ГОСТ 35016-2023 Трубы обсадные, насосно-компрессорные, бурильные и трубы для трубопроводов нефтяной и газовой промышленности. Формулы и расчет свойств

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОВЕТ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ (МГС)

INTERSTATE COUNCIL FOR STANDARDIZATION, METROLOGY AND CERTIFICATION (ISC)

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

ГОСТ

35016—

2023

(ISO/TR 10400:2018)

ТРУБЫ ОБСАДНЫЕ, НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫЕ, БУРИЛЬНЫЕ И ТРУБЫ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Формулы и расчет свойств

(ISO/TR 10400:2018, Petroleum and natural gas industries — Formulae and calculations for the properties of casing, tubing, drill pipe and line pipe used as casing or tubing, MOD)

Издание официальное

Москва

Российский институт стандартизации

2023

ГОСТ 35016—2023

Предисловие

Цели, основные принципы и общие правила проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены»

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Акционерным обществом «Русский научно-исследовательский институт трубной промышленности» (АО «РусНИТИ») на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии документа, указанного в пункте 5

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 357 «Стальные и чугунные трубы и баллоны»

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 25 сентября 2023 г. № 165-П)

За принятие проголосовали:

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 16 ноября 2023 г. № 1418-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 35016—2023 (ISO/TR 10400:2018) введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 декабря 2023 г.

5 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному документу ISO/TR 10400:2018 «Нефтяная и газовая промышленность. Формулы и расчеты для определения характеристик обсадных, насосно-компрессорных, бурильных труб и трубопроводов, применяемых в качестве обсадных или насосно-компрессорных труб» («Petroleum and natural gas industries — Formulae and calculations for the properties of casing, tubing, drill pipe and line pipe used as casing or tubing», MOD) путем:

- изменения отдельных слов (фраз, показателей, ссылок), выделенных в тексте настоящего стандарта курсивом;

- включения отдельных слов (фраз, показателей, ссылок), выделенных в тексте полужирным курсивом;

- включения структурных элементов (пунктов, подпунктов, абзацев, терминологических статей), выделенных в тексте вертикальной линией, расположенной на полях напротив соответствующего текста;

- изменения содержания отдельных структурных элементов (подразделов, пунктов, подпунктов, абзацев, таблиц и рисунков), выделенных в тексте курсивом и вертикальной линией, расположенной на полях напротив соответствующего текста.

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования международного стандарта для уточнения области применения.

Сведения о соответствии ссылочных межгосударственных стандартов международным стандартам, использованным в качестве ссылочных в примененном международном документе, приведены в дополнительном приложении ДА.

II

ГОСТ 35016—2023

Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой примененного в нем международного документа приведено в дополнительном приложении ДБ

6 Настоящий стандарт подготовлен на основе применения ГОСТ Р 54918—2012 (ISO/TR 10400:2007)¹⁾

7 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация о введении в действие (прекращении действия) настоящего стандарта и изменений к нему на территории указанных выше государств публикуется в указателях национальных стандартов, издаваемых в этих государствах, а также в сети Интернет на сайтах соответствующих национальных органов по стандартизации.

В случае пересмотра, изменения или отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована на официальном интернет-сайте Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации в каталоге «Межгосударственные стандарты»

О Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 16 ноября 2023 г. № 1418-ст ГОСТ Р 54918—2012 (ISO/TR 10400:2007) отменен с 1 декабря 2023 г.

© ISO, 2018

© Оформление. ФГБУ «Институт стандартизации», 2023

В Российской Федерации настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

III

ГОСТ 35016—2023

Содержание

1 Область применения..................................................................1

2 Нормативные ссылки..................................................................2

3 Термины и определения...............................................................2

4 Обозначения.........................................................................4

5 Сокращения.........................................................................9

6 Трехмерная текучесть тела трубы......................................................10

6.1 Общие положения...............................................................10

6.2 Допущения и ограничения.........................................................10

6.3 Требования к исходным данным....................................................10

6.4 Формула проектной трехмерной текучести тела трубы.................................10

6.5 Применение формулы проектной трехмерной текучести тела трубы к трубам для трубопроводов...............................................................12

6.6 Примеры расчета................................................................12

7 Вязкое разрушение тела трубы........................................................15

7.1 Общие положения...............................................................15

7.2 Допущения и ограничения.........................................................15

7.3 Требования к исходным данным....................................................15

7.4 Формулы проектного давления вязкого разрушения тела трубы с торцевым уплотнением .... 17

7.5 Учет влияния осевого растяжения и наружного давления...............................18

7.6 Примеры расчета................................................................21

8 Стойкость к смятию..................................................................23

8.1 Выбор метода...................................................................23

8.2 Расчетные формулы стойкости к смятию.............................................23

8.3 Примеры расчета................................................................27

9 Прочность соединений...............................................................28

9.1 Общие положения...............................................................28

9.2 Прочность при растяжении резьбовых соединений обсадных труб........................28

9.3 Прочность при растяжении соединений насосно-компрессорных труб.....................31

9.4 Прочность при растяжении соединений труб для трубопроводов.........................33

10 Расчет стойкости муфт при действии давления..........................................33

10.1 Общие положения..............................................................33

10.2 Внутреннее далвление возникновения текучести муфты с треугольной и трапецеидальной резьбой.......................................................................34

10.3 Стойкость к утечкам под действием внутреннего давления муфт с треугольной и трапецеидальной резьбой.....................................................34

11 Расчет массы......................................................................36

11.1 Общие положения..............................................................36

11.2 Расчет номинальной массы......................................................36

11.3 Расчет массы трубы без резьбы и высадки..........................................36

11.4 Расчет массы трубы с отделкой концов.............................................36

11.5 Расчет массы трубы после нарезания резьбы и свинчивания с муфтой..................37

11.6 Расчет массы трубы при высадке..................................................38

11.7 Расчет массы муфты............................................................38

11.8 Расчет массы металла, удаляемого при нарезании резьбы на трубе.....................42

11.9 Расчет увеличения массы трубы при высадке.......................................43

IV

ГОСТ 35016—2023

12 Удлинение.........................................................................45

13 Испытание на сплющивание..........................................................45

13.1 Испытание на сплющивание сварных обсадных и насосно-компрессорных труб...........45

13.2 Испытание на сплющивание сварных труб для трубопроводов.........................45

14 Испытательное гидростатическое давление.............................................46

14.1 Испытательное гидростатическое давление для труб без резьбы....................46

14.2 Испытательное гидростатическое давление труб с резьбой и муфтами..................47

15 Момент свинчивания обсадных и насосно-компрессорных труб............................48

16 Испытание на направленный изгиб труб для трубопроводов, сваренных дуговой сваркой под флюсом.......................................................................48

16.1 Общие положения..............................................................48

16.2 Исходные данные..............................................................50

17 Определение минимального размера образцов для испытания на ударный изгиб..............50

17.1 Критическая толщина стенки.....................................................50

17.2 Расчетная толщина стенки трубной заготовки для муфт...............................50

17.3 Расчетная толщина стенки для изготовления поперечных образцов.....................50

17.4 Расчетная толщина стенки для изготовления продольных образцов.....................54

17.5 Размеры образцов для испытания на ударный изгиб муфт.............................55

17.6 Размеры образцов для испытания на ударный изгиб труб.............................57

17.7 Образцы большего размера......................................................57

17.8 Справочная информация........................................................57

Приложение А (справочное) Расчет трехмерной текучести тела трубы........................58

Приложение В (справочное) Расчет давления вязкого разрушения............................66

Приложение С (справочное) Метод испытания на разрушение...............................84

Приложение D (справочное) Расчет давления хрупкого разрушения...........................85

Приложение Е (справочное) Расчет проектной стойкости к смятию по результатам испытаний

на смятие...............................................................91

Приложение F (справочное) Расчет проектной стойкости к смятию по показателям качества......94

Приложение G (справочное) Испытание труб на смятие...................................106

Приложение Н (справочное) Таблицы расчетных показателей...............................110

Приложение ДА (справочное) Сведения о соответствии ссылочных межгосударственных стандартов международным стандартам, использованным в качестве ссылочных в примененном международном документе................................327

Приложение ДБ (справочное) Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой примененного в нем международного документа............................328

Библиография.......................................................................333

V

ГОСТ 35016—2023

Введение

Настоящий стандарт разработан с целью расчета свойств обсадных и насосно-компрессорных труб по ГОСТ 31446—2017 (ISO 11960:2014) размерами, группами прочности и резьбовыми соединениями, отличающимися от ISO 11960:2014, по формулам, приведенным в ISO/TR 10400:2018.

В настоящем стандарте приведены формулы расчета эксплуатационных характеристик обсадных и насосно-компрессорных труб при детерминистическом и вероятностном (или статистическом) подходах, заключающихся в сравнении ожидаемых нагрузок, действию которых будут подвергаться трубы, и их ожидаемой стойкости к воздействию таких нагрузок. Как нагрузки, так и стойкость труб, по отдельности или совместно, могут быть изменены при помощи соответствующих расчетных коэффициентов.

При детерминистическом подходе для расчета единственного значения эксплуатационных характеристик конструкции используют номинальные геометрические параметры и нормируемые свойства труб. При вероятностном подходе те же геометрические параметры и свойства используют как случайные величины, по которым получают статистическое распределение эксплуатационных характеристик. Такое распределение эксплуатационных характеристик при заданном нижнем процентиле (вероятности того, что величина будет не ниже заданной) позволяет получить конечную расчетную формулу.

Настоящий стандарт не содержит расчеты скважин и определение ожидаемых нагрузок, а содержит лишь расчетные формулы для определения стойкости труб к заданным нагрузкам, независимо от их происхождения. Также в нем приведены формулы предельных состояний, которые могут быть применимы для расчета стойкости труб по нормируемым геометрическим параметрам и свойствам, и формулы расчета по результатам измерений геометрических параметров и свойств труб.

Настоящий стандарт модифицирован по отношению к ISO/TR 10400 в результате дополнения его расчетами параметров и характеристик обсадных и насосно-компрессорных труб с размерами, группами прочности и резьбовыми соединениями, широко применяемыми в нефтяной и газовой промышленности.

Модификация настоящего стандарта по отношению к международному стандарту заключается в следующем:

- добавлены формулы, расчеты и рекомендации для обсадных и насосно-компрессорных труб по ГОСТ 31446 (ISO 11960:2014) размерами, группами прочности и резьбовыми соединениями, отличающимися от ISO 11960:2014;

- исключены расчеты для резьбовых соединений Extreme-line и Integral Joint, не применяемых в нефтяной и газовой промышленности;

- исключены значения показателей, выраженные в системе единиц USC, которые не применяются в межгосударственной стандартизации, и соответствующее приложение L;

- условные обозначения размеров изделий ряда 1 и ряда 2 заменены соответствующими значениями наружных диаметров и толщин стенок, исключены соответствующие термины «ряд 1 (label 1)», «ряд 2 (label 2)»;

- сведения о предыстории разработки формул заменены ссылками на соответствующий источник информации.

VI

ГОСТ 35016—2023

(ISO/TR 10400:2018)

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

ТРУБЫ ОБСАДНЫЕ, НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫЕ, БУРИЛЬНЫЕ И ТРУБЫ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Формулы и расчет свойств

Casing, tubing, drill and line pipes for petroleum and natural gas industries. Equation and calculation of properties

Дата введения — 2023—12—01

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает формулы для расчета свойств стальных обсадных, насоснокомпрессорных и бурильных труб для нефтяной и газовой промышленности, а также труб для трубопроводов, применяемых в качестве обсадных и насосно-компрессорных труб.

Формулы по настоящему стандарту применимы для расчета:

- эксплуатационных характеристик труб (стойкости к осевым нагрузкам, внутреннему давлению, смятию);

- физических свойств труб;

- момента свинчивания обсадных и насосно-компрессорных труб в колонну;

- испытательного гидростатического давления;

- критических параметров труб при различных испытаниях;

- критических параметров испытательного оборудования;

- критических параметров образцов для испытаний.

К формулам для расчета эксплуатационных характеристик обсадных и насосно-компрессорных труб приведены рекомендации по их применению.

Формулы и рекомендации настоящего стандарта предназначены для расчета свойств обсадных и насосно-компрессорных 1руб, изготовленных по ГОСТ 31446. Однако эти формулы и рекомендации могут быть также применимы для расчета свойств труб, изготовленных по другим нормативным документам. По настоящему стандарту могут быть рассчитаны свойства труб, подвергавшихся при изготовлении холодной деформации, например, холодной ротационной правке. Настоящий стандарт не предусматривает расчет свойств труб, подвергавшихся холодной деформации после изготовления, например, раздаче или намотке в бухты.

Приведенные в настоящем стандарте формулы применимы для расчета эксплуатационных характеристик труб для трубопроводов по ГОСТ ISO 3183 только при использовании таких труб в качестве обсадных и насосно-компрессорных в скважинах или при лабораторных испытаниях, с учетом соответствия термообработки, правки, пределов текучести и других характеристик и параметров таких труб аналогичным процессам, характеристикам и параметрам обсадных и насосно-компрессорных труб. Настоящий стандарт может быть также применим для расчета массы тела бурильных труб по ГОСТ 32696, а также расчета удлинения под нагрузкой, при которой достигается предел текучести этих труб.

Формулы, приведенные в настоящем стандарте, позволяют связать исходные параметры труб по ГОСТ 31446 и ГОСТ ISO 3183 с ожидаемыми эксплуатационными характеристиками этих труб. Следует отметить, что формулы для расчета свойств труб не являются гарантией этих свойств. Необходимо учи-

Издание официальное

1

ГОСТ 35016—2023

тывать, что и детерминистический, и вероятностный подходы основываются на определенных предположениях и допущениях. Расчеты могут служить для сравнения эксплуатационных характеристик при изучении свойств труб.

Настоящий стандарт не содержит официальные правила проектирования. Настоящий стандарт содержит формулы и примеры расчета свойств труб, предназначенных для скважин. Настоящий стандарт не содержит указания по определению нагрузок, действующих на трубы, или по необходимому запасу прочности. Потребитель должен самостоятельно определить расчетную нагрузку и выбрать запас прочности, обеспечивающих безопасность и эффективность конструкции. Расчетную нагрузку и запас прочности необходимо определять с учетом опыта, отраслевых правил и условий эксплуатации конкретной скважины.

Формулы расчета эксплуатационных характеристик труб, изготовляемых по ГОСТ 31446 и ГОСТ ISO 3183, в настоящем стандарте представлены для обычных условий эксплуатации. Формулы расчета эксплуатационных характеристик труб для особых условий эксплуатации приведены в приложении D.

Настоящий стандарт не содержит формулы расчета эксплуатационных характеристик труб при динамических нагрузках и показателей герметичности резьбовых соединений труб.

В расчетах по настоящему стандарту положительными всегда считаются растягивающие напряжения.

Формулы и рекомендации настоящего стандарта могут быть применены для расчета эксплуатационных характеристик и свойств обсадных и насосно-компрессорных труб, подобных ГОСТ 31446 с подобными резьбовыми соединениями, изготовляемых по различным нормативным документам.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 31446—2017 (ISO 11960:2014) Трубы стальные обсадные и насосно-компрессорные для нефтяной и газовой промышленности. Общие технические условия

ГОСТ 32696—2014 (ISO 11961:2008) Трубы стальные бурильные для нефтяной и газовой промышленности. Технические условия

ГОСТ 33758 Трубы обсадные и насосно-компрессорные и муфты к ним. Основные параметры и контроль резьбовых соединений. Общие технические требования

ГОСТ 34057 Соединения резьбовые обсадных, насосно-компрессорных труб, труб для трубопроводов и резьбовые калибры для них. Общие технические требования

ГОСТ 34380 (ISO 10405:2000) Трубы обсадные и насосно-компрессорные для нефтяной и газовой промышленности. Рекомендации по эксплуатации и обслуживанию

ГОСТ ISO 3183—2015 Трубы стальные для трубопроводов нефтяной и газовой промышленности. Общие технические условия

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов и классификаторов на официальном интернет-сайте Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (www.easc.by) или по указателям национальных стандартов, издаваемым в государствах, указанных в предисловии, или на официальных сайтах соответствующих национальных органов по стандартизации. Если на документ дана недатированная ссылка, то следует использовать документ, действующий на текущий момент, с учетом всех внесенных в него изменений. Если заменен ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, то следует использовать указанную версию этого документа. Если после принятия настоящего стандарта в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение применяется без учета данного изменения. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 31446, ГОСТ 33758, ГОСТ 34057, а также следующие термины с соответствующими определениями:

2

ГОСТ 35016—2023

3.1 вероятностный подход (probabilistic method): Подход, в соответствии с которым для расчета распределения эксплуатационных характеристик труб используют распределения геометрических параметров и свойств металла.

3.2 вязкое разрушение (ductile rupture): Разрушение тела трубы исключительно за счет пластической деформации.

3.3 главное напряжение (principal stress): Напряжение в системе координат, в которой напряжения сдвига равны нулю.

Примечание — При любом напряженном состоянии в любой точке существуют три взаимно перпендикулярные плоскости, в которых напряжения сдвига равны нулю. Составляющие нормальных напряжений в полученной системе координат называются главными напряжениями. Наибольшая из этих трех компонент напряжений называется первым главным напряжением.

3.4 давление разрушения (fracture pressure): Внутреннее давление, при котором происходит разрушение трубы из-за распространения дефекта.

3.5 детерминистический подход (deterministic method): Подход, предполагающий, что все параметры, определяющие эксплуатационные характеристики, точно известны.

Примечание — Эксплуатационные характеристики труб зависят от одного или нескольких контрольных параметров. В формулах, используемых при детерминистическом подходе, используются номинальные геометрические параметры и нормируемые свойства труб для расчета единственного значения эксплуатационных характеристик. При проектных расчетах это значение является ожидаемым минимумом, т. к. используются коэффициенты запаса.

3.6 истинная кривая «напряжение—деформация» (true stress-strain curve): Кривая в координатах истинное напряжение (ордината) — логарифмическая деформация (абсцисса).

3.7 истинное напряжение; напряжение Коши (true stress, Cauchy stress): Отношение усилия, действующего на некоторую площадь, к конечной величине этой площади.

3.8 коэффициент вариации (coefficient of variance): Безразмерный параметр распределения случайной величины, определяемый как отношение стандартного отклонения к среднему значению.

3.9 логарифмическая деформация (logarithmic strain): Величина линейной деформации тела трубы, равная натуральному логарифму отношения конечной длины тела трубы к его начальной длине.

Примечание — Иными словами, логарифмическая деформация равна натуральному логарифму суммы единицы и расчетной деформации.

3.10 опасное сечение (dangerous section): Поперечное сечение трубы или муфты, в котором напряжения, вызываемые внешними усилиями, максимальны.

3.11 расчетная деформация (engineering strain): Величина линейной деформации тела трубы, определяемая как отношение изменения длины тела трубы к его начальной длине.

3.12 расчетное напряжение (engineering stress): Отношение усилия, действующего на некоторую площадь, к начальной величине этой площади.

3.13 руководство (template): Документ, содержащий формулы, методы испытаний и измерений, предназначенный для определения проектных значений эксплуатационных характеристик.

3.14 смещение предела текучести (yield stress bias): Величина, определяемая как отношение фактического предела текучести к нормируемому минимальному пределу текучести.

3.15 срыв витков резьбы (pull-out of the thread): Пластическая деформация витков резьбы при растяжении, приводящая к выходу резьбы из зацепления.

3.16 статистический подход (synthesis method): Подход к определению ожидаемых значений и разброса эксплуатационных характеристик труб на основании вероятностных распределений геометрических параметров и свойств металла.

Примечание — Чтобы найти распределение эксплуатационных характеристик, распределения геометрических параметров и свойств металла рассматривают совместно с формулой предельных состояний. Расчетную формулу получают из распределения эксплуатационных характеристик, используя заданный нижний процентиль.

3.17 текучесть (yield): Необратимая неупругая деформация.

3.18 текучесть тела трубы (pipe body yield): Напряженное состояние, при котором начинается течение металла в любой точке тела трубы.

3

ГОСТ 35016—2023

3.19 уровень приемки (inspection threshold): Максимальный размер дефекта типа трещина, допустимый установленными требованиями.

3.20 формула предельных состояний (limit state formula): Формула, которая по геометрическим параметрам и свойствам материала выборки труб позволяет оценить условия разрушения труб.

Примечание — Формула предельных состояний позволяет с наибольшей возможной точностью оценить эксплуатационные характеристики отдельной выборки труб без учета предельных отклонений этой выборки при производстве.

3.21 формула проектных предельных состояний (design formula): Формула, позволяющая на основе требований стандартов на трубы или результатов выполненных измерений определить эксплуатационные характеристики, используемые при проектных расчетах.

Примечание — Формула проектных предельных состояний может быть получена путем подстановки наихудших значений переменных в формулу предельных состояний с целью определения наименьших ожидаемых показателей эксплуатационных характеристик, соответствующих заданному уровню безопасности. Формула проектных предельных состояний, выведенная статистическим путем, соответствует заданному нижнему процентилю кривой распределения вероятности сопротивления разрушения.

