РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КОНТАКТНЫХ ДАВЛЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ДЕТАЛЕЙ КЛИНОВОГО ЗАХВАТА

CONTACT PRESSURE DISTRIBUTION ON THE SURFACE OF WEDGE CLAMP PARTS

Emin Musa Efendiyev

candidate of Technical Sciences, Azerbaijan State University of Economics,

Azerbaijan, Baku

АННОТАЦИЯ

Цель этих исследований – выявление характера распределения контактных давлений на поверхностях деталей клинозажимного узла и его влияния на действующие на трубу нагрузки. В исследовании распределения контактных давлений применен способ отпечатков, основанный на изменении просвечиваемости бумаги после ее сдавливания.

ABSTRACT

The aim of research is to identify the nature of contact pressure distribution on surfaces of wedge clamp parts and its impact on the acting load of the tube. In the study of contact pressure distribution, the method of prints is applied based on changing the paper translucency after compression.

Ключевые слова: бурильная труба, контактное давление, клиновой захват, бумажный датчик

Keywords: drilling pipe; contact pressure; wedge clamp; paper detector element.

Срок службы бурильных труб и допустимая масса бурильной колонны зависит от конструкции зажимного узла клинового захвата. Это обусловлено величиной и характером распределения нагрузок, которые создаются зажимным узлом.

В расчете допустимой массы бурильной колонны исходят из усло­вия действия на трубу нагрузки, равномерно распределенной в продоль­ном и поперечном сечениях. Однако сопоставление расчетных и максималь­ных масс бурильных колонн, удерживаемых клиновым захватом ПКР-560 [1], показало, что расчетные значения выше на 25–30 %, чем максимально допустимые. Это можно объяснить тем, что в реальных условиях зажима трубы в клиновом захвате в ней возникают дополнительные напряжения. При учете таких величин, как угол охвата, фактическая площадь контакта, значения допустимых нагрузок снизятся на 10–12 %.

В зоне зажима клиновым захватом происходят повреждения поверхности бурильной трубы в процессе эксплуатации и иска­жение ее формы в продольном и поперечном сечениях. Это приводит к возникновению дополнительных напряжений в трубе. Кроме того, при проведении на буровой спус­коподъемных операций, в трубе, зажатой клиновым захватом, возникают напряжения от продольных ко­лебаний колонны труб, которые также должны учитываться при определении допустимой массы колонны труб.

С целью выяснения реальных условий нагружения трубы и путей повышения удерживающей способности клинового захвата проведены экспериментальные исследования.

В задачу этих исследований входило выявление характера распределения контактных давлений на поверхностях деталей клинозажимного узла и его влияния на действующие на трубу нагрузки. В исследованиях распределения контактных давлений получил распространение способ отпечатков, основанный на изменении просвечиваемости бумаги после ее сдавливания. В данном эксперименте использовалась писчая бумага фабрики «Гознак», выдерживающая давления в диапазоне 0–500 МПа и имеющая оптическую неравномерность не более 1,5 мкА [2].

При определении контактных давлений с помощью бумажных листов между поверхностями создаются новые условия трения. Однако силы трения оказывают наибольшее влияние на горизонтальные и касательные напряжения, а их влияние на распределение контактных давлений неве­лико. Поэтому при выявлении распределения контактных давлений изме­нением трения на поверхностях можно пренебречь [3].

Экспериментальные исследования проводились на специальном стенде, снабженном гидравлическими домкратами, имитирующем работу клинового захвата и способном создавать осевую нагрузку на трубу до 45 кН. В качестве зажимаемого образца использовали патрубок бурильной трубы диаметром 141 мм с толщиной стенки 10 мм из стали группы проч­ности Е.

Объектом исследований служили клинья и вкладыши с уклоном опорной плоскости 1:6 (9°27'45"), а также плашки ПКР-560 с прямой перекрещивающейся на­сечкой и несимметричным профилем зуба (γ₁ = 0–3°, γ₂ = 50–53°).

Листы бумаги соответствующих размеров помещали под опорную плоскость клина между клином и вкладышем, между плашками и клином, а также между торцами плашек (рис. 1). В каждом случае лист бумаги, служащий датчиком контактных давлений, помещался между двумя защит­ными слоями бумаги той же марки для предохранения от загрязнений. Тарировку бумажных датчиков производили на прессе Гагарина.

Рисунок 1. Расположение трубы в клиновом захвате

Поверхности клинозажимного узла, контактирующие с бумажными датчиками, очищались от смазки. В связи с тем, что отсутствие смазки на опор­ных поверхностях клиньев могло привести к схватыванию клиньев, бумажные датчики вставляли поочередно под каждый клин, в то время как опорные плоскости остальных трех клиньев покрывали гра­фитной смазкой.

В каждом эксперименте осевое растягивающее усилие доводили до 10 кН. По дости­жении заданной нагрузки ус­тановку разгружали, снимали бумажные датчики и специаль­ным прибором производи­ли измерения контактных давлений по всей поверхности (рис. 2, 3) непосредственно после нагружения, так как бумажные датчики склонны к релаксации напряжений.

Рисунок 2. Схема распределения контактных давлений на плашках

Установлено, что на опорных поверхностях клинь­ев давления распределяются неравномерно. Контактные давления величиной до 300 МПа возникают в нижних частях опорной плоскости и одной из боковых сторон, а также в нижних углах поверх­ностей спинок нижней плаш­ки. Максимальные давления возникают на торцах нижней плашки, воспринимающей всю осевую нагрузку. Торцы средней и верхней плашек практически не нагружены.

Рисунок 3. Контактные давления на опорных поверхностях клинь­ев

Неравномерность распределения давлений объясняется влиянием конструктивных особенностей клинозажимного узла с уклоном 1:6, а также такими технологическими факторами, как точность изготовления и монтажа, макрогеометрия контактных поверхностей. Вследствие не­равномерности распределения давлений существенно повышаются кон­тактные и объемные деформации бурильной трубы, что ведет к ее преж­девременному выходу из строя. Избежать этого можно, используя само­устанавливающиеся клинья и плашки.

Список литературы:

1. Лопатухин И.М., Эфендиев Э.М. Влияние смещения оси бурильной трубы на ее напря­женное состояние при зажиме в клиновом захвате. – Машины и нефтяное оборудование, – 1980, № 12.
2. Лопатухин И.М., Эфендиев Э.М. Экспериментальное исследование распределения контактных давлений на поверхностях деталей клинозажимного узла захвата типа ПКР. – «Повышение работоспособности бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб» – Сб. научных трудов. Гипровостокнефть: Куйбышев, 1982.
3. Розанов Б.В., Линц В.П., Щеголева В.П, Свойства бумаги, используемой в качестве датчика при измерении контактных давлений. – Вестник машиностроения, 1978, № 12.