Технологическое обеспечение и повышение долговечности бурильных труб на основе моделирования и управления параметрами упрочняющей обработки резьбы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, доктор наук Песин Михаил Владимирович

• Песин Михаил Владимирович
• доктор наук
• 2018

Оглавление диссертации доктор наук Песин Михаил Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.1 Конструктивно-технологические особенности изготовления и эксплуатации резьбовых соединений бурильных труб

1.2 Проблемы усталостного разрушения и обрывов резьбовых соединений бурильных труб

1.3 Анализ научных исследований и производственного опыта предприятий по повышению долговечности резьбовых соединений

1.4 Анализ методов исследования остаточных напряжений и математического моделирования напряженно-деформированного состояния профильных поверхностей с применением поверхностной пластической деформации

1.5 Анализ исследований влияния параметров качества поверхностного слоя -остаточных напряжений, шероховатости, наклепа на сопротивление усталостному разрушению

1.6 Выводы, цель и задачи работы

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНОГО КОНИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ОБКАТЫВАНИЯ РЕЗЬБЫ РОЛИКАМИ

2.1 Постановка задачи выбора метода математического моделирования напряженно-деформированного состояния контакта ролика и резьбовой поверхностью бурильной трубы для определения остаточных напряжений во впадине

2.2 Разработка и исследование контактной задачи взаимодействия ролика и впадины резьбы в статической постановке для определения влияния технологических режимов упрочнения на формирование остаточных напряжений с помощью математического моделирования

2.3 Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния резьбы в процессе обкатывания роликом в динамической постановке контактной задачи

2.4 Разработка математической модели, алгоритма и программы расчета остаточных напряжений в зависимости от режимов упрочняющей обработки

2.5 Анализ результатов математического моделирования, расчетов и визуализаций распределения остаточных напряжений по характеру и величине при упрочняющей обработке резьбы в зависимости от технологических режимов обкатывания

2.6 Выводы

Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ОБКАТЫВАНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ РЕЗЬБЫ И СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ

3.1 Технические характеристики промышленной установки, разработанной для обеспечения процесса и режимов обкатывания роликом наружной и внутренней поверхностей резьб бурильных труб

3.2 Назначение геометрических параметров и свойств упрочняющих роликов

3.3 Вырезка и подготовка образцов из бурильных труб для проведения сравнительных исследований основных параметров качества поверхностного слоя резьбы до и после упрочнения

3.4 Особенности методики исследований остаточных напряжений в резьбовой поверхности бурильных труб неразрушающим методом на рентгеновском дифрактометре XStress 3000 03Я

3.5 Сравнение результатов исследований остаточных напряжений в резьбовой поверхности с методом Давиденкова Н.Н. (разрушающий метод)

3.6 Исследование дефектов резьбы с применением прибора-анализатора шумов Баркгаузена Ко\Ысап

3.7 Разработка методики исследований изменений профиля резьбы в процессе обкатывания

3.8 Методика исследования шероховатости резьбовой поверхности

3.9 Методика исследований влияния технологических параметров процесса обкатывания на микротвердость резьбовой поверхности

3.10 Разработка методики проведения сравнительных исследований влияния параметров обкатывания на сопротивление усталостному разрушению резьбовых соединений бурильных труб до и после упрочнения

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ И РЕЖИМОВ ОБКАТЫВАНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ РЕЗЬБЫ, СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

4.1 Результаты исследования и анализ влияния технологических параметров процесса обкатывания на микротвердость резьбовой поверхности

4.2 Результаты исследования и анализ влияния упрочнения на изменение микроструктуры и образование дефектов в резьбовой поверхности

4.3 Результаты исследования и анализ влияния технологических параметров обкатывания роликами на повышение сопротивления усталости резьб

4.4 Результаты исследования и анализ влияния технологических параметров обкатывания на величину и характер распределения остаточных напряжений в резьбовой поверхности

4.5 Результаты исследования и анализ влияния упрочнения на образование дефектов в резьбовой поверхности

4.6 Выводы

Глава 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ И УПРАВЛЕНИЮ ПАРАМЕТРАМИ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКОЙ

5.1 Разработка алгоритма и инженерной методики по выбору оптимальных режимов упрочняющей обработки для работы цеховых технологов при технологической подготовке производства бурильных труб высокой долговечности

5.2 Эффективность практической реализации результатов исследований при внедрении процесса упрочнения обкатыванием бурильных труб на предприятиях машиностроения, нефтегазовом комплексе и горнодобывающей промышленности в стране и за рубежом

5.3 Выводы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

РЕКОМЕНДАЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ

РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АКТ №1 внедрения научно-технических работ в

ООО «ПКНМ»

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АКТ №2 о внедрении результатов исследований в

ООО «ПКНМ-Урал»

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. АКТ №3 использования результатов диссертационной работы в учебном процессе кафедры «Инновационные технологии машиностроения»

ПНИПУ

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Отзыв от ООО «АРГОС» Филиал ООО «АРГОС» - ЧУРС,

2010г., Пермский край, п. Полазна

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Отзыв от ООО «Бузулукская нефтесервисная компания»,

Оренбургская область, г. Бузулук

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Отзыв от ООО «Нижневартовское предприятие по ремонту скважин - 1» (Weatherford Company), 2009 г., Тюменская область, Ханты-

Мансийский автономный округ-Югра, г. Нижневартовск

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Отзыв от ООО «Нижневартовское предприятие по ремонту скважин - 1» (Weatherford Company), 2008 г., Тюменская область, Ханты-

Мансийский автономный округ-Югра, г. Нижневартовск

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Отзыв от ООО «ПетроАльянс», декабрь 2007г., Тюменская

область, Ханты-Мансийский автономный округ, г. Нижневартовск

ПРИЛОЖЕНИЕ 9. Отзыв от Нефтяной компании «РОСНЕФТЬ» ЗАО«Удмуртнефть-Бурение», 2009 г., Удмуртская Республика, г. Ижевск

ПРИЛОЖЕНИЕ 10. Отзыв от ООО «Нижневартовское предприятие по ремонту

скважин - 1» (ЖеМкег/ог^),2011 г., г. Нижневартовск

ПРИЛОЖЕНИЕ 11. Отзыв от ООО «Технефтесервис», г. Самара

ПРИЛОЖЕНИЕ 12. Отзыв от Нефтяной компании «РОСНЕФТЬ»

ЗАО«Удмуртнефть-Бурение», Удмуртская Республика, г. Ижевск

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. Отзыв от ООО «Буровая компания «Евразия» 2012г.

Пермский край, п. Полазна

ПРИЛОЖЕНИЕ 14. Отзыв от ООО «Буровая компания «Евразия» 2013, Пермский

край, п. Полазна

ПРИЛОЖЕНИЕ 15. Отзыв от ООО «Черногорнефтесервис» (Же^кег/ог^, 2011 г., Тюменская область, Ханты-Мансийский автономный округ-Югра, г.

Нижневартовск

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 6. Отзыв от ООО «АРГОС» Филиал ООО «АРГОС» - ЧУРС,

2011 г., Пермский край, п. Полазна

ПРИЛОЖЕНИЕ 17. Отзыв от Нефтяной компании «РОСНЕФТЬ» ООО «РН-

Бурение» Восточно-Сибирский филиал, 2013 г

ПРИЛОЖЕНИЕ 18. Отзыв от ООО «Буровые системы», Ижевск

ПРИЛОЖЕНИЕ 19. Отзыв от ООО «Интегра-Бурение», г. Тюмень

ПРИЛОЖЕНИЕ 17. Отзыв от ООО «Катобьнефть», Тюменская область, Ханты-

Мансийский автономный округ-Югра, г. Нижневартовск

ПРИЛОЖЕНИЕ 20. Отзыв от ООО «СГК-Бурение» Когалымский филиал, 2012г.,

Тюменская область, Ханты-Мансийский автономный округ, г. Когалым

ПРИЛОЖЕНИЕ 22. Отзыв от ООО «Нижневартовское предприятие по ремонту

скважин - 1» (ЖеМкег/ог2013 г., г. Нижневартовск

ПРИЛОЖЕНИЕ 23. Отзыв от ООО «Нижневартовское предприятие по ремонту

скважин - 1» (ЖеМкег/ог2009 г., г. Нижневартовск

ПРИЛОЖЕНИЕ 24. Отзыв от ООО «Интегра-Бурение», 2012, г. Тюмень

ПРИЛОЖЕНИЕ 25. Отзыв от ООО «Буровая компания «Евразия» 2011г. Пермский край, п. Полазна

ПРИЛОЖЕНИЕ 26. Отзыв от ООО «Национальная буровая компания»

Республика Башкортостан, 2011, г. Уфа

ПРИЛОЖЕНИЕ 27. Отзыв от ООО «Нижневартовское предприятие по ремонту

скважин - 1» (Weatherford Company), 2013 г., Тюменская область, Ханты-

Мансийский автономный округ-Югра, г. Нижневартовск

ПРИЛОЖЕНИЕ 28. Отзыв от ООО «СГК-Бурение» Когалымский филиал, 2012г.,

Тюменская область, Ханты-Мансийский автономный округ, г. Когалым

ПРИЛОЖЕНИЕ 29. Отзыв от ООО «Самотлорнефтепромхим», 2013 г.,

Тюменская область, Ханты-Мансийский автономный округ-Югра, г.

Нижневартовск

ПРИЛОЖЕНИЕ 30. Отзыв от Нефтяной компании «РОСНЕФТЬ» ООО «РН-

Бурение», Нефтеюганский филиал

ПРИЛОЖЕНИЕ 31. Отзыв от ТОО «Нефтьсервисхолдинг», Юго-восточная

сервисная группа, 2011, Республика Казахстан, г. Актау

ПРИЛОЖЕНИЕ 32. Патент № 2486994, Российской Федерации. Способ

изготовления резьбы на детали

ПРИЛОЖЕНИЕ 33. Патент № 2482942, Российской Федерации. Способ

изготовления резьбы на детали

ПРИЛОЖЕНИЕ 34. Свидетельство о государственной регистрации программы

для ЭВМ PKNM Deep Roll Thread v 1.0 («Обкатка резьбы роликом ПКНМ версия

1.0») №2014610774

ПРИЛОЖЕНИЕ 35. ПРОГРАММА ДЛЯ ЭВМ: PKNM Deep Roll Thread v 1.0 Фрагменты исходного текста программы

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологическое обеспечение и повышение долговечности бурильных труб на основе моделирования и управления параметрами упрочняющей обработки резьбы»

ВВЕДЕНИЕ

Повышение надежности резьбовых соединений является одной из основных проблем в изделиях машиностроения из-за их широкого применения, универсальности, точности изготовления, способности воспринимать большие осевые нагрузки. Бурильные трубы соединяются между собой при помощи бурильных замков со специальной замковой резьбой. Однако, существует проблемы, связанные с использованием резьбы. Одной из основных и самой дорогостоящей по устранению, является проблема обрыва колонны бурильных труб. В большинстве случаев такие аварии происходят при разрушении резьбового соединения, и для предотвращения обрывов необходимо производить упрочнение резьбового соединения труб и переводников нефтегазового назначения. Существует различные методы упрочнения резьбовых поверхностей. Наиболее простым экономически целесообразным технологическим методом, повышающим усталостную прочность резьбовых соединений, является поверхностное пластическое деформирование.

Актуальность темы исследований. Несмотря на наблюдаемый в последнее время мировой экономике кризис, разведка новых месторождений и добыча нефти и газа с каждым годом возрастает. В РФ наблюдается постоянный рост объемов бурении нефтяных и газовых скважин, причем глубина бурения скважин достигает 3-5 км. Для осуществления процесса бурения и подачи энергоресурсов на поверхность применяются специальные буровые, обсадные и насосно-компрессорные трубы, соединенные в многокилометровые колонны с помощью резьбовых соединений в виде муфт и ниппелей со специальной конической резьбой. В процессе бурения и подачи энергоносителей на поверхность резьбовые соединения буровых труб испытывают значительные знакопеременные нагрузки от действия растягивающих сил, изгибающих моментов, химического и абразивного воздействий, что приводит к нередким случаям поломки резьбовых соединений и обрыву колонны в скважинах. Сегодня требуются конструкции резьбовых соединений, когда используется технология бурения наклонных скважин с увеличенной их длиной и глубиной, применяются

повышенные пластовые давления, - в этом случае, необходимы более прочные и надежные с высокими техническими характеристиками бурильные трубы. Анализ мест разрушения показал, что разрушение резьб носит усталостный характер, и в основном, в зоне впадины резьбы, - где начинается рост усталостных трещин. Проанализировав разрушения бурильных труб, можно сделать вывод о том, что 60 % отказов вызваны недостаточной прочностью и циклической долговечностью резьбовых частей бурильной трубы, а именно, ниппелем и муфтой. В связи с этим, проблема повышения прочности резьбовых соединений при изготовлении на машиностроительных предприятиях бурильных труб является весьма важной народнохозяйственной задачей.

Наиболее эффективным решением проблемы является повышение долговечности резьбовых соединений путем упрочнения поверхности дна впадины резьбы. Существуют различные методы упрочнения поверхностей, среди которых наиболее перспективными является поверхностная пластическая деформация и наиболее рациональным является обкатывание роликом [8-11].

Повышение долговечности и надежности резьбовых соединений возможно путем формирования рациональных сжимающих остаточных напряжений, повышения микротвердости и снижения шероховатости впадины резьбы под действием силы пластического деформирования [12-15]. При этом обеспечивается существенное повышение сопротивления усталостному разрушению резьбовых соединений. Анализ научных исследований и опыта предприятий показал, что метод упрочнения обкатыванием роликами недостаточно изучен, не установлены основные закономерности и взаимосвязи между режимами упрочнения и параметрами качества поверхностного слоя, отсутствует методология математического моделирования и практического применения технологического процесса обкатывания сложнопрофильных конических резьб роликами.

Отсутствуют результаты математического и численного моделирования величины и распределения остаточных напряжений при обкатывания впадины резьбы, позволяющие с научной позиции управлять процессом формирования напряженно-деформированного состояния (НДС) резьб [16]. Отсутствуют

методика и научные исследования по установлению влияния режимов обкатывания на усталостную прочность резьбовых соединений [17-20]. Не разработаны практические рекомендации, специальное промышленное оборудование для проведения такой обработки в условиях серийного производства бурильных труб на конкурентоспособной и импортозамещающей основе в Российской Федерации [21-27]. В известных технических требованиях не содержатся научно-обоснованные рекомендации по выбору рациональных параметров процесса обкатывания.

Таким образом, разработка методологических основ технологического процесса упрочняющего обкатывания впадин резьбовых соединений является актуальной научной задачей, а внедрение технологии упрочняющей обработки на современных машиностроительных предприятиях при изготовлении бурильных труб различного назначения имеет важную практическую значимость для народного хозяйства Российской Федерации.

Степень разработанности проблемы. В современном машиностроении ведутся разработки в области повышения надежности изделий с резьбой, в частности, для бурильных труб применяются в основном упрочнения лазерное, дробеструйное, азотирование.

Объект исследования: резьбовые соединения деталей бурового комплекса (бурильные трубы, ведущие бурильные трубы, утяжеленные бурильные трубы и сбалансированные бурильные трубы), транспортно-подающие трубы и технологические процессы обкатывания роликом резьбы, усталостные испытания.

Предметом исследований является установление взаимосвязей между конструктивными и технологическими параметрами процесса обкатывания сложной резьбовой конической поверхности бурильной трубы (геометрией упрочняющего ролика, величиной нагрузки, радиусом впадины), режимом обкатывания, величиной и характером распределения остаточных напряжений в резьбовой поверхности на основе комплекса разработанных математических моделей и серии экспериментальных исследований напряженно-

деформированного состояния материала резьбы с проведением усталостных испытаний.

Цель работы: установление теоретических и экспериментальных закономерностей для обоснования повышения долговечности бурильных труб на основе моделирования и управления параметрами упрочняющей обработки резьбы.

Задачи исследований:

1. Провести анализ литературы и опыта предприятий по решению проблемы разрушения резьбовых соединений, обосновать технологические методы и пути повышения усталостной долговечности резьбовых соединений бурильных труб.

2. С использованием компьютерного конечно-элементного моделирования разработать методологию статического и динамического математического моделирования напряженно-деформированного состояния материала резьбы при поверхностной пластической деформации бурильных труб обкатыванием роликом.

3. На основе разработанных математических моделей и визуализации проведенных расчетов установить взаимосвязь и закономерность влияния контактных нагрузок и геометрии деформирующего ролика на величину и характер распределения остаточных напряжений в поверхностном слое при напряженно-деформированном состоянии материала резьбы с целью повышения сопротивления усталости и долговечности резьбовых соединений.

4. Спроектировать и изготовить специальную промышленную установку (стенд) для исследования и внедрения процесса упрочняющего обкатывания роликом внутренней и наружной резьбы бурильных труб.

5. Разработать комплексную методику и провести экспериментальные исследования влияния технологических параметров упрочняющей обработки резьбы бурильных труб на формирование остаточных напряжений, шероховатости, наклепа, структуры.

6. Разработать методику и провести сравнительные испытания на сопротивление усталости образцов бурильных труб с упрочненной и неупрочненной резьбой в зависимости от режимов упрочняющего обкатывания.

7. Разработать технологические рекомендации по внедрению нового технологического процесса обкатывания с использованием созданной инженерной методики назначения рациональных режимов обкатывания в цеховых условиях, обеспечивающих формирование благоприятных сжимающих напряжений и повышение сопротивления усталости резьбовых соединений.

Научная новизна: заключается в разработке научного направления в области повышения усталостной прочности резьбовых соединений бурильных труб путем управляемого формирования обкатыванием рациональных сжимающих напряжений и благоприятно направленной текстуры в контактной зоне впадины резьбы с целью увеличения сопротивления усталости и долговечности бурильных труб. К наиболее значимым научным результатам относятся следующие положения:

Разработана комплексная методология математического моделирования формирования напряженно-деформированного состояния поверхности конической резьбы в процессе обкатывания её роликом, основанная на создании статических и динамических математических моделей деформации впадины резьбы и определяющая взаимосвязь диаметра ролика, радиуса при его вершине, числа проходов, силы прижатия ролика при обкатывании с величиной и характером распределения остаточных напряжений.

2. Впервые доказана возможность решения сложной трехмерной задачи моделирования напряженно-деформированного состояния резьбовой конической поверхности в динамической постановке путем моделирования процесса обкатывания роликом по развернутой прямолинейной поверхности впадины резьбы.

3. В результате расчета и визуализации напряженно-деформированного состояния материала резьбы после упрочнения с использованием компьютерного конечно-элементного моделирования установлена допустимая максимальная

величина силы прижатия ролика, равная 8 кН, обеспечивающая критическую величину перемещения профиля резьбы 0,11мм с формированием в поверхностном слое резьбы рациональных сжимающих напряжений, способствующих повышению сопротивления усталости бурильных труб.

4. Разработаны алгоритм и программа для ЭВМ PKNM Deep Roll Thread v 1.0 («Обкатка резьбы роликом ПКНМ версия 1.0») по расчету величины и характера распределения остаточных напряжений в зависимости от режимов обкатывания (радиуса ролика и силы прижатия) с целью управления процессом упрочнения резьбы при технологической подготовке производства бурильных труб (свидетельство о регистрации программы №2014610774).

5. Экспериментально подтверждено, что проведение обкатывания резьбовых конических соединений роликом при допустимой максимальной силе прижатия ролика в 8 кН формирует рациональные сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое, что обеспечивает повышение сопротивления усталости в 3,7 раза.

Новизна технических решений подтверждена 2 патентами Российской Федерации на изобретения №2482942 и 2486994.

Теоретическая значимость работы.

На основе теоретико-экспериментальных исследований разработана методика исследований остаточных напряжений в резьбовой поверхности в зоне дна впадины, которая позволяет выполнить оценку влияния поверхностной пластической деформации на долговечности резьбового соединения.

Предложенная методика расчета нестационарной квазистатической задачи сопряжения индентора с деформируемым телом с учетом статической и динамической постановок задач контактирующих материалов позволяет установить закономерности влияния силы прижатия на физико-механические и трибологические характеристики контактирующих поверхностей и величину остаточных напряжений в резьбовой поверхности.

Практическая значимость работы:

1. Впервые разработаны и внедрены в серийное производство специальные промышленные установки для обкатывания всей номенклатуры внутренних и наружных резьб бурильных труб.

2. Разработан комплекс инженерных методик и программы расчета остаточных напряжений в зависимости от режимов обкатывания резьбы роликами для использования в цеховых условиях при технологической подготовке производства бурильных труб.

3. Разработаны и переданы для внедрения технологические рекомендации в ООО «ПКНМ», г. Пермь, ООО «ПКНМ-Урал» г. Краснокамск.

4. Применение процесса обкатывания резьбовых поверхностей позволило снизить вероятность разрушения труб, повысить спрос, конкурентоспособность, расширить область применения труб с упрочненной резьбой и заменить импортные бурильные трубы. Экономический эффект от внедрения составил более 287 млн. руб.

Методология и методы диссертационного исследования. При решении поставленных задач использованы основные положения теории механики деформирования сплошных сред, технологии машиностроения, основы теории деформации сплошных сред, динамики машин и механизмов, теоретической механики, методики моделирования напряженно-деформированного состояния, теория поверхностно-пластической деформации. Результаты исследований фиксировались с помощью видеосъемки и аттестованных современных приборов и средств измерения. Визуализация и обработка результатов экспериментальных и теоретических исследований выполнена с помощью междисциплинарных инженерных пакетов на высокопроизводительном вычислительном комплексе с использованием программных комплексов ANSYS, ABAQUS и разработанной программы «Обкатка резьбы роликом ПКНМ версия 1.0».

Положения, выносимые на защиту:

1. Комплексная методология математического моделирования формирования напряженно-деформированного состояния материала резьбы в

процессе упрочнения впадины резьбы обкатыванием роликом, определяющая взаимосвязь режимов упрочняющей обработки и параметров качества поверхностного слоя с целью выбора рациональных по величине и характеру распределению сжимающих остаточных напряжений, обеспечивающих повышение сопротивление усталости резьбовых соединений.

2. Программа «Обкатка резьбы роликом ПКНМ версия 1.0» (PKNM Deep Roll Thread v 1.0, патент №2014610774) для расчета величины и характера распределения остаточных напряжений в зависимости от режимов обкатывания (радиуса ролика, силы прижима и скорости) с целью управления этим процессом в технологической подготовке производства бурильных труб.

3. Методика проведения обкатывания конических резьб бурильных труб на рациональных режимах, обеспечивающих необходимую величину сжимающих остаточных напряжений, снижение шероховатости и повышение микротвердости для увеличения сопротивления усталости труб.

4. Методика стендовых усталостных испытаний свинченных образцов бурильных труб после лезвийной обработки и с последующим упрочнением.

5. Доказанное положение, что применение оптимальных режимов обкатывания резьб с условием формирования рациональных сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое, шероховатости и микротвердости повышает усталостную долговечность резьбового соединения в 3,7 раза.

Степень достоверности. Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными экспериментов, результатами промышленной эксплуатации созданного технологического оборудования и с результатами исследований других авторов. Достоверность данных, полученных теоретически, подтверждается сходимостью с экспериментальными результатами.

Апробация результатов. Основные положения результатов работы доложены на 42 всероссийской и международной научно-технической конференциях: «Новые материалы и технологии - НМТ-2010» (Москва, 2010),

«Высокие технологии в машиностроении» (Самара, 2010, 2011), «Повышение технологических возможностей металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ» (Уфа, 2010), «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2011, 2015), «Наукоемкие технологии в машиностроении» (Ишимбай, 2011), «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2010), «Машиностроение и техносфера XXI века» (Севастополь, 2011), «Молодежь и наука» (Нижний Тагил, 2010), «Применение инструментов из сверхтвердых материалов и упрочнения изделий в инновационных технологиях размерной обработки» (Магнитогорск, 2011, 2012), «Молодые ученые Прикамья» (Пермь, 2011), «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2011), «Неделя горняка» (Москва, 2011-2013), «Чтения Кубачека» (Екатеринбург, 2012, 2013), «Фундаментальные и прикладные проблемы в модернизации современного машиностроения и металлургии» (Липецк, 2012), «Машиностроение - основа технологического развития России ТМ-2013» (Курск, 2013), «Естественные науки: достижения нового века» (Шарджа, 2013), «Инженерная практика» (Уфа, 2010, Тюмень, 2011), «Инновационное нефтегазовое оборудование: проблемы и решения» (Уфа, 2010), «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий», (Уфа, 2011-2013, 2015), «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (СПб., 2010, 2011), «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, 2010), «Вопросы вибрационной технологии» (Ростов-на-Дону, 2011, 2016, 2017), «Инновационные технологии в машиностроении» (Пермь, 2012), «Производительность и надежность технологических систем в машиностроении» (Москва, 2015), «Техносфера» (Ростов-на-Дону, 2015), «Надежность и качество» (Пенза, 2015) , «Лучшие технологические школы России» (Рыбинск, 2017), «Технология машиностроения» (Волгоград, 2017), «Перспективные направления развития отделочно-упрочняющей обработки и виброволновых технологий» (Ростов-на-Дону, 2018).

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Стратегией Российской Федерации в ее энергетическом аспекте на долгосрочный период по период до 2030 года нефтегазовый комплекс есть важнейшая часть реального сектора экономики Российской Федерации. План развития всей экономики и энергетической отрасли государства, на ближайшие годы обусловлен такими документами как Концепция долгосрочного социально-экономического развития на период до 2020 года (КДР-2020) [20], которая была утвержденная Распоряжением Правительства 17.11.2008 г., и также на период до 2030 года Энергетическая стратегия России от 13.11.2009 г. [37].

План долгосрочного развития России предполагает использование конкурентных преимуществ экономики как в наукоемких секторах, поиск точек роста, развитие технологичных производств и превращение инновационных факторов в основной источник роста, анализ мероприятий представлен в табл. 1. 1 [34].

Таблица 1.1 - Сценарий долгосрочного развития России

Инерционный Энергосырьевой Инновационный

1 г 1 г 1 г

Консервация экспортносырьевой структуры при замедлении добычи и экспорта углеводородов Ускоренное развитие и модернизация энергосырьевых отраслей и транспорта Разработка эффективной системы инноваций и высокотехнологичных проектов

Решение задач и выполнение мероприятий послуживших основой для этих документов выводит Россию в одного из основных флагманов мировой

экономики благодаря инновационному пути развития машиностроения, ориентированному на постоянную модернизацию производства.

Прогноз развития топливно-энергетического баланса России до 2030 г. показан на рис 1.1 [69, 228].

Результатом этой программы будет являться увеличение потребления энергоресурсов внутри страны и сокращение экспорта, т.к. все топливно-энергетические ресурсы являются не возобновляемыми, то целесообразно использовать их внутри страны. На примере внутреннего потребления видно, что 2/3 всех потребляемых ресурсов составляют газ и жидкие (нефть и конденсат). Значит, в будущем нефтегазовый комплекс и нефтяное машиностроение будут стабильно развиваться, показан на рис. 1.1.

Прогнозный топливно-энергетический баланс России на период до 2030 г.

Рис. 1.1 - Прогнозный топливно-энергетический баланс России

на период до 2030 г.

Добычей нефти занимаются во многих странах мира (рис. 1.2) довольно давно, так как нефть является одним из главных энергетических ресурсов.

10000 дооо SOOO 7000 ^ 6000 а 5000 н 4 ООО 3000 2000 1000

о

Кмтай Яийния CLUA Россия Южная Корея

Рис. 1.2 - Объем продукции пяти крупнейших производителей труб

Запасы, находящиеся на поверхности постепенно сокращаются, а это значит, что добывать нефть становится еще сложнее. Российская Федерация так же занимается добычей нефти, и является одним из важнейших мировых экспортеров и производителем бурильных труб.

Все это подталкивает производителей к проведению исследований в повышении эксплуатационных свойств бурильных труб.

Главным соединительным элементом в буровой колонне является резьба, следовательно, необходимо в первую очередь повысить эксплуатационные свойства резьбового соединения.

1.1 Конструктивно-технологические особенности изготовления и эксплуатации резьбовых соединений бурильных труб

В мировой практике нефтегазодобычи для соединения бурильных труб в многокилометровые колонны нашли широкое применение специальные

конические резьбовые соединения с треугольным и трапецеидальным профилем витков либо их модификации [28-30, 32-34], данную резьбу выполняют на утяжеленных, ведущих, толстостенных бурильных трубах [14].

В предлагаемой работе рассматривается проблема повышения надежности резьбового соединения бурильных труб технологическими методами.

Свинчивание труб обеспечивается бурильными замками со специальной резьбой. Вес бурильной колонны длиной 3000 м приблизительно равен 180 т. И вся эта нагрузка воспринимается резьбовым соединением. Обрывы бурильных колонн по резьбе - нередкое явление, на устранение последствий одного обрыва требуется порядка 1 млн. рублей.

Бурильные трубы применяются:

• для монтажа двигателя, долота и другого оборудования в скважине, его спуска и подъема;

• с целью передачи крутящего момента на бурильный инструмент;

• находясь в скважине и взаимодействую с инструментом, накладывают осевую нагрузку на инструмент;

• для передачи бурового раствора к забою скважины.

Кроме того различают 3 вида бурения:

1. Вертикальное бурение

2. Наклонно-направленное бурение

3. Горизонтальное бурение.

Резьба — спираль, образованная на цилиндрической или конической поверхности по винтовой линии с постоянным шагом. Является основным элементом резьбового соединения, винтовой передачи, а также червячного зацепления зубчато-винтовой передачи [29, 31].

В настоящее время существует обширная классификация резьб. Для классификации используются следующие основные признаки, показанные на рис. 1.3 [31]:

- форма профиля;

- форма поверхности, на которой выполнена резьба;

- расположение резьбы;

- величина шага;

- число и направление заходов;

- эксплуатационное назначение.

Рис. 1.3 - Классификация резьб

Данные резьбовые соединения, в основном, выполняются в соответствии со стандартами Американского института нефти (API), однако, разработаны и Российский стандарт ГОСТ Р.50864-96.

Специальную коническую резьбу нарезают на ведущих и бурильных трубах (рис. 1.4 и 1.5).

Рис. 1.4 - Утяжеленная бурильная труба (УБТ) с конической резьбой на концах

Бурильные трубы соединяются между собой при помощи бурильных замков со специальной замковой резьбой, образуя бурильную колонну (рис. 1.5).

Характерным признаком эксплуатации бурильных труб является сопровождение таких факторов как значительные изгибающие и крутящих моменты, сжимающие и растягивающие напряжения от действия сил, кроме того, колонну труб свинчивают и развинчивают при замене бурового инструмента или проведении ловильных работ.

Количество резьбовых соединений в колонне велико. Велика и вероятность случайного разрушения труб по причине поломки резьбы. Для изготовления одной колонны труб нужно нарезать более 600 резьб наружных (рис. 1.7, а) и внутренних (рис. 1.7, б), с весьма сложной профильной конической поверхностью, показанной на (рис. 1.7, в) и (1.7, г).

Рис. 1.5 - Схема утяжеленной бурильной труб

Рис. 1.6 - Схема бурильной колонны

Профиль резьбы ниппеля (¿>:1) Профиль резьбы муфты (4:1)

ГОСТР 5086А-96

в) г)

Рис. 1.7 - Резьба бурильной трубы: а) ниппельная часть бурильной трубы; б) муфтовая часть бурильной трубы; в) профиль резьбы ниппеля; в) профиль резьбы муфты

Бурильные трубы, которые используют для создания наклонных скважин, их собирают в «свечу» длиной в среднем до 5000 м, опускают на глубину 3500...4000 м. Так для этих работ требуется примерно 400...500 труб и вес такой колонны составляет около 180 тн.

1.2 Проблемы усталостного разрушения и обрывов резьбовых соединений

бурильных труб

Во время эксплуатации бурильных труб резьбовые соединения испытывают значительные нагрузки, в результате этого возможно его разрушение (рис. 1.8, 1.9), следствием чего может произойти обрыв колонны. На устранение последствий одного обрыва требуется более 1 млн. руб. Чаще всего оторвавшуюся колонну не достают, а бурят новую скважину.

Рис. 1.8 - Разрушение бурильной трубы попервой впадине резьбы

Рис. 1.9 - Усталостный характер разрыва резьбы по ее впадине

Формируются места концентраций напряжений возле замков и муфт, при помощи которых свинчиваются переводники и бурильные трубы. Исследовано значительное влияние знакопеременных нагрузок, действующих на бурильную колонну, и установлено, что наибольшие напряжения формируются в ниппельной

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Песин Михаил Владимирович, 2018 год

- л

-6= 0. -522.&^> 1 О/ 0 +

1 fi

-¡й

Рис.3.9 - Сравнение методов определения остаточных напряжений

на образцах деталей

В работе успешно реализован неразрушающий метод контроля остаточных напряжений в резьбе бурильных труб.

3.6 Исследование дефектов резьбы с применением прибора-анализатора шумов Баркгаузена Rollscan 300

Для комплексного контроля резьбы после обкатывания был использован цифровой анализатор шумов Баркгаузена Rollscan 300 (рис. 3.10) производства компании Stresstechy (Финляндия) в комплекте со специальным программным обеспечением ViewScan. Прибор совмещен со специальным измерительным стендом CamScan-100 LD. Система предупреждает оператора о принятия положительного или отрицательного решения в соответствии с заданными пределами измерений.

Рис. 3.10 - Общий вид цифрового анализатора шумов Баркгаузена Ко\Ысап 300,

используемого для контроля резьбы

Установлено, что поверхность с дефектами усиливает сигнал магнитного шума в 1,5-2 раза. Сигналы шумов Баркгаузена сохраняются в программном обеспечении. По окончании работы программа формирует отчет.

3.7 Разработка методики исследований изменений профиля резьбы в процессе обкатывания

Контроль геометрических параметров резьбы

Основными параметрами резьбы являются наружный, внутренний и средний диаметр, шаг и угол профиля, так как они определяют эксплуатационные свойства резьбового соединения (точность, прочность, характер контакта, и другие).

В процессе производства резьбовых деталей любой из этих элементов резьбы может иметь погрешности изготовления. Кроме того, возможны отклонения: от концентричности диаметральных сечений; от заданных параметров, характеризующих взаимное расположение резьбы и других поверхностей детали; несоответствие параметра шероховатости резьбовой поверхности и т.д. Все это приводит к нарушению взаимозаменяемости, ухудшает качество и свинчиваемость резьбового соединения, снижает его прочность.

Существуют два метода контроля точности резьб:

• дифференцированный (поэлементный);

• комплексный.

Дифференцированный метод применяют, когда на каждый параметр резьбы допуски указаны отдельно. При этом отдельно контролируют шаг, средний диаметр, половину угла профиля. Данный метод является сложным и трудоемким, поэтому используется для контроля точных резьб, а также используется при наладке технологического процесса и при исследовании причин дефектов.

Для контроля резьбы бурильных труб используют по комплексный метод проверки среднего диаметра. Метод включает проверку среднего диаметра, шага, половины угла профиля, внутреннего и наружного диаметров резьбы - это обеспечивается использованием предельных калибров [27].

Контроль конической замковой резьбы калибрами

Согласно ГОСТ 6111-52 наружная резьба проверяется по среднему диаметру резьбовым калибром-кольцом по ГОСТ 6485-69. Осевое смещение основной плоскости трубы при этом относительно номинального расположения не должно превышать ±Р (шаг резьбы) рис. 3.11.

Кольцо Кольцо Кольцо

Рис. 3.11 - Осевое смещение основной плоскости трубы

Внутренняя резьба проверяется по среднему диаметру резьбовым калибром-пробкой по ГОСТ 6485-69. Осевое смещение основной плоскости муфты относительно номинального расположения не должно превышать ±Р (шаг

резьбы) рис. 3.12.

Рис. 3.12 - Осевое смещение основной плоскости муфты

Разность размеров 11 и 12 должна быть не менее значений, указанных в таблице 4 номинальных размеров 11 и 12.

Отклонение расстояний вершин и впадин резьбы трубы и муфты от линии среднего диаметра резьбы (<И1 и <И2) рис. 3.13, не должны превышать значений, указанных в таблице 3.2.

Рис. 3.13 - Отклонение расстояний вершин и впадин резьбы трубки и муфты от линии среднего диаметра резьбы

Таблица 3.2 - Отклонение расстояний вершин и впадин резьбы

Обозначение размера резьбы М = ¿2 = / Н1 8И1= дИ2

мм

1/16 и 1/8" 0,3765 -0,045

1/4 и 3/8 " 0,5645 -0,065

1/2 и 3/4 " 0,7255 -0,085

1 - 2" 0,8835

Отклонение половины угла профиля, угла уклона (ф/2) и отклонения по шагу резьбы (отклонения расстояний между любыми витками) не должно превышать значений указанных в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Отклонение половины угла профиля

Предельные отклонения

угла наклона по шагу резьбы

Обозначение на длине до на длине

размера Отклонение для для 10 мм свыше 10

резьбы половины наружной внутренней мм

угла профиля резьбы резьбы мм

1/16" и 1/8" +12' -12'

±1° -6' +6' ±0,02 ±0,04

1/4" - 2 ±45' +10' -5' -10' +5'

Методы контроля параметров конической замковой резьбы

Как известно, основными параметрами конической резьбы являются средний диаметр, шаг, угол профиля и угол конусности, так как они определяют характер контакта, прочность, точность и другие эксплуатационные свойства резьбового соединения.

Конструктивные особенности конических резьб, а также специфика эксплуатационных требований к коническим резьбовым соединениям, применяемым в нефтяной промышленности, вносят существенные отличия в назначении допусков, а, следовательно, и в методы контроля, по сравнению с цилиндрическими резьбами [38].

Условно все методы контроля точности резьбы можно разбить на две большие группы дифференцированный (поэлементный) контроль и комплексный контроль [39].

Дифференцированный контроль

Дифференцированный или поэлементный контроль применяют в том случае, когда допуски даны отдельно на каждый параметр резьбы. При этом отдельно проверяют средний диаметр, шаг и половину угла профиля, конусность по среднему диаметру и высоту профиля резьбы. Дифференцированный контроль

позволяет получить наиболее полные и достоверные результаты отклонения каждого элемента конической резьбы.

Параметры (элементы) резьбы проверяются с помощью специальных измерительных средств или специальных накладных приборов.

Контроль высоты профиля (И1) осуществляется специальным индикаторным глубиномером (рис. 3.14). Устройство состоит из колодки и укрепленного в ней индикатора часового типа. Нижняя опорная поверхность колодки имеет закругленную форму, необходимую при контроле внутренних резьб. В измерительном стержне индикатора укреплен контактный наконечник конической формы (рис. 3.15, а), с углом конуса 40...50°, вершина наконечника скруглена радиусом приблизительно 0,15 мм. Проверку высоты профиля осуществляют перпендикулярно образующей конуса, в то время как высота профиля определяется расстоянием, измеренным перпендикулярно к оси резьбы. Ошибка измерения составляет:

А^ = ¡\ (1 - СОБр)

где Н1 - высота профиля резьбы; р- угол конусности резьбы.

¥

Рис. 3.14 - Индикаторный глубиномер

а) б)

Рис. 3.15 - Схема измерения высоты профиля резьбы: а - конусным наконечником; б - шариковым наконечником

При измерении конусный наконечник устанавливают во впадину резьбы и небольшим перемещением по оси резьбы определяют положение, соответствующее наибольшей глубине резьбы, а покачиванием прибора находят наименьшее показание по индикатору (рис. 3.15, а). Заменой конусного наконечника шариковым (рис. 3.15, б) можно провести измерение высоты от линии среднего диаметра до вершины резьбы. В этом случае установку прибора производят по специальному шаблону.

Высота профиля нарезанной резьбы имеет важное значение, поскольку отклонения от номинальных размеров приводит к ухудшению прочностных и эксплуатационных характеристик.

Контроль половины угла профиля можно производить с помощью инструментального микроскопа (для ниппелей небольшого диаметра) или с помощью отливок (для труб большого диаметра) [28]. Более подробно методы рассмотрены в литературе [38, 18].

Измерение шага наружной и внутренней резьбы производится с помощью накладных шагомеров типа ЦЛ-250, ШИ и др.

Конусность по среднему диаметру резьбы треугольного профиля, по внутреннему диаметру трапецеидальной наружной резьбы и наружному диаметру

трапецеидальной внутренней резьбы проверяется с помощью специальных накладных приборов типа ИНК.

Дифференцированный контроль очень трудоемок, сложен и требует высокой квалификации контролера, поэтому главным образом используется для контроля точной резьбы, например, калибров, резьбообразующего инструмента специальных резьбовых деталей. Также его целесообразно использовать при исследовании причин дефектов и при наладке технологического процесса и проверке его устойчивости. От устойчивости технологического процесса нарезания резьбы во многом зависит периодичность проверки, при этом ограничиваются выборочной проверкой отдельных элементов конической резьбы. Погрешности шага определяются кинематической точностью цепи подач резьбонарезного станка. Погрешности половин угла профиля возникают от неточности профилирования и установки резьбообразующего инструмента, а погрешность конусности обычно зависит от прямолинейности и точности установки конусной копировальной линейки.

3.8 Методика исследования шероховатости резьбовой поверхности

Для определения параметров шероховатости использован профилометр, показан на рис. 3.16 и 3.17. Первоначально работы проведены на специальных образцах, слепках, и, затем, перенесены на реальные профили резьбы.

Рис. 3.16 - Замер шероховатости во впадине резьбы.

Рис. 3.17 - Комплекс по определению параметров шероховатости резьбы во впадине

С целью уточнения параметров резьбы была использована контрольно-измерительная машина, показана на рис. 3.18.

а) б)

Рис. 3.18 - Измерение параметров резьбы на контрольно-измерительной машине:

а - замер параметров резьбы, б - визуализация резьбовой поверхности

Выполненные замеры показали уменьшение шероховатости во впадине после проведения обкатывания резьбы.

3.9 Методика исследований влияния технологических параметров процесса обкатывания на микротвердость резьбовой поверхности

Метод определения микротвердости предназначен для оценки твердости очень малых (микроскопических) объемов материала.

Фактически метод определения микротвердости по Виккерсу (HV) с использованием меньших нагрузок использован для определения параметров упрочненного слоя.

Изготовление образцов

Для проведения металлографического анализа и замера микротвердости важным этапом является работа по приготовлению образцов.

Вначале отрезали ненужный материал с тыльной части заготовки (рис. 3.19), после чего проводили продольную резку по центру оставшейся части образца на электроэрозионном станке EcoCut фирмы Electrónica (рис. 3.20).

Рис. 3.19 - Заготовка

Рис. 3.20 - Электроэрозионный станок EcoCut Получившийся объект запрессовывали в термореактивную пластмассу «бакелит» при температуре 120°С в течение 5 минут с помощью аппарата горячей запрессовки CitoPress 10 фирмы Struers (рис. 3.21).

После запрессовки проводили шлифовку и полировку образцов с использованием алмазных кругов и алмазосодержащих лубрикантов с помощью шлифовально-полировальной станции Tegramin-30 фирмы Struers для получения металлографического шлифа (рис. 3.22).

Рис. 3.21 - Аппарат горячей запрессовки CitoPress 10

Рис. 3.22. - Шлифовально-полировальная станция Те§гатш-30 После полирования образцов (рис. 3.23) их промыли водой, обезжирили тампоном, смоченном в спирте, и просушили фильтровальной бумагой.

Рис. 3.23 - Шлиф для определения микротвердости во впадине резьбы

Следующий этап включал в себя замер микротвердости подготовленных шлифов из образцов бурильных труб.

Методика измерения микротвердости

Измерение микротвердости проводили на автоматизированном микротвердомере с возможностью анализа изображений ВитаБсап70 фирмы ЕМСО-ТЕБТ (рис. 3.24).

Рис. 3.24. Микротвердомер DuraScan70

Твердомер представляет собой стационарный прибор, состоящий из нагружающего блока и револьвера с различными объективами для анализа полученных отпечатков при разных нагрузках. Принцип действия твердомера основан на статическом вдавливании наконечника - алмазной пирамиды Виккерса, с последующим измерением длины диагоналей отпечатка, пропорциональным значениям чисел твёрдости. Он укомплектован видеокамерой высокого разрешения, светодиодной подсветкой, автоматической фокусировкой, автоматическим определением границ и измерением длины диагоналей отпечатка. Управление осуществляется через персональный компьютер с помощью специального программного обеспечения.

Замеры проводились на нескольких образцах:

• Образец №1 исходный, без упрочнения резьбы;

л

• образец № 2 с обкаткой впадин при давлении 500 Н/м и силе прижима 7002 Н.

Для каждого образца задавали серию (дорожку) замеров твердости по впадине (рис. 3.25). Количество отпечатков в дорожке варьировали до 28 (рис. 3.26), расстояние между отпечатками 55-60 мкм.

Измерения проводили с постоянной нагрузкой 50 г при увеличениях х400.

Рис. 3.25 - Задание дорожки на образце № 1

Рис. 3.26 - Создание отпечатков

После создания каждого отпечатка программа автоматически определяла его границы (рис. 3.27), затем производила замер диагоналей и так с каждым последующим отпечатком.

Рис. 3.27 - Определение границ отпечатка

После выполнения каждой дорожки программа строила график изменения твердости.

Методика металлографических исследований микроструктуры образцов бурильных труб до и после обкатывания роликами

Для проведения металлографических исследований влияния упрочнения на структуру материала использовали те же образцы, что и для замера микротвердости. В процессе подготовки образцов к исследованиям поверхность образцов подвергали травлению в течение одной минуты в 4 %-м раствором азотной кислоты в этиловом спирте [7].

Травленые образцы просматривали на световом микроскопе с возможностью съемки изображений и видео высокой четкости и высокого разрешения Olympus GX-51 (рис. 3.28) при увеличении х500 и х1000.

Рис. 3.28 - Световой микроскоп Olympus GX-51

Данный микроскоп используется для проведения металлографического анализа с кратностью увеличений до х1000 с последующей или одновременной количественной обработкой получаемых изображений структуры.

3.10 Разработка методики проведения сравнительных исследований влияния параметров обкатывания на сопротивление усталостному разрушению резьбовых соединений бурильных труб до и после

упрочнения

Методика испытания на усталостную долговечность образцов

бурильных труб

Усталостная прочность - это свойство материала не разрушаться с течением времени под действием изменяющихся рабочих нагрузок [15, 18, 28].

Разрушение происходит из-за появления микроразрушений, их накопления, затем объединения в одно макроразрушение. Для каждого материала существует так называемый предел усталостной прочности, который значительно меньше его предела прочности.

На усталостную прочность влияют не только число циклов и величина действующей нагрузки, но и амплитуда напряжений в материале, возникающая в результате действующей переменной во времени нагрузки.

Методика испытания образцов (рис. 3.29) резьбового соединения бурильных труб на усталостную долговечность. Экспериментальным исследованиям подвергнуты образцы длиной 1000 мм, изготовленные без упрочнения и с упрочнением резьбы различными методами с резьбой ниппельной и муфтовой по концам.

Рис. 3.29 - Образцы для испытания Испытания проводились на специальном стенде УП-200 по согласованной с профильным институтом «ВНИИБТ-Буровой инструмент» (рис. 3.30).

Рис. 3.30 - Стенд для исследования сопротивления усталости

Цель испытаний заключалась в определении фактической циклической выносливости при приложенном к образцам знакопеременном изгибающем моменте:

- без упрочнения;

- с упрочнением методом обкатывания роликом;

На испытания были предоставлены следующие образцы длиной 1 м:

1. Переводники «муфта-ниппель» резьбой без упрочнения.

2. Переводники «муфта-ниппель» с резьбой, упрочненной обкатыванием роликом.

3. Переводники «муфта-ниппель» с резьбой, упрочненной электромеханической обработкой.

4. Переводники «муфта-ниппель» с резьбой, упрочненной обкатыванием роликом и электромеханической обработкой (комбинированный метод).

Испытания проводились в следующем порядке:

- перед свинчиванием образцов на внутреннюю и наружную резьбу наносилась смазка резьбовая «Резьбол Б» ТУ 38-301-100;

- произведен замер парных натягов. Значения натягов для всех образцов находятся в пределах 0,6±0,2 мм;

- образцы свинчивались на ключе КС10 моментом силы 27±0,2 кНм. Сочетания свинчиваемых образцов указаны в таблице 1 ;

- испытания производились поэтапно (табл. 3.6),

Установка для определения сопротивления усталости упрочненных образцов бурильных труб показана на рис. 3.31 и 3.32.

Рис. 3.31 - Установка для определения усталостной долговечности упрочненных образцов бурильных труб

Таблица 3.6 - Этапы и режимы испытаний

Номер этапа Изгибающий момент, кг-м (Н-м) Количество циклов

1 3 500 (34 300) 2 000 000

2 4 500 (44 100) 1 000 000

3 5 500 (53 900) 1 000 000

4 6 500 (63 700) 1 000 000

5 7 000 (68 600) 1 000 000

Рис. 3.32 - Схема установки образцов

Величина максимально допустимого значения изгибающего момента для испытательного стенда составляет 68,6 кН. Разрушение резьбы фиксировалось по электрическим тензодатчикам.

Целью исследований является сравнительная оценка полученной циклической выносливости и выявление наиболее предпочтительного метода упрочнения.

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ И РЕЖИМОВ ОБКАТЫВАНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ РЕЗЬБЫ,

СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

4.1 Результаты исследования и анализ влияния технологических

параметров процесса обкатывания на микротвердость резьбовой

поверхности

Целью эксперимента является установление зависимости между напряжениями, возникающими в поверхностном слое от радиуса при вершине ролика и силы его прижатия к упрочняемой поверхности.

Условия проведения эксперимента.

Проводятся натурные испытания на стенде, созданном для упрочнения впадин резьбовой поверхности.

Используются 2 ролика с различными радиусами при вершине Яг=0,915мм и Яг=1,067 мм.

Выявление и выбор входных и выходных параметров

Входные параметры:

1. Сила прижатия ролика ^

2. Радиус при вершине ролика Яг.

Выходные параметры:

1. Шероховатость поверхности упрочненной впадины;

2. Микротвердость поверхностного слоя.

Составлен план и выполнены эксперименты. Упрочнены по три образца ниппельной части трубы с усилиями 87,5%F и 100% F роликом с радиусом при вершине Яг=0.915мм. Упрочнены по три образца ниппельной части трубы с усилиями 87,5%Б и 100% F роликом с радиусом при вершине Яг=1,067мм.

Замерена шероховатость поверхности и микротвердость поверхностного слоя. Выполнена статистическая обработка результатов.

Полученные значения представлены в табличной форме, проверено соответствие математической модели результатам эксперимента, откорректирована математическая модель.

Проводилось исследование материала образцов опытных деталей с резьбой, упрочненной методом обкатки впадин, с целью определения состояния поверхностного слоя.

Для исследования предоставлены 3 образцов размером 135x150 мм с толщиной стенки от 7,0 до 15,0 мм:

• образец условно № 1 -фрагмент детали исходной, без упрочнения резьбы;

• образец условно № 2 — фрагмент детали с обкаткой впадин при силе прижатия 7000 Н.

• образец условно № 3 — фрагмент детали с обкаткой впадин при силе прижатия 8000 Н.

Исследования изделий включали в себя наружный осмотр поверхности резьбы.

Внешний осмотр проводили визуально и с помощью бинокулярного микроскопа МБС-10 при увеличении от 2 до 14 раз.

Поверхность профиля резьбы образца условно № 1 имеет регулярные параллельные концентрические следы в виде царапин, характерных для механической обработки поверхности, малую шероховатость и нерегулярные повреждения поверхности впадин. После обкатывания поверхности впадин при силе прижатия ролика 8 кН размеры и количество мелких дефектов поверхности во впадинах резьбы уменьшается на обоих образцах, на образце № 2 наблюдаются незначительное выдавливание металла. Обкатка поверхности впадин при силе прижатия 8 кН на образце № 3 устраняет практически все дефекты первоначальной обработки, однако во впадинах резьбы просматриваются явные следы пластической деформации материала, появляются микротрещины.

На поверхностях образцов условно № 1, 2 и 3 (включая поверхность резьбы) трещины, плены, раковины, расслоения, закаты и другие дефекты металлургического или производственного происхождения не обнаружены.

Осмотр показал, что не следует применять при силе прижатия, так как более высокие усилия ведут к разрушению резьбовой поверхности.

Для дальнейших исследований, в которые входят измерения микротвердости, металлографический анализ и усталостные испытания, выбран образец без упрочняющей обработки и образец с обработкой при силе прижатия 8кН.

Результаты значения твердости во впадине образцов № 1 и в виде графика представлены на рис. 4.1.

500

400

ё 300

ч

й 200

100

■№ 1 № 3

123456789 1011 12 1314 15 1617 1819 202122 23 2425 26 2728

Номер точки

Рис. 4.1 - Графики распределения твердости по впадине образца № 1 и № 3

По графикам замеров микротвердости можно определить, что

микротвердость образца № 1 распределяется пределах - 320 - 363 ^,

микротвердость образца № 3 распределяется пределах - 330 - 395 HV. Наблюдается увеличение микротвердости образца № 3 на 10-15%.

Так же были проведены замеры микротвердости другого образца в 5

точках, в местах, максимально близких к поверхности (рис. 4.2). Результаты этих измерений представлены на рис. 4.3.

а) б) в)

Рис. 4.2 - Задание дорожек: а) серия 1 - левая боковая поверхность;

б) серия 2 - впадина;

в) серия 3 - правая боковая поверхность

Рис. 4.3 - Графики распределения твердости образца № 3 в местах, максимально близких к поверхности

График свидетельствует о повышении микротвердости во впадине резьбы относительно боковых поверхностей резьбы на 15-20 %.

4.2 Результаты исследования и анализ влияния упрочнения на изменение микроструктуры и образование дефектов в резьбовой поверхности

В результате исследования на микроструктуру поверхности упрочненных резьб определено влияние режимов обкатывания. Так с помощью микроскопа получили ряд изображений структуры каждого образца (рис. 4.4 и 4.5).

а) б)

Рис. 4.4 - Структура образца № 1 без упрочнения: а) при увеличении х500; б) при увеличении х1000

а) б)

Рис. 4.5 - Структура образца № 3: а) при увеличении х500; б) при увеличении х1000 (с упрочнением 8 кН)

В результате проведенных исследований и анализа изображений установлено, что структура основного материала образца № 1 в целом равномерная, но наблюдается уменьшение размера зерна у поверхности профиля резьбы, так как во время нарезания резьбы происходит упрочнение слоя металла под обработанной поверхностью. Глубина слоя с мелким зерном равна 40-50 мкм. Так же на изображения видны участки с остаточным аустенитом, что вызвано нарушением технологии отпуска.

При анализе изображений структуры образца № 3 наблюдается уменьшения размера зерен при приближении к поверхности впадины резьбы -глубина слоя с мелким зерном равна 150-160 мкм.

Структура упрочненного слоя показана на рис. 4.6.

Рис. 4.6 - Структура упрочненного слоя при увеличении х1000: 1 - субструктура, 2 - измельченное зерно, 3 - переходный слой, 4 - основной материал

Так же наблюдаются участки наклёпа глубиной до 10 мкм, на остальной поверхности профиля резьбы участков деформированного материала не

обнаружено. Как и в образце № 1, в образце № 3 наблюдаются участки с остаточным аустенитом. Следует добавить, что существенного изменения геометрии, что подтверждается инструментальным контролем после обкатывания впадин витков резьбы роликом не наблюдается.

4.3 Результаты исследования и анализ влияния технологических параметров обкатывания роликами на повышение сопротивления усталости резьб

Испытание образцов шло поэтапно, так вначале приложен изгибающий момент 35 кН (3500 кг/м) и образцы работали 2 млн. циклов. Далее 45 кН (4500 кг/м) и образцы работали еще 1 млн. циклов. В заключении, приложен изгибающий момент 55 кН (5500 кг/м) и фиксировалось число циклов, которое проработает резьба.

Результаты испытаний образцов представлены в табл. 4.1.

Таблица 4.1 - Результаты испытаний резьбовых соединений бурильных труб на

усталостную прочность

№ испытания Маркировка образца РС Изгибаю-щий момент, соответствующий этапу испытания кг-м Количество циклов, соответствующее этапу испытания Общее количество циклов до разрушения

1 0 3 500 827 084 827 084

3 500 2 000 000

2 40 4 500 1 000 000 3 117 831

5 500 117 831

3 500 2 000 000

3 50 4 500 1 000 000 3 765 843

5 500 765 843

3 500 2 000 000

4 60 4 500 1 000 000 3 527 284

5 500 527 284

Сравнительная оценка полученных результатов испытаний приведена на рис. 4.7.

Рис. 4.7 - Результаты испытаний на усталостную прочность образцов

Результаты испытаний на усталостную прочность образцов показали следующее:

- циклическая выносливость образца с резьбой без упрочения (с маркировкой «0») составила 827 084 циклов при изгибающем моменте 3 500 кгм;

- циклическая выносливость образцов с резьбой, упрочненной обкаткой роликом (с маркировкой «40», «50» и «60»), превысила 3 000 000 циклов и оказалась существенно выше циклической выносливости всех остальных образцов. Испытания завершились на 3-м этапе при увеличении изгибающего момента до 5 500 кг м. Среднее значение циклической выносливости по 3-м образцам составило 3 470 319 циклов;

4.4 Результаты исследования и анализ влияния технологических параметров обкатывания на величину и характер распределения остаточных напряжений в резьбовой поверхности

В табл. 4.3 и 4.4 приведены результаты измерения остаточных напряжений в резьбовой поверхности необкатанного и обкатанного образцов, соответственно.

Таблица 4.3 - Результаты измерений остаточных напряжений на необкатанном образце I

Точка измерения Напряжение, МПа Номинал, МПа FWHM d0 20

48 130,3 ± 42,1 130,3 3,74 ± 0,14 0,1169664 156,68

49 154,2 ± 64,6 154,2 3,62 ± 0,09 0,1169895 156,57

50 269,6 ± 40,5 269,6 3,73 ± 0,09 0,1169617 156,71

51 225,0 ± 62,4 225,0 3,71 ± 0,12 0,1169697 156,67

52 161,8 ± 83,3 161,8 3,87 ± 0,17 0,1169442 156,79

53 160,4 ± 37,4 160,4 3,72 ± 0,07 0,1169744 156,05

54 271,3 ± 60,0 271,3 3,67 ± 0,08 0,1169588 156,72

55 314,2 ±44,9 314,2 3,59 ± 0,11 0,1169611 156,71

56 148,6± 52,4 148,6 3,68 ±0,11 0,1169650 156,69

57 208,2 ± 53,6 208,2 3,74 ± 0,10 0,1169680 156,68

58 273,0 ± 69,2 273,0 3,69 ± 0,09 0,1169693 156,67

59 328,2 ±47,8 328,2 3,66 ± 0,08 0,1169649 156,69

1 102,7 ± 50,0 102,7 3,80 ± 0,09 0,1170123 156,47

2 176,5± 39,0 176,5 3,65 ± 0,08 0,1169856 156,59

3 272,3 ± 45,5 272,3 3,81 ± 0,09 0,1170081 156,49

4 340,8 ±86,2 340,8 3,72 ± 0,08 0,1169898 156,52

Таблица 4.4 - Результаты измерений остаточных напряжений

на обкатанном образце II

Точка измерения Напряжение, МПа Номинал, МПа FWHM d0 20

32 (-188,9 ± 75,2) -188,9 3,33 ± 0,12 0,1171852 155,72

33 (-368,8 ± 65,3) -368,8 3,23 ± 0,11 0,1171934 155,63

34 (-353,5 ± 108,4) -353,5 3,34 ± 0,12 0,1171698 155,74

35 (-264,3 ± 84,5) -264,3 3,44 ± 0,11 0,1171209 155,96

36 (-203,9 ± 95,9) -203,9 3,34 ± 0,08 0,1171751 155,71

37 (-353,5 ± 124,9) -353,5 3,32 ± 0,07 0,1171480 155,84

38 (-219,1 ± 77,5) -219,1 3,32 ± 0,07 0,1171649 155,76

39 (-329,0 ± 76,6) -329,0 3,22 ± 0,11 0,1171803 155,69

40 (-147,5 ± 98,9) -147,5 3,35 ± 0,13 0,1171463 155,85

41 (-264,3 ± 93,7) -264,3 3,33 ± 0,11 0,1171751 155,71

42 (-261,7 ± 93,8) -261,7 3,32 ± 0,13 0,1171686 155,74

43 (-209,5 ± 97,6) -209,5 3,14 ± 0,11 0,1171972 155,61

44 (-53,3 ± 53,8) -53,3 3,24 ± 0,03 0,1171908 155,64

45 (-133,9 ± 68,2) -133,9 3,24 ± 0,04 0,1171889 155,65

46 (-137,2 ± 19,4) -137,2 3,20 ± 0,04 0,1171544 155,81

47 (-207,3 ± 109,5) -207,3 3,10 ± 0,07 0,1171659 155,76

По результатам измерений построены графики распределения остаточных напряжений:

• необкатанного образца (рис. 4.8 - 4.15)

180 160 140 120

Напряжение, 100 МПа зо

60

40

20

0

161 ,8 1 Я Р.

13 1,3

1С 12,7

Точки

Рис. 4.8 - График распределения растягивающих остаточных напряжений вдоль одного витка резьбы необкатанного образца (точки 48 - 0°; 52 - 90°; 56 - 180°; 1 - 270°)

На графике (рис. 4.8) представлены растягивающие напряжения. Происходит изменение значения напряжений в зависимости от углов измерения. В точке 48 при угле 0° значение напряжения составляет 130,3 МПа, затем напряжение растет, достигая наибольшего значения в точке 52 (угол 90°) = 161,8МПа. После происходит постепенное снижение напряжений до наименьшего значения в точке 1 (угол 270°) = 102,7 МПа. Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.

200

150

Напряжение, МПа

100

50

20 8,2

15 и 16 1 76,5

Точки

Рис. 4.9 - График распределения остаточных напряжений вдоль одного витка резьбы необкатанного образца (точки 49 - 0°; 53 - 90°; 57 - 180°; 2 - 270°)

На графике (рис. 4.9) наблюдаются напряжения со знаком «+», то есть растягивающие. Происходит изменение значения напряжений в зависимости от углов измерения. В точке 49 при угле 0° значение напряжения составляет 154,2МПа, затем напряжение постепенно растет, достигая наибольшего значения в точке 57 (угол 180°) = 208,2 МПа. После происходит снижение напряжения до 176,5 МПа в точке 2 (угол 270°).Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.

Рис. 4.10 - График распределения остаточных напряжений вдоль одного витка резьбы необкатанного образца (точки 50 - 0°; 54 - 90°; 58 - 180°; 3 - 270°)

На графике (рис. 4.10) наблюдаются напряжения со знаком «+», то есть растягивающие. Происходит изменение значения напряжений в зависимости от углов измерения. В точке 50 при угле 0° значение напряжения составляет 269,6МПа, что является наименьшим, затем напряжение постепенно растет, достигая наибольшего значения в точке 58 (угол 180°) = 273 МПа. После происходит снижение напряжения до 272,3 МПа в точке 3 (угол 270°).Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.

Напряжение, МПа

400 350 300 250 200 150 100 50 0

ч? Я 1 34 0,8

31 и Г),А

¿А и

Точки

Рис. 4.11 - График распределения остаточных напряжений вдоль одного витка резьбы необкатанного образца (точки 51 - 0°; 55 - 90°; 59 - 180°; 4 - 270°)

На графике (рис. 4.11) наблюдаются напряжения со знаком «+», то есть растягивающие. Происходит изменение значения напряжений в зависимости от углов измерения. В точке 51 при угле 0° значение напряжения составляет 225 МПа, затем напряжение постепенно растет, достигая наибольшего значения в точке 4 (угол 270°) = 340,8 МПа. Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.

Рис. 4.12 - График распределения остаточных напряжений по впадине резьбы необкатанного образца (точки 48, 49, 50, 51) На графике (рис. 4.12) наблюдаются напряжения со знаком «+», то есть растягивающие. Происходит изменение значения напряжений по мере удаления измерительного элемента от торца резьбы. В точке 48 значение напряжения составляет 130,3 МПа, что является наименьшим, затем напряжение постепенно растет, достигая наибольшего значения в точке 50 = 269,6 МПа. После происходит снижение напряжения в точке 51 до 225 МПа. Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.

Рис. 4.13 - График распределения ОН по впадине резьбы необкатанного

образца (точки 52, 53, 54, 55)

На графике (рис. 4.13) наблюдаются напряжения со знаком «+», то есть растягивающие. Происходит изменение значения напряжений по мере удаления измерительного элемента от торца резьбы. В точке 52 значение напряжения составляет 161,8 МПа затем напряжение снижается до минимального значения в точке 53 = 160,4 МПа, после постепенно растет, достигая наибольшего значения в точке 55 = 314,2 МПа. Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.

Рис. 4.14 - График распределения ОН по впадине резьбы необкатанного

образца (точки 56, 57, 58, 59)

На графике (рис. 4.14) наблюдаются напряжения со знаком «+», то есть растягивающие. Происходит изменение значения напряжений по мере удаления измерительного элемента от торца резьбы. В точке 56 значение напряжения составляет 148,6 МПа, что является наименьшим, затем напряжение постепенно растет, достигая наибольшего значения в точке 59 = 328,2 МПа. Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.

Рис. 4.15 - График распределения ОН по впадине резьбы необкатанного

образца (точки 1, 2, 3, 4)

На графике (рис. 4.15) наблюдаются напряжения со знаком «+», то есть растягивающие. Происходит изменение значения напряжений по мере удаления измерительного элемента от торца резьбы. В точке 1 значение напряжения составляет 102,7 МПа, что является наименьшим, затем напряжение постепенно растет, достигая наибольшего значения в точке 4 = 340,8 МПа. Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.

На необкатанных образцах наблюдаются «вредные» растягивающие напряжения, оставшиеся после лезвийной обработки резьбы, которые приводят к появлению недопустимых остаточных деформаций, трещин, полному разрушению, а также ускоряют коррозию.

• обкатанного образца (рис. 4.16 - 4.17)

Рис. 4.16 - График распределения ОН вдоль одного витка резьбы обкатанного образца (точки 32 - 0°; 36 - 90°; 40 - 180°; 44 - 270°)

На графике (рис. 4.16) наблюдаются напряжения со знаком «-», то есть сжимающие. Происходит изменение значения напряжений в зависимости от углов измерения. В точке 32 при угле 0° значение напряжения составляет (-188,9)

МПа, затем напряжение снижается, достигая наименьшего значения в точке 36 (угол 90°) = -203,9 МПа. После происходит постепенный рост напряжений до наибольшего значения в точке 44 (угол 270°) = -53,3 МПа. Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.

Напряжение, МПа

о

-50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400

133,9

-264,3

-368,8 -3. 33,5

Точки

Рис. 4.17 - График распределения ОН вдоль одного витка резьбы обкатанного образца (точки 33 - 0°; 37 - 90°; 41 - 180°; 45 - 270°)

На графике (рис. 4.17) наблюдаются напряжения со знаком «-», то есть сжимающие. Происходит изменение значения напряжений в зависимости от углов измерения. В точке 33 при угле 0° значение напряжения составляет (-368,8)

МПа, затем напряжение постепенно растет, достигая наибольшего значения в точке 45 (угол 270°) = -133,9 МПа. Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.

Рис. 4.18 - График распределения ОН вдоль одного витка резьбы обкатанного образца (точки 34 - 0°; 38 - 90°; 42 - 180°; 46 - 270°)

На графике (рис. 4.18) наблюдаются напряжения со знаком «-», то есть сжимающие. Происходит изменение значения напряжений в зависимости от углов измерения. В точке 34 при угле 0° значение напряжения составляет (-353,5)

МПа, затем напряжение увеличивается до значения (-219,1) МПа в точке 38 (угол 90°), далее происходит снижение напряжения в точке 42 (угол 180°) до (-261,7) МПа и вновь увеличивается, достигая наибольшего значения в точке 46 (угол 270°) = (-137,2) МПа. Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.

Напряжение, МПа

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-20 9,5

-264, 3

07,3

Точки

Рис. 4.19 - График распределения ОН вдоль одного витка резьбы обкатанного образца (точки 35 - 0°; 39 - 90°; 43 - 180°; 47 - 270°)

На графике (рис. 4.19) наблюдаются напряжения со знаком «-», то есть сжимающие. Происходит изменение значения напряжений в зависимости от углов измерения. В точке 35 при угле 0° значение напряжения составляет (-264,3)

МПа, затем напряжение уменьшается до наименьшего значения (-329) МПа в точке 39 (угол 90°), далее происходит рост напряжения, достигая максимального значения в точке 43 (угол 180°) = (-209,5) МПа и вновь уменьшается в точке 47 (угол 270°) = (-207,3) МПа. Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.

Рис. 4.20 - График распределения ОН по впадине резьбы обкатанного образца (точки 32, 33, 34, 35)

На графике (рис. 4.20) наблюдаются напряжения со знаком «-», то есть сжимающие. Происходит изменение значения напряжений по мере удаления измерительного элемента от торца резьбы. В точке 32 значение напряжения составляет (-188,9) МПа, затем напряжение уменьшается до наименьшего значения (-368,8) МПа в точке 33, далее происходит рост напряжения, достигая максимального значения в точке 35 = (-264,3) МПа. Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.

Рис. 4.21 - График распределения ОН по впадине резьбы обкатанного образца (точки 36, 37, 38, 39)

На графике (рис. 4.21) наблюдаются напряжения со знаком «-», то есть сжимающие. Происходит изменение значения напряжений по мере удаления измерительного элемента от торца резьбы. В точке 36 значение напряжения составляет (-203,9) МПа, затем напряжение уменьшается до наименьшего значения (-353,5) МПа в точке 37, далее происходит рост напряжения, достигая максимального значения в точке 38 = (-219,1) МПа и вновь уменьшается до значения (-329) МПа в точке 39. Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.

-50

-100

Напряжение, МПа

-150

-200

-250

-300

-14 7,5

209,5

-264,3 -261,7

Точки

Рис. 4.22 - График распределения ОН по впадине резьбы обкатанного образца (точки 40, 41, 42, 43)

На графике (рис. 4.22) наблюдаются напряжения со знаком «-», то есть сжимающие. Происходит изменение значения напряжений по мере удаления измерительного элемента от торца резьбы. В точке 40 максимальное значение напряжения, которое составляет (-147,5) МПа, затем напряжение постепенно уменьшается до наименьшего значения (-261,7) МПа в точке 42, далее

происходит рост напряжения до значения (-209,5) МПа в точке 43. Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.

Рис. 4.23 - График распределения ОН по впадине резьбы обкатанного образца (точки 44, 45, 46, 47)

На графике (рис. 4.23) наблюдаются напряжения со знаком «-», то есть сжимающие. Происходит изменение значения напряжений по мере удаления измерительного элемента от торца резьбы. В точке 44 максимальное значение напряжения, которое составляет (-53,3) МПа, затем напряжение уменьшается до значения (-133,9) МПа в точке 45, далее происходит рост напряжения, достигая максимального значения в точке 46 = (-137,2) МПа и вновь уменьшается до значения (-207,3) МПа в точке 47. Распределение растягивающих напряжений происходит в допустимых пределах.