close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Технологическое обеспечение и повышение долговечности бурильных труб на основе моделирования и управления параметрами упрочняющей обработки резьбы

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Песин Михаил Владимирович
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ
ДОЛГОВЕЧНОСТИ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ НА ОСНОВЕ
МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ
УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ РЕЗЬБЫ
05.02.08 – Технология машиностроения
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
доктора технических наук
Пермь – 2018
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении высшего образования «Пермский национальный исследовательский
политехнический университет» (ФГБОУ ВО ПНИПУ)
Научный консультант:
Макаров Владимир Федорович,
доктор технических наук, профессор, заместитель
заведующего кафедрой «Инновационные технологии
машиностроения»
ФГБОУ ВО «Пермский национальный
исследовательский политехнический университет»
Официальные оппоненты: Блюменштейн Валерий Юрьевич,
доктор технических наук, профессор кафедры
«Технологии машиностроения» ФГБОУ ВО
«Кузбасский государственный технический
университет имени Т. Ф. Горбачева»
Козлов Александр Михайлович,
доктор технических наук, профессор, заведующий
кафедрой «Технология машиностроения», ФГБОУ
ВО «Липецкий государственный технический
университет»
Афонин Андрей Николаевич,
доктор технических наук, профессор кафедры
«Материаловедение и нанотехнологии»
ФГАОУ ВО «Белгородский государственный
национальный исследовательский университет»
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Российский государственный
университет нефти и газа (национальный
исследовательский университет)
им. И. М. Губкина», г. Москва
Защита состоится « 9 » октября 2018 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.058.02 при ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,
1, ауд. 252.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВО
ДГТУ и на сайте http://science.donstu.ru
Автореферат разослан «___»_____________2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Бурлакова Виктория Эдуардовна
2
Актуальность темы исследований. Несмотря на наблюдаемый в последнее время мировой экономике кризис разведка новых месторождений нефти, газа
и полезных ископаемых с каждым годом возрастает. В Российской Федерации
наблюдается постоянный рост объемов бурения глубоких скважин, причем их
глубина достигает 3000…5000 м. Для осуществления процесса бурения применяются специальные буровые, обсадные и насосно-компрессорные трубы, соединенные в многокилометровые колонны весом более 100 тонн с помощью резьбовых соединений в виде муфт и ниппелей со специальной сложной конической
геометрией замковой резьбы. 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 разрушения резьбовых соединений и обрыву колонны в скважинах. В результате
анализа характера разрушения бурильных труб в эксплуатации установлено, что
60 % отказов связаны с недостаточной прочностью и циклической долговечностью ее соединительных резьбовых элементов. Разрушение резьб носит преимущественно усталостный характер, в основном в зоне впадины резьбы. Сегодня с
усложнением технологии наклонного и горизонтального более глубокого бурения
нефтяных и газовых скважин с применением повышенного пластового давления и
высоких температур требуются более прочные и надежные с высокими техническими характеристиками бурильные трубы.
В связи с этим, проблема повышения сопротивления усталости резьбовых
соединений при изготовлении бурильных труб на машиностроительных предприятиях является весьма важной актуальной народнохозяйственной задачей.
Наиболее эффективным решением проблемы является повышение долговечности резьбовых соединений путем упрочнения поверхности дна впадины
резьбы. Среди рассмотренных различных методов упрочнения поверхностей
наиболее перспективным является метод поверхностной пластической деформации на основе обкатывания резьбы специальным профильным роликом.
Предполагается, что при обкатывании резьбы роликом повышается долговечность и надежность резьбовых соединений путем формирования рациональных сжимающих остаточных напряжений, увеличивается микротвердость и снижается шероховатость впадины резьбы.
Анализ научных исследований и опыта предприятий показал, что метод
упрочнения резьбы обкатыванием роликами недостаточно изучен. Не установлены основные закономерности и взаимосвязи между режимами упрочнения и параметрами качества поверхностного слоя. Отсутствует методология математического моделирования контактных явлений и напряженно-деформированного состояния материала резьбы при обкатывании резьбы роликом, позволяющая с
научной
позиции
управлять
процессом
формирования
напряженнодеформированного состояния резьб. Для практического применения технологиче3
ского процесса обкатывания роликом отсутствуют необходимое специальное
промышленное оборудование, научно обоснованные методики и технологические
рекомендации для серийного производства бурильных труб на конкурентоспособной и импортозамещающей основе в Российской Федерации.
Кроме того, не разработана методика и не проведены научные исследования
по установлению влияния режимов обкатывания на повышение сопротивления
усталости сложных резьбовых конических соединений бурильных труб.
Таким образом, разработка теоретических основ технологического процесса
повышения долговечности бурильных труб, путем обкатывания впадин резьбовых
соединений является актуальной научной задачей, а внедрение упрочняющей обработки на современных машиностроительных предприятиях при изготовлении
бурильных труб различного назначения имеет важную практическую значимость
для народного хозяйства Российской Федерации.
Объект исследования: резьбовые соединения деталей бурового комплекса:
бурильные трубы, ведущие бурильные трубы, утяжеленные бурильные трубы,
сбалансированные бурильные трубы и переводники бурильных колонн, 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 силы давления на ролик, радиусом впадины резьбы и 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 сопротивления усталости и долговечности резьбовых соединений бурильных труб.
2. С использованием компьютерного конечно-элементного моделирования
разработать методологию статического и динамического математического моделирования формирования напряженно-деформированного состояния материала
резьбы при поверхностной пластической деформации бурильных труб обкатыванием роликом.
3. На основе разработанных математических моделей, выполненных расчетов и визуализации результатов установить взаимосвязи и закономерности влия4
ния контактных нагрузок и геометрии деформирующего ролика на величину и характер распределения остаточных напряжений в поверхностном слое при напряженно-деформированном состоянии материала резьбы с целью возможности
управления их формированием для дальнейшего обеспечения 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 различной номенклатуры.
5. Разработать комплексную методику и провести экспериментальные исследования по установлению закономерностей влияния технологических параметров упрочняющей обработки резьбы бурильных труб на формирование основных параметров качества поверхностного слоя: остаточных напряжений, шероховатости, наклепа, микроструктуры.
6. Провести сравнительные исследования сопротивления усталости образцов бурильных труб с упрочненной и неупрочненной резьбой в зависимости от
режимов процесса обкатывания и режимов циклического нагружения.
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.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы
основные положения технологии машиностроения, теории механики деформирования сплошных сред, динамики машин и механизмов, теоретической механики,
методики моделирования напряженно-деформированного состояния, теория поверхностно-пластической деформации. Результаты исследований фиксировались
с применением аттестованных современных приборов и средств измерений. Обработка и визуализация результатов теоретических исследований выполнена
с помощью междисциплинарных инженерных пакетов на высокопроизводительном вычислительном комплексе с использованием программных комплексов конечно-элементного анализа ANSYS, ABAQUS и разработанной программы «Обкатка резьбы роликом ПКНМ версия 1.0».
Научные 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.
5
2. Компьютерная 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 при 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 сравнительных стендовых усталостных испытаний резьбовых
соединений 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.
Научная новизна: заключается в разработке научного направления повышения сопротивления усталости и долговечности резьбовых соединений бурильных труб путем управляемого формирования обкатыванием рациональных сжимающих напряжений и благоприятно направленной текстуры в контактной зоне
впадины резьбы. К наиболее значимым научным результатам относятся следующие положения:
1. 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
ходов, силы прижима 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 прижима ролика, равная 8 кН, обеспечивающая критическую величину перемещения профиля резьбы 0,11 мм с формированием в поверхностном
слое резьбы рациональных сжимающих напряжений, способствующих повышению сопротивления усталости бурильных труб.
6
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 прижима) 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 прижима 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.
Практическая ценность исследования:
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.
Достоверность и обоснованность научных результатов. Достоверность
полученных результатов подтверждается корректным применением известных
положений фундаментальных наук, использованием современной высокопроизводительной вычислительной техники, современных приборов и оборудования,
внедрением результатов в серийное производство бурильных труб. Полученные
экспериментальные данные при натурных испытаниях на технологическом оборудовании показали хорошую сходимость с теоретическими исследованиями,
а также с результатами полученными другими авторами.
Реализация работы. Разработанная методика расчета режимов упрочнения
труб внедрена в ООО «ПКНМ-Урал», ООО «Пермская компания нефтяного машиностроения», г. Пермь. В результате внедрения технологического процесса обкатывания в производство бурильных труб за 2013–2017 гг. обработано более
12 тыс. труб и переводников различной номенклатуры, случаев разрушения этих
7
труб не зафиксировано. Результаты исследований внедрены в учебном процессе
на кафедре «Инновационные технологии машиностроения» Пермского национального исследовательского политехнического университета при изучении дисциплины «Технология машиностроения».
Апробация работы. Основные положения результатов работы доложены на
43 всероссийских и международных научно-технических 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» (Ростовна-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), «ТМ-18» (Воронеж, 2018).
Разработки по теме диссертации награждены дипломами на 13 всероссийских и международных выставках («Нефтегаз-Нижневартовск», 2016; «Нефть.
Газ» 2011, 2014, 2016, г. Москва; ADIPEC, 2014, г. Абу-Даби; MIOGE-2007, 2009,
2011, 2015, г. Москва; «НефтьГаз», г. Уфа 2010; «Нефтегаз», Пермь, 2010;
«Нефть. Газ», г. Альметьевск 2011–2014).
Публикации. Основные результаты работы изложены в 86 печатных работах, в том числе 27 – в рекомендуемых ВАК Минобрнауки Российской Федерации
8
и 2 входящих в международную реферативную базу Scopus, в 2 монографиях,
в 2 патентах и свидетельстве о государственной регистрации программы.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 230 наименований, 3 технических актов внедрения
и 32 приложений. Работа изложена на 330 страницах и содержит 159 рисунков,
22 таблицы, в том числе, в приложении на 28 страницах представлены отзывы
и акты промысловых и эксплуатационных испытаний, документы о внедрении результатов исследований.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы
цель и задачи.
В первой главе выполнен анализ результатов ранее выполненных исследований, современного состояния научной и технологической проблем при изготовлении и эксплуатации бурильных труб. Рассмотрены конструкторские и технологические требования к изготовлению резьбовых соединений. Проанализированы
причины разрушения резьбовых соединений бурильных труб и методы повышения их эксплуатационной надежности в различных отраслях машиностроения.
Рассмотрены современные методы математического моделирования напряженнодеформированного состояния при проведении упрочняющих процессов обработки деталей машин.
Производство бурильных труб в Российской Федерации и в мире постоянно
увеличивается, что связано с ростом добычи нефти, газа, полезных ископаемых
и разведкой новых месторождений.
В тоже время установлено, что 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 разрушения резьбовых соединений и обрыву колонны в скважинах. В результате анализа характера разрушения бурильных труб в эксплуатации установлено,
что 60 % отказов связаны с недостаточной прочностью и циклической долговечностью ее соединительных резьбовых элементов. Разрушение резьб носит преимущественно усталостный характер, в основном, в зоне впадины резьбы, где зарождаются трещины и в процессе эксплуатации при знакопеременных нагрузках
приводят к разрушению и обрыву труб.
Конструкторско-технологические требования к резьбовым поверхностям
бурильных труб при изготовлении достаточно высокие и выполняются согласно
ГОСТ Р.50864-96, при этом шероховатость резьбы должна быть на более Ra
3,2 мкм, а точность шага резьбы 0,04 мм.
Обрыв труб при бурении и эксплуатации скважин по резьбовым соединениям является основной технической проблемой, ведущей к значительным экономическим затратам, измеряемым десятками млн. руб. на одну аварию. В связи с этим
9
повышение качества, надежности и долговечности бурильных труб является актуальной задачей современного машиностроительного производства. Решение этой
задачи возможно путем введения дополнительной операции упрочняющей обработки наружной и внутренней резьбы бурильных труб.
Вопросы повышения долговечности деталей машин при упрочняющей обработке рассмотрены в работах таких ученых, как Афонин А. Н., Бабичев А. П.,
Блюменштейн В. Н., Гуров Р. В., Дрозд М. С., Евсин Е. А., Киричек А. В., Козлов А. М., Копылов Ю. Р., Кудрявцев И. В., Кузнецов В. П., Макаров В. Ф., Матвиенко В.П., Мокроносов Е. Д., Няшин Ю.И., Поздеев А.А., Попов М. Е., Прокофьев А. Н., Прокофьев А. Н., Сёмин В. И., Сидякин Ю. И., Смелянский В. М.,
Соловьев Д. Л., Суслов А. Г., Тамаркин М. А., Торбило В. М., Трусов П. В., Хостикоев М. З., Шнейдер Ю. Г., Щербюк Н. Д., Patrick de Baets, Wim de Waele, Jan
de Pauw и др. Анализ результатов исследований показал, что применение поверхностного пластического деформирования приводит к образованию в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений, упрочнению поверхности, что способствует повышению сопротивления усталости и долговечности деталей машин.
При рассмотрении современных методов математического моделирования
напряженно-деформированного состояния при проведении упрочняющих процессов обработки установлено, что сложная геометрия моделируемой конической
замковой резьбы бурильных труб исключает возможность использования аналитических методов для решения подобной задачи. В данном случае применительно
к теории механики деформируемого твердого тела рассматривается трехмерная
нестационарная контактная задача упругопластического деформирования. Решение этой задачи возможно на основе применения компьютерного конечноэлементного моделирования как современного инструментария для инженерного
и научного анализа численного математического моделирования.
Решением практических проблем повышения надежности бурового оборудования занимаются специалисты таких предприятий в Российской Федерации
как: ООО «ПКНМ», ООО «ПКНМ-Урал», ОАО «Мотовилихинские заводы»,
ОАО «ТМК», ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент» и др. Анализ производственного опыта показал, что, по мнению Прокофьева А. Н., Прокофьева А. Н., Суслова А. Г., возможной причиной поломки резьбы может быть коррозионное разрушение, и предлагается для повышения долговечности бурильных труб применять
термодиффузионное цинкование, азотирование, фосфатирование и др.
Однако, проведенные научные исследования и производственный опыт
в области упрочнения резьб поверхностным деформированием являются недостаточными и не в полной мере обеспечивают долговечность труб.
Из рассмотренных методов упрочнения применительно к резьбовой поверхности наиболее рациональным выбран метод обкатывания роликом.
10
Изучение остаточных напряжений во впадине резьбы теоретически и экспериментально затруднено, т.к. профиль резьбовой конической поверхности весьма
сложен. В связи с этим, исследование такой резьбы возможно преимущественно
методами математического моделирования характера и величины распределения
остаточных напряжений, возникающих после обкатывания. Анализ технических
требований по точности и допусков на резьбу показал, что основным показателем
и критерием выбора допустимой максимальной величины силы прижима ролика с
целью формирования рациональной величины остаточных сжимающих напряжений, обеспечивающих повышение сопротивление усталости, является допуск на
глубину впадины, не более 0,11 мм. Превышение этого допуска не обеспечивает
требуемое качество соединения резьбы труб.
Анализ научных работ и опыта предприятий показал, что не полностью
изучены и не представлены в комплексе научные и методологические основы
технологического процесса упрочнения резьбовых соединений обкатыванием роликом, направленные на повышение надежности бурильных труб, отсутствуют
математические модели процесса деформирования впадины резьбы, нет численных решений этой задачи, определяющей взаимосвязь режимов упрочняющей обработки с основными параметрами качества поверхностного упрочненного слоя,
а, именно: величина и характер распределения остаточных напряжений, шероховатости, микротвердости, наклепа и микроструктуры; отсутствует промышленная
установка для обкатывания резьб бурильных труб. Выдвинута гипотеза о формировании сжимающих напряжений рациональной величины, обеспечивающих повышение сопротивления усталости резьбовой поверхности, обкатанной роликом,
при взаимодействии его с дном впадины резьбы, расположенного ниже среднего
диаметра резьбы.
Таким образом, проведенный анализ научно-технической литературы
и опыта предприятий показал, что разработка методологических основ и практических рекомендаций технологического процесса упрочняющей обработки впадин резьбовых соединений является весьма актуальной научной и производственной задачей.
На основе проведенного анализа сделаны выводы, сформулированы цель
и задачи диссертационной работы.
Во второй главе диссертации изложены результаты разработки комплексной методологии математического моделирования формирования напряженнодеформированного состояния поверхности конической резьбы при обкатывании
её роликом, основанной на создании статических и динамических математических моделей деформации впадины резьбы и определяющая взаимосвязь диаметра ролика, радиуса при его вершине, числа ходов, силы прижима ролика при
обкатывании с величиной и характером распределения остаточных напряжений.
Для теоретических исследований процесса упрочнения материала резьбы
применен метод компьютерного конечно-элементного моделирования как совре11
менного инструментария для инженерного и научного анализа численного математического моделирования.
Разработанная методология теоретических численных исследований включает создание физических и математических моделей для расчета остаточных
напряжений, упругих и пластических деформаций резьбы в статической и динамической постановках. Решение поставленных задач моделирования предусматривает следующие этапы: построение физической модели деформирования, выбор
типа конечного элемента, определение механических параметров исследуемого
материала, назначение граничных и определение начальных условий в физической модели, построение конечно-элементной сетки и уплотнение ее в зоне контакта, приложение граничных и начальных условий к модели, задание параметров
расчета, выполнение блока решателя и анализ результатов расчета. Результаты
расчетов и анализа представляются в виде графиков и визуализаций величины и
характера распределения остаточных напряжений, позволяющих на этапе проектирования технологии обкатывания резьбы назначать рациональные режимы
упрочнения резьбы.
Выполнена оценка напряженно-деформированного состояния материала
резьбы в статической постановке, которая предусматривает численные расчеты
математической модели, позволяющей рассчитать и получить графические изображения зависимостей остаточных напряжений во впадине резьбы от прикладываемых статических сил прижима ролика F и его диаметра D согласно физической
модели на рис. 1.
Консольное
закрепление
Этапы
нагружения
II
F
I
Плоскость симметрии
Рис. 1 – Физическая модель и схема нагружения конструкции конической резьбы
при статическом положении ролика: I – вдавливание, II – отвод
Для решения этой задачи континуальная физическая модель заменена сеточной и для уточнения параметров процесса обкатывания использован метод изменения масштаба сетки согласно схеме (рис. 2).
Нагружение резьбы происходит в два этапа: вдавливание и отвод ролика
при консольном закреплении резьбы. При этом процессы нагружения рассматриваются в трехмерной статической нелинейной постановке задачи с учетом больших деформаций профиля резьбы, при которых деталь не полностью восстанав12
ливает свою исходную форму после снятия нагрузок (учитывается, что деформация является необратимой). Одновременно считается, что максимальное расчетное перемещение точек профиля резьбы значительно меньше диаметров впадин
резьбы бурильной трубы.
Рис. 2 – Схема разбиения образца ниппельной части трубы
и ролика на конечные элементы
Физическая модель строится со следующими допущениями:
1. Влияние остаточных напряжений в конструкции на ее жесткость не учитывается.
2. В зоне контакта отсутствует проскальзывание ролика по поверхности
впадины резьбы.
3. Стенки конструкции бурильной трубы не нагреваются и не поглощают
тепло.
Математическое описание упругопластических процессов в статической постановке, согласно теории механики сплошных сред, включает следующий комплекс зависимостей деформаций и напряжений от величины расчетных перемещений для каждого из двух тел, находящихся в контакте в указанной постановке,
и краевые условия:
1



