СОЕДИНЕНИЕ ТРУБЧАТЫХ ДЕТАЛЕЙ СВАРКОЙ ТРЕНИЕМ И СПОСОБ СВАРКИ ТРЕНИЕМ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБЧАТЫХ ДЕТАЛЕЙ
METHOD TO WELD TOGETHER PIPES BY FRICTION

Изобретение относится к буровой технике и касается упрочнения сварного соединения трубчатых деталей, преимущественно бурильных труб с деталями бурильного замка - ниппелем и муфтой, диаметр которых превышает диаметр трубы.
Известен наиболее близкий аналог, принятый за прототип, соединение трубчатых деталей сваркой трением, содержащее деталь замка (ниппель и муфту) и трубу с сопрягаемыми свариваемыми торцами (см. ГОСТ Р 50278-92 «Трубы бурильные с приваренными замками. Технические условия»). В данном устройстве перед операцией сварки для упрочнения сварного соединения концы трубы высаживают, т.е. утолщают. Однако высадка трубы с двух концов приводит к ее удорожанию до 30%. Кроме того, предел выносливости высаженных концов трубы снижается до 20% (см., например, результаты испытаний на знакопеременный изгиб гладкой и высаженной части трубы диаметром 146 мм из стали группы прочности Д в кн. Сарояна А.Е. «Бурильные колонны в глубоком бурении». М., «Недра», 1979, с.117, табл.5). Это обусловлено ухудшением макроструктуры металла в результате изменения направления его слоистости от наиболее благоприятного параллельного вплоть до перпендикулярного к оси трубы, т.е. к наиболее неблагоприятному.
Задача изобретения состоит в повышении прочности сварного соединения трубчатых деталей путем увеличения сечения сварного соединения за счет материала деталей замка - ниппеля и муфты.
Для решения этой задачи в соединении трубчатых деталей сваркой трением, содержащем деталь замка и трубу с сопрягаемыми свариваемыми торцами, на ниппеле со стороны сопрягаемого торца выполнен кольцевой выступ с внутренней конической расточкой, а на трубе у сопрягаемого свариваемого торца выполнена ответная наружная коническая проточка с возможностью посадки с большим гарантированным натягом упомянутых поверхностей после соприкосновения торцов ниппеля и трубы.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где изображены:
фиг.1 - соединение трубчатых деталей до сварки трением.
фиг.2 - соединение трубчатых деталей после сварки трением.
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, при этом образуется диаметральный зазор 7 между упомянутыми коническими поверхностями, который ликвидируется при выполнении операции давления нагрева, а при последующей операции давления проковки образуется их посадка с большим гарантированным натягом.
Заявляемое устройство позволяет решить поставленную задачу.
Действительно, в заявляемом соединении трубчатых деталей благодаря тому, что на ниппеле со стороны сопрягаемого торца выполнен кольцевой выступ с внутренней расточкой, а на трубе у сопрягаемого свариваемого торца выполнена ответная наружная коническая проточка, которые при сварке трением входят в контакт с большим гарантированным натягом, образуются два несущих нагрузку сечения - по сварному шву и по коническому соединению, причем суммарный момент сопротивления этих сечений близок к моменту сопротивления сечения высаженного конца трубы прототипа (устройство по прототипу), а суммарный изгибающий момент выше, так как по прочности материала сечение кольцевого выступа превосходит сечение высаженного конца трубы прототипа.
Таким образом, происходит повышение прочности сварного соединения трубчатых деталей.
Кроме того, предлагается способ сварки трением для вышеизложенного соединения трубчатых деталей.
Известен 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 созданием на нее давления нагрева при неподвижной трубе, а после остановки вращения - давления проковки. В данном способе используют трубу с высаженными концами, т.е. для упрочнения сварного шва концы трубы утолщают (см. ГОСТ Р 50278-92 «Трубы бурильные с приваренными замками. Технические условия»). Однако высадка трубы с двух сторон приводит к ее удорожанию. Кроме того, предел выносливости высаженных концов трубы снижается до 20%. Это обусловлено ухудшением макроструктуры металла в результате изменения направления его слоистости от наиболее благоприятного параллельного вплоть до перпендикулярного к оси трубы, т.е. к наиболее неблагоприятному.
Задача изобретения состоит в повышении прочности сварного соединения трубчатых деталей путем увеличения сечения сварного соединения за счет материала деталей замка ниппеля и муфты.
