Повышение эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов

Иванова, Алина Всеволодовна

Повышение эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Иванова, Алина Всеволодовна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Самара МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Повышение эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов»

Автореферат диссертации на тему "Повышение эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов"

На правах рукописи

Иванова Алина Всеволодовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРУБНЫХ РЕЗЬБОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

19 ДЕК 2013

Самара-2013

005544026

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) на кафедре сопротивления материалов

Научный руководитель: Кирпичёв Виктор Алексеевич,

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Пономарёв Юрий Константинович, доктор технических

наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)», профессор кафедры конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов

Кочеров Евгений Павлович, кандидат технических наук, ОАО « Кузнецов», заместителя главного конструктора

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «СамГТУ»),

Защита состоится «27» декабря 2013 года в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)», по адресу: 443086, г. Самара. Московское шоссе, 34, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет).

Автореферат разослан «27» ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д212.215.02

Скуратов Д.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Традиционными областями применения алюминия считаются авиация, автомобилестроение, пищевая промышленность. Между тем из сплавов на основе «крылатого металла» уже несколько десятилетий изготавливаются трубы для добычи нефти и газа. Освоение арктических месторождений углеводородов поставило новые задачи перед отечественной промышленностью. При этом первостепенное значение приобретает проблема обеспечения работоспособности бурильных колонн, так как их стоимость при больших глубинах бурения сопоставима со стоимостью всей буровой установки. Наиболее слабыми элементами конструкции, снижающими эксплуатационные характеристики буровых колонн, являются резьбовые соединения. По данным «ВНИИТНефть» около 60% аварий с бурильными трубами происходит по резьбе и, в основном, они связаны с усталостными повреждениями. В связи с этим к материалам бурильных труб и способам увеличения эксплуатационных характеристик стали предъявляться повышенные требования.

Для производства бурильных труб используются несколько высокопрочных алюминиевых сплавов: стандартные промышленные сплавы Д16. АК4-1, АК8 и специально разработанный для этой цели сплав 1953Т1, обладающий повышенной коррозионной стойкостью и применяемый в тех случаях, когда в пластовых флюидах присутствует значительное количество сероводорода и углекислого газа.

Конструкции буровых колонн, выполненные из высокопрочных алюминиевых сплавов, - это не замена традиционным стальным изделиям, это ключ к решению сложнейших задач в бурении глубоких, сверхглубоких и горизонтально направленных скважин, особенно при выполнении подобного вида работ на шельфе.

В современных конструкциях бурового оборудования детали, имеющие резьбу, составляют свыше 80% от общего количества деталей. Широкое применение резьбовых соединений в изделиях бурового оборудования объясняется их достоинствами: универсальностью. высокой надёжностью, способностью создавать и воспринимать большие осевые нагрузки, технологичностью и возможностью точного изготовления.

Одним из основных недостатков резьбового соединения, снижающего эксплуатационные характеристики, является значительная концентрация напряжений в местах резкого изменения поперечного сечения - во впадинах резьбы.

Актуальность настоящей работы обусловлена практической необходимостью повышения надёжности оборудования, снижением массы за счёт использования алюминиевых высокопрочных сплавов, повышением эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций при бурении в агрессивных средах и в условиях низких температур.

Степень разработанности темы. Работы последних лет в области механики остаточных напряжений позволили выяснить влияние различных технологических факторов на уровень остаточных напряжений. Предпринимались попытки оценить влияние остаточных напряжений на предел выносливости упрочнённых образцов и деталей с концентраторами. Но известные из литературных источников данные об оценке влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости резьбовых деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов ограничены, разобщены, имеют большой разброс, а порой и противоречивы. В нашей стране комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию и освоению серийного производства труб нефтяного сортамента из лёгких алюминиевых сплавов осуществлялся с конца 1950-х годов. . После распада СССР и падения объёмов бурения спрос на легкосплавные бурильные трубы значительно снизился. И только в последнее десятилетие, благодаря своему ос-

новному преимуществу - весу, возрос интерес со стороны международных компаний, занимающихся морским бурением. Необходимо подчеркнуть, что впервые в мире в 1998 году, на самарских предприятиях «СМЗ» и «ЦСКБ-ПРОГРЕСС» был изготовлен алюминиевый буровой глубоководный райзер, а с 2001 года по 2008 год было изготовлено свыше 400 секций райзеров. Эксплуатационные характеристики глубоководного райзера имели ряд ограничений (глубина до 1500 метров, усилие натяжения 6000 кН). Для создания сверхглубоководного (глубина более 3000 метров, усилие натяжения 9000 кН) райзера необходимо подобрать материал и изменить конструкцию соединения секций между собой. В связи с этим, в настоящее время наблюдается повышенный интерес к исследованиям в области создания резьбовой конструкции сверхглубоководного райзера. изготовленного из высокопрочных алюминиевых сплавов.

Цель и задачи. Цель работы - обеспечение повышения эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов, на основе исследования остаточных напряжений в образцах и деталях с концентраторами напряжений, а также подбора защитных износостойких покрытий на резьбовых конструкциях.

Задачи исследования:

- проведение теоретического и экспериментального исследований характера распределения остаточных напряжений по толщине упрочненного слоя трубной заготовки в зависимости от режимов обработки опережающим поверхностным пластическим деформированием;

- разработка расчётно-экспериментального метода определения остаточных напряжений в резьбовых деталях, изготовленных после опережающего поверхностного пластического деформирования, с целью прогнозирования предела выносливости резьбовых конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов;

- проведение исследований с целью выявления особенностей работы резьбовых деталей из материала 1953Т1;

- проведение исследования влияния формы трубной заготовки на распределение остаточных напряжений после 01111Д в трубных резьбовых конструкциях;

- разработка методики и проведение в реальных полевых условиях сравнительных испытаний на износостойкость резьбовых конструкций, изготовленных из алюминиевого сплава, с различными защитными покрытиями резьбы при свинчивании-развинчивании.

Объект исследования. Цилиндрические полые образцы, характерные для нефтегазовой отрасли с резьбой, изготовленной после упрочнения гладкой поверхности роликами на различных режимах.

Предмет исследования. Расчётно-экспериментальные методы повышения эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов.

Научная новизна:

- обосновано использование метода опережающего поверхностного пластического деформирования при изготовлении резьбовых трубных деталей из алюминиевых сплавов как способа повышения эксплуатационных характеристик;

- получены новые данные о величине и распределении остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя трубной заготовки из алюминиевого сплава 1953Т1

после различных режимов опережающего поверхностного пластического деформирования;

- обоснована методика прогнозирования предела выносливости резьбовых конструкций из алюминиевых сплавов в совокупности с математической моделью расчета остаточных напряжений в резьбе и предложен новый способ контроля условий безопасной работы материала 1953Т1;

- разработан метод испытаний на износостойкость резьбовых деталей с покрытиями, позволяющий оценить в реальных полевых условиях эксплуатационные характеристики резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов.

Теоретическая н практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что:

- доказана правомерность использования метода опережающего поверхностного пластического деформирования при изготовлении резьбовых трубных деталей из алюминиевых сплавов как способа повышения эксплуатационных характеристик;

- результативно использован комплекс существующих приемов и методов повышения сопротивления усталости резьбовых деталей для прогнозирования приращения предела выносливости по величине и характеру распределения остаточных напряжений в поверхностном слое;

- обоснованы и доказаны новые возможности повышения эксплуатационных характеристик алюминиевых трубных резьбовых конструкций, за счет применения износостойких защитных покрытий, до уровня показателей стальных резьбовых конструкций.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработанная методика прогнозирования предела выносливости позволяет сократить длительные и дорогостоящие испытания на усталость трубных резьбовых конструкций;

- обоснован основанный на использовании опережающего поверхностного пластического деформирования, способ упрочнения трубных заготовок, который позволяет достигнуть существенного упрочнения впадин резьбы, упрочнение которых другими способами затруднительно и дорогостояще;

- по результатам исследования, в зависимости от толщины стенки заготовки и среднего радиуса трубной детали впервые установлена оптимальная длина зоны упрочнения, которая исключает влияние краевого эффекта на распределение остаточных напряжений во впадинах резьбовой детали.

- предложен новый способ контроля трубных заготовок из высокопрочного сплава 1953Т1 в состоянии поставки с использованием условного критерия безопасной работы резьбовых деталей;

- разработанная на основании проведённых исследований методика прогнозирования предела выносливости с учётом остаточных напряжений, наведённых опережающим поверхностным пластическим деформированием, внедрена в ЗАО «Акватик БТ» (г. Москва) и используется для расчётов в «Руководстве по оценке эксплуатационного остаточного ресурса долговечности комплекта легкосплавных бурильных труб повышенной надёжности».

Методы исследования. Работа выполнена на основе классических методов теории упругости, теории пластичности и ползучести, механики деформируемого твёрдого тела. В работе весь необходимый комплекс расчётов методом конечно-элементного моделирования определения приращения предела выносливости и выбора оптимального режима упрочнения был выполнен с использованием расчётного ком-

плекса NAS TRAN/P ATRAN. Анализ и обработка результатов экспериментов выполнялись классическими статистическими методами с использованием компьютерной техники.

Положения, выносимые на защиту:

- положение о целесообразности определения остаточных напряжений и новые данные о их величине и распределении в поверхностном слое трубных заготовок из алюминиевого сплава 1953Т1 после упрочнения опережающим поверхностным пластическим деформированием на различных режимах;

- математическая модель расчёта остаточных напряжений в резьбе, выполненной после опережающего поверхностного пластического деформирования;

- методика прогнозирования предела выносливости резьбовых конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов в совокупности с новым способом контроля условий безопасной работы материала 1953Т1;

- результаты испытаний износостойкости защитных покрытий в резьбовых трубных конструкциях, полученных впервые в условиях полевых натурных испытаний.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, использованием научно обоснованных расчётных схем, применением апробированных аналитических и численных методов анализа и расчёта, проведением расчётов на современной вычислительной технике, корректным заданием исходных данных, а также сопоставлением теоретических расчётов с экспериментальными результатами других исследователей, опубликованными в научных изданиях и полученными лично автором.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: 5-м Международном форуме молодых учёных (Самара, 2010 г.), Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2011 г.). XVII Международной научно-практической конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Современная техника и технологии» (Томск. 2011 г.), Международной научно-технической конференция «Прочность материалов и элементов конструкций» (Киев, 2010 г., 2011 г.). Международной научно-технической конференции AVIA-20I1, Киев, 2011 г.). V Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург. 2011 г.). Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 3 статьи - в изданиях, определённых ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов, списка используемой литературы из 173 наименований. Содержит 121 страницы текста, включая 45 рисунков, 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель, изложены задачи, обоснована научная новизна, теоретическая и практическая значимость, дается краткое описание содержания разделов диссертационной работы.

В первом разделе проанализированы методы определения остаточных напряжений, их влияние на сопротивление усталости, прогнозирование предела выносливости. Анализ работ Биргера И.А., Иванова С.И., Кудрявцева И.В., Когаева В.П., Кравченко Б.А., Павлова В.Ф., Кирпичёва В.А., Папшева Д.Д., Подзея A.B., Радченко В.П., Сулимы A.M., Серенсена C.B., Степнова М.Н., Туровского M.J1. и других отечествен-

ных и зарубежных авторов, посвященных исследованию остаточных напряжений в деталях с концентраторами, их влиянию на сопротивление усталости и прогнозированию предела выносливости упрочнённых деталей, показал, что теоретические разработки по проблеме остаточных напряжений в концентраторах пока ещё далеки от завершения. Некоторые задачи измерения и влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости не решены ввиду сложности вопроса в теоретическом и практическом плане. Основные сложности возникают при исследовании остаточных напряжений в деталях с концентраторами напряжений, широко распространённых в различных резьбовых конструкциях бурильных колонн, причём наиболее часто усталостные разрушения наблюдаются именно по резьбе.

Для резьбовых соединений из лёгких, высокопрочных алюминиевых сплавов недостаточно изучено влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости в условиях концентрации напряжений. Исключительно важными являются вопросы повышения эксплуатационного ресурса резьбовых соединений колонны бурильных труб, другого бурового оборудования и инструмента, так как из-за преждевременного износа резьбы ежегодно выбраковываются сотни тысяч замковых резьбовых деталей вместе с бурильными трубами, а также другого дорогостоящего бурильного инструмента с резьбой. На основании выводов, сделанных по результатам проведённого анализа, сформулированы задачи исследования.

Второй раздел посвящён экспериментальным методам определения остаточных напряжений в трубных образцах, изготовленных из высокопрочного алюминиевого сплава 1953Т1. Для определения остаточных напряжений после различных режимов упрочнения опережающим поверхностным пластическим деформированием был использован метод колец и полосок.

-100,0 " -200,0:1

ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 ^¡¡¡¿^ 0,9

-300,0

С; 400,0 5-500,0

М- -560__

(5 600,0 ,,

-240

-320

"620 ■023"

Рисунок 1 — Распределение остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя при различных режимах опережающего поверхностного пластического деформирования

На рисунке 1 приведено распределение осевых а2 остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя а в гладких трубных образцах после обкатки роликами на различных режимах. Режимы обработки (варианты) определялись конечной толщиной стенки трубного образца, поэтому обозначение режимов соответствует конечному изменению толщины стенки трубной заготовки. Так режим 1,50 означает, что толщина стенки трубной заготовки в процессе упрочнения уменьшилась на 1,50 мм.

На основании обработки статистическими методами значений механических характеристик, указанных в сертификатах качества на поставку каждой плавки металла и, в связи с разрушениями резьбовой втулки во время приемных испытаний на заводе «ЦСКБ-Прогресс», автором предложен условный критерий безопасной работы материала 1953Т1, позволяющий контролировать трубные заготовки на стадии поставки.

ШТ • &П-

|Л] =- >

(Ов -(То.2)71 ' Зп

где сгв - предел прочности. С0 2 - условный предел текучести, 5— относительное удлинение: индекс 1)ЕТ относится к образцам-свидетелям, индекс ТУ относится к значениям механических характеристик, указанных в конструкторской документации. Условия безопасной работы материала 1953Т1 описываются следующей зависимостью:

[К]> 1,0

Такой подход к контролю качества трубных заготовок позволяет снизить риски и повысить эксплуатационные характеристики резьбовых конструкций глубоководного бурового алюминиевого райзера._

Рисунок 2 - Условный критерий безопасной работы материала 1953Т1

Третий раздел посвящён исследованиям методом конечно-элементного моделирования распределения остаточных напряжений во впадинах резьбы, изготовленной после опережающего поверхностного пластического деформирования, и прогнозированию приращения предела выносливости образцов с резьбой. Исследования, проведённые в последние годы показали, что влияние технологии изготовления на сопротивление усталости резьбовых деталей в значительной мере проявляется через остаточные напряжения во впадинах резьбы. Поэтому прогнозирование приращения предела выносливости и выбор технологии изготовления резьбовых деталей логично проводить по величине и характеру распределения остаточных напряжений в поверхностном слое впадины. Поскольку разрушение резьбовых деталей происходит, как правило, в сечении, проходящем через низшую точку впадины, то оно и является опасным, а его состояние определяет сопротивление усталости детали.

Начальным этапом исследования с использованием метода конечно-элементного моделирования и применением расчётного комплекса МЛЯТКЛТЧ/РЛТЯАЫ явилось определение коэффициента концентрации напряжений при растяжении и изгибе в наименьших сечениях впадин трубной конической резьбы. В силу симметрии образца относительно оси, в качестве расчётной модели использовалась половина осевого сечения образца и решение задачи выполнялось в плоской осесимметричной постановке. Расчётный комплекс РАТЯАЫ позволяет решать дан-

ную задачу с использованием конечного элемента типа 2D-Solid (6-ти узловой треугольный элемент).

Отсчёт номеров впадин выполнялся от цилиндрической части в сторону вершины конуса.

Расчёты распределения осевых oz остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя впадин резьбы выполнялись на конечно-элементных моделях, представленных на рисунке 3 с использованием комплекса NASTRAN /PATRAN при моделировании упрочнённого слоя по методу термоупругости. В качестве исходных данных для схемы нагружения модели были использованы результа-

Рисунок 3 - Фрагмент сетки конечно-элементной модели впадины первого витка резьбы

ты распределения осевых остаточных напряжении по толщине упрочненного слоя а. которые были получены для гладких образцов методом колец и полосок (рисунок 1).

Полученные по результатам расчётов распределения осевых остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя впадин резьбы, равной критической глубине нераспространяющейся трещины усталости, в относительных величинах у,'1кр приведены на рисунке 4. При этом у - текущая глубина слоя, изменяющаяся по величине от 0 до 1кр.

Критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости для кольцевого сечения полой детали определялась известным выражением :

i =0.02160

кр

1-0,04, | -0.54 |

где £) - наружный диаметр опасного сечения детали, с/ - внутренний диаметр поперечного сечения детали.

Q.—0* y/Uc, ед

у/Ь* гд-

а о

Рисунок 4 — Распределение остаточных напряжений в наименьшем сечении впадин витков резьбы: а - режим 0,50, б - режим 1,50

В третьем разделе также рассмотрены решения следующих задач:

- влияние длины зоны упрочнения заготовки под нарезание резьбы на распределение остаточных напряжений в наименьших сечениях впадин витков:

- влияние формы заготовки в продольном направлении (цилиндрическая или коническая) на распределение остаточных напряжений в наименьших сечениях впадин витков.

Для исследования влияния длины зоны упрочнения трубной заготовки под нарезание резьбы на распределение остаточных напряжений в наименьших сечениях впадин витков и определения её оптимальной величины была разработана конечно-элементная модель. При решения данной задачи рассматривался вариант упрочнения «Режим 1,50» с варьированием длины зоны упрочнения цилиндрической части, расположенной перед резьбовым конусом (рисунок 6) при различной

наименьшего сечения впадины 1 -го витка резьбы от длины зоны упрочнения цилиндрической части образца

Из данных, представленных на рисунке 5, следует, что для толщины стенки трубы h = 12 мм максимальный эффект упрочнения достигается при длине упрочнения цилиндрической части за резьбой 40-45 мм, для h = 6 мм - при длине упрочнения 30-35 мм, а для И = 4 мм - при длине упрочнения 20-25 мм, Таким образом установлено, что с уменьшением толщины стенки трубы уменьшается и минимальная длина упрочнения цилиндрической части, при которой достигается наибольший эффект упрочнения.

Анализ результатов расчётов показал, что на практике для назначения длины упрочняемой части трубной заготовки целесообразно использовать зависимость по определению зоны краевого эффекта для трубной детали:

L min = 2,5-J(Rcp = -h),

где Lml„ - минимальная длина упрочнения трубной детали за резьбовой частью, обеспечивающей максимальный эффект упрочнения, Rcp - средний радиус трубной детали, h — толщина стенки трубы.

Во всех предыдущих разделах рассматривался вариант, когда перед упрочнением заготовка имела форму цилиндра. Для сравнения и определения оптимальной формы заготовки законцовки трубы был исследован методом конечно-элементного моделирования вариант, когда упрочнённый слой имел конусность, угол которого соответствует конусу резьбы. Исследование проведено с целью определения изменения эффекта упрочнения по сравнению с цилиндрической формой заготовки.

Из данных, представленных на рисунке 6 видно, что изменение формы заготовки в продольном направлении незначительно влияет на распределение остаточных напряжений во впадинах резьбы.

10 0 ОД 0,1 0.3 0,4 0,5 О.

1 виток

D О 0.1 O.í "J 0 1 о,ь jvl-1UL—

2 виток

Рисунок 6 - Распределение осевых остаточных напряжений с цилиндрической и конической формами трубных заготовок Четвёртый раздел посвящен вопросам влияния остаточных напряжений, возникающих при опережающем поверхностном пластическом деформировании трубных образцов, на сопротивление усталости.

Образцы, упрочнённые по технологии и на режимах, аналогичных образцам для определения остаточных напряжений, подвергались испытаниям на усталость с целью определения пределов выносливости. Испытания на усталость при знакопеременном изгибе проводились на испытательном стенде СТ-20 конструкции ЗАО «ВНИИТНефть» в соответствии с методикой «Типовая методика испытаний бурильных труб на усталость при знакопеременном изгибе на стенде СТ-20». Предел выносливости определялся по методу ступенчатого изменения нагрузки. База испытаний составляла 5 х 10б циклов. Выстоявшие базу испытаний образцы на пределе выносливости доводились до разрушения на том же стенде при напряжениях, превышающих предел выносливости. Во всех упрочнённых резьбовых образцах наблюдались нераспространяющиеся трещины усталости. Результаты испытаний на усталость образцов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты испытаний на усталость образцов из сплава 1953Т1

Вариант

а./, МПа tm мм аос„„ МПа Ла.,, МПА

Неупрочнённые 98 - - -

Вариант 0,50 105 1,14 -63 0,103 7

Вариант 1,00 110 1,18 - 107 0,112 12

Вариант 1,50 135 1,17 -336 0,110 37

Вариант 2,00 85 - - - -

На основании проведённого сопоставления остаточных напряжений и пределов выносливости установлена связь между ними, основанная на использовании критерия апст среднеинтегральных остаточных напряжений.

ст...

.-Ч

я- J

Vw1

где Ог(0 ~ осевые остаточные напряжения в опасном сечении детали, £ = у/1кр -расстояние от поверхности опасного сечения детали до текущего слоя, выраженное в долях 1кр., 1кр - обозначена глубина ^распространяющейся трещины усталости, возникающей при работе детали на пределе выносливости.

Для вычисления приращения предела выносливости Л<7_/ упрочнённой детали с использованием критерия среднеинтегральных остаточных напряжений использовалась зависимость

Аа.1 = фа \дост\,

где ср„ - коэффициент влияния остаточных напряжений по критерию Ьост на предел выносливости упрочнённой детали. Приращение предела выносливости Лег, упрочнённых образцов по отношению к неупрочнённым, а также расчёта критерия (Хосп, и коэффициента 1р„ приведены в таблице 1.

Сравнительный анализ приращения пределов выносливости До./ гю расчёту (методика Кирпичёва В.А.) и по результатам эксперимента относительно неупроч-нённых образцов приведён в таблице 2.

Таблица 2 - Сравнение результатов расчёта и эксперимента

Режимы упрочнения Ло.,, МПа расчёт Л ст.,, МПа эксперимент

Режим 0.50 6,5 7

Режим 1,00 10,3 12

Режим 1,50 32,3 37

Из данных рисунка 1, таблиц 1 и 2 видно, что режимы опережающего поверхностного пластического деформирования оказывают существенное влияние на толщину упрочнённого слоя, характер распределения и величину остаточных напряжений. Всё это в итоге определяет эффективность технологического процесса опережающего поверхностного пластического деформирования в количественном выражении.

Были проведены также сравнительные испытания на усталость при одинаковом напряжении 100 МПа резьбовых образцов, изготовленных из материала 1953Т1 в стадии поставки и упрочнённых по варианту 1,50. Результаты испытаний на усталость показали значительное (более 200%) увеличение количества циклов до разрушения у резьбовых образцов, упрочнённых по варианту 1,50 в сравнении с неупрочнённым материалом в стадии поставки.

Пятый раздел посвящён вопросам износостойкости резьбовых соединений при испытаниях на свинчивание-развинчивание. Этот показатель является важнейшим при многократном выполнении спуско-подъёмных операций в процессах бурения и эксплуатации скважин. Алюминиевые трубные конструкции изготавливаются из более мягкого материала, чем сталь и поэтому возможное число циклов свинчивания-развинчивания у них меньше. Одним из способов устранения этого недостатка является нанесение на резьбу износостойких защитных покрытий. Для решения этой задачи выбраны наиболее эффективные и технологичные типы покрытий. проведены натурные испытания с целью определения показателей его из-

носостойкости для сравнения с показателями стальных труб. Для проведения испытаний использовался сплав 1953Т1. Были изготовлены парные образцы муфт и ниппелей с наружным диаметром 73мм и треугольным профилем резьбы в соответствии с ГОСТ 633-80. Та же самая резьба была изготовлена на образцах для испытаний на усталость. На парные образцы (муфта+ниппель) как на наружную поверхность резьбы, так и на внутреннюю были нанесены следующие варианты износостойких покрытий:

- вариант А - покрытие, содержащее 70%№+17%Сг+13%Ре;

- вариант Б - медное покрытие;

- вариант С - покрытие «КСИЛАН».

Рисунок 7 - Сравнение показателей износостойкости образцов из материала 1953Т1

без покрытия ( а) и с защитным покрытием 70%№+17%Сг+13%Рс (б) Проведённые металлографические исследования подтвердили тот факт, что износ резьбы образца с покрытием 70%№+17%Сг+13%Ре значительно меньше, чем износ образца без покрытия. Количество циклов свинчивания-развинчивания у образцов с покрытием 70%№+17%Сг+13%Ре близко к показателям стальных труб. Следует отметить, что износ рабочих поверхностей уменьшается по ходу резьбы и, как правило. отсутствует на последних 3-5 витках. Поверхность первых витков резьбы изнашивается больше.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнен научно-обоснованный комплекс теоретико-экспериментальных исследований по повышению эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов за счёт оптимизации режимов опережающего поверхностного пластического деформирования и использования износостойких защитных покрытий резьбы. При этом получены следующие результаты:

1. Обоснован способ упрочнения трубных резьбовых конструкций, основанный на использовании опережающего поверхностного пластического деформирования заготовки трубы. При использовании данного способа, выполненного на се-

рийном оборудовании, достигается существенное упрочнение впадин резьбы, упрочнение которых обычными способами затруднительно и дорогостояще.

2. Полученные значения величин и закономерности распределения остаточных напряжений в поверхностном слое трубной заготовки использовались в процессе выбора оптимального варианта упрочнения и оценки влияния упрочнения на предел выносливости резьбовой детали. Такой подход позволяет в дальнейшем сократить длительные и дорогостоящие испытания на усталость трубных резьбовых конструкций.

3. Проведена оценка влияния остаточных напряжений на предел выносливости трубных резьбовых деталей. При этом в испытаниях на усталость установлено, что в случае изгиба резьбовых образцов из сплава 1953Т1 после опережающего поверхностного пластического деформирования коэффициент влияния остаточных напряжений на предел выносливости составляет в среднем 0,11, что достаточно хорошо согласуется с расчетными данными (не более чем на 14 %).

4. По результатам исследования, в зависимости от толщины стенки трубной заготовки и среднего радиуса трубной детали впервые установлена оптимальная длина зоны упрочнения, которая исключает влияние краевого эффекта на распределение остаточных напряжений во впадинах резьбовой детали.

5. Установлено, что изменение формы поверхности (конусность) при опережающем поверхностном пластическим деформировании с последующим изготовлением конусной резьбы, оказывает незначительное влияние на распределение остаточных напряжений в опасном сечении резьбовых деталей, что значительно упрощает технологию определения пределов выносливости.

6. Результаты испытаний на усталость показали значительное (более 200%) увеличение количества циклов до разрушения у резьбовых образцов, упрочнённых по варианту 1,50 в сравнении с неупрочнённым материалом в стадии поставки

7. Предложена математическая зависимость для назначения длины упрочняемой части трубной заготовки.

8. Предложен новый способ контроля трубных заготовок из высокопрочного сплава 1953Т1 в состоянии поставки с использованием условного критерия безопасной работы резьбовых деталей.

9. Введение в практику эксплуатации рекомендованного защитного покрытия (70%Ni-H7%Cr+13%Fe) позволило практически сохранить геометрию резьбовых витков после 30 циклов свинчивания-развинчивания, что сопоставимо с результатами испытаний стальных труб.

10. Увеличенный износ первых 2-3 витков резьбы вызван нестационарным началом процесса ввинчивания ниппеля в муфту, в связи с этим возможности повышения эксплуатационных характеристик резьбового соединения лежат в изменении геометрии заходной части первых трех витков резьбы — выполнение увеличенного скоса на заходных витках и притупление образовавшихся острых кромок

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

из перечня ведущих научных рецензируемых журналов и изданий:

1.Кирпичёв, В.А. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочнённых цилиндрических образцов различного диаметра / В.А. Кирпичёв, В.Ф. Павлов, A.B. Чирков, A.B. Иванова // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет), №5. - 2012. - С.108-! 15.

2. Сазанов, В.П. Моделирование остаточного напряжённого состояния деталей в условиях концентрации напряжений с использованием программного комплекса NASTRAN.PATRAN / В.П. Сазанов, A.B. Чирков, О.Ю. Семенова, A.B. Иванова // Вестник Самарского государственного технического университета: технические науки. №1(33). - 2012. - С.106-114.

3. Иванова, A.B. Испытания насосно-компрессорных труб из алюминиевых сплава 1953Т1 с износостойкими резьбовыми покрытиями / A.B. Иванова // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет), №2. - 2013. - С.144-148.

в других изданиях:

4. Иванова, A.B. Оценка влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости образцов с надрезами из алюминиевых сплавов по остаточным напряжениям / A.B. Иванова, Д.В. Иванов, H.H. Микушев // Современная техника и технологии: труды Седьмой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. - Томск, 2011. - Том 1. - С.303-304.

5. Иванова, A.B. Учёт масштабного фактора при прогнозировании предела выносливости поверхностно упрочнённых деталей /A.B. Иванова, С.А. Колычев, Ю.Д. Смирнова // Труды Восьмой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. - Томск, 2011. - Том 1. - С.305-306.

6. Кирпичёв, В.А. Влияние глубины надреза на предел выносливости при опережающем поверхностном пластическом деформировании / В.А. Кирпичёв. B.C. Вакулюк, А.П. Филатов, A.B. Иванова // Механика микронеоднородных материалов и разрушение: тезисы докладов на Седьмой Российской научно-технической конференции. - Екатеринбург, 2012. - С.62.

7. Кирпичёв, В.А. Зависимость распределения остаточных напряжений и предела выносливости образцов от радиуса надреза при опережающем поверхностном пластическом деформировании / В.А. Кирпичёв, В.Ф. Павлов, Е.А. Денискина,

A.B. Иванова, П.Е. Киселёв // Математическое моделирование и краевые задачи: труды Восьмой Всероссийской научной конференции с международным участием. Математические модели механики, прочности и надёжности элементов конструкций. - Самара. 2011. - Часть 1. - С. 116-121.

8. Кирпичёв, В.А. Оценка влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости образцов с концентраторами напряжений из алюминиевых сплавов /

B.А. Кирпичёв, А.П. Филатов, О.В. Каранаева, A.B. Иванова // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: труды Международной научно-технической конференции. - Самара, 2011. - С.211-212.

9. Кирпичёв, В.А. Влияние пневмодробеструйной обработки на предел выносливости образцов с надрезами из сплавов В95 и Д16Т / В.А. Кирпичёв, A.B. Чирков. A.B. Иванова, H.A. Сургутанов // Тезисы докладов на Региональной научно-практической конференции, посвященной 50-летию первого полёта человека в космос. - Самара. 2011. - С.70-71.

10. Павлов, В.Ф. Остаточные напряжения в образцах с отверстиями из сплава ЭИ698ВД / В.Ф. Павлов, B.C. Вакулюк, A.C. Букатый, A.B. Иванова, A.B. Ур-лапкин // Проблемы динамики и прочности в турбомашиностроении: тезисы докладов на Четвёртой Международной научно-технической конференции. - Украина, Киев, 2011. - С.189-190.

11. Павлов, В.Ф. Влияние масштабного фактора на предел выносливости поверхностно-упрочнённых деталей в условиях концентрации напряжений / В.Ф. Павлов, B.C. Вакулюк, В.П. Сазанов, A.B. Иванова// Ресурс и диагностика материалов и конструкций: тезисы докладов на Пятой Российской научно-технической конференции. - Екатеринбург, 2011. - С.54.

12. Сазанов, В.П. Остаточные напряжения и предел выносливости упрочнённых образцов с концентраторами напряжений / В.П. Сазанов. Ю.С. Ларионова. С.А. Михалкина. A.B. Иванова // Мавлютовские чтения: Российская научно-техническая конференция, посвященная 85-летию со дня рождения член-корр. РАН, д.т.н., профессора P.P. Мавлютова. - Уфа, 2011. - С.175-178.

13. Сазанов, В.П.. Исследование влияния радиуса и глубины надреза на характер распределения остаточных напряжений в наименьшем сечении поверхностно упрочнённой детали / В.П. Сазанов, Ю.С. Ларионова. С.А. Михалкина. A.B. Иванова, A.A. Филиппов // Симпозиум: тезисы докладов. Самолётостроение России. Проблемы и перспективы. - Самара, 2012. - С.342-343.

14. Чирков, A.B. Методика моделирования перераспределения остаточных напряжений в деталях с концентраторами по первоначальным деформациям / A.B. Чирков, В.П. Сазанов, О.Ю. Семёнова, A.B. Иванова // Тезисы докладов на Десятой Международной научно-технической конференция AVIA-2011. - Украина, Киев. -С.653-656.

15. Иванова, A.B. Использование условного критерия для оценки безопасной работы деталей из сплава 1953Т1 / A.B. Иванова, С.С. Бурнаев, Д.А. Матвеев // Международная молодёжная научная конференция XII Королёвские чтения. - Самара, СГАУ, 2013.-С.105.

16. Иванова, A.B. Остаточные напряжения и предел выносливости поверхностно упрочнённых образцов с концентраторами из алюминиевых сплавов / A.B. Иванова, H.H. Микушев, П.Е. Киселёв, М.О. Перфильева // Труды Всероссийской молодёжной научной конференции, посвященная 55-летию Уфимского института путей сообщения: современное техническое образование и транспортный комплекс России: состояние, проблемы и перспективы развития. - Самара,Уфа: СамГУПС, 2013.-С.243.

17. Кирпичёв, В.А. Остаточные напряжения и сопротивление усталости образцов с надрезами различной глубины после опережающего поверхностного пластического деформирования / В.А. Кирпичёв, В.П. Сазанов, A.B. Иванова, С.А. Михалкина, П.А. Шляпников // Международная научно-техническая конференция. Усталость и термоусталость материалов и элементов конструкций. - Украина, Киев: Институт проблем прочности им. Г.С. Писаренко HAH Украины, 2013. - С.139-140.

Подписано в печать 25 ноября 2013г. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать оперативная. Объём 1,0 печ. л. Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета 443086, Самара, Московское шоссе 34. Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С П. Королева (национальный исследовательский университет)

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Иванова, Алина Всеволодовна, Самара

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)»

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

На правах рукописи

04201454725

Иванова Алина Всеволодовна

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., доцент В.А. Кирпичёв

Самара - 2013

стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 4

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................... 11

1.1. Остаточные напряжения и особенности возникновения остаточных напряжений при опережающем поверхностном пластическом деформировании....................................................................................................................................11

1.2. Методы определения остаточных напряжений в деталях............. 15

1.3. Влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости..... 21

1.4. Прогнозирование предела выносливости.................................. 26

1.5.Выводы и постановка задач исследования..................................... 31

2. ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ТРУБНЫХ ОБРАЗЦАХ С РЕЗЬБОЙ.............................................................................. 34

2.1. Экспериментальное определение остаточных напряжений............ 34

2.1.1. Методика измерения остаточных напряжений в цилиндрических образцах......................................................................................................................................35

2.1.2. Установка, приспособления, электролиты для определения остаточных напряжений..........................................................................................................38

2.2. Расчетно-экспериментальное распределение остаточных напряжений в трубных образцах..................................................... 44

2.2.1. Особенности материала 1953Т1......................................... 46

2.3. Режимы упрочняющих обработок алюминиевых трубных заготовок для создания остаточных напряжений..................................... 49

2.4. Выводы по разделу............................................................. 52

3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ВО ВПАДИНАХ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРИРАЩЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ РЕЗЬБОВЫХ ОБРАЗЦОВ.......... 53

3.1. Определение коэффициентов концентрации во впадинах резьбы....... 54

3.2. Расчёт распределения осевых остаточных напряжений по глубине впадин резьбы.................................................................. 57

3.3. Исследование технологического процесса упрочнения трубных заготовок............................................................................. 60

3.3.1. Определение оптимальной длины зоны упрочнения заготовки для нарезания резьбы............................................................... 60

3.3.2. Исследование формы упрочнённой части заготовки для нарезания резьбы............................................................................................................................................62

3.4. Выводы по разделу................................................................ 66

4. СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ АЛЮМИНИЕВЫХ ТРУБНЫХ ОБРАЗЦОВ С РЕЗЬБОЙ....................................................... 67

4.1. Методика проведения испытаний на усталость......................... 67

4.2. Влияние остаточных напряжений, возникающих при предварительном пластическом, деформировании алюминиевых трубных заготовок, на сопротивление усталости............................................. 74

4.3. Прогнозирование предела выносливости алюминиевых трубных образцов с резьбой, выполненной после опережающего пластического деформирования поверхностного слоя...................................... 78

4.4. Выводы по разделу.............................................................. 83

5. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЕВЫХ ТРУБНЫХ ОБРАЗЦОВ С ПОКРЫТИЯМИ.................. 84

5.1. Образцы для проведения исследования. Варианты изготовления защитных покрытий на резьбе......................................................................................................84

5.2. Проведение испытаний образцов............................................. 87

5.3. Результаты испытаний износостойких резьбовых покрытий........... 91

5.4. Выводы по разделу............................................................... 95

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................... 96

7. ЛИТЕРАТУРА....................................................................... 99

ВВЕДЕНИЕ

Традиционными областями применения алюминия считаются авиация, автомобилестроение, пищевая промышленность. Между тем, из сплавов на основе «крылатого металла» уже несколько десятилетий изготавливаются трубы для добычи нефти и газа. Освоение арктических месторождений углеводородов сформулировало новые задачи перед отечественной промышленностью. За последние годы произошли значительные изменения в условиях и технологиях бурения. Как следствие, произошло увеличение глубины бурения скважин, появились наклонно-направленные и горизонтальные скважины, значительно расширилось шельфовое бурение, в большинстве случаев стали применяться комбинированные способы бурения. При этом первостепенное значение приобретает проблема обеспечения работоспособности бурильных колонн, так как их стоимость при больших глубинах бурения сопоставима со стоимостью всей буровой установки. Наиболее слабыми элементами конструкции, снижающими эксплуатационные характеристики буровых колонн являются резьбовые соединения. По данным «ВНИИТнефть» около 60% аварий с бурильными трубами происходит по резьбе и в, основном, они связаны с усталостными повреждениями. В связи с этим, к материалам бурильных труб и способам увеличения эксплуатационных характеристик стали предъявляться повышенные требования.

При проектировании глубоких и, особенно наклонно-направленных скважин важно обеспечить высокие эксплуатационные характеристики буровых колонн. Компоновка буровой колонны во многом определяет технико-экономические показатели процесса бурения скважин, что накладывает ограничения на выбор материалов бурильных труб и коэффициента запаса прочности. Для снижения номинала грузоподъёмности бурового станка важную роль играет общий вес буровой колонны. Известно, что алюминий легче чем

сталь и при низких температурах в полном объёме сохраняет свои механические свойства, что особенно важно в условиях арктического шельфового бурения. Кроме этого, у алюминиевых сплавов есть ещё ряд преимуществ перед стальными, а именно: высокая удельная прочность, больший коэффициент облегчения в буровых растворах, низкий модуль упругости и сдвига, меньший коэффициент трения в обычных буровых растворах и более низкий коэффициент гидравлического сопротивления, повышенная демпфирующая способность.

Для производства бурильных труб используется несколько высокопрочных алюминиевых сплавов: стандартные промышленные сплавы Д16, АК4-1, АК8 и специально разработанный для этой цели сплав 1953, обладающей повышенной коррозионной стойкостью и применяется в тех случаях, когда в пластовых флюидах присутствуют значительное количество сероводорода и углекислого газа.

Конструкции буровых колонн, выполненные из высокопрочных алюминиевых сплавов, - это не замена традиционным стальным изделиям, это — ключ к решению сложнейших задач в бурении глубоких, сверхглубоких и горизонтального направленных скважин, особенно при выполнении подобного вида работ на шельфе.

В современных конструкциях бурового оборудования детали, имеющие резьбу, составляют свыше 80% от общего количества деталей. Широкое применение резьбовых соединений в изделиях бурового оборудования объясняется их достоинствами: универсальностью, высокой надёжностью, способностью создавать и воспринимать большие осевые силы, технологичностью и возможностью точного изготовления.

Работы последних лет в области механики остаточных напряжений позволили выяснить влияние различных технологических факторов на уровень остаточных напряжений. Предпринимались попытки оценить влияние остаточных напряжений на предел выносливости упрочнённых образцов и деталей с концентраторами. Но известные из литературных источников данные об оценке влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости резьбовых деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов ограничены, разобщены, имеют большой разброс, а порой и противоречивы.

В нашей стране комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию и освоению серийного производства труб нефтяного сортамента из легких алюминиевых сплавов осуществлялся с конца 1950-х годов. После распада СССР и падения объемов бурения спрос на легко-сплавные бурильные трубы значительно снизился. Недостаточный объем внедрения алюминиевых конструкций при строительстве скважин объясняется не техническими или технологическими, а мировоззренческими трудностями специалистов, определяющих перспективы развития техники, в том числе для конкретных «проблемных» регионов, коим является Арктика. Неоправданно большое значение придается случаям неудачных испытаний, или непродуманного применения изделия. Например, бурильные трубы Reynolds Aluminum, неудачно применявшиеся в 70х годах в различных условиях на море, надолго сформировали отношение к изделию, как чрезвычайно «чувствительному» к морской среде, работе с клиновым захватом, сложному для управления траекторией скважины, склонному к абразивному износу, и при этом дорогому при сдаче в аренду. Только в 90-х годах алюминиевые

трубы из сплава 1953Т1 позволили продемонстрировать возможности работы в морских условиях, а затем в 2000-х и возможности бурения горизонтальных скважин сложной конфигурации с применением современных навигационных систем. Однако, этих примеров пока не достаточно для адекватного развития технологии и использования всех ее преимуществ.

И только в последние десятилетие, благодаря своему основному преимуществу - весу, возрос интерес со стороны международных компаний, занимающихся морским бурением. В связи с этим, наблюдается повышенный интерес к исследованиям в области создания резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов.

Поэтому пути повышения эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов, являются насущной задачей теории и практики производства высокотехнологичного бурового оборудования. На рисунке 1 хорошо видно, что происходит с материалом резьбовых конструкций в условиях агрессивной среды.

а б

Рисунок 1 - Фотография резьбы НКТ 73 мм, эксплуатировавшейся на Са-мотлорском месторождении: а - алюминиевая труба после 1,4 года эксплуатации, б - стальная НКТ после 4 месяцев эксплуатации

В настоящей работе развита научно-техническая задача, имеющая существенное значение для повышения эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавав, за счет выбора рациональных, расчетно-обоснованных параметров процесса опережающего поверхностного пластического деформирования и его реализации на основе прогнозирования предела ограниченной выносливости и подбора износостойкого защитного покрытия. Результаты исследований позволят приблизить эксплуатационные характеристики алюминиевых трубных изделий к стальным изделиям, что особенно ценно в условиях низких температур и агрессивных сред, когда применение стали вообще невозможно.

Целью настоящей работы является обеспечение повышения эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов на основе исследования остаточных напряжений в образцах и деталях с концентраторами напряжений, а также подбора защитных износостойких покрытий на резьбовых конструкциях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

-получены новые данные о величине и распределении остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя трубной заготовки из алюминиевого сплава 1953Т1 после различных режимов опережающего поверхностного пластического деформирования;

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов, списка используемой литературы из 173 наименований. Содержит 121 страниц текста, включая 45 рисунков, 9 таблиц.

В первом разделе приведён обзор литературы по теме диссертации и сформулированы задачи исследования.

Второй раздел посвящен экспериментальным методам определения остаточных напряжений в трубных образцах, изготовленных из высокопрочного алюминиевого сплава 1953Т1. Для определения остаточных напряжений после различных режимов упрочнения опережающим поверхностным пластическим деформированием был использован метод колец и полосок.

Третий раздел посвящен исследованиям методом конечно-элементного моделирования распределения остаточных напряжений во впадинах резьбы, изготовленной после опережающего поверхностного пластического деформирования и прогнозированию приращения предела выносливости

Четвёртый раздел посвящён вопросам влияния остаточных напряжений, возникающих при опережающем поверхностном пластическом деформировании трубных образцов, на сопротивление усталости.

Пятый раздел посвящен вопросам износостойкости резьбовых соединений при испытаниях на свинчивание-развинчивание. Этот показатель является важнейшей эксплуатационной характеристикой резьбовых конструкций, особенно для алюминиевых сплавов.

Положения, выносимые на защиту:

Диссертация завершается заключением о выполнении комплекса теоретико-экспериментальных исследований по повышению эксплуатационных характеристик трубных резьбовых конструкций, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов за счёт оптимизации режимов опережающего поверхностного пластического деформирования и использования износостойких защитных

Диссертация выполнена на кафедре сопротивления материалов Федерального государственного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)».

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Первые работы о роли остаточных напряжений и их влиянии на сопротивление усталости были опубликованы более века назад русскими учёными Калакуцким Н.В. и Умновым И.А.

1.1. Остаточные напряжения и особенности возникновения остаточных напряжений при опережающем поверхностном пластическом деформировании

Остаточные напряжения - это самоуравновешенные напряжения, которые сохраняются внутри твёрдого тела при отсутствии внешних сил после неравномерного силового или теплового воздействия. Различают три вида остаточных напряжений:

- Макронапряжения (остаточные напряжения 1 рода);

- Микронапряжения (остаточные напряжения 2 рода);

- Субмикроскопические (остаточные напряжения 3 рода);

Остат