АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА РЕЗЬБОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ БУРОВЫХ ШТАНГ

ANALYSIS OF THE INCREASING QUALITY OF DRILLING RODS THREADED SURFACES PROBLEM

Radmila Shcheglova

master’s student, Department of Mechanic Engineering, Saint-Petersburg Mining University,

Russia, Saint-Petersburg

Vyacheslav Maksarov

scientific advisor, Doctor of Technical Sciences, Professor, Dean, Head of Department, Saint-Petersburg Mining University,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

В статье выявлены основные причины разрушения резьбы нефтепромыслового и бурового оборудования, рассмотрены современные технологические мероприятия по улучшению состояния сопрягаемых резьбовых поверхностей, а также возможности технологии магнитно-абразивной обработки в вопросе повышения качества резьбовых поверхностей буровых штанг для вращательно-ударного способа бурения.

ABSTRACT

The article identifies the main reasons for the thread destruction, discusses modern technologies for improving the state of mating threaded surfaces and the possibilities of magnetic abrasive finishing in improving the quality of the drilling rods threaded surfaces for rotary-percussive drilling.

Ключевые слова: магнитно-абразивная обработка; финишные операции; резьбовое соединение; усталостное разрушение; вращательно-ударный способ бурения; оборудование с ЧПУ.

Keywords: magnetic abrasive finishing; finishing operations; threaded connection; wear resistance; rotary-percussive drilling; CNC equipment.

В Российской Федерации наблюдается постоянный рост объемов бурения глубоких скважин, причем их глубина достигает 3000 – 5000 м. Для осуществления процесса бурения применяются специальные буровые, обсадные и насосно-компрессорные трубы, соединенные в многокилометровые колонны весом более 100 тонн с помощью резьбовых соединений со сложной конической геометрией резьбы [4]. При бурении скважин в породах для интенсификации вращательного бурения используют вращательно-ударный способ, который представляет собой комбинацию двух основных механических способов – ударного и вращательного. Особенностью вращательно-ударного способа бурения является то, что породоразрушающий инструмент внедряется в породу под действием осевой нагрузки, крутящего момента, а также ударов, наносимых с помощью специальных механизмов с определенной частотой [8].

Наиболее нагруженными элементами в процессе функционирования оборудования для вращательно-ударного способа бурения оказываются резьбовые соединения. Анализ характера разрушений бурильных труб в эксплуатации установил, что 60 % отказов связаны с недостаточной прочностью и циклической долговечностью ее соединительных элементов. Разрушение резьб носит преимущественно усталостные характер, в основном в зоне впадины резьбы. Все это сопровождается простоем оборудования и финансовыми затратами на внеплановый ремонт.

Для повышения эксплуатационных свойств резьбовых соединений могут быть применены конструктивные или технологические мероприятия. Конструктивные изменения в резьбовых соединениях зачастую приводят к усложнению конструкции, повышению себестоимости, размеров и массы соединения [7]. Вследствие этого необходимо особое внимание уделить технологическим мероприятиям, позволяющим улучшить состояние сопрягаемых резьбовых поверхностей и, как следствие, повысить эксплуатационные свойства резьбовых соединений, в частности усталостную прочность и износостойкость.

Из теории и практики машиностроения известно [6], что эксплуатационные свойства изделий, такие как усталостная прочность, износостойкость и т.д., зависят от качества поверхностей (шероховатость, микротвердость и т.д.), формируемого на этапе изготовления изделий. Для обеспечения окончательного качества поверхностей изделий существует несколько методов упрочнения резьбовых соединений, а именно, метод плазменного упрочнения, химико-термического упрочнения, ультразвуковой прокатки, поверхностного пластического деформирования обкатыванием профильным роликом и т.д [3]. Однако при обработке поверхностей большинству из методов присущ ряд существенных недостатков, которые ограничивают возможность их применения. Именно поэтому необходимо прибегать к поиску новых более эффективных методов финишной обработки. Одним из наиболее эффективных способов повышения усталостной прочности резьб является магнитно-абразивная обработка, с помощью которой магнитно-абразивный порошок под действием магнитного поля приобретает вид «эластичной щетки» и за счет различного сочетания движений полюсных наконечников, заготовки или полюсных наконечников и заготовки производит окончательное формирование качественных характеристик поверхностей изделия.

В исследованиях научных коллективов по магнитно-абразивной обработке [1, 2, 5] установлено, что за достаточно непродолжительное время (60 - 210 сек) снижается шероховатость с Ra = 0,4…0,44 до Ra = 0,03…0,035 мкм, уменьшается волнистость в 8…10 раз (с 2…3 до 0,2…0,3 мкм) и гранность в 1,25…2 раза (с 2…3 до 0,8…2,0 мкм), повышается (по сравнению с обработкой кругом, бруском, лентой) контактная прочность и износоустойчивость деталей в 2…3 раза, а также увеличивается относительная опорная длина профиля поверхности до 75…85% [5].

Вследствие вышеизложенного, на кафедре машиностроения Санкт-Петербургского горного университета было принято решение на окончательной стадии изготовления резьбовых соединений буровых штанг произвести магнитно-абразивную обработку наружных и внутренних резьбовых поверхностей с целью снижения шероховатости и увеличения площади контакта витков резьбового соединения, удаления дефектного слоя, образованного на предшествовавшей операции, и формирования нового – упрочненного, и, как следствие, повышения усталостной прочности и износостойкости резьбового соединения.

Рисунок 1. Схемы магнитно-абразивной обработки наружных и внутренних резьбовых поверхностей

Магнитно-абразивная обработка наружных и внутренних резьбовых поверхностей должна осуществляться по двум схемам (Рис.1). Наружные резьбовые поверхности обрабатываются с одновременными вращательным, возвратно-поступательным и осцилляционным движениями образцов в магнитно-абразивной массе в межполюсном пространстве магнитно-абразивной установки. Внутренние резьбовые поверхности обрабатываются с одновременными вращательным, и осцилляционным движениями образцов в магнитно-абразивной массе в межполюсном пространстве магнитно-абразивной установки. Возвратно-поступательное движение во второй схеме исключается по причине отсутствия возможности попадания магнитно-абразивного материала во внутреннюю зону образца.

В настоящее время проведено планирование экспериментальных исследований магнитно-абразивной обработки наружных и внутренних резьбовых поверхностей, разработана цифровая модель, позволяющая определить величину магнитного поля и его распределение в межполюсном пространстве. Для эксперимента подготовлены образцы из конструкционной легированной стали 40Х с наружной и внутренней резьбовыми поверхностями. Для формирования магнитно-абразивной щетки в рабочем пространстве электромагнитной системы будет использоваться магнитно-абразивный материал на основе карбида титана и железа (TiC+Fe). Технологические параметры процесса магнитно-абразивной обработки будут варьироваться в следующих диапазонах: зернистость порошка Δ = 160…315 мкм; магнитная индукция B = 0,6…1,0 Тл; время обработки t = 60…210 с. Контролируемыми параметрами будут являться шероховатость Ra и микротвердость Hv резьбовых поверхностей, а также количество снимаемого материала.

Список литературы:

1. Maksarov V V, Keksin A I. Technology of magnetic-abrasive finishing of geometrically-complex products // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science Vol. 327, 2018, 042068.
2. Maksarov V V, Keksin A I. Forming conditions of complex-geometry profiles in corrosion-resistant materials // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science Vol. 194, 062016.
3. Песин М.В. Использование инновационных технологий упрочнения резьбы для повышения конкурентоспособности продукции // Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации. – 2018. – № 1. – С. 351–354.
4. Песин М.В. Исследование остаточных напряжений при упрочнении резьбы бурильных труб // Экспозиция Нефть Газ. – 2018. – № 4 (64). – С. 67–69.
5. Сакулевич Ф.Ю. Основы магнитно-абразивной обработки. /Сакулевич, Ф.Ю.// Мн.: Наука и техника. 1981. 328 с.
6. Суслов, А.Г. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений // В.П. Федоров, О.А. Горленко и др. / Под общей ред. А.Г. Суслова – М.: Машиностроение. 2006. 448 с.
7. Трощенков С.А. Повышение износостойкости резьбовых соединений буровых труб: дис. … 15.03.02 / Трощенков, С.А// Красноярск. 2016. 82 с.
8. Щадрина А.В., Саруев Л.А. Исследование возможностей вращательно-ударного способа бурения для разведочных скважин малого диаметра из подземных горных выработок //Изв.вузов.Геология и разведка. 2011. №5. С. 62-65.