Для решения этой задачи в способе сварки трением соединения трубчатых деталей, содержащего деталь замка и трубу с сопрягаемыми свариваемыми торцами, включающем установку их в упор торцами, вращение детали замка с одновременным созданием на нее давления нагрева при неподвижной трубе, а после остановки вращения - давления проковки, при установке перед сваркой детали замка с внутренней конической поверхностью и трубы с ответной наружной конической поверхностью торцами в упор, между их коническими поверхностями образуется диаметральный зазор, который при давлении нагрева ликвидируют, а после остановки вращения при последующей операции проковки обеспечивают посадку конических поверхностей с большим гарантированным натягом.
Заявляемый способ позволяет решить поставленную задачу.
Действительно, в заявляемом способе благодаря тому, что деталь замка 1 своей конической поверхностью 4 входит в контакт с ответной конической поверхностью 5 трубы 2 с большим гарантированным натягом, в соединении трубчатых деталей образуется два несущих нагрузку сечения - по сварному шву и коническому соединению с большим гарантированным натягом, причем суммарный момент сопротивления этих сечений близок к моменту сопротивления сечения высаженного конца трубы прототипа (способ по прототипу), а суммарный изгибающий момент выше, так как по прочности материала сечение кольцевого выступа превосходит сечение высаженного конца трубы прототипа.
Таким образом, происходит повышение прочности сварного соединения трубчатых деталей
Пример реализации способа сварки трением трубчатых деталей. Для примера (Фиг.1) принимаем параметры сварного соединения деталей - трубы и ниппеля замка бурильной трубы ПН 114×9 группы прочности Е с наружной высадкой: толщина стенки трубы 8,6 мм, наружный и внутренний диаметры высаженных концов соответственно 130 и 94,5 мм (см. ГОСТ Р 50278-92, табл.2), временное сопротивление материала трубы (группа прочности Е) и ниппеля замка (сталь 40ХМФА) соответственно 689 МПа (см. там же, с.12) и 981 МПа (см. ГОСТ 27834 «Замки приварные для бурильных труб. Технические условия», с.7).
2
В заявляемой конструкции (Фиг.1) принимаем толщину стенки свариваемых концов трубы 1 и ниппеля 2, равной 7,6 мм. Для этого конец трубы 1 протачиваем с образованием торца диаметром 112 мм, а на конце ниппеля 2 создаем ответный торец с тем же наружным и внутренним диаметром, в результате чего площадь сечения свариваемых торцов составит 24,9 см. Кольцевой выступ 3 в сечении, проходящем по сварному шву, имеет наружный диаметр D=130 мм, а внутренний диаметр d выступа обусловлен параметрами полости, предназначенной для размещения внутреннего грата.
Согласно технологическому процессу сварки трением (см. Сварка трением: Справочник / В.К.Лебедев и др. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. - 236 с. с ил.»). давление и осевое перемещение нагрева с вращением составляют соответственно 6640 кгс и 12,7 мм; то же при проковке после остановки вращения - 13280 кгс и 2,3 мм. Всего осевое перемещение ниппеля к трубе в процессе сварки составляет 15 мм.
Конические сопрягаемые поверхности 4 и 5 принимаем длиной 30 мм с конусностью 1:15=0,066. Диаметральный зазор 7 по коническим поверхностям при установке деталей торцами 6 в упор составит:
12,7·0,066=0,84 мм
Этот зазор ликвидируется в результате давления нагрева силой 6640 кгс при перемещении ниппеля с вращением к трубе на длину 12,7 мм (Фиг.2), а большой гарантированный натяг при давлении проковки с перемещением на 2,3 мм составит
2,3·0,066=0,15 мм
Этот натяг соответствует посадке Н9/z8.
Для создания такого натяга одновременно с проведением операции проковки потребуется дополнительная сила. Согласно данным И.А.Биргера (см. Биргер И.А. и др. «Расчет на прочность деталей машин: Справочник - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993, с.98») эта сила F может быть найдена из выражения
m
ср
п
F=q·µ·π·d·l/к, (1)
m
m
2
где q - контактное давление на посадочной поверхности (для посадок с большим гарантированным натягом q=40 МПа=392 кгс/см);
µ=0,15 - коэффициент трения;
ср
d=113 мм=11,3 см - средний диаметр посадочной поверхности;
п
l=30 мм=3 см - длина посадочной поверхности;
к=1,5 - коэффициент запаса зацепления.
После подстановки величин в формулу (1) получаем значение F=4173 кгс.
Следовательно, давление проковки в технологическом процессе сварки с учетом силы, необходимой для создания гарантированного большого натяга по коническим поверхностям свариваемых трубчатых деталей, должно быть принято равным:
13280+4173=17453 кгс.
пред
Прочность соединения трубы с ниппелем оцениваем по предельному знакопеременному изгибающему моменту (М) опасного сечения, т.е. сечения, проходящего по сварному шву. Оно представлено двумя сечениями: непосредственно по шву и по кольцевому выступу.
пред. ш
Для сечения непосредственно по шву гладкого (без высадки) конца трубы с ниппелем М определяем из зависимости
пред. ш
-1
Д
в
ш
М=(σ)К·W
-1
Д
-1
Д
2
2
где (σ) - предел выносливости стыкосварного соединения натурного образца бурильной трубы с высаженными концами при испытании на знакопеременный изгиб; для трубы диаметром 114 мм (σ)=9 кгс/мм=900 кгс/см (см. Сароян А.Е. Бурильные колонны в глубоком бурении. М.: «Недра», 1979, с.117, табл.5);
в
К=1,2 - отношение пределов выносливости гладкого и высаженного участков бурильной трубы (см. там же данные испытаний для трубы диаметром 146 мм группы прочности Д гладких и с высаженными концами);
ш
3
W - момент сопротивления на изгиб сварного шва, см.
После подстановки величин имеем
пред. ш
4
4
М=900·1,2·0,1(11,20-9,68)/11,20=67068 кгс·см=6573 Нм
пред. в
Для сечения кольцевого выступа М определяем из зависимости
в
4
4
3
где W=0,1(D-d)/D - момент сопротивления на изгиб, см;
D и d - наружный и внутренний диаметр кольцевого выступа, см;
-1
в
и
2
σ =0,4σ (см. Беляев Н.М. Сопротивление материалов, М., 1958, с.733) - предел выносливости при изгибе стандартного гладкого образца для стали 40ХМФА, из которой изготовлен ниппель, кгс/см;
в
2
σ=981 МПа=10010 кгс/см - временное сопротивление материала ниппеля;
кД
α=1,2 - действительный коэффициент концентрации напряжений (фактор концентрации: риски от резца на наружной поверхности кольцевого выступа, см. Беляев Н.М., с.743, табл.37);
м
α=1,6 - масштабный коэффициент (см. там же, с.747).
в
Чтобы определить внутренний диаметр d кольцевого выступа, входящего в величину W в выражении (2), необходимо иметь параметры кольцевой полости, предназначенной для размещения внутреннего грата. Примем длину этой полости, равной 2 см. Внутренний диаметр ее равен 112 мм, а наружный - искомой величине d, т.е. внутреннему диаметру кольцевого выступа. Имея в виду, что суммарная величина перемещения ниппеля при давлении нагрева и давлении проковки равна 15 мм=1,5 см, найдем полный объем образующегося грата
2
2
3
(11,20-9,68)0,785·1,5=37,4 см
Учитывая, что в полости размещается половина образующегося грата, найдем значение d из следующего равенства
2
2
(d-11,20)0,785·2=37,4·0,5
С учетом полученного из этого равенства значения d=117 мм и, имея в виду, что наружный диаметр кольцевого выступа равен D=130 мм, определяем величину We для этого сечения
в
4
4
3
W=0,1(13,0-11,7)/13,0=75,6 см
пред.в
Тогда значение М для сечения кольцевого выступа согласно выражению (2) будет равно
пред. в
М=75,6·0,4·10010/1,2·1,6=157658 кгс·см=15450 Нм.
Суммарный предельный изгибающий момент опасного сечения будет равен
пред. сумм
пред. ш
пред. в
М=М+М=6573+15450=22023 Нм
пред выс
В прототипе М для сварного шва трубы ПН 114×9 определяем из зависимости
пред. выс
-1
Д
выс
М=(σ)·W,
-1
Д
2
2
где (σ)=9 кгс/мм=900 кгс/см (см. Сароян А.Е. Бурильные колонны в глубоком бурении. М., Недра, 1979, с.117, табл.5).
выс
4
4
3
W=0,1(13,0-9,45)/13,0=158,3 см
После подстановки величин имеем
пред. выс
М=900·158,3=142470 кгс·см=13962 Нм
Отношение предельных изгибающих знакопеременных моментов заявляемого соединения трубчатых деталей и прототипа равно
22023/13962=1,6
Предложенный способ сварки трением трубчатых деталей обеспечивает существенное повышение прочности сварного соединения и снижение стоимости бурильных труб в результате упразднения операции высадки их концов.