Метод оценки работоспособности эластомерных деталей с учетом упруговязкопластических свойств материала

Актуальность работы. Для большинства действующих нефтяных скважин актуальна задача увеличения количества добываемой части нефти. В том числе решение этой задачи важно и для Египта, имеющего много скважин в Красном море. Технически эта задача решается разными средствами, но первоначально необходимо сделать анализ состояния скважины. Несколько лет назад начались работы по созданию специального кабеля-толкателя для проталкивания инструмента в скважину. Так как скважина находится на километровых глубинах моря, а сама скважина имеет километровые длины вопросы безопасности и надежности чрезвычайно актуальны. В окружении кабеля находится множество эластомерных деталей, часть из которых разрабатывалась: главное уплотнение, обеспечивающее абсолютную герметичность и минимальную силу трения при проталкивании кабелягрязесъемники, предохраняющие главное уплотнение от попадания абразивных частиц как со стороны донной воды при проталкивании кабеля, так и со стороны скважины при вытаскивании кабелятолкатель и его подушки, обеспечивающие требуемую силу проталкивания и вытягивания (при том, что поверхность кабеля покрыта антифрикционным материалом и смочена водой и остатками нефти).

Ставилась задача разработать эти детали, выпустить прототипы и экспериментально подтвердить их соответствие техническим требованиям. Так как требования по температурным и нагрузочным диапазонам были очень узкими, учет упруговязкопластических свойств эластомеров был совершенно необходим.

Целью диссертационной работы является метод оценки работоспособности эластомерных деталей с учетом упруговязкопластических свойств материала.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• выбор упруговязкопластической модели, наиболее полно соответствующей представлениям о структуре и поведении материала в образцах и реальных деталях, и разработка соответствующих математических выражений;

• разработка алгоритмов для определения параметров модели из данных экспериментов и использования в конечно-элементной программе;

• использование разработанной модели в конечно-элементной программе для проектирования деталей с учетом ползучести и релаксации, восстанавливаемости при циклических нагрузках, разработка рекомендаций по выбору материала.

Научная новизна состоит в следующем.

• с единых позиций упруговязкопластической модели эластомера получены выражения для релаксирующего модуля, частотных и амплитудных зависимостей динамического модуля;

• разработана методика определения параметров модели, базирующаяся на обработке экспериментальных данных о релаксации и ползучести, частотных и амплитудных зависимостях динамического модуля;

• показана адекватность описания упруговязкопластической моделью поведения эластомера.

Практическая ценность работы состоит в том, что использование разработанного метода оценки работоспособности эластомерных деталей с учетом упруговязкопластических свойств в конечно-элементной программе увеличило возможности программы для целей проектирования деталей. В частности, были спроектированы уплотнения, грязесъемники и толкатель с * подушками для кабеля. Спроектированные детали могут быть использованы на большинстве нефтепромыслов. Применение модели позволило разработать экспресс-методику проведения экспериментов для сравнения и выбора эластомеров, имеющих различные проявления вязкопластических свойств. Достоверность полученных результатов обеспечивается:

• сравнением точности (верификацией) численных решений конечно-элементной программы с известными аналитическими решениями в упругой линейной и нелинейной постановкахсравнением результатов, получаемых известными коммерческими программами с учетом вязкопластических свойств и граничного трения;

• сравнением характеристик спроектированных деталей с учетом полученных на образцах свойств эластомера и прототипов, изготовленных из этого же материала.

Экспериментальная проверка соответствия характеристик изготовленных прототипов требованиям технического задания показала эффективность разработанного метода.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на семинарах кафедры «Машиноведение, системы приводов и детали машин», в НИИРПИ в отделе РТИ, на IV международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» СПБГТУ 2001 г, а также на материалах V всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах» СПБГТУ, 2001 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литература. Общий объем диссертационной работы 136 страниц.

Основные результаты изложенных в диссертации исследований состоят в следующем.

1. Разработан метод оценки работоспособности эластомерных деталей с учетом упруговязкопластических свойств материала. В основе метода лежит применение реологической модели, адекватно описывающей поведение эластомера при релаксации, ползучести и в динамике в виде частотных и амплитудных зависимостей модуля. Метод позволяет точнее оценивать работоспособность деталей по критериям, проявление вязкопластических свойств в которых существенно: квазистатическая и динамическая жесткости, эпюры контактных напряжений, прочность.

2. Модель встроена в конечно-элементную программу расчета резиновых деталей. Разработанные алгоритмы позволяют определять параметры модели из данных экспериментов и в дальнейшем производить расчет деталей, выполненных из этого эластомера.

3. Осуществлено многогранное тестирование встроенных процедур. Сравнением точности численных решений с аналитическими, а также доступными решениями иных программ подтверждена возможность получения решений с любой относительной ошибкой. Сравнением экспериментальных характеристик деталей с расчетными (с учетом полученных на образцах свойств эластомера) показаны удовлетворительные возможности метода и его программной реализации.

4. Спроектированы, изготовлены и испытаны с удовлетворительными результатами кольцевые уплотнения главной герметизирующей системы кабеля. Анализ вариантов (форма уплотнений и тип эластомера) осуществлялся с использованием разработанного метода. Система уплотнений с резервированием (три блока) обеспечила герметичность на требуемом пути трения и минимальную силу при проталкивании кабеля.

5. Спроектированные по тем же принципам грязесъемники, предохраняющие главный уплотнитель, показали удовлетворительные результаты в тестовых испытаниях. Грязесъемники приняты к эксплуатации.

6. Обоснован выбор цепного толкателя кабеля с эластомерными подушками. Анализ вариантов (форма подушек и тип резины) осуществлялся с использованием рассматриваемой модели эластомера. Спроектированный и изготовленный стенд показал удовлетворительное совпадение результатов экспериментов на изготовленных прототипах подушек с расчетными прогнозами. Удовлетворительные результаты опытно-промышленной партии подушек позволяют перейти к их серийному использованию на скважинах.

7. Разработана экспресс-методика проведения экспериментов для сравнения и выбора эластомеров, имеющих различные проявления вязкопластических свойств. В частности, эластомер рекомендованный по критерию максимальной восстанавливаемости, проявил наилучшие герметизирующие свойства в уплотнениях, выполненных из материалов, подвергавшихся сравнению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.