3.22 число витков на дюйм (TPI, threads per inch): Число витков резьбы на длине 25,4 мм.

3.23 эффективное осевое усилие (effective axial force): Осевое усилие, действующее на трубу (осевое напряжение в стенке трубы, умноженное на площадь поперечного сечения), скорректированное под влиянием внутреннего и наружного давления.

Примечание — Если трубное изделие выгнуто в виде дуги, давления воздействуют как боковая равномерно распределенная нагрузка (UDL) (Р, 4, - Р_о A_o)/R. Для небольших прогибов изгиб определяется как VR^ d²y/dx², а значит, этот член можно сгруппировать с растяжением Fcfiy/dx² в основной дифференциальной формуле. При изгибе и потере продольной устойчивости нагрузка на трубное изделие аналогична эффективному осевому усилию F_eff ⁼ ^_а - ^ Д + Р_о А_о. Эффективное осевое усилие не является физической величиной, а рассматривается как комбинация параметров для упрощения расчетных формул.

4 Обозначения

В настоящем стандарте использованы следующие обозначения:

4

ГОСТ 35016—2023

G_o, Gp G₂, G₃, G₄ — коэффициенты в формуле кривой предельных состояний FAD;

5

ГОСТ 35016—2023

6

ГОСТ 35016—2023

7

ГОСТ 35016—2023

8

ГОСТ 35016—2023

5 Сокращения

В настоящем стандарте использованы следующие сокращения:

ВС — тип резьбового соединения обсадных труб с упорной трапецеидальной резьбой;

EU — тип резьбового соединения насосно-компрессорных труб с высаженными наружу концами с закругленной треугольной резьбой;

FAD — диаграмма оценки вероятности разрушения;

LC — тип резьбового соединения обсадных труб с удлиненной закругленной треугольной резьбой;

NU — тип резьбового соединения насосно-компрессорных труб с невысаженными концами с закругленной треугольной резьбой;

PDF — параметры функции распределения вероятностей;

CDF — функция кумулятивного распределения;

SC — тип резьбового соединения обсадных труб с короткой закругленной треугольной резьбой;

МКЭ — модель конечных элементов;

НКТН — тип резьбового соединения насосно-компрессорных труб с закругленной треугольной резьбой;

НКТВ — тип резьбового соединения насосно-компрессорных труб с высаженными наружу концами с закругленной треугольной резьбой;

НКМ — тип резьбового соединения насосно-компрессорных труб с трапецеидальной резьбой и узлом уплотнения металл-металл;

ОТТМ — тип резьбового соединения обсадных труб с трапецеидальной резьбой;

ОТТГ — тип резьбового соединения обсадных труб с трапецеидальной резьбой и узлом уплотнения металл-металл.

9

ГОСТ 35016—2023

6 Трехмерная текучесть тела трубы

6.1 Общие положения

При анализе трехмерной текучести тела трубы используют критерий фон Мизеса. Упругое состояние, приводящее к возникновению текучести, возникает при наложении следующих факторов:

а) радиального и тангенциального напряжений, определенных по формулам Ламе для толстостенного цилиндра;

Ь) равномерного осевого напряжения от всех источников, кроме изгиба;

с) осевого напряжения изгиба для бруса Тимошенко;

d) напряжения сдвига при кручении моментом, направленным по оси трубы.

Более подробная информация по расчету трехмерной текучести тела трубы приведена в приложении А.

6.2 Допущения и ограничения

6.2.1 Общие положения

Формулы (1)—(7) основаны на приведенных в 6.2.2—6.2.5 допущениях.

6.2.2 Концентричность и окружность поперечного сечения трубы

Формулы для радиальных и тангенциальных напряжений, изгиба и кручения основаны на предположении, что сечение трубы состоит из наружной и внутренней окружностей, концентричных и имеющих правильную форму.

6.2.3 Изотропная текучесть

Предел текучести трубы принимается не зависящим от направления. Предполагается, что свойства продольных и поперечных образцов идентичны, они обладают одинаковыми модулями упругости и пределами текучести при растяжении и сжатии.

6.2.4 Отсутствие остаточных напряжений

При определении возникновения текучести предполагается, что остаточными напряжениями, возникающими в ходе производственного процесса, можно пренебречь.

