Підвищені вимоги до надійності та екологічної безпеки нафтогазового обладнання зумовлені ризиком виникнення некерованих фонтанів, що становлять серйозну загрозу для довкілля [1]. Одним із ключових вузлів, що визначає фонтанну безпеку, є трубна головка фонтанної арматури, зокрема її різьбові з'єднання, а саме зворотний клапан і випробувальна пробка [2, 3].
Метою роботи є оцінка напружено-деформованого стану (НДС) елементів модернізованої трубної головки методом скінченних елементів (МСЕ) у програмному середовищі SolidWorks Simulation.
Конструкція модернізованої трубної головки
Модернізована конструкція трубної головки (рис. 1) включає зворотний клапан 9 і випробувальну пробку (на рис. не показано). Зворотний клапан вкручується у корпус трубної підвіски 6 спеціальним ключем перед монтажем фонтанної ялинки та перекриває трубний простір у випадку нафтогазопрояву. Конструкція також забезпечує глушіння свердловини шляхом нагнітання рідини у колону насосно-компресорних труб. Випробувальна пробка вкручується у зворотний клапан для відокремлення стовбура свердловини від противикидного обладнання під час його випробування.
На рисунку 2 показано побудовану тривимірну модель, яка буде використовуватись для дослідження.
Методологія імітаційного моделювання
Для оцінки НДС застосовано МСЕ у середовищі SolidWorks Simulation. Оскільки досліджувана модель є осесиметричною, розрахунок переведено у двовимірну плоску постановку. Використано двовимірні трикутні скінченні елементи другого порядку з проміжними вузлами, що забезпечує точне відтворення профілів різьбових витків і коректний розрахунок градієнтів напружень у зонах їх концентрації [3, 4].
Для підвищення точності результатів застосовано дворівневу стратегію побудови сітки:
– глобальна сітка зі стандартним розміром елементів – для масивних частин корпуса та пробки;
– локальне ущільнення сітки у зоні різьбового з’єднання – для точнішого відтворення розподілу напружень за залежністю Жуковського–Біргера [5].
Граничні умови: кріплення за різьбу; прикладання внутрішнього тиску 42 МПа до пробки. Матеріал деталей – сталь з границею текучості 620 МПа. Коефіцієнт тертя між витками різьби – 0,15.
Результати моделювання
Еквівалентні напруження (рис. 4). Максимальні еквівалентні напруження становлять 473,45 МПа і локалізуються у зоні контакту перших робочих витків різьбового з’єднання, що відповідає теоретичним положенням [5]. Оскільки це значення не перевищує границю текучості матеріалу (620 МПа), конструкція працює в зоні пружних деформацій. Коефіцієнт запасу міцності за текучістю становить 1,31, що підтверджує достатній рівень міцності під дією номінального тиску.
Деформації (рис. 5). Максимальні відносні деформації становлять 0,001 (0,1 %), локалізуючись у зонах концентрації напружень, а саме у перехідних зонах і на перших робочих витках різьби. Такий рівень деформацій є допустимим для сталевих елементів підвісного обладнання свердловин і не загрожує геометричній стабільності вузла.
Контактний тиск (рис. 6). Максимальний контактний тиск у зоні спряження деталей досягає 93,40 МПа, що суттєво перевищує тиск робочого середовища (42 МПа). Виконання цієї умови гарантує функціональну герметичність з'єднання без ризику пропуску флюїду.
Розподіл навантажень по витках різьби (рис. 7).
Результати моделювання підтверджують розподіл зусиль по витках різьби відповідно до теорії Жуковського–Біргера: максимальне навантаження припадає на перші витки і поступово спадає вглиб різьбового з'єднання [5].
Висновки
1. За допомогою МСЕ у середовищі SolidWorks Simulation виконано комплексне дослідження НДС елементів модернізованої трубної головки фонтанної арматури. Осесиметрична постановка задачі разом із локальним ущільненням сітки у зоні різьбового з'єднання забезпечила достатню точність розрахунку.
2. Максимальні еквівалентні напруження (473,45 МПа) не перевищують межу текучості матеріалу (620 МПа), що свідчить про роботу конструкції в зоні пружних деформацій. Коефіцієнт запасу міцності 1,31 підтверджує достатню несучу здатність з'єднання.
3. Контактний тиск (93,40 МПа) у 2,2 рази перевищує тиск робочого середовища (42 МПа), що гарантує герметичність різьбового з'єднання і виключає ризик пропуску флюїду в умовах робочих навантажень.
4. Розподіл напружень по витках різьби відповідає теорії Жуковського–Біргера. Максимальне навантаження зосереджено на перших робочих витках, що підтверджує коректність побудованої моделі й адекватність результатів моделювання.
Список використаних джерел
1. Катеринчук П. О., Минчукова Н. Ф. Римчук Д. В., Цибулько С. В. Фонтанна та газова безпека в нафтогазовій галузі Навчальний посібник. Х : «ПЛАНЕТА-ПРИНТ», 2022. 646.
2. Федорович Я. Т. Машини та обладнання для видобутку нафти і газу. Навчальний посібник. Івано-Франківськ. ІФНТУНГ, 2026. 404 с.
3. Римчук Д. В., В. В. Пономаренко, Шудрик О. Л. Обладнання для буріння свердловин і видобутку нафти і газу. Підручник. Одеса : Видавничий дім «Гельветика», 2025. 381 с.
4. Михайлюк В. В., Дейнега Р.О. Моделювання в проектуванні машин та обладнання: Практикум. Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, 2026. 39 с.
5. Биргер И.А. Резьбовые соединения. М. : Машиностроение, 1961. 252 с.
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter