Стендовые испытания замковых соединений бурильных труб после восстановления наплавкой Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ВЕСТН. САМАР. ГОС. ТЕХН. УН-ТА. СЕР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2016. № 4 (52)

УДК 620.1

СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЗАМКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ ПОСЛЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НАПЛАВКОЙ

Д.А. Михеев

Самарский государственный технический университет Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Представлены результаты применения технологии ремонта бурильных труб методом наплавки. Произведен анализ требований к замковым соединениям после восстановления. Методом конечных элементов произведено моделирование напряженного состояния, аналитически обосновано проведение стендовых испытаний. Установлено, что разрушение испытательных образцов по области восстановления не происходило, что подтверждает целесообразность применения предложенной ранее технологии. Полученные в ходе стендовых испытаний сведения были использованы при разработке руководства по эксплуатации стальных бурильных труб с приваренными замками после ремонта в части восстановления замковых соединений методом наплавки.

Ключевые слова: замковое соединение, бурильная труба, стендовые испытания, осевая нагрузка, усталость.

Введение

В работах [1-3] были изучены варьируемые факторы, оказывающее влияние на качество восстановленных замковых соединений бурильных труб, а также подобран оптимальный технологический режим восстановления. В условиях центра по ремонту бурильных труб таковым является режим ремонта методом наплавки проволокой Нп-30ХГСА под слоем смеси флюсов ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) и 48 ОФ-10 в соотношении 1:1 после предварительного подогрева ремонтного изделия в индукторе до температуры 250 оС, а также предварительной прокалки флюса до 350 оС. Толщина единовременно наплавляемого слоя не должна превышать 3 мм. Соблюдение режима должно гарантировать качество ремонтного изделия.

С целью обеспечения эффективной эксплуатации восстановленных наплавкой замковых соединений бурильных труб была поставлена задача разработки нормативного документа, регламентирующего область применения и особенности работы с восстановленным бурильным инструментом, - руководства по эксплуатации. В этой связи весьма остро встал вопрос обоснованности требований к восстановленному инструменту, а именно: можно ли сравнить замковое соединение после ремонта с новым, каковы его ресурс и несущая способность. Одним из путей, позволяющих сделать соответствующие выводы, является проведение стендовых испытаний натурных образцов замковых соединений после восстановления на осевую нагрузку и усталость. Для проведения испытаний были отобраны ниппельные и муфтовые концы с приваренными замками после восстановления наплавкой различных типоразмеров.

Дмитрий Алексеевич Михеев, аспирант.

Целью испытаний является определение степени термического влияния наплавленного металла на возможное разупрочнение в зоне высадки и сварного шва по отношению к прочности металла основного тела трубы. Также исключительное значение имело определение области разрушения (по трубе или по восстановленному замковому соединению) при воздействии нагрузки, превышающей пределы прочности и выносливости, в случае испытаний на осевую нагрузку и на усталость соответственно.

Объекты и методы исследований

Для испытаний на осевую нагрузку были отобраны три ниппельных конца (с приваренными замками ЗП 162-95-2) от бурильных труб ПК 127x9 мм группы прочности «Д» и три муфтовых конца (с приваренными замками ЗП 121-68) с идентификационными номерами 1М, 2М и 3М от бурильных труб ПН 89x9 мм группы прочности «Д». Подготовка образцов к испытаниям и сами испытания проводились в соответствии с разработанной ЗАО ВНИИТнефть «Программой и методикой проведения стендовых испытаний бурильных труб с приваренными замками после ремонта в части восстановления замковых деталей методом наплавки на растяжение». Испытание образцов на растяжение проводилось на универсальном стенде для испытания труб и спускоподъемного инструмента на растяжение и сжатие УС-600.

Для испытаний на усталость были отобраны семь образцов от бурильных труб ПК 127x9 мм группы прочности «Д» в виде компоновок ниппельного и муфтового конца, свинчиваемых в дальнейшем между собой в процессе испытаний. Испытаниям подвергались компоновки образцов со следующими идентификационными номерами: 1Н - 3М, 9Н - 10М, 13М - 14Н, 6М - 11Н, 16М -12Н, 17М - 4Н, 19М - 14Н, в которых первым указывается испытуемый конец (Н - ниппельный, М - муфтовый). Подготовка образцов к испытаниям и сами испытания проводились в соответствии с разработанной ЗАО ВНИИТнефть «Программой и методикой проведения стендовых испытаний бурильных труб с приваренными замками после ремонта в части восстановления замковых деталей методом наплавки на знакопеременный изгиб». Испытание образцов проводилось на стенде для определения предела выносливости образцов бурильных труб при знакопеременном изгибе на стенде СТ-20. Внешний вид стендов представлен на рис. 1.

Рис. 1. Стенды: а - УС-600; б - СТ-20

Результаты испытаний на осевую нагрузку

Результаты испытаний на растяжение бурильных труб ПК 127x9 приведены на рис. 2 и в табл. 1; бурильных труб ПН 89x9 - на рис. 3 и в табл. 2.

Рис. 2. Образцы труб ПК 127x9 после испытаний на растяжение и характерный вид слома

Рис. 3. Образцы труб ПН 89x9 после испытаний на растяжение и характерный вид слома

По результатам испытаний натурных образцов на растяжение на испытательном стенде УС-600 было установлено, что все испытуемые образцы испытания выдержали.

Разрушений образцов от труб ПК 127x9 по зоне влияния наплавки не происходило. Первый образец разрушился при нагрузке Рэ = 298 т, второй - 313 т, третий - 301 т.

Разрушений образцов от труб ПН 89x9 по зоне влияния наплавки не происходило. Первый образец разрушился при нагрузке 210 т, второй - 204 т, третий -196 т.

Таблица 1

Экспериментальные и расчетные значения нагрузки растяжением образцов бурильных труб для достижения пределов текучести и прочности

№ образца Значения прочностных характе ристик, т Соблюдение критерия достаточности прочности для труб с приварными замками, тела ^ с.ш. От < От

Расчетные Экспериментальные

Сварной шов Тело трубы Нагрузка разрушения образца на стенде, Рэ, т

Предел текучести Р(от) Предел прочности Р(°в) Предел текучести Р(От) Предел прочности Р(0

Значения прочностных характеристик образцов бурильных труб ПК 127х9 мм "Д"

8Н 299,5 423,5 155,1 238,8 298 155,1 < 299,5

7Н 290,6 425,6 143,5 210,4 303 143,5 < 290,6

20Н 291,7 426,8 146,2 217,3 301 146,2 < 291,7

Значения прочностных характеристик образцов бурильных труб ПН 89х9 мм "Д"

2М 145,8 265,8 89,6 167,5 210 89,6 < 145,8

1М 167,5 268,9 95,5 173,2 196 95,5< 167,5

3М 194,2 273,8 107,5 178,1 204 107,5 < 194,2

Результаты испытаний на усталость

Аналитическое обоснование проведения стендовых испытаний на усталость было выполнено методом конечных элементов по стандартной методике [4]. В конструкции испытательного образца выделяются два опасных сечения, по которым предположительно может произойти разрушение: ОС1 - расположено под корнем первого витка ниппеля, находящегося в зацеплении 094,91^14,905, ОС2 - расположено в точке перехода высадки трубы к регулярному телу трубы 088,9х 13,65. Схема нагружения испытуемого образца представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема нагружения испытуемого образца

Предел текучести замка 828 МПа. Предел текучести трубы 931 МПа. Без учета предварительного нагружения сечения при силовой сборке получаем:

аос! = 124,2 (МПа); аос2 = 139,7 (МПа).

Изгибающий момент для получения такого уровня напряжений: Мос1 = 8117095 (Н-мм); М ос2 = 5904849 (Н^мм).

Необходимая величина поперечной силы:

Рос1 = 5300 (Н); Р0С2 = 5235 (Н).

Для оценки влияния предварительного нагружения замка кручением, а также для определения фактической величины прогиба от рассчитанной величины нагрузки методом конечных элементов [5] был произведен расчет модели образца. Схема распределения напряжений представлена на рис. 5 (а—б).

Схемы распределения осевых напряжений по внутреннему и наружному диаметрам представлены на рис. 6 и 7 соответственно.

360 -

ф 270 1

to

00

180 1

о О

a go 1 ф

СО

-90 -

-180

—I—

300

—I—

600

—I—

900

т

1200 1500

Path Length

1800

Рис. 6. Схемы распределения осевых напряжений по внутреннему диаметру

Несмотря на повышенные напряжения в области ОС1, амплитуда напряжений по сечению ОС2 значительно превышает амплитуду по ОС1. По полученным результатам можно сделать вывод, что вероятнее всего при указанной схеме нагружения усталостное разрушение образца произойдет в районе сечения ОС2. Результаты стендовых испытаний на знакопеременный изгиб бурильных труб ПК 127x9 приведены в табл. 2 и на рис. 8-10.

-250 i-1-1-1-1-1-1

0 300 600 900 1200 1500 1800

Path Length

Рис. 7. Схемы распределения осевых напряжений по наружному диаметру

Таблица 2

Результаты стендовых испытаний образцов бурильных труб ПК 127x9 мм группы прочности "Д" на знакопеременный изгиб (усталость)

№ п/п Компоновка образцов Приложенное напряжение изгиба О-ь кг/мм2 Число циклов, которое выдержал образец Результат испытаний

1 1Н-3М 16 0,8х106 Слом по дефекту (трещине) в стенке трубы на расстоянии 250 мм от замковой детали

2 9Н-10М 15 1,3х106 Слом по дефекту (трещине) в стенке трубы на расстоянии 190 мм от замковой детали

3 13М-14Н 10 10х106 Испытания выдержал

4 6М-11Н 12 10х106 Испытания выдержал

5 16М-12Н 13 0,9х106 Слом трубы по телу в зоне контакта токосъема наплавочной машины с телом трубы

6 17М-4Н 13 0,5х106 Слом трубы по телу в зоне контакта токосъема наплавочной машины с телом трубы

7 19М-14Н 13 10х106 Испытания выдержал

Рис. 8. Разрушение образцов 16М и 17М по зоне контакта токосъема

наплавочной машины

: Г!

Рис. 9. Разрушение образца 1Н бурильной трубы ПК 127x9 «Д» с приваренным замком ЗП-162-95-2 по дефекту в теле трубы

ЗН

Рис. 10. Разрушение образца 9Н бурильной трубы ПК 127x9 «Д» с приваренным замком ЗП-162-95-2 по дефекту в теле трубы при испытании на усталость на стенде СТ-20

В результате испытаний на знакопеременный изгиб было установлено, что три образца (13М-14Н, 6М-11Н и 19М - 14Н) из семи выдержали базовое число циклов нагружения для стали (10х106 циклов) при приложении напряжений знакопеременного изгиба в диапазоне 10...13 кг/мм2. Четыре образца разрушились досрочно по основному телу (вне зоны наплавки) вследствие наличия дефектов в виде скрытых трещин (два образца), зон нагрева в месте контакта токосъема наплавочной машины с телом трубы (два образца). Разрушений образцов по зоне влияния наплавки не происходило.

Выводы

Проведение стендовых испытаний на образцах, восстановленных по разработанной ранее технологии, предполагающей применение смеси флюсов, предварительный подогрев и ограничение по толщине наплавки, позволило оценить их эксплуатационный ресурс и стойкость к знакопеременным циклическим

145

нагрузкам после проведения ремонта. По итогам работы было установлено, что исследуемые образцы выдержали стендовые испытания. Разрушений замковых соединений по месту нанесения наплавки, а также в зонах термического влияния не произошло. Полученные в ходе стендовых испытаний сведения были использованы при разработке руководства по эксплуатации стальных бурильных труб с приваренными замками после ремонта в части восстановления замковых соединений методом наплавки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Амосов А.П., Михеев Д.А. Оптимизация восстановления замковых соединений бурильных

труб методом наплавки // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2015. - № 1.

2. Амосов А.П., Михеев Д.А. Оптимизация режима предварительного подогрева при восстанов-

лении замковых соединений бурильных труб методом наплавки // Экспозиция нефть, газ. -

2015. - № 4 (43).

3. Амосов А.П., Михеев Д.А., Самсонов М.С. Подбор оптимальной толщины наплавочного слоя

при восстановлении замковых соединений бурильных труб // Наукоемкие технологии в ма-

шиностроении. - 2015. - № 12.

4. Александров А.В., Потапов В.Д. Основы теории упругости и пластичности. - Мн.: Высшэй-

шая школа, 1990. - 400 с.

5. Зенкевич О.К. Метод конечных элементов в технике. - М.: Металлургия, 1975. - 544 с.

Статья поступила в редакцию 20 октября 2016 г.

BENCH TEST TOOL JOINTS DRILL PIPE AFTER RE-SURFACING D.A. Miheev

Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100, Russian Federation

The paper is devoted to the results of the application of repair technology of drill pipes by surfacing. The analysis of the requirements for the tool joints after a recovery is made. Modeling of the stress state by finite elements is produced, bench testing is analytically explained. It is established that the destruction of the test samples on recovery did not occur, which confirms the feasibility of the previously proposed technology. Obtained bench tests data were used to develop the guidance manual for steel drill pipes with welded locks after repair in terms of restoration tool joints by surfacing method.

Keywords: tool joint, drill pipe, bench tests, axial load, fatigue.

Dmitry A. Miheev, Postgraduate Student.