книги из ГПНТБ / Щербюк, Н. Д. Резьбовые соединения труб нефтяного сортамента и забойных двигателей

Относительную величину зазора езаз для резьбы, свинченной без натяга, можно определить, как разность между абсолютными

(III. 14)

ир - К - К ы

Для резьбы, свинченной с натягом, сползание витков, т. е. образование зазора по посадочным поверхностям резьбы, начнется только после полной разгрузки муфты от натяга при приложении определенной растягивающей нагрузки, так как муфта за счет упругой деформации от натяга будет следовать за трубой, умень­ шающейся от растяжения в поперечном направлении.

При полной разгрузке муфты, а следовательно, и трубы от на­ тяга, последняя в свободной от резьбы части (если площадь по­ перечного сечения в этой части трубы будет равна площади опас­ ного сечения) должна сократиться в поперечных размерах на ве­ личину общего диаметрального натяга

Д = Дм -j- Дт,

где Дм — диаметральная деформация муфты от натяга в опасном сечении; Дт — диаметральная деформация трубы от натяга в опас­ ном сечении.

Следует отметить, что при этом в зоне последних ниток, нахо­ дящихся в зацеплении, диаметр трубы уменьшится только на величину деформации муфты от натяга Дм.

Осевое напряжение в опасном сечении трубы а 0.н> при котором начнется образование зазоров по посадочным поверхностям резьбы, свинченной с натягом,

тяга.

Осевое напряжение, требуемое для создания диаметрального зазора г, в опасном сечении резьбы трубы, свинченной с натягом,

138

Разрушение соединений с трапецеидальной резьбой вследствие вырыва резьбы может происходить при условии, что вырывающая нагрузка меньше, чем разрушающая по телу трубы в опасном се­ чении. Используя выражение (III.3), условие вырыва резьбы можно записать

мерения удлинения образцов, взятых из плавок различных групп прочности.

Для стали группы прочности Д с наименьшими допускаемыми прочностными характеристиками: сгт= 38004-4000 кгс/см2, пв= = 6500-4-7000 кгс/см2, т. е. при разности между пределами проч­ ности и текучести 25004-3000 кгс/см2, значение модуля упрочнения Е\ при е0 = 3,5% 4-5% находилось в пределах 45000—60 000 кгс/см2. Следует отметить, что для стали той же группы прочности, но при ав= 75004-8000 кгс/см2, когда разность между пределами прочно­ сти и текучести составляла 35004-4000 кгс/см2, модуль упрочне­

ставлял 30 000—40 000 кг/см2.

Для стали группы прочности Л и М с наименьшими допускае­

изготовленных с различными углами наклона р стороны профиля, воспринимающей растягивающую нагрузку. По наружной поверх­ ности гладкой части трубы производили обточку с тем, чтобы тол­ щина стенки за последними нитками резьбы, находящимися в за­ цеплении, была равна толщине стенки в опасном сечениии 6С-

140

В случае р= ф в резьбе отсутствуют радиальные составляющие от растягивающей нагрузки, диаметральные деформации в гладкой части и в опасном сечении резьбовой части должны быть равны.

щью датчиков измеряли деформации трубы. Результаты испытаний показали, что при (3 = 11° диаметральные деформации в гладкой части трубы и под последними нитками резьбы, находящимися в зацеплении, одинаковы, и, следовательно, при сползании витков угол трения равен приблизительно 11°.

Значение угла трения зависит от применяемых смазок, шеро­ ховатости резьбовой поверхности. Погрешность в определении уг­

141

ла трения не оказывает большого влияния на расчетную нагрузку для труб ОТМ1. Например, при изменении угла трения с 11 до 7° разрушающая нагрузка для труб ОТМ1 группы прочности Д диа­ метром до 194 мм уменьшается не более чем на 6% , диаметром

Втабл. 38 приведены результаты испытаний на растяжение сое­ динений с трапецеидальной резьбой типа ОТТМ1 и ОГ1м.

Расчетную разрушающую нагрузку определяли для опасного сечения трубы, расположенного под последней ниткой резьбы, на­ ходящейся в зацеплении, исходя из фактического предела проч­ ности материала трубы. Для соединений ОТТМ1 опасное сечение находится на расстоянии 14 мм от конца сбега резьбы. Для сое­ динений ОГ1м за расчетную нагрузку принимали наименьшую из рассчитанных по двум опасным сечениям: по телу ниппельной ча­ сти трубы на расстоянии 16 мм от упорного уступа и по телу муф­ товой части трубы на расстоянии 6 мм от торца ниппеля.

Впроцессе разрушения соединений ОТТМ1 в опасном сечении

фактические разрушающие нагрузки составляют 98— 107% от рас­

2)для ОТТМ1-245 с толщиной стенки 7,65 мм — 308 тс (фак­ тическая вырывающая нагрузка 315 тс);

3)для ОТТМ1-168 с толщиной стенки 9,80 мм — 348 тс (фак­

тическая вырывающая нагрузка 380 тс).

Следует отметить, что в последнем случае материал трубы ОТТМ1-168 имел высокий для стали Д предел прочности: ов= = 8490 кгс/см2, при котором значение модуля упрочнения несколько

муфтовой части и 98— 106% при разрушении по ниппельной части. В табл. 38 приведены также сравнительные характеристики прочности соединения по отношению к телу трубы в гладкой ча­ сти. Поскольку отклонения по наружному диаметру трубы не ока­ зывают заметного влияния на прочность резьбовых соединений, толщину стенки, а также на площадь поперечного сечения, трубы

142

в гладкой части подсчитывали исходя из номинального наружного диаметра и фактического внутреннего диаметра трубы.

При испытании на растяжение соединений обсадных труб с трапецеидальной резьбой разрушений в результате среза витков не происходило. Однако нарезание резьбы на толстостенных дета­ лях, а также применение в специальных случаях укороченной резь­ бы может привести к ограничению прочности соединения вследст­ вие среза витков резьбы. Полагая, что растягивающая нагрузка равномерно распределена по длине резьбы, допускаемую нагрузку, исходя из условий среза витка P cv, определяют по формуле

в опасное сечении и среза витков, можно определить длину резь­

Для резьбы ОТТМ1 />3,26, а для резьбы ОГ1м />3,16. В су­ ществующих конструкциях соединений обсадных труб ОТТМ1 и

с треугольным профилем, при приложении растягивающей нагрузки

(см. рис. 69). Радиальное усилие Q, = P itg — - ср^ способствует

143

выходу витка резьбы из зацепления. Считая, что сила Qt на длине витка создает среднее давление qv, аналогичное наружному дав­ лению для трубы и внутреннему давлению для муфты, можно за­ писать

При условии равномерного распределения осевой нагрузки по длине резьбы

(III.29)

I

окружное сжимающее напряжение в трубе

Так же, как и для трапецеидальной резьбы, определяем осевое напряжение в опасном сечении трубы и соотношение между ок­ ружным и осевым напряжениями

где ат — предел текучести материала трубы.

Выражая а0 через осевую нагрузку Р, получим известную фор­

Выше рассматривалось соединение, свинченное без натяга.

При свинчивании с диаметральным натягом А на длине зацеп­ ления возникает радиальное давление qn\ наружное для трубы и внутреннее для муфты. Для приближенного определения <7нь приняв, что диаметральные деформации от натяга у муфты и тру­

144

Окружное напряжение в трубе, возникающее от натяга,

При приложении растягивающей нагрузки за счет уменьше­ ния диаметральных размеров трубы начальное радиальное давле­ ние от натяга qa\ уменьшается пропорционально приложенной силе Р и принимает значение qR

В процессе нагружения на стороне профиля, воспринимающей осевую нагрузку, радиальное давление увеличивается на величину <7Р за счет радиальной составляющей Qj, а на другой стороне профиля на столько же уменьшается. До тех пор, пока не произой­ дет полной разгрузки одной стороны профиля, растягивающая на­ грузка не увеличивает среднее радиальное давление и в целом на

= — , радиальное давление будет восприниматься только одной

Зависимость между осевой нагрузкой Р и радиальным давле­ нием, действующим на резьбовое соединение, свинченное с натя­

145

Анализ показывает, что для соединений обсадных труб по ГОСТ 632—64 в большинстве случаев приведенное напряжение в

.опасном сечении трубы достигает предела текучести при qv<

Относительное перемещение резьбы трубы и муфты в радиаль­ ном направлении (сползание витков) в соединении, свинченном

Рис. 73. Зависимость между ра­ диальным давлением и растяги­ вающей нагрузкой для соединений по ГОСТ 632—64, свинченных с натягом; ABq = qw\ BCq = qp+ qa/2;

CMq= qp.

с натягом, начнется после разгрузки одной стороны профиля в ре­ зультате увеличения среднего радиального давления, действую­ щего на виток.

Вырыв резьбы станет возможным, когда величина перемещения но профилю резьбы в радиальном направлении будет равна рабо­ чей высоте профиля. Вырыв резьбы происходит за пределами уп­ ругой области материала трубы.

В. О. Клайндинст [7] предложил формулу (формула АНИ) для определения разрушающей нагрузки, необходимой для вырыва

•резьбы трубы из муфты у соединений обсадных труб с треуголь­ ным профилем, предусмотренных стандартами Американского нефтяного института (АНИ) 5А, 5АХ, 5АС и 5В. Данная формула представляет определенный интерес для отечественной практики, поскольку резьбовые соединения обсадных труб по ГОСТ 632— 64 аналогичны резьбовым соединениям обсадных труб по вышеука­ занным стандартам АНИ.

Ниже приводится в сжатом и несколько схематизированном виде вывод формулы АНИ. В формуле АНИ с некоторым прибли­ жением принято, что величина радиального перемещения по про­ филю резьбы, необходимая для выхода резьбы из зацепления, пол­ ностью обусловлена пластической деформацией трубы. При этом пренебрегают деформациями муфты и упругими деформациями трубы

где 8пЛ — относительная пластическая диаметральная деформация трубы от окружного сжимающего напряжения ot и за счет попе­ речного сужения от осевого растягивающего напряжения ао; £ i —

Т46

ные и осевые напряжения при состоянии текучести в опасном сече­ нии трубы, определяемые по теории максимальных касательных напряжений.

Состояние текучести в опасном сечении трубы определяется вы­ ражением (III.32), исходя из которого, получаем

Знак минус показывает, что пластическая деформация направ­ лена на уменьшение диаметральных размеров трубы. Вырыв резь­ бы наступит при уменьшении диаметра трубы на величину, рав­ ную удвоенной высоте витка. При этом относительная пластическая деформация трубы составит

разить через вырывающую нагрузку Р в

(III.45).

где +i — площадь опасного сечения трубы.

Для определения модуля упрочнения Клайндинстом было при­ нято, что соотношение между напряжением и деформацией в пла­

где Os — предел прочности при растяжении; а и т — постоянные, определяемые на основании испытаний натурных образцов соеди­ нений.

Модуль упрочнения Е\ определяют как частное от деления на­ пряжения на деформацию

147