6.2.5 Неустойчивость поперечного сечения (смятие) и продольная неустойчивость (выгнутость)

При Р_о > P_t возможно смятие поперечного сечения из-за потери устойчивости еще до возникновения текучести. Случай смятия, когда наружное давление больше внутреннего, см. в разделе 8. Аналогично, при o_eff < 0 возможна потеря продольной устойчивости трубы до возникновения текучести, и изгибающие напряжения от выгнутости необходимо учитывать при проверке на текучесть.

6.3 Требования к исходным данным

Для расчета трехмерной текучести тела трубы необходимы следующие исходные данные:

с — изгиб трубы — величина, обратная радиусу изгиба оси трубы, рад/м;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

F_a — осевое усилие, Н;

°утп — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении, МПа;

^йП — коэффициент, учитывающий установленное предельное отклонение толщины стенки трубы, равный 0,875 для предельного отклонения минус 12,5 %;

Р, — внутреннее давление, МПа;

Р_о — наружное давление, МПа;

Ц — момент силы при свинчивании, Н ■ м;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм.

6.4 Формула проектной трехмерной текучести тела трубы

Возникновение текучести определяется следующим равенством:

°е “ °ymn’ (1)

где о_е < о_утп соответствует упругому состоянию;

о_е — эквивалентное напряжение, МПа;

°утп — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении, МПа.

10

ГОСТ 35016—2023

Эквивалентное напряжение вычисляют по формуле

°е = [°r ⁺ °h ⁺ (°а ⁺ %)² - °r°h - <М°а ⁺ %) “ %<% ⁺ %) ^{+ 3T}hJ^1/2> (²)

при этом:

°, = К^а, - Ро°²) - (Pi - Pot^.D²^)]^ - О. (3)

"h = К^а. - PoD²) * (Pi - Pol^allOWW² ~ <O W

°. = Pa«p. <5>

o_b = ±I_bt1I = ±Ecr, (6)

^a = M^ (7)

где o_e — эквивалентное напряжение, МПа;

o_r — радиальное напряжение, МПа;

o_h — тангенциальное напряжение, МПа;

о_а — составляющая осевого напряжения, не вызванная изгибом, МПа;

о_ь — составляющая осевого напряжения, вызванная изгибом, МПа;

т_Ьа — касательное напряжение при кручении, МПа;

Р, — внутреннее давление, МПа;

d_wan — внутренний диаметр трубы, рассчитанный с коэффициентом k_wan, равный (О- 2/c_waNt), мм;

/^_аи — коэффициент, учитывающий установленное предельное отклонение толщины стенки трубы, равный 0,875 для предельного отклонения минус 12,5 %;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм;

Р_о — наружное давление, МПа;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

г — радиальная координата, d/2 s r< D/2 для o_a, o_b и т_Ьа, d_wall/2 s r< D/2 для o_r и o_b;

d — внутренний диаметр трубы, равный (D-2f), мм;

F_a — осевое усилие, Н;

Д_р — площадь поперечного сечения трубы, равная (л/4) ■ (D² - с/²), мм²;

7_Ь — изгибающий момент, Н • м;

I — момент инерции поперечного сечения трубы, равный (л/64) ■ (О⁴ - d⁴), мм⁴;

Е — модуль Юнга, равный 206,9 ГПа;

с — изгиб трубы — величина, обратная радиусу изгиба оси трубы, рад/м;

Ц — момент силы при свинчивании, Н • м;

7_р — полярный момент инерции поперечного сечения трубы, равный (л/32) ■ (О⁴ - с/⁴), мм⁴.

Знак ± в формуле (6) указывает на то, что составляющая осевого напряжения, вызванная изгибом, может быть положительной (при растяжении) или отрицательной (при сжатии) в зависимости от положения рассматриваемой точки поперечного сечения. От изгиба в точках поперечного сечения, расположенных ближе к центру радиуса изгиба, чем продольная ось трубы, возникают сжимающие напряжения, а в точках поперечного сечения, расположенных дальше от центра радиуса изгиба, чем продольная ось трубы, возникают растягивающие напряжения.

Единицей измерений переменной с является рад/м, или градус на 30 м. Для перевода единицы измерений градус на 30 м в рад/м, правую часть формулы (6) необходимо умножить на постоянную л/(180 ■ 30) или 5,8178 ■ КГ⁴.

