ШТАНГА БУРОВАЯ ДЛЯ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ГРУНТА (ВАРИАНТЫ)

Область техники
Полезная модель относится к строительству, а именно к устройствам, предназначенным для струйной цементации грунта, а также для строительства свайных фундаментов с повышенной несущей способностью под здания или сооружения.
Уровень техники
Известна штанга буровая для струйной цементации грунта, содержащая трубу, соединенную посредством резьбы с одного конца с муфтой, а с другого с ниппелем (Патент RU №2196215 С2, МПК Е02В 17/00, опубликовано 10.01.2003).
Признаки известной штанги, совпадающие с признаками обоих вариантов заявленной полезной модели, заключаются в том, что штанга содержит трубу и соединенные с трубой по ее концам муфту и ниппель.
Причина, препятствующая получению в известной штанге технического результата, который обеспечивается обоими вариантами заявленной полезной модели, заключается в выполнении указанных соединений резьбовыми, что снижает надежность и долговечность соединения в тяжелых условиях эксплуатации.
-3
-3
Наиболее близким аналогом (прототипом) в отношении обоих вариантов заявленной полезной модели является штанга буровая для струйной цементации грунта, которая содержит металлическую трубу, выполненную с обоих концов с расточками по внутреннему диаметру, а также соединенные с трубой по ее концам металлическую муфту и металлический ниппель, выполненные с соответствующими хвостовиками, наружные поверхности которых выполнены сопряженными с внутренними поверхностями расточек трубы, при этом муфта и ниппель соединены с трубой посредством контурного сварного соединения торца муфты с одним торцем трубы и торца ниппеля с другим торцем трубы, а соединение сопряженных поверхностей хвостовика муфты и соответствующей расточки трубы, а также соединение сопряженных поверхностей хвостовика ниппеля и соответствующей расточки трубы выполнено в виде посадки с натягом в диапазоне 0,8·10÷2,4·10 относительного натяга на длину контакта сопряженных поверхностей, равную 0,4÷1,0 номинального диаметра указанного соединения.
При этом за относительный натяг принимается отношение разности размеров диаметров сопрягаемых поверхностей муфты или ниппеля и диаметра отверстия в трубе к номинальному диаметру соединения (Патент RU №122114 U1, МПК E21B 17/00, опубликовано 20.11.2012).
Признаки известной штанги, совпадающие с признаками первого варианта заявленной полезной модели, заключаются в том, что штанга содержит металлическую трубу, выполненную с обоих концов с расточками по внутреннему диаметру, а также соединенные с трубой по ее концам металлическую муфту и металлический ниппель, выполненные с соответствующими хвостовиками, наружные поверхности которых выполнены сопряженными с внутренними поверхностями расточек трубы, при этом муфта и ниппель соединены с трубой посредством контурного сварного соединения торца муфты с одним торцем трубы и торца ниппеля с другим торцем трубы, а соединение сопряженных поверхностей хвостовика муфты и соответствующей расточки трубы, а также соединение сопряженных поверхностей хвостовика ниппеля и соответствующей расточки трубы выполнено в виде посадки с натягом.
-3
-3
Признаки известной штанги, совпадающие с признаками второго варианта заявленной полезной модели, заключаются в том, что штанга содержит металлическую трубу, выполненную с обоих концов с расточками по внутреннему диаметру, а также соединенные с трубой по ее концам металлическую муфту и металлический ниппель, выполненные с соответствующими хвостовиками, наружные поверхности которых выполнены сопряженными с внутренними поверхностями расточек трубы, при этом муфта и ниппель соединены с трубой посредством контурного сварного соединения торца муфты с одним торцем трубы и торца ниппеля с другим торцем трубы, а соединение сопряженных поверхностей хвостовика муфты и соответствующей расточки трубы, а также соединение сопряженных поверхностей хвостовика ниппеля и соответствующей расточки трубы выполнено в виде посадки с натягом в диапазоне 0,8·10÷2,4·10 относительного натяга на длину контакта сопряженных поверхностей, равную 0,4÷1,0 номинального диаметра указанного соединения.
-3
-3
Причина, препятствующая получению в известной штанге технического результата, который обеспечивается обоими вариантами заявленной полезной модели, заключается в том, что упомянутая посадка с натягом в диапазоне 0,8·10÷2,4·10 (как показал опыт эксплуатации) не обеспечивает необходимую надежность соединения трубы с ниппелем и муфтой, что имеет известные последствия в тяжелых условиях эксплуатации штаги. Как известно, штанга буровая для струйной цементации грунта по условиям эксплуатации является сильно нагруженным элементом и испытывает сложнонапряженные состояния. В процессе работы штанга испытывает знакопеременные динамические нагрузки: внутреннее давление до 70 Мпа, развиваемое насосом высокого давления для подачи цементного и буровых растворов в скважину, крутящий момент, развиваемый вращателем буровой установки и передаваемый буровому инструменту, усилие сжатия, усилие растяжения и изгибающие моменты. Перечисленные нагрузки в процессе работы могут действовать как по отдельности, так и в любом сочетании друг с другом. Схема нагружения зависит от способа бурения, от глубины бурения, от категории грунта, бурильного инструмента, от искривления скважины в процессе бурения (то есть увода оси скважины от прямолинейности).
Раскрытие полезной модели
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель по обоим ее вариантам, заключается в повышении надежности штанги буровой для струйной цементации грунта. При этом надежность, как известно, представляет собой свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств (ГОСТ 27.002-89).
Конкретно, повышение надежности штанг, изготовленных в соответствии с заявленной полезной моделью, заключается в полном отсутствии преждевременных отказов штанг в процессе их эксплуатации в течение нормативного периода (для сравнения: штанги, изготовленные по прототипу, выходят из строя досрочно примерно в 30% случаях).
Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в обоих вариантах заявленной полезной модели в повышении прочности соединения трубы с ниппелем и муфтой. Опыт производства и эксплуатации штанг по прототипу (патенту RU №122114 U1) показал ненадежность конструкции (частые разрушения штанги в месте соединения муфты или ниппеля с трубой, в месте сварки и выпадение муфты или ниппеля из трубы) при работе в тяжелых грунтах при высоких нагрузках и при высоких давлениях нагнетания цементных растворов, например, при работе в вечной мерзлоте и скальных породах. Детальный анализ конструкции прототипа (Патент RU №122114 U1) и расчеты показывают недостаточную прочность соединения, в частности, степень натяга при посадке муфты и ниппеля в трубу.
-3
Достигается технический результат в первом варианте заявленной полезной модели тем, что штанга буровая для струйной цементации грунта содержит металлическую трубу, выполненную с обоих концов с расточками по внутреннему диаметру, а также соединенные с трубой по ее концам металлическую муфту и металлический ниппель, выполненные с соответствующими хвостовиками, наружные поверхности которых выполнены сопряженными с внутренними поверхностями расточек трубы, при этом муфта и ниппель соединены с трубой посредством контурного сварного соединения торца муфты с одним торцем трубы и торца ниппеля с другим торцем трубы, а соединение сопряженных поверхностей хвостовика муфты и соответствующей расточки трубы, а также соединение сопряженных поверхностей хвостовика ниппеля и соответствующей расточки трубы выполнено в виде посадки с натягом, превышающем 2,4·10 относительного натяга на длину контакта сопряженных поверхностей, равную 0,1÷1,5 номинального диаметра указанного соединения.
-3
Признаки заявленного первого варианта полезной модели, отличительные от прототипа, заключаются в том, что упомянутый натяг превышает 2,4·10 относительного натяга на длину контакта сопряженных поверхностей, равную 0,1÷1,5 номинального диаметра указанного соединения.
