Расчетная часть-расчет бурильных труб: анализ напряженного состояния в переходной зоне от тела трубы к высадке при ее различной форме, 3.2 влияние формы высаженной частии переходной зоны наконцентрацию напряжений, 3.3 влияние угла наклона поверхности пере

Расчетная часть-Расчет бурильных труб: АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЕ ОТ ТЕЛА ТРУБЫ К ВЫСАДКЕ ПРИ ЕЕ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЕ, 3.2 ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ВЫСАЖЕННОЙ ЧАСТИИ ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЫ НАКОНЦЕНТРАЦИЮ НАПРЯЖЕНИЙ, 3.3 ВЛИЯНИЕ УГЛА НАКЛОНА ПОВЕРХНОСТИ ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЫ, ОТНОСИТЕЛЬНО ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕЛА ТРУБЫ НА КОЭФФИЦИЕНТ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ, 3.6 РАСЧЕТ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ, 3.6.2 РАСЧЕТ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЕ ОТ ТЕЛА ТРУБЫ К ВЫСАДКЕ ПРИ ЕЕ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЕ


 АНАЛИЗ НОМЕНКЛАТУРЫ СОВРЕМЕННЫХ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

 СОВРЕМЕННЫЕ БУРИЛЬНЫЕ ТРУБЫ

При изготовлении современных бурильных труб руководствуются геометрическими размерами принятыми в ГОСТе 50278-92. В нем представлены все геометрические размеры необходимые для их изготовления.
В настоящее время самыми покупаемыми являются стальные бурильные трубы с приварными замками диаметрами 114, 127 и 140 мм. Основываясь на этом факторе, из всей номенклатуры бурильных труб, они были взяты для дальнейшего анализа напряженного состояния в переходной зоне от тела трубы к высадке.


 АНАЛИЗ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ ПО ФОРМЕ ВЫСАЖЕННОЙ ЧАСТИ

Проанализируем напряжённое состояние в зоне высадки, используяпринятые размерывысаженной части трубы по ГОСТу 50278-92, после приварки замка и обточки зоны высадки по наружному и внутреннему диаметру, в зависимости от типа высадки, группы прочности, толщины стенки и диаметра трубы.
В тех случаях, когда высадка бурильных труб сделана одинаковой (с целью унификации инструмента) для труб Л и М, примем, что трубы имеют группу прочности М. Для труб групп прочности Д и Е, примем, что трубы имеют группу прочности Е.
Рассчитаем среднее значение напряжения, возникающее в зоне высадки бурильных труб, при действии на трубу напряжения растяжения равном пределу текучести труб (σ_т). Для этого воспользуемся геометрическими размерами бурильных труб представленных в ГОСТе 50278-92.
По представленным размерам найдем площадь поперечного сечения тела трубы и площадь поперечного сечения трубы в зоне высадки.
При расчете среднего значения напряжения, для бурильных труб группы прочности Р предел текучести примем по ГОСТу,равным σ_т=930 МПа; группы прочности М -σ_т=724 МПа; группы прочности Л -σ_т=655 МПа; группы прочности Е -σ_т=517 МПа.
Определив отношение площади поперечного сечения тела трубы к площади поперечного сечения трубы в зоне высадки, в зависимости от группы прочности трубы, рассчитаем значение среднего напряжения в высадке, а так же отклонение от среднего значения, для каждой трубы.


 РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА

Предварительный анализ показал зависимость исследуемых параметров от группы прочности. Поэтому необходимо проанализировать исследуемые параметры по каждой группе прочности отдельно.
Результаты расчёта, соотношения площадей поперечного сечения тела трубы, высадки, и напряжений в этих сечениях представлены в табл.3.1
 ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ «АНАЛИЗ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ ПО ФОРМЕ ВЫСАЖЕННОЙ ЧАСТИ»

Результаты расчёта показали, что допускаемые напряжения в металле, в зоне сварного шва (высадке), принимаются разными, в зависимости от группы прочности трубы, см.табл.3.2.

Таблица 3.2
Допускаемые напряжения в металле,в зоне сварного шва(высадке),
в зависимости от группы прочности трубы
Форма высадки ПК ПН
Группа прочности Р М Л Е Р М Л Е
Напряжение в высадке, МПа 349 310 309 275 393 384 296 267

