муфтовая часть На рис. 7 показано НДС при приложении изгибающего момента к перевинченному соединению. В этом случае мы видим рост напряжений с внутренней стороны изгиба с образованием максимальных растягивающих напряжений в опасном сечении. Несмотря на большую плотность соединения и возросшие силы трения, сопряжение деталей по боковым поверхностям резьбы также приводит к относительным поворотам сечений и в этом случае. Центр вращения находится ближе к середине соединения на линии оси изгиба. Такой относительный поворот сечений приводит к частичному расклиниванию витков резьбы в опасном сечении со стороны растягивающих нагрузок и большему внедрению резьб деталей друг в друга со стороны сжимающих нагрузок. Рис. 6. Напряжения в ЗРС с недостаточным моментом затяжки Рис. 7. Напряжения в ЗРС с моментом затяжки, превышающим оптимальное значение Заключение В результате проведенного моделирования было установлено, что оптимальный момент затяжки ЗРС в случае эксплуатации с изгибающими моментами будет таким, при котором результирующие векторы относительного перемещения профилей резьбы будут направлены вдоль образующих боковых поверхностей резьбы с обеих сторон детали. При этом натяжение, вызванное изгибающим моментом со стороны растягивающих нагрузок, будет компенсироваться снижением напряжений от момента затяжки ввиду расклинивания опасного сечения. Со стороны сжимающих нагрузок уменьшение напряжений должно компенсироваться дополнительным внедрением резьб деталей друг в друга. Тем самым амплитуда цикла минимизируется как для плоского знакопеременного изгиба, так и для случая изгиба с кручением, возникающим при роторном наклонном бурении. Вывод универсального аналитического решения задачи поиска оптимального момента затяжки затрудняется наличием изгибной деформации как самих тел деталей, так и витков резьбы, переменного зазора в соединении в связи с несимметричными допусками на конусность. Однако при наличии достаточной вычислительной мощности имеется возможность подбора оптимального момента путем решения обратной задачи с помощью численных экспериментов по данной методике. При достаточной точности описания геометрии резьбового соединения и упругопластических свойств материала представленный подход показывает бóльшую точность и экономичность по сравнению с натурными экспериментами. Практическое применение повышения точности определения моментов затяжки конкретных резьбовых соединений и изучения возникающих эффектов возможно в совокупности с ростом применения ключей с автоматизированным считыванием показателей [12], позволяющих контролировать качество соединения по взаимоотношениям усилия и угла поворота[1] [13].

About the authors

O. A Khalturin

Perm National Research Polytechnic University

V. A Ivanov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 24

PDF (Russian) - 7

Refbacks

• There are currently no refbacks.