Повышение эффективности эксплуатации бурильных труб на основе разработки научных основ технологического процесса упрочнения резьбы

Одним из методов поверхностного упрочнение впадин конической замковой резьбы бурильных труб является обкатывание этих впадины роликом. В этом процессе приповерхностные слои материала впадины резьбы трубы испытывают пластические деформации, а возникающие при этом остаточные напряжения и поверхностное упрочнение материала (наклеп) повышают усталостную прочность труб, увеличивая срок их эксплуатации. Экспериментальное изучение остаточных напряжений вблизи впадины резьбы затруднено в силу сложного профиля поверхности резьбы и сильной неоднородности остаточных напряжений в малом по толщине слое материала резьбы. Поэтому целью данного проекта являлась оценка с помощью методов математического моделирования распределений остаточных напряжений, возникающих после обкатывания. С точки зрения механики деформируемого твердого тела задача моделирования процесса обкатывания резьбы относится к трехмерным нестационарным контактным задачам упругопластического деформирования. Сложная геометрия моделируемых тел исключает возможность использования аналитических методов для решения подобной задачи.

Сформулированные автором гипотезы использованы при математической постановке данной задачи на всех этапах рассматриваемого технологического процесса обкатки. С точки зрения математического моделирования задачу можно представить как трехмерную термовязкоупругопластическую нестационарную квазистатическую контактную задачу. Её общая постановка приведена в [2, 3].

Для получения приближенного решения поставленной задачи был использован программный комплекс ABAQUS , использующий традиционный для механики деформируемого твердого тела метод конечных элементов [1, 4]. В частности в силу существенной нелинейности задачи был использован модуль Abacus / Explicit . Для описания исследуемой области конечными элементами была построена конечно-элементная сетка.

Для исследования распределения остаточных напряжений после обкатки резьбы роликом были проведены вычислительные эксперименты при различных величинах вдавливания ролика.

После прохождения ролика материал резьбы упруго разгружается, незначительно уменьшая величину остаточного вдавливания впадины резьбы. Наибольшей величины вдавливание достигает в момент прохождения над точкой ролика. Затем в процессе разгрузки величина вдавливания уменьшается, стремясь к некоторому значению, одинаковому для всех точек дна впадины и зависящему от величины вдавливания ролика.

Анализ распределения остаточных напряжений, позволяет заключить, что распределение остаточных напряжений является существенно неоднородным. При этом величина отдельных компонент достигает существенных значений. Одно из основных ограничений, которым должны удовлетворять остаточные напряжения, является их самоуравновешенность [2]. Это означает, что для любого сечения S тела интеграл по площади сечения S от нормальных к данному сечению компонент тензора напряжений должен быть равен нулю. Следствием этого ограничения является то, что в любом сечении тела должны присутствовать как положительные (растягивающие), так и отрицательные (сжимающие) значения компонент остаточных напряжений. Анализируя распределения нормальных компонент ( σ _х, σ _y, σ _z) тензора остаточных напряжений, действительно можно отметить наличие как растягивающих, так и сжимающих напряжений. Внутренние слои материала резьбы в силу условия самоуравнове-шенности оказываются незначительно растянуты.

Таким образом, область пластического деформирования сопоставима с пятном контакта и распространяется на 2,5-3 мм в глубину. Однако приповерхностные слои материала дна впадины резьбы испытывают значительное упрочнение (наклеп). Особенно непосредственно под пятном контакта на глубину менее 1 мм. Поэтому, хотя за роликом вблизи дна впадины величина интенсивности напряжений выше предела текучести σ0,2, но она ниже упрочнения материала. Поэтому в этой области материал находится в упругом состоянии. Подводя итог можно заключить, что в процессе обкатывания резьбы роликом в приповерхностных слоях материала межвитковой впадины резьбы формируются области сжимающих напряжений. Данное обстоятельство, без сомнения, приводит к упрочнению приповерхностного слоя и препятствует возникновению микротрещин. С другой стороны, в результате данного процесса в подповерхностных слоях материала резьбы могут формироваться области значительных растягивающих напряжений, что может приводить к возникновению внутренних микро- и макротрещин, приводящих к разрушению конструкции. Подбирая оптимальные параметры технологического процесса (геометрия ролика и сила его прижатия), можно получать благоприятные для данной конструкции распределения остаточных напряжений.