Расчет замковых соединений

Расчет бурильных труб на избыточное давление

Для запроектированных выше БТ проводится их расчет на прочность по избыточным внутренним и внешним давлениям.

Допустимые избыточное наружное Р_н и внутреннее давления натело трубы составляют

Р_н<Р_кр/n, Р_в<Р_т/n, (55)

где Р_кр - критическое наружное давление, кГс/мм² (табл. 11,12);

Р_т - предельное внутреннее давление, кГс/мм² (табл. 11,12);

Таблица 13.11

Предельно внутреннее Р_т и критическое наружное Р_кр давление для легкосплавных бурильных труб

Наружный диаметр, мм	Толщина стенки, мм	Предельное внутреннее давление, кГс/мм2	Критическое наружное давление, кГс/мм2
		5,07	4,08
		4,03 4,92	2,66 3,89
		3,54 4,32 5,11 6,29	1,98 3,07 4,14 5,64

Таблица 13.12

Предельное внутреннее Р_т и критическое наружное Р_кр давление для стальных бурильных труб

Наружный диаметр трубы, мм	Толщина стенки, мм	Предельное внутренне давление, кГс/мм2	Критическое наружное давление, кГс/мм2
Д	Е	Л	М	Д	Е	Л	М
114,3	8,6	5,10	6,94	8,80	9,72	4,33	5,70	6,94	7,50
10,9	6,46	8,79	11,15	12,32	5,91	7,92	9,86	10,80
127,0	9,2	4,91	6,68	8,47	9,36	4,11	5,38	6,52	7,03
12,7	6,77	9,22	11,69	12,92	6,26	8,42	10,51	11,52
139,7	9,2	4,46	6,07	7,70	8,51	3,56	4,62	5,50	5,88
10,5	5,09	6,93	8,79	9,71	4,33	5,70	6,93	7,49

n -нормативный запас, прочности для наружного и внутреннего избыточного давлений принимается равным 1,15.

Допускаемые давления сравниваются с действующими - определенными при гидравлическом расчете, после чего делается вывод о возможности применения данных бурильных труб.

В процессе проектировочного расчета КБТ проводится расчет замковых соединений с целью проверки допустимости нагрузок, действующих на бурильную колонну, для замковых соединений. Иными словами, действующая осевая нагрузка должна быть меньше допускаемой на замковое соединение (Q_P<P_max).

Допустимая осевая нагрузка на замковое соединение может быть определена по таблице 13:

Таблица 13

Рекомендуемые методы затяжки М_ЭТ и допустимые

осевые растягивающие нагрузки Р_max на бурильные замки

Тип замка	Наружный диаметр замка, мм	Момент затяжки, кГс·м	Максимальная допускаемая растягивающая нагрузка, Тс
μ=0,10	μ=0,13	μ=0,10	μ=0,13
Коэффициент запаса n=1,4
ЗШ-146	146,0			187,4	189,5
ЗУК-146	146,0			203,5	205,5
ЗШ-178 ЗШК-178	178,0			282,9	285,8
ЗУ-155 ЗУК-155	155,0			206,7	208,9
ЗУ-185	185,0			276,6	279,6
ЗЛ-140	140,0			188,4	190,8
ЗЛ-152	152,0			205,9	208,4
ЗЛ-172	172,0			205,9	208,8
ЗП-159-83 ЗП-159-76	158,8			222,3 266,0	224,5 268,5
ЗП-162-95 ЗП-162-89	161,9			229,4 279,2	231,8 282,0
ЗП-178-102 ЗП-178-95	177,8			319,3 372,2	322,5 375,8
Коэффициент запаса n=1,5
ЗШ-146	146,0			172,2	174,1
ЗУК-146	146,0			187,3	189,1
ЗШ-178 ЗШК-178	178,0			260,0	262,5
ЗУ-155 ЗУК-155	155,0			190,1	192,1
ЗУ-185	185,0			254,6	257,4
ЗЛ-140	140,0			173,9	176,1
ЗЛ-152	152,0			190,1	192,4
ЗЛ-172	172,0			188,7	191,3
ЗП-159-83 ЗП-159-76	158,8			204,0 244,7	206,0 247,0
ЗП-162-95 ЗП-162-89	161,9			210,6 257,0	212,9 259,7
ЗП-178-102 ЗП-178-95	177,8			293,8 343,2	296,8 346,6

Возможно также значение допустимой нагрузки определять по формуле (56):

, (56)

где Q_Т1 - осевое усилие, вызывающее в опасном сечении ниппеля на расстояния 24 мм от упорного устья напряжения, равные пределу текучести материала (при этом учитывают как осевые, так и окружные напряжения), Тс (табл. 14);

n₁ - коэффициент запаса прочности ниппеля;

n - коэффициент запаса герметичности соединения;

R - минимальное значение усилия сжатия торца муфты и упорного уступа ниппеля, обеспечивающего герметичность соединения, Тс (табл. 14).

Таблица 13.14

Прочностные характеристики бурильных замков

Тип замка	Наружный диаметр Dз, мм	Внутренний диаметр dз, мм	Относительная жесткость ниппеля α1	Относительная жесткость муфты α2	Усилие сжатия торцов R, Тс	Предельное усилие на торце муфты Qт2, Тс	Предельное усилие на ниппеле Qт1, Тс
μ'=0,10	μ'=0,13
ЗШ-146	146,0	80,0	0,506	0,494	14,40	352,8	290,6	293,5
ЗУК-146	146,0	82,0	0,525	0,475	13,70	345,5	311,8	314,5
ЗШ-178 ЗШК-178	178,0	101,0	0,502	0,498	21,67	541,0	438,5	442,5
ЗУ-155 ЗУК-155	155,0	95,0	0,535	0,465	14,45	343,2	317,7	320,7
ЗУ-185	185,0	120,0	0,549	0,451	18,11	435,6	422,7	426,9
ЗЛ-140	140,0	80,0	0,583	0,417	9,84	247,4	283,0	286,3
ЗЛ-152	152,0	95,0	0,586	0,414	10,93	273,0	309,7	313,2
ЗЛ-172	172,0	110,0	0,513	0,487	18,22	408,4	324,0	328,0
ЗП-159-83	158,8	82,6	0,404	0,596	18,44	647,0	347,4	350,5
ЗП-159-76	158,8	76,2	0,438	0,562	18,44	647,0	408,5	412,0
ЗП-162-95	161,9	95,3	0,459	0,541	18,13	535,0	356,7	360,1
ЗП-162-89	161,9	88,9	0,499	0,503	18,13	535,0	426,4	430,4
ЗП-178-102	177,8	101,6	0,501	0,499	21,78	608,4	489,8	494,2
ЗП-178-95	177,8	95,3	0,531	0,469	21,78	608,4	563,8	568,9

При проектировочных расчетах коэффициенты n₁ и n можно принять равными нормативному запасу прочности n для бурильных труб (табл. 9), т.е.

n₁ = n= n, (57)

Момент затяжки замкового соединения, обеспечивающим наибольшую допустимую нагрузку Р_mах определяется по формуле (56) или из табл. 13.

М_эт = (А₁ + А₂) Q_зт , (58)

где А₁ и А₂ - параметры резьбы, торца муфты, находящегося в контакте с упорным уступом ниппеля, и замкового соединения к целом, зависящая от геометрических размеров и коэффициентов трении в резьбе (табл. 15).

Таблица 13.15

Геометрические характеристики бурильных замков

Тип замка	Расчетные геометрические параметры, мм
А1	А2	λ
μ'=0,10	μ'=0,13	μ'=0,10	μ'=0,13	μ'=0,10	μ'=0,13
ЗШ-146	6,44	8,14	5,74	7,47	0,42	0,42
ЗУК-146	6,80	8,53	5,76	7,49	0,87	0,97
ЗШ-178 ЗШК-178	8,02	10,12	6,96	9,05	0,56	0,58
ЗУ-155 ЗУК-155	7,32	9,22	6,20	8,06	1,03	0,17
ЗУ-185	8,72	11,03	7,47	9,71	1,43	1,69
ЗЛ-140	6,44	8,14	5,65	7,35	1,40	1,68
ЗЛ-152	7,32	9,28	6,17	8,02	1,73	2,08
ЗП-159-83	6,80	8,53	5,87	7,63	-0,75	-1,09
ЗП-159-76	6,80	8,53	5,87	7,63	-0,32	-0,54
ЗП-162-95	7,32	9,22	6,28	8,16	-0,04	-0,19
ЗП-162-89	7,32	9,22	6,28	8,16	0,48	0,47
ЗП-178-102	8,02	10,13	6,96	9,05	0,54	0,55
ЗП-178-95	8,02	10,13	6,96	9,05	1,00	1,14

Q_ЗТ - усилие затяжки, Тс.

Коэффициент трения в резьбе для отечественных замковых соединений по данным ВНИИБТ составляют μ´= 0,10 (смазка с металлическими наполнителями) и μ´= 0,13 (графитовая смазка).

Усилие затяжки определяется по формуле

, (59)

где α₁, α₂ - относительные жесткости на растяжение-сжатие ниппеля и муфты или коэффициенты распределения внешней нагрузки (табл. 14).

После определения допустимой нагрузки Р_mах (и если при атом выполняется условие Р_mах ≥ Q_р) определяется допустимый крутящий момент, обеспечивающий прочность ниппеля (М¹_к) и прочность муфты (M²_к) по формуле (60):

, (60)

, (61)

, (62)

где Q_Т2 - предельное, соответствующее пределу текучести, значение усилия сжатия торцевой части муфты, Тс (табл. 14);

n₂ - коэффициент запаса прочности муфты, n₂ = n (табл. 9).

В дальнейшем учитывается меньшее значениеиз М¹_к и М²_к.

Если крутящий момент М_к. и осе вое усилие Q_р таковы, что:

М_к < М_зт + λ Q_Р, (63)

то влияние М_к на прочность и несущую способность замкового соединения можно не учитывать. Соединение рассчитывается только на осевую нагрузку, при этом Q_р ≤ Р_mах.

Если при нагружении замкового соединения моментом М_к и усилием Q_р окажется, что

М_к > М_зт + λ Q_Р, (64)

то произойдет «довинчивание» соединения до уровня:

М ^' _зт = М_к - λ Q_Р, (65)

При М ^'_зт > М _зт допустимая нагрузка Р'_max будет меньше Р'_max и находится по формуле

, (66)

Необходимо, чтобы при этом соблюдалось условие Р'_max ≤ Q_р.

Если Q_р > Р_max или Q_р > Р'_max, или крутящий момент, приложенный к колонне бурильных труб дольше допускаемого для замкового соединения, то следует:

1) сформировать рассчитываемую секцию КВТ из тех же труб, но более прочными замками;

2) уменьшить длину секции КБТ;

3) заменить рассматриваемые трубы бурильные трубы другого типоразмера с более прочными замковыми соединениями.