Экспериментальные исследования элементов конструкции клиновых зажимных устройств

От конструкции зажимного узла клинового захвата напрямую зависит допустимая масса бурильной колонны и срок службы бурильных труб. Это обусловлено величиной и характером распределения нагрузок, создаваемых клинозажимным механизмом.

С целью определения оптимальных параметров конструкций клиновых захватов для бурильных труб и проверки результатов теоретических исследований были проведены экспериментальные исследования влияния некоторых параметров на удерживающую способность, а также напряженное состояние и деформации бурильной трубы в зоне зажима. К этим параметрам относятся вид насечки зажимных губок, углы уклона клина, углы охвата трубы зажимными губками и др.

Был спроектирован и собран экспериментальный стенд, в котором нагружение осуществляется гидравлическими домкратами. Для механизации спуска и подъема клиньев и создания предварительной нагрузки зажима было спроектировано и изготовлено специальное устройство. На стенде можно имитировать вес бурильной колонны до 450 т.

В качестве испытуемых образцов были использованы патрубки от бурильной трубы диаметром 140х11 марки Е ГОСТ 631-63. Для наклейки тензометрических датчиков внутренняя поверхность патрубков была обработана на длине 700мм.

Схема размещения тензодатчиков в патрубке была выбрана, исходя из практики работы зажимных устройств и теоретических исследований по деформации тонкостенных цилиндрических деталей. По специально разработанной технологии было наклеено 120 фольговых тензодатчиков типа ФПКА-10 на внутренней поверхности патрубка Ø120 мм на длине 700 мм.

Для определения величин продольной и поперечной деформаций в каждой точке было наклеено по 2 датчика – вдоль и поперек оси патрубка.

Для измерения действительного вытягивающего усилия, действующего на зажимаемую деталь, разработан и изготовлен динамометр, устанавливаемый между муфтой и упором стенда.

После нескольких пробных нагружений датчиков давали нагрузку, соответствующую программе экспериментов, фиксировали ее и снимали показания прибора АИД-2М через 104-канальный коммутатор.

Были проведены эксперименты для исследования влияния на деформацию и напряженное состояние бурильной трубы зажимных губок различных конструкций, а также клиньев с различными углами уклона.

Напряжения, действующие вдоль оси (напряжения растяжения (о x ) и напряжения, действующие поперек оси детали (напряжения сжатия (о y ) определяются согласно закону Гука через деформации:

° x = ^ (^£ х + VE y ).

° У = 1-^ (^£ y +^V£ x ).

где е_х, £ у - относительная деформация, регистрируемая прибором, от деформации соответственно вертикальных и горизонтальных тензодатчиков;

Е - модуль продольной упругости;

• V - коэффициент Пуассона.

По данным напряжений о x и о y построены графики напряжений по экспериментам для нагрузки 100т (рис.1).

Рис.1

Кривые, изображенные на графике, характеризуют следующие факторы:

• 1. 12^о–ные клинья, зажимные губки с косой перекрещивающейся

• 2.    серийные клинья, губки с углом охвата  85^о,  с прямой

• 3.    серийные клинья и губки.

насечкой;

перекрещивающейся насечкой;

Из анализа данных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

• •    Напряжения представлены кривой, имеющей пику в середине. Такой характер деформации отвечает схеме действия равномерно распределенной нагрузки, в отличие от вдавливания абсолютно жесткого штампа.

• •    При зажиме трубы клиньями с уклоном 1:6 в пиковых точках возникают напряжения сжатия, превосходящие предел текучести материала испытуемой трубы. При многократном зажиме трубы происходит ее местное пластическое деформирование.

Таким образом, показан механизм образования утоненной шейки на бурильной трубе в месте захвата ее клиньями при спуско-подъемных операциях в клиновых захватах типа ПКР-У7. Смятие трубы происходит не сразу при приложении нагрузки, а постепенно местным пластический деформированием ее в различных точках по длине и окружности, где напряжения превосходят предел текучести материала трубы.

• •    Испытания клиньев и вкладышей с углом уклона 12° при зажиме трубы губками с косой перекрещивающейся насечкой показали, что пиковые деформации образца уменьшались на 30-60% при уменьшении нагрузки на 23%. Это уменьшение объясняется тем, что при использовании клина с углом уклона, большим угла трения, улучшается самоустанавливаемость клинового захвата в период зажима трубы. Напряжения ни в одной точке образца при этом не превысили предела текучести. Использование клиньев с углом уклона а=12° стало возможным с повышением удерживающей способности губок, т.е. с применением косой перекрещивающейся насечки.

Это видно из анализа формулы коэффициента сцепления:

ц = tg(a + <р)

При испытании клиньев и вкладышей с углом уклона 12° и губок с косой перекрещивающейся насечкой проскальзывания образца в клиновом захвате не наблюдалось.

Были испытаны новые и изношенные при работе на буровой губки с косой перекрещивающейся насечкой. Эти испытания показали, что применение такой насечки дает надежный захват.

При испытании клиньев и вкладышей с углом уклона 12° с серийными губками и с прямой перекрещивающейся насечкой при приложении нагрузки губки проскальзывали по образцу, образуя продольные порезы. Только после приложения постоянно действующей предварительной нагрузки произошло сцепление губок с образцом. Это подтверждает выводы о большей удерживающей способности косой перекрещивающейся насечки.

С износом губок в процессе работы деформации и напряжения, возникающие в образце в месте захвата увеличиваются. Это объясняется тем, что губка начинает соприкасаться с образцом своей серединой, уменьшая угол охвата трубы.

Максимальные деформации и напряжения возникают в точках трубы, места которых обусловлены погрешностями формы (овальность, непрямолинейность оси и т.д.) при зажиме в механизмах различных конструкций. Следовательно, на возникновение пиковых деформаций и напряжений большое влияние оказывают погрешности формы и размеров самой трубы.

При испытании губок с общим углом охвата 328° (ПКР-У7-560) деформации и напряжения трубы уменьшаются по сравнению с губками с общим углом охвата 240° (ПКР-У7).

Для апробирования результатов теоретических и экспериментальных исследований по специальной программе были проведены испытания плашек с косой перекрещивающейся насечкой на Сангачальской морской буровой. Результаты проведенных испытаний показали, что плашки с косой перекрещивающейся насечкой осуществляли надежный захват бурильной колонны в течение всей их работы на буровой. В месте захвата зубья насечки не деформировали металл трубы, не оставляли на трубе продольных и поперечных порезов. Притупление зубьев изношенных экспериментальных плашек перед их сменой больше, чем у серийных плашек с прямой перекрещивающейся насечкой.

Результаты работы могут быть использованы при расчете и конструировании зажимных устройств с повышенной удерживающей способностью.