Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

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

.pdf
Скачиваний:
57
Добавлен:
22.10.2023
Размер:
14.04 Mб
Скачать

Продольные и окружные напряжения в ниппеле и муфте пред­ ставлены на рис. 20, а и б.

В результате исследований установлено, что максимальные осевые напряжения на внутренней поверхности ниппеля возни­ кают на расстоянии приблизительно 55 мм от конца, затем резко падают по направлению к упору. Такой характер распределения осевых напряжений объясняется тем, что преобладающая часть крутящего момента свинчивания воспринимается первой третью резьбы, а также тем, что в результате свинчивания появляется дополнительный изгибающий момент. Вблизи упора муфты напря­ жения сжатия максимальные, вызывающие развинчивание муфты при увеличении крутящего момента свинчивания. Окружные на­ пряжения в ниппеле достигают своего максимума на расстоянии примерно 25 мм от малого диаметра.

В. Хаук, X. Хиллеман и X. Колер для установления предель­ ных нагрузок замковых соединений 27/в и З'/г" IF подвергали их испытанию при кручении и растяжении. Для проведения экспери­ ментов была создана опытная установка (рис. 21), которая дава­ ла возможность нагружать замковое соединение статически и ди­ намически с максимальным крутящим моментом 4000 кгс-м и осе­ вой силой до 200 тс.

Крутящий момент создают весом пластин (около 75 кгс каж­ дая) через плечо длиною 1 м. При помощи эксцентрика подни­ мают и опускают грузы, создавая таким образом переменные крутящие моменты.

Осевое растяжение (сжатие) создается гидравлической на­ грузкой. Продольные и окружные напряжения на внутренней по­ верхности ниппеля и наружной поверхности муфты определяют с помощью тензодатчиков на длине первых пяти витков резьбы. На наружной поверхности муфты датчики наклеивают, начиная с

10мм от упорного уступа.

Врезультате испытаний установлено.

1. Максимальные осевые напряжения возникают на внутрен­ ней поверхности ниппеля, примерно на третьем витке резьбы, находящемся в сопряжении с резьбой муфты, несмотря на то, что разрушение ниппеля при динамических нагрузках происходило по первому сопряженному витку.

2.

Коэффициент внешней нагрузки ниппеля &н = 0,43, а муфты

£м= 0,57 .

3.

При нагружении соединений, предварительно свинченных

с максимальным, оптимальным и минимальным крутящими мо­ ментами, переменной осевой нагрузкой растяжения, разрушение зависит только от амплитуды напряжения, а не от общего напря­ жения (пока не будет достигнут предел текучести материала замка).

Обширные исследования замков бурильных труб на знако­ переменный изгиб проведены Л. Тришманом [45] и Т. Альтманом [47]. Л. Тришман исследовал влияние обкатки впадин резьбы и

60

ь, кгс/ммг

б

Рис. 20. Распределение напряжений по длине свинчивания в замковом соединении 3 1/2" JF.

а — нормальные осевые <7о; 6 — окружные

.

разгружающих зарезьбовых канавок в ниппеле, муфте или в ниппеле и муфте на предел выносливости замкового резьбового

Рис. 21. Стендовая установка для испытания замковых соединений на растяжение и кручение.

1 — образец; 2 — нагрузочный гидравли­ ческий домкрат.

соединения Al/2" FH с внутренним каналом в ниппеле диаметром 57 мм. Перед испытанием резьбовые соединения, изготовленные из стали SAE 4140 (стандарт АНИ) с пределом текучести сгт=

62

= 75 кгс/мм2 и

твердостью

НВ

280— 320,

свинчивались крутя­

щим моментом

2760 кгс •м.

При

этом напряжение

затяжки в

опасном сечении ниппеля (на расстоянии

24 мм от

упорного

уступа) составило о3= 0,73ат. Такое напряжение затяжки для зам­ ков, изготовленных из легированных сталей, является завышен­ ным. Поэтому предел выносливости резьбового соединения соста­ вил всего 10 кгс/мм2, т. е. заданный крутящий момент свинчива-

М, кгс-м

Рис. 22. Кривые выносливости замкового резьбового соедине­ ния 4 1/2" (УБТ-146) с обкатанной резьбой и с разгружающи­ ми зарезьбовыми канавками (испытание на знакопеременный изгиб).

1 — без обкатки

и без зарезьбовой канавки;

2 — резьба

ниппеля обка­

тана;

3 — разгружающая зарезьбовая канавка

в муфте;

4 — разгружаю­

щая

зарезьбовая

канавка в ниппеле; 5 — разгружающая канавка В'

муфте и в ниппеле. (Индексы показывают:

Н — разрушение ниппеля,.

М — разрушение муфты, Н м и Мн — разрушение и муфты и ниппеля).

ния не являлся оптимальным. Этот предел выносливости на 10% выше предела выносливости, полученного Фарром при свинчива­ нии резьбового соединения от руки.

На рис. 22 представлены кривые выносливости замкового резь­ бового соединения 41/г// FH (УБТ-146).

Анализируя кривые выносливости, можно сделать вывод, что при проведении обкатки впадин резьбы ниппеля (с увеличением глубины резьбы на 0,254 мм) предел выносливости повысится на 34% . Применение разгружающей зарезьбовой канавки в конце резьбы муфты повышает предел выносливости на 58% , а приме­ нение канавки у упорного уступа ниппеля — на 90% . Разгружаю­ щие канавки в ниппеле и муфте одновременно повышают предел

63

выносливости на 105%, поэтому, когда резьбовое соединение раз­ рушается от усталости по резьбе ниппеля, целесообразно делать зарезьбовые разгружающие канавки только у упорного уступа ниппеля.

Т. Альтман [47] провел широкие исследования на знакопере­

менный изгиб образцов УБТ

наружным диаметром

65

мм, внут­

 

 

 

ренним— 28

мм.

Применяли

 

 

 

резьбу типа IF, FH с профи­

 

 

 

лем 60° и типа Н-90 с профи­

 

 

 

лем 90° и исследовали влия­

 

 

 

ние зарезьбовых канавок, об­

 

 

 

катки и резьбы Висселя

(резь­

 

 

 

ба

VdW)

[58].

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 23, а схематически

 

 

 

изображен

продольный

разрез

 

 

 

резьбового

 

соединения

АНИ,

 

 

 

свинченного от руки. Резьба

 

 

 

муфты выполнена в соответ­

 

 

 

ствии со стандартом АНИ, а

 

 

 

резьба

ниппеля

по

принципу

 

 

 

Ван-дер-Висселя и имеет меж­

 

 

 

ду

боковыми поверхностями

 

 

 

зазоры (для ясности сильно

 

 

 

увеличенные). В плоскостях S

 

 

 

и А резьба ниппеля и муфты

 

 

 

имеет контакт. Упорные торцы

Рис. 23. Резьбовое соединение

по

открытые.

 

 

 

 

 

 

принципу Висселя

(vdW).

 

 

При свинчивании до сопри­

•а — свинченное от руки;

б — свинченное

косновения

упорных

торцов

^механически) до соприкосновения

упор­

ных торцев.

 

 

между

плоскостями

S

и

А

 

 

 

муфта

удлиняется в

осевом

и

радиальном направлениях, а ниппель сжимается. После контакта упорных торцов на них возникает давление Q, а боковые поверх­ ности резьбы от 5 в сторону S' (рис. 23, б ) замыкаются. Между упорными торцами и плоскостью S ниппель удлиняется, а муфта сжимается.

Такое соединение технологически может быть выполнено за счет некоторого изменения шага резьбы ниппеля по сравнению с муфтой в средней части резьбы. Можно также изготовить резьбу ниппеля бочкообразной. Однако все это значительно усложняет технологию изготовления резьбы. По-видимому, такую резьбу не­ обходимо применять в тех случаях, когда исчерпаны другие тех­ нологические и конструктивные возможности: поверхностно­ пластическое деформирование (обкатка), зарезьбовые разгру­ жающие канавки, усиленный профиль резьбы (с увеличенными радиусами закруглений), профиль резьбы с углом 90° и др.

