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

натяг (зазор между торцами) измеряли в 780 резьбовых соедине­ ниях после его свинчивания (без смазки) с приложением крутя­ щего момента около 25 кгс-м.

В результате математической обработки результатов измере­ ний определено среднее арифметическое, среднее квадратичное от­

марного действия ряда факторов (наладка станка, точность изго­ товления резьбообразующего инструмента, отклонения натягов по калибрам, отклонения элементов резьбы и т. д.), мало завися­ щих друг от друга. Влияние одного фактора на натяг намного пе­ рекрывается суммарным влиянием всех остальных. При большом числе факторов, учесть которые невозможно, закон распределения

191

вать Я т±2(г. В этом случае свыше 95% резьбовых соединений бу­ дут изготовляться с натягом в пределах допуска и лишь около 5% потребуют исправления. Для получения натяга 1,3± 0,6 мм необ­ ходимо внести коррективы в технологический процесс.

Проведенными исследованиями установлено, что при сохране­ нии нижнего и верхнего пределов положительного натяга добиться 100% взаимозаменяемости конических резьбовых соединений не­ возможно. Для достижения более полной функциональной взаимо­ заменяемости по натягу необходимо ужесточить отклонения эле­ ментов профиля резьбы, а также уменьшить влияние других тех­ нологических факторов, чтобы свести до минимума рассеяние ст, так как чем меньше о, тем теснее и ближе будут натяги к своему среднему арифметическому Мп.

Технологический процесс изготовления резьбовых соединений необходимо периодически контролировать известными методами теории вероятности и вариационной статистики.

192

В табл. 54 приведена обработка результатов измерения натя­ гов при свинчивании резьбовых соединений с резьбой 3-147Х

Х 6 ,3 5 Х 1 :6 ; 3 -1 8 9 x 6 ,3 5 x 1 :6 и РКТ 2 1 8 X 6 ,3 5 X 1 :1 6 после соот­ ветствующего уточнения технологического процесса на двух ма­ шиностроительных заводах-изготовителях турбобуров.

СВИНЧИВАНИЕ КОНИЧЕСКИХ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГАМИ

В процессе эксплуатации турбобуров и электробуров резьбо­ вые соединения свинчивают и развинчивают. Это необходимая опе­

деформируются, сглаживаются шероховатости ее поверхности. Это уменьшает первоначально заданный натяг (зазор между упорны­ ми торцами), особенно после первого свинчивания резьбового со­ единения.

В результате исследований, проведенных во ВНИИБТ, установ­

(с пятого на шестой).

Интенсивность уменьшения натяга также зависит от механиче­ ских свойств материала, гальванических покрытий, точности изго­ товления резьбы и качества смазки. Например, при наличии раз­ ности в половинах угла профиля резьбы муфты и ниппеля на ее поверхности образуются сминаемые в процессе свинчивания пло-

щадки f, приводящие к уменьшению натяга (рис. 86). Экспери­ ментами установлено, что в случае увеличения разности в полови­ нах угла профиля более чем на 70' (отклонение половины угла профиля более чем ± 3 5 ') на поверхности резьбы появляются коль­

и 0,01 мм и замыканием по меньшему диаметру с симметричным расположением допусков стабилизация натяга наступает уже пос­ ле десяти свинчиваний. Следовательно, асимметричное располо­ жение отклонений конусности резьбы муфты минус 0,24 мм и нип­ пеля — плюс 0,24 мм, благоприятно влияющее на повышение гер­ метичности и уменьшающее влияние погрешности шага на измене­ ние натяга, увеличивает потерю натяга в процессе многократного свинчивания.

Замковые соединения, как правило, не изготовляют с положи­ тельными натягами. Однако интенсивный износ витков резьбы

194

у большого диаметра конуса ведет к уменьшению положительного натяга (если он был задан при изготовлении) и увеличению отри­ цательного. Не влияют на уменьшение натяга отклонения конус­ ности резьбы с ДКсум= 0,11 мм и замыканием у меньшего диамет­

Рисг 87. Зависимость натяга от количества свинчиваний резьбового соединения замка ЗШ-178 с резьбой 3-147x6,35x1 :6, изготовленно­ го с осевым натягом 1,5 мм.

по ГОСТ 5286— 58 — 0,40 мм с замыканием по большому или мень­

0,50 мм. В результате износа витки резьбы, расположенные ближе к упорному уступу ниппеля, заостряются, отрицательный натяг в соединении увеличивается. Экспериментами установлено незначи­ тельное влияние на снижение износостойкости конической резьбы,

врезультате многократного свинчивания резьбового соединения 2

ссуммарным отклонением конусности 0,29 мм и замыканием у

большого диаметра конуса (см. рис. 87, кривая 2).