(ui , j  u j ,i ),
ij

2

ij , j  X i  0,


ij  K ij  2G 1  (en )   ij  ij  ,

3 

(1)
(2)
(3)
где G – модуль упругости, K – модуль объемного сжатия, ij – тензор деформаций,
ui (x1, x2, x3) – точки (x1, x2, x3) сплошной среды, имеющие перемещение, Xi – объемная сила представлена составляющими, (en) – функция, характеризующая отклонение свойств материала от линейных, ij, – компоненты тензора напряжений,
en – интенсивность деформаций (второй инвариант).
13
Данная математическая модель определена следующими граничными условиями:
ui S  ui0 ;ijI
1
S1
  Pi II
S2
;ijI
S3
 ijII
S3
;uiI
S3
 uiII
S3
,
(4)
где I, II – контактные тела один и два соответственно, S1, S2 – части полной поверхности S, S3 – контактирующая поверхность, ui0 – перемещения, i0 – напряжения, ni – составляющие единичного вектора n, перпендикулярного поверхности S2.
Анализ результатов расчетов по разработанной статической математической
модели деформирования выявил следующие особенности: существенного изменения геометрии резьбы, а также изменения зазоров при свинчивании ниппеля
с муфтой, натягов после обкатывания впадин витков резьбы роликом не наблюдается. Установлено, что вдавливание роликами впадин резьбы создает благоприятные сжимающие напряжения на «дне» впадины для всех сил прижима и различных радиусах ролика. Кроме того, по результатам численных расчетов выбрана
необходимая, с точки зрения формирования рациональных сжимающих напряжений, оптимальная величина радиуса профиля ролика Rr = 1,067 мм. В результате
появилась возможность прогнозирования величины остаточных напряжений за
счет изменения силы прижима ролика и варьирования радиусом при его вершине.
Установлено, что повышение с 4 до 12 кН силы прижима ролика увеличивает на
10…15 % величину максимальных сжимающих остаточных нормальных напряжений с –317 МПа до – 359 МПа в зоне впадины резьбы (рис. 3).
а
б
в
Рис. 3 – Визуализация результатов расчетов напряжений по критерию Мизеса
при нагрузках на ролик: а) 4 кН, б) 8 кН и в) 12 кН
Однако, приведенных результатов расчетов по статической модели явно недостаточно, т.к. обкатывание роликом проводится при вращении поверхности резьбы и
ролика и при перемещении ролика по впадине конической резьбы. Поэтому далее
разработана динамическая математическая модель процесса обкатывания.
Для этого использованы основные положения теории механики деформируемого твердого тела. Данную задачу – моделирование процесса обкатывания
резьбы, можно выделить как трехмерную нестационарную контактную задачу
упругопластического деформирования. Аналитические методы для решения по14
добной задачи не используются, ввиду сложной геометрии моделируемых тел:
впадины резьбы и ролика. Для построения математической модели в динамической постановке предложено применить системы гипотез и допущений.
В качестве объекта моделирования выбрана область материала ниппеля
трубы с резьбой. Любая впадина с двумя соседними витками резьбы рассматривается как моделируемый объем, в связи с тем, что контактные нагрузки при обкатывании вызывают только локальные пластические деформации во впадине резьбы под роликом.
Решение задачи расчета напряженно-деформированного состояния впадин
резьбы в динамической постановке аналитическими методами является весьма
сложным и трудоемким. Поэтому при моделировании для упрощения расчетов
предложено вместо конической поверхности резьбы рассмотреть цилиндрическую (рис. 4). Моделируемый объем резьбы развернут с цилиндрической поверхности на плоскость и представлен в виде фрагмента витка длиной 20 мм, учитывая предлагаемые упрощения (рис. 4а) и допущения.
а
б
в
Рис. 4 – Расчетная модель обкатывания: а – часть витка;
б – вид сбоку; в – вид с вершины оси z
В первом положении ролик находится над канавкой резьбы в 5мм от левого
торца витка (см. рис. 4б), далее через 5 мм расположены точки 2, 3 и 4, в связи
с технологической особенностью процесса обкатывания резьб. Ролик считается
абсолютно твердым телом. Малыми принимаются деформация материала резьбы,
а физико-механические свойства материала трубы являются изотропными. Материал резьбы, в начальном состоянии, находится в ненагруженном состоянии.
Процесс нагружения считается изотермическим, т.е. при постоянной температуре
трубы и ролика равной 20 ºС. В данном случае, принимается гипотеза об аддитивности скоростей пластических и упругих деформаций.
В процессе решения этой контактной задачи ее условия постоянно уточняются.
На первом шаге ролик вдавливается во впадину резьбы на величину U*. На втором –
15
весь фрагмент резьбы смещается влево (рис. 4б) на 10 мм. При этом нагруженный ролик катится по впадине резьбы, вращаясь относительно своей оси (рис. 4в).
На всех этапах рассматриваемого технологического процесса, в соответствии с ранее сформулированной гипотезой, с точки зрения математического моделирования, данную задачу можно представить как квазистатическую нестационарную трехмерную контактную задачу. Считаем, что в некоторый момент времени t  (0,) деформируемое тело занимает область r tt , R3 (трехмерное
t
пространство) с границей S  Sv (t )  S free (t )  Sкон (t ) , Sv (t ) – часть границы, подвергающаяся кинематическому воздействию, Sfree (t) – свободная граница, Sкон (t) –
граница контакта (смешанные граничные условия), t  t  S t , исследуемая область показана на рис. 5.
Поля напряжений , деформаций  и скоростей перемещений v для любого
t  (0,) , определены для следующей системы уравнений:
– представлены уравнения равновесия в скоростях:
ˆ  σ& 
ˆ  (v  
ˆ σ)  0 ,