Для образцов Т. Альтман применил сталь марки 35 без тер­ мообработки с пределом текучести до 35 кгс/мм2. По данным [47]

64

напряжение затяжки составило а 3ат = 0,9ат. Несмотря на высокое напряжение затяжки, получен также высокий предел выносливо­ сти при знакопеременном изгибе приблизительно 15 кгс/мм2. Повышенный предел выносливости объясняется применением уг­ леродистой стали высокой пластичности.

Исследования Т. Альтмана повторили результаты, полученные Л. Тришманом. Кроме того, им установлено, что применение резьбы с углом профиля 90° повышает предел выносливости на

60%, а резьбы VdW — на 100%.

При проведении испытаний на моделях допускается ряд услов­ ностей, которые впоследствии затрудняют использование этих данных на натурных резьбовых соединениях. В связи с этим за­ служивает особого внимания работа, выполненная в ЦНИИТМАШ [11, 12, 13] с участием ВНИИБТ, по исследованию усталостной прочности резьбовых соединений больших диаметров. В этой работе нашли дальнейшее развитие следующие направле­ ния, способствующие повышению усталостной прочности замко­ вого соединения:

1)

технологическое — упрочнение

впадин резьбы

путем

по­

верхностно-пластического деформирования (обкатки);

 

 

2)

конструктивное — введение

зарезьбовой

разгружающей

канавки в конце резьбы муфты

или

у упорного

 

уступа

нип­

пеля.

 

 

 

 

 

 

Исследовали также связь между средними напряжениями и предельной амплитудой изгиба в резьбовом соединении. Для ис­ следования выбрали два соединения утяжеленных бурильных труб с наружными диаметрами 75 и 178 мм с замковой резьбой соот­ ветственно 3-62 и 3-147 по ГОСТ 5286—58.

Соединения диаметром 75 мм испытывали на усталостной ма­

шине УКВ [44], а соединения диаметром

178 мм

— на машине

УП-200 [10]. Обе машины резонансного

типа

конструкции

ЦНИИТМАШ позволяют испытывать образец при плоском знако­ переменном изгибе.

Утяжеленные

горячекатанные бурильные

трубы изготовляют

из стали марки

45, а термообработанные,

сбалансированные —

из стали марки 40ХНМА. Исследуемые образцы изготовляли из

тех же сталей; их механические

свойства

приведены в

табл.

11.

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а

11

Диаметр

Марки сталей

°т ,

ств,

6, %

ан.

Ч>. %

нв

соединения,

кгсм

мм

 

 

кгс/мм*

кгс/мм*

 

см*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

75

40

45

38,3

6 8

23

23

48

225

75

ХНМА

6 8

89

15,7

15,7

53,3

225

178

40

ХНМА

74

94

13,3

13,3

59,8

260

3

Зак. 678

65

Обкатка впадин резьбы — простой и эффективный метод, по­ вышающий усталостную прочность резьбового соединения. При статической нагрузке на ролик для упрочнения крупной замковой резьбы требуются значительные усилия, доходящие до 2700 кгс [48]. Такая большая нагрузка ведет к увеличению размеров уста­ новки для обкатки и требует усиленного суппорта станка. Упрочнение резьбы с помощью установки, где нагрузка приклады­ вается статически, по данным Тришмана [45], повышает предель­ ную амплитуду замкового соединения на 34%•

Применение виброобкатки устраняет недостатки обычной сило­ вой обкатки и значительно повышает усталостную прочность резьбового соединения. В процессе исследований применяли при­ способления конструкции ЦНИИТМАШ.

Важный критерий обкатки резьбы — уменьшение внутреннего диаметра Ad.

Испытали соединения УБТ диаметрами 75 и 178 мм из стали марок 45 и 40ХНМА. Перед испытаниями соединения диаметром 75 мм закрепляли приложением ЛТ;р=150 кгс-м, соединения диа­ метром 178 мм, испытываемые впервые, — Л4,;р = 3250 кгс-м. На соединениях диаметром 75 мм определяли предельные изгибаю­ щие моменты при различных значениях Ad. По полученным ре­ зультатам построили кривые предельных изгибающих моментов ^(пределов выносливости) в зависимости от Ad (рис. 24). Как видно из рисунка, оптимальное значение Ad находится в интерва­ ле 0,8— 1,0 мм. Резьбу 3-147 соединений диаметром 178 мм обка­ тывали при оптимальном значении Ad = 0,8 мм.

