Stress-strain state of the pipe threaded connection with triangular thread under stretching

Full Text

При проектировании обсадных колонн нефтяных и газовых скважин одним из основных является расчет на растяжение под действием собственного веса колонны. В этом расчете для труб с треугольной резьбой предельной считается так называемая «страгивающая нагрузка», при которой в наиболее опасном сечении резьбового соединения напряжения достигают предела текучести или происходит смещение (страгивание) ниток резьбы [1]. Определение страгивающей нагрузки Рст (в кН) производят по формуле Яковлева - Шумилова , (1) где Dс - средний диаметр сечения по впадине полного витка резьбы (в основной плоскости), мм; ; (2) где D - номинальный диаметр трубы, мм; H - глубина резьбы, мм; b - толщина стенки трубы по впадине того же витка, мм; σт - предел текучести материала трубы, МПа; α - угол профиля, градус; φ - угол трения, градус; l - длина резьбы с полным профилем (до основной плоскости), мм; η - коэффициент разгрузки; s - толщина стенки трубы, мм; . (3) Допускаемая растягивающая нагрузка определяется выражением , (4) где nз - коэффициент запаса прочности, устанавливаемый в пределах 1,15-1,45 в зависимости от диаметра и длины обсадной колонны. Эта зависимость заложена в нормативные расчетные документы отрасли, хотя она не лишена недостатков. В ней не учтены напряжения, возникающие в результате свинчивания соединения с натягом, и некоторые другие факторы. Развитие вычислительной техники и программного обеспечения позволило более глубоко исследовать напряженно-деформированное состояние (НДС), несущую способность и герметичность этого соединения. В настоящей работе приведены результаты исследования НДС методом конечных элементов [2-6]. При этом создается виртуальная модель резьбового соединения со свойствами материала, соответствующими свойствам реального объекта, и приложением нагрузок и других воздействий, соответствующих реальным воздействиям. В результате воздействий конструкция приобретает напряженно-деформированное состояние, соответствующее НДС реального объекта. Точность решения отвечает требованиям инженерного расчета. Таким образом, расчет методом конечных элементов представляет собой выполнение виртуального эксперимента, выполняемого в компьютере. Рис. 1. График зависимости перемещение торца трубы - усилие растяжения (крестиком помечено усилие, вычисленное по формуле Яковлева - Шумилова) Для выполнения эксперимента построена модель резьбового соединения с короткой треугольной резьбой обсадной трубы по ГОСТ 632-80. Труба диаметром 168 мм с толщиной стенки 8 мм выполнена из стали группы прочности D. Страгивающая нагрузка, рассчитанная по формуле Яковлева - Шумилова, составляет 951 кН [1]. Соединение свинчено с номинальным натягом - осевой натяг 9,5 мм или 3 оборота после свинчивания от руки. Радиальный натяг на одну сторону 0,3 мм. В результате создания натяга в соединении обе детали деформируются. Анализ показал, что напряжения в ниппеле превысили предел текучести, т. е. имеют место пластические деформации. Результаты расчета приведены в табл. 1 и на рис. 1. По формуле Яковлева - Шумилова для данного случая усилие страгивания резьбы составляет 96 т. В табл. 2 и на рис. 2 и 3 представлено изменение продольного усилия по виткам ниппеля и нагрузка на каждый виток при приложении максимального растягивающего усилия. Таблица 1 Перемещения и соответствующие им нагрузки в соединении Перемещение, мм Нагрузка, т 0 0 0,2 103,9 0,4 127,0 0,6 130,8 0,8 133,7 1,0 135,9 1,2 138,0 1,4 139,9 Таблица 2 Изменение продольной силы по виткам резьбы № витка ниппеля с полным профилем Продольная сила, Н Примечание 1 0,13988×107 2 0,13984×107 3 0,13988×107 Перед первым нагруженным витком 4 0,11906×107 После первого нагруженного витка 5 0,10388×107 6 0,93139×106 7 0,87274×106 8 0,81896×106 9 0,76243×106 10 0,70631×106 11 0,64771×106 12 0,58562×106 13 0,52028×106 14 0,45196×106 15 0,38124×106 16 0,30942×106 17 0,23848×106 18 0,17094×106 19 0,10943×106 20 54611,0 21 0,00 Рис. 2. Изменение продольной силы по виткам резьбы Рис. 3. Нагрузка на виток Анализ результатов моделирования показал, что при растягивающей силе 96 т (что соответствует страгивающей нагрузке по Яковлеву - Шумилову) давление на нижней (не рабочей) контактной поверхности витка ниппеля практически отсутствует, а при растягивающей нагрузке 110 т его вообще нет. Основные выводы: - при свинчивании с номинальным натягом ниппельная часть резьбового соединения подвержена необратимым пластическим деформациям; это подтверждает положение о том, что данное соединение сохраняет все свойства только при однократном свинчивании; - расчет по формуле Яковлева - Шумилова определяет усилие, выше которого происходит смещение контактных поверхностей витков ниппеля относительно витков муфты и раскрывается зазор на нерабочей поверхности витка; - предельная несущая способность резьбового соединения выше рассчитанной по формуле Яковлева - Шумилова (в данном примере в 140/96=1,46 раза).

About the authors

Vladimir L Papirovsky

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

References

Supplementary files