CC BY
67
Министерство образования и науки РФ
Правительство Пензенской области Академия информатизации образования Академия проблем качества РФ Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского Российская инженерная академия Вычислительный центр РАН им. А.А.Дородницына Институт испытаний и сертификации ВВТ ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л.Минца» ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «РУБИН» ОАО «НИИФИ», ОАО «ПНИЭИ», ФГУП ФНПЦ «ПО СТАРТ», НИКИРЭТ, ЗАО «НИИФИиВТ» ОАО «ППО ЭЛЕКТРОПРИБОР», ОАО «РАДИОЗАВОД» Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС» ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА» Пензенский государственный университет
АадижУ{%шсж
ТРУДЫ
МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО
II то^
ПЕНЗА 2015
УДК 621.396.6:621.315.616.97:658:562 Т78
Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»:
T78 в 2 т. - Пенза : ПГУ, 2015. - 2 том - 384 с.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
В сборник трудов включены доклады юбилейного ХХ-го Международного симпозиума «Надежность и качество», проходившего с 25 по 31 мая 2015 г. в городе Пензе.
Рассмотрены актуальные проблемы теории и практики повышения надежности и качества; эффективности внедрения инновационных и информационных технологий в фундаментальных научных и прикладных исследованиях, образовательных и коммуникативных системах и средах, экономике и юриспруденции; методов и средств анализа и прогнозирования показателей надежности и качества приборов, устройств и систем, а также анализа непараметрических моделей и оценки остаточного ресурса изделий двойного назначения; ресурсосбережения; проектирования интеллектуальных экспертных и диагностических систем; систем управления и связи; интерактивных, телекоммуникационных сетей и сервисных систем; экологического мониторинга и контроля состояния окружающей среды и биологических объектов; исследования физико-технологических процессов в науке, технике и технологиях для повышения качества выпускаемых изделий радиопромышленности, приборостроения, аэрокосмического и топливно-энергетического комплексов, электроники и вычислительной техники и др.
Оргкомитет благодарит за поддержку в организации и проведении Международного симпозиума и издании настоящих трудов Министерство образования и науки РФ, Правительство Пензенской области, Академию проблем качества РФ, Российскую академию космонавтики им. К. Э. Циолковского, Российскую инженерную академию, Академию информатизации образования, Вычислительный центр РАН им. А. А. Дородницына, Институт испытаний и сертификации ВВТ, ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «НИИФИ», ФГУП «ПНИЭИ», ОАО «РУБИН», ОАО «РАДИОЗАВОД», ОАО «ППО ЭЛЕКТРИПРИБОР», ФГУП «ПО «СТАРТ», НИКИРЭТ - филиал ФГУП «ПО «СТАРТ», Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС», ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА»,Пензенский государственный университет.
Сборник статей зарегистрирован в Российском индексе научного цитирования (РИНЦ) с 2005 г.
Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :
Юрков Н. К. - главный редактор Трусов В. А. - ответственный секретарь Баннов В. Я. - ученый секретарь Волчихин В. И., Абрамов О. В., Авакян А. А., Дивеев А.И., Иофин А. А., Каштанов В. А., Майстер В. А., Острейковский В.А., Петров Б. М., Писарев В. Н., Роберт И. В., Романенко Ю. А., Северцев Н. А., Садыков С. С., Садыхов Г. С., Увайсов С. У.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
© Оргкомитет симпозиума, 2015 © ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», 2015
УДК620.197
Песин М.В., Суботин Д.А., Баева М.А. , Якунина А.В.
ООО «Пермская компания нефтяного машиностроения», Пермь, Россия
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА И ДОЛГОВЕЧНОСТИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
В данный момент резьбовые соединения являются самым распространенным видом соединений. Их применение можно встретить в любой отрасли, так как резьбовые соединения обеспечиваются универсальностью, точностью изготовления, способностью воспринимать большие осевые нагрузки.
Широкое применение резьбовые соединения нашли в нефтегазовой промышленности, в частности, в бурильных трубах. Отличительной особенностью эксплуатации таких труб является воздействие больших изгибающих, крутящих, сжимающих и растягивающих нагрузок, кроме того, колонну периодически собирают и разбирают. Трубы, соединённые в бурильную колонну, спускают на глубину 3000 м, а иногда и более, для этого требуется примерно 300 труб и соответственно для изготовления одной колонны труб нужно нарезать 600 резьб наружных (ниппель) и внутренних (муфта). Традиционно для соединения изделий нефтегазового назначения используют коническую замковую резьбу по ГОСТ Р50864-96. Широкое распространение для бурение нефтяных и газовых скважин получили следующие виды труб: бурильные трубы, &Ю ин
утяжеленные бурильные трубы (УБТ), ведущие бурильные трубы (ВБТ), толстостенные бурильные трубы (ТБТ).
Изображение УБТ показано на рис. 1 и ее схема - на рис. 2.
ПН
&Ю мм
Рисунок 1 - Утяжеленная бурильная труба
им
I = вЭОО. 9450 им
(У?аь6я лямипал Й\
Рисунок 2 - Схема утяжеленной бурильной трубы
В процессе бурения скважин резьбовые соединения принимают на себя большие нагрузки, так длина бурильной колонны может достигать 3000 м., вес ее около 180 т. - в результате этого возможен обрыв колонны. На устранение последствий уходит порядка 1 млн. руб. [1]. Поэтому важной целью является разработка конкурентоспособного технологического процесса упрочняющей обработки резьбовых соединений труб нефтегазового назначения при наименьших затратах.
На данный момент существуют различные методы упрочняющей обработки [2]: поверхностная пластическая деформация, комбинированные методы упрочнения, плазменное упрочнение, термические и химико-термические методы упрочнения, методы химического осаждения, электролитические методы упрочнения.
В настоящее время наиболее эффективным методом упрочняющей обработки, получившим широкое применение, является поверхностная пластическая деформация (ППД). В свою очередь, метод ППД имеет следующие разновидности [3]: обкатывание роликами, алмазное выглаживание, дробеструйная обработка, виброгалтовка и др.
Рекомендуемым методом упрочнения резьбового соединения является обкатывание роликами, так как данный метод обеспечивает: повышение микротвердости резьбовой поверхности трубы, повышение герметичности соединения, устранение явлений схватывания и задиров, не требует значи-
тельных затрат. В результате проведенной работы получены охранные документы:
патент № 2486994, РФ. МКИ F04 F5/02. Способ изготовления резьбы на детали.
патент № 2482942, РФ. МКИ Б23С1/00. Способ изготовления резьбы на детали.
Разработанный метод обкатки роликами обладает, рядом технических преимуществ приводящих к снижению стоимости обработки, росту качества изделия и, как результат, повышению конкурентоспособности. Все это достигнуто за счет следующих мероприятий снижающих себетоимость изделия: встраивания технологии и оборудования в действующие технологические процессы;
высокого срока службы профильных обкатных инструментов с подобранным геометрическими и механическими характеристиками;
низкими, в сравнении с другими технологиями, эксплуатационными затратами и доступностью расходных материалов;
возможности использования технологии обкатки как для упрочнения ниппельной, так и муфтовой;
разработки способов и устройств, позволяющих вести обработку резьбы без ограничения диаметральных размеров.
На сегодняшний день отсутствуют математические модели обкатки резьбы роликом. Для решения этой проблемы разработаны физические и математические модели для расчета параметров упрочняющей обработки впадины резьбы.
Математическая модель содержит уравнения равновесия, геометрические соотношения Коши определяющий закон деформируемой сплошной сре-
ды, краевые условия. Математическое описание упругопластических процессов для каждого из двух контактирующих тел в указанной постановке включает в себя следующие соотношения: - геометрические соотношения Коши
О = + .),
2
(1)
где Е^ - компоненты тензора деформаций,
и±(х1, х2, х3) - перемещение
(х1, х2, х3) сплошной среды. - уравнение равновесия:
. + X = 0 '
(2)
где - составляющие объемной силы, а^, - компоненты тензора напряжений.
-определяющий закон деформируемой сплошной среды:
а
= кезу + 2С(1 -а(ея ))0 - 3 8.
(3)
где К - модуль объемного сжатия, О - модуль упругости, га(еп) - функция, характеризующая отклонение свойств материала от линейных, еп -интенсивность деформаций (второй инвариант). инварианты тензора деформаций имеют вид:
в = Он +^22 + ОзХ
0
0
Данная математическая модель следующими граничными условиями:
(4)
(5)
замыкается
Ч = и
ац\ =~рГ
К 2
(6-9)
где Б1, Б2
части полной поверхности Б, где
заданы перемещения и° и напряжения а',
п± - составляющие единичного вектора п, перпендикулярного поверхности Б2, Б^-контактирующая поверхность, I, II-контактные тела один и два соответственно.
