Введение к работе
Актуальность темы исследования. Традиционными областями применения алюминия считаются авиация, автомобилестроение, пищевая промышленность. Между тем из сплавов на основе «крылатого металла» уже несколько десятилетий изготавливаются трубы для добычи нефти и газа. Освоение арктических месторождений углеводородов поставило новые задачи перед отечественной промышленностью. При этом первостепенное значение приобретает проблема обеспечения работоспособности бурильных колонн, так как их стоимость при больших глубинах бурения сопоставима со стоимостью всей буровой установки. Наиболее слабыми элементами конструкции, снижающими эксплуатационные характеристики буровых колонн, являются резьбовые соединения. По данным «ВНИИТНефть» около 60% аварий с бурильными трубами происходит по резьбе и, в основном, они связаны с усталостными повреждениями. В связи с этим к материалам бурильных труб и способам увеличения эксплуатационных характеристик стали предъявляться повышенные требования.
Для производства бурильных труб используются несколько высокопрочных алюминиевых сплавов: стандартные промышленные сплавы Діб, АК4-1, АК8 и специально разработанный для этой цели сплав 1953Т1, обладающий повышенной коррозионной стойкостью и применяемый в тех случаях, когда в пластовых флюидах присутствует значительное количество сероводорода и углекислого газа.
Конструкции буровых колонн, выполненные из высокопрочных алюминиевых сплавов, - это не замена традиционным стальным изделиям, это ключ к решению сложнейших задач в бурении глубоких, сверхглубоких и горизонтально направленных скважин, особенно при выполнении подобного вида работ на шельфе.
В современных конструкциях бурового оборудования детали, имеющие резьбу, составляют свыше 80%) от общего количества деталей. Широкое применение резьбовых соединений в изделиях бурового оборудования объясняется их достоинствами: универсальностью, высокой надёжностью, способностью создавать и воспринимать большие осевые нагрузки, технологичностью и возможностью точного изготовления.
Одним из основных недостатков резьбового соединения, снижающего эксплуатационные характеристики, является значительная концентрация напряжений в местах резкого изменения поперечного сечения - во впадинах резьбы.
Актуальность настоящей работы обусловлена практической необходимостью повышения надёжности оборудования, снижением массы за счёт использования алюминиевых высокопрочных сплавов, повышением эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций при бурении в агрессивных средах и в условиях низких температур.
Степень разработанности темы. Работы последних лет в области механики остаточных напряжений позволили выяснить влияние различных технологических факторов на уровень остаточных напряжений. Предпринимались попытки оценить влияние остаточных напряжений на предел выносливости упрочнённых образцов и деталей с концентраторами. Но известные из литературных источников данные об оценке влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости резьбовых деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов ограничены, разобщены, имеют большой разброс, а порой и противоречивы. В нашей стране комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию и освоению серийного производства труб нефтяного сортамента из лёгких алюминиевых сплавов осуществлялся с конца 1950-х годов. После распада СССР и падения объёмов бурения спрос на легкосплавные бурильные трубы значительно снизился. И только в последнее десятилетие, благодаря своему ос-
новному преимуществу - весу, возрос интерес со стороны международных компаний, занимающихся морским бурением. Необходимо подчеркнуть, что впервые в мире в 1998 году, на самарских предприятиях «СМЗ» и «ЦСКБ-ПРОГРЕСС» был изготовлен алюминиевый буровой глубоководный райзер, а с 2001 года по 2008 год было изготовлено свыше 400 секций райзеров. Эксгшуатационные характеристики глубоководного райзера имели ряд ограничений (глубина до 1500 метров, усилие натяжения 6000 кН). Для создания сверхглубоководного (глубина более 3000 метров, усилие натяжения 9000 кН) райзера необходимо подобрать материал и изменить конструкцию соединения секций между собой. В связи с этим, в настоящее время наблюдается повышенный интерес к исследованиям в области создания резьбовой конструкции сверхглубоководного райзера, изготовленного из высокопрочных алюминиевых сплавов.
Поэтому пути повышения эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов, являются насущной задачей теории и практики производства высокотехнологичного бурового оборудования.
Цель и задачи. Цель работы - обеспечение повышения эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов, на основе исследования остаточных напряжений в образцах и деталях с концентраторами напряжений, а также подбора защитных износостойких покрытий на резьбовых конструкциях. Задачи исследования:
проведение теоретического и экспериментального исследований характера распределения остаточных напряжений по толщине упрочненного слоя трубной заготовки в зависимости от режимов обработки опережающим поверхностным пластическим деформированием;
разработка расчётно-экспериментального метода определения остаточных напряжений в резьбовых деталях, изготовленных после опережающего поверхностного пластического деформирования, с целью прогнозирования предела выносливости резьбовых конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов;
проведение исследований с целью выявления особенностей работы резьбовых деталей из материала 1953Т1;
проведение исследования влияния формы трубной заготовки на распределение остаточных напряжений после ОППД в трубных резьбовых конструкциях;
разработка методики и проведение в реальных полевых условиях сравнительных испытаний на износостойкость резьбовых конструкций, изготовленных из алюминиевого сплава, с различными защитными покрытиями резьбы при свинчивании-развинчивании.
