Повышение прочностных характеристик конических соединений обсадных труб с трапецеидальным профилем резьбы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Кантария, Сергей Николаевич

• Кантария, Сергей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кантария, Сергей Николаевич

Введение 5.

1. Литературный обзор 9.

1.1. Краткие сведения о теории расчета резьбовых соединений 9.

1.2. Конические резьбовые соединения 17.

1.3. Сопротивляемость конических резьбовых соединений обсадных труб растягивающим нагрузкам. Различие характера разрушений соединений обсадных труб с треугольным профилем и с трапецеидальной резьбой 20.

Ч 1.4. Соединения обсадных труб с трапецеидальной резьбой 22.

1.5. Выбор метода исследования 30.

1.6. Метод конечных элементов. Предварительные сведения 31.

1.7. Исторические замечания 34.

1.8. Основная концепция метода конечных элементов 37.

1.9. Типы конечных элементов 38. 1.10. Линейные интерполяционные полиномы 41.

1.11. Интерполяционные полиномы для дискретизированной

Ъ, области 50.

1.12. Преимущества метода конечных элементов 56.

1.13. Выводы 58.

2. Постановка эксперимента, создание математической модели 59.

2.1. Плоский четырехузловой изопараметрический элемент 60.

2.2. Лабораторные испытания свойств материала 60.

2.3. Построение геометрического образа модели резьбового соединения типа ОТТМ 63. (Ь 2.4. Способ моделирования контактного взаимодействия между ниппелем и муфтой в соединении типа ОТТМ 63.

2.5. Дискретизация геометрической модели 71.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение прочностных характеристик конических соединений обсадных труб с трапецеидальным профилем резьбы»

Актуальность работы. В настоящее время для крепления нефтяных и газовых скважин широко применяются обсадные трубы с коническим резьбовым соединением трапецеидального профиля. Основным фактором, ограничивающим глубину спуска обсадной колонны, является ее прочность на разрыв. В связи с этим повышение несущей способности резьбового соединения является весьма актуальным.

При расчете допустимых растягивающих нагрузок обсадных труб с резьбовым соединением трапецеидального профиля одним из критериев сопротивляемости растяжению является вырывающая нагрузка. Вырывающая нагрузка для соединений типа ОТТМ, свинченных по ГОСТ 632-80, подсчитывается по формуле:

Рв= 4^-0,08) <тТт;п (1,+ Е,

0.15 +

0.24

0.5-0.07 где стТ пил- наименьший предел текучести;

6с- средний диаметр тела трубы в опасном сечении;

1- длина резьбы в зацеплении;

Ъ- общая длина резьбы;

Ер модуль упрочнения.

При выводе формулы обычно делают ряд допущений. В частности считается, что напряжения от растягивающей нагрузки по телу соединения распределяются равномерно, принимается упрощенный линейный закон упрочнения материала с постоянным тангенциальным модулем, коэффициент Пуассона равен 0,5. Существующая формула с определенной степенью точности дает возможность определить максимальную разрушающую нагрузку в опасном сечении резьбового соединения, но не отражает в полной мере характера распределения напряжений в соединении, например, в зависимости от величины растягивающей нагрузки и натяга.

На практике, при проведении спуско - подъемных операций обсадных колонн и колонн НКТ, после свинчивания с полным натягом по ГОСТ и нагружением с последующей разгрузкой на элеватор колонны, вес которой далеко не достиг максимального расчетного значения, создается возможность докрепления конического резьбового соединения. Более того, в основном существующие соединения не выдерживают регламентированного ГОСТ количества свинчиваний с полным натягом, так как уже после первого раскрепления наблюдается частичная деформация геометрии резьбы.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что регламентируемый ГОСТ натяг имеет не вполне обоснованное значение и, что по мере возрастания осевой растягивающей нагрузки работа типового резьбового соединения происходит за пределом пропорциональности механических свойств материала с нелинейным распределением напряжений и деформаций по телу и накоплением некоторых остаточных значений, что в конечном итоге приводит к снижению несущей способности и ухудшению работоспособности конструкции, ф Цель работы. Повышение несущей способности типового трапецеидального резьбового соединения обсадных труб типа ОТТМ путем оптимизации геометрии резьбы на основании экспериментальных исследований математической модели методом конечных элементов.

Задачи исследований 1. Обоснование применения метода конечных элементов для экспериментальной оценки несущей способности трапецеидальных резьбовых соединений обсадных труб типа ОТТМ. !#■' 2. Определение и исследование величины и характера распределения напряжений и деформаций по телу соединения под резьбой от воздействия натяга, растягивающей нагрузки и изгиба. Создание расчетных формул для определения величин эквивалентных напряжений в интересующем сечении по телу трубы под резьбой;

3. На основе полученных данных создание и анализ резьбового трапецеидального соединения с измененной геометрией, имеющего более высокую несущую способность по сравнению с типовым.

Научная новизна. Обоснована необходимость, сформулирована и решена задача о напряженном состоянии резьбового трапецеидального соединения обсадных труб методом конечных элементов. Произведена экспериментальная оценка несущей способности типового трапецеидального резьбового соединения обсадных труб на вертикальном и искривленном Ф участке ствола скважины. Получены формулы для определения эквивалентного напряженного состояния трапецеидального резьбового соединения обсадных труб. Разработана новая конструкция трапецеидального резьбового соединения с увеличенной несущей способностью.

Методы решения задач. Поставленные задачи решались методом конечных элементов, фронтально с применением полной итеративной процедуры Ньютона - Рафсона. Обработка результатов проводилась методами сплайн интерполяции и обобщенной регрессии.

Основные защищаемые положения

1. Применение метода конечных элементов для математического моделирования трапецеидального резьбового соединения обсадных труб типа ОТТМ

2. Анализ напряженного и деформированного состояния трапецеидального резьбового соединения обсадных труб типа ОТТМ от действия растягивающей нагрузки и натяга. р 3. Влияние изгиба на предельное напряженное состояние трапецеидального резьбового соединения обсадных труб типа ОТТМ.

4. Применение предложенных расчетных формул для определения эквивалентного напряженного состояния трапецеидального резьбового соединения обсадных труб типа ОТТМ. 5. Использование конструкции нового .соединения с переменным зазором для повышения несущей способности трапецеидальных резьбовых соединений обсадных труб.

Практическая ценность. На основании проведенных экспериментов даны практические рекомендации, направленные на повышение эффективности эксплуатации резьбовых соединений обсадных труб типа ОТТМ.

Получены удобные расчетные формулы для оценки несущей способности резьбовых трапецеидальных соединений обсадных труб, использующиеся при подготовке курсовых и дипломных работ студентами нефтетехнологического факультета СамГТУ специальности 17.02.00 «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов», а также специалистами ОАО «ВНИИТнефть» г. Самара при расчете напряженного состояния обсадных колонн.

Результат данной работы в виде конструкции резьбового соединения с переменным зазором оформлен приоритетом № 2003135105 на получение ф патента РФ полезной модели.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались в рамках:

II Всероссийской научно — практической конференции «Нефтегазовые и химические технологии» в Институте нефтегазовых и химических технологий СамГТУ, Самара, 23 - 24 октября 2003 г.;

Первой научно - технической конференции «Применение > программно- го комплекса АИБУЗ в решении инженерных задач» (Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, 4-5 февраля 2004 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 работах, в том числе в четырех статьях, тезисах двух докладов; получен один патент на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений. Работа изложена на 183 страницах, содержит 184 рисунка и 4 приложения.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Кантария, Сергей Николаевич

4.4. Выводы.

Сравнение математических моделей типового резьбового соединения и соединения с переменным зазором позволяет сделать следующие выводы:

1. при создании натяга материал соединения с переменным зазором работает в зоне упругости, а не за пределом пропорциональности, как в типовом, тем самым исключается появление пластических деформаций, которые ведут к смятию и поломке ниток соединения;

2. в соединении с переменным зазором большую часть предварительной нагрузки воспринимает центральная часть резьбы, в то время как в типовом нагружены только первые несколько ниток;

3. напряжения от растягивающей нагрузки распределяются более равномерно, работает большее количество ниток, исчезает концентрация напряжений на последней нитке резьбы, что препятствует появлению раструбов, а также слому соединения по телу;

4. под растягивающей нагрузкой, при приложении которой напряжения в материале типового соединения достигают предела текучести, соединение с переменным зазором работает в зоне упругости с напряжениями на 26% меньшими, чем в обычной резьбе, следовательно, появляется возможность увеличивать глубину спуска обсадных труб без изменения толщины стенки или группы прочности материала, что в свою очередь повышает экономический эффект от использования соединений с переменным зазором.

4.5. Заключительные выводы по работе.

- в результате анализа существующих известных подходов к решению задачи о напряженном состоянии резьбовых соединений был применен метод конечных элементов, позволяющий математически моделировать физические свойства реального прототипа;

- применен пакет программ ЛКБУБ, содержащий новейшие достижения в области компьютерных технологий для решения прочностных задач методом конечных элементов; щ? произведено уточнение механических свойств материала обсадных труб;

- разработана математическая модель существующего физического прототипа, в результате испытаний обоснована степень дискретизации, показана адекватность с физическим объектом, что позволило проводить эксперименты с виртуальной моделью;

- в ходе нелинейного решения уравнений получены результаты оценивающие работу материала резьбового соединения в зоне пластичности; показано графически распределение тензорных компонент напряженного состояния, доказана нелинейность распределения нагрузок по телу трапецеидального резьбового соединения;

- обосновано применение обсадных труб с трапецеидальным профилем резьбы в скважинах с набором зенитных углов, получено напряженное состояние трапецеидального резьбового соединения обсадных труб на искривленном участке ствола скважины.

- получены расчетные формулы позволяющие дать оценку распределению эквивалентных напряжений по длине резьбового соединения ОТТМ для разных натягов в зависимости от величины осевой растягивающей нагрузки;

- предложена, построена и решена математическая модель резьбового соединения с переменным зазором с улучшенными прочностными характеристиками, которая при использовании в условиях производства вместо существующего типового соединения позволит получить весьма ощутимый экономический эффект.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кантария, Сергей Николаевич, 2004 год

1. Жуковский Н.Е. Распределение давлений между витками. Полное собрание сочинений, т. УШ, ОНТИ, 1937 г.

2. Биргер И.А. Расчет резьбовых соединений.

3. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. Оборонгиз, 1959 г.

4. Sopwith D.G. The distribution of load in screw threads. The inst. of Mech. Eng. Appl. Mech. Proc. vol. 159 1948.

5. Кан K.H. Экспериментальное исследование податливости витков пластмассовой гайки. Труды Ленинградского института авиационного приборостроения, вып. 37, JL, 1962 г.

6. Бонч-Осмоловский М.А. Новейшие достижения зарубежной практики в области соединения деталей машины. Машгиз, 1959 г.

7. Куклин Б.Б. Уточнение расчетов резьбовых соединений. «Вестник машиностроения», № 7, 1957 г.

8. Решетов Д.Н. Расчет винтовых соединений. Руководящие материалы ЭНИМС, № 49,1949 г.

9. Саверин М.Н., Саверин М.М. Резьбовые соединения и соединения с гарантированным натягом. Сб. «Детали машин», Машгиз, 1954 г.

10. Серенсен С.В. и др. Несущая способность и расчеты деталей машин. Машгиз, 1954 г.

11. Цфас Б.С. Решение задачи Н.Е. Жуковского о распределении давлений на нарезках винта гайки, осуществленное в замкнутой форме.

12. Изв. MB и ССО СССР, сер. Машиностроение, № 9,1961 г.

13. Якушев А.И. Исследование влияния основных параметров резьбы на прочность резьбовых соединений.

14. Вестник машиностроения», № 2, 1953 г.

15. Heywood R.B. Tensile fillet stresses in loaded projections.

16. The inst. of mech. Eng. Appl. Mech. Proceedings, vol. 159, 1948.

17. Oxford, Gook. The influence of top drill size and length of engagement upon the strength of tapped holes. Frans. ASME, 1955, No 2.

18. Сароян A.E. Основы расчета бурильных колонн. Гостоптехиздат, 1961 г.

19. Шищенко С.И. Бурильные и обсадные трубы. Азнефтиздат, 1935 г.

20. Шнейдеров М.Р., Сароян А.Е., Аллахвердиева В.А.

21. Резьбовые соединения бурильных и обсадных труб. Азнефтиздат, 1955.

22. Щербюк Н.Д. Специальные резьбы для оборудования, применяемогов нефтяной, горнорудной и угольной промышленности. «Вестник машиностроения», № 10,1960 г.

23. Яковлев Ф.И. Винтовые трубы для бурения скважин. Нефт. хоз., № 4,1927 г.

24. Мочернюк Д.Ю. Испытание муфтовых соединений обсадных труб при совместном нагружении осевой растягивающей силой и равномерным наружным давлением. Нефт. хоз., № 4, 1958 г.

25. Мочернюк Д.Ю. Закон распределения напряжений по длине резьбы в теле трубы и в теле муфты при осевом растяжении резьбового муфтового соединения. Изв. MB и ССО СССР, сер. Нефть и газ, № 6, Баку 1964 г.

26. Щербюк Н.Д., Якубовский Н.В. Резьбовые соединения труб нефтяного сортамента и забойных двигателей. Недра, 1974 г.

27. ГОСТ 632-80 Трубы обсадные и муфты к ним Технические условия, издание официальное, Москва- 1982 г.

28. ANSYS Basic Analysis Procedures Guide

29. ANSYS, inc., Houston, iso: 9001, 1st edition, june 1996.

30. Дж. Оден. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. Издательство «Мир», Москва 1976 г.

31. A. Hrennikoff. Solution of problems in elasticity by the frameworkmethod. J., Appl. Mech., 8, A169- 175,1941.

32. G. Kron. Solving highly complex structures in easy stages. J., Appl. Mech., 22, 235- 244,1955.

33. R. Courant. Variational methods for the solution of problems of equilibrium and vibrations. Bull. Amer. Math. Soc., 49,1-23, 1943.

34. G.P. Polya. Sur une interpretation de la methode des différences finies qui peut fournir des bornes supérieures ou inférieures.1. C.R., 235, 995 1952.

35. W. Prager, J.L. Synge. Approximations in elasticity based on the concept of function spaces. Quart. Appl. Math., 5, 241-269 1947.

36. G.L. Synge. The hypercircle method in mathematical physics. Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1957.

37. J.H. Argyris. Energy theorems and structural analysis. Aircraft Eng., 26, 347-356, 383-387, 394, 1954.

38. M.J. Turner, R.W. Clough, H.C. Martin, L.P. Topp. Stiffiiess and deflection analysis of complex structures.

39. J. Aeron. Sci., 23, № 9, 805-823, 854,1956.

40. R.W. Clough. The finite element method in plane stress analysis. J. Struct. Div., ASCE, Proc. 2d Conf. Electronic Computation, 345-378, 1960.

41. R.J. Melosh. Basis of Derivation of matrices for direct stiffiiess method. AIAAJ., 1, 1963.

42. R.J. Melosh. Structural analysis of solids. J. Struct. Div. ASCE, 89,205-223, 1963.

43. E.L. Wilson, R.E. Nickel. Application of the finite element method to heat conduction analysis.

44. Nuclear Engineering and Design, 4,276-286,1966.

45. O.C. Zienkievicz, Y.K. Cheung. Finite elements in the solution of field problems. The Engineer, 507-510, 1965.

46. B.A. Szabo, G.C. Lee. Derivation of stiffness matrices for problems in plane elasticity by Galerkin's method.1.tern. J. of Numerical Methods in Engineering, 1, 301-310, 1969.

47. O.C. Zienkievicz. The finite element method in engineering science. McGraw-Hill, London, 1971.

48. L.J. Segerlind. Applied finite element analysis.

49. John Willey and Sons, inc., New York, London, Sydney, Toronto, 1976.

50. Wriggers, VuVan, Stein. Finite element formulation of large deformation impact- contact problems with friction.

51. Computers and structures, vol. 37, pp. 319-331,1990.

52. H. Parish. A consistent tangent stiffness matrix for three- dimensional non-linear contact analysis.1.ternational Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 71,1989.

53. С.П. Тимошенко, Дж. Гудьер. Теория упругости. Москва, «Наука», 1979 г.

54. Б. Сен-Венан. Об установлении уравнений внутренних движений, Возникающих в твердых пластических телах за пределами упругости. Теория пластичности. М.Ил, 1948 г.

55. Р. Мизес. Механика твердых тел в пластически- деформированном состоянии. Теория пластичности. М.Ил, 1948 г.

56. Г. Генки. К теории пластических деформаций и вызываемых ими в материале остаточных напряжений. М.Ил, 1948 г.

57. А. Надаи. Пластичность. М.Ил, ОНТИ, 1936 г.

58. С.А. Христианович. Плоская задача математической теории пластичностипри внешних силах, заданных на замкнутом контуре. Мат. Сб.Н.С. 1936.

59. В. Прагер. Исследование зависимости напряжение- деформация В изотропных пластических твердых телах. М. Ил. 1948 г.

60. R. Hill. The mathematical theory of plasticity. Oxford, at the Clarendon Press, 1950.

61. B.B. Соколовский. Теория пластичности.

62. Государственное издательство технико- теоретической литературы, Москва, 1950 г.

63. А. Надаи. Пластичность и разрушение твердых тел. М. Ил. 1954 г.

64. JI.M. Качанов. Основы теории пластичности. Государственное издательство технико- теоретической литературы, Москва, 1956 г.

65. Н.Н. Малинин. Прикладная теория пластичности и ползучести. Издательство «Машиностроение», 1975 г.

66. Б.Д. Аннин, Г.П. Черепанов. Упругопластическая задача. Новосибирск, Наука 1983 г.

67. М.А. Задоян. Пространственные задачи теории пластичности. Москва «Наука», 1992 г.

68. Е.П. Унксов, У. Джонсон, B.JI. Колмогоров и др. Теория пластических деформаций металлов. Москва «Машиностроение», 1983 г.

69. J.C. Simo, R.L. Taylor. Consistent tangent operators for rate-independent elastoplasticity.

70. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 48, pp. 101-118 1985.

71. B.M. Irons. A frontal solution program for finite element analysis. International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 2, No. 1, January 1970.

72. R.J. Melosh, R.M. Bamford. Efficient solution of load-deflection equations. ASCE Journal of the structural divisions.vol. 95, No. ST 4, Proc. Paper 6510, Apr., 1969.

73. K.J. Bathe. Finite element procedures in engineering analysis. Prentice-Hall, Englewood Cliffs 1982.

74. G.M. Eggert, P.R. Dawson, K.K. Mathur.

75. An adaptive descent method for nonlinear viscoplasticity. International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 59, pp. 261-279, 1986.

76. K.H. Schweizerhof, P. Wriggers. Consistent linearization for path followingmethods in nonlinear F.E. analysis. Computer methods in applied mechanics and engineering, # vol. 8, pp. 821-845,1974.

77. M.H. Степнов. Статистические методы обработки результатов механических испытаний. М. Машиностроение, 1985 г.

78. Mathcad. Users guide. MathSoft Inc., Massachusetts, 1996.

79. РД 39 2 - 132 - 78. Инструкция по подготовке обсадных труб к спуску в скважину. ВНИИТнефть. Куйбышев 1980 г.тнефтьО1. ПРОТОКОЛ1. N91. ЗаказчЯк1. Кол-во образной1. Томи1. Исп. машина

80. Мотери»1л Iг--Д/¿¿УУЗТеомсюбрабгп.гл1. Г^Л' У// Датп испыгаки

81. Обрез-пои <44 /«/«.у 4.1. У / —• ✓ •У ц* У/^ Лё У / 1. Г' X 1. У м/ 96.3 ! \ \

82. У у 7ЦМ У*/ * мс • ! 1 1

83. Г 1 -1" 1 н* цл ¿¿У г -г— 1 1 р ! «»»а »с /1 133 ! 1 це Л^У 2 * 1 в /9.Л- .• и /С ! к • 1 1 I 1• ■ 1 ---