авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Снижение работы трения в резьбовых соединениях насосно-компрессорных труб направленным акустическим воздействием

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Миндиярова Нина Ильинична

СНИЖЕНИЕ РАБОТЫ ТРЕНИЯ В РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ НАПРАВЛЕННЫМ АКУСТИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

Специальность 05.02.13 – «Машины, агрегаты и процессы»

(нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа – 2009

Работа выполнена в Альметьевском государственном нефтяном институте (АГНИ)

Научный руководитель Официальные оппоненты: Ведущая организация доктор технических наук, профессор Галеев Ахметсалим Сабирович доктор технических наук, профессор Ишмурзин Абубакир Ахмадуллович кандидат технических наук Вагапов Самат Юнирович ООО «Роснефть-УфаНИПИнефть»

Защита состоится 25 сентября 2009 года в 15-30 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан 16 июля 2009 года.

Ученый секретарь совета Лягов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В добываемой российскими компаниями нефти до 35– 40% ее себестоимости составляют затраты на поддержание парка насосно-компрессорных труб (НКТ). Содержание трубного парка требует значительных средств на закупку новых труб для строящихся скважин и для восполнения выбывших из строя, на ремонт эксплуатационного парка труб, проведение капитального и подземного ремонта скважин по причине аварий резьбовых соединений и др.

Контроль параметров резьбы труб нефтегазового сортамента очень важен как на этапе производства, так и при их дальнейшей эксплуатации. Использование труб или муфт ненадлежащего качества может привести к большим экономическим потерям, браку при капитальном ремонте скважин, связанному с качеством резьбы труб. Известно, что более 50% аварий трубных подвесок происходит из-за износа резьбовых соединений. В процессе спуско-подъемных операций (СПО) при свинчивании-развинчивании резьбовых соединений на контактные поверхности резьбы действуют растягивающие и сжимающие напряжения, осевая нагрузка, создаваемая весом свинчиваемых насосно-компрессорных труб.

Традиционные методы сборки резьбовых соединений не всегда обеспечивают достаточную их надежность. В машиностроении одним из перспективных направлений интенсификации сборочных работ, повышения их качества является сборка резьбовых соединений с применением акустических колебаний, которые при введении в зону контакта оказывают существенное влияние на процесс сборки и на формируемые параметры качества соединений.

Однако область рационального применения ультразвуковых волн на процесс формирования резьбового соединения раскрыта еще не достаточно, не выявлены оптимальные параметры, а выявленные закономерности носят частный характер, что требует дальнейшего изучения. Поэтому выявление механизма воздействия ультразвука на формирование связей в резьбовом соединении непосредственно в процессе свинчивания-развинчивания НКТ является актуальной задачей.



Цель работы

Повышение эффективности процесса свинчивания - развинчивания насосно-компрессорных труб путем снижения сил трения применением акустических колебаний.

Задачи исследования

  1. Определение величины и характера изменения момента в процессе свинчивания-развинчивания НКТ и влияние его на характеристики резьбового соединения (натяг, посадка и т.д.).
  2. Исследование динамических нагрузок, возникающих в резьбовом соединение НКТ, и их изменений вследствие акустического воздействия.
  3. Определение оптимальной частоты, амплитуды и угла ввода направленного акустического воздействия на зону контакта «муфта-ниппель» НКТ с целью снижения сил трения.
  4. Разработка устройства для введения ультразвуковых волн (УЗВ) в зону соприкосновения резьб для повышения эффективности процесса свинчивания-развинчивания и качества резьбового соединения.

Методы решения задач

Поставленные задачи были решены с помощью: теории упругости, теории колебаний, теории рационального планирования эксперимента.

Научная новизна

  1. В результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований установлена возможность влияния ультразвуковых колебаний на механизм формирования контактных связей, снижающих работу сил трения до 88%. Определены оптимальные параметры акустического воздействия (амплитуда х0=19 мкм, частота f=42941 Гц, угол ввода =450) на процесс свинчивания-развинчивания насосно-компрессорных труб диаметром 60 мм.
  2. Разработаны и апробированы безразмерные критерии пересчета оптимальных параметров акустического воздействия с НКТ диаметром 60 мм на другие типоразмеры насосно-компрессорных труб.

Основные защищаемые положения

  1. Выявленные теоретическими и экспериментальными исследованиями основные особенности механизма формирования контактных связей резьбового соединения НКТ при направленном акустическом воздействии.
  2. Способ и устройство эффективного управления параметрами акустического воздействия.
  3. Оптимальные условия акустического воздействия и критерии переноса их на любые типоразмеры НКТ.

Практическая ценность работы

1 Методика оценки воздействия на зону контакта резьб «ниппель-муфта» с целью повышения качества соединения используется в учебном процессе при изучении студентами Альметьевского государственного нефтяного института дисциплин: «Эксплуатация, ремонт и монтаж оборудования для добычи нефти и газа», «Нефтегазопромысловое оборудование», «Эксплуатация и ремонт машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов» для специальностей: 130602.65«Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов», 130503.65 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений».

2 Разработанная технология повышения эффективности процесса свинчивания-развинчивания НКТ передана с целью дальнейшего внедрения в ООО «НКТ-Сервис» ОАО «Татнефть» (г. Альметьевск).

Апробация работы

  1. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно–технических конференциях, техсоветах: Международная научно-практическая конференция «Ашировские чтения» (Самара, 2006 г.), Научные сессии АГНИ по итогам 2004…2006 гг. (Альметьевск, 2005, 2006, 2007 гг.), Всероссийская научно-практическая конференция «Большая нефть XXI века» (Альметьевск, 2006 г.), 58-я научно-техническая конференция студентов. аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2007 г.), 27 Всероссийская научно-техническая конференция «Технологии нефтегазового дела» (Уфа-Октябрьский, 2007 г.), Технический совет ООО «НКТ-Сервис» (Альметьевск, 2008 г.)

Публикации

Основные положения диссертации изложены в 14 печатных работах, из них 2 - в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из 4 глав, основных выводов, библиографического списка из 150 наименований; изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 25 таблиц и 6 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

содержит обоснование актуальности темы диссертационной работы; поставлена цель и сформулированы основные задачи.

Первая глава

посвящена обзору литературных источников по отказам и неисправностям НКТ. Проведен анализ методов оценки технического состояния резьбовых соединений.

Большой вклад в развитие науки о свинчивании-развинчивании резьбовых соединений, в том числе с применением ультразвука, внесли ученые Б.С.Балакшин, Л.И.Волкевич, А.Г.Герасимов, А.М.Дальский, Д.Я.Ильинский, Н.И.Камышный, И.И.Капустин, М.С.Лебедовский, К.Я.Муценек, М.П.Новиков, А.Н.Рабинович, С.А Рекин, Б.Л.Штриков, В.А.Яхимович и др.

Необходимо отметить, что обеспечение требуемого эксплуатационного ресурса во многом определяется показателями качества сопрягаемых резьбовых пар. Эта взаимосвязь исследована в работах А.П.Бабичева, Ф.И.Демина, А.А.Ишмурзина, Б.А.Кравченко, Д.Д.Папшева, Ю.Г.Шнейдера, и др.

При этом в основе большинства работ лежат фундаментальные исследования по проблеме контактного взаимодействия поверхностей сопряжения Л.Б.Измайлова, А.М.Израйльского, Р.А.Котельникова, И.В.Крагельского, Н.М.Расулова, А.Е.Сарояна, А.В.Чичинадзе, М.Н.Шнейдерова, Н.Д.Щербюка, Ф.М.Ярошевского.

Вместе с тем, несмотря на известные достоинства ультразвуковой сборки, область ее рационального применения раскрыта еще не достаточно и требует дальнейшего углубленного изучения. В частности, практически не изучена возможность использования акустических колебаний при свинчивании-развинчивании НКТ.

Проведенный анализ способов интенсификации процесса свинчивания-развинчивания и повышения качества резьбового соединения показывает, что:

  • необходимо проведение исследований, посвященных механизму воздействия УЗВ,
  • необходима постановка оптимизационного эксперимента по выявлению оптимальных условий воздействия,
  • необходима разработка метода и устройства введения УЗВ в тело трубы,
  • необходима разработка метода оценки качества резьбового соединения и контроля за его достижением в процессе свинчивания

Во второй главе

представлены результаты теоретического рассмотрения процесса свинчивания с точки зрения напряжений, возникающих в теле резьбы (металла), и связи их с моментами свинчивания в рамках модели упругих деформаций.

Рассмотрим зависимость между «натягом», напряжением в резьбовом соединении и моментом в идеальной конической резьбе с углом и шагом h (Рисунок 1, а).

Dм и dт – диаметры муфты и ниппеля, соответственно, r0 –радиус резьбы в верхней части муфты; а – до затяжки или без «натяга», б – после затяжки

Рисунок 1 - Схематическая модель конического резьбового соединения

При повороте предварительно завинченной трубы на некоторый угол труба внедрится в муфту на ·расстояние Н («натяг»):

Н=·h/(2·), (1)

Тогда радиус (r*) линии сопряжения муфты и трубы в любом сечении х будет находиться в следующих пределах:

, (2)

где ось Х имеет начало на торцевом сечении муфты. Величина деформации определяется толщиной трубы и муфты :

, (3)

(4)

Связь между напряжением и растягивающей силой Fраст, действующей на кольцевое сечение шириной х (рисунок 2), равна:

. (5)

а б

Рисунок 2 - Схема нагрузок, действующих изнутри на муфту (а

), приводящих к возникновению растягивающей силы Fраст (б).

Используя формулу (5) в рамках упругих деформаций муфты и ниппеля, можно получить величины напряжений на поверхности их контакта, но так как эти напряжения одинаковы, то получаем уравнение для определения радиуса r*:

, (6)

где – толщины трубы (индекс «т») и муфты («м») соответственно. Отсюда

, где . (7)

Используя формулу (7), напряжение в сечении х можно выразить

. (8)

Интегрируя вдоль оси х, определяем работу, затраченную на деформацию муфты и трубы:

и . (9)





а б

в г

Рисунок 3 - Результаты расчетов напряжений (а

), работы (б), сил (в) и деформаций (г) в зависимости от натяга

При отсутствии сил трения работа по свинчиванию переходит в энергию деформации резьбового соединения и равна работе по деформации трубы и муфты:

. (10)

Так как работа совершается за счет пары сил с моментом m(), то величину момента, соответствующего "натягу" Н, можно найти как производную работы по углу:

. (11)

На рисунке 3 приведены результаты расчета радиальной деформации трубы (а), напряжения (б) в зависимости от "натяга", работы, затраченной на радиальную деформацию (в), и осевой силы (г) для НКТ условным диаметром 60 мм. Видно, что максимальное напряжение в радиальном направлении при "натяге " 6 мм достигает 116 МПа, напряжение вдоль соединения меняется незначительно (менее 20%); рост напряжения с увеличением "натяга " происходит линейно. В то же время, работа, затраченная на радиальную деформацию труб, составляет несколько десятков джоулей. Деформация в указанном диапазоне "натяга" является упругой, неравномерна, достигая максимальной величины у конца муфты. Осевая сила, необходимая для создания "натяга", также незначительна (без учета сил трения) и находится в диапазоне 0...20650 Н, а момент, необходимый для создания такого «натяга», находится в диапазоне 0…8,3 Н·м, что примерно в 100 меньше рекомендуемой на практике для свинчивания НКТ.

В третьей главе

приведено описание экспериментальной установки по свинчиванию-развинчиванию НКТ в различных условиях, аппаратуры для генерации ультразвуковых волн в теле труб и результаты предварительных оценочных экспериментов по выявлению характера воздействия УЗВ.

Для возбуждения колебаний необходимы регулярные управляемые источники колебаний – генераторы, причем длина волны возбуждаемых колебаний должна быть сопоставима либо с шагом резьбы h (порядка 1 мм), либо с диаметром трубы d (или длиной резьбы), то есть порядка 0.1…0.5 м. Используя известную формулу для определения скорости продольных механических волн v в изотропной среде и частоты f:

; , (12)

где Е и , соответственно, - модуль Юнга и плотность (для сталей ~ 2·1011 Па и 7600 кг х м3), - длина волны (~ d или ~ h), можно определить соответствующий диапазон частот: порядка 1…2 МГц для h и для d - 10…100 кГц (диапазон УЗВ)

Испытания по определению износа резьбовых соединений НКТ в процессе свинчивания и развинчивания и влиянию на этот процесс УЗВ проводились на экспериментальном стенде, который состоит из металлического основания, опор и оборудования для спуско-подъемных операций (СПО). Измерение усилий производилось при помощи тензометрического датчика Т-400А, аналоговый сигнал которого усиливается и преобразуется в цифровой код в аналого-цифровом преобразователе NVL15 и поступает в компьютер (400 измерений в секунду) (рисунок 4).

К испытанию были приготовлены гладкие насосно-компрессорные трубы (ГОСТ 633-80, группа прочности "Д") с конической резьбой треугольного профиля с углом 600 и шагом 2,54мм, - с новой резьбой, нарезанной в условиях трубного цеха ООО "НКТ-Сервис" (г. Альметьевск). Разработано специальное приспособление для закрепления и снятия генератора ультразвуковых колебаний на НКТ и введения УЗВ под углом 00 и 450 к оси трубы).

В качестве интегрального показателя режима свинчивания-развинчивания в целом измерялось изменение температуры муфты при помощи бесконтактного термометра - Infrared thermometer AZ Instrument–8861.

При этом априори предполагалось, что изменение температуры пропорционально работе силы трения на контакте двух резьб (ниппеля и муфты), которая рассчитывалась по экспериментальным данным:

, (13)

где М и , соответственно, - текущий (измеренный) момент силы свинчивания (развинчивания) и угол поворота.

Степень износа определялась по изменению углового смещения, для этого по длине окружности муфты наклеивалась полоса с градуировкой от 00до 3600.

Для дополнительного контроля износа измерялась величина условной “посадки“, то есть расстояние от торца муфты до риски на теле трубы. Кроме того, производилось измерение в режиме реального времени моментов затяжки Мз и развинчивания Мр.

Было проведено 244 серии испытаний свинчивания-развинчивания без ультразвука, 148 – с введением УЗВ перпендикулярно оси трубы и 114 – с введением УЗВ под углом 450 к оси трубы.

Из приведенных результатов видно, что без УЗВ процесс часто происходит «ударно» (Ср. рисунки 5, б и 6, б), так как момент страгивания оказывается слишком большой, и развинчивание начинается только после второго скачка момента на водиле.

На рисунке 7, а и 7, б для случая наложения УЗВ под углом 450 к оси трубы приведены графики зависимостей угла завинчивания и «посадки» от числа циклов нагружения: видна их полная корреляция, что свидетельствует о работе резьбы в области, далекой от ее разрушения и, соответственно, ее «прокрутки».

 Видно (рисунок 8, а), что происходит-25

 Видно (рисунок 8, а), что происходит-26

 Видно (рисунок 8, а), что происходит-27

 Видно (рисунок 8, а), что происходит-28

 Видно (рисунок 8, а), что происходит-29

Видно (рисунок 8, а), что происходит линейный рост температуры (величина достоверности больше 95%). При этом скорость роста температуры в случае наложения колебаний (~1.47) в два раза меньше, чем без наложения (~2,74).

Получено, что при наложении УЗВ работы при свинчивании и развинчивании практически совпадают по величине и существенно меньше, чем без УЗВ: при развинчивании на 10…15%, при свинчивании – 40…50% (рисунок 8, б). Это обстоятельство сказывается на скорости роста температуры зоны контакта резьб, что характеризует степень их износа (см. рисунок 8, а).

В четвертой главе

описана процедура обезразмеривания влияющих параметров и нахождение области их изменений, а также представлен выбор плана многофакторного эксперимента и результаты опытов в ходе оптимизационного эксперимента.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.