Объект исследования. Цилиндрические полые образцы, характерные для нефтегазовой отрасли с резьбой, изготовленной после упрочнения гладкой поверхности роликами на различных режимах.
Предмет исследования. Расчётно-экспериментальные методы повышения эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов.
Научная новизна:
обосновано использование метода опережающего поверхностного пластического деформирования при изготовлении резьбовых трубных деталей из алюминиевых сплавов как способа повышения эксплуатационных характеристик;
получены новые данные о величине и распределении остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя трубной заготовки из алюминиевого сплава 1953Т1
после различных режимов опережающего поверхностного пластического деформирования;
обоснована методика прогнозирования предела выносливости резьбовых конструкций из алюминиевых сплавов в совокупности с математической моделью расчета остаточных напряжений в резьбе и предложен новый способ контроля условий безопасной работы материала 1953Т1;
разработан метод испытаний на износостойкость резьбовых деталей с покрытиями, позволяющий оценить в реальных полевых условиях эксплуатационные характеристики резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что:
доказана правомерность использования метода опережающего поверхностного пластического деформирования при изготовлении резьбовых трубных деталей из алюминиевых сплавов как способа повышения эксплуатационных характеристик;
результативно использован комплекс существующих приемов и методов повышения сопротивления усталости резьбовых деталей для прогнозирования приращения предела выносливости по величине и характеру распределения остаточных напряжений в поверхностном слое;
обоснованы и доказаны новые возможности повышения эксплуатационных характеристик алюминиевых трубных резьбовых конструкций, за счет применения износостойких защитных покрытий, до уровня показателей стальных резьбовых конструкций.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
разработанная методика прогнозирования предела вьшосливости позволяет сократить длительные и дорогостоящие испытания на усталость трубных резьбовых конструкций;
обоснован основанный на использовании опережающего поверхностного пластического деформирования, способ упрочнения трубных заготовок, который позволяет достигнуть существенного упрочнения впадин резьбы, упрочнение которых другими способами затруднительно и дорогостояще;
по результатам исследования, в зависимости от толщины стенки заготовки и среднего радиуса трубной детали впервые установлена оптимальная длина зоны упрочнения, которая исключает влияние краевого эффекта на распределение остаточных напряжений во впадинах резьбовой детали.
предложен новый способ контроля трубных заготовок из высокопрочного сплава 1953Т1 в состоянии поставки с использованием условного критерия безопасной работы резьбовых деталей;
разработанная на основании проведённых исследований методика прогнозирования предела вьшосливости с учётом остаточных напряжений, наведённых опережающим поверхностным пластическим деформированием, внедрена в ЗАО «Акватик БТ» (г. Москва) и используется для расчётов в «Руководстве по оценке эксплуатационного остаточного ресурса долговечности комплекта легкосплавных бурильных труб повышенной надёжности».
Методы исследования. Работа выполнена на основе классических методов теории упругости, теории пластичности и ползучести, механики деформируемого твёрдого тела. В работе весь необходимый комплекс расчётов методом конечно-элементного моделирования определения приращения предела вьшосливости и выбора оптимального режима упрочнения был выполнен с использованием расчётного ком-
плекса NASTRAN/PATRAN. Анализ и обработка результатов экспериментов выполнялись классическими статистическими методами с использованием компьютерной техники.
Положения, выносимые на защиту:
положение о целесообразности определения остаточных напряжений и новые данные о их величине и распределении в поверхностном слое трубных заготовок из алюминиевого сплава 1953Т1 после упрочнения опережающим поверхностным пластическим деформированием на различных режимах;
математическая модель расчёта остаточных напряжений в резьбе, выполненной после опережающего поверхностного пластического деформирования;
методика прогнозирования предела выносливости резьбовых конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов в совокупности с новым способом контроля условий безопасной работы материала 1953Т1;
результаты испытаний износостойкости защитных покрытий в резьбовых трубных конструкциях, полученных впервые в условиях полевых натурных испытаний.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, использованием научно обоснованных расчётных схем, применением апробированных аналитических и численных методов анализа и расчёта, проведением расчётов на современной вычислительной технике, корректным заданием исходных данных, а также сопоставлением теоретических расчётов с экспериментальными результатами других исследователей, опубликованными в научных изданиях и полученными лично автором.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: 5-м Международном форуме молодых учёных (Самара, 2010 г.), Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2011 г.), XVII Международной научно-практической конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Современная техника и технологии» (Томск, 2011 г.), Международной научно-технической конференция «Прочность материалов и элементов конструкций» (Киев, 2010 г., 2011 г.), Международной научно-технической конференции AVIA-2011, Киев, 2011 г.), V Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2011 г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 3 статьи - в изданиях, определённых ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов, списка используемой литературы из 173 наименований. Содержит 121 страницы текста, включая 45 рисунков, 9 таблиц.
