CC BY
16
© А.Л. Саруев, Л.А. Саруев, 2012
А.Л. Саруев, Л.А. Саруев
АНАЛИЗ ПОВЫШЕНИЯ СТАТИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ РАСТЯЖЕНИЯ-СЖАТИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ СОЕДИНЕНИЙ ШТАНГ В ПРОЦЕССЕ ДОВИНЧИВАНИЯ ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ СИЛОВЫХ ИМПУЛЬСОВ, КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И ОСЕВОГО УСИЛИЯ ПОДАЧИ
Проведен анализ существенных изменений напряженного состояния элементов резьбовых соединений после прохождения через них серии импульсов и одновременном действии внешнего крутящего момента и осевого усилия подачи бурового инструмента на забой скважины. Ключевые слова: резьба, напряжение, штанга, боёк, довинчивание.
Л ля расчета на прочность элементов резьбовых соединений необходимо знать максимальные напряжения, действующие в соединительном узле. При нанесении ударов и постоянном действии крутящего момента происходит довинчивание штанг, в результате чего увеличиваются статические напряжения в соединительном узле [1], которые в расчетах на прочность элементов резьбовых соединений не учитывались.
Рассмотрим расчетную схему нагружения резьбового соединения (рис. 1). Пусть к штангам 2—2 приложен крутящий момент и по штанге 2 нанесен единичный удар бойком цилиндрической формы 1.
При неравномерном распределении давления по виткам резьбы остается справедливой известная зависимость между полным моментом в резьбе и осевой силой в стержне ниппеля 3 или в штанге 2 [2]
где Р — полное осевое усилие; с1ср — средний диаметр резьбы; у — угол подъема винтовой линии; р — приведенный угол трения в резьбе.
Помимо момента трения в резьбе возникает момент трения на опорных торцах штанг, который можно представить в виде
(1)
Рис. 1. Расчетная схема нагружения резьбового соединения: 1 —
боек; 2,2 — штанга; 3 — ниппель
1 О - в
м = — Р( О_^
Мт 3О— - в— '
(2)
где /— — коэффициент трения на опорном торце штанг; О— — наружный диаметр опорного торца штанги; в — внутренний диаметр опорного кольцевого торца штанги.
Так как крутящий момент Т, приложенный к штанге, равен сумме моментов Мр и Мт, то из этого условия можно получить
т
Р=
— О3 - в3 в
31 +^ (ч,+р)
(3)
Зная полное осевое усилие Р в резьбе элементов соединительного узла, по методике И.А. Биргера [2,3] для резьбы упорного профиля и по методике Ё.Т. Дворникова, Г.С. Пу-чиняна [6] для резьбы круглого профиля найдем закон распределения нагрузки по длине резьбового участка штанги и ниппеля и после этого определим среднюю осевую нагрузку по формуле
(4)
где | Рв1 — потенциальная энергия, возникающая на участке
о
резьбы I одной штанги от действия крутящего момента; д I -полная деформация на рабочем участке резьбы I одной штанги; Qз — среднее усилие затяжки резьбового соединения.
При нанесении единичного удара бойком 1 по штанге 2, в последней возникает упругая продольная волна деформации сжатия, которая перемещается в сторону забоя со скоростью звука [5].
К началу прихода ударного импульса сжатия считаем, что ниппель 3 растянут, а тело штанги сжато равномерно по всей длине резьбового соединения средней осевой силой Qз. Очевидно, довинчивание буровых штанг при ударе возможно в том случае, если импульс сжатия не достигает стыка, в противном случае на торцах штанг возникает момент трения, который может превысить внешний крутящий момент и довинчивание штанг прекратится, хотя в резьбовом соединении в данном случае может образоваться зазор между витками резьбы. Довинчивание в соединении штанг может также происходить непосредственно после прохождения головной части импульса сжатия через стык штанг.
Максимальную силу в сечении резьбы штанги при ударе бойком цилиндрической формы можно определить по формуле [4]
V
а
Рд = I (1 + д ))^^ЕШтАШтК2, (5)
где К2 — коэффициент, учитывающий отношение максимальной силы, определенной опытным путем, к максимальной силе, полученной при расчете. По нашим опытам коэффициент К2 = 0,68 — 0,73.
Формула (5) справедлива для одинаковых механических свойств материала бойка и штанги.
Наглядное решение задачи получается из диаграммы усилий резьбового соединения. Для решения конкретной задачи принимаем длину участка резьбы I только одной штанги и половину ниппеля длиной, равной I (Рис. 4.5). На этих участках элементы резьбового соединения воспринимают среднюю статическую осевую нагрузку сжатия-растяжения. Определив среднее усилие затяжки Qз по зависимости (4), можно найти деформацию штанги и ниппеля по формуле
§1 = О-, (6)
С1
8 =
где С1 и С2 — соответственно жесткости штанги и ниппеля (муфты).
Найдем статическую осевую силу в элементах ниппельного и муфтового соединений при довинчивании буровых штанг в процессе нанесения ударов и действия постоянного крутящего момента. Для этого необходимо рассчитать силу удара Руд в штанге по формуле (5) и отложить на диаграмме усилий резьбового соединения (Рис.2а).
После приложения внешней ударной нагрузки длина участка резьбы штанги деформируется на д I, на такую же величину деформируется участок резьбы ниппеля (Рис.2а).
Осевая нагрузка в резьбе штанги возрастает на величину
Рх » ¿1С! (7)
а в резьбе ниппеля уменьшится на
Рг = А1С:. (8)
Из условия равновесия следует, что
Из соотношения (7) и (8) получаем, что усилие на участке резьбы штанги I при продольном ударе увеличивается на
?! = С1А) = С1
УД
с, + с3
= Х|К„
УЛ'
(9)
I
а в ниппеле на участке I уменьшается на
где х1 и х2 — соответственно коэффициенты основной нагрузки штанги и ниппеля. Величины Р1 и Р2 можно найти по диаграмме усилий резьбового соединения (рис. 2, а).
Полная осевая нагрузка в штанге и ниппеле (муфте) в момент прохождения первого ударного импульса (Рис. 2а) соответственно равна
0 = 03 + ххРт, (11)
Рис. 2. Диаграммы усилий в резьбовом соединении буровых штанг
О0 = 03 - X 2 Рул.
Вследствие того, что к буровым штангам приложен постоянный крутящий момент, и ударный импульс сжатия, проходя через соединительный узел, периодически разгружал ниппель или муфту от осевой нагрузки, происходит довинчивание штанг, в результате чего увеличивается осевая сила в элементах резьбового соединения. После прохождения, примерно, 30 ударных импульсов сжатия статическая осевая нагрузка в элементах резьбового соединения увеличивается на величину Р2. Поэтому на диаграмме усилий резьбового соединения (рис. 2, а) необходимо отложить из точки А параллельно оси У отрезок, равный Р2. Величина усилия затяжки О2 резьбового соединения равна сумме осевых усилий, возникающих только от крутящего момента — О3, и при одновременном действии крутящего момента и ударной нагрузки. При многократных ударных нагрузках и постоянном крутящем моменте максимальные усилия в резьбовой части штанги равны О = Оз + Ру, (рис. 2, а).
Если деформация, возникающая в резьбовой части штанги от ударной нагрузки, превышает статическую деформацию соединительного элемента (муфты, ниппеля) от усилия предварительной затяжки, то соединительный элемент полностью освобождается от усилия растяжения. Благодаря наличию достаточного осевого зазора между витками круглой резьбы штанги и муфты дополнительная деформация сжатия штанги от ударного импульса не вызывает сжатия ниппеля (муфты).
Сила, действующая на ниппель, уменьшится на Р2 = 0з, то есть в момент прохождения ударного импульса будет равна нулю. Поэтому для построения диаграммы усилий в резьбовом соединении (рис. 2, б) можно из точки А сразу отложить вдоль оси У отрезок Р2, равный 0з и на линии ОС (упругой характеристике резьбовой части штанги) точку Е, соответствующую новому статическому напряженному состоянию соединения после прохождения ударного импульса. Остальная часть ударной нагрузки Р1 = Руд - Р2 передается через резьбовое соединение только по штанге без участия муфты и определяет величину максимальной нагрузки 01 на резьбовую часть штанги в момент прохождения через соединение силового импульса сжатия.
Таким образом, в данном случае наименьшее сечение в месте резьбы штанги при продольном ударе необходимо рассчитывать по максимально сжимающей нагрузке 01, а наименьшее сечение в месте резьбы ниппеля (муфты) по максимальной растягивающей силе 02:
01 = 0з + х! Руд + х—Руд = 03 + Руд; (12)
02 = (( + х2Рщ
где у — опытный коэффициент, учитывающий отношение максимальной растягивающей силы, возникающей в ниппеле (муфте) при продольном ударе, к максимальной расчетной осевой силе, создаваемой крутящим моментом. По нашим опытам этот коэффициент для ниппельного соединения с круглым профилем резьбы равен 1,15; для муфтового соединения с круглым профилем резьбы — 1,2 и для муфтового соединения с упорным профилем резьбы равен 1,5.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Саруев А.Л. Анализ процесса довинчивания и нормальных напряжений в резьбовых соединениях буровых штанг при действии крутящего момента и ударных нагрузок. Проблемы геологии и освоения недр: Труды Восьмого Международного научного симпозиума им. Акад. М.А. Усова. — Томск: Изд-во ТПУ, — 2004. — С. 679—680.
2. Биргер И.А., Иосилевич Г. Б. Резьбовые соединения. — М.: Машиностроение, 1973. — 256 с.;
3. Биргер И.А. Расчет резьбовых соединений. — M.: Оборонгиз, 1959. — 252 с.
4. Напряжение в элементах резьбовых соединений при довинчивании буровых штанг в процессе нанесения ударов / В.Ф. Горбунов, С.И. Шубо-вич, А.С. Сердечный и др. — В кн.: Проблемы создания и внедрения самоходных бурильных установок. — Фрунзе, 1974. — С. 193;
5. Динамические процессы и напряжения в элементах резьбовых соединений буровых штанг при вращательно-ударном нагружении: — монография / А.Ё. Саруев, Ё.А. Саруев; Томский политехнический университет. — 2-е изд. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. —
6. Пучинян С.Г. Исследование и создание методики расчета сложнона-груженных резьбовых соединений: Дис. канд. техн. наук. — Фрунзе, 1989. — 162 с. ГГЩ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Саруев А.Л. — кадидат технических наук, доцент, , e-mail: saruev@tpu.ru, Саруев Л.А. — доктор технических наук, профессор, e-mail: lasaruev@mail.ru, Национальноый исследовательский Томский политехнический университет, Институт природных ресурсов.
101 с.