При наличии изгиба формула (2) должна иметь четыре решения: для наружной и внутренней поверхностей трубы при растяжении и сжатии. При наличии кручения формула (2) должна иметь два решения: для наружной и внутренней поверхностей трубы. При отсутствии кручения и изгиба формула (2) должна иметь одно решение: для внутреннего радиуса трубы. Во всех случаях в формулу (1) следует подставлять наибольшее расчетное значение о_е.

В результате расчета, приведенного в настоящем подразделе, определяют напряженное состояние, приводящее к текучести металла труб при совокупности наихудших свойств этого металла, т. е. при минимально допустимых значениях этих свойств. Толщину стенки трубы при этом принимают равной минимально допустимой толщине стенки при эксцентриситете, являющемся естественным фактором процесса производства труб.

11

ГОСТ 35016—2023

6.5 Применение формулы проектной трехмерной текучести тела трубы к трубам для трубопроводов

Предел текучести тела труб для трубопроводов может быть рассчитан по приведенным выше формулам с учетом ограничений, приведенных в 6.2.

6.6 Примеры расчета

6.6.1 Расчет проектной текучести тела трубы по формулам Ламе в случае, когда наружное давление, изгиб и кручение равны нулю

6.6.1.1 Общие положения

Формулы Ламе для расчета радиальных и тангенциальных напряжений основаны на формулах трехмерного равновесия поперечного сечения трубы в состоянии линейной упругости. Поскольку это формулы для трехмерного измерения, то они обеспечивают наиболее точный расчет напряжений в трубе. Далее рассмотрены два вида таких формул: для труб с открытыми торцами, с осевыми напряжениями, равными нулю, и для труб с торцевым уплотнением, с осевыми напряжениями от действия внутреннего давления на торцевое уплотнение.

6.6.1.2 Формула проектной текучести для труб с торцевым уплотнением

Возникновение текучести в толстостенных трубах с торцевым уплотнением является особым случаем формул (1) и (2), когда отсутствуют наружное давление, изгиб и кручение. Осевое напряжение создается только действием внутреннего давления на торцевое уплотнение.

Формулу проектной текучести для труб с торцевым уплотнением с учетом формул Ламе для радиальных и тангенциальных напряжений выводят из формулы (2). Окончательная формула для расчета внутреннего давления возникновения текучести металла толстостенных труб с торцевым уплотнением P_iYLc, МПа, имеет вид

P^LC = W«^3D4 * <*«all>'<О² - 4|)² * <*⁴'<о² - «V - ^_М^ - <'²)<о² - 4|»¹^ <8)

где o_ymn — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении, МПа;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

^waii — внутренний диаметр трубы, рассчитанный с коэффициентом k_wan, равный (0-2^ t), мм;

^waii — коэффициент, учитывающий установленное предельное отклонение толщины стенки трубы, равный 0,875 для предельного отклонения минус 12,5 %;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм;

d — внутренний диаметр трубы, равный (D - 2f), мм.

В формуле (8) не учтено осевое растяжение, поскольку оно создается внутренним давлением на торцевое уплотнение труб. В более общем случае, когда осевое напряжение создается иными факторами, оно учитывается критерием трехмерной текучести по формулам (1) и (2).

6.6.1.3 Формула проектной текучести тела трубы с открытыми торцами при отсутствии наружного давления и осевой нагрузки

Возникновение текучести в толстостенных трубах с открытыми торцами является особым случаем формул (1) и (2), когда отсутствуют равномерная осевая нагрузка, наружное давление, изгиб и кручение.

Формулу проектной текучести тела труб с открытыми торцами с учетом формул Ламе для радиальных и тангенциальных напряжений выводят из формулы (2). Окончательная формула для расчета внутреннего давления возникновения текучести в толстостенных трубах с открытыми торцами P_iYLo, МПа, имеет вид

Р»>» = W^² - 4.W0⁴ * 4/^ И

где o_ymn — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении, МПа;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

d_wan — внутренний диаметр трубы, рассчитанный с коэффициентом k_wan равный (D-2k_wallt), мм;

^waii — коэффициент, учитывающий установленное предельное отклонение толщины стенки трубы, равный 0,875 для предельного отклонения минус 12,5 %;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм.

В более общем случае, когда осевое напряжение не равно нулю, оно учитывается критерием трехмерной текучести по формулам (1) и