ANALYSIS OF THE CONDITION OF A PIPE FIXED IN A CLAMPING DEVICE

Due to the fact that clamping devices are widely used in various industries, the requirements for the operation of such devices are constantly increasing. This is due to an increase in the general requirements for processing accuracy, as well as an increase in the forces acting on the clamped part. The reliability of these devices when working with thin-walled cylindrical parts is of great importance. Thin-walled cylinders used in mechanical engineering are subject to significant loads. With prolonged exposure to loads from clamping forces, as well as from axial tensile forces, plastic deformations of cylindrical parts occur. In the oil and gas industry, when clamping drill and casing pipes in some areas in the capture zone, stresses exceed the yield strength. Multiple clamping of the pipe will reduce the pipe wall in the gripping area, which causes premature pipe failure. Therefore, increasing the holding capacity of clamping mechanisms is relevant. Analysis of broken drill pipes, which have been operating in wedge grips for a long time, showed that in most cases the pipes undergo plastic deformation caused by damage to the pipe surface by the teeth of the ram. To clarify the actual conditions of loading the pipe and the possibilities of increasing the capacity of the clamping devices, studies of the contact pressures in the clamping zone were carried out. A new pipe clamping chuck is also presented, which provides a sufficiently high reliability of fastening of cylindrical parts

Analysis of reliability of the drill pipe in the clamping mechanism

In oilfield equipment, a significant place is occupied by clamping mechanisms used to grip pipes during tripping operations. They are mainly divided into 2 groups. The first includes mechanisms with a forced clamping of the part. The second group includes self-clamping devices with a wedge mechanism. Here, the clamping force increases in proportion to the axial shear force. In these clamping devices, clamping jaws serve as a common element. In addition to smooth jaws, there may be jaws with notches on the inner cylindrical surface. Such notches contribute to an increase in the coefficient of adhesion when clamping cylindrical parts, in particular pipes. During the operation of clamping devices with corrugated jaws, the teeth of the notch are introduced into the pipe walls under the action of the clamping force. The shearing force can then displace the pipe relative to the jaws. The adhesion coefficient µ is the ratio of the shear force P to the clamping force Q, i.e. P/Q. Exceeding the shear force P of the limit value causes the pipe to be clamped to move. The correct choice of the place of load application is also of great importance. Optimum clamping performance can be achieved by clamping workpieces without slipping from shear forces. At the same time, it is necessary to ensure reliability, efficiency, productivity. Therefore, all factors that determine the holding capacity of clamping mechanisms should be considered. These factors include the coefficient of adhesion, the design of the working surfaces of the clamping elements, the type of notch of the corrugated jaws and the place of application of the clamping forc