Для труб ПН 1149 и ПН 11411 с наружной высадкой, групп прочности Р и М, допускаются повышенные значения напряжений в высадке, по сравнению с аналогичными значениями для труб с комбинированной высадкой.
Допускаемые напряжения в высадке уменьшаются в соответствии со снижением допускаемых напряжений по группе прочности.
Для труб с меньшей толщиной стенки напряжения в высадке ниже (меньше средних по группе). Для труб с большей толщиной стенки напряжения в высадке больше средних по группе.
В зависимости от диаметра трубы чётко выраженной зависимости не наблюдается.
Минимальная толщина стенки для всех рассматриваемых труб равна 9мм. Максимальная толщина стенки для труб диаметром 114мм и 140мм составляет 11мм,а для трубы 127мм – 13мм.
Для трубы диаметром 127мм диапазон толщин больше, отклонения от средних напряжений, в высаженной зоне, от средних в большую сторону выше, для труб с максимальной толщиной стенки.
В связи с вышеизложенным, для дальнейшего анализа напряжённо-деформированного состояния, в переходной зоне между телом трубы и высаженной частью методом конечных элементов принимаем трубы с комбинированной высадкой диаметром 127мм.
Следует проанализировать напряжённо-деформированное состояние – НДС, по следующим вариантам:
ПК 1279 группы прочности Р
ПК 12713 группы прочности Р
ПК 1279 группы прочности Е
ПК 12713 группы прочности Е
Для труб с наружной высадкой больший диапазон по группам прочности и наибольшие напряжения в высаженной части, наблюдаются у труб диаметром 114мм.
Для предварительного анализа напряжённо-деформированного состояния, в переходной зоне между телом трубы и высаженной частью, методом конечных элементов, принимаем трубы с наружной высадкой диаметром 114мм.
Следует проанализировать– НДС по следующим вариантам:
ПН 1149 группы прочности Р
ПН 11411 группы прочности Р
ПН 1149 группы прочности Е
ПН 11411 группы прочности Е
Длину высаженной части и переходных зон принимаем по номинальному значению.

 ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ВЫСАЖЕННОЙ ЧАСТИИ ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЫ НАКОНЦЕНТРАЦИЮ НАПРЯЖЕНИЙ

В табл.4 и табл.5 (ГОСТ Р 50278-92) указана длина внутренней высадки и минимальная длина наружной высадки, однако минимальная длина внутренней переходной части и минимальная длина наружной переходной части указаны только для некоторых типоразмеров бурильных труб, группы прочности Д и Е.
При моделировании этих участков руководствуемся пунктом 2.3. (ГОСТ Р 50278-92) гласящим: «Поверхность высаженной части трубы и место перехода её к части с толщиной стенки S не должны иметь резких уступов».
Только для труб ПК 1279 и ПК 12713, группы прочности Е (см.табл.3.3), имеются все исходные данные для моделирования переходной зоны, поэтому анализ НДС методом конечных элементов начнём с этих типоразмеров труби по результатам анализа уточним форму переходной зоны для труб других типоразмеров и групп прочности.
Приложив растягивающее усилие к телу трубы, создающее в нем напряжения растяжения в 100МПа (σ_ном) получили следующие картины НДС (см.рис.3.1 3.20).
3.5 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ДИАМЕТРАЛЬНОГО РАЗМЕРА ВЫСАДКИ

Проанализируем влияние величины высадки по диаметру, для случая наихудшего значения угла α=45°(с точки зрения величины коэффициента концентрации напряжений)используя диаметральные размеры трубы с наибольшей внутренней высадки (труба ПК1279 группы прочности Р), δ=19,35мм (см.рис.3.21) с различными радиусами скругления.
Чтобы проанализировать влияние величины высадки по диаметру в более широком диапазоне, смоделируем переходную зону бурильной трубыПК1279 группы прочности Р, с размерами внутренней высадки равными 50% (10мм) и 25% (5мм) от исходного размера.
В ходе моделирования бурильных труб с различной величиной высадки по диаметру было отмечено, что, чем меньше толщина трубы в зоне высадки, тем меньше концентраторы напряжений возникающие в переходной зоне.
Так же было отмечено, что при достижении радиусом скругления значения в 1м, коэффициент концентрации напряжений достиг значения 1,02 вне зависимости от величины высадки по диаметру.
Результаты расчетов представлены в табл.3.8 и на графиках рис.3.37.
 РАСЧЕТ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

Усталость металла – процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных напряжений (деформаций), приводящий к изменению свойств, образованию трещин и разрушению. Выносливость – свойство металла противостоять усталости.
Подавляющее большинство деталей бурового и нефтепромыслового оборудования и других конструкций в процессе службы претерпевает воздействие циклических изменяющихся нагрузок. Поэтому примерно 90% повреждений деталей связано с возникновением и развитием усталостных трещин. Трещины усталости создают предпосылки для хрупкого разрушения и в этом одна из главных причин их опасности. Ни при каких других видах разрушения характеристики прочности не зависят от такого большого числа факторов, как при усталостном разрушении.
Величина предела выносливости зависит не только от состава материала, его структуры, режима термической и механической обработки, поверхностного упрочнения, но и размеров образцов, вида напряженного состояния, наличия концентраторов напряжений, состояния поверхности образца, её шероховатости, среды испытания, контакта с другими деталями и т.д.

 ОБОБЩЕННЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ СНИЖЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ

Предел выносливости деталей ниже пределавыносливости стандартных образцов, испытываемых в лабораториях. Снижение предела выносливости обусловлено не тольконаличием концентраторовнапряжений, но и размерами детали, качеством поверхности. Некоторое повышение предела усталостной прочности можно получить при поверхностной обработкедетали.
Снижение усталостной прочности детали происходит, в основном, от действия местных напряжений, вызванных наличием концентраторов напряжений металлургического, технологического или конструкторского происхождения.
Отношение предела выносливости -1 стандартного образца без концентратора напряжений к пределу выносливости такого же стандартного образца с концентратором напряжений -1к называется эффективным коэффициентом концентрации нормальных напряжений К

K_σ=σ_(-1)/σ_(-1k) . (3.2)

Эффективный коэффициент концентрации зависят от формы детали и материала. Значения эффективного коэффициента концентрации напряжений обычно меньше теоретического коэффициентаопределяемого отношениемнаибольшего местного напряжения к номинальному.

α_σ=σ_max/σ_ном , (3.3)

где σ_max- теоретическое напряжение, максимальное для данного сечения,
определенное методом теории упругости или экспериментально,
σ_ном- номинальное напряжение, найденное без учета концентратора

Для оценки влияния свойств материала пользуются коэффициентом чувствительности металла:

q_σ=(K_σ-1)/(_σ-1). (3.4)

Зная коэффициенты чувствительности металла и теоретические коэффициенты концентрации напряжений, можно определить эффективные коэффициенты концентрации напряжений:

К_σ=q_σ∙(α_σ-1)+1. (3.5)

При действии циклических напряжений начало разрушения связано с образованием местной поверхностной трещины. Очевидно, что в случае чистой и тонко обработанной поверхности предел усталости возрастает. При грубой обработке наличие мелких поверхностных дефектов приводит к снижению поверхностной прочности. Для материалов, обладающих большей чувствительностью к местным напряжениям, влияние состояния поверхности будет более заметным.
Обобщенный коэффициент снижения усталостной прочности детали, учитывающий концентрацию напряжений, чистоту поверхности, масштабный фактор и поверхностную обработку детали, определяется по формуле:

(К_σ )_Д=(K_σ+K_F-1)/(K_(d\,σ)∙K_V ). (3.6)

 РАСЧЕТ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ

Для расчета усталостной прочности деталей существует последовательность, следуя которой можно рассчитать коэффициент запаса усталостной прочности.

1.Из условий нагружения определяются напряжения.
При стационарном нагружении, для симметричного цикла σ_a

2. Определяется величина σ_(-1)=α_1∙σ_в

3. Определяется коэффициент K_

4. Определяются коэффициенты K_F, K_(d\,σ)и K_V

5. Определяется обобщенный коэффициент снижения усталостной прочности, определяется по формуле 3.6:

(К_σ )_Д=(K_σ+K_F-1)/(K_(d\,σ)∙K_V )

6. Определяется коэффициент запаса усталостной прочности:

n_σ=σ_(-1)/(σ_a∙(К_σ )_Д ). (3.7)

В расчетах буровых машин и нефтепромыслового оборудования на выносливость минимально допустимые значения коэффициента запаса прочности регламентируются отраслевыми нормами, а в случае их отсутствия принимаются равными 1,3 – 1,5.
Так как параметры σ_(-1) и σ_aиндивидуальны для каждого рассматриваемого случая, то коэффициент запаса усталостной прочности n_σв основном зависит от обобщенного коэффициента снижения усталостной прочности (К_σ )_Д,который остается постоянным,поэтому целью нашего расчета является определение этого параметра.
Полученные коэффициенты концентрации напряжений являются теоретическими и их необходимо перевести в реальные с учетом чувствительности материалов к концентраторам напряжений.
Для высадок бурильных труб реальные значения концентраторов напряжений нам неизвестны. Однако имеются данные для концентраторов напряжений в ступенчатых валах и осей с галтелью [5].
Смоделировав галтель с параметрами близкими параметрам высадки, получим теоретическое значение концентратора напряжений рис.3.38 и фактические, для разных материалов, табл.3.9.
Прикладывая растягивающее усилие на ступенчатый вал, приводящее к возникновению растягивающих напряжений в его части меньшего диаметра равные 100МПа, получаем напряжение в зоне концентратора 162 МПа и теоретическое значение коэффициента концентрации напряжений α_σ=1,62.