Устройство для развальцовки труб

Предложение относится к области раздачи стальных труб обработкой давлением и предназначено, в частности, для развальцовки профильных перекрывателей при капитальном ремонте скважин. Для устранения проскальзывания вальцующих элементов (шарошек, конических роликов) относительно вальцуемой стальной трубы, установленных на осях корпуса устройства для развальцовки, наружная поверхность вальцующих элементов изготавливается рифленой. Кроме этого, максимальный диаметр вальцующих элементов, угол наклона осей вальцующих элементов по отношению к оси трубы и угол конусности вальцующих элементов выбирается таким образом, чтобы выполнялось соотношение:

, где:

d - максимальный диаметр окружности, описанной вокруг вальцующих элементов устройства,

d _p - максимальный диаметр вальцующих элементов,

а ₁ - угол наклона осей вальцующих элементов по отношению к геометрической оси устройства,

а₂ - угол конусности рабочих конических поверхностей вальцующих элементов.

Описанные усовершенствования устройства для развальцовки труб повышают надежность и эффективность его работы, а также качество развальцовки профильных труб за счет исключения скольжения вальцующих элементов по обрабатываемой ими поверхности.

Предложение относится к области раздачи стальных труб обработкой давлением и предназначено, в частности, для развальцовки устройств из профильных труб при установке их в скважинах.

Известен «Развальцеватель труб» (см. А.с. СССР №1518995 А1, кл. В 21 D 39/10, опубл. БИ №40 1989 г.), содержащий размещенный в полом корпусе конусный опорный ролик, а также расположенные по окружности с возможностью взаимодействия с опорным роликом конусные вальцующие ролики, который может быть использован для расширения труб и выправления вмятин на трубах.

Известно также устройство для развальцовки перекрывателей из профильных труб, устанавливаемых в скважинах (см. патент РФ №2056201, кл. В 21 D 39/10, опубл. БИ №8 1996 г.), представляющее собой полый корпус, в котором с помощью осей на опорных пластинах установлены вальцующие элементы.

Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и количеству совпадающих существенных признаков является устройство для развальцовки труб, устанавливаемых в скважинах (см. патент РФ №2191883, кл. Е 21 В 29/10, опубл. БИ №30 2002 г.), которое содержит корпус с центральным каналом, резьбами для соединения со скважинным оборудованием и углублениями на наружной поверхности, в которых размещены вальцующие элементы с коническими рабочими поверхностями, установленные на осях.

Недостатком известных устройств является быстрый износ рабочей (наружной) поверхности вальцующих элементов (шарошек, роликов, далее ВЭ) вследствие проскальзывания их относительно поверхности развальцовываемой стальной трубы из-за гладкости и неопределенности конусности рабочих поверхностей ВЭ, что приводит к преждевременному выходу устройства из строя.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение,, надежности работы устройства и качества развальцовки труб за счет устранения проскальзывания ВЭ относительно стенок развальцовываемой стальной трубы, исключения образования наплывов, плен и закатов на ее стенках.

Техническая задача решается устройством для развальцовки труб, включающим корпус с центральным каналом, резьбами для соединения со скважинным оборудованием

и углублениями на наружной поверхности, в которых размещены вальцующие элементы с коническими рабочими поверхностями, установленные на осях.

Новым является то, что на конических рабочих поверхностях вальцующих элементов выполнены рифления, а угол конусности рабочих конических поверхностей вальцующих элементов определяют из соотношения:

d - максимальный диаметр окружности, описанной вокруг вальцующих элементов устройства,

d _p - максимальный диаметр вальцующих элементов,

₁ - угол наклона осей вальцующих элементов по отношению к геометрической оси устройства,

₂ - угол конусности рабочих конических поверхностей вальцующих элементов. Анализ известных аналогичных решений позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками заявляемого устройства, т.е. о соответствии заявляемого решения критерию «новизна», а критерий «промышленная применимость» не вызывает сомнений.

Выполнение на конических поверхностях ВЭ, контактирующих с поверхностью развальцовываемой трубы, рифлений позволяет увеличить коэффициент трения скольжения ВЭ о стальную трубу, примерно, с 0,1 до 0,2. Как показали расчеты, увеличение коэффициента трения ВЭ о поверхность стальной трубы с 0,1 до 0,15-0,2 приводит к увеличению относительной разности моментов сил, с одной стороны, способствующих качению ВЭ, а с другой - моментов сил, препятствующих качению ВЭ, в 2-2,5 раза.

Для ВЭ, как для твердых тел качения, в процессе развальцовывания устанавливается одна, некоторая усредненная величина угловой скорости вращения, которая совпадает с идеальной угловой скоростью вращения (т.е. когда качение ВЭ осуществляется без проскальзывания) только в одном поперечном сечении ВЭ, потому что, в общем случае, для каждого поперечного сечения (по высоте ВЭ) передаточное отношение пары вальцующий элемент-труба является различным. Вращение точек во всех других поперечных сечениях ВЭ происходит, в общем случае, уже с проскальзыванием относительно поверхности развальцовываемой стальной трубы, что приводит к неизбежному быстрому износу рабочих поверхностей ВЭ.

Исследования показали, что при определенном соотношении (1) между внутренним диаметром стальной трубы после ее развальцовывания (т.е. максимальным диаметром окружности, описанной вокруг вальцующих элементов устройства), максимальным диаметром вальцующих элементов, углом наклона осей вальцующих элементов по отношению к геометрической оси устройства и углом конусности рабочих конических поверхностей вальцующих элементов передаточное отношение пары вальцующий элемент-труба не меняется по высоте ВЭ, что устраняет проскальзывание участков ВЭ относительно стенки развальцовываемой стальной трубы.

Соотношение (1) определяют следующим образом.

Находят соотношение между диаметром вальцующего элемента и внутренним диаметром развальцовываемой трубы в произвольном сечении, поперечном геометрической оси устройства:

где d_РА и d _А - диаметр вальцующего элемента и соответствующий внутренний диаметр трубы в процессе развальцовывания в произвольном сечении, поперечном геометрической оси устройства.

Отсюда

Отношение угловой скорости вращения ВЭ относительно своей оси к угловой скорости вращения устройства относительно своей геометрической оси (т.е. передаточное отношение пары вальцующий элемент-труба) в произвольном сечении, поперечном геометрической оси устройства выражается следующим образом:

Это отношение является функцией от диаметра d_А, т.е., в общем случае, будет меняться по высоте ВЭ. Следовательно, при неизменной угловой скорости вращения устройства, угловая скорость вращения отдельных поперечных сечений ВЭ также будет меняться по высоте ВЭ.

Находят зависимость между величинами, входящими в уравнение (2), когда отношение n будет неизменньм по высоте ВЭ:

Дифференцируя обе части последнего равенства (производная постоянной величины равна нулю), получают:

Отсюда получают окончательную зависимость между максимальным диаметром окружности, описанной вокруг вальцующих элементов устройства, максимальным диаметром вальцующих элементов, углом наклона осей вальцующих элементов по отношению к геометрической оси устройства и углом конусности рабочих конических поверхностей вальцующих элементов, при выполнении которой передаточное отношение остается неизменным по всей высоте ВЭ:

На Фиг.1 изображен общий вид устройства для развальцовки труб с частичным продольным разрезом; на Фиг.2 - вальцующий элемент с рифленой рабочей поверхностью; на Фиг.3 - схема для расчета соотношения параметров конструкции устройства.

Устройство для развальцовки труб содержит корпус 1 (Фиг.1) с центральным каналом 2, верхней 3 и нижней 4 резьбами для соединения со скважинным оборудованием и углублениями 5 на наружной поверхности, в которых размещены вальцующие элементы б с коническими рабочими поверхностями 7, установленные на осях 8. На конических рабочих поверхностях 7 (Фиг.2) вальцующих элементов 6 выполнены рифления 9 (например, накаткой на глубину 0,2-0,4 мм с шагом 1,5×1,5 мм). Угол конусности ₂ (Фиг.3) рабочих конических поверхностей 7 вальцующих элементов 6 определяют из соотношения (1).

Устройство работает следующим образом.

Устройство в сборе (Фиг.1) присоединяют с помощью верхней резьбы 3 к колонне труб (не показана) и спускают в скважину (не показана), в которой предварительно установлены профильные трубы 10 с помощью их гидравлического расширения. По достижении устройством верхнего конца профильных труб 10 колонну труб начинают вращать

при одновременном создании осевой нагрузки вниз и промывки полости труб и устройства через центральный канал 2 корпуса 1 закачкой технологической жидкости. При этом недожатые давлением жидкости участки профильных труб 10 выправляются до плотного прижатия всей наружной их поверхности к стенке скважины за счет взаимодействия с коническими рабочими поверхностями 7 вальцующих элементов 6, которые вращаются на осях 8 в углублениях 5 корпуса 1.

В результате вышесказанного, обеспечивается развальцовывание всей профильной трубы 10 без проскальзывания вальцующих элементов 6 относительно нее, что в совокупности повышает качество развальцовки за счет исключения задиров, возникающих при проскальзывании поверхностей. По окончании развальцовывания колонну труб с устройством поднимают из скважины.

Пример конкретного выполнения:

для развальцовывания стальной профильной трубы 10 с внутренним диаметром 186 мм до диаметра d=218 мм, при максимальном диаметре вальцующих элементов 6 d_p=-79,2 мм и угле конусности вальцующих элементов 6 ₂=5°, угол наклона осей вальцующих элементов 6 по отношению к геометрической оси устройства согласно формуле (1) равен ₁=8°45'.

Описанные усовершенствования устройства для развальцовки труб повышают надежность и эффективность его работы, а также качество развальцовки профильных труб за счет исключения скольжения вальцующих элементов по обрабатываемой ими поверхности.

Устройство для развальцовки труб, включающее корпус с центральным каналом, резьбами для соединения со скважинным оборудованием и углублениями на наружной поверхности, в которых размещены вальцующие элементы с коническими рабочими поверхностями, установленные на осях, отличающееся тем, что на конических рабочих поверхностях вальцующих элементов выполнены рифления, а угол конусности рабочих конических поверхностей вальцующих элементов определяют из соотношения

где d - максимальный диаметр окружности, описанной вокруг вальцующих элементов устройства;

d _p - максимальный диаметр вальцующих элементов;

₁ - угол наклона осей вальцующих элементов по отношению к геометрической оси устройства;

₂ - угол конусности рабочих конических поверхностей вальцующих элементов.