r t ,
(5)
Рис. 5 – Исследуемая область впадины резьбы в процессе перемещения ролика
– показаны определяющие соотношения:
σ R   I1  D  D p  g  2   D  D p  ,
tt
3 S: D
R
r

;,

S

σ

σ

и

σ
:

σ

0,

r



u
S
2
D p   2 σS
0 в противном случае.

(6)
– выполнены кинематические соотношения:
D


1 ˆ
С v  vСˆ ,.
2
r  t
r t ;
(7)
– сделаны статические и кинематические граничные условия:
vх = 0, ху = хz = 0
r  Svt1;
16
(7а)
vу = 0, ху = уz = 0
r  Svt 2 ;
(7б)
х = у = z = 0
r  S tfree ;
(7в)
vz = 0, хz = уz = 0
r  Svшаг1
3 ;
(7г)
vz = –0,1 м/сек, хz = уz = 0
2
r  Svшаг
3 ;
(7д)
vх = vz = 0, vу = –0,1 м/сек,
для шага 1
(7е)
vх = vу = vz = 0,
для шага 2
(7ж)
r 0 ;
(7з)
условия для оси ролика:
при начальных условиях:
(r) = (r) = 0, v(r) = 0
В уравнениях:
С̂ – набла-оператор, на коротационную производную указывает верхний
индекс R,
D, Dp – тензоры полной и пластической скорости деформации,
S – напряжение текучести материала с учетом упрочнения,
и – интенсивность напряжений,
n – вектор единичной нормали, направленный к границе.
При моделировании технологического процесса обкатывания, на каждом
этапе, рассматриваемым соотношениям должны удовлетворять поля (v, , ), которые состоят в: задаваемых граничных условиях, начальной для этапа конфигурации области, начального состояния материала контактируемых тел. Поведение
материала резьбы задано определяющими соотношениями, в соответствии с макрофеноменологической теорией пластического течения.
Вследствие наличия контактных граничных условий, данная задача является
существенно нелинейной. Рассмотрим контактные граничные условия: априори,
неизвестна контактная граница Sкон(t) и применен следующий подход для её определения: обозначаем через Sвозм.кон.рез(t1) и Sвозм.кон.рол(t1) поверхность исследуемой
области резьбы и ролика, где возможен контакт между этими телами,
а через SC(t1) – для момента времени t1 контактную поверхность резьбы. Область
контакта тел представлена как область пересечения поверхностей Sвозм.кон.рол(t1)
и Sвозм.кон.рез(t1).
Считаем, что SC(t1) – это область «геометрического контакта», в которой
возможны подобласти отсутствия «физического контакта», когда нет взаимодействия геометрически касающихся поверхностей друг с другом. Устанавливаем
граничные условия для некоторого фиксированного момента времени, поэтому,
далее, индекс t1 не используется. В области SС определим две зоны.
17
0
При динамической скоростной постановке задачи, S C подразделяется еще
на две подобласти, в которых скорость нормальных напряжений либо &n < 0, ли-
бо &n = 0, первая в дальнейшем относится к Sc, а на второй задаются граничные
условия свободной поверхности.
Зона Sc подразделяется на две: зону «прилипания» Sca и зону проскальзывания Scs. Для получения приближенного решения поставленной задачи применен
программный комплекс ABACUS.
Исследования распределения остаточных напряжений после обкатывания
резьбы роликом проведены путем выполнения вычислительных экспериментов
при различных значениях вдавливания (смещения) ролика U*: 0,04 мм; 0,075 мм;
0,110 мм и 0,145 мм.
На рис. 6 показана эволюция в процессе нагружения смещения 4-х точек
(рис. 6б), лежащих на поверхности впадины в плоскости ее симметрии при вдавливании (смещение) ролика 0,145 мм. После прохождения ролика материал резьбы упруго разгружается, и незначительно уменьшается величина остаточного
смещения впадины резьбы. Наибольшей величины смещение достигает в момент
прохождения ролика, что показано на рис. 6а. Затем величина смещения уменьшается в процессе разгрузки, стремясь к некоторому значению Uост, одинаковому
для всех точек дна впадины и зависящему от величины смещения ролика U*.
Теоретическая зависимость Uост(U*) принята линейной для рассмотренного
интервала значений U:
Uост = 0,9382 U* – 0,00533
(8)
На рис. 6б показано изменение во времени величины интенсивности
максимальных остаточных сжимающих напряжений в рассмотренных 4-х точках
поверхности впадины резьбы.
Рис. 6 – Результаты расчета изменения смещения (а) и интенсивности напряжений (б)
в 4-х точках дна впадины (точка 1 ближе к начальному положению ролика, далее точки 2-4)
при перемещении ролика по витку резьбы (F = 12 кН; U* = 0,145 мм)
18
Наибольшей величины остаточные напряжения и достигают при
прохождении ролика по впадине на 0,45…0,8 сек, далее происходит разгрузка
и значение и уменьшается, достигая стабилизации примерно через 0,5 сек. За
это время, при скорости движения области 0,01 м/сек, пятно контакта смещается
от рассматриваемой точки на 5 мм.
На расстоянии более 5 мм от пятна контакта ролика с поверхностью
материал резьбы можно считать разгруженным, а полученные величины –
остаточными напряжения. Анализ графика показывает, что все точки профиля
имеют одинаковое значение деформации.
Выполнено расчетное определение оптимальной величины силы обкатывания роликом с радиусом профиля Rr = 1,067 мм по номограмме, (рис. 7), в зависимости от величины деформации (Δ) и величины осевых сжимающих напряжений  X max сж .
Рис. 7 – Определение оптимальной величины силы обкатывания роликом
с радиусом профиля Rr = 1,067 мм: ●●● –  X max сж = f (F ); ♦♦♦ – Δ = f (F )
Как видно из номограммы для ролика с Rr = 1,067 мм (рис. 7), максимальным осевые сжимающие напряжения (  X max сж ) в резьбовой части достигают величины до 800 МПа при величине деформации (Δ) равной 0,105 мм, что соответствует критической силе прижима 8 кН. Эта величина критической силы прижима
принята за 100 % величины нагрузки при дальнейших исследованиях.
В результате дальнейших расчетов установлено, что применение обкатывания с силой прижима от 50 до 200 % формирует в поверхностном слое значительные осевые сжимающие напряжения от – 800 до – 1300 МПа на глубине от 0,4 до
0,8 мм (рис. 8), а на поверхности напряжения уменьшаются почти в 2 раза.
Дальнейшее увеличение силы обкатывания и величины деформации (Δ) нецелесообразно и может привести к перенаклёпу поверхности впадины и искажению геометрии резьбы.
19
а
б
Рис. 8 – Результаты расчета величины и характера распределения осевых
остаточных напряжений (σx) по глубине поперечного сечения (S) для разных
уровней нагрузки: а – Rr = 0,915 мм; б – Rr = 1,067 мм
С увеличением радиуса профиля ролика с 0,915 до 1,067 мм, величина максимальных сжимающих напряжений снижается на 15...20 %, а глубина их залегания уменьшается на 20...24 %, с 1,7 до 1,3 мм (рис. 9).
0,915
МПа
1,067
0,915
1,067
Линейная (0,915)
S, мм
1400,0
0,8
1300,0
0,6
1200,0
1100,0
0,4
1000,0
900,0
0,2
800,0
700,0
50
75
100
125 150
F, %
175
0,0
200
50
а
75
100
125 150
F, %
175
200
б
Рис. 9 – Результаты расчета изменений величины (а) и глубины S (б) залегания
максимальных остаточных напряжений  X max сж , в зависимости от силы прижима
ролика (F, %) для роликов с Rr = 0,915 мм и Rr = 1,067 мм
20
Анализ графиков изменения остаточных напряжений  X max сж в зависимости
от силы прижима F ролика и радиуса профиля Rr позволил выразить их в виде
следующих зависимостей:
– для Rr = 0,915 мм: y = –0,0468х2 + 12,576 х + 322,87; R2 = 0,9934;
(9)
2
2
– для Rr = 1,067 мм: y = –0,0468х – 2,9363 х + 747,78; R = 0,9813.
(10)
Проведенный численный эксперимент по определению напряжений после
обкатывания роликом резьбовой поверхности, определил область пластического
деформирования. Установлено, что область пластического деформирования незначительно больше пятна контакта и распространяется на 2,5…3 мм в глубину
дна впадины.
Таким образом, результаты численных экспериментов, расчетов, визуализаций и установленных закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния резьбовой конической поверхности, выполненных на основе
статических и динамических моделей, показали возможность прогнозирования
и управления величиной и характером распределения сжимающих остаточных
напряжений с целью повышения сопротивления усталости и долговечности.
В третьей главе приведены результаты разработки методического обеспечения экспериментальных исследований процесса упрочнения резьбового соединения. Для экспериментальных исследований и внедрения процесса упрочняющей
обработки роликом наружной и внутренней резьбы бурильных труб разработана и
внедрена специальная промышленная установка (рис. 10). Сила прижима ролика
F создается гидростанцией в гидроцилиндре и передается на шток поршня с закрепленным на оси роликом. Труба закрепляется устройством 4 и вращается мотор-редуктором 5. Прижатый ролик 3 вращается за счет силы трения на подшипниках скольжения.
Рис. 10 – Схема установки для обкатывания резьбы бурильных труб и переводников (а)
и общий вид установки: 1 – рама с направляющими; 2 – тележка; 3 – ролики вращения;
4 – гидравлическое прижимное устройство; 5 – мотор-редуктор; 6 – цепная передача;
7 – ролики для обкатывания; 8 – гидростанция; 9 – манометр; 10 – опора;
11 – пульт управления; 12 – упор фиксации длины резьбы; 14 – фотореле
21
Для проведения обкатывания разработаны специальные конструкции роликов из материала ШХ15 диаметром Dr = 24,75 мм, радиусом профиля Rr = 0,965 мм
и Rr = 1,025 мм и углом рабочей стороны  = 250. Для выполнения сравнительных
экспериментальных исследований параметров качества поверхностного слоя резьбы вырезаны образцы труб с упрочненной и неупрочненной резьбой (рис. 11). Материалом труб является сталь 40ХГМА. Основные физико-механические свойства
материала труб приведены в диссертации.
а
б
Рис. 11 – Общий вид бурильных труб (а) и образцов (б) для исследования
параметров качества поверхностного слоя резьбы
Для экспериментального исследования остаточных напряжений во впадине и на
боковых поверхностях резьбы выбран неразрушающий метод на рентгеновском дифрактометре XStress3000G3R. Этот метод контроля показал достаточную хорошую
сходимость с результатами сравнительных измерений по методу Давиденкова Н.Н. на
глубине до 0,15…0,20 мм поверхностного слоя при предварительных исследованиях.
Измерения остаточных напряжений проводились рентгеновским методом в 4-х точках
вдоль одного витка резьбы согласно схемы, показанной на рис. 12а и по 4-м впадинам
резьбы – на рис. 12б. Каждая точка измерения кодировалась по номеру расположения
по окружности и по номеру витка резьбы (например, 1.1 и 1.2 и т.д.).
1
2
3
4
1
2
4
3
а
б
Рис. 12 – Схема измерения остаточных напряжений
на поверхности резьбы на рентгеновском дифрактометре
22
Комплексный контроль дефектов (трещин, налипов и задиров) резьбы после
обкатывания выполнен с использованием цифрового анализатора шумов Баркгаузена Rollscan 300 (рис. 13) 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.
Контроль точности геометрических параметров обкатанной резьбы проведен
гладкими резьбовыми калибрами.
а
б
Рис. 13 – Общий вид цифрового анализатора шумов Баркгаузена Rollscan 300 (а)
и обработки данных на ПК (б)
Оценка параметров шероховатости по впадине резьбы проводилась профилометром MarSurf. Perthometer M (рис. 14) и визуально путем сравнения с эталонами шероховатости.
Рис. 14 – Общий вид измерения шероховатости
во впадине резьбы
Для определения максимально допустимой величины остаточных сжимающих напряжений установлен критерий обкатывания резьбы (Δ) в виде величины
смещения профиля (натяг), который не должен превышать значение 0,11 мм. При
23
превышении допуска смещения профиля резьбы более 0,11 мм геометрия резьбы
не обеспечивала нужную точность профиля. Для измерения величины смещения
профиля резьбы разработан специальный микроглубинометр (рис. 15а). Более
точное измерение проводилось на слепках резьбы на профильном проекторе Mitutoyo Profile Projector PJ-A3000 с точностью до 1 мкм (рис. 15б). По критерию
смещения Δ, устанавливалась максимальная величина допустимой нагрузки на
ролик, и определялись максимально допустимые величины сжимающих остаточных напряжений в резьбовой поверхности.
а
б
Рис. 15 – Схема контроля величины смещения профиля резьбы
на образцах бурильных труб (а) и слепках (б) после обкатывания роликом
Измерение микротвердости проводилось на шлифах образцов резьб с применением автоматизированного микротвердомера DuraScan70 с возможностью
дальнейшего анализа изображений. Для анализа микроструктуры на шлифах
резьбы применялся микроскоп Olympus GX-51.
Проведение сравнительных исследований влияния технологических параметров обкатывания на сопротивление усталостному разрушению резьбовых соединений бурильных труб до и после упрочнения обкатыванием выполнялось по
специально разработанной уникальной методике. Исследование сопротивления
усталости резьбового соединения двух свинченных образцов труб проводилось
при циклическом нагружении изгибающим моментом последовательно в несколько этапов от 3,5 кН·м до 5,0 кН·м. Схема и общий вид стенда для усталостных исследований бурильных труб показаны на рис. 16.
Момент нагружения, количество циклов до разрушения, фиксировались при
каждом испытании двух свинченных образцов труб (рис. 16а). Два образца, длиной по 1000 мм, свинчены с заданным крутящим моментом и установлены на две
опоры; одна опора неподвижная, другая – подвижная со знакопеременной нагрузкой. Тензодатчики наклеивались на наружную поверхность резьбы муфты и фиксировали разрушение резьбы с помощью специальной тензометрической аппаратуры и персонального компьютера (рис. 16б).
После этого, резьбовое соединение развинчивалось и исследовалось место
разрушения.
24
а
б
Рис. 16 – Схема установки образцов (а) и общий вид записи результатов
измерений при усталостных испытаниях бурильных труб (б)
В четвертой главе представлены результаты и проведен анализ экспериментальных исследований влияния технологических режимов и условий обкатывания на величину остаточных напряжений в поверхностном слое резьбы, сопротивление усталости и долговечность бурильных труб.
Установлена допустимая величина максимальной нагрузки на упрочняющий ролик, равная 8 кН, при которой формируется величина смещения профиля
резьбы 0,11 мм и образуются рациональные сжимающие остаточные напряжения,
обеспечивающие при усталостных испытаниях максимальное число циклов
