щ
наука - производству
Экспериментальное изучение усталостной прочности высаженной части бурильных труб
С.О. ШЕСТЕРКИН,
аспирант кафедры
В.Б. ОПАРИН,
д.ф-м.н., профессор, заведующий кафедрой
oparin_v_b@mail.ru
М.В. ПЕТРОВСКАЯ,
преподаватель кафедры
«Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» Самарский государственный технический университет
EXPERIMENTAL STUDY OF THE FATIGUE STRENGTH OF THE BUTTED DRILL TUBE
S. SHESTERKIN, V. OPARIN, M. PETROVSKAYA, Samara state technical University
There are destruction associated with fatigue fracture in the transition zone between the pipe body and butted part during the operation of drill pipes. The calculations in the ANSYS program has shown that by introducing a circularization radius it is possible to reduce the coefficient of stress concentration that occurs in the transition zone.
Key words: stress concentration, drill tube, fatigue fracture butted part of drill tube coefficient of stress concentration
В процессе эксплуатации бурильных труб возникают разрушения, связанные с усталостным изломом в переходной зоне между телом трубы и ее высаженной частью. Расчеты в программе ANSYS показали, что с помощью введения радиуса скругления можно снизить коэффициент концентрации напряжений, возникающих в переходной зоне.
80 70 60 ^ 50
1 40 | 30
ТО
1 20 10 0
Бурильные трубы - важный компонент любой буровой установки. От их качества зависит успех безаварийного бурения скважин. Большинство эксплуатируемых бурильных труб изготавливается путем приваривания ниппеля и муфты замкового соединения к телу собственно бурильной трубы. Так как оно имеет меньшую толщину, чем замок, концы труб утолщаются внутренней или комбинированной высадкой - для увеличения их прочности. При изготовлении высадки наружную часть можно контролировать, используя заранее изготовленные оправки. Геометрия внутренней высадки регламентируется Пунктом 2.3 ГОСТа 50278-92: «...поверхность высаженной части трубы и места перехода ее к части с толщиной стенки S не должны иметь резких уступов» [1]. Именно здесь из-за возникновения зоны концентрации напряжений нередко происходит разрушение бурильной трубы вследствие усталостного излома.
В работах [2, 3, 4] проведено теоретическое исследование (в программе ANSYS
Образцы с 1 по 5
23
Рис. 1. Зависимость где 1 - R=0 м, 2 -
5 6 7 8 9 10 11 Перемещение [mm]
12 13 14 15 16
деформации от прикладываемой к образцам нагрузки, - R=0,01 м, 3 - R=0,033 м, 4 - R=0,1 м, 5 - R=0,33 м
Экспериментальное изучение усталостной прочности высаженной части бурильных труб подтвердило, что введение радиуса скругления переходной зоны способствует повышению максимально выдерживаемой нагрузки и, как следствие, повышению долговечности бурильных труб.
методом конечных элементов), которое показало, что введение радиусов скругле-ния переходной зоны уменьшает коэффициент концентрации напряжения на 40%, и, как следствие, уменьшается обобщенный коэффициент снижения усталостной прочности трубы в пределах 20%.
Проводилось экспериментальное исследование концентрации напряжений в зоне высадки с использованием испытательной системы INSTRON 5988. Изготавливались образцы в виде сегментов бурильной трубы 127х9 с заданной геометрической формой переходной зоны из стали 40ХН2МА.
Было установлено, что введение минимального радиуса скругления переходной зоны ведет к снижению зоны концентрации напряжений, а как следствие - разрыв образца происходит при большей нагрузке и более приближен к телу трубы, нежели к переходной зоне (рис. 1, 2).
Как видно из рис. 1, при увеличении радиуса скругления переходной
0
4
наука - производству
щ
Рис. 2. Образцы после разрыва
Рис. 3. Микроструктура образцов. Сорбит
зоны возрастает максимальная нагрузка, при которой происходит разрыв образца (табл.).
Так как не все образцы показали одинаковую зависимость в дислокации места разрыва, был проведен маталлографический анализ образцов с целью выяснения однородности структуры металла. С помощью растрового электронного микроскопа JEOL-6390A были получены фотографии микроструктуры металла образцов и проведены измерения микротвердости, которые показали, что образцы имеют одинаковую микроструктуру - сорбит (рис. 3).
Проведенное практическое исследование подтвердило исследование по численному эксперименту в программе ANSYS методом конечных элементов. Введение радиуса скругления переходной зоны способствует повышению максимально выдерживаемой нагрузки и, как следствие, повышению долговечности бурильных труб.
Было установлено, что введение минимального радиуса скругления переходной зоны ведет к снижению зоны концентрации напряжений, а как следствие - разрыв образца происходит при большей нагрузке и более приближен к телу трубы, нежели к переходной зоне.
Табл. Исследование концентраций напряжений бурильных труб в зоне высадки
Номер образца Радиус скругления Максимальная нагрузка [kN] Напряжение растяжения при максимальной Деформация при растяжении (перемещение) при максимальной нагрузке [%]
[m] нагрузке [MPa]
1 0 67,38398 434,79144 7,15
2 0,01 70,69184 453,37079 10,26
3 0,033 71,45151 441,78275 10,39
4 0,1 73,49152 439,45853 9,20
5 0,33 77,71732 453,08505 9,11
Литература
1. ГОСТ Р 50278 - 92. Трубы бурильные с приваренными замками.
2. Шестеркин С.О., Опарин В.Б., Папировский В.Л. Анализ усталостного излома в бурильных трубах // Бурение и нефть. 2012. №3 С. 30 - 31.
3. Шестеркин С.О., Опарин В.Б., Папировский В.Л. Расчет обобщенного коэффициента снижения усталостной прочности бурильной трубы для различных сталей // Бурение и нефть. 2012. №12. С. 28 - 30.
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. 28 - 29.
5. ГОСТ 54383-2011. Трубы стальные бурильные для нефтяной и газовой промышленности.
6. ГОСТ 10006-80. Трубы металлические. Метод испытания на растяжение.
Literature
1. GOST-R 50278-92. Drill pipes with welded locks.
2. Shesterkin S.O., Oparin V.B, Papirovskiy V.L. Analysis of fatigue fracture in drill pipes / Drilling and oil. 2012. No. 3 Pp. 30 - 31.
3. Shesterkin S.O., Oparin V.B., Papirovskiy V.L. The Calculation of composite fatigue strength configuration of drill pipe for different steels// Drilling and oil. 2012. No. 12. Pp. 28 - 30.
4. Shesterkin S.O., Oparin V.B, Papirovskiy V.L. An in-depth analysis of fatigue fracture in the drill pipe and the method of its solution // Drilling and oil. 2013. No.1. Pp.28 - 29.
5. GOST 54383-2011. The steel drill pipe for oil and gas industry.
6. GOST 10006-80. A metal pipe. Method of tensile test
Ключевые слова: концентрация напряжений, бурильные трубы, усталостный излом, высаженная часть трубы, коэффициент концентрации напряжений
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.