Способ сварки трением трубчатых деталей
METHOD OF FRICTION WELDING OF TUBULAR PARTS

Изобретение относится к буровой технике и касается способа сварки трубчатых деталей, преимущественно бурильных труб с деталями бурильного замка - ниппелем и муфтой.
Известен наиболее близкий аналог, принятый за прототип (см. Лачинян Л.А. Патент RU 2366552, МПК В23К 20/12, Соединение трубчатых деталей сваркой трением и способ сварки трением соединения трубчатых деталей. Опубликовано 10.09.2009).
Этот способ сварки трением соединения трубчатых деталей, содержащего деталь замка и трубу с сопрягаемыми свариваемыми торцами, включающий установку их в упор торцами, вращение детали замка с одновременным приложением к ней давления нагрева при неподвижной трубе, а после остановки вращения - давления проковки, отличается тем, что на детали замка со стороны сопрягаемого торца предварительно выполняют кольцевой выступ с наружной конической поверхностью, а на трубе - ответную внутреннюю коническую поверхность, устанавливают их торцами в упор с образованием между их коническими поверхностями диаметрального зазора, который при приложении давления нагрева ликвидируют, а давлением проковки обеспечивают посадку упомянутых конических поверхностей с гарантированным натягом.
Недостатки данного способа заключаются в том, что, во-первых, стандартный гарантированный натяг (см. ГОСТ 25347-82) выбран только с целью повышения предела усталости по знакопеременному изгибу сварного соединения в то время, как труба, при расточке концов для образования конического соединения, теряет часть толщины стенки и соответственно несущей способности бурильной трубы по нагрузке растяжения и крутящего момента в сварном стыке, что соответственно приводит к ограничению до 20% предельной глубины скважины, достигаемой при бурении колонной данного типоразмера бурильных труб с изначальной (цельной) толщиной стенки.
Во-вторых, выполняя одновременно два различных процесса: соединение сваркой торцов трубы с деталью замка и затяжку конического соединения, способ не содержит условия их синхронизации, в результате чего могут быть нарушены режимы этих процессов и качество обоих соединений.
Задача изобретения состоит в том, чтобы выполняемые способом процессы были синхронизированы и совместная прочность сварного и конического соединения по нагрузкам растяжения, крутящего момента и знакопеременного изгиба не уступала прочности трубы с цельным телом и высаженными концами.
m
m
т
Для решения этой задачи в способе сварки трением соединения трубчатых деталей, содержащего деталь замка и трубу с сопрягаемыми свариваемыми торцами, причем в первом варианте способа наружный диаметр замка равен наружному диаметру трубы, а во втором - он больше ее наружного диаметра, включающем установку их в упор торцами, вращение детали замка с одновременным приложением к ней давления нагрева при неподвижной трубе, а после остановки вращения - давления проковки, при этом в первом варианте на детали замка у сопрягаемого торца предварительно выполняют кольцевой выступ с наружной конической поверхностью, а на трубе ответную внутреннюю коническую поверхность, а во втором, наоборот, - кольцевой выступ выполняют с внутренней конической поверхностью, а на трубе ответную наружную коническую поверхность, затем устанавливают детали с образованием между их коническими поверхностями диаметрального зазора, который при приложении давления нагрева ликвидируют, а давлением проковки обеспечивают посадку упомянутых конических поверхностей с натягом, отличающийся тем, что осевую силу затяжки конического соединения, создающей натяг, определяют по среднему контактному давлению q сопрягаемых конических поверхностей исходя из совместного действии разностей предельных значений нагрузок растяжения и кручения сечений сварного соединения и цельного тела трубы при условии, что q≤0,5σ, причем, задавая конусность конического соединения как отношение его натяга к длине осадки в процессе операции давления проковки свариваемых торцов трубы и детали замка, синхронизируют процессы сварки и затяжки этого соединения.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где изображены:
Для первого варианта способа:
фиг. 1 - соединение трубчатых деталей до сварки трением;
фиг. 2 - соединение трубчатых деталей после сварки трением.
Для второго варианта способа:
фиг. 3 - соединение трубчатых деталей до сварки трением;
фиг. 4 - соединение трубчатых деталей после сварки трением.
m
Для первого варианта способа (фиг. 1 и фиг. 2) на ниппеле 1 выполняют кольцевой выступ 3 с наружной конической проточкой 4, а на трубе 2 - ответную внутреннюю коническую расточку 5. Ниппель 1 устанавливают в упор сопрягаемыми торцами 6 ниппеля 1 и трубы 2, образуя при этом диаметральный зазор 7 между упомянутыми коническими поверхностями, который ликвидируют при выполнении операции давления нагрева, а при последующей операции давления проковки образуют их посадку с натягом, создаваемым силой затяжки, которую определяют по среднему контактному давлению q сопрягаемых конических поверхностей, исходя из совместного действия разностей предельных значений нагрузок растяжения и кручения сечений сварного соединения и цельного тела трубы с синхронизацией величин осадки деталей при сварке и осевого перемещения конических поверхностей соединения при затяжке.
m
Для второго варианта способа (фиг. 3 и фиг. 4) на ниппеле 1 выполнен кольцевой выступ 3 с внутренней конической расточкой 4, а на трубе 2 - ответная наружная коническая проточка 5. Ниппель 1 устанавливают в упор сопрягаемыми торцами 6 ниппеля 1 и трубы 2, образуя при этом диаметральный зазор 7 между упомянутыми коническими поверхностями, который ликвидируют при выполнении операции давления нагрева, а при последующей операции давления проковки образуют их посадку с натягом, создаваемым силой затяжки, которую определяют по среднему контактному давлению q сопрягаемых конических поверхностей, исходя из совместного действии разностей предельных значений нагрузок растяжения и кручения сечений сварного соединения и цельного тела трубы с синхронизацией величин осадки деталей при сварке и осевого перемещения конических поверхностей соединения при затяжке.
Заявляемый способ позволяет решить эту задачу.
з
Действительно, в заявляемом способе в результате того, что осевую силу затяжки Q конического соединения, создающей натяг, определяют разностью предельных значений нагрузок растяжения и кручения сечений трубы в цельном теле и в сварном соединении, совместные предельные нагрузки растяжения и кручения конического и сварного соединения не уступают аналогичным нагрузкам в цельном теле трубы, причем благодаря тому, что конусность конического соединения принимают как отношение его натяга к длине осадки в процессе операции давления проковки свариваемых торцов трубы и детали замка, синхронизируют процессы сварки и затяжки этого соединения.
Таким образом, происходит повышение прочности сварного шва, не уступающей прочности цельного тела трубы.
Пример реализации способа сварки трением трубчатых деталей для его первого варианта.
т
Для примера (фиг. 1) принимаем параметры сварного соединения деталей трубы и ниппеля приварного замка наиболее распространенной в практике геологоразведочного бурения бурильной трубы ТБСУ 63,5 мм с внутренним диаметром 54,5 мм (толщина стенки 4,5 мм) и внутренним диаметром ниппеля 28 мм (см. ГОСТ Р 51245-99). Материал трубы - сталь 36Г2С, группа прочности К (σ=490 МПа), материал ниппеля - сталь 40ХН.
св
2
В заявляемой конструкции (фиг. 1 и фиг. 2) толщину стенки свариваемых концов трубы 2 и ниппеля 1 принимаем равной 3,8 мм, т.е. концы деталей перед сваркой растачиваем до диаметра d=55,9 мм, а на конце ниппеля 1 создаем ответный торец с тем же наружным и внутренним диаметром, в результате чего площадь сечения торцов свариваемых деталей составит 712 мм.
Согласно рекомендациям, основанным на международном опыте, были определены расчетные параметры режимов технологического процесса сварки, причем величина осадки уточнялась экспериментально (см. Сварка трением: Справочник / В.К. Лебедев, И.А. Черненко, Р. Михальски и др. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. - 236 с. ил.). В результате давление нагрева и осевое перемещение с вращением соответственно составили 1906 кгс и 8,6 мм, то же при давлении проковки после остановки вращения 3800 кгс и 1,4 мм.
Суммарная осадка деталей в процессе сварки 8,6+1,4=10 мм (фиг. 2).
св
Сначала рассчитываем наибольший натяг для цилиндрического соединения, диаметр которого на контакте деталей равен d=55,9 мм (принятый внутренний диаметр трубы под сварку) из следующего выражения (см. Биргер И.А. и др. Расчет на прочность деталей машин: Справочник/ И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993, 640 с. ил.):
где:
св
d=55,9 - диаметр цилиндрического соединения на контакте соединяемых деталей, мм;
1
2
c=1,9 и c=2,0 - коэффициенты;
4
2
Е=2,0×10 - модуль упругости стали, кгс/мм;
2
d=63,5 - наружный диаметр цилиндрического соединения, мм;
1
Внутренний диаметр ниппеля d=28 мм;
1
2
1
св
Величины c и c (с учетом отношения d/d) определяем по табл. 2 (см. там же). Подставив значения величин, входящих в выражение (1), имеем расчетный натяг в соединении для данного цилиндрического соединения:
мм
Полученный натяг затем используем для создания конического соединения вместо цилиндрического, обеспечивающего такой же натяг при его затяжке.
Учитывая, что длина хода детали замка при сварке в процессе давления проковки составляет 1,4 мм, для обеспечения синхронизации этого процесса с процессом затяжки конического соединения, принимаем конусность конического соединения равную 0,06/1,4=0,0428 (1:23,36). Имея минимальный внутренний диаметр трубы равный 54,5 мм, находим длину конического соединения из следующего уравнения
к с
к с
(55,9-54,5)/l=0,0428 или 1,4/l=0,0428,
где:
к с
l - длина конического соединения, мм.
к с
Откуда l=1,4/0,0428=32,7 мм.
Средний диаметр конического соединения равен
(55,9+54,5)/2=55,2 мм
При установке деталей торцами в упор перед сваркой, конус ниппеля вводят в конус трубы на длину 32,7-8,6=24,1 мм, поскольку при операции давления нагрева осадка деталей равна 8,6 мм. При этом диаметральный зазор между сопрягаемыми коническими поверхностями ликвидируют в процессе операции давления нагрева, а при операции давления проковки с осадкой 1,4 мм производят затяжку конического соединения.
p
к
Для определения силы затяжки конического соединения сначала находим разность Q нагрузок растяжения для трубы в цельном теле и в сварном шве и разность М моментов кручения при этом:
где:
цт
сс
2
S и S - площадь сечения соответственно цельного тела и сварного соединения трубы, см.
где:
цт
cc
3
W и W - моменты сопротивления при кручении соответственно цельного тела и сварного соединения трубы, см.
Определяем среднее контактное давление в коническом соединении при совместном действии разностей предельных значений сил растяжения и кручения сечений сварного соединения и цельного тела трубы (см. Биргер И.А. и др. Расчет на прочность деталей машин: Справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993, 640 с: ил.):
где:
d=5,52 - средний диаметр конического соединения, см;
μ=0,15 - коэффициент трения.
Подставляя значения величин, входящих в выражение (4), имеем
m
т
m
т
Условие q≤0,5σ верно, так как q=98; 0,5σ=0,5×490=245; 98<245.
Определяем силу затяжки конического соединения (см. там же) по среднему контактному давлению в случае совместного действии разностей предельных значений сил растяжения и кручения сварного соединения и цельного тела
Имея силу затяжки конического соединения, определяем суммарную силу проковки в технологическом процессе сварки:
3800+8480=12280 кгс=120 кН
Таким образом, в первом варианте предлагаемого способа выполняемые процессы синхронизированы, а совместная прочность сварного и конического соединения по нагрузкам растяжения, кручения и знакопеременного изгиба не уступает прочности трубы с цельным телом и высаженными концами.
Пример реализации способа сварки трением трубчатых деталей для его второго варианта.
Для примера (фиг. 3) принимаем параметры сварного соединения деталей трубы и ниппеля приварного замка бурильной трубы ПН 114×9 с наружной высадкой и толщиной стенки трубы 8,6 мм, наружный и внутренний диаметр высаженных концов соответственно 130 и 94,5 мм (см. ГОСТ Р 59278-92, табл. 2), предел текучести материала трубы (группа прочности Л) 655 МПа (см. там же, с. 12) и замка 833 МПа (см. ГОСТ 27834-95).
св
2
В заявляемой конструкции (фиг. 3 и 4) толщину стенки свариваемых концов трубы 2 и ниппеля 1 принимаем равной 7,1 мм. Для этого конец трубы перед сваркой протачиваем до диаметра d=111 мм, а на конце ниппеля 1 создаем ответный торец с тем же наружным и внутренним диаметром, в результате чего площадь сечения торцов свариваемых деталей составит 2316 мм.
Согласно упомянутым выше рекомендациям, основанным на международном опыте, расчетные параметры режимов технологического процесса сварки уточнялись экспериментально. В результате давление нагрева с вращением и осевое перемещение соответственно составили 6640 кгс и 12,0 мм, то же при проковке после остановки вращения - 13280 кгс и 3,0 мм. Суммарная осадка деталей в процессе сварки 12,0+3,0=15 мм (фиг. 3).
св
Сначала из выражения (1) рассчитываем наибольший натяг для цилиндрического соединения, диаметр которого на контакте деталей равен d=111 мм (принятый наружный диаметр трубы под сварку). Входящие в это выражение величины в данном случае имеют следующие значения:
св
d=111 - диаметр цилиндрического соединения на контакте соединяемых деталей, мм;
1
2
c=4,25 и с=4,85 - коэффициенты;
4
2
Е=2,0×10 - модуль упругости стали, кгс/мм;
1
2
d=96,8 и d=130 - внутренний и наружный диаметры цилиндрического соединения, мм.
1
2
1
Величины c и с (с учетом отношения d/d) определяем по табл. 2 (см. там же).
Подставив значения величин, входящих в выражение (1), имеем расчетный натяг в соединении для данного цилиндрического соединения
мм
который затем используем для создания конического соединения вместо цилиндрического, обеспечивающего такой же натяг при его затяжке.
Учитывая, что длина хода детали замка при сварке в процессе давления проковки составляет 3,0 мм, для обеспечения синхронизации этого процесса с процессом затяжки конического соединения принимаем конусность конического соединения равную 0,455/3,0=0,1516 (1:6,6). Имея максимальный наружный диаметр трубы равный 114 мм, находим длину конического соединения из следующего уравнения
к с
к с
(114-111)/l=0,1516 или 3,0/l=0,1516 мм.
где:
кс
l - длина конического соединения, мм.
кс
Откуда l=3,0/0,1516=19,8, мм.
Средний диаметр конического соединения равен (111+114):2=112,5 мм.
При установке деталей торцами в упор перед сваркой, конус трубы вводят в конус ниппеля на длину 19,8-12,0=7,8 мм, поскольку при операции давления нагрева осадка деталей равна 12,0 мм. При этом диаметральный зазор между сопрягаемыми коническими поверхностями в процессе операции давления нагрева ликвидируют, а при операции давления проковки с осадкой 3,0 мм производят затяжку конического соединения.
p
к
Для определения силы затяжки конического соединения сначала находим разность Q нагрузок растяжения для трубы в цельном теле и в сварном шве из выражения (2) и разность М моментов кручения при том же условии, из выражения (3):
p
цт
сс
тт
Q=(S-S)σ=(2846-2316) 66,8=35404 кгс,
где:
цт
сс
2
S и S - площадь сечения соответственно цельного тела и сварного соединения трубы, см.
к
цт
сс
тт
М=(W-W)σ=(142,2-115,3)66,8=1797 кгссм,
где:
цт
сс
3
W и W - моменты сопротивления при кручении соответственно цельного тела и сварного соединения трубы, см.
Определяем среднее контактное давление в коническом соединении при совместном действии разностей предельных значений сил растяжения и кручения сечений сварного соединения и цельного тела трубы из выражения (4)
m
т
m
т
Условие q≤0,5σ верно, так как q=331; 0,5 σ=0,5×655=327,5; 331≈327,5.
Определяем силу затяжки конического соединения из выражения (5) по среднему контактному давлению:
з
m
кс
Q=qπdμl=3375×3,14×11,25×0,15×1,98=35088 кгс
Имея силу затяжки конического соединения, определяем суммарную силу проковки в технологическом процессе сварки:
13280+35088=48368 кгс=474 кН
Таким образом, во втором варианте предлагаемого способа, как и в первом, выполняемые процессы синхронизированы, а совместная прочность сварного и конического соединения по нагрузкам растяжения, кручения и знакопеременного изгиба не уступает прочности трубы с цельным телом и высаженными концами.