нагружения резьбового соединения до его разрушения. Выявлено, что в процессе
обкатывания роликом на критических режимах в поверхностном слое резьбы образуются сжимающие тангенциальные остаточные напряжения с максимальной
величиной до 360–400 МПа. Установлено, что после упрочняющей обработки
сжимающие остаточные напряжения формируются как по окружности впадины
(рис. 17а), так и по всем виткам резьбы (рис. 17б). При этом максимальные значения сжимающих напряжений в резьбовых поверхностях совпадают с результатами теоретических исследований на 10–15 %.
1
-100
-200
-300
-400
3
2
-188,9
1
0
Напряжения, МПа
Напряжения, МПа
0
4
-368,8 -353,5
-264,3
1
2
3
4
Точки на окружной поверхности
впадины резьбы
2
3
4
-50
-100
-150
-147,5
-209,5
-200
-250
-300
-264,3
-261,7
Точки по виткам резьбы
а
б
Рис. 17 – Значения остаточных напряжений в образце резьбы после обкатывания
25
Показано, что обкатывание поверхности впадин при силе прижима 8 кН
устраняет практически все дефекты первоначальной обработки, при этом высота
микронеровностей снижается с Ra = 3,2 мкм до Ra = 0,4 мкм.
Анализ результатов измерения микротвердости на образцах (рис. 18) свидетельствует о повышении микротвердости во впадине резьбы при обкатывании на
15–20 % по сравнению с неупрочненной резьбой.
В результате исследования микроструктуры поверхности упрочненных
резьб установлено, что в упрочненном слое впадины резьбы (рис. 19) образуется
более благоприятная микроструктура – повышается плотность дислокаций, измельчается исходная структура материала
Микротвердость НV0,1, кгс/мм2
400
350
300
250
200
Обкатка
150
Без обкатки
100
50
0
0,04
0,08
0,12
0,16
0,2
Глубина, мм
Рис. 18 – Графики распределения
микротвердости по глубине поверхностного слоя
резьбы до упрочнения и после упрочнения
Рис. 19 – Структура упрочненного
слоя впадины резьбы
при увеличении х200
Рис. 20 – Результаты сравнительных исследований
долговечности упрочненных и неупрочненных
образцов труб
26
В результате сравнительных усталостных исследований образцов труб с
упрочнением резьбы и без упрочнения на специальном стенде установлено увеличение наработки обкатанного резьбового соединения над неупрочненным в 4,2
раза: с 0,83 тыс. циклов до 3,5 млн. циклов (рис. 20).
Таким образом, полученные результаты экспериментальных исследований
качества поверхностного слоя резьбы после упрочнения подтверждают результаты теоретических исследований и способствуют повышению сопротивления усталости и долговечности резьбовых соединений бурильных труб.
В пятой главе представлены разработанные технологические рекомендации и инженерная методика расчета режимов и условий обкатывания резьбы при
технологической подготовке производства на машиностроительном предприятии,
данные о практической проверке разработанных автором технических решений,
использованных при создании и внедрении оборудования в условиях различных
предприятий машиностроения.
На основе статических и динамических моделей разработана инженерная
методика, блок-схема алгоритма которой представлен на рис. 21. Методика включает
несколько этапов проведения расчетов и программу для обеспечения технологического процесса подготовки производства "Deep roll thread" («Обкатка резьбы»).
Рис. 21 – Блок- схема алгоритма инженерной методики расчета
остаточных напряжений при обкатывании резьбы по впадине
при технологической подготовке производства бурильных труб
27
Программа "Deep roll thread " представляет собой структурированный набор
результатов численных экспериментов по моделированию остаточных напряжений в резьбовой поверхности бурильной трубы.
Таким образом, на основе разработанной методологии математического моделирования остаточных напряжений, появилась возможность прогнозировать их
распределение по глубине поверхностного слоя дна впадины резьбы в зависимости от геометрии обкатного ролика и прижимающей его силы. Общий вид интерфейса программы для ЭВМ "Deep roll thread.
Разработанная инженерная методика включает: методику численного моделирования упрочняющей обработки резьбовых соединений; методику оперативной оценки напряжений при обработке резьбовых соединений на базе программного комплекса, защищенного свидетельством о регистрации программы
№2014610774. Методика рекомендуется для применения на машиностроительных
предприятиях при технологической подготовке производства бурильных труб.
В результате применения инженерной методики оператор-технолог в цеховых условиях может выбирать рациональные с точки зрения повышения долговечности резьбового соединения технологические параметры обкатывания на основе полученных визуализации расчетов и графических зависимостей распределения остаточных напряжений в поверхностном слое упрочненной резьбы.
Разработанные технологические рекомендации по технологическому процессу обкатывания бурильных труб и инженерная методика переданы для внедрения в ООО «ПКНМ» и ООО «ПКНМ-Урал», за период с 2013–2017 гг. на предприятиях обработано более 12 тыс. бурильных труб и переводников, которые
апробированы в нефтегазодобывающих и буровых компаниях Российской Федерации, Белоруссии, Узбекистана: ООО «Газпром Бурение», ООО «РН-Бурение»,
ООО «РН-Сервис», ООО «Белорусское УПНП и КРС», ООО «Буровая компания
Евразия», ООО «Буринтех», ЗАО «Сибирская северная компания», ООО «ТаргинБурение» и др. на что получены акты и отзывы об использовании продукции с
упрочненной резьбой.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс ПНИПУ при изучении дисциплины «Технология машиностроения».
В результате внедрения практически прекратились случаи обрыва труб
и незапланированных ремонтов скважин, повысилась конкурентоспособность
производства бурильных труб в России, потребителями стали ОАО «ГАЗПРОМ»,
НК «Роснефть», НК «ЛУКОЙЛ» и др. и возросла возможность участия в импортозамещении продукции из Украины, Китая и других стран. Общий экономический эффект от внедрения составляет 287 млн. руб.
28
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
В работе представлены новые научно обоснованные технические и технологические решения, заключающиеся в разработке теории контактного взаимодействия механической системы, включающей коническую резьбу бурильной трубы
с деформирующим роликом; новое научное направление в области повышения
долговечности резьбовых соединений бурильных труб на основе сформулированных принципов управления обкатыванием с целью формирования рациональных
сжимающих напряжений и благоприятно направленной текстуры в контактной
зоне впадины резьбы с роликом. По результатам исследований сформулированы
следующие выводы:
1. 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.
2. На основе программного комплекса ANSYS и метода конечных элементов
разработана комплексная методология математического моделирования формирования напряженно-деформированного состояния конической резьбы в процессе
упрочняющей обработки обкатыванием роликом, основанной на создании статических и динамических математических моделей процесса деформирования впадины