Отклонения конусности резьбы (плюс муфты и минус ниппеля) с замыканием у меньшего диаметра конуса и Д/ССум = 0,28 мм не вызывают задиров и заеданий при свинчивании резьбового соеди­ нения, хотя это отрицательно влияет на напряженность, монолит­ ность, герметичность соединения.

7* 195

Результаты исследований ВНИИБТ, проверенных в производ­ ственных условиях, позволяют рекомендовать формулу для опре­ деления расчетной величины натяга

где Я р — расчетный натяг в мм; Я т — предварительно задаваемый натяг в мм; kn — коэффициент, учитывающий приработку поверх­ ностей резьбы, принимаемый в зависимости от конструкции соеди­ нения и предполагаемого количества свинчиваний от 0,20 до 0,50.

Коэффициент kn необходимо принимать для соединений забойпых двигателей конусностью от 1 : 10 до 1 : 32 'равным 0,40-^0,50 и конусностью 1 : 4— 1 : 8— 0,204-0,25. Для улучшения эксплуата­ ционных свойств резьбовых соединений, выполненных с положи­ тельными натягами, перед окончательным их закреплением целе­ сообразно производить двукратное свинчивание. Это также необ­ ходимо для обеспечения стабильности затяжки.

Гальванические покрытия и смазка резьбы, предохранение от задиров

Для предохранения от задиров, заеданий и коррозии резьба забойных двигателей покрывается гальваническими покрытиями. Наибольшее распространение получили меднение и фосфатнрование, предохраняющие резьбу от задиров и заеданий и повышаю­ щие износостойкость резьбы. Цинкование практически предохра­ няет соединение только от коррозии. Кадмирование полностью предохраняет резьбовое соединение как от задиров и заеданий, так и от коррозии. Фосфатная пленка стирается после четырех— семи свинчиваний, в то время как кадмиевая и медная сохра­ няется значительно дольше. Недостаток кадмированной резьбы — низкий коэффициент трения (на 35— 50% ниже фосфатированной). Поэтому для предотвращения самопроизвольной затяжки в процессе роторного бурения кадмирование не может быть реко­ мендовано для замковых соединений. Кроме того, процесс кад­ мирования сложнее фосфатирования, так как требует соблюдения особых условий техники безопасности. Однако для резьбовых соединений забойных двигателей, где этот процесс налажен, его целесообразно применять.

На рис. 88 представлена зависимость крутящего момента от количества свинчиваний. В стендовых условиях свинчивали натур­ ные образцы резьбовых соединений с резьбой М У155Х6, подвер­ гнутой фосфатированию, цинкованию и кадмированию. Резьбовое соединение свинчивали с приложением осевого усилия 40 тс, без крутящего момента трения по торцам. Это достигалось за счет установки упорного подшипника качения. Осевое усилие измеря­ лось гидравлической месдозой с манометром. Хотя при первом свинчивании крутящий момент фосфатированной резьбы выше чем у оцинкованной (на 12% ), на поверхности ее витков отсутствовали

196

задиры (кольцевые риски), в то время как на витках оцинкован­ ной резьбы наблюдались кольцевые риски, а цинковая пленка сти­ ралась уже после второго свинчивания.

Крутящий момент при первом свинчивании кадмированной резь­ бы примерно в 1,5 раза меньше фосфатированной. Следовательно, в зависимости от назначения резьбового соединения, необходимо определить вид гальванического покрытия поверхности резьбы. Ка­ чественная смазка резьбы предохраняет соединение от задиров и заеданий, повышает его износостойкость и герметичность.

0 5 12 18 24 Псв

Рис. 88. Зависимость крутящего момента свинчивания от количества свинчиваний резьбового соединения с резьбой МУ155Х6:

/ — фосфатированной; 2 — оцинкованной; 3 — кадмированной.

Наибольшее распространение получили резьбовые смазки с ме­

дуется, так как она вызывает задиры и заедания даже фосфатированных и оцинкованных резьб. Одна из причин возникновения задиров и заеданий в процессе свинчивания конических резьбовых соединений — соприкосновение вершин резьбы и впадин. Проверка калибрами не обеспечивает контроля по наружному диаметру внут­ ренней резьбы и внутреннему диаметру наружной резьбы. Высота профиля зависит от правильной заточки резьбового резца по ра­ диусу. Радиус заточки должен быть меньше номинального радиуса впадины резьбы с учетом износа.

Исследованиями, проведенными во ВНИИБТ, установлено, что при обычном нарезании резьбы твердосплавным режущим инстру­ ментом на стали с НВ 270-^320 радиус закругления резьбового резца должен быть на 0,015ч-0,02 5 меньше номинального радиу­ са закругления впадины (5 — шаг резьбы). В случае некачествен­ ной зачистки резьбы у вершин профиля остаются заусенцы, кото­ рые при свинчивании (даже вручную) могут вызвать задиры. Для

197

устранения этого недостатка резьбу необходимо нарезать профиль­ ными резьбовыми резцами (с заплечиками). Профильный резьбо­ вой резец образует радиусы закругления у вершин профиля резьбы

# = 0,4 мм, способствующих предохранению резьбы от задиров и заеданий.

КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ СВИНЧИВАНИЯ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИИ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Крутящие моменты свинчивания рассматриваются в главах II и III. В главе II крутящие моменты свинчивания замковых соеди­ нений определяют с учетом влияния переменных нагрузок, а также веса колонны бурильных труб. В главе III даны формулы для определения крутящего момента резьбовых соединений обсадных труб, свинченных с натягами.

Резьбовые соединения забойных двигателей являются соедине­ ниями замкового типа и в то же время свинчиваются с натягами. Они, практически, не воспринимают внешних растягивающих на­ грузок. В связи с тем, что замковую резьбу в забойных двигателях (турбобурах, электробурах) нарезают на тонкостенных деталях, отношение момента сопротивления изгибу опасного сечения муфты к моменту сопротивления изгибу опасного сечения ниппеля, ха­ рактеризующее прочность соединения, равно 1,3. В замках колон­ ны бурильных труб это отношение превышает 1,8. В результате к резьбовым соединениям забойных двигателей не могут быть пол­ ностью применимы рекомендации по определению крутящего момента свинчивания, рассматриваемые в главах II и III.

Резьбовые соединения забойных двигателей предназначаются для соединения корпусов и валов турбобуров и электробуров, при­ соединения их к колонне бурильных труб и долоту. Резьбовое со­ единение корпусов турбобуров служит также для крепления ста­ торов турбины в корпусе.

На рис. 89 схематично представлено распределение усилий при креплении статоров. После затяжки верхнего резьбового соедине­ ния А с М„р при помощи переводника нижнего соединения Б с кру­ тящим моментом М ;р статоры зажимаются в корпусе. Торец пере­

статоров, усилие Q' передается на меньший торец верхнего пере­ водника. Под действием силы Q' торец переводника сжимается, а корпус в этом же сечении растягивается. Осевые напряжения ра­ стяжения переводника и сжатия корпуса, возникшие в результате закрепления резьбового соединения с Мкр, несколько умень­ шаются.

Экспериментами, проведенными во ВНИИБТ, установлено, что осевые напряжения растяжения переводника в соединении с резь­ бой М К 156 х 5,5 х 1 :32 уменьшаются в среднем на 10%. Незначи­

198

тельные растягивающие напряжения возникают в опасном сечении резьбы корпуса, поэтому расчет резьбового соединения А может производиться так же, как соединений замков бурильных труб (см. главу II).

После закрепления статоров с помощью соединения Б (выбора зазора h) его свинчивают таким же крутящим моментом, как и верхнее резьбовое соединение А.

Рис. 89. Схема усилий в резьбовых соединениях корпусов турбобуров при затяжке статоров в корпусе:

Крутящий момент свинчивания может быть определен по фор­ муле

где MKp= Q a [см. формулы (II.7) и (II.9)]; Мн — крутящий момент, необходимый для свинчивания резьбового соединения с величиной натяга Н.

Определение крутящего момента свинчивания

При свинчивании соединения с диаметральным натягом крутя­ щий момент создается за счет сил трения на боковых поверхно­ стях витков резьбы (рис. 90).

Давление Р на боковой поверхности витка при свинчивании резьбового соединения с осевым (диаметральным) натягом свя­ зано с давлением на условной цилиндрической поверхности сле­ дующим равенством:

где h — рабочая высота профиля резьбы; a — угол профиля (для

199

Рис. 90. Схема распределения давле­ ний по боковой поверхности витка (Р) и условной цилиндрической по­ верхности (Р0).

Площадь двух боковых поверхностей витка

где n — число витков на длине свинчивания; d cр — диаметр резьбы в середине длины свинчивания.

Подставляя значение QTp в формулу (IV.6), получим

a

8h cos----

2

200