Исследование напряженно-деформированного состояния муфты безрезьбового соединения насосных штанг

Тема диплома: Исследование напряженно-деформированного состояния муфты безрезьбового соединения насосных штанг, подвергнутой предварительному упрочнению.

Научный руководитель: Бояршинова Ирина Николаевна.

Цель работы: Рассчитать давление автофретирования,  исследовать  напряженно - деформированное состояние упрочненной муфты, выполнить сравнительный анализ  вариантов использования муфты без упрочнения и автофретированной муфты.

В нашей стране самым распространенным методом добычи нефти является штанговый насосный способ, он охватывает более 60% скважин общего действующего фонда.

Принцип работы насоса заключается в следующем: насосные штанги, соединенные в штанговую колонну, передают возвратно-поступательное движение от точки подвеса штанг поверхностного привода к плунжеру насоса, что обеспечивает подъем нефти из скважины на поверхность.   (ПЛАКАТ 1)

Механизм безрезьбового соединения насосных штанг представляет собой  специальный замок  двух штанг, зафиксированный муфтой. При работе насоса  в муфте может возникать неравномерное поле напряжений, максимальное значение которых превышает предел текучести. При этом возникают пластические деформации, что приводит к разрушению муфты, следовательно к недолговечности соединения.

 (ПЛАКАТ 2)

 Для увеличения ресурса работы штанговой колонны необходимо проводить мероприятия по улучшению прочностных характеристик штанг и муфт к ним.

На практике  для  упрочнения материала используют  термические, химические, механические способы.  В данной работе рассматривается метод автофретирования, который основан на повышении  механических свойств путем нагружения муфты внутренним давлением, при котором во внутренних слоях возникают пластические деформации. После разгрузки в муфте остаются поле остаточных напряжений, которое способно компенсировать напряжения от рабочих нагрузок.

В полном объеме задача определения давления автофретирования является обратной задачей теории упруго-пластичности. Решение такой задачи весьма трудоемко, поэтому для определения давления сначала решается прямая задача упруго-пластичности, а затем, варьируя значение давления, выбираем наиболее подходящее для нашего случая.

Математически прямая задача формулируется как трехмерная упруго-пластическая и  включает следующие уравнения: (Плакат 3)

Решение прямой задачи проводилось по известной инженерной методике.

Уравнение, связывающее радиус границы, разделяющей упругую и пластическую области, и приложенное давление прелставлено на плакате 2

.(Плакат 3)

Для определения НДС упочненой муфты используем инженерный пакет  Аnsis. Схема решения  задачи в упруго-пластической постановке в пакете ANSYS может быть представлена в виде следующей последовательности:

1.Формируется геометрическая модель. Задача является осесимметричной, поэтому за счет возможности пакета учитывать симметрию модели,  рассматриваем только половину муфты. (Плакат 3)

2. Задается диаграмма деформирования, которая соответствует материалу с линейным упрочнением.  (Плакат 3)

3. Задаются следующие свойства материала:

- модуль упругости

- коэффициен Пуассона  (Плакат 3)

4.Модель муфты равномерно разбивается на 20-ти узловые объемные элементы с квадратичной аппроксимацией, позволяющие проводить прочностные расчеты с учетом пластических деформаций для трехмерных твердых тел. 

5. Граничные условия задаются следующим образом

 - сечения 1,2 муфты закреплены от продольных перемещений и                                              поворота;

 - на сечения 3 накладываются условия симметрии; (Плака3)

6. Этап приложения рабочих нагрузок включает 2 шага:

 - на первом шаге к внутренней поверхности прикладывается равномерно-распределенное давление, равное давлению автофретирования;

 - на втором шаге производится упругая разгрузка;

При решении задачи в пакете Ansis  на первом шаге расчета (нагружении) были получены картины распределения эквивалентных, радиальных и окружных напряжений, возникающих при давлении 90 МПа.

На картине распределения эквивалентных напряжений (Плакат 4) видно, что максимальные напряжения возникают в точках на внутренней поверхности муфты и превышают предел текучести 340МПа. Здесь первоначально возникают пластические деформации, следовательно пластическая область примыкает ко внутренней поверхности.

На картине распределения окружных напряжений можно увидеть границу упругих и пластической областей (Плакат 5), напряжения на ней достигают своего максимального значения.

На картине распределения радиальных напряжений (Плакат 5) видно, что максимальные напряжения возникают на внутренней поверхности, они являются сжимающими и равны приложенному давлению. С увеличением радиуса абсолютное значение напряжений уменьшается и обращается в ноль на внешней поверхности, что говорит о выполнении естественных граничных условий, подтверждая тем самым полученные результаты.

На Плакате 6 приведены картины распределения остаточных напряжений на втором шаге расчета (при разгрузке).

Кроме представленных на плакатах, были получены результаты для давления автофретирования  85 МПа и 87,5МПа.

Для оценки достоверности полученных результатов произведено качественное сравнение графиков распределения окружных и радиальных напряжений,  полученных при приложении нагрузки  и остаточных после ее снятия (Плакат 7), с эпюрами распределения напряжений, возникающих при автофретировании трубы, внутренний диаметр которой , наружный диаметр   при величине внутреннего давления  [9] (Плакат 8). При сравнении видно, что эпюры радиальных и окружных напряжений в том и в другом случае качественно совпадают.

Для оценки НДС упрочненной муфты в конструкции при эксплуатационных нагрузках были использованы результаты работы Дьяконова А.А. по расчету безрезьбового соединения в целом.  Для тестовой задачи было взято наименее рациональное с точки зрения прочности соединение, в муфте которого максимальные напряжения превышают предел текучести (Плакат 9).

Муфта без упрочнения в задаче определения напряженно-деформированного состояния штангового соединения была заменена на муфту подвергнутую автофретированию.

Получены картины распределения эквивалентных напряжений в упрочненной муфте, максимальные значения которых не превышают предел текучести (Плакат 10). Наименьшие максимальные значения напряжений возникают в муфте, подвергнутой предварительному автофретированию при давлении 90МПа.

Таким образом, метод автофретирования можно рекомендовать для упрочнения муфт штангового соединения с целью снижения напряжений от рабочих нагрузок.

Выводы

1.  В предложенной работе разработана трехшаговая методика определения внутреннего давления, необходимого для автофретирования муфты с целью снижения напряжений от рабочих нагрузок.

2.  Произведен предварительный аналитический расчет давления автофретирования с помощью инженерной методики.

3.  С помощью пакета ANSYS определены остаточные напряжения в муфте подвергнутой автофретированию.

4.Проведено исследование НДС упрочненной муфты при рабочих нагрузках.

5. По результатам работы получены значения давления автофретирования, которое можно рекомендовать для упрочнения муфт насосных штанг.