Кривые усталости для этих соединений приводятся на рис. 25. При обкатке резьбы ниппеля предел выносливости соединения увеличился более чем на 50%. Усталостное разрушение происхо­ дило по опасному сечению муфтовой части — последнему полному витку резьбы, находящемуся в сопряжении с резьбой ниппеля. После обкатки резьбы муфты усталостная прочность резьбового соединения повысилась более чем в 2 раза. При этом разрушение соединения происходило1по резьбе ниппеля (первый полный виток на расстоянии 24 мм от упорного уступа) или по резьбе муфты (последний полный виток), в зависимости от качества обкатки.

Исследованиями А. И. Якушева [43] установлено, что устало­ стная прочность болтов с проточкой повышается в некоторых случаях на 36%. В работе Л. Е. Тришмана [45] отмечается, что применение разгружающей зарезьбовой канавки на ниппеле позво­ лило увеличить усталостную прочность резьбового соединения 4i/2,/FH диаметром 146 мм на 90% (рис. 22). Авторами прово­ дились аналогичные исследования 75 и 178-мм соединений.

Размеры зарезьбовых канавок, выполненные у упорного усту­ па ниппеля исследуемых соединений, назначали из следующих соображений. Ширина зарезьбовой канавки, равная 25 мм, обес­ печивает стачивание неполных витков резьбы, не находя­

66

щихся в сопряжении с резьбой муфты. Диаметр канавки, равный 51,6 мм для соединений диаметром 75 мм и 135 мм, для соедине­

ний диаметром 178 мм должен

 

быть меньше внутреннего диа­

М^г, кгс-м

метра

резьбы в

сечении

первого

полного витка. Перед испытания­

 

ми образцы диаметром 75 мм

 

свинчивались с крутящим момен­

 

том Л1кр= 150 кгс-м.

В

резуль­

 

тате

испытания

на

усталость

 

установлено, что введение зарезь-

 

бовой канавки на ниппеле соеди­

 

нения диаметром 75 мм из стали

 

марки

45 повысило

предел вы-

 

Рис. 24. Зависимость А4Изг от диамет­

Рис.

25.

Кривые

усталости

ральной деформации

впадины резьбы

резьбового

соединения 3-147Х

Ad для соединений диаметром 75 мм

Х б ,35 х 1:6

диаметром 178 (испы­

из стали марки 45 и 40ХНМА.

тание на знакопеременный изгиб).

/ — CTajfb марки 45;

2 — сталь марки

1 — резьба не

обкатана;

2 — обкатана

40ХНМА.

резьба

ниппеля; 3 — обкатана резьба

ниппеля и муфты.

носливости на 50%,

а из стали марки 40ХНМА — на 16%.

Повы­

шение усталостной

прочности соединения

из

стали

марки

40ХНМА, по-видимому, могло быть большим,

в

случае затяжки

его с оптимальным крутящим моментом. В данном случае напря­ жения затяжки равнялись азат= 0,2 от.

Образцы соединений с 178-мм зарезьбовой канавкой на ниппе­ ле закреплялись моментом Л4кр = 3250 кгс-м, при этом а3ат= = 0,25от. Усталостные испытания этой серии повысили предель­ ную амплитуду примерно на 50%. Причем во всех случаях раз­ рушение происходило по последнему витку резьбы муфты. Сле­ довательно, в случае введения зарезьбовой канавки в резьбе муф­

ты, усталостная прочность должна повыситься еще больше.

 

3*

67

Выбор оптимального крутящего момента свинчивания сущест­ венно влияет на усталостную прочность резьбового соединения.

Ряд исследователей рекомендует напряжения затяжки равны­ ми о3ат= (0,4-f-0,6)aT. Однако эти рекомендации относятся к бол­ товым соединениям небольшого диаметра (до 30 мм). Поэтому

М^1,кгс-м

Рис. 26. Зависимость предела выносливости от кру­ тящего момента свинчивания резьбового соединения 3-62 диаметром 75 мм.

/ — сталь марки 45; 2 — сталь марки 40ХНМА.

натурные усталостные испытания 75-мм соединений из сталей ма­ рок 45 и 40ХНМА с целью определения оптимального Л4кр свин­ чивания представляют большой интерес. На усталость испыты­ вали четыре серии образцов из стали марки 45, каждая с крутя­ щими моментами свинчивания 75, 150, 225 и 300 кгс-м и четыре серии образцов из стали марки 40ХНМА, с крутящими момента­ ми свинчивания 150, 225, 300 и 375 кгс-м.

На рис. 26 представлены результаты усталостных испытаний. Рассматривая кривые 1 и 2, необходимо отметить, что величина крутящего момента свинчивания влияет на усталостную проч­ ность соединения. Так, предельная амплитуда изгибающих мо­ ментов образцов, изготовленных из стали марки 45, при увеличе­ нии момента затяжки с 75 до 225 кгс-м увеличилась с 184 да 307 кгс-м, т. е. на 87%- Дальнейшее увеличение момента затяж­ ки для образцов из стали марки 45 приводит к некоторому умень­ шению предельной амплитуды изгибающих моментов по сравне­ нию с ее максимальным значением. Несколько иной вид имеет кривая зависимости предельной амплитуды моментов от момента свинчивания образцов из стали марки 40ХНМА.

Сравнение кривых 1 и 2 показывает, что максимальные предельные амплитуды образцов из сталей марок 45 и 40ХНМА,.

определенные

при различных моментах

свинчивания,

равны

между собой.

Анализ этих кривых также

показывает,

что для

68

сравнительной оценки материала соединения нельзя проводить усталостные испытания при одном и том же моменте свинчива­ ния. Так, при крутящих моментах 150 и 225 кгс-м образцы из стали марки 45 превосходят по предельной амплитуде изгибаю­

щих моментов образцы из стали марки

40ХНМА, однако при

моменте 300

кгс •м — результат

противоположный. Все

разруше­

ния происходили по первому полному витку резьбы ниппеля.

С увеличением

крутящего момента

свинчивания

растут на­

пряжения:

для

ниппельного

конца

соединения — растяги­

вающие, для муфтового кон-

 

ца — сжимающие. Таким обра­

,к г с / м м

зом, после свинчивания детали

 

соединения находятся в пред­

 

варительно

напряженном

со­

 

стоянии. В результате того, что

 

усталостная машина УКВ ра­

 

ботает при плоском, знакопе­

 

ременном

изгибе

симметрич­

 

ного цикла нагружения, испы­

 

тания

деталей

исследуемого

 

соединения

следует

рассмат­

 

ривать как при асимметрич­

 

ном цикле. Предельному изги­

 

бающему

моменту

соответст­

 

вует

предельная

 

амплитуда

 

асимметричного

цикла.

При

Рис. 27. Изменение средних напря­

свинчивании замкового соеди­

нения

в

ниппеле

создаются

жений о т в ниппеле и муф­

те соединения диаметром 75 мм в за­

растягивающие

напряжения,

висимости от Л1кр свинчивания при

что снижает допустимую пре­

приложении уИизг=150 кгс-м.

дельную амплитуду

перемен­

1 — ниппель; 2 — муфта.

ных напряжений. С другой сто­

 

роны, на торцах стыка ниппеля и муфты создаются сжимающие напряжения, препятствующие его раскрытию в процессе действия на соединение внешней изгибающей или растягивающей нагрузки. Происходит благоприятное перераспределение напряжений между деталями соединений. Все это положительно влияет на предель­ ную амплитуду (рис. 26, 27).

В некоторых случаях материалы для резьбового соединения сравнивают по результатам усталостных испытаний валов, выпол­ ненных с надрезом. Эти испытания ведут при симметричном цикле нагружения, что является несовершенным, так как не отражает тех сложных процессов, которые наблюдают при испытании затяну­

того соединения. В связи с этим были

проведены

' специальные

усталостные испытания на

машине УКВ. Образец

был выполнен

в виде вала с V -образной

выточкой в центре. Размер вала (диа­

метр 52 мм)

и форма выточки полностью соответствовали профи­

лю резьбы

ниппеля, где

происходят

усталостные

разрушения.

69

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