РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

Изобретение относится к буровой технике и касается преимущественно резьбового соединения замков бурильных труб нефтяного и геологоразведочного сортамента.

Известен наиболее близкий аналог, принятый за прототип, резьбовое соединение с конической резьбой бурильного замка фирмы «Хайдрил» /1/, которое имеет два упорных стыка - наружный и внутренний и, как показали исследования, наличие дополнительного внутреннего упорного стыка позволяет в 1,5 раза увеличить крутящий момент затяжки соединения /2/.

Однако, такое соединение имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что обеспечить надежный контакт и заданные нагрузки одновременно по трем поверхностям - по конической резьбе, наружному и внутреннему упорным стыкам - практически невозможно, несмотря на весьма жесткий допуск, задаваемый на расстояние между наружными и внутренними упорными торцами и упорными уступами ниппеля и муфты соединения.

В результате, один из упорных стыков оказывается недогруженным, а другой, наоборот, - перегруженным. Особую опасность представляет случай, когда из-за незначительных отклонений от заданных допусков, недогруженным, или даже вовсе открытым, оказывается наружный упорный стык, так как это приводит к ускоренному усталостному разрушению резьбы и, как следствие, к обрыву и аварии с бурильной колонной. Стендовые испытания на усталость при знакопеременном консольном изгибе натурных образцов бурильных труб ССК-59 с такими соединениями показали, что в зависимости от точности исполнения параметров, образующих их упорные стыки, циклическая долговечность соединения может отличаться на порядок /2/.

Именно этим недостатком объясняется тот факт, что, несмотря на предложения отдельных фирм, резьбовые соединения с двумя упорными стыками не находят своего отражения как в отечественных (ГОСТ 27834; ГОСТ 7918), так и в международном (7API) стандартах на бурильные замки

Исключение составляют только соединения тонкостенных обсадных и бурильных труб, применяемых при бурении со съемным керноприемником, функциональные возможности которых, в особенности по величине передаваемого на породоразрушающий инструмент крутящего момента последних без дополнительного внутреннего упорного стыка, весьма ограничены.

Задача изобретения состоит в создании резьбового соединения, в котором заданная нагрузка на внутренний упорный стык обеспечивается и поддерживается в процессе всего периода его, функционирования и не обусловлена жестким допуском на расстояние между упорными торцами и упорными уступами соединяемых деталей, образующими наружный и внутренний упорный стыки, а также их износом

Для решения этой задачи в резьбовом соединении бурильной трубы, включающем муфту и ниппель, образующих при свинчивании и затяжке наружный и внутренний упорные стыки, между упорным уступом муфты и упорным торцом ниппеля установлена прорезная пружина так, что между упорным уступом ниппеля и упорным торцом муфты образуется ликвидируемый в процессе затяжки соединения и сжатия пружины зазор, величина которого равна ходу пружины и, согласно ее параметрам, строго соответствует заданной осевой нагрузке на внутренний упорный стык, благодаря чему, после затяжки соединения, обеспечивается также строго заданная осевая нагрузка на наружный стык, как разница между общей силой затяжки резьбового соединения и силой, создаваемой пружиной на внутренний упорный стык.

Изобретение иллюстрируется чертежом (фиг.1), где представлено предлагаемое резьбовое соединение в виде бурильного замка, включающего ниппель 1, муфту 2 и прорезную пружину 5, которая установлена между упорным уступом 3 муфты и упорным торцом 4 ниппеля. При этом между упорным уступом 6 ниппеля и упорным торцом 7 муфты образуется зазор h, который ликвидируется в процессе затяжки соединения и сжатия пружины. Величина зазора h равна ходу пружины h₀ и, согласно ее параметрам, строго соответствует заданной осевой нагрузке на внутренний упорный стык. Благодаря этому, после затяжки соединения, обеспечивается также строго заданная осевая нагрузка на наружный упорный стык, как разница между общей силой затяжки резьбового соединения и силой, создаваемой пружиной на внутренний упорный стык.

Заявляемое устройство позволяет решить поставленную задачу.

Действительно, установленная в резьбовом соединении бурильных труб между упорным уступом муфты и упорным торцом ниппеля прорезная пружина имеет параметры, обеспечивающие, при ее сжатии на величину хода h=h₀, заданную осевую силу затяжки внутреннего упорного стыка. В результате этого одновременно обеспечивается строго заданная осевая сила затяжки наружного упорного стыка, так как она представляет собой разницу между строго задаваемой общей осевой силой затяжки резьбового соединения и строго обеспечиваемой пружиной осевой силой на внутреннем упорном стыке.

В обычном резьбовом соединении сила затяжки наружного и внутреннего упорного стыка обеспечивается деформацией опорных поверхностей соединяемых деталей, которая составляет всего 0,10-0,15 мм, что с одной стороны обусловливает соответствующий весьма жесткий допуск на расстояние между упорными стыками. С другой стороны, в процессе многократной сборки-разборки соединения при спуско-подъемных операциях, это точно заданное расстояние нарушается из-за износа опорных поверхностей, что приводит к существенным изменениям заданных соотношений осевых сил на обоих упорных стыках и снижению функциональных возможностей резьбового соединения.

В предлагаемом резьбовом соединении с применением прорезной пружины, деформация которой на порядок выше, чем у материала деталей соединения, требования к точности расстояния между упорными стыками резко снижаются, а износ опорных поверхностей не оказывает существенного влияния на заданную осевую силу затяжки соединения на внутренний стык, так как его величина также на порядок меньше хода пружины.

Пример реализации предлагаемого резьбового соединения бурильных труб.