Повышение удерживающей способности зажимных элементов

An analysis of the discarded drill pipes that had been used in wedge grips has revealed that the main reason for pipe rejection is the reduction of a pipe wall as a result of plastic deformations, due to damaging the pipe surface by the die teeth. The long-term exposure to loads results in the plastic deformations of cylindrical parts, which could lead to unacceptable damage and distortion of the shape. In the oil industry, when drilling and casing pipes are clamped, stresses over some areas in the capture zone exceed the fluidity limit. Multiple clamps of the pipe could reduce the wall of the pipe in the capture area, which leads to premature failure of the pipe. Pipe crumpling occurs not immediately when the load is applied but gradually, by local plastic deformity of the pipe at various points in length and circumference, where the stresses exceed the limit of the fluidity of the pipe material. In order to prevent unacceptable deformations of pipes during hoisting operations, we have considered the possibilities to reduce loads.In this regard, special attention has been paid to the design of clamping jaws that provide the increased retention capacity and the technology of their manufacture. The greatest retention capacity is ensured by jaws with an oblique intersecting notch. In such jaws, the teeth of the notch are arranged chequerwise. This makes it possible to exclude the formation of vertical grooves on the body of the pipe due to slippage induced by the axial load. However, the manufacture of such notches at the inner cylindrical surface of clamping jaws is associated with some difficulties. This relates to that there are no standard tools for making such notched surfaces of complex configuration. The result of our research is the designed and manufactured special tool, as well as the technology for its fabrication. That has made it easier to cut the notches on clamping jaws that ensure the reliable capture of drill pipesАнализ отбракованных бурильных труб, работавших в клиновых захватах, показал, что основной причиной отбраковки труб является уменьшение стенки трубы в результате пластических деформаций, из-за повреждений поверхности трубы зубьями плашек. При длительном воздействии нагрузок происходят пластические деформации цилиндрических деталей, что может привести к недопустимым повреждениям и искажениям формы. В нефтяной промышленности при зажиме бурильных и обсадных труб напряжения на некоторых участках в зоне захвата превосходят предел текучести. При многократных зажимах трубы может произойти уменьшение стенки трубы в области захвата, что приводит к преждевременному выходу трубы из строя. Смятие трубы происходит не сразу при приложении нагрузки, а постепенно местным пластическим деформированием трубы в различных точках по длине и окружности, где напряжения превосходят предел текучести материала трубы. С целью предотвращения недопустимых деформаций труб в процессе спускоподъемных операций были рассмотрены возможности уменьшения нагрузок.В связи с этим особое внимание было уделено конструкции зажимных губок, обеспечивающих повышенную удерживающую способность, и технологии их изготовления. Наибольшую удерживающую способность обеспечивают губки с косой перекрещивающейся насечкой. В таких губках зубья насечки располагаются в «шахматном» порядке. Это позволяет исключить образование вертикальных канавок на теле трубы вследствие проскальзывания ее от осевой нагрузки. Однако изготовление таких насечек на внутренней цилиндрической поверхности зажимных губок вызывает определенные трудности. Это связано с тем, что нет стандартных инструментов для изготовления таких насеченных поверхностей сложной конфигурации. В результате проведенного исследования был сконструирован и изготовлен специальный инструмент, и разработана технология его изготовления. Это позволило облегчить процесс нарезания на зажимных губках насечек, обеспечивающих надежный захват бурильных тру

Дослідження якості бурильних труб, затиснутих в клиновому захваті

Much attention has been recently paid to institutional measures aimed at improving quality of products related to petroleum machine building, in particular, the implementation of quality management systems based on the ISO standards of series 9000 [1]. However, technological methods of quality assurance have not been less important.The paper considers the factors influencing the quality of a cylindrical thin-walled component during operation. The most significant factors are the efforts to which the component us exposed when it is captured by a clamping mechanism.We have performed experiments into the effects of loads on a clamped component. The aim of these experiments was to establish the impact of various factors on stresses and deformations of cylindrical thin-walled components. The main factors, in addition to the applied forces, are the capturing angle of the clamping element, the length of its contact with a part, load distribution over the teeth of the clamping element.Given the development of deep drilling and an increase in loads acting on the wedge clamps, the requirements to their gripping capacity become stricter. Insufficient gripping capacity of the wedge clamp could cause damage to a pipe at the place it is clamped by wedges.In this case, clamping efforts act in the same region of a pipe, forming a thinned neck at long operation. The result of such damage is a premature failure of a drill pipe’s operation and the risk of an emergency.Significant impact on the gripping capacity of a wedge clamp is exerted by the elements of its design. Of importance is also the stressed state of a drill pipe clamped by a wedge clamp. We have calculated the optimal geometrical characteristics for clamping jaws. The best indicators were demonstrated by the grooved jaws with oblique intersecting notch. We have considered the load distribution over the teeth of clamping jaws. It has been shown that the optimal load distribution over the teeth is provided by jaws with oblique intersecting notch. In this case, tooth 1 accounts for 26 % of the load, tooth 2‒22 %, tooth 3‒19 %, tooth 4‒17 %, tooth 5‒16 %.The results obtained in the course of our research would make it possible to introduce such modifications to the design of clamping devices that could significantly improve their gripping capacity and reduce the risk of accidentsВ последнее время большое внимание уделяется организационным мероприятиям по повышению качества продукции нефтяного машиностроения, в частности, внедрению систем менеджмента качества на базе стандартов ISO серии 9000 [1]. Однако не утратили свою значимость технологические методы обеспечения качества.Рассмотрены факторы, влияющие на качество цилиндрической тонкостенной детали в процессе эксплуатации. Наиболее существенными факторами являются усилия, действующие на деталь в процессе ее захвата в зажимном механизме.Проведены эксперименты по действию нагрузок на зажимаемую деталь. Цель этих экспериментов – установление влияния на напряжения и деформации цилиндрических тонкостенных деталей различных факторов. Основными факторами помимо приложенных сил являются угол охвата зажимного элемента, длина соприкосновения его с деталью, распределение нагрузки по зубьям зажимного элемента.С развитием глубокого бурения и увеличением нагрузок, действующих на клиновые захваты, растут требования, предъявляемые к их удерживающей способности. Недостаточная удерживающая способность клинового захвата может привести к повреждению трубы в месте зажима ее клиньями.При этом зажимные усилия действуют в одной и той же области трубы, образуя утоненную шейку при длительной эксплуатации. Результатом таких повреждений является преждевременный выход бурильной трубы из строя и опасность возникновения аварийной ситуации.Существенное влияние на удерживающую способность клинового захвата оказывают элементы его конструкции. Имеет значение также напряженное состояние бурильной трубы, зажатой в клиновом захвате. Рассчитаны оптимальные геометрические характеристики зажимных губок. Наилучшие показатели дают рифленые губки с косой перекрещивающейся насечкой. Рассмотрено распределение нагрузки по зубьям зажимных губок. Показано, что оптимальное распределение нагрузки по зубьям обеспечивают губки с косой перекрещивающейся насечкой. При этом на 1-й зуб приходится 26 % нагрузки, на 2-й – 22 %,на 3-й – 19 %,на 4-й – 17 %,на 5-й – 16 %.Результаты полученных данных позволят внести такие изменения в конструкцию зажимных устройств, которые существенно повысят их удерживающую способность и уменьшат опасность возникновения аварийных ситуацийОстаннім часом велика увага приділяється організаційним заходам щодо підвищення якості продукції нафтового машинобудування, зокрема, впровадження систем менеджменту якості на базі стандартів ISO серії 9000. Проте не втратили своєї значимості технологічні методи забезпечення якості.Розглянуто чинники, що впливають на якість циліндричної тонкостінної деталі в процесі експлуатації. Найбільш істотними факторами є зусилля, що діють на деталь в процесі її захоплення в затискному механізмі.Проведено експерименти на дію навантажень на деталь, що затискають. Мета цих експериментів – встановлення впливу на напруги і деформації циліндричних тонкостінних деталей різних факторів. Основними факторами крім доданих сил є кут охоплення затискного елемента, довжина зіткнення його з деталлю, розподіл навантаження на зубцях затискного елемента.З розвитком глибокого буріння і збільшенням навантажень, що діють на клинові захвати, зростають вимоги, що пред'являються до їх утримуючої здатності. Недостатня утримуюча здатність клинового захвату може призвести до пошкодження труби в місці затиску її клинами.При цьому затискні зусилля діють в одній і тій же області труби, утворюючи стоншення шийки при тривалій експлуатації. Результатом таких пошкоджень є передчасний вихід бурильної труби з ладу і небезпека виникнення аварійної ситуації.Істотний вплив на утримуючу здатність клинового захвату надають елементи його конструкції. Має значення також напружений стан бурильної труби, затиснутої в клиновому захваті. Розраховано оптимальні геометричні характеристики затискних губок. Найкращі показники дають рифлені губки з косою насічкою, що перехрещується. Розглянуто розподіл навантаження на зубцях затискних губок. Показано, що оптимальний розподіл навантаження на зубцях забезпечують губки з косою насічкою, що перехрещується. При цьому на 1-й зуб доводиться 26 % навантаження, на 2-й – 22 %, на 3-й – 19 %, на 4-й – 17 %, на 5-й – 16 %.Результати отриманих даних дозволять внести такі зміни в конструкцію затискних пристроїв, які істотно підвищать їх утримуючу здатність і зменшать небезпеку виникнення аварійних ситуаці

