Для выравнивания нагрузки по виткам предлагались различные технические решения. Так, в соединении «Фокс» резьбовое соединение имеет участки с различным шагом резьбы [1]. В работе [2] предлагается выполнять несущие поверхности трапецеидальной резьбы ниппеля и муфты, отличающиеся по шагу. Имеются и другие технические решения, по замыслу авторов, способствующие выравниванию нагрузки, воспринимаемой витками конической резьбы соединения обсадных труб. Выполняя анализ напряжённодеформированного состояния (НДС) резьбовых соединений обсадных труб с треугольной, трапецеидальной резьбой, а также высоко герметичных соединений класса «Премиум» нами было установлено, что на распределение по виткам резьбы оказывает значительное влияние соотношение толщин стенки трубы и муфты и величина натяга резьбы.
РИС. 1. Продольный разрез соединения
РИС. 2. Продольное сечение соединениянагрузки
На эти факторы, в известных нам исследованиях, не обращалось должного внимания. Проиллюстрируем влияние вышеуказанных факторов на примере резьбового соединения с трапецеидальной резьбой, выполненной по ГОСТ 632-80, для трубы диаметром 168 мм с толщиной стенки 8 мм, группы прочности Д. Коэффициент трения в резьбовом соединении примем равным 0,08. После свинчивания от руки соединение докрепляется путём проворота трубы на несколько оборотов.
Для безупорного соединения по ГОСТ 632-80 продольный натяг составляет 11–17 мм, что соответствует 2,16–3,35 оборота. Для упорных высоко герметичных соединений класса «Премиум» натяг меньше. Для соединений VAM, VAM-TOP, BDS он находится в районе одного оборота. Для выполняемого исследования примем натяг:
-
0; 1 оборот (5,08мм);
-
2 оборота (10,16мм);
-
3 оборота (15,24мм).
Исследование выполним методом конечных элементов на осесимметричной модели. Для этого необходимо построить сечения сопрягаемых деталей и раздробить эти сечения на конечные элементы с приданием им необходимых свойств. На рис. 1 показан разрез резьбового конца трубы и половины стандартной муфты, навинченной на трубу с натягом три витка. На последующих рисунках будем изображать только поверхности сопрягаемых деталей, попавших в сечение продольной плоскостью (рис. 2) Нагрузим соединение трубы со стандартной муфтой растягивающим усилием 403 кН, что создаст в теле трубы напряжения растяжения 100МПа. Результаты расчёта по распределению усилий по виткам резьбы при различных натягах представим на графике (рис. 3). Нумерация витков представлена на рисунке №4. Как видно на рис. 3, нагрузка, воспринимаемая первым взаимодействующим витком, резко изменяется в зависимости от величины натяга, создающего в данной зоне наибольшие радиальные усилия и деформации (рис. 5).
РИС. 3. Распределение нагрузки по виткам при различных натягах в случае применения стандартной муфты
РИС. 4. Нумерация витков
РИС. 5. Деформированное состояние соединения при натяге в 3 витка (перемещения увеличены в 10 раз)
При уменьшении жесткости муфты за счёт уменьшения наружного диаметра (тонкостенная муфта. Рис. 7), характер распределения нагрузки по виткам сохраняется, но уменьшается максимальное значение нагрузки, приходящееся на первый взаимодействующий виток (рис. 6).
РИС. 6. Распределение нагрузки по виткам при различных натягах в случае применения тонкостенной муфты
РИС. 7. Продольное сечение соединения при использовании тонкостенной муфты
Изменяя жесткость различных участков муфты можно регулировать распределение нагрузки по виткам. Изменив геометрическую форму муфты, как показано на рис. 8 получим лучшее распределение нагрузки по виткам, представленное на рис. 9.
РИС. 8. Продольное сечение соединения при использовании муфты с изменённой геометрией
РИС. 9. Распределение нагрузки по виткам стандартной, тонкостенной муфт и муфты с изменённой геометрией
На основании представленного материала можно сделать следующие выводы:
-
На распределение растягивающей нагрузки по виткам резьбового соединения обсадных труб влияет не только изменение шага резьбы по длине соединения, но и соотношения жесткостей ниппеля и муфты соединения, а также величина натяга при свинчивании резьбы;
-
Вопрос оптимизации распределения нагрузки по виткам резьбовых соединений обсадных труб изучен весьма слабо и ждёт своего пытливого исследователя.
