Разработка методов и средств для совершенствования процесса развинчивания насосно-компрессорных труб тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат наук Вадигуллин, Артур Дулкынович

• Вадигуллин, Артур Дулкынович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Вадигуллин, Артур Дулкынович

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1 - Исследование актуального состояния проблемы свинчивания-развинчивания резьбовых соединений насосно-компрессорных труб

1.1 Функциональное назначение и качество резьбовых соединений

1.2 Основные направления повышения эффективности процесса свинчивания-развинчивания труб

1.3 Факторы, влияющие на ресурс резьбовых соединений

1.4 Процесс механического износа резьбовых соединений

1.5 Анализ сил, действующих в резьбовом соединении труб

1.6 Применение акустического, теплового и комбинированного методов воздействий для повышения эффективности процесса свинчивания -развинчивания резьбовых соединений труб

1.7 Выводы по главе

Глава 2 - Исследование влияния теплового воздействия на напряженное

состояние резьбового соединения

2.1 Расчет напряженно-деформированного состояния конической резьбы

2.2 Определение оптимального времени воздействия

2.3 Расчет изменения напряжений при тепловом воздействии

2.4 Выводы по главе

Глава 3 - Экспериментальное исследование процесса свинчивания-

развинчивания насосно-компрессорных труб с применением теплового воздействия

3.1 Оборудование, контрольно-измерительные устройства для проведения исследований

3.2 Исследование влияния тепла на процесс развинчивания НКТ

3.3 Результаты испытаний

3.4 Выводы по главе

Глава 4 - Оптимизация характеристик теплового воздействия на процесс

свинчивания-развинчивания

4.1 Определение параметров теплового воздействия на НКТ

4.2 Выбор метода планирования эксперимента

4.3 Параметр оптимизации, факторы управляемые и неуправляемые (контролируемые)

4.4 Обезразмеривание определяющих параметров

4.5 Определение границ изменения и шага варьирования влияющих факторов

4.6 Выбор плана многофакторного эксперимента

4.7 Результаты опытов в первой серии и обработка результатов эксперимента

4.8 Опыты на градиенте параметра оптимизации и обработка результатов эксперимента

4.9 Перенос оптимальных условий на другие типоразмеры НКТ

4.10 Обсуждение результатов и выводы

Глава 5 - Промысловые испытания метода теплового воздействия

5.1 Методика промысловых испытаний

5.2 Результаты промысловых испытаний

5.3 Экономическая эффективность внедрения метода теплового воздействия и устройства для её реализации

5.4 Выводы по главе

Глава 6 - Повышение эффективности развинчивания резьбовых соединений

методом «натяжения - вдавливания»

6.1 Влияние осевых усилий на моменты развинчивания в резьбовых соединениях

6.2 Методика проведения эксперимента

6.3 Оптимизация характеристик осевого воздействия на процесс свинчивания-развинчивания

6.3.1 Параметр оптимизации, факторы управляемые и неуправляемые

(контролируемые)

6.4 Перенос оптимальных условий на другие типоразмеры НКТ

6.5 Оценка оптимума в промысловых условиях

6.6 Обсуждение результатов и выводы

Заключение, выводы

Список литературы

Приложения

П. 1 Акт о результатах промысловых испытаний метода теплового

воздействия и конструкции теплового раскрепителя

П. 2 Расчет экономической эффективности от внедрения теплового

раскрепителя

П. 3 Справка о внедрении метода в ООО «НКТ-Сервис»

П. 4 Патент на изобретение

П. 5 Листинг расчета коэффициентов регрессионного уравнения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и средств для совершенствования процесса развинчивания насосно-компрессорных труб»

Введение

На содержание парка насосно-компрессорных труб (НКТ) требуется порядка 35% затрат от себестоимости добываемой нефти всей России. Покупка новых труб для строящихся скважин и для восстановления выбывших из использования, ремонта эксплуатационного фонда труб, заключается, как правило, в привлечении значительных средств.

Из промысловой статистики известно, что основная причина, по которой резьба НКТ выходит из строя, это его механическое разрушение и коррозионный износ. Причем интенсивность коррозионного разрушения увеличивается многократно при повышении агрессивности добываемой среды. Механическое разрушение происходит в результате того, что эксплуатация НКТ в скважине, сопровождающаяся сочетанием высокой статической и знакопеременной нагрузкой, приводит к схватыванию и прилипанию резьб друг к другу. Раскручивание такого соединения в процессе спуско-подъемных операций (СПО) сопровождается возникновением «задиров» и приводит к полному разрушению резьбы. Все это вместе взятое приводит к потере герметичности колонны НКТ в процессе эксплуатации, а эксплуатационной ресурс НКТ существенно снижается.

По статистике (рисунок 1), количество «неотворота» труб в ОАО «Татнефть» составляет в среднем 5-6 труб из 145 труб на одну скважину при ПРС, что составляет 3 % труб на одну скважину. И во всех случаях трубы развинчивают, зачастую, путем приложения «упругих колебаний» в виде ударов по муфте и чрезмерных усилий развинчивания, приводящих к деформации резьбы, а как следствие, к пополнению количества негодных к ремонту труб. Разработка и внедрение в процесс развинчивания резьбовых соединений методов теплового и осевого воздействия, применение которых сдерживается отсутствием как теоретических расчетов зависимости параметров процесса от характеристик свинчиваемых соединений, так и практически реализуемых схем устройств, позволило бы снизить моменты при развинчивании НКТ, исключить задиры и т.п., повысить общий ресурс,

25000

3,2%

Абсолютное и относительное количество

22000

23000

24000

I I

<5 з,о%

2,8%

2,9%

3,1%

Годы

21000

2,7%

2010 2010 2011 2011 2012 2012 2013

Рисунок 1 - Статистика «неотворота» труб при ПРС в ОАО «Татнефть»

за период 2010-2012 годы.

