Диссертация (1173027), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Каждыйкороткий элемент БИ прирастает другими элементами и состоит из суммыскручивающих и осевых нагрузок на БИ. Суть математической моделизаключается в математических методах суммирования этих мелких нагрузок.Первый шаг: вычислить нормальную контактную силу ствола скважины длякаждого малого элемента. На рисунке 2.2 показаны действующие силы на слабоискривленный элемент. Нормальная сила Fn является отрицательной векторнойсуммой двух векторов, веса или силы тяжести W и двух растягивающих сил Ft иFt + ΔFt. Так как ось элемента предполагается в виде дуги окружности и этот кругне всегда вертикальный, соответственно вектор нормальной силы расположен невсегда в вертикальной плоскости.

Для расчетов коэффициента трения нуженмодуль вектора нормальной контактной силы, а не направление, что облегчает48нашу работу. Модуль вектора нормальной контактной силы можно вычислить последующей формуле:Fn  [( Ft  sin)2  ( Ft   Wsin)2 ]1/2(2.1)Уравнение расчета модуля вектора нормальной контактной силы приведет куравнению расчета величины приращения растягивающей силыFt  Wcos   Fn(2.2.)и уравнению расчета величины приращения скручивающих сил:M   Fn r(2.3.)В уравнении (2.2.) плюс и минус позволяет учесть подъем и спуск БИ, когдаплюс означает подъем, то есть сила трения увеличивает растягивающую силу накрюке, и минус − спуск, когда сила трения уменьшает величину растягивающейсилы. В некоторых расчетах знак трения скрыт в коэффициенте трения.Рисунок 2.2 − Силы, действующие на мелкий элемент БИ при подъемеУравнения (2.1−2.3) могут быть точными, если БИ будет разделен набесконечно малые куски.

Применение длинных элементов порождает некиеошибки из-за пренебрежения изменениями растягивающих сил по телу элементаБИ, не учтенными в модели. Следует отметить, что выбор длины каждогоэлемента не так сильно влияет на результаты, то есть с изменением длины49элемента от 30 см до 30 м погрешность составляет 1%, при этом большиепогрешности могут произойти из-за некорректных измерений инклинометрии.2.2. Кривая усталостиКривая усталости разделена на две основные области: малоцикловой имногоцикловой усталости. Граница между мало- и многоцикловой усталостьюявляется условной ~ 5  10 циклов (рисунок 2.3).4Рисунок 2.3 ─ Кривая усталости ЗРСПовреждениявЗРСвовремярасхаживаниядляосвобожденияприхваченного БИ относятся к области малоцикловой усталости.

Повреждения открутильных,осевыхиизгибающихпеременныхнагрузоквЗРСпривзаимодействии горных пород с долотом и БИ входят в область многоцикловойусталости.Большая часть стендовых испытаний на усталостную прочность ЗРСпроводитсяснулевымсреднимнапряжением,ноусловияполнойзнакопеременной нагрузки редко встречаются при бурении скважин со среднимнапряжением, равным нулю. При эффективном переменном напряжении в ЗРСБИ методом Гудмана рассчитывают амплитуду напряжения и число циклов до50разрушения в кривой усталости с нулевым средним напряжением ЗРС (рисунок2.4). Результирующее напряжение определили методом «течения дождя», приэтом амплитуда напряжения, среднее напряжение и предел прочности взяты из изЭффективная амплитуда напряжения,МПаиспытываемых в реальном времени циклических нагрузок на ЗРС БИ.12001000800σm=0 МПаσm=50МПа600σm=100МПаσm=150МПа400σm=200МПа2000050000100000 150000 200000 250000 300000 350000N-число циклов до разрушениеРисунок 2.4 ─ Зависимость кривой усталости от среднего напряжения, методГудмана (группа прочности S-135)Циклические воздействующие нагрузки на ЗРС имеют непостояннуюамплитуду и непропорциональную нагрузку.

Наилучшим методом подсчетациклов является метод «течения дождя». Согласноправила линейногоповреждения сравнивается повреждающее событие. Для его применениятребуется знать условия нагрузки (амплитуды напряжения или деформации).Повреждение от одного цикла определяется как D=1/Nf, где Nf − числоциклов до слома при i-ой амплитуде напряжения. В итоге, повреждение от niциклов можно показать следующим образом: niDi = ni/Nfi. Слом ожидается, толькокогда сумма всех этих соотношений превышает 1,0 или 100 процентов, то есть(таблица 2.1): ni / N fi  n1 / N f 1  n2 / N f 2  1 ;(2.4)51показатель МУП ─ остаточный ресурс ЗРС БИ:МУП  1   ni / N fi ,(2.5)где ni − количество циклов при i-ой амплитуде напряжения.Таблица 2.1 ─ Диапазон изменения показателя МУПСостояниезамкового резьбового соединения1Новое изделиеИзделие в эксплуатацииВероятный слом конструкцииДиапазонизменения МУП21˂1≤0Примечание3Полная жизнь конструкцииКритическая зона концентрации напряжения расположена в резьбовомсоединенииконструкцииБИ,гденевозможнозакрепитьтензодатчики.Аналитических решений расчета напряжения и деформации во впадине резьбыЗРС не существует.

Поэтому следует найти зону концентрации напряжения ирассчитать число циклов до разрушения методом конечных элементов.Проведенныйанализполученныхрезультатоврасчетанапряженно-деформированного состояния ЗРС показал, что характер изменения напряжений идеформаций в различных зонах ЗРС зависит от геометрии ЗРС, степени затяжки исвойств материала. Результаты исследований с использованием МКЭ показали,что напряженное состояние упорных торцов имеет сложный характер и зависит отих размеров и конструкции поверхностей.

Существенное влияние на величинуамплитуды и среднее напряжение цикла оказывают условия свинчивания, т.е.степень предварительной затяжки резьбы.Наиболее сложной задачей анализа напряженного состояния металлическойконструкции методом конечных элементов является создание адекватной модели,отвечающей реальным условиям нагружения конструкции ЗРС во времяэксплуатации, приложения крутящего момента свинчивания, растяжения, изгибаи кручения; определения коэффициентов для отдельных частей ЗРС (виткарезьбы, участка упорного торца и т.д.).Свинчивание элементов БИ проводится автоматическим буровым ключом(АКБ) в пределах допустимой затяжки.

В программе ANSYS [147] с52использованиемМКЭнаосесимметричноймоделисимулируетсяпредварительная затяжка ЗРС до воздействия других механических параметров еёэксплуатации в скважине (рисунок 2.5, раздел 3.2.37. Напряжение Мизеса присломе бурильной трубы). Шаг расчетной сетки в зоне контакта (в резьбе) задан 0,1мм, а общее количество элементов составило около 20508.Рисунок 2.5 ─ Распределение эквивалентного напряжения (Мизеса) послесвинчиванияФормируется таблица 32х32 всех комбинаций вероятных результирующихнапряжений (каждое изменение напряжения попадает в какой-то промежутокнапряжения, всего 32 и среднего напряжения для каждого типа ЗРС.

Повреждениекаждого цикла из 1024 комбинаций определяется методом Гудмана с учетомгруппы прочности материала и для последней впадины ниппеля от упорноготорца (рисунок 2.6).Показатель МУП ЗРС является критерием для определения числа попытокосвобождения прихваченного БИ и показывает насколько интенсивно можнорасхаживать инструмент, чтобы освободить его без превышения предельнодопустимой усталостной прочности. Распределение осевых нагрузок и среднегозначения циклов нагрузки и число циклов на ЗРС на глубине прихвата, где оносломалось при расхаживании, показывает, что сумма повреждений на ЗРСсоставляет 1 (рисунок 2.6a). Если все напряжения от осевой нагрузки на 50 МПауменьшали, то сумма повреждений получилась 0,5 (рисунок 2.6б), а если все53напряжения от осевой нагрузки меньше были на 100 МПа, тогда суммаповреждений была практически незначительной, то есть 0,001 (рисунок 2.6в).a)б)в)Рисунок 2.6 ─ Распределение осевых нагрузок и среднего значенияциклов нагрузки и число циклов на ЗРС на глубине прихвата: a) реальныйслучай, б) напряжение от осевой нагрузки на 50 МПа меньше реального, в)напряжение от осевой нагрузки на 100 МПа меньше реального54Для определения показателя МУП подсчитывается число циклов исоответствующие им повреждения от каждой комбинации напряжений.2.3.

Полная кривая усталостиЦель большинства усталостных испытаний ─ определить долговечность принапряжениях, меньших статического предела текучести. В ряде случаев дляоптимального проектирования требуется знать поведение материала прициклическихнапряжениях,вызывающихусталостноеразрушениепосленебольшого числа циклов изменения напряжений или деформаций.

Поэтомунаряду с построением обычных кривых усталости широкое распространениеполучилиисследования несущей способности материала при малоцикловойусталости. На рисунке 2.7 представлена полная кривая усталости в диапазоненапряжений от временного сопротивления разрушению (предела прочности) допредела выносливости (предела усталости).Конечно, полная кривая усталости в большинстве случаев носит условныйхарактер, так как для получения полного спектра амплитуд напряжений илидеформаций требуются различные типы испытательных машин.

Однако полныекривые усталости позволяют понять ряд методов расчета несущей способности вкаждой области кривой усталости и улучшить методику исследований принестационарных циклических нагрузках.Вся полная кривая усталости разделяется на две основные области:малоцикловоймногоцикловойимногоцикловойусталостьюусталости.являетсяГраницаусловноймеждумало-~ 5  104 циклов:идлявысокопластичных сплавов переходная зона смещается в сторону большихдолговечностей, для хрупких ─ в сторону меньших. Между областямималоцикловой и многоцикловой усталости возможны разрывы кривой усталости.552.4. Малоцикловая усталостьМалоцикловая усталость ─ усталость металла, при которой усталостноеповреждениеилиразрушениепроисходитприупругопластическомдеформировании (ГОСТ 232907-78) [17, 18].

Следует отметить, что увысокопрочных металлов, испытанных при постоянном напряжении, разрушениепри малоцикловой усталости может целиком находиться в макроупругой области.Зарождениемикротрещинусталостипроисходитзасчетпроцессовмикропластической деформации и наличия больших внутренних напряжений [62,24, 35].Область малоцикловой усталости охватывает диапазон напряжений от  B до K (ломаная линия АБВ). В области малоцикловой усталости можно выделитьдва характерных участка (рисунок 2.7).Рисунок 2.7 ─ Полная кривая усталостиВ области I на рисунке 2.7, иногда называемой областью циклическойползучести [88, 92, 93, 94], разрушение пластичных металлических материаловносит квазистатический характер с образованием шейки в месте излома.

Для этой56области характерно непрерывно возрастающее с числом циклов нагружениянакоплениепластическойдеформации.Приэтомпетлямеханическогогистерезиса вплоть до разрушения образцов всегда остается открытой. В областиII на поверхности разрушения отчетливо выделяется зона усталостного излома. Вэтой области циклического деформирования петля механического гистерезисастановится замкнутой. Напряжение перехода от одного вида разрушения кдругому при малоцикловой усталости обозначено   [24].Переход от циклической ползучести к собственно малоцикловой усталостисопровождается изменением механизма макропластического деформированияматериалаивфрактографическихнекоторыхслучаяхисследованияхперегибомусталостныйкривойтипусталости.изломавПрислучаемалоциклового разрушения характеризуется тем, что зона окончательногоразрушения находится в центральной части образца.

Характеристики

Список файлов диссертации