автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Усовершенствование методов повышения эксплуатационных характеристик замковых резьбовых соединений бурильных колонн

І-и

‘г=С

СЧ, ІВАНО-ФРАНКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ НАФТИ 1 ГАЗУ

. УДК 622.24.053

МАНДРИК ОЛЕГ МИКОЛАЙОВИЧ

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ПІДВИЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАМКОВИХ РІЗЬБОВИХ З'ЄДНАНЬ БУРИЛЬНИХ КОЛОН

. £5Г 0^-

Спеціальність-05^5г1-3-Машини нафтової та газової

промисловості

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Івано-Франківськ-1997

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент кафедри фізики Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу Чернов Борис Олександрович

Офіційні опоненти:

- лауреат премії ВТВР, доктор технічних наук, професор кафедрі "Механіка машин" Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу

Вольченко Олександр Іванович;

- кандидат технічних наук, професор, завідувач кафедри "Деталі машин" Державного університету "Львівська політехніка" Павлище Володимир Теодорович

Провідна організація: АК "Український нафтогазовий інститут”

' (м.Київ) .

Захист відбудеться "/А "грудня 1997 р. о годині на з асі; спеціалізованої вченої ради Д.09.02.01 в Івано-Франківському держав технічному університеті нафти і газу (284018, м.Івано-Фраш вул.Карпатська, 15).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці її Франківського державного технічного університету нафти і газу.

Автореферат розісланий ”/УУ' листопада 1997 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Шлапак Л.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Перед нафтовою та газовою промисловістю раїни стоять важливі завдання забезпечення народного господарства ергоносіями. Незважаючи на те, як буде складатися ситуація з спортом в Україну основних енергоносіїв, їхні запаси повинні рощуватись за рахунок внутрішніх резервів, що і передбачено ціональною програмою "Нафта і газ України до 2010 року". Тому звиток нафтогазовидобувної промисловості нашої країни потребує генсифікації процесів спорудження свердловин та росту об'ємів ябокого буріння.

Зі збільшенням об'ємів та глибин буріння нафтових та газових ердловин особлива увага приділяється надійності різьбових з'єднань ементів бурильної колони і, особливо, вибійних двигунів, які ацюють в несприятливих умовах в привибійній зоні. Відомо, що понад % аварій при бурінні свердловин відбувається за рахунок корозійно-омних руйнувань різьбових з'єднань. Витрати на ліквідацію аварій, в’язаних з руйнуванням різьбових з'єднань елементів бурильної лони, складають десятки мільйонів гривень-.

Одним із способів підвищення експлуатаційних характеристик 5ьбових з'єднань та покращення механічних властивостей матеріалів, з их виготовляють бурильні труби, обважнені бурильні труби (ОБТ) і талі вибійних двигунів, є зміцнення методами поверхнево-пластичної формації (ППД).

На даний час для зміцнення різьбових з'єднань труб нафтового ртаменту запропоновані такі методи як обкатка роликами, алмазне гладжування, ударна чеканка, обробка дробом та інші.

Як показала практика, в зв'язку з недосконалістю технологій них методів при зміцненні різьбових з'єднань Вони не одержали ■ірокого промислового впровадження. Тому необхідно розробляти ві, більш високоефективні методи і технології зміцнення різьб. ..

Отже, проблема підвищення довговічності різьбових з'єднань труб фтового сортаменту і деталей вибійних двигунів є актульною і требує подальшого вивчення. .

Тема роботи відноситься до галузевої проблеми і тематичних анів ВАТ "Укрнафта" та АК "УкрНГІ". Дисертаційна робота виконана напрямку ДНТП "Підвищення надійності та довговічності машин та нструкцій".

Мета роботи. Підвищення експлуатаційних характери бурильних колон та вибійних двигунів за рахунок зміцненн різьбових з'єднань новим прогресивним методом.

Огїтойні задачі дослідження. Поставлена мета досягає вирішенням наступних задач:

в теоретичних дослідженнях:

- розробити технологію та устаткування для зміцнення різьб з'єднань з використанням енергії ультразвукових коливань;

- встановити вплив форми ультразвукового концентратор амплітуду вимушених коливань робочого інструменту;

в експериментальних дослідженнях:

- розробити конструкцію ультразвукового концентратора зміцнення замкових різьбових з'єднань (ЗРЗ) та встановити вплив конструктивних параметрів на границю витривалості різьб із вуглеї та легованих сталей;

- встановити раціональні режими ультразвукової обробки ( різьбових з'єднань елементів бурильної колони;

- провести: на експериментальних та натурних зразках різьС з'єднань, зміцнених методом УЗО, дослідження на тріщиностійкіс оігір-втомі в різних середовищах; порівняльний фрактографічний а незміцнених сталей та зміцнених методом УЗО; промислову пере ефективності запропонованого методу зміцнення різьбових з'єдна дослідній партії бурильних труб.

На основі результатів теоретичних та експеримента, досліджень розроблена технологія зміцнення різьбових з'є, методом УЗО. При цьому:

- випробувано ультразвуковий концентратор нової конструкі зміцнення внутрішніх різьб ОБТ, корпусів турбобурів та виб двигунів, який захищений патентом України №15379А;

- запропонована емпірична залежність дад визначення граї: амплітуди змінних напружень, яка дозволяє з достатньою точ оцінити вплив масштабного фактору на втомну міцність елег бурильної колони при прогнозуванні їх працездатності та ро: нових конструкцій;

- отримані аналітичні залежності для визначення: двогра кута між площиною симетрії робочого інструменту та площ перпендикулярною до осі деталі з метою цілеспрямованої раціоні просторової орієнтації інструменту в процесі зміцнення; раціона

з

метричних параметрів робочого інструменту: радіуса заокруглення та ’а профілю інструменту.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблена технологія і устаткування для зміцнення різьбових \нань методом УЗО на основі застосування ультразвукових щеігграторів;

- результати експериментальних досліджень на опір втомі в вітряному та корозійному середовищах натурних зразків ЗРЗ :зміцнених та зміцнених методом УЗО) підтвердили збільшення іниці витривалості на 65-70%;

- річний економічний ефект від впровадження технології зміцнення .псових різьбових з'єднань ОБТ на підприємствах Прилуцького УБР шовить 201012 гривень.

Осо бистийвнесокздобувача:

- проведено аналіз методів зміцнення різьбових з'єднань та металевих верхонь на основі літературного та патентного пошуків [7];

- на основі аналізу і узагальнення результатів досліджень на опір з мі ЗРЗ, проведених іншими науковцями, та власних досліджень пропонована емпірична формула для визначення граничної амплітуди інних напружень [3];

- отримана аналітична залежність для- Ві-^начзння радіуса у округлення робочого інструменту [2, 6, 10];

- проведено: розрахунок раціональних параметрів ультразь-гковог інцетратора нової конструкції [4, 8]; експериментальні дослідження ш tip втомі натурних зразків ЗРЗ, зміцнених методом УЗО [1, 5, 9], рактографічний аналіз зламів ЗРЗ; промислові дослідження [2).

ісертаційної роботи доповідались на наступних конференціях і мінарах: на міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми і ляхи енергозабезпечення України" (м. Івано-Франківськ, 7-10 грудня, 193р.); на науково-практичній конференції "Стан, проблеми і ірспективи розвитку нафтового комплексу Західного регіоігу України" t. Львів, 28-30 березня 1995 року); на науково-практичних

шференціях професорсько-викладацького складу Івано-Франківського їржавного технічного університету нафти і газу (м.Івано-Франківськ, J94-1996 p.p.); на міжнародній конференції "Лазерні та фізико-технічні етоди обробки матеріалів" (Крим, 1995 рік); на міжнародній знференції "Нафта і газ України" (м. Харків, 14-16 травня 1996 року).

Публікації Основні положення дисертаційної роботи опубліковані 10 працях, з них 2 авторських свідоцтва на патент.

і. Дисертація складає з вступу, п'яти розділів, основних висновків та рекомендацій. Мате викладено на 125 сторінках машинописного тексту; робота містит рисунків, 16 таблиць, список використаних джерел із 120 позицій додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність досліджуваної пробл наведено основні напрямки наукових досліджень і подано корі характеристику роботи.

Перший розділ дисертації присвячений аналізу літерату] даних про існуючі методи зміцнення поверхонь, вплив масштаб фактору, матеріалу та корозійного середовища на довговічі різьбових, з'єднань бурильної колони. Дослідження С.Ф.Біл Ю.І.Газанчана, Дж.Гормлі, Ю.В.Дубленича, Є.І.Крижанівсьі

1.В.Кудрявцева, Л.А.Лачиняпа, Д.Ю.Мочернюка, Г.М.Саркіс

О-Є.Сарояна, Б.О.Чернова, М.Д.Щербюка, М.В.Якубовського та ін науковців показали, що руйнування різьбових з'єднань елем< бурильної колони відбуваються внаслідок накопичення втог пошкоджень при взаємодії комплексу експлуатаційних павантаже носять, в основному, корозійно-втомний характер.

Для підвищення експлуатаційних характеристик різьб з'єднань та гладких поверхонь труб нафтового сортам використовують методи поверхнево-пластичної деформації (П Оскільки зазначені вище методи мають низку недоліків, основни: яких є: великі енергетичні витрати, використання високих ти заїдання робочого інструменту, збільшення шорсткості оброблюї поверхні та інші, проблема пошуку нових, більш надійний ефективних методів зміцнення залишається відкритою.

В результаті аналізу літературних джерел з даі експериментальних досліджень запропонований метод зміцн різьбових з'єднань, який базується на використанні ег ультразвукових коливань (УЗО).

Оскільки до даного часу метод УЗО використовувався тілью зміцнення гладких плоских поверхонь, то роботи по розробці технс та устаткування для зміцнення різьб методом УЗО проведені вперше

Враховуючи, що довговічність різьбових з'єднань елем бурильної колони залежить від властивостей матеріалу та вплив нього корозійного середовища, вплив УЗО на тріщиностійкість та

ітомі різьбових з'єднань із вуглецевих і легованих сталей досліджувався і повітряному і корозійному середовищах.

Отже, вищевказане обгрунтовує необхідність проведення либоких теоретичних та експериментальних досліджень з метою вдосконалення методів підвищення експлуатаційних характеристик іамкових різьбових з'єднань бурильної колони.

В другому розділі наведені матеріали, конструкції ікспериментальних (ГОСТ 25.502-79) і натурних зразків різьбових > 'єднань, стенди та методики експериментальних досліджень. Втомний сарактер руйнування замкових різьбових з'єднань ОБТ, з'єднань сорпусів та валів турбобурів при експлуатації визначає вид досліджень іа опір втомі їх натурних зразків в стендових умовах.

З метою зменшення витрат на проведення експериментальних досліджень та прискорення одержання результатів були виготовлені зразки діаметрами 10, 30 і 80 мм із сталей марок 45, 40 ХН і 40ХН2МА з «/-подібною кільцевою виточкою, яка за формою аналогічна западині зитка різьби 3-62 і нарізалась стандартним різьбонарізним різцем з радіусом заокруглення г=0,508 мм.

Для підтвердження результатів експериментальних досліджень, одержаних на зразках діаметрами 10, 30 і 80 мм, експерименти проводились на натурних зразках замкових різьбових з'єднань ЗН-80 з різьбою 3-62, корпусах турбобурів ЗТСШ-172 з різьбою МК 156, гвинтових вибійних двигунах Д-85 з різьбою МК 76 та бурильних трубах діаметром 140 мм із сталей 45 та 40ХН2МА.

Зразки діаметром 10 мм досліджувались на стенді МУІ-6000, діаметром ЗО і 80 мм- на стендах ІМА-30 і УП-80, а натурні зразки різьбових з'єднань корпусів турбобурів ЗТСШ-172 та бурильних трубна стенді СІТУ. • '

Для досліджень натурних зразків замкових різьбових з'єднань використовувались машини резонансного типу УП-80 і УП-200, які створювали знакозмінний плоский згин.

Експериментальні дослідження на тріщиностійкість проводили на машинах УРС-20/6000 та УРТ-8 з використанням призматичних зразків розмірами 3x10x90 мм, які вирізались із різьбових частин з'єднань із сталей 45 і 40ХН2МА, незміцнених та зміцнених методом УЗО, з У-подібними концентраторами, глибина і радіус заокруглення вершин яких відповідали параметрам різьби.

Для обробки результатів експериментальних досліджень на втомну міцність використовувалась стандартна методика, яка дозволяє з

достатньою точністю для практичних цілей визначити граї витривалості замкових різьбових з'єднань елементів бурильної колон

Третій розділ присвячений дослідженням по розробці техно, та устаткування для зміцнення різьбових з'єднань за допомогою єні ультразвукових коливань.

Метод УЗО базується на пластичному деформуванні поверхні допомогою інструменту, який здійснює коливання з ультразвуко частотою при невисоких значеннях статичної сили.

Для одержання раціональних режимів зміцнення замкс різьбових з'єднань розроблена експериментальна установка, на досліджувався вплив цілої низки факторів: швидкості переміщ» контакту, величини статичної сили, амплітуди коливань робо інструменту, вихідної частоти та механічних властивостей матеріалу.

В якості основного елементу установки використано стандар' трубонарізний верстат моделі 1Н983, до супорта якого за допом< спеціально сконструйованого та виготовленого пристрою кріш механізм зміцнення, який містить магнітострикторний перетворює; концентратор з робочим інструментом. Для підводу єн

перетворювач спеціальним кабелем з'єднаний з ультразвук* генератором УЗГ2-4М.

Оскільки амплітуда коливань на торці перетворювача невелик для підсилення і передачі енергії ультразвуку в робочу

використовували ультразвукові концентратори. Для зміцн

зовнішніх різьбових поверхонь виготовлені експоненці концентратори, основні параметри яких розраховані за методі Д.Кумабе. Зазначені концентратори підсилюють ампл ультразвукових коливань в 5,4 рази, що, в свою чергу, збільшує е зміцнення;

Для зміцнення внутрішніх різьбових поверхонь ОБТ, кор турбобурів та гвинтових вибійних двигунів розроблені та вигото ультразвукові концентратори нової конструкції (патент Ук;

№15379А).

При проведенні експериментальних досліджень по ефектив зміцнення різьбових з’єднань встановлено, що шорсткість оброб поверхні, глибина наклепу та величина залишкових стиска напружень в поверхневому шарі залежать, в основному, від вел> статичної сили Рст робочого інструменту на оброблювану поверх амплітуди А його зміщення. В загальному основні параметри (Рст і А) повинні бути тим вищими, чим більшими є діаметр дет; подача Б та швидкість обертання V.

Встановлено, що малі величини Рст і А не забезпечують достатньої алишкової пластичної деформації, а знімають тільки вершини йкронерівкостей. При їх збільшенні мікротвердість поверхневого шару більшується, однак при надмірному збільшенні Рст і А поверхневий шар :очинає руйнуватися внаслідок перенаклепу, і мікротвердість меншується. Отже, існують певні раціональні значення величин Рст і А, [ри яких досягається найвищий ефект ультразвукового зміцнення.

Для підтвердження теоретичних висновків щодо ефективності іикористання методу зміцнення різьб за допомогою енергії Ультразвукових коливань та визначення раціональних режимів були гроведені лабораторні експериментальні дослідження фізико--іеханічних властивостей та границі витривалості натурних зразків мзьбових з'єднань, зміцнених методом УЗО.

Експериментальні дослідження зразків, зміцнених при різних шаченнях статичної сили (РСТ = 50-300Н), показали, що границя зитривалості різьб після УЗО залежить від величини залишкової хластичної деформації, а її максимальне значення при зміцненні зразків з сталей 45, 40ХН і 40ХН2МА знаходиться в межах Дсі = 0,23-0,25 мм. Вимірювання величини деформації проводили за допомогою різьбового мікрометра.

В результаті проведених експериментальних досліджень на опір втомі зразків діаметрами 10, 30 і 80 мм при Леї = 0,06; 0,17 і 0,25 мм встановлено, що границя витривалості зміцнених зразків діаметром 10 мм при Асі =0,06 мм збільшується на 50%, при Дс1 = 0,25 мм — на 105%, а зразків діаметрами ЗО і 80 мм відповідно на 80% і 65% при Дсі = 0,25 мм.

Зменшення втомної міцності зі збільшенням розмірів зразків пояснюється впливом масштабного фактору. Так, зі збільшенням розмірів зразків від 10 до 80 мм границя витривалості зменшилась майже в 2 рази.

Зауважимо, що границя витривалості зразків із сталі 40ХН2МА вища, ніж зразків із сталей 40ХН і 45 як до зміцнення, так і після їх зміцнення методом УЗО при різних значеннях величини залишкової пластичної деформації.

Експериментальні дослідження на опір втомі проводились і на натурних зразках замкових різьбових з'єднань ЗН-80 з різьбою 3-62, корпусів турбобурів ЗТСШ-172 з різьбою МК 156x5,5x1:32, гвинтових вибійних двигунів Д-85 з різьбою МК 76x4x1:32 та бурильних трубах, які показали, що зміцнення різьб методом УЗО призводить до підвищення

границі витривалості до 50% і відповідно до підвищення експлуатацій характеристик бурильної колони в цілому. .

В четвертому розділі розглядається вплив конструктив параметрів замкових різьбових з'єднань на опір втомі.

На основі експериментальних досліджень натурних зра замкових різьбових з’єднань ОБТ, які виготовлені із вуглецевт легованих сталей, встановлено, що границя витривалості різьбс з'єднань залежить в основному від конструктивних параметрів (npocj різьби, конусності, масштабу, радіусу заокруглення западини різ типу різьби та інших) і технологічних факторів (поверхнево-пласти деформації, крутного моменту згвинчування, осьового натягу, спос виготовлення різьби та інших).

Втомні руйнування ніпельної та муфтової частин замкс різьбових з'єднань ОБТ, як правило, відбуваються по їхніх небезпек перерізах - по западинах перших або останніх спряжених витків різ:

З урахуваніїям факту зміцнення різьб методом УЗО та віх корозійного середовища умова зрівноваження різьбових з'єднань наступний вигляд: ,

^ = 2 Ас/

кг

де WM, WH — осьові моменти опору небезпечних перерізів муфти і ніпеля;

К„ К2 — коефіцієнти зміцнення ніпеля та муфти;

С — коефіцієнт, який враховує корозійну активність бурового розчину.

Відомо, що на втомну міцність різьбових з'єднань впл масштабний фактор. Формули Р.Б.Хейвуда та інших дослідників визначенні границі витривалості з врахуванням впливу масштаб фактору для різьбових з'єднань елементів бурильних колон дають зі похибки. Тому нами на основі аналізу теоретичних експериментальних досліджень на втомну міцність натурних зр різьбових з'єднань із легованих та вуглецевих сталей діаметрами Ъ мм запропонована емпірична формула для визначення грани амплітуд змінних напружень:

О J 2 WM

<эа — гранична амплітуда циклу напружень, МПа;

Є>ь — границя міцності матеріалу, МПа; і? — діаметр різьби в місці зламу, мм;

Сітш — мінімальне значення <3^, МПа.

Отримані результати досліджень мають велику практичну цінність дозволяють врахувати вплив масштабного фактору при розрахунку вих конструкцій компоновок бурильної колони та при прогнозуванні надійності при бурінні свердловин.

З метою підвищення точності та якості різьб і збільшення йкості робочого інструменту запропонований спосіб зміцнення нічної різьби, суть якого полягає в тому, що в процесі зміцнення галі та робочому інструменту задають переміщення, яке забезпечує утворення точкою їхнього контакту гвинтової лінії западини різьби. >и зміцненні інструмент встановлюють так, щоб двогранний кут ф між эщиною симетрії інструменту та площиною, перпендикулярною до осі галі, був рівний куту підйому витка різьби в точці деформації (рис. 1).

1 С

z

Рис. 1. Розрахункова схема зміцнення конічних різьб

де 3 — крок різьби;

1— відстань від перерізу з діаметром до точки деформації (0<

Ь — довжина різьби; а — кут конуса різьби.

Важливим фактором, який впливає на витривалість ЗРЗ, є поверхні западини різьби. Однак, якщо зміцнювати саму запа, різьби, то місце зародження втомної тріщини зміщується у незміц зону, що знижує ефект зміцнення. Надмірне збільшення радіуса вершині робочого інструменту знижує напруження в зоні контакту зміцненні та з меншу с опорну площу різьби при вході зони пласте деформації у зону контакту деталей з’єднання.

Тому практичний інтерес становить визначення раціонал величин радіуса при вершині Я та кута профілю а( зміцшок інструменту (рис.2).

Рис. 2. Схема зміцнення різьби робочим інструментом з розрахованими значеннями Е і а,

При величинах кутів а,>а досягнути зміцнення западини р неможливо без зміни всього її профілю. При а,=а відбував зміцнення всього профілю різьби, але для цього необхідна вр

гатична сила Рст . а також висока точність та якість виготовлення ізьби. Мінімальна величина кута а, визначається стійкістю робочого іструменту.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень тримані аналітичні залежності для визначення радіуса заокруглення Я а кута профілю а, робочого інструменту:

R = ^ґ2 + h2 + 2rhcsin°j/^ t

(4)

. [Я — г( 1 - соз°уі)] • зіп°уі

а1 = 2агщ—--------------- ^ , (5)

°у2

е г — радіус заокруглення западини різьби;

1іс —величина залишкової пластичної деформації; а —■ кут профілю різьби;

Я — радіус заокруглення робочого інструменту.

Розраховані значення величин И і а,, а також геометричні араметри різьб наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Геометричні параметри різьби та робочого інструменту

Крок різьби, S, мм Радіус заокруглення западини різьби, г, мм Кут профілю різьби, а, град Глибина зміцнення, Ad, мм Кут профілю робочого інструменту, аь град Радіус заокруглення робочого інструменту И, мм

5,08 0,508 60 0,25 57,2 0,64

6,35 0,635 60 0,25 57,5 0,76

60 0,965 60 0,25 58 1,07

Для підтвердження теоретичних висновків були проведені ікспериментальні лабораторні дослідження натурних зразків замкових йзьбових з'єднань ЗН-80 з різьбою 3-62 із сталі марки 40ХН2МА: з02—680МПа.Результати досліджень наведені на рис.З.

Дослідження показали, що впровадження способу раціональної ірієнтації робочого інструменту під наперед визначеним значенням двогранного кута ф призводить до підвищення границі витривалості >ізьбових з'єднань на 12-15%, а зміцнення різьб інструментом з еоретично обгрунтованими геометричними параметрами (див.табл. 1)-

до підвищення опору втомі на 20% в порівнянні з різьбові з'єднаннями, які були зміцнені за попередньо розробленою н технологією.

Рис.З. Криві втоми натурних зразків ЗН-80 з різьбою 3-62

0—незміцнені зразки;

© — зразки, зміцнені методом УЗО; .

(В зміцнені зразки з раціональною орієнтацією інструмен: О — зразки, зміцнені інструментом з розрахованими параметрами а! і Я при раціональній його орієнтації Для якісної оцінки запропонованого методу зміцнення різьбі з'єднань великий інтерес' становлять дослідження, які пов'язав застосуванням теорії механіки. руйнування. Тому на тріщиностій) досліджувались зразки, які вирізались із ЗРЗ (сталі 40ХН2МА і незміцнених та зміцнених методом УЗО. Дослідження призмати1 зразків з У-подібними концентраторами проводили на с-: УРС-20/6000 з частотою навантаження 25-30 Гц. Появу та пошир втомних тріщин розміром 0,05 мм фіксували за допомогою мікроскопа МІЇу Результати досліджень зразків наведені у вигляді кінети діаграм втомного руйнування, з яких випливає, що порогові знач коефіцієнта інтенсивності напружень зразків, зміцнених методом ' більші, ніж незміцнених як із сталі 45, так і 40ХН2МА.

Слід відзначити, що сталі з більшою границею плинності мають більший критичний коефіцієнт інтенсивності напруже; менший пороговий коефіцієнт Ка, ніж сталі з меншим значенням

Оскільки експлуатація різьбових з'єднань елементів бурильної олони відбувається в корозійному середовищі, з метою встановлення кісної картини впливу агресивного бурового розчину на поверхневі іари, зміцнені методом УЗО, призматичні зразки досліджувались на ріщиностійкість в 3% водному розчині ИаСІ, який імітував корозійне ередовище.

Порівнюючи кінетичні діаграми втомного руйнування езміцнених та зміцнених методом УЗО зразків із сталей 45 і 0ХН2МА, видно, що в корозійному середовищі порогові значення оефіцієнта інтенсивності Кл зменшуються, а швидкість росту втомної ріщини збільшується. ■

З метою захисту ЗРЗ від негативного впливу корозійного зредовища бурового розчину та підвищення їх границі витривалості роводились дослідження зразків, зміцнених методом УЗО, на певній істині яких попередньо було нанесено тонкий шар міді. Аналіз езультатів досліджень показав, що втомна міцність зміцнених натурних зазків замкових різьбових з'єднань МК 76 з мідним протектором в зрозійному середовищі на 20% вища, ніж без протектора.

Після проведення порівняльного фрактографічного аналізу гомних руйнувань зразків, зміцнених за допомогою енергії \ьтразвукових коливань, встановлено, що. після УЗО в поверхневих арах утворюється специфічний структурно-напружений стан металу ак званий "білий шар"), який виникає в результаті імпульсного нагріву ) високих температур (більше 1000°С), аустенізації, одночасних іпульсішх деформацій (400 раз і більше на площі 1мм2), швидкого солодження внаслідок відведення теплоти деталлю та протікаючого в іких умовах мартенситного перетворення.

В п'ятому розділі наведені результати промислових досліджень і цнка економічної ефективності від впровадження результатів даної зботи.

На трубній базі Прилуцького УБР ВАТ “Укрнафта" була дготовлена дослідна партія ОБТС діаметрами 178, 203 і 229 мм, в яких 53 були зміцнені методом УЗО згідно з розробленою нами хнологією. Промислові дослідження проводились на свердловинах:

1-Мільке, 92-Скороходи, 24-Ярошівка, 51-Східна Рогінці, 82-Щурівка, !-Мала Дівиця, 71-Мільке, 204-Скороходи, 181-Гніденці та 88-Богдани.

Згідно з розрахунками економічна ефективність використання БТС—178, 203 і 229 мм з замковими різьбовими з'єднаннями, гіцненими методом УЗО, складає 201012 грн. в рік.

Отже, аналіз результатів теоретичних, експериментальних промислових досліджень показав, що метод ультразвукової обро різьб труб нафтового сортаменту має певні переваги над інші методами ППД і в кінцевому результаті призводить до зроста границі витривалості ЗРЗ конічних різьб на 65-70%, тобто до підвище експлуатаційних характеристик бурильних колон в цілому.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ'

В роботі розглянуто підвищення ресурсу замкових різьбс з'єднань бурильної колони шляхом впровадження нового метода зміцнення.

1.Розроблені технологія та устаткування для зміцнення різьбс з'єднань методом УЗО, визначені раціональні режими зміцнення, и кінцевому результаті дозволяє підвищити границю витрива/ замкових різьбових з'єднань до 65%.

2.Спроектовані та виготовлені експоненціальний концентр, для зміцнення зовнішніх різьб та ультразвуковий концентратор н конструкції для зміцнення внутрішніх різьб, які використовувалис експериментальних та натурних зразках різьбових з'єднань.

З.Запропонована емпірична залежність для визначення грини амплітуди змінних напружень, яка дозволяє з достатньою точн оцінювати вплив масштабного фактору на втомну міцність елемс бурильної колони.

4.Встановлена аналітична залежність для визначення двогран кута між площиною симетрії робочого інструменту та площиі перпендикулярною до осі деталі. Раціональна просторова орієнч інструменту під визначеними кутами в процесі зміцненій призводи! підвищення довговічності різьбових з'єднань на 15-20% та збільш технологічної стійкості інструменту на 25-30%.

5,Одержані залежності для визначення радіуса заокруглення і профілю зміцнюючого інструменту. Використання інструмент геометричними параметрами робочої частини, які розрахован одержаними формулами, забезпечило однакове зміцнення як зона/ так і профілю різьби і відповідно підвищення границі витрива різьбового з'єднати на 25%.

б.На основі експериментальних досліджень на тріщиностій сталей, з яких виготовляються елементи бурильної колони, одер; кінетичні діаграми втомних руйнувань. За допомогою зазнач діаграм можна досить точно прогнозувати працездатність замк різьбових з'єднань. '

7.В результаті порівняльного фрактографічного аналізу втомних іамів незміцнених та зміцнених методом УЗО зразків замкових зьбових з'єднань із сталей марок 45 і 40ХН2МА встановлено, що після -ііцнення різьб за допомогою енергії ультразвукових коливань в зверхневому шарі виникає специфічний структурно-напружений стан еталу — "білий шар". Його наявність призводить до зміни механізму зету втомних тріщин, що обумовлює підвищення границі витривалості імкових різьбових з'єднань бурильної колони і вибійних двигунів.

8.Рекомендації автора щодо підвищення експлуатаційних арактеристик замкових різьбових з'єднань ОБТ впроваджені іга ідпрйємствах Прилуцького УБР. Річний економічний ефект від проводження розробленого методу та технології складає 201012 грн.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО РОБОТІ

1.Чернов Б.О., Мандрик О.М. Нові методи і технології зміцнення амкових різьбових з'єднань // 36. статей: Міжнар. наук.-практ. конф. Проблеми і шляхи енергозабезпечення України1'' (1993р.) — Івано-Франківськ.- 1995. — С.45-48.

2.Мандрик О.М., Чернов Б.О. Підвищення експлуатаційних

арактеристик бурильної колони за рахунок зміцнення замкових •ізьбових з'єднань // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. і,ерж. міжвід. наук.-техн. зб. — Вип. 31 — Івано-Франківськ: ІФДТУНГ.-994. — С.40-46. .

3.Мандрик О.М. Дослідження впливу масштабного фактору та іатеріалу на границю витривалості елементів бурильної колони // ’озвідка та розробка нафтових і газових родовищ. Держ. міжвід. наук,-ехн. зб. —• Вип. 31 — Івано-Франківськ: ІФДТУНГ. — 1994.—С.99-103.

4.Пат. 15379 А України, МПК В24 В1/04. Ультразвуковий

сонцепратор для зміцнення внутрішніх різьбових поверхонь 'Чернов Б.О., Мандрик О.М., Климишин Я.Д. Заявлено 22.12.95; Опубл. Ю.06.97. — 2с.: іл. ,

5.Пат. 93041201/03 России, МПК 6 Е21 В17/00. Колонна

гермоизолированных труб / Чернов Б.А., Мандрик О.Н., Симкив М.Е. Заявлено 16.08.93; Опубл. 11.02.97. — Зс.: ил.

6. Черно в Б. А., Мандрик О.Н. Упрочнение резьбовых соедине методом ультразвуковой обработки // Ивано-Франковск, 1993. — 15< Укр. — Деп. в ГНТБ Украины. 01.11.93, № 2162 — Ук 93.

7.Чернов Б.А., Мандрик О.Н. Влияние поверхностно-пластичес деформаций на долговечность резьбовых соединений бурильных ко; // Ивано-Франковск, 1995. — 12с. — Укр. — Деп. в ГНТБ Украї 10.071.95, №1731—Ук 95.

8.Мандрик О.М. Вдосконалення методів зміцнення внутрії різьбових поверхонь / Івано-Франківськ, 1996. — 8 с. — Укр. — Д< Укр ІНТЕІ 02.12.96, № 213 — Ук 96.

Э.Голубчак І.В., Мандрик О.М. Основні методи зміцн зовнішньої поверхні бурильних замків // Тези наук.-техн. конф. щ виклад, складу ун-ту нафти і газу. — Івано-Франківськ: ІФДТ НДІНГТ. — 1995. — С. 50.

ІО.Мандрик О.М. Визначення оптимальних параметрів замкових різьбових з'єднань бурильної колони // Тези наук.-техн. к проф.-виклад, складу ун-ту нафти і газу. —ІІ частина. — Іі Франківськ: ІФДТУНГ, НДІНГТ.— 1996,- С. 91.

АНОТАЦІЯ

Мандрик О.М. Удосконалення методів підвищення експлуатаці характеристик замкових 'різьбових з’єднань бурильних колон Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступепя кандидата техн: наук за спеціальністю 05.05.12 — Машини нафтової і га промисловості. — Івано-Франківський державний технічний універ нафти і газу, Івано-Франківськ, 1997.

Дисертацію присвячено питанням підвищення експлуатаці характеристик бурильних колон та вибійних двигунів за раз зміцнення їх різьбових з'єднань новим прогресивним мет Розроблено технологію та устаткування. для зміцнення замї різьбових з'єднань за допомогою енергії ультразвукових коли Спроектовані та виготовлені ультразвукові концентратори, р інструменти для зміцнення зовнішніх та внутрішніх різьбових ПОВЄ] та визначені раціональні режими ультразвукової обробки ( Запропоновані залежності для визначення: граничних амплітуд зм

пружень різних типорозмірів бурильних труб; раціональних эметричних параметрів робочого інструменту та двогранного кута між ощиною симетрії інструменту і площиною, перпендикулярною до осі галі. Основні результати роботи знайшли промислове використати и виготовленні та ремонті обважнених бурильних труб на трубних зах.

Ключові слова: різьбове з'єднання, муфта, ніпель, колона

рильних труб, ультразвукові коливання, зміцнення.

АННОТАЦИЯ

андрик О.Н. Усовершенствование методов повышения эксплуатационных рактеристик замковых резьбовых соединений бурильных колонн. — гкопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических [ук по специальности 05.05.12 — Машины нефтяной и газовой юмышлешюсти. — Ивано-Франковский государственный технический шверситет нефти и газа, Ивано-Франковск, 1997.

Дисертация посвящена вопросам повышения эксплуатационных [рактеристик замковых резьбовых соединений бурильных колонн и бойных двигателей за счет упрочнения их резьбовых соединений )вым прогрессивным методом. Разработана технология и оборудование я упрочнения замковых резьбовых соединений при помощи энергии лтразвуковых колебаний. Спроектированы и изготовлены лтразвуковые концентраторы, рабочие инструменты для упрочнения Фужных и внутренних резьбовых поверхностей и определены щиональные режимы основных параметров ультразвуковой обработки 30). Выведены зависимости для определения предельной амплитуды «ела напряжений разных размеров бурильных труб; рациональных [ачений геометрических параметров рабочего инструмента и !утранного угла между плоскостью симметрии инструмента и носкостью, перпендикулярной оси детали. Основные результаты 1боты нашли промышленное внедрение при изготовлении и ремонте тяжеленных бурильных труб на трубных базах.

Ключевые слова: резьбовое соединение, муфта, ниппель, колонна фильных труб, ультразвуковые колебания, упрочнение.

ABSTRACT

Mandryk O.M. improvements of Operation Characteristics of Key Tread Soint in Drilling Shaft. — Manuscript.

The thesis is for gettiny the degree of candidate of sciences speciality 05.05.12 — Machines of Oil and gas industry. — Ivano-Frank State Technical University of Oil and Gas, 1997.

The thesis deals with the improvement of drilling shafts and dril engines using the strenthnins of their threadins joint by new mot methods. The equipment and technology of streng theniny of the treadins joint are worked out in this thesis by usins the energy of ultras* wavs. Ultrasonic concentrators, operation instruments for streng theniii' inside and outside treading surfaces are calculated and made and optir meanings of main characteristics of ultrasonic treatment are determined.

We propoze the dependence for determination of limited ampliti of different loadin for drilling pipes of different dimensions and optir meanings of geometric characteristics of operation instrument and two s andle between the area of symmetry of instrument and area whic perpendicular to the axis of detail.

The results of thesis are used during the manufacturing and repairi of heavy — weight drill pipes. •

Key words: treading joint, nipple, loint, drilling shaft, ultra:; oscillation, strengthenins.