- поэтому разработка теплового и осевого методов воздействия при развинчивании для НКТ представляется актуальной задачей.

Заметный вклад в изучение процессов, происходящих на витках резьб при свинчивании-развинчивании, внесли ученые Н. Е. Жуковский, С. А. Рекин, А. Г. Герасимов, А. С. Галеев, А. А. Гусев, А. М. Дальский, Д. Я. Ильинский, Н. И. Камышный, И. И. Капустин, В. В. Косилов, М. С. Лебедовский, К. Я. Муценек, М. П. Новиков, А. Е.Сароян, А. Н. Рабинович, Б. Л. Штриков и др.

При этом в основе большинства научных работ лежат исследования, являющимися фундаментальными, Д. Н. Гаркунова, М. Н. Добычина, И. В. Крагельского, В. С. Комбалова, Н. М. Михина, А. В. Чичинадзе и др.

В соответствии с изложенным целью работы является повышение эффективности процесса развинчивания резьбовых соединений НКТ снижением момента развинчивания.

Для достижения указанной цели, решались следующие задачи исследования:

1 Теоретическое исследование влияния факторов, определяющих характер теплового и осевого воздействий на процесс развинчивания НКТ.

2 Экспериментальное определение оптимальных параметров теплового и осевого воздействия на процесс развинчивания НКТ.

3 Разработка критериев переноса оптимальных параметров теплового и осевого воздействий для применяемых типоразмеров НКТ.

4 Разработка конструкции, проведение опытно-промышленных испытаний.

Методы решения задач

Решение поставленных задач были найдены с помощью законов термодинамики, теории упругости и рационального планирования эксперимента.

Научная новизна

1 В рамках разработанной математической модели процесса теплового воздействия на соединение «муфта-ниппель» НКТ установлено оптимальное время прогрева, необходимое для получения максимального градиента температуры на границе резьб. Получена зависимость между толщиной стенки НКТ Шкт (мм) и оптимальным временем прогрева муфты Топт :

Т0.....=С-(0.815-/ЯЛТ -2.085).

2 Разработана математическая модель процесса осевого воздействия на резьбовую часть насосно-компрессорных труб; установлены критерии оценки силы натяжения с целью снижения начальных моментов развинчивания; получена зависимость оптимального осевого натяжения Б (Н) для максимального снижения момента развинчивания для конических резьб от диаметра НКТ ёнкт (мм):

Г = 433 -£>жг -9350.

3 Найдены оптимальные безразмерные параметры теплового и осевого методов воздействия:

• безразмерная масса теплоносителя т = т/р • йъ = 4,28

• безразмерное время воздействия / = /2 • Я/£>2 = 2,41£ + 05

• безразмерный момент натяжения2 -5,46Е-05

и апробированы на широком ряде типоразмеров НКТ.

Основные защищаемые положения

1 Теоретическое описание и безразмерные соотношения, описывающие зависимости параметров процессов теплового и осевого воздействий (время воздействия, температура теплоносителя, сила осевого натяжения и др.) от характеристик резьбового соединения (толщины и диаметры свинчиваемых труб, материал и т.п.).

2 Экспериментальное определение оптимальных значений параметров, обуславливающих эффективность теплового и осевого воздействий на характеристики развинчивания резьбовых соединений НКТ.

Практическая ценность работы

1 Разработано устройство и оптимизирована работа «теплового раскрепителя», реализующего метод теплового воздействия на резьбовые соединения НКТ (Патент РФ на изобретение № 2422616).

2 «Тепловой раскрепитель» апробирован в промысловых условиях и рекомендован к внедрению в Елховском цехе ООО «НКТ-Сервис» (УК ООО «ТМС-Групп» ОАО «Татнефть», г. Альметьевск).

3 Результаты работы включены в учебное пособие: «Повышение эффективности эксплуатации оборудования ШСНУ».- г.Уфа: УГНТУ, 2012.

Автор выражает свою глубокую благодарность сотрудникам кафедры нефтегазового оборудования ГБОУ ВПО Альметьевский государственный нефтяной институт, а также ООО «НКТ - Сервис» УК ООО «ТМС - Групп» за содействие, оказанное при выполнении исследований.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях и техсоветах: Всероссийская научно-техническая конференция посвященная 30-летию кафедры разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений. (Октябрьский, 2009), X международная молодёжная

научная конференция (Ухта, 2009), научные сессии АГНИ по итогам 2008...2011 гг. (Альметьевск, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.), Всероссийская научно-техническая конференция «Инновационное нефтегазовое оборудование: проблемы и решения» (Уфа, 2010), Международная научно-практическая конференция молодых учёных (Октябрьский, 2011), Технический совет ООО «НКТ-Сервис» (Альметьевск, 2010), XIII - Международная научно-практическая конференция ОАО «Татнефть» (г. Альметьевск, 2013).

Глава 1 — Исследование актуального состояния проблемы свинчивания-развинчивания резьбовых соединений НКТ

Рациональная и эффективная технология процесса свинчивания-развинчивания труб имеет в ряде случаев решающее значение для обеспечения надежности, долговечности и безопасности резьбовых соединений. Строительство скважин ставит операции развинчивания и свинчивания па одно из важных и особых мест, потому как именно на этой стадии проявляются особенности взаимодействия двух резьб - муфты и ниппеля трубы.

По данным промысловой статистики более половины аварий трубных подвесок происходит по вине резьбовых соединений. Суть технологии ремонта бывших в эксплуатации труб заключается в отрезании резьбовых концов и нарезанию новых. Результатом является новая резьба, износостойкость которого в 2-3 раза меньше конъюнктуры заводской поставки, для которой это значение составляет 7-8 спуско-подъемных операций. Например, за 1 год в ООО «НКТ-Сервис» (г. Альметьевск, ОАО «Татнефть») ремонтируется порядка 200 ООО труб. Из них 4% труб не отворачивается, что составляет 8000 труб. [33]

Как известно, процесс свинчивания-развинчивания сопровождается силовым взаимодействием. Эти силы приводят к возникновению деформаций, которые приводят к изменению качественных характеристик резьбового соединения. Влияние всего этого главным образом отражается на неточности сопряжения резьбовых соединений, которая, в свою очередь, двояка: одна из которых определяется всевозможными отклонениями параметров, возникающими при изготовлении, другие имеют место при сборке, точнее в процессе свинчивания-развинчивания труб. Это анализируется и упоминается в рядах работ [23,56,57,59,62,71,75,87].

Снижение величины напряжения в месте сопряжения ниппеля трубы и муфты уменьшает рабочие нагрузки на технологическое оборудование, а процесс развинчивания труб становится более доступным и щадящим. Высоких показателей эффективности развинчивания резьбовых соединений можно

добиться путем направленного теплового воздействия, а также введение в зону контакта колебательной энергии при помощи ультразвуковых волн. И в том, и в другом случае эффект связан с уменьшением величины т.н. «сухого» трения из-за уменьшения нормальных («прижимных») напряжений на границе резьб [66].

1.1 Функциональное назначение и качество резьбовых соединений

Первостепенное значение в обеспечении служебного назначения труб причисляется резьбовым соединениям. И в случае использования резьбовых соединений формируются силы и моменты, влияние которых надо учитывать.

Крутящий момент Мкр, который воздействует на свинчиваемую трубу, должен обеспечивать необходимую силу затягивания

Основные геометрические параметры метрической резьбы приводятся на рисунке 1.1.

Процесс затяжки резьбовых соединений труб сопровождается расходом порядка 90% работы на освоение сил трения, и остальные 10% на формирование силы затягивания Q, который обеспечивает герметичность в резьбовом соединении. При этом наибольшая величина Мкр, будет при максимальной силе затяжки трубы и минимальных значениях коэффициентов трения, а наименьшая — при минимальном крутящем моменте и минимальной величине коэффициента трения в резьбе ц. [75].

Контактное трение в резьбе, которое зависит от вида покрытия, смазки, от характеристик резьбы, определенным образом влияет на затяжку резьбового соединения.

Рисунок 1.1 - Форма профиля резьбы гладких труб и труб с высаженными наружу концами и муфт к ним: 1-линия, параллельная оси резьбы трубы или муфты, 2-линия среднего диаметра резьбы трубы или муфты, 3-ось резьбы

В таблице 1.1 приводятся значения, соответствующие различным видам состояния поверхностей: [13]

Таблица 1.1 - Значения коэффициентов трения в резьбе Кр

Вид покрытия Коэффициент трения Без смазочног 0 материала Машинное масло Солидол синтетический Машинное масло с Мо82

Без покрытия КР 0,32-0,52 0,19-0,24 0.16-0,21 0,11-0,15

Цинкование кР 0,24-0,48 0,15-0,20 0,14-0,19 0,14-0,19

Фосфатирование кР 0,15-0,50 0,15-0,20 0,15-0.19 0.14-0,16

Оксидирование Кр 0.50-0,84 0,39-0.51 0,37-0,49 0.15-0,21

Таблица 1.2 - Значения приведенного коэффициента трения р по резьбе для деталей

из различных материалов

Материал соединяемых деталей Сталь углеродистая Конструкционная Сталь инструментал ьная закаленная Сталь хромо-никелевая Бронза оловянистая Дюрал юми- ний

Сталь углеродистая конструкционная 0,18

Сталь инструментальн ая закаленная 0,16 0,17

Сталь хромо-никелевая 0,15 0,17 0,18 - -

Бронза оловянистая 0,16 0,15 0,15 0,20 -

Дюралюминий 0,19 0,17 0,16 0,22 0,22

Алюминий 0,18 0,17 0,16 0,22 0,22

С увеличением давления или силы растяжения трубы коэффициент трения при отсутствии смазочного материала в зависимости от материалов соединяемых деталей либо незначительно увеличивается, либо несколько снижается. Использование смазочного материала приводит к уменьшению коэффициента трения при свинчивании-развинчивании труб.

При перемещении прижатых при затяжке друг к другу боковых сторон резьбы и в металле поверхностных слоев неизбежно возникают пластические деформации [8]. Трение и схватывание при динамической нагрузке в результате свинчивания или развинчивания, производимого «рывком», значительно больше, чем при плавной затяжке и развинчивании.

Фактическая несущая площадь (площадь чистых контактов), или площадь давления, составляет лишь незначительную и трудно определимую часть геометрической поверхности прилегания (контакта). Поэтому истинные удельные нагрузки, отнесенные к нагруженной площади, вероятно, во много раз превышают расчетные. Эти повышенные нагрузки действуют в точках давления и вызывают в них, как правило, пластическую деформацию.

Л. Б. Эрлихом получено [8], что пластическая деформация, будучи необратимой, превращает 75% затраченной на нее работы в тепло. Тепло, концентрируясь в малых объемах неровностей, приводит к температурной вспышке оторванных частиц (продуктов разрушения). Таким образом, в этих точках действуют одновременно большие нагрузки и высокие температуры.

Под действием больших нагрузок и высоких температур происходит пластическая деформация поверхности, характеризующаяся разрывом поверхностного слоя и образованием частичек-чешуек, которые передвигаются вместе с основной массой металла.

Таблица 1.3 - Механические свойства материала труб

Наименование показателя Группа прочности труб

Дс д Кс К Е, Ее Л, Лс м, Мс Р, Рс

Временное сопротивление 5в, МПа, (кгс/мм2), не менее 517 (52,7) 655 (66,8) 595 (60,6) 687 (70,0) 689 (70,3) 758 (77,3) 823 (83,9) 1000 (101,9)

Предел текучести 5т, МПа, (кгс/мм2) Не менее Не более 379 (38,7) 491 (50,0) 552 (56,2) 654 (66,8) 724 (73,8) 930 (94,9)

552 (56,2) 600 (61,0) 600 (61,0) 758 (77,3) 862 (87,9) 921 (93,9) 1137 (116,0)

Относительное удлинение,%, не менее 18 14,3 15,0 14,0 13 12,3 11,3 9,5

Число твердости по Виккерсу НУ, не более Не определяют 235 255 277 320

В результате пластических деформаций и отделения частиц от поверхностей трения на них образуются углубления.

Трубы и муфты к ним изготовляются из сталей групп прочности Д, К,Е,Л и М. В сталях, предназначенных для изготовления труб и муфт, допускается содержание серы и фосфора не более 0,045% каждого, мышьяка - не более 0,15%. Механические свойства материала труб и муфт приводятся в таблице 1.3.

Циклические нагрузки и специфика его распределения по виткам резьбы прямым образом влияет на прочность соединения муфта-труба. Расчетами установлено, что на первый виток, который максимально нагружен, приходится порядка 35 % всей осевой нагрузки, а на последний, который нагружен меньше - всего лишь 7 % (рисунок 1.2) [8,62,75].

Во впадинах резьбы происходит скапливание локальных напряжений, образованных растягивающими силами, и это определенно осложняет процесс неравномерного распределения нагрузки. В конечном итоге, усталостная прочность резьбы снижается за счет превышения значений напряжения во впадине первого витка над нормальными растягивающими напряжениями [28,75].

я

30

25

20

Ю

1 2 3 С 5 5 &яж/ Рисунок 1.2 - Распределение нагрузки по виткам Для выполнения расчетных операций по прочности резьбовых соединений труб, в частности, при воздействии динамических нагрузок, необходимо руководствоваться значениями действенных напряжений в местах

сосредоточения - наиболее возможных местах разрушения.[75]

1.2 Основные направления повышения эффективности процесса свинчивания-развинчивания труб

Применение резьб с коническим профилем является важной особенностью резьбовых соединений. В случаях, когда резьбовое сопряжение осуществляется по боковым граням витка, то резьбовое соединение НКТ следует относить к безупорным. При этом следует учитывать, что верхние и нижние округленные части профилей трубы и муфты образуют два винтовых сквозных канала.

Прочное соединение труб, как правило, во-многом определяется значительными силами трения в резьбовом соединении. Силы трения при свинчивании-развинчивании труб приводят к задирам и повышенному износу резьбового соединения. Появляется необходимость приложения значительных моментов. Снижение сил трения применением смазки ограничено и приводят к возрастанию риска самопроизвольного отворота свечи труб. Необходимо уменьшать трение только в процессе развинчивания [7,33,75].

Иногда, на практике применяют метод кратковременного «снятия» сил трения с применением ударной нагрузки. Возбуждающиеся при этом колебания являются результатом удара о колонну, которые приводят к уменьшению сил трения. Естественно, возбуждение колебаний в трубах указанным способом недопустимо и увеличивает риск их повреждения. Известным является более щадящий путь возбуждения колебаний - при помощи введения волн ультразвуковой частоты на резьбовую поверхность НКТ.

При воздействии ультразвука наблюдается изменение пластических свойств деформируемых материалов и снижение напряжения текучести (акустическое разупрочнение). Анализ результатов исследований показывает, что при действии ультразвуковых колебаний происходит снижение условного предела текучести в 3 - 4 раза и коэффициента трения в 2 - 4, причем эти показатели не зависят от состава и исходных механических свойств металла

[8,25,33,34,37,75,78].

Механизм воздействия ультразвука на силы трения заключается в появление тангенциальных скоростей сдвига, а также в изменении характера напряженного состояния металла в зоне трения [33,34,78].

Известно, что напряжение в резьбовом соединении, а, следовательно, и трение можно уменьшить тепловым воздействием на внешнюю часть резьбового соединения. Именно сочетанием резьбовой и т.н. «горячей» посадки обеспечивается прочность закрепления муфты на «муфтовой» части трубы, или в более широком применении, «горячая» посадка гладких муфт.

Однако, остаются неисследованными вопросы взаимосвязи параметров теплового воздействия (время воздействия, температура теплоносителя и т.д.) с характеристиками НКТ (диаметр, материал, толщина стенок и т.п.)

Представляет интерес также комбинированный метод, суть которого заключается в совмещении ультразвукового и теплового воздействий на резьбовое соединение.

1.3 Факторы, влияющие на ресурс резьбовых соединений

Резьбовые соединения в процессе спуско-подъемных операций и работы в скважине подвергаются воздействию различных усилий: растягивающих, сжимающих, изгибающих и др.

Как показывает практика, резьбовые соединения, в процессе операций по свинчиванию и развинчиванию, подвергаются определенному износу, величина которого во многом зависит от частоты операций по спуску-подъему свечи, длины свечей, типа смазки, наличия абразивных частиц, и т. д. Это ведет к износу резьбы, что впоследствии ведет к нарушению герметичности соединений, снижению прочности как статической, так и динамической.

Проблемы повышения эксплуатационного ресурса резьбовых соединений затронуты в следующих работах [34,36,43,82,84].

Наиболее полным образом влияние важнейших конструктивных и технологических факторов на эксплуатационный ресурс, статическую и

усталостную прочность, герметичность резьбовых соединений рассматривается в работах [13,19,50,57,66,68].

С целыо увеличения срока работы насосно-компрессорных труб приходится заново нарезать резьбу или менять замковые детали, что влияет на увеличение их расхода.

Проведёнными исследованиями степени износа резьбового соединения установлено, что равномерный износ витков резьбы зависит от разницы между площадями витков резьбы, изношенной вдоль образующей составляет 5% от начальной площади. Это объясняется тем, что свинчивание муфты и ниппеля или, наоборот, происходит с множеством разных муфт и ниппелей.

Отклонение элементов резьбы, которое происходит при свинчивании соединений муфта-ниппель, приводит к изменению участка сопряжения их резьбы, что благоприятно сказывается на равномерном износе резьбы.

Разработка технологических и конструктивных мероприятий может в больше мере способствовать в вопросах повышения износостойкости резьбовых соединений

Трение и износ на вершинах среза может оказывать существенное влияние на износ трущихся поверхностей [68,82].

Достоинство такой конструкции сводится:

1 В исключение трения по вершинам среза,

2 В отсутствие теоретически нулевой номинальной площади контакта.

Работа трения исключается в период от 0 до 0,4 оборота за счет

отсутствия трения на вершинах среза. Работа трения уменьшается при первом же обороте свинчивания, причем значительно. Отсюда и износ резьбовых соединений происходит в основном при первом обороте свинчивания.

Износ резьбовых соединений ниппелей и муфт выражается также в изменении профиля витков и уменьшении их высоты, то есть в изменении геометрических характеристик резьб. Важно знать, что величина работы трения различна по своей величине, то есть поверхность короткой стороны профиля витков под действием большого удельного давления при креплении

соединений и последующей их работе изнашивается меньше, чем поверхность длинной стороны, воспринимающей более низкое удельное давление.

Значительная работа трения при свинчивании и развинчивании приходится на поверхность длинной стороны витков ниппеля и муфты. Это по своей сути путь равный 12 оборотам. Максимальные удельные давления создаются в момент посадки ниппеля в муфту. По мере свинчивания соединений площадь контакта увеличивается, и величина удельных давлений, соответственно, снижается. Обратное происходит при развинчивании соединений. [7]

Такое распределение удельных давлений определяет вид износа по наибольшей стороне витков, которая характеризуется:

1 Скруглением вершин,

2 Стиранием одной из сторон профиля, приводящим к скорейшей потере высоты витков.

Что же касается короткой стороны витков, то она вступает в работу в самый последний этап свинчивания, то есть при свинчивании соединения. Учитывая даже то, что усилие затяжки достаточно велико, участок трения незначителен, отсюда и небольшой износ этой поверхности.

Такая разновидность износа наблюдается во многих резьбах, работающих долгое время в разъемных соединениях. Повышения износостойкости резьбовых соединений при многократных свинчиваниях-развинчиваниях можно достичь увеличением толщины витка и ширины среза витка при вершине, которое можно осуществить только при увеличенном шаге резьбы. Само по себе увеличение шага не продлевает срок службы резьбового соединения.

Износ резьбовых соединений связан с высотой, формой и направлением микронеровностей на поверхности резьбы муфты и ниппеля. В начальный период свинчивания контакт трущихся поверхностей происходит по вершинам микронеровностей. При этом фактическая поверхность соприкосновения составляет лишь около 15..Л7 % от расчетной [33,47,49]. В результате в местах

фактического контакта на вершинах микронеровностей возникают чрезвычайно высокие контактные давления, иногда превышающие предел текучести для трущихся металлов. В период приработки соединения высота микронеровностей уменьшается на 65...75 %, что приводит к увеличению поверхности контакта, а следовательно, к снижению контактного давления.

Еще одним из важных факторов, влияющих на ресурс резьбовых соединений в процессе свинчивания, является смещение осей ниппеля и муфты, которая приводит к неправильному распределению нагрузки на резьбу, а процесс свинчивания труб при СПО сопровождается прогибом свечи, наращенной из нескольких бурильных труб. Потеря устойчивости свечи в вертикальной плоскости при вращении механизированным буровым ключом приводит к прогибу свечи [33].

Нередки случаи, когда резьба выходит из строя по причине заедания резьбового соединения. Частичная пластическая деформация боковых поверхностей резьбы, происходящая при креплении резьбовых соединений с сопряжением в виде тугой или прессовой посадки, является одной из важных причин. При этом одновременное воздействие высоких контактных давлений и значительных мгновенных температур в зоне контакта способствует образованию «мостиков» холодной сварки, способствующие заеданию элементов сопрягаемой резьбовой пары. Процесс интенсификации процесса изнашивания резьбовых пар сводится к тому, что «мостики» холодной сварки, развиваясь в микрообъеме материала резьбового соединения, при раскреплении разрушаются с преодолением сил атомарного сцепления [33].

Исследованиями было установлено, что предварительная приработка резьб с учетом веса колонны труб и трибологических свойств смазки повышает эксплуатационный ресурс соединений на 50-55% [49].

Эксплуатационный ресурс резьбовых соединений подвергающихся многократным свинчиваниям-развинчиваниям, в большинстве случаев определяется структурным состоянием их элементов, которое связано с термической обработкой в процессе их изготовления. Химический состав сталей,

а также требования к физико-механическим характеристикам сопрягаемых пар (пределу текучести, прочности, относительному удлинению, поверхностной твердости и т. д.) являются важными условиями в назначении режимов термической обработки. Все важные требования к этим показателям, а также к соответствующим технологиям термической обработки резьбовых соединений рассматриваются в трудах [28,29,80].

Проведенными экспериментами [50,64] установлено, что основным фактором заедания резьбового соединения является контактное схватывание поверхностей витков резьбы. Это приводит к деформации или (и) разрушению резьб из-за вырывания металла. Как известно, пластическая деформация, будучи необратимой, превращает порядка 75 % затраченной на нее работы в тепло. Тепло, которое концентрируется в малых объемах неровностей, приводит к температурной вспышке оторванных частиц (продуктов разрушения). Таким образом, в зоне давления действуют одновременно нагрузки и температуры с большой величиной.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Вадигуллин, Артур Дулкынович, 2014 год

Список литературы

1 Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий.-М.: Наука, 1976.

2 Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. Т.1. - 8-е изд., перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001.-920 е.: ил.

3 Армягов JI.H. Определение крутящего момента при свинчивании-развинчивании труб машинными ключами.//«Нефть и газ».- М.: МИНХ и ГП, 1972.

4 Акимов А.Е. Облик физики и технологий в 21 веке.- Новосибирск.: 2003.- 77 с.

5 Базаров И.П. Термодинамика. - М: Высшая школа, 1991. - 376с

6 Бабаев С.Г. Надежность и долговечность бурового оборудования.-М.: Недра, 1974.

7 Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые соединения.- М: Машиностроение, 1973.-256 с.

8 Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Детали машин: Справочник.- М.: Машиностроение, 1968.- 308 с.

9 Билык С.Ф. Опыт герметизации резьбовых соединений обсадных труб методом электрометаллизации.// Нефтяное хозяйство, 1978.- №6.

10 Бобровский Г.С. Водяной пар.- Москва: ГосИздат, 1958.- 440 с.

11 Вадигуллин А.Д., Галеев A.C., Сулейманов Р.Н. Применение теплового воздействия для снижения страгивающих моментов при развинчивании насосно-компрессорных труб // НТЖ "Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса".- М.: ВНИИОЭНГ, 2011.-№2.- с.39-42.

12 Гончаревич И.Ф. Вибрация - нестандартный путь: вибрация в природе и технике. - М., Наука, 1986. - 209с.

13 Зозуля В.Д., Шведков Е.Л., Ровинский Д.Я., Браун Э.Д. Словарь справочник по трению, износу и смазке деталей машин.- Киев: Наук. Думка, 1990.-264 с.

14 Захаров Н.Д. Термодинамика и теплотехника.- Одесса: ОНАПТ,

2006г.

15 Инструкция по эксплуатации насосно-компрессорных труб. РД 39136-95.- Самара, 1995 г.

16 Инструкция по эксплуатации насосно-компрессорных труб РД 15339.0-365-04, ВНИИТнефть. Самара, 2004. - 69 с.

17 Кузнецов В.Д. Наросты при резании и трении.- М.: Гостехиздат,

1956.

18 Керимов Д.А., Рзаева Г.Г., Халилов С.А., Гаджиев Г.Х. Анализ технологических факторов, влияющих на качество резьб труб нефтепромыслового сортамента.// Изв. вузов, Нефть и газ, 1989.-№6.

19 Кисельман Л.И., Махуков Н.Г. Некоторые причины разрушения бурильных замков в глубоких скважинах и пути их устранения. //Нефтяное хозяйство, 1976.-№2.

20 Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. -М:Машиностроение, 1984.

21 Кеплен С. Р., Эссиг Э. Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов (стационарное состояние). - М.: Недра, 1986г.

22 Ковалев М.К. Нарезание и контроль резьбы бурильных труб и замков-М.: Недра, 1984. - 490 с.

23 Лачинян Л.А., Угаров С.А. Конструирование, расчет и эксплуатация бурильных геологоразведочных труб и их соединений - М.: Недра, 1975.- с. 272.

24 Ляшков В.И. Теоретические основы термодинамики. - М., Машиностроение, 2002. - 143с.

25 Лаштабега В.И., Удянский С.Н. Испытание антифрикционных и антизадирных свойств резьбовой смазки.// «Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений».- М.: ВНИИЭГАЗПРОМ, 1972.- №1.

26 Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов - М.: Металлургия, 1980.

27 Любинин И.А., Губарев A.C., Каличевская Е.А. Смазка Резьбол-ОМ для резьбовых соединений труб нефтяного сортамента.// Современное состояние производства и применения смазочных материалов. Доклад и тезисы доклада конференции. - Фергана, 1994. - С. 82-83.

28 Лачинян Л.А. Работа бурильной колонны. - М.: Недра, 1979.- с. 207.

29 Лачинян Л.А., Давыдов Г.А. Повышение надежности замков для бурильных труб путем применения рациональной марки стали и оптимальных методов термообработки. //Экспресс информация ВИ-ЭМС.-М.: 1972.- №11.- с. 1-20.

30 Лачинян Л. А., Давыдов Г.А. Некоторые пути повышения работоспособности бурильных труб и их соединений.// ОНТИ, ВИЭМС.- М.: 1973,-№11.- с. 96.

31 Лариков H.H. Общая теплотехника., Стройиздат, 1975. - 356с.

32 Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов. - Минск: Наука, 1980.-314с

33 Миндиярова Н. И. Снижение работы трения в резьбовых соединениях насосно-компрессорных труб направленным акустическим воздействием : диссертация на соискание кандидата технических наук :УГНТУ, Уфа, 2009.- 140 с.

34 Махуков Н.Г., Литвинов A.B. Охрупчивание стали бурильных замков. //Изв. вузов. Нефть и газ, 1978.- №7.

35 Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник./ Под ред. Самойловича Г.С.- М.: Машиностроение, 1976.- 364с.

36 Наумов В.Н. О снижении усилий при деформировании упругопластических тел с наложением вибраций // Прикладная механика, 1976.-№3.-С. 117-121.

37 Нерубай М.С., Калашников В.В., Штриков Б.Л., Яресько С.И. Физико-химические методы обработки и сборки,- М.: Машиностроение, 2005.396 с.

38 Нерубай М.С. Физико-математические методы обработки. Куйбышев: КуАИ.-1979.-с.92

39 Осипов А.И. Равновесная термодинамика. — М: МГУ, 1999г.

40 Орлов П.И. Основы конструирования. Справочное методическое пособие в 3-х книгах. Кн.1. Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: «Машиностроение», 1977.

41 Орлов П.И. Основы конструирования. Справочное методическое пособие в 3-х книгах. Кн.2. Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: «Машиностроение», 1977.

42 Патент РФ на изобретение № 200905323, 2011 г. Тепловой раскрепитель резьбовых соединений насосно-компрессорных труб/ Вадигуллин А.Д., Тимергалиев Р.И., Кузнецов И.А., Богданов Р.И., Кучербаев Ф.Ф.

43 Паспорт и инструкция по эксплуатация датчика тензометрического Т-400А.- М.: ЗАО «ВИК «Тензо-М»», 2007.

44 Прохоров A.M. Большая физическая энциклопедия. - М.: под редакцией А.М.Прохорова, 1998г.

45 Расулов Н.М., Ярошевский Ф.М. Замковое соединение для бурильных труб. //Авт. свид. №563479. Опубл. в Б. И , 1977.- №24.

46 Расулов М.Н., Ярошевский Ф.М. Влияние нагрузки на изменение коэффициента трения при свинчивании и развинчивании замковых резьб.// АНХ.-Баку: 1976.-№7.-С. 62.

47 Рекин С.А. Совершенствование технологии эксплуатации бурильной колонны (на примере АО «Пурнефтегазгеология»). Автореферат диссер. канд. техн. наук - Уфа: УНИ, 1977.

48 Рекин С.А., Файн Г.М. Оценка влияния предварительной приработки замковых соединений бурильных труб на их долговечность в процессе эксплуатации.//НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на

море. -М.: ВНИИОЭНГ, 1995.- № 1-2.-С. 38.

49 Рекин С.А., Файн Г.М. Выбор антифрикционных резьбовых смазок для замковых соединений элементов бурильной колонны.//НТЖ Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. -М.: ВНИИОЭНГ, 1996.- №2,- С. 30.

50 Расулов Н.М., Ярошевский Ф.М. Износостойкое замковое соединение труб нефтяного сортамента. //Изв. вузов. Нефть и газ.-1979.- №7.-С.81-83.

51 Расулов М.Н., Ярошевский Ф.М. Влияние нагрузки на изменение коэффициента трения при свинчивании и развинчивании замковых резьб.// АНХ.- Баку: 1976.- №7.- С. 62.

52 Ратнер С.И. Разрушение при повторных нагрузках.- М.: Оборонгиз,

1959.

53 Сухорольский М.А., Ниронович И.А. Определение контактных напряжений при посадке втулки на вал //Физ.-хим. мех. материалов.- 1981.-№1.-С. 81-89.

54 Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике.- М.: Наука, 1977.- 440 с.

55 Сычев В. В., Вассерман А. А., Козлов А. д., Спиридонов Г. А., Цымарный В. А. Термодинамические свойства воздуха. М.: Издательство стандартов, 1978. — 276 с.

56 Сароян А.Е. Бурильные колонны в глубоком бурении. -М.: Недра,

1976.-231 с.

57 Султанов Б.З., Ишемгужин Е.И., Шаммасов Н.Х. и др. Работа бурильной колонны в скважине. -М.: Недра, 1973.- С. 272.

58 Стренг К., Фрикс Дж. Теория метода конечных элементов.- М.: Мир,

1977.-349с.

59 Седов Л.И. Механика сплошной среды.-М.: Наука, 1975.

60 Сароян А.Е. К определению величин крутящих моментов, необходимых для затяжки замковых соединений бурильных труб.- Баку: АНХ,

1957.- №5.

61 Сароян А.Е. Характер и степепь износа резьбы замкового соединения бурильных труб. //Новости нефтяной техники. Нефтепромысловое дело, 1957.- №12.

62 Сароян А.Е., Грузинов А.Я. Повышение работоспособности бурильных замков. //Машины и нефтяное оборудование.- 1973.- №2.

63 Сивухин Д.В. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика.-М.: Наука, 1990, 591 стр.

64 Сароян А.Е., Касимов И.Ф.- Баку: АНХ, 1959.- №3.

65 Сароян А.Е., Касимов И.Ф., Расулов Р.А. К вопросу о причине заедания замкового соединения бурильных труб// Изв. вузов. Нефть и газ, 1981.-№1.

66 Тищенко А.В. Исследование факторов, влияющих на герметичность резьбовых соединений обсадных труб. //Изв. вузов, 1963.- №10.

67 Тер Хаар Д., Вергеланд Г., Основы термодинамики. - М.: Вузовская книга, 2006. - 200с.

68 Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2-х кн. Кн.2 /Под редакцией И.В. Крагельского и В.В. Алисина.- - М.: Машиностроение, 1979. -358с.

69 Nester I.H., Lankins D.R., Limon R./ Resistants to Failure ot oil well casing Subjected to Mon-Uniform Transerve Loading. //"Drill, and Prod. Pract".-USA: API, 1955.

70 Thermodynamik, s. Warmetheorie, mechanische

71 Blacha F., Langenecker B. Plastinsitatountcrsuchugen von Metallbristallen in Ultrashalefeld // ActaMetall, 1959.- №7.- S.93.

72 Connors K.A. Thermodynamics of Pharmaceutical Systems: An Introduction for Students of Pharmacy, Wiley, 2002, Pages: 344

73 Srolavitz D.I. Thermodynamics and Kinetics in Materials Science A Short Course, Oxford University Press.

74 Файн Г.М., Неймарк A.C. Проектирование и эксплуатация

бурильных колонн для глубоких скважин. - М.: Недра, 1985. - 237 с.

75 Шуваев И.В. Повышение эффективности сборки и контроля качества резьбовых соединений путем применения ультразвука. Автореферат диссер. канд. тех. наук. - Самара: СамГУ, 2006.

76 Шнейдеров М.Н., Сароян А.Е., Аллахвердиев В.А. Резьбовые соединения бурильных и обсадных колонн.- Баку: Азнефтеиздат, 1956.

77 Шнейдеров М.Р., Сароян А.Е. О повышении износостойкости замкового соединения бурильных колонн. //Нефтяное хозяйство, 1959.-№6.

78 Шуваев В.Г., Штриков Б.Л., Шуваев И.В. Способ сборки резьбовых соединений.\\ Патент РФ № 2228256.- М.: ВНИИГПЭ,2004.- Бюл. № 13.

79 Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Чернов Б.А., Дубленич Ю.В. Результаты испытания УБТ с резьбой повышенной прочности. //Нефтяное хозяйство, 1980.-№12.

80 Щербюк Н.Д., Израильский А.М., Котельников P.A. Результаты промысловых испытаний замковых резьб повышенной износостойкости. //Нефтяное хозяйство, 1978.- №7.- С. 16-18.

81 Щербюк Н.Д. Повышение прочности резьбовых соединений бурового оборудования обкаткой впадин резьбы роликами. Машины и нефтяное оборудование.- М.: ВНИИОЭНГ, 1975.- №12.- С. 16-20.

82 Щербюк Н.Д. Пути повышения износостойкости замковых резьбовых соединений.//Сб. Машины и нефтяное оборудование.- М.: ВНИИОЭНГ, 1975.- № 12, С. 18-20.

83 Щербюк Н.Д., Якубовский Н.В. Крутящий момент свинчивания резьбовых соединений турбобуров. //Нефтяное хозяйство, 1974.- № 2.- С. 15-16.

84 Щербюк Н.Д., Чайковский Г.П. и др. Ресурс замковых резьбовых соединений бурильных труб при многократном свинчивании.// Нефтяное хозяйство, 1987.-№ 14.- С. 9-10.

85 Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И. и др. О выборе крутящего момента свинчивания замкового соединения. //Разведка и разработка нефтяных и газовых месторождений.-Львов: 1989.-№ 17.- С. 41.

86 Infrared thermometer AZ Instrument-8861\\ Паспорт и инструкция пользователя.- Тайвань: AZ Instrument Corp., 2000.

87 Эрлих Г.М. Эксплуатация бурильных труб.- М.: Недра, 1989.- С.312.

88 Ярошевский Ф.М., Расулов Н.М. Исследование износа замковых резьб при свинчивании и развинчивании. //Тезисы докладов на Всесоюзной научно-технической конференции по технологии изготовления конических резьбовых соединений нефтепромыслового сортамента.- Баку: 1973.- С. 54-63.