На рис.3 приведена резьбовая часть ниппеля бурильной трубы и профиль с параметрами резьбы.
Компьютерное или численное моделирование является одним из эффективных методов исследования процессов упрочняющей обработки металла давлением. При анализе литературных источников установлено, что моделирование процесса обкатывания роликом нарезанного профиля не достаточно исследовано, отсутствуют технологические рекомендации.
Выбор параметров упрочнения (усилия и глубины вдавливания, радиуса края ролика и др.), обеспечивающих необходимый эффект, существенно зависит от габаритных размеров и формы детали, а также механических свойств упрочняемого материала, и, обычно, проводится на основе результатов испытаний на усталость натурных образцов. При проведении натурных испытаний вызывает интерес характер распределения и величина остаточных напряжений и деформаций в поверхностности резьбы, степени наклепа, параметрах цикла действующих суммарных (остаточных и эксплуатационных) напряжений. При этом без специальной аппаратуры сложно оценить эффективность назначенных режимов упрочнения изделия на сопротивление усталости. Современные компьютерные технологии позволяют моделировать механические процессы обработки деталей и определять напряженное состояние в элементах конструкций, облегчая тем самым поиск оптимальных технологиче-ски:с параметров.
№38
ЩЗв
Рисунок 3: а - трехмерная модель ниппеля резьбовой части бурильной трубы,
б - профиль и размеры резьбы
МКЭ позволяет вести моделирование различных параметров обкатывания с получением результатов и установлением наиболее эффективных значение остаточных напряжений впадин резьбы в кратчайшие сроки [6]. Модели позволяют на этапе проектирования определить технологические параметры упрочняющей обработки впадины резьбы, эффективность обработки, величину остаточных напряжений и микротвердости [7]. В программных комплексах ШБУБ и АЕАОПБ были определены поля остаточных напряжений, формируемых при обкатке резьбы роликом. В рамках численных расчетов рассмотрены две модели в статической и динамической постановке. По итогам расчетов, с использованием статического подхода были получены графические зависимости пластических деформаций, возникающих в резьбе от прикладываемых нагрузок и диаметра ролика. По результатам численных расчетов подобран радиус при вершине ролика. Определены общие перемещения во впадине резьбы при нагрузках.
Так было установлено, что область пластического деформирования незначительно больше пятна
контакта и распространяется на 2,5. бину, дна впадины (рис. 4).
3 мм в глу-
1 и!л1 1МичтЧ1|им 1
Рисунок 5 - Общие перемещения во впадине резьбы
точки
е =
Рисунок 4 - Типовая картина распределения интенсивности остаточных напряжений <зи в динамической постановке
Установлено также, что приповерхностные слои материала дна впадины резьбы имеют значительное повышение микротвердости на глубину до 1 мм. Таким образом, показано, что в процессе обкатывания резьбы роликом в приповерхностных слоях материала межвитковой впадины резьбы формируются области сжимающих напряжений и упрочнение этого слоя, что в значительной степени препятствует возникновению микротрещин и дальнейшему усталостному разрушению бурильных труб.
Для решения задачи в статической постановке модель была разбита на конечные элементы, полученная конечно-элементная модель. В соответствие с принятой физической моделью процесса разработана её математическая модель. Описание упругопластических процессов для каждого из двух контактирующих тел в указанной постановке описано в статье [5].
Для получения приближенного решения поставленной ниже задачи был использован программный комплекс АБАОПБ, использующий традиционный для механики деформируемого твердого тела метод конечных элементов [4, 5]. В частности в силу существенной нелинейности задачи был использован модуль АЬадиБ/Ехр11с11.
С точки зрения механики деформируемого твердого тела задача моделирования процесса обкатывания резьбы относится к трехмерным нестационарным контактным задачам упругопластического деформирования. Сложная геометрия моделируемых тел исключает возможность использования аналитических методов для решения подобной задачи. Модель ролика устанавливалась во впадину резьбы
без наклона к оси обрабатываемой детали и прижималась соответствующим усилием, затем труба начинала вращаться, заставляя прижатый ролик катиться по впадине резьбы. Так в результате проведенного численного эксперимента по определению напряжений после обкатки роликом резьбовой поверхности бурильной трубы определена интенсивность напряжений. В результате поведенной работы была разработана программа и получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ PKNM Deep Roll Thread v 1.0 («Обкатка резьбы роликом ПКНМ версия 1.0») №2 014610774.
Анализ результатов моделирования с использованием динамического подхода показал, что в процессе обкатывания резьбы роликом в приповерхностных слоях материала межвитковой впадины резьбы формируются области сжимающих напряжений, что приводит к упрочнению этого слоя и препятствует возникновению микротрещин. С другой стороны, в результате данного процесса в подповерхностных слоях материала резьбы могут формироваться области значительных растягивающих напряжений, что может приводить к возникновению внутренних микро- и макротрещин, приводящих к разрушению конструкции. Подбирая соответствующие параметры процесса (геометрия ролика и сила его прижатия), можно получать благоприятные для данной конструкции распределения остаточных напряжений и микротвердости.
Выводы:
1. Проведенный анализ показал отсутствие научных и методологических основ технологического процесса упрочнения резьбовых соединений роликом, направленных на повышение эффективности эксплуатации бурильных труб и снижения себестоимости обработки.
2. В результате проведенной работы сделана постановка трехмерной нестационарной контактной задачи упругопластического деформирования резьбы при обкатки, решение которой повысит конкурентоспособность продукции.
3. Поученные модели ППД участка бурильной трубы с конической замковой резьбой, проведены численные эксперименты и сделан их анализ; проведены необходимые инженерные расчеты и анализ локальных механических напряжений с помощью метода конечных элементов. Все это ведет к повышению конкурентоспособности продукции и снижению затрат на ее изготовление.
ЛИТЕРАТУРА
1. Песин, М.В. Повышение надежности резьбовых соединений изделий горных машин, нефтегазопромы-слового и бурового оборудования /Фундаментальные проблемы техники и технологии, №4(294),2012.С.75-79.
2. Песин, М.В. Методы проектировании и оптимизации технологического процесса упрочнения деталей нефтегазового назначения / М.В. Песин, В.Ф. Макаров, Е.Д. Мокроносов // «Экспозиция Нефть Газ», №6/Н(18), 2011. С. 18-19.
3. Песин, М.В., Повышение эксплуатационных свойств деталей упрочнением высоконагруженных рабочих поверхностей / М.В. Песин, В.Ф. Макаров // Нефтегазовое и горное дело: тез. докл. всерос. науч.-практ. конф., г. Пермь, 9-12 нояб. 2010г./ Мин-во образования и науки Российской Федерации, ГОУ ВПО Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь: Изд-во ПГТУ, 2010. - С. 209-210.
4. Кочегаров И.И. Программно-аппаратный комплекс разработки РЭС на основе ПЛИС и исследования их механических параметров / Кочегаров И.И., Таньков Г.В., Трусов В.А. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 421-424.
5. Песин, М.В. Моделирование напряженно-деформированного состояния изделий машиностроения с целью повышения надежности работы / М.В. Песин, Е.Д. Мокроносов, В.Ф. Макаров // Мавлютовские чтения: Росс.научн. - техн. конф.: сб. тр. в 5 т., Т.3 Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т, Уфа: УГА-ТУ, 2011. С.189-192.
6. Кочегаров И.И. Программный пакет моделирования механических параметров печатных плат / Кочегаров И.И., Таньков Г.В. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 334-337.
7. Песин, М.В. Повышения надежности бурильных труб на стадии проектирования путем использования математического моделирования процесса упрочнения резьбовой поверхности / М.В. Песин, Е.Д. Мокроносов / «Экспозиция Нефть Газ», №2 (27), 2013. С. 56-57.
8. Песин, М.В. К моделированию обкатки резьбовой поверхности бурильных труб // «Академический журнал Западной Сибири», №4 (47), 2013. С. 27-28.
9. Песин, М.В. Песин, М.В. Повышения надежности бурильных труб на стадии проектирования путем использования математического моделирования процесса упрочнения резьбовой поверхности / М.В. Пе-син, Е.Д. Мокроносов / «Экспозиция Нефть Газ», №2 (27), 2013. С. 56-57.