В качестве примере принимаем приварной бурильный замок ЗП-95-32 по ГОСТ 27834 к бурильной трубе ПВ 73×9 по ГОСТ 50278.

Общая сила затяжки Q резьбового соединения

где:

М=4700 Нм - оптимальный момент затяжки для резьбы 3-73 /1/;

d_cp=0,0667 м - средний наружный диаметр замковой резьбы 3-73 посередине ее длины;

µ=0,16 - коэффициент трения в резьбе, подвергнутой фосфатированию или меднению /3/.

Q=4700/0,0667·0,16=440000 H

Площадь опорной поверхности упорных стыков, мм²: наружного - 2118; внутреннего - 1280, суммарная 3398. Принимая силы на стыках пропорциональными площади соответствующей опорной поверхности, находим осевую силу, которую необходимо задать для внутреннего стыка

Р=Q·1280/3398=440000·0,376=165000 H

Подбор и расчет на прочность прорезной пружины проводим согласно рекомендациям, изложенным в работе /4/.

В соответствии с диаметром резьбы 3-73 у большего основания конуса принимаем наружный диаметр прорезной пружины равным 60 мм. Внутренний диаметр ее не может быть меньше диаметра проходного канала соединения, принимаем его равным 32 мм, откуда средний радиус пружины составляет R=23 мм, а ширина ее b=14 мм.

Путем предварительных расчетов с учетом длины корпуса муфты под ключ I_м=204 мм (см. фиг.1) устанавливаем толщину (высоту) образуемых при фрезеровании пазов колец t=25 мм, число колец i=4 и перемычек на одном из торцов кольца n=2. Принимая высоту прорези равной 3 мм, получим высоту (длину) пружины: 25·4+3·3=109 мм (см. фиг.1).

Ход (осадка) пружины определяется из выражения:

где:

ε - безразмерный коэффициент;

P - осевая сила;

R - средний радиус кольца пружины;

n - число перемычек на одном из торцов кольца пружины;

B - жесткость сечения кольца на изгиб;

B=b·t³·E/12;

b - ширина кольца пружины;

t - толщина (высота) кольца пружины;

E - модуль упругости материала пружины при изгибе;

i - число рабочих колец пружины;

ε=ν(β-χ·sinβ);

ν - коэффициент;

ν=B/C;

C - жесткость сечения кольца на кручение;

C=J·G

J - полярный момент инерции пружины при кручении;

G - модуль упругости материала пружины при кручении

β - половина угла между перемычками пружины;

β=0,5 π/n;

χ - коэффициент;

χ=2ν·sinβ/|β(1+ν)-0,5((1-ν)sin2β|

Помимо установленных выше, определяем значения остальных исходных величин, входящих в выражение (2)

Е=2,06·10⁵ Н/мм²; В=14·25³·2,06·10⁵/12=0,38·10¹⁰ Н·мм²; J=0,1(60⁴-32⁴)=0,119·10⁷ мм⁴; G=7,8·10⁴ Н/мм²; G=0,119·10⁷·7,8·10⁴=0,93·10¹¹ Н·мм²; ν=В/С=0,04; β=0,5·180/2=45°; χ=2·0,04·0,7/45(1+0,04)-0,5(1-0,04)·1=0,001; ε=0,04(45-0,001·0,7)=1,8

Подставив полученные величины в выражение (2), получим ход разрезной пружины

h₀=1,8·165000·23³·4/2·0,38·10¹⁰=1,90 мм

Определяем максимальное приведенное напряжение у перемычек пружины

где:

ξ - коэффициент, зависящий от отношения t/b. Согласно таблице, приведенной в работе (4), при значении t/b=25/14=1,78 величина ξ=1,34 и тогда

σ=1,34·165000·23/14·25²=581 Н/мм²

В качестве материала для прорезной пружины принимаем согласно ГОСТ 14959 рессорно-пружинную сталь марки 60С2А с пределом текучести 1372 Н/мм². Запас прочности пружины из этой стали составит

ϑ=1372/581=2,4.

Осевую силу затяжки и соответственно статическую и циклическую прочность резьбового соединения с двумя упорными стыками можно увеличить в 1,5 раза /2/, т.е. принять ее равной

165000·1,5=247500 H.

Тогда ход пружины согласно выражению (2) также увеличится в 1,5 раза и будет равен

h₀=1,95·1,5=2,85 мм.

Следовательно, в этом случае (см. фиг.1) величины h=h₀ должны быть приняты равными 2,85 мм, а запас прочности пружины соответственно уменьшится в 1,5 раза и составит

2,4/1,5=1,6,

что достаточно.

Общая осевая сила затяжки такого резьбового соединения составит

Q=440·1,5=660 кН,

а крутящий момент затяжки согласно выражению (1)

660·0,0667·0,16=7,04 кНм = 7040 Нм.

Таким образом, наличие прорезной пружины в предлагаемом резьбовом соединении обеспечивает создание строго заданных осевых нагрузок на внутренний, и, как следствие, на наружный упорный стык и сохранение их соотношения на весь период эксплуатации, так как оно практически не зависит от допуска на расстояние между ними и от износа составляющих их опорных поверхностей. Надежное функционирование обоих упорных стыков позволяет увеличить общую осевую силу затяжки резьбового соединения в 1,5 раза и соответственно повысить его статическую прочность и циклическую долговечность.

Литература:

1. Трубы нефтяного сортамента. Справочник / Под общей ред. А.Е. Сарояна. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1987. 488 с.

2. Лачинян Л.А. Работа бурильной колонны. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1992. - 214 с.: ил.

3. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. - М.: Машиностроение, 1990. - 368 с.: ил.

4. Биргер И.А. и др. Расчет на прочность деталей машин: Справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993. - 640 с.: ил.