Дослідження якості бурильних труб, затиснутих в клиновому захваті

Much attention has been recently paid to institutional measures aimed at improving quality of products related to petroleum machine building, in particular, the implementation of quality management systems based on the ISO standards of series 9000 [1]. However, technological methods of quality assurance have not been less important.The paper considers the factors influencing the quality of a cylindrical thin-walled component during operation. The most significant factors are the efforts to which the component us exposed when it is captured by a clamping mechanism.We have performed experiments into the effects of loads on a clamped component. The aim of these experiments was to establish the impact of various factors on stresses and deformations of cylindrical thin-walled components. The main factors, in addition to the applied forces, are the capturing angle of the clamping element, the length of its contact with a part, load distribution over the teeth of the clamping element.Given the development of deep drilling and an increase in loads acting on the wedge clamps, the requirements to their gripping capacity become stricter. Insufficient gripping capacity of the wedge clamp could cause damage to a pipe at the place it is clamped by wedges.In this case, clamping efforts act in the same region of a pipe, forming a thinned neck at long operation. The result of such damage is a premature failure of a drill pipe’s operation and the risk of an emergency.Significant impact on the gripping capacity of a wedge clamp is exerted by the elements of its design. Of importance is also the stressed state of a drill pipe clamped by a wedge clamp. We have calculated the optimal geometrical characteristics for clamping jaws. The best indicators were demonstrated by the grooved jaws with oblique intersecting notch. We have considered the load distribution over the teeth of clamping jaws. It has been shown that the optimal load distribution over the teeth is provided by jaws with oblique intersecting notch. In this case, tooth 1 accounts for 26 % of the load, tooth 2‒22 %, tooth 3‒19 %, tooth 4‒17 %, tooth 5‒16 %.The results obtained in the course of our research would make it possible to introduce such modifications to the design of clamping devices that could significantly improve their gripping capacity and reduce the risk of accidentsВ последнее время большое внимание уделяется организационным мероприятиям по повышению качества продукции нефтяного машиностроения, в частности, внедрению систем менеджмента качества на базе стандартов ISO серии 9000 [1]. Однако не утратили свою значимость технологические методы обеспечения качества.Рассмотрены факторы, влияющие на качество цилиндрической тонкостенной детали в процессе эксплуатации. Наиболее существенными факторами являются усилия, действующие на деталь в процессе ее захвата в зажимном механизме.Проведены эксперименты по действию нагрузок на зажимаемую деталь. Цель этих экспериментов – установление влияния на напряжения и деформации цилиндрических тонкостенных деталей различных факторов. Основными факторами помимо приложенных сил являются угол охвата зажимного элемента, длина соприкосновения его с деталью, распределение нагрузки по зубьям зажимного элемента.С развитием глубокого бурения и увеличением нагрузок, действующих на клиновые захваты, растут требования, предъявляемые к их удерживающей способности. Недостаточная удерживающая способность клинового захвата может привести к повреждению трубы в месте зажима ее клиньями.При этом зажимные усилия действуют в одной и той же области трубы, образуя утоненную шейку при длительной эксплуатации. Результатом таких повреждений является преждевременный выход бурильной трубы из строя и опасность возникновения аварийной ситуации.Существенное влияние на удерживающую способность клинового захвата оказывают элементы его конструкции. Имеет значение также напряженное состояние бурильной трубы, зажатой в клиновом захвате. Рассчитаны оптимальные геометрические характеристики зажимных губок. Наилучшие показатели дают рифленые губки с косой перекрещивающейся насечкой. Рассмотрено распределение нагрузки по зубьям зажимных губок. Показано, что оптимальное распределение нагрузки по зубьям обеспечивают губки с косой перекрещивающейся насечкой. При этом на 1-й зуб приходится 26 % нагрузки, на 2-й – 22 %,на 3-й – 19 %,на 4-й – 17 %,на 5-й – 16 %.Результаты полученных данных позволят внести такие изменения в конструкцию зажимных устройств, которые существенно повысят их удерживающую способность и уменьшат опасность возникновения аварийных ситуацийОстаннім часом велика увага приділяється організаційним заходам щодо підвищення якості продукції нафтового машинобудування, зокрема, впровадження систем менеджменту якості на базі стандартів ISO серії 9000. Проте не втратили своєї значимості технологічні методи забезпечення якості.Розглянуто чинники, що впливають на якість циліндричної тонкостінної деталі в процесі експлуатації. Найбільш істотними факторами є зусилля, що діють на деталь в процесі її захоплення в затискному механізмі.Проведено експерименти на дію навантажень на деталь, що затискають. Мета цих експериментів – встановлення впливу на напруги і деформації циліндричних тонкостінних деталей різних факторів. Основними факторами крім доданих сил є кут охоплення затискного елемента, довжина зіткнення його з деталлю, розподіл навантаження на зубцях затискного елемента.З розвитком глибокого буріння і збільшенням навантажень, що діють на клинові захвати, зростають вимоги, що пред'являються до їх утримуючої здатності. Недостатня утримуюча здатність клинового захвату може призвести до пошкодження труби в місці затиску її клинами.При цьому затискні зусилля діють в одній і тій же області труби, утворюючи стоншення шийки при тривалій експлуатації. Результатом таких пошкоджень є передчасний вихід бурильної труби з ладу і небезпека виникнення аварійної ситуації.Істотний вплив на утримуючу здатність клинового захвату надають елементи його конструкції. Має значення також напружений стан бурильної труби, затиснутої в клиновому захваті. Розраховано оптимальні геометричні характеристики затискних губок. Найкращі показники дають рифлені губки з косою насічкою, що перехрещується. Розглянуто розподіл навантаження на зубцях затискних губок. Показано, що оптимальний розподіл навантаження на зубцях забезпечують губки з косою насічкою, що перехрещується. При цьому на 1-й зуб доводиться 26 % навантаження, на 2-й – 22 %, на 3-й – 19 %, на 4-й – 17 %, на 5-й – 16 %.Результати отриманих даних дозволять внести такі зміни в конструкцію затискних пристроїв, які істотно підвищать їх утримуючу здатність і зменшать небезпеку виникнення аварійних ситуаці