-3
Достигается технический результат во втором варианте заявленной полезной модели тем, что штанга буровая для струйной цементации грунта содержит металлическую трубу, выполненную с обоих концов с расточками по внутреннему диаметру, а также соединенные с трубой по ее концам металлическую муфту и металлический ниппель, выполненные с соответствующими хвостовиками, наружные поверхности которых выполнены сопряженными с внутренними поверхностями расточек трубы, при этом муфта и ниппель соединены с трубой посредством контурного сварного соединения торца муфты с одним торцем трубы и торца ниппеля с другим торцем трубы, а соединение сопряженных поверхностей хвостовика муфты и соответствующей расточки трубы, а также соединение сопряженных поверхностей хвостовика ниппеля и соответствующей расточки трубы выполнено в виде посадки с натягом, превышающим 0,8·10 относительного натяга на длину контакта сопряженных поверхностей, равную 0,1÷1,5 номинального диаметра указанного соединения, и, кроме того, посредством точечной сварки через выполненные в стенке трубы в зонах ее расточек сквозные отверстия.
-3
Признаки заявленного второго варианта полезной модели, отличительные от прототипа, заключаются в дополнительном соединении сопряженных поверхностей посредством точечной сварки через выполненные в стенке трубы в зонах ее расточек сквозные отверстия, а также в том, что упомянутый натяг превышает 2,4·10 относительного натяга на длину контакта сопряженных поверхностей, равную 0,1÷1,5 номинального диаметра указанного соединения.
Краткое описание чертежей
На прилагаемых фиг. 1, 2 показаны два варианта выполнения заявленной штанги: на фиг. 1 - первый вариант, в котором не используется дополнительное точечное сварное соединение сопряженных поверхностей; на фиг. 2 - второй вариант, в котором используется дополнительное точечное сварное соединение сопряженных поверхностей.
k
tr
tr
На прилагаемой фиг. 3 показаны зависимости контактного давления P от натяга Δ (график «а»), силы трения F от натяга Δ (график «б») и момента трения M от натяга Δ (график «в»), полученные расчетом для штанги с наружным диаметром трубы 89 мм, внутренним диаметром трубы 73 мм, номинальным диаметром посадки 73 мм, диаметром муфты и ниппеля 73 мм (для первого варианта полезной модели).
На прилагаемой фиг. 4 показано выполнение точечной сварки по второму варианту заявленной полезной модели на примере соединения муфты с трубой (то же относится и к соединению ниппеля с трубой).
Осуществление полезной модели
-3
Штанга по первому варианту полезной модели (фиг. 1) содержит металлическую трубу 1, которая выполнена с обоих концов с расточками по внутреннему диаметру (длина расточки L, диаметр расточки D); металлическую муфту 2 с хвостовиком 3, которая соединена с одним концом трубы 1; металлический ниппель 4 с хвостовиком 5, который соединен с другим концом трубы 1. Наружные поверхности хвостовиков 3 и 5 выполнены сопряженными с внутренними поверхностями расточек трубы 1. Муфта 2 соединена с трубой 1 посредством контурного сварного соединения 6 торца этой муфты с соответствующим торцем трубы 1. Ниппель 4 соединен с трубой 1 посредством контурного сварного соединения 7 торца этого ниппеля с соответствующим торцем трубы 1. Соединение сопряженных поверхностей хвостовика 3 муфты 2 и соответствующей расточки трубы 1, а также соединение сопряженных поверхностей хвостовика 5 ниппеля 4 и соответствующей расточки трубы 1 выполнено в виде посадки с натягом, превышающем 2,4·10 относительного натяга на длину контакта сопряженных поверхностей, равную 0,1÷1,5 номинального диаметра указанного соединения. При этом за относительный натяг принимается отношение разности размеров диаметров сопрягаемых поверхностей муфты или ниппеля и диаметра отверстия в трубе к номинальному диаметру соединения.
-3
Штанга по второму варианту полезной модели (фиг. 2) содержит металлическую трубу 1, которая выполнена с обоих концов с расточками по внутреннему диаметру (длина расточки L, диаметр расточки D); металлическую муфту 2 с хвостовиком 3, которая соединена с одним концом трубы 1; металлический ниппель 4 с хвостовиком 5, который соединен с другим концом трубы 1. Наружные поверхности хвостовиков 3 и 5 выполнены сопряженными с внутренними поверхностями расточек трубы 1. Муфта 2 соединена с трубой 1 посредством контурного сварного соединения 6 торца этой муфты с соответствующим торцем трубы 1. Ниппель 4 соединен с трубой 1 посредством контурного сварного соединения 7 торца этого ниппеля с соответствующим торцем трубы 1. Соединение сопряженных поверхностей хвостовика 3 муфты 2 и соответствующей расточки трубы 1, а также соединение сопряженных поверхностей хвостовика 5 ниппеля 4 и соответствующей расточки трубы 1 выполнено в виде посадки с натягом, превышающим 0,8·10 относительного натяга на длину контакта сопряженных поверхностей, равную 0,1÷1,5 номинального диаметра указанного соединения, и, кроме того, посредством точечной сварки 8 через выполненные в стенке трубы 1 в зонах ее расточек сквозные отверстия.
Кроме того, оба варианта заявленной полезной модели характеризуются тем, что штанга дополнительно к основной трубе 1, описанной выше, может содержать дополнительную металлическую трубу с закрепленными на ее концах дополнительными металлическими муфтой и ниппелем. При этом дополнительная труба установлена внутри трубы 1 и соединена с соответствующими дополнительными муфтой и ниппелем также, как и основная труба 1 по обоим вариантам заявленной полезной модели (дополнительные труба, муфта и ниппель на прилагаемых фиг. не показаны).
Оба варианта заявленной полезной модели характеризуются также тем, что труба 1, муфта 2 и ниппель 4 (а также упомянутые дополнительные труба, муфта и ниппель, которые не показаны на рисунках) выполнены из стали марки 20Х, 30Х, 30ХГС, 30ХГСА, 35ХГС, 35ХГСА, сталь 35, 40Х, сталь 45. При этом все перечисленные конструктивные элементы штанги подвергнуты термообработке, обеспечивающей твердость 26÷40 HRC.
k
tr
tr
В качестве примера первого варианта заявленной полезной модели рассмотрим штангу с наружным диаметром 89 мм, номинальным диаметром посадки 73 мм; при этом муфта и ниппель имеют диаметр 73 мм, труба - наружный диаметр 89 мм, внутренний диаметр 73 мм, толщина стенки 8 мм, расчеты проведены для соединения с натягом указанных деталей. Очевидно при этом, что с увеличением диаметрального натяга увеличивается величина контактного давления в соединении, а с увеличением контактного давления увеличиваются сила трения и момент трения. Как следствие, увеличиваются величины максимального внешнего скручивающего момента и внешней осевой силы (как статического, так и ударного действия), которые может выдержать соединение без нарушения взаимного контакта сопрягаемых частей. Для заданных размеров сопрягаемых деталей графики зависимостей контактного давления P, силы трения F и момента трения M в соединении от величины диаметрального натяга представлены на фиг. 3. Как видно, зависимости являются прямо пропорциональными (при решении в пределах упругости).
Соответственно при одинаковых величинах внешних воздействий, возникающих при бурении скважины (осевые силы статического и ударного действия, действие скручивающего момента), у соединения, собранного с большей величиной натяга, уменьшается вероятность взаимного осевого смещения трубы и муфты, а также уменьшается вероятность взаимного сдвига данных сопрягаемых частей при действии крутящего момента, т.е. повышается надежность соединения. При увеличении значения контактного давления в соединении увеличиваются и значения напряжений в сопрягаемых деталях. По этой причине увеличение диаметрального натяга не может быть бесконечными и ограничивается прочностными характеристиками материалов (предел текучести, предел прочности), применяемых в изготовлении штанги. Именно поэтому верхняя граница натяга не может быть точно указана, так как она зависит от прочностных свойств конкретного материала, используемого в изготовлении штанги; при этом указанная верхняя граница натяга будет тем больше, чем больше прочность используемых материалов. Создание большого натяга, выходящего за установленную для конкретного материала верхнюю границу, с одной стороны ведет к повышению плотности контакта соединяемых частей, а с другой стороны к появлению пластических деформаций в самих деталях, и как итог - к их разрушению. Более нагруженной является внешняя сопрягаемая деталь - труба. Расчет напряжений и деформаций в сопрягаемых деталях при различных величинах диаметрального натяга показывает, что для деталей из стали 30ХГСА при заданных размерах трубы и муфты диаметральный натяг должен составлять: Δ≤0,26 мм. В этом случае будет соблюдаться условие прочности.
Прототип (патент №122114 U1) регламентирует посадку с натягом в диапазоне (0,8÷2,4)·10-3 относительного натяга на длину контакта сопрягаемых поверхностей, равную 0,4÷1 номинального диаметра соединения. Для размеров трубы и муфты, приведенных в примере, данный натяг в числовом выражении находится в диапазоне Δ=0,058÷0,175 мм. Таким образом, существует необходимость и ресурс для увеличения диаметрального натяга до значения Δ=0,26 мм, при котором будет достигнуто повышение надежности соединения при сохранении прочности соединяемых частей (трубы и муфты).
Увеличение диаметрального натяга (по первому варианту заявленной полезной модели) также оказывает положительное влияние на соединения при работе штанговой колонны в процессе нагнетания внутреннего давления. Дело в том, что под действием рабочего внутреннего давления происходит расширение сечения трубы. Расчет напряжений и деформаций, возникающих в основной цилиндрической части трубы при создании внутреннего давления, показал следующее: при максимальном рабочем давлении в 70 МПа радиальное перемещение точек отверстия наружу от оси составляет 0,0568 мм, т.е. внутренний диаметр трубы увеличивается на 0,114 мм. Такое расширение внутреннего диаметра приведет к ослаблению посадки и к появлению зазора вместо натяга при малых величинах натяга. В случае появления зазора соединение будет держаться только за счет наличия сварного шва, на который полностью ляжет восприятие всей внешней нагрузки, из-за чего сварной шов может не выдержать, т.е. произойдет разрушение соединения. Следовательно, необходимо исключить ослабление посадки и появление зазора в соединении путем увеличения натяга. Большая часть натяга от посадки приходится именно на деформации трубы, поэтому величина диаметрального натяга должна быть больше величины, на которую увеличивается внутренний диаметр основной части трубы от действия рабочего давления, т.е. Δ>0,114 мм. При рассматриваемых размерах трубы и муфты прототип (патент №122114 U1) регламентирует диаметральный натяг в диапазоне Δ=0,058÷0,175 мм. Соответственно нижние значения из данного диапазона (до Δ=0,114) не обеспечивают надежного соединения трубы и муфты при нагнетании внутреннего давления в штанговую колонну. Таким образом, принимая запас по натягу и учитывая выполнение условия прочности для сопрягаемых деталей, получаем диапазон для надежного диаметрального натяга: 0,175 мм<Δ≤0,26 мм. Увеличение диаметрального натяга в диапазоне 0,175 мм<Δ≤0,26 мм действительно будет более эффективным и обеспечит повышение надежности соединения трубы и муфты при сохранении прочности сопрягаемых частей.
В конструкции штанги по второму варианту полезной модели использовано точечное сварное соединение, вследствие чего увеличивается суммарная площадь сварного шва, соединяющего трубу и муфту, трубу и ниппель. Сварочный шов несет нагрузку тем больше, чем больше его площадь. Добавочная площадь сечения шва по сравнению с прототипом (патент №122114 U1) будет зависеть от количества сварных точек, а также от их диаметра. Для буровой штанги диаметром 89 мм хорошо зарекомендовала конструкция с 10-12-ю сверлениями диаметром 8-10 мм (сварными точками). Применение в конструкции штанги точечного сварного соединения исключает эффект раздувания трубы в месте сопряжения трубы и муфты, трубы и ниппеля (увеличение внутреннего диаметра трубы под действием давления, описанный выше). В данном варианте нет необходимости увеличения натяга, поскольку сварочные точки препятствуют радиальному перемещению стенки трубы под действием давления и степень натяга остается неизменной. Таким образом, введение точечной сварки повышает прочность и надежность соединения трубы и муфты, трубы и ниппеля по сравнению с прототипом (патент RU №122114 U1). При этом искомое соединение является комбинированным, поскольку на сопротивление нагрузки работают три фактора: 1) основной шов, 2) соединение с натягом, 3) дополнительное сварное соединение, а именно, точечная сварка, выполненная через отверстия в стенке трубы. Необходимо так же отметить экономический эффект от применения в конструкции штанги точечной сварки, поскольку снижается необходимая точность обработки деталей вследствие расширения поля натяга (соответственно, расширяются поля допусков сопрягаемых деталей: трубы, муфты и ниппеля) от 0,05 мм до 0,26 мм в числовом выражении для указанных параметров штанги (при номинальном диаметре посадки 73 мм). Данное условие позволяет получать изделия без применения дорогостоящих шлифовальных станков на универсальном токарном оборудовании, что особенно важно при больших длинах изготавливаемых штанг (более 3 м).
Изготовление штанги по первому варианту полезной модели заключается в следующем.
-3
Предварительно трубу 1 изготавливают с расточками по внутреннему диаметру с обоих концов, муфту 2 изготавливают с хвостовиком 3, а ниппель 4 изготавливают с хвостовиком 5. Затем осуществляют соединение поверхностей хвостовика 3 муфты 2 и соответствующей расточки трубы 1, а также соединение поверхностей хвостовика 5 ниппеля 4 и соответствующей расточки трубы 1 при помощи посадки с натягом, превышающем 2,4·10 относительного натяга на длину контакта сопряженных поверхностей, равную 0,1÷1,5 номинального диаметра указанного соединения. После этого муфту 2 соединяют с трубой 1 посредством контурного сварного соединения 6 торца этой муфты с соответствующим торцем трубы, а ниппель 4 соединяют с трубой 1 посредством контурного сварного соединения 7 торца этого ниппеля с соответствующим торцем трубы 1.
Изготовление штанги по второму варианту полезной модели заключается в следующем.
-3
Предварительно трубу 1 изготавливают с расточками по внутреннему диаметру с обоих концов и со сквозными отверстиями в стенке трубы в зонах указанных расточек, муфту 2 изготавливают с хвостовиком 3, а ниппель 4 изготавливают с хвостовиком 5. Затем осуществляют соединение поверхностей хвостовика 3 муфты 2 и соответствующей расточки трубы 1, а также соединение поверхностей хвостовика 5 ниппеля 4 и соответствующей расточки трубы 1 при помощи посадки с натягом, превышающим 0,8·10 относительного натяга на длину контакта сопряженных поверхностей, равную 0,1÷1,5 номинального диаметра указанного соединения. После этого муфту 2 соединяют с трубой 1 посредством контурного сварного соединения 6 торца этой муфты с соответствующим торцем трубы и посредством точечной сварки 8 через выполненные в стенке трубы 1 в соответствующей зоне ее расточки сквозные отверстия, а ниппель 4 соединяют с трубой 1 посредством контурного сварного соединения 7 торца этого ниппеля с соответствующим торцем трубы 1 и посредством точечной сварки 8 через выполненные в стенке трубы 1 в соответствующей зоне ее расточки сквозные отверстия.
Библиографический список:
1. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. Учебник для вузов. - М.: МГТУ им. Баумана, 2005. - 592 с.
2. Самуль В.И. Основы теории упругости и пластичности. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1970. - 288 с.
3. Берникер Е.И. Посадки с натягом в машиностроении, 1966 - 167 с.
4. Патент на полезную модель RU №122114 U1, МПК Е21В 17/00.
5. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике.
6. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя, том 3, 2001 - 864 с