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