Construction analysis and manufacture technology of fishing equipment

Full Text

Введение При ремонте скважин извлечение оборвавшихся или отвернувшихся бурильных, насосно-компрессорных и обсадных труб производится с помощью основных ловильных инструментов, к которым относят [1] собственно ловители, колокола, труборезы, труболовки, метчики и др., обеспечивающие непосредственное соединение с аварийным объектом. Если верхний конец аварийной колонны, которая не может вращаться, оканчивается ниппелем или гладкой поверхностью, если в ходе ликвидации аварии требуется приложение больших крутящих моментов, то в этих случаях используют метчики. Инструменты с правой резьбой применяются для извлечения оставшейся колонны целиком, с левой – для отвинчивания и извлечения колонны по частям. Метчики, вводимые в трубу и врезающиеся в ее тело, называются универсальными. На их протяженной конической поверхности имеется остроугольная резьба специального профиля. Различные участки длины такой поверхности могут захватывать трубы нескольких размеров. Метчики изготавливают из прочных и вязких сталей, например 12ХН2, 12ХНЗА. На последней операции технологического процесса изготовления метчика ловильная резьба подвергается термообработке – цементации на глубину 0,4 – 0,7 мм с последующей закалкой на низко отпущенный мартенсит с твердостью 58 – 64 HRC. Большинство метчиков имеют центральный канал для прохода промывочной жидкости. В производственных условиях попадание метчика в отверстие бурильной колонны фиксируется скачкообразным повышением давления. Когда же метчик соединился с колонной, то нагрузка снижается, а жидкость начинает циркулировать через забой. В действительности указанные факты еще не служат достоверным свидетельством получения надежного сцепления трубы и инструмента. Цель проведенного исследования состояла в определении характера разрушения резьбовой поверхности метчика в условиях эксплуатации, анализе прочности ловильной резьбы как в процессе ввинчивания, так и в процессе подъема колонны, а также в разработке технологических мероприятий, направленных на повышение качества рабочих поверхностей инструмента. Поставленную цель решали с помощью: – проведения стендовых эксплуатационных испытаний метчика; – моделирования напряженного состояния в наиболее нагруженном зубе инструмента на различных стадиях его работы; – моделирования напряженно-деформированного состояния рабочей поверхности метчика при упрочнении микрошариками. Характер разрушения зубьев Испытания и практика эксплуатации метчиков показывают, что их зубья могут разрушаться. Так, на рис. 1 показан характерный излом на передней поверхности наиболее нагруженного зуба, полученный при стендовых испытаниях на установке 1 РС метчика, изготовленного на ЗАО «СибТрейдСервис». Испытания проводились по методике, приведенной в [1]. Метчик закрепляли в теле трубы после трех его оборотов с приложением осевой нагрузки 20 кН. Затем при неполных 0,3 – 0,5 оборотах происходило дополнительное крепление метчика с нагрузкой 30 кН. Крутящий момент, приложенный к метчику, составлял 382 Нм. В этот момент силы врезания достигали своего максимального значения. Далее к метчику прикладывалась растягивающая нагрузка 300 кН. В таком нагруженном состоянии инструмент находился в течение пяти минут. По окончании испытания нагрузку снимали и проводили визуальный осмотр с использованием микроскопа БМИ-1Ц. Внешний вид трех резьбовых витков, вступивших в контакт с отверстием трубы и отмеченных на закаленной поверхности светлыми полосами, показан на рис. 1, а. Самая большая нагрузка приходилась на резьбовые поверхности зуба А, где отмечается скол по передней грани и затупление вершины размером 1,36 × 0,75 мм соответственно в продольном и радиальном направлении. Разрушение происходит от напряжений, соизмеримых с пределом прочности материала и возникающих, по нашему предположению, под воздействием сил резания при ввинчивании метчика в тело трубы. Изображение на рис. 1, б вершины зуба А получено при перпендикулярном расположении окуляра микроскопа по отношению к передней грани инструмента. а б (×30) Р и с. 1. Внешний вид рабочих витков метчика после испытания Моделирование нагрузок, действующих на зубья метчика при ввинчивании в тело трубы С целью выявления области распределения и величины разрушающих напряжений ниже приведен в первом приближении анализ напряженного состояния наиболее нагруженного участка резьбы при ввинчивании, выполненный с помощью метода конечных элементов (Solid Works Simulation). На рис. 2 с разными увеличениями представлена расчетная 3D-модель в виде сектора с двумя витками остроугольной резьбы, работающей по профильной схеме, и одной продольной канавкой. В геометрической модели, согласно рекомендациям [2], выдержано условие а z > ρ. Здесь ρ = 0,015 мм – величина скругления режущей кромки метчика; а z – глубина резания, которая для одного зуба принята равной 0,035 мм, где S = 4,5 – шаг резьбы; n = 4 – число зубьев; k 0 = 1:16 – конусность резьбы. Контакт резьбы метчика с телом трубы в процессе врезания моделируется заданием ограничений от перемещений (здесь и далее в виде стрелок соответствующего направления), от поворота и нагрузок – крутящего момента и осевой силы. Р и с. 2. Задание ограничений и нагрузок: а – от осевого и радиального перемещения; б – от поворота; в – от крутящего момента; г – от осевой силы На рис. 3 приведены результаты исследования, которые оказались адекватными выводу, сделанному на основании стендовых испытаний. Треугольником, два угла которого расположены в узлах 1 и 257, выделена площадка, по которой на переднюю грань метчика действует тангенциальная нагрузка (см. также рис. 2, б). Показано напряженное состояние режущей кромки, возникающее под нагрузкой в различных узлах сетки с заданными координатами. Напряжения в вершине инструмента, на глубине 0,12 мм под передней гранью превысили исходный предел текучести материала σ т = 1,27 ·10 9 Па и составили (1,58 – 1,72) ·10 9 Па. Р и с. 3. Распределение напряжений (Па) по режущей кромке метчика Моделирование нагрузок, действующих на зубья метчика при извлечении трубы Основное требование, предъявляемое к полученному резьбовому соединению, – обеспечение прочности, достаточной не только для получения резьбы в трубе, но и для ее извлечения из скважины. Задача моделирования в этом случае состоит в анализе процесса подъема бурильной трубы без ее разрушения. Модель построена в предположении, что вес бурильных труб не превышает номинальной грузоподъемности метчика, равной 300 кН, что его закрепление происходит при N = 3 оборотах вращения ротора и при максимальной глубине врезания . С учетом указанных выше значений глубина t составила 0,42 мм. При моделировании предыстория нагружения, связанная с ввинчиванием метчика, не учитывалась. Расчетная модель, построенная в программе ANSYS, является осесимметричной и представляет собой контактную пару метчик – труба c коэффициентом трения µ = 0,15. Труба жестко закреплена от перемещений по нижнему торцу. К верхнему торцу метчика приложена заданная осевая нагрузка в виде равномерно распределенного давления. Условное обозначение нагрузок и ограничений показано на рис. 4. Р и с. 4. Вид конечно-элементной модели зацепления метчика и трубы с условным изображением нагрузок и ограничений Результаты расчета (рис. 5) позволяют судить о том, что напряжения в наиболее нагруженном зубе меньше предела текучести материала метчика (σ т = 1,27 ·10 9 Па) и возникают на расстоянии 2,1 мм от вершины, в зоне действия наибольшего изгибающего момента. Максимальные эквивалентные напряжения здесь составляют от 832 до 920 МПа. На конце резьбы они незначительны. Р и с. 5. Напряженное состояние по Мизесу (МПа) при нагрузке на метчик 300 кН Анализ приведенных физических моделей показал, что значительное влияние на формирование разрушающих напряжений в вершине профиля ловильной резьбы оказывают силы резания в момент врезания ввинчиванием метчика в тело трубы. Следовательно, улучшение условий резания при работе метчика является основной задачей, которую необходимо решить для обеспечения надежности срабатывания инструмента. Данную задачу решали технологическими методами. Предложения по совершенствованию технологического процесса изготовления метчика Наличие весьма твердого, исчерпавшего запас пластичности тонкого слоя на передней поверхности инструмента создает, как показано выше, опасность возникновения хрупкого скола. Для повышения стойкости и работоспособности инструмента предлагается ввести после закалки операцию заточки метчика и последующую упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием. Заточку метчиков можно производить и по передней, и по задней поверхности. В данном случае заточку следует осуществлять, не снижая прочности зуба инструмента, по передней грани с толщиной снимаемого слоя 0,1 – 0,12 мм (см. рис. 3). Обычно принятая на практике [3] толщина при рассматриваемых в работе диаметральных размерах достигает 0,5 – 0,6 мм. Известно [4], что упрочнение закаленных сталей со структурой мартенсита даже при незначительных степенях деформации приводит к повышению их прочности. Поставленную на предприятии-изготовителе задачу повышения степени деформации на 20 % решали технологическими методами, а именно обработкой передней грани инструмента микрошариками. Выбор режимов обработки, обеспечивающих требуемое повышение качества поверхности и, как следствие, увеличение ресурса работы метчика, производили по методике, приведенной в работе [5], где за относительную степень пластической деформации принята величина , где L и d – соответственно длина дуги сечения и диаметр пластического отпечатка микрошарика. C учетом геометрической связи размеров L и d, физико-механических свойств контактируемых тел и скорости соударения формула трансформируется в следующий вид: , где v – скорость полета микрошариков; γ – плотность материала микрошариков; HB – твердость поверхности обрабатываемого материала. Твердость поверхностей резьбы 60 – 64 HRC эквивалентна твердости по Бринеллю 627 – 652 HB. Соответственную глубину наклепанного слоя находили по формуле , где D – диаметр микрошарика; k – коэффициент, учитывающий влияние многократности ударов на изменение глубины (из экспериментальных данных k = 1,3 – 1,6). Вычисление скорости полета микрошарика исходя из заданной степени пластической деформации U = 1,2 производилось решением в Microsoft Excel. Графики зависимостей степени относительной пластической деформации U и глубины наклепанного слоя а от скорости полета микрошариков представлены на рис. 6. Р и с. 6. Зависимость степени пластической деформации U и глубины наклепанного слоя а от скорости полета микрошариков Время, минимально необходимое для обеспечения сплошности наклепа поверхности, входящей в ядро распыла дроби, рассчитывается по формуле [5] , где F = 5652 мм 2 – площадь поверхности, входящая в ядро распыла дроби; D = 0,1 мм – диаметр дроби; R z = 20 мкм – исходная высота микронеровностей; N = 74·10 6 1/с – секундный расход микрошариков через сопло. Расчеты показывают, что достаточно двух секунд, чтобы покрыть требуемую площадь отпечатками. Определение остаточных напряжений в очаге пластически деформируемого слоя производилось с применением программного пакета ANSYS. При постановке объемной задачи предполагалось, что стальной шарик вдавливается в рабочую грань метчика с заданной скоростью 40 м/с. Считали также, что повторные отпечатки, оставляемые на поверхности другими дробинками, не оказывают заметного влияния на толщину упрочняемого слоя и глубину залегания остаточных напряжений. К материалу линейно упрочняемой поверхности из цементированной стали 12ХН3А применялись и упругие, и пластические свойства. Переходные процессы в системе заканчиваются через 10 микросекунд после столкновения. В качестве примера на рис. 7 показано распределение остаточных напряжений (в направлении, перпендикулярном к передней поверхности) в поверхностном слое после прямого удара микрошариком диаметром 0,1 мм. На глубине 14 – 18 мкм возникают наибольшие сжимающие остаточные напряжения σ y = 554 – 667 МПа, а на дне пластической лунки (на обработанной поверхности) – σ y = 317 – 342 МПа, что обеспечивает дополнительное упрочнение материала инструмента. Аналогичным образом распределены остаточные напряжения сжатия в радиальном и осевом направлениях. На глубине 15 мкм они составляют σ x = σ z = 1720 МПа, на поверхности – σ x = σ z = 566 – 579 МПа. Р и с. 7. Остаточные напряжения (МПа) Итак, для повышения прочности рабочей поверхности метчика необходимо выполнить заточку его передней грани на глубину 0,12 мм, а затем выбрать следующие параметры обработки поверхности микрошариками: диаметр микрошариков – 0,1 мм; скорость их полета – 40 м/с; угол падения микрошариков – от 40º до 90º; минимально необходимое время для обеспечения сплошности наклепа поверхности, входящей в ядро распыла дроби, – 2 с. Выводы 1. Наибольшие расчетные напряжения, превышающие предел прочности материала, возникают в вершине профиля резьбы метчика в момент его врезания в тело трубы. Пик разрушающих напряжений приходится на глубину 0,1 – 0,12 мм от передней грани инструмента. 2. Разработаны рекомендации по совершенствованию технологического процесса изготовления ловильного метчика, заключающиеся во введении двух дополнительных операций – заточки по передней поверхности на указанную выше глубину и последующего ее упрочнения микрошариками. Заточка позволяет удалить предельно охрупченный слой и подготовить поверхность под последующую обработку ППД. 3. Обработка микрошариками обеспечивает дополнительное упрочнение материала инструмента за счет формирования в поверхностном слое благоприятных, с эксплуатационной точки зрения, сжимающих остаточных напряжений. Максимальная величина этих напряжений достигает значений 1720 МПа и расположена на глубине 0,15 мм от поверхности. Непосредственно на поверхности формируются остаточные напряжения сжатия величиной до 580 МПа.

About the authors

Tamara A Shashkina

ZAO «SibTreidServis»

Email: tms@samgtu.ru
Engineer 32, building 208, Zemets st., Samara, 443052

Yury I Kurguzov

Samara State Technical University

Email: tms@samgtu.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaja st., Samara, 443100

Igor E Adeyanov

Samara State Technical University

Email: tms@samgtu.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaja st., Samara, 443100

References

Supplementary files