Влияние геометрических параметров бурильной трубы на усталостный излом

Прочность бурильной колонны напря-мую определяет режимы бурения скважин. Так как комплектом бурильных труб бурится не одна скважина, то в ходе их длительной эксплуатации в теле бурильных труб имеют место разрушения, связанные с усталостным изломом в переходной зоне между телом трубы и высаженной частью. Именно здесь в результате изменения толщины стенки трубы возникает зона концентрации напряжений (рис. 1) [1] и происходит ее интенсивное разрушение. Бурильные трубы в России изго-тавливаются по ГОСТу 50278-92, однако там нет четких требований к форме переходной зоны.

Рис. 1. Разрушение бурильных труб в зоне концентрации напряжений

Пункт 2.3. ГОСТа [2] гласит, что: «поверхность высаженной части трубы и место перехода её к части с толщиной стенки S не должны иметь резких уступов». Была поставлена

Пункт 2.3. ГОСТа [2] гласит, что: «поверхность высаженной части трубы и место перехода её к части с толщиной стенки S не должны иметь резких уступов». Была поставлена задача изучить влияние формы переход-ной зоны на прочностные характеристики наи-более широко применяемых в данный момент бурильных труб с приварными замками: ПК 127Х9, ПК 127X13, ПН 114X9, ПН 114Х11 группы прочности Р, а также бурильные трубы ПК 127Х9, ПК 127X13, ПН 114X9, ПН 114X11 группы прочности Е.

Рис. 2. Характерное распределение напряжений в переходной зоне между телом трубы и высадкой. (Растягивающие напряжения в теле трубы 100 МПа. В зоне концентрации напряжений – 155 МПа. Коэффициент концентрации напряжений K =1,55)

Анализ формы переходной зоны труб проводился методом конечных элементов. Приложив растягивающее усилие вдоль продольной оси трубы, создающее в теле трубы напряжение растяжения в 100 МПа, была получена картина напряжённо-деформированного состояния (НДС) (рис. 2). Затем была предпринята попытка снижения коэффициента концентрации напряжений путем внесения изменений в геометрические параметры переходной зоны бурильной трубы (рис. 3). Для дальнейшего анализа была выбрана труба с наивысшим показателем коэффициента концентрации напряжений (труба ПК 127х9 Р) и методом конечных элементов проведен анализ с различными параметрами угла α, длинной переходной части L, радиуса скругления переходной зоны R (вводимый нами параметр), величины высадки δ. Результаты анализов представлены в таблицах 1-4.

Рис. 3. Обозначения, принятые для описания формы переходной зоны

По представленным результатам видно, что введенный нами параметр – радиус скругления переходной зоны от тела трубы к высаженной части и ее толщина – оказывает существенное влияние на коэффициент концентрации напряжений.

Таблица 1. Значения коэффициентов концентрации напряжений K в зависимости от величины угла α

Обозначение типоразмера бурильной трубы	Угол а°	Коэффициент концентрации напряжений К
ПК 127х9 Е	7,4579	1,27
ПК 127х13 Е	7,125	1,25
ПК 127х9 Р	20,85	1,55
ПК 127х13 Р	10,265	1,32
ПН 114х9 Е	1,071	1,07
ПН 114х11 Е	0,2256	1,03
ПН 114х9 Р	4,4461	1,13
ПН 114х11 Р	8,894	1,26

Поскольку нами анализируются значения коэффициента концентрации напряжений в трубе ПК127х9 Р, имеющей наибольшую внутреннюю высадку, результаты, приведенные в таблице 4, могут быть использованы и для других анализируемых труб.

Таблица 2. Значения коэффициентов концентрации напряжений K в зависимости от вели-чины угла α и длинной переходной части L

Угол а°	Длина переходной части L , м	Коэффициент концентрации напряжений К
0	∞	1
15	0,072215	1,45
30	0,033515	1,65
45	0,01935	1,71
60	0,01117	1,69
75	0,00518	1,67
90	0	1,61

Однако полученные коэффициенты концентрации напряжений являются теоретическими и их необходимо перевести в реальные с учетом чувствительности материалов к концентраторам напряжений. Поскольку для высадок бурильных труб реальных значений концентраторов напряжений нет, используем даные для концентраторов напряжений в ступенчатых валах и осей с галтелью [3].

Таблица 3. Значения коэффициентов концентрации напряжений K в зависимости от величи-ны радиуса скругления R для угла α =45° (наихудший случай)

R, м	0	0,01	0,033	0,1	0,33	1
K	1,71	1,61	1,46	1,25	1,08	1,02

Рис. 4. Влияние вводимого параметра – радиуса скругления на коэффициент концентрации напряжений в переходной зоне, графическое представление данных таблицы 3

Смоделировав галтель с параметрами близкими параметрам высадки, были получены теоретические и фактические значение концентратора напряжений для разных материалов.

Используя представленную методику расчета [3], был рассчитан эффективный коэффициент концентрации напряжений для труб с различной группой прочности (таблица 5).

Таблица 4. Значения коэффициента концентрации напряжений K в зависимости от радиуса скругления R и величины высадки δ (наихудший случай α =45°)

R, м	Коэффициент концентрации напряжений K
	δ= 19,35 мм	δ= 10 мм	δ= 5 мм
0	1,71	1,64	1,51
0,01	1,61	1,60	1,48
0,033	1,46	1,42	1,34
0,1	1,25	1,25	1,22
0,33	1,08	1,08	1,09
1	1,02	1,02	1,02

Таблица 5. Значения эффективного коэффициента концентрации напряжений K σ в переходной зоне от тела трубы к высадке, для сталей с различным σ в

Радиус скругления	Эффективный коэффициент концентрации напряжений, K σ
	σ в=600 МПа	σ в =800 МПа	σ в=1000 МПа
R= 0 м	1,573	1,699	1,825
R= 0,33 м	1,065	1,079	1,093

Обобщенный коэффициент снижения усталостной прочности трубы – это коэффициент, учитывающий концентрацию напряжения, чистоту поверхности, масштабный фактор и поверхностную обработку детали. Результаты расчетов сведены в табл. 6.

Таблица 6. Значения обобщенного коэффициента снижения усталостной прочности трубы (K σ ) д для сталей с различным σ в

Радиус скругления	Обобщенный коэффициент снижения усталостной прочности (K σ ) д
	σ в =600 МПа	σ в =800 МПа	σ в =1000 МПа
R= 0 м	2,873	3,899	4,925
R= 0,33 м	2,365	3,279	4,193

Как показывают результаты, приведен-ные в таблице 6, при изготовлении труб по ГОСТ 50278-92, но с радиусом скругления переходной зоны в 0,33 м возможно уве-личение усталостной прочности трубы на 15-21% (для различных типоразмеров труб и групп прочности материала).

Вывод: следует внести изменений в ГОСТ к форме переходной зоны от тела бурильной трубы к высаженной части для повышения и стабилизации прочностных параметров бурильных труб.