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


Cite item

Abstract

This paper is devoted to using of the finite element method for stress-strain state of the pipe threaded connection. A model of casing threaded connection (diameter 168 mm, thickness 8 mm) is created. A dependence of the butt-end move from the stretching force is determined. A comparison of the results with the traditional calculation method is followed. Also dependence of linear force from the number of thread is determined. It is achieved that pipe connection retains its properties only after single screwing. Also it is determined that the connection bearing strength is greater than the value determined by Yakovlev-Shumilov formula.

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

  1. Айзуппе Э.А. Трубы нефтяного сортамента: конструкция и расчет: Учеб. пособие для вузов. - Самара: Самар. гос. техн. ун - т, 2004. - 300 с., ил.
  2. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров. - М: Машиностроение-1, 2004. - 510 с., ил.
  3. Папировский В.Л., Шестеркин С.О., Опарин В.Б. Анализ усталостного излома в бурильных трубах // Бурение и нефть. - 2012. - № 3. - С. 30-31.
  4. Шестеркин С.О., Опарин В.Б., Папировский В.Л. Углубленный анализ усталостного излома в бурильных трубах и метод его решения // Бурение и нефть. - 2013. - № 1. - С. 32-33.
  5. Папировский В.Л., Опарин В.Б., Елфимова И.Д. Анализ уплотнений обсадных труб премиум - класса // Бурение и нефть. - 2014. - № 4. - С. 28-29.
  6. Григорян Л.Г., Папировский В.Л., Игнатенков Ю.И., Иваняков С.В., Коноваленко Д.В. Совершенствование конструкции узла ввода газа для снижения температурных напряжений // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки. - 2014. - № 2 (42). - С. 174-178.

Copyright (c) 2015 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies