Обгрунтування застосування двоопорних різьбових з'єднань пустотілих насосних штанг

Abstract

Частими відмовами стандартних різьбових з’єднань пустотілих насосних штанг є їх втомні поломки, самовідґвинчування та втрата герметичності. В основному, це спричинено такими недоліками конструкції, як нерівномірний розподіл навантаження по витках різьби, недостатня площа опори, концентрація напружень у зарізьбовій канавці, низький опір навантаженням згину і кручення. За допомогою ітеративного проектування, яке базується на параметричному геометричному моделюванні та методі скінченних елементів, обґрунтовано доцільність застосування двоопорних різьбових з’єднань для пустотілих насосних штанг та удосконалено їх конструкцію. Удосконалене з’єднання має два опорних торця, модифіковані зарізьбові канавки з еліптичним профілем, корекцію першого витка різьби ніпеля та оптимальні величини натягів. Завдяки цьому з'єднання володіє більшою герметичністю, міцністю під час згину, кручення та стиску, вищим опором до самовідґвинчування, більш рівномірним розподілом навантаження на витки та більшою втомною міцністю у порівнянні зі стандартним. Збільшено значення коефіцієнта запасу втомної міцності в зоні першого витка ніпеля на 13..14 одиниць, в зоні останнього витка муфти на 2,6...4, в зоні зарізьбової канавки ніпеля на 0...0,4. Застосування пружного елемента на додатковій опорі дозволило збільшити допуск натягу на ній до 0,2 мм, що робить непотрібним контроль натягу перед зґвинчуванням. Навіть після пошкодження пружної частини та втрати натягу на додатковій опорі з'єднання буде міцнішим за стандартне. У разі ремонту штанг удосконалені ніпелі можна легко впровадити шляхом приварювання їх до тіла штанги. Існує також можливість впровадження двоопорних циліндричних з’єднань без значної моди фікації стандартного ніпеля.

Frequent failures of standard threaded connections of hollow sucker rods are caused by their fatigue failures, self-loosening and leakages. This is mainly caused by such design flaws as unequal load on threads, insufficient shoulder area, stress concentration in the groove, low resistance to bending and torsion loads. Using iterative design, based on parametric geometric modeling and the finite element method, the feasibility of using double shoulder threaded connections for hollow sucker rods has been proved and their design has been improved. The improved connection has two shoulders, modified grooves with an elliptical profile, correction of the first turn of the nipple thread and optimal values of interferences. Due to this, the joint has greater tightness, strength at bending, torsion and compression, higher resistance to self-loosening, more equal load on the threads and greater fatigue strength compared to the standard one. The value of the fatigue safety factor in the area of the first turn of the nipple thread is increased by 13...14, in the area of the last turn of the coupling – by 2.6...4, in the area of the nipple groove by 0…0.4. The use of an elastic element on an additional shoulder allowed increasing the tolerance of the interference on it to 0.2 mm, making it unnecessary to control dimensions before screwing. Even after damage to the elastic part and loss of tension on an additional shoulder, the connection has greater strength than the standard one. In case of rod repairs, improved nipples can be easily implemented by welding them to the rod body. There is also the possibility of implementation of double shoulder cylindrical connections without modifying the standard nipple.