Повышение удерживающей способности зажимных элементов

An analysis of the discarded drill pipes that had been used in wedge grips has revealed that the main reason for pipe rejection is the reduction of a pipe wall as a result of plastic deformations, due to damaging the pipe surface by the die teeth. The long-term exposure to loads results in the plastic deformations of cylindrical parts, which could lead to unacceptable damage and distortion of the shape. In the oil industry, when drilling and casing pipes are clamped, stresses over some areas in the capture zone exceed the fluidity limit. Multiple clamps of the pipe could reduce the wall of the pipe in the capture area, which leads to premature failure of the pipe. Pipe crumpling occurs not immediately when the load is applied but gradually, by local plastic deformity of the pipe at various points in length and circumference, where the stresses exceed the limit of the fluidity of the pipe material. In order to prevent unacceptable deformations of pipes during hoisting operations, we have considered the possibilities to reduce loads.In this regard, special attention has been paid to the design of clamping jaws that provide the increased retention capacity and the technology of their manufacture. The greatest retention capacity is ensured by jaws with an oblique intersecting notch. In such jaws, the teeth of the notch are arranged chequerwise. This makes it possible to exclude the formation of vertical grooves on the body of the pipe due to slippage induced by the axial load. However, the manufacture of such notches at the inner cylindrical surface of clamping jaws is associated with some difficulties. This relates to that there are no standard tools for making such notched surfaces of complex configuration. The result of our research is the designed and manufactured special tool, as well as the technology for its fabrication. That has made it easier to cut the notches on clamping jaws that ensure the reliable capture of drill pipesАнализ отбракованных бурильных труб, работавших в клиновых захватах, показал, что основной причиной отбраковки труб является уменьшение стенки трубы в результате пластических деформаций, из-за повреждений поверхности трубы зубьями плашек. При длительном воздействии нагрузок происходят пластические деформации цилиндрических деталей, что может привести к недопустимым повреждениям и искажениям формы. В нефтяной промышленности при зажиме бурильных и обсадных труб напряжения на некоторых участках в зоне захвата превосходят предел текучести. При многократных зажимах трубы может произойти уменьшение стенки трубы в области захвата, что приводит к преждевременному выходу трубы из строя. Смятие трубы происходит не сразу при приложении нагрузки, а постепенно местным пластическим деформированием трубы в различных точках по длине и окружности, где напряжения превосходят предел текучести материала трубы. С целью предотвращения недопустимых деформаций труб в процессе спускоподъемных операций были рассмотрены возможности уменьшения нагрузок.В связи с этим особое внимание было уделено конструкции зажимных губок, обеспечивающих повышенную удерживающую способность, и технологии их изготовления. Наибольшую удерживающую способность обеспечивают губки с косой перекрещивающейся насечкой. В таких губках зубья насечки располагаются в «шахматном» порядке. Это позволяет исключить образование вертикальных канавок на теле трубы вследствие проскальзывания ее от осевой нагрузки. Однако изготовление таких насечек на внутренней цилиндрической поверхности зажимных губок вызывает определенные трудности. Это связано с тем, что нет стандартных инструментов для изготовления таких насеченных поверхностей сложной конфигурации. В результате проведенного исследования был сконструирован и изготовлен специальный инструмент, и разработана технология его изготовления. Это позволило облегчить процесс нарезания на зажимных губках насечек, обеспечивающих надежный захват бурильных тру