резьбы, и определяющая взаимосвязь диаметра ролика, радиуса при его вершине,
числа ходов и силы прижима ролика при обкатывания на величину и характер распределения остаточных напряжений в поверхностном слое резьбы.
3. По разработанным моделям установлены закономерности и взаимосвязи
технологических параметров обкатывания с величиной и характером распределения остаточных напряжений в поверхностном слое, формируемых при пластической деформации впадины резьбы, позволяющие решать задачи управления процессом с целью повышения ресурса резьбовых соединений бурильных труб.
4. Анализ результатов численных экспериментов, расчетов, визуализаций
и установленных закономерностей формирования напряженно-деформированного
состояния резьбовой конической поверхности, выполненных на основе статических и динамических моделей позволяет прогнозировать и управлять величиной
и характером распределения сжимающих остаточных напряжений с целью повышения сопротивления усталости и долговечности.
5. Разработана комплексная методика и выполнены экспериментальные исследования определения влияния технологических параметров обкатывания резьбы бурильных труб на формирование остаточных напряжений, шероховатости,
наклепа, микроструктуры и сопротивление усталости резьбы с применением современных приборов, инструмента и необходимой аппаратуры.
6. Установлена допустимая максимальная величина нагрузки на упрочняющий ролик, равная 8 кН, при которой обеспечивается критическая величина сме29
щения профиля резьбы 0,11 мм и формируются рациональные сжимающие остаточные напряжения, обеспечивающие при усталостных испытаниях максимальное число циклов нагружения резьбового соединения до его разрушения.
7. В результате расчетов установлено, что обкатывание роликами впадин
резьбы создает благоприятные по величине и характеру распределения сжимающие остаточные напряжения на «дне» впадины для всей номенклатуры исследуемых диаметров резьбы при различных радиусах ролика, причем, с увеличением
силы прижима ролика с 4 до 12 кН величина максимальных осевых сжимающих
остаточных напряжений увеличивается, а с увеличением радиуса при вершине
ролика с 0,965 мм до 1,067 мм величина сжимающих остаточных напряжений
снижается на 10–15 %. При этом происходит пластическая деформация дна впадины (наклеп) на глубину до 3 мм, что приводит к упрочнению этого слоя и препятствует возникновению микротрещин.
8. В результате сравнительных экспериментальных исследований качества поверхностного слоя образцов резьбы с упрочением и без упрочнения установлено:
– в процессе обкатывания роликом на критических режимах в поверхностном слое резьбы образуются сжимающие тангенциальные остаточные напряжения величиной до 360–400 МПа;
– при применении обкатывания наблюдается увеличение микротвердости на
10–15 %; микротвердость во впадине резьбы выше, чем на боковых поверхностей
на 15–20 %;
– обкатывание поверхности впадин при силе прижима 8 кН устраняет практически все дефекты первоначальной обработки, при этом высота микронеровностей снижается с Ra = 3,2 мкм до Ra = 0,4 мкм.
– в упрочненном слое образуется более благоприятная микроструктура –
повышается плотность дислокаций, измельчается исходная структура материала;
– результаты экспериментальных исследований качества поверхностного
слоя резьбы после упрочнения подтверждают достоверность теоретических исследований, а полученное упрочнение способствует повышению сопротивления
усталости и долговечности резьбовых соединений бурильных труб.
9. Разработана оригинальная методика и проведены сравнительные исследования сопротивления усталости образцов бурильных труб с упрочнением резьбовых соединений и без упрочнения. Установлено, что применение обкатывания
резьбы роликом на критических режимах обеспечивает увеличение числа циклов
нагружения с 0,83 млн. до 3,5 млн. циклов по сравнению с необкатанной резьбой,
т.е. в 4,2 раза.
10. Разработаны технологические рекомендации и инженерная методика,
включающих: методику численного моделирования упрочняющей обработки
резьбовых соединений; методику оперативной оценки напряжений при обработке
30
резьбовых соединений на базе программного комплекса, защищенного свидетельством о регистрации программы №2014610774.
11. Результаты исследований внедрены на предприятиях ООО «ПКНМ»
и ООО «ПКНМ-Урал», что позволило повысить долговечность 12750 бурильных
труб и переводников, которые апробированы в нефтегазодобывающих и буровых
компаниях Российской Федерации, Белоруссии, Узбекистана: ООО «Газпром Бурение», ООО «РН-Бурение», ООО «РН-Сервис», ООО «Белорусское УПНП
и КРС», ООО «Буровая компания Евразия», ООО «Буринтех», ЗАО «Сибирская
северная компания», ООО «Таргин-Бурение» и др. на что получены акты и отзывы об использовании продукции с упрочненной резьбой. Повысилась конкурентоспособность производства бурильных труб в России, потребителями стали ОАО
«ГАЗПРОМ», НК «Роснефть», НК «ЛУКОЙЛ» и др. и возросла возможность участия в импортозамещении продукции из Украины, Китая и др. Общий экономический эффект от внедрения составляет 287 млн. руб.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе можно заключить, что проведенные научные исследования внесли значительный вклад в дальнейшее развитие теории поверхностного пластического деформирования твердых тел в машиностроении
применительно к упрочнению резьбовых соединений.
2. Результаты работ могут быть использованы при упрочняющей обработке
резьбовых соединений деталей в авиационном, ракетокосмическом, автомобильном и сельскохозяйственном машиностроении с целью повышения надежности и
долговечности деталей.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
По диссертации опубликовано 85 работ, в том числе включенных в перечень ВАК Российской Федерации – 27 работ и 2 работы в SCOPUS:
1. Песин, М. В. Повышение надежности резьбовых соединений нефтегазовых изделий // Технология машиностроения – М. № 9. 2011. С. 49–50.
2. Песин, М. В. К проблеме управления технологическими процессами в изготовлении деталей машиностроения / М. В. Песин, Е. Д. Мокроносов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. № 2 (286), 2011. С. 84–88.
3. Песин, М. В. Повышение надежности резьбовых соединений труб /
СТИН. 2011, № 11. С. 39–40.
4. Песин, М. В. Прогрессивные методы обработки высоконагружен-ных
резьб изделий нефтегазового назначения / М. В. Песин, В. Ф. Макаров,
31
С. А. Мельников, М. Н. Елтышев, Д. В. Лукоянов / Экспозиция Нефть Газ. 2011,
№3/Н (15). С. 57–58.
5. Песин, М. В. Особенности технологического процесса формообразования
резьб на изделиях машиностроения, обеспечивающего повышение качества изделия и снижение его себестоимости / М. В. Песин, В. Ф. Макаров, Е. Д. Мокроносов // «Экспозиция Нефть Газ», 2011, № 6/Н (18). С. 10–12.
6. Песин, М. В. Методы проектирования и оптимизации процесса упрочнения деталей нефтегазового назначения / М.В. Песин, В.Ф. Макаров, Е.Д. Мокроносов // «Экспозиция Нефть Газ», № 6/Н(18), 2011. С. 18–19.
7. Песин, М. В. Триботехническое упрочнение высоконагруженных поверхностей деталей и создание на этой основе производства изделий нефтегазового назначения / М. В. Песин, Е. Д. Мокроносов // Экспозиция. Нефть. Газ. –
2010. – Вып. № 3/Н (09). С. 45–46.
8. Песин, М. В. Технологическое обеспечение и повышение качества поверхностного слоя, точности и долговечности деталей нефтегазовых изделий / М. В. Песин, Е.Д. Мокроносов // Технология машиностроения – М., 2011, № 4. С. 34–35.
9. Песин, М. В. Технологическое обеспечение долговечности резьбовых соединений бурильных труб / М.В. Песин, Е.Д. Мокроносов, С.Н. Долгих, Д.В. Лукоянов // «Экспозиция Нефть Газ», № 2Н (14), 2011. С. 20–21.
10. Песин, М. В. Конструктивно-технологическое обеспечение надежности
нефтепромыслового оборудования / М. В. Песин, Е. Д. Мокроносов // Территория
нефтегаз. 2011, № 6. С. 32.
11. Песин, М. В. Технологическое обеспечение точности формы высоконагруженной контактной поверхности деталей нефтепромыслового и бурового
оборудования / М. В. Песин, Е. Д. Мокроносов // «Экспозиция Нефть Газ», №
2Н(14), 2011. С. 29–30.
12. Песин, М. В. Технологическое обеспечение, повышение качества
и долговечности деталей нефтепромыслового и бурового оборудования /
М.В. Песин, Е.Д. Мокроносов // Экспозиция. Нефть. Газ. – 2010. – Вып. № 6/Н
(12). С. 41–43.
13. Песин, М. В. Технологическое обеспечение повышения надежности изделий нефтегазодобывающей и горной промышленности // «Экспозиция Нефть
Газ», № 4 (22), 2012. С. 54–55.
14. Песин, М. В. Повышение надежности машин и оборудования для
нефтегазодобывающей и горной промышленностей конструктивными и схемными решениями во взаимосвязи с техническими условиями эксплуатации // «Экспозиция Нефть Газ», № 5 (23), 2012. С. 109–111.
15. Песин, М. В. Повышение надежности резьбовых соединений изделий
горных машин, нефтегазопромыслового и бурового оборудования / Фундаментальные проблемы техники и технологии, № 4(294), 2012. С. 75–79.
32
16. Песин, М. В. Моделирование остаточного напряженного состояния
резьбы на трубах нефтегазового сортамента в условиях поверхностного пластического деформирования // «Экспозиция Нефть Газ», № 1 (33), 2014. С. 59–61.
17. Песин, М. В. Повышения надежности бурильных труб на стадии проектирования путем использования математического моделирования процесса
упрочнения резьбовой поверхности / М. В. Песин, Е. Д. Мокроносов / «Экспозиция Нефть Газ», № 2 (27), 2013. С. 56–57.
18. Песин, М. В. Конструктивное и технологическое повышение надежности машин и оборудования для нефтегазодобывающей и горной промышленностей // «Экспозиция Нефть Газ», № 4 (29), 2013. С. 99–100.
19. Песин, М. В. Научные основы моделирования процесса упрочнения
впадины резьбы бурильных труб обкатыванием роликом // «Экспозиция Нефть
Газ», №5 (30), 2013. С. 68–70.
20. Песин, М. В. Моделирование процесса взаимодействия ролика со впадиной резьбы бурильных труб // Известия Юго-Западного государственного унта. Сер. «Техника и технологии», № 4, 2013. С. 43–47.
21. Песин, М. В. Пути решения проблемы разрушения резьбовых соединений нефтепромыслового и бурового оборудования // «Экспозиция Нефть Газ»,
№ 4 (43), 2015. С. 18–20.
22. Песин, М. В. Методология повышения качества резьбовых поверхностей деталей нефтегазового оборудования // «Экспозиция Нефть Газ», № 2 (41),
2015. С. 42.
23. Песин, М. В. Современные технологии машиностроения для импортозамещения нефтепромыслового и бурового оборудования // «Экспозиция Нефть
Газ», № 3 (49), 2016. С. 62–63.
24. Песин, М. В. Применение различных методов упрочняющей обработки
деталей с целью повышения сопротивления усталостному разрушению /
В. Ф. Макаров, С. П. Никитин, М. В. Песин, А. С. Горбунов / Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер. «Прогрессивные технологии в машиностроении», № 9 (204), 2017. С. 28–32.
25. Песин, М. В. Особенности образования локальных технологических
концентраторов напряжений при профильной обработке сопряженных поверхностей деталей / В. Ф. Макаров, С. П. Никитин, М. В. Песин, А. С. Горбунов / Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии
им. П.А. Соловьева. 2017. № 1 (40). С. 166–173.
26. Песин, М. В. Влияние локальных технологических концентраторов
напряжений на эксплуатационные свойства обрабатываемых деталей / В. Ф. Макаров, С. П. Никитин, М. В. Песин, А. С. Горбунов / Наукоемкие технологии в
машиностроении, 2017, № 5(71). С. 41–46.
27. Песин, М. В. Научное обоснование повышения долговечности комплекса бурильных труб на основе методологии моделирования и управления парамет33
рами упрочняющей обработки резьбы // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Прогрессивные технологии в машиностроении», № 9 (204), 2017. С. 72–74.
Монографии
28. «Моделирование технологических процессов механической обработки
и сборки». Том II. Москва: Издат. Дом «Спектр», 2014 – 336 с. // М. В. Песин,
А. А. Бондарев, С. С. Гутыря, А. А. Дьяконов и др.
29. «Технологическое обеспечение качества и ресурса при изготовлении,
сборке, ремонте и восстановлении». Москва: Издат. Дом «Спектр», 2012 – 283 с.
(Серия: машиностроение: технологии, оборудование, кадры) // М. В. Песин,
С. М. Белобородов, Ю. А. Бондаренко, А. С. Верещака и др.
Патенты
30. Патент № 2486994, РФ. МКИ F04 F5/02. Способ изготовления резьбы на
детали // Песин М. В., Федоров С. К., Федорова Л. В., Жаренников В. С., Смоляков Н. К. – Заявка №2011125810 от 24.06.2011. Опубл. 10.07.2013.
31. Патент № 2482942, РФ. МКИ B23G1/00. Способ изготовления резьбы на
детали // Песин М. В., Федоров С. К., Федорова Л. В., Жаренников В. С., Смоляков Н. К. – Заявка № 2011125809/02 от 24.06.2011. Опубл. 27.05.2013.
32. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
PKNM Deep Roll Thread v 1.0 («Обкатка резьбы роликом ПКНМ версия 1.0»)
№2014610774. дата поступл. 18.11.2013 г., дата регистр. 16.01.2014г., Песин М. В.,
Жаренников В. С., Мокроносов Е. Д., Долгих С. Н., Воеводин А. А.
33. Pesin, M. V. // Improving the Reliability of Threaded Pipe Joints. Russian
Engineering Research 2012. – Vol. 32. № 2. p. 210–212. SCOPUS.
34. Pesin, M. V. // Simulation of the Technological Process of the Strenghthened
Treatment of the Drill Pipe Tread / Urgent Problems of Up-to-Date Mechanical Engineering: Intern. Conf., UTI TPU, December 11-12, 2014, Ygra, Russia / Ed.
D. A. Chinakhov; Trans Tech Publications Inc. – Durnten-Zurich: TTP, 2015. –
P. 478–482. – ([Applied Mechanics and Materials; Vol. 770]) SCOPUS.
____________________________________________________________________
Подписано в печать "____" ____________ 2018 г. Тираж 100 экз.
Усл. печ. л. 2,125. Формат 60х84/16. Заказ №799/1/2018.
____________________________________________________________________
Отпечатано с готового оригинал-макета
в ООО "Пермская компания нефтяного машиностроения"
614070, г. Пермь, ул. Техническая, 5. Тел.: +7 (342) 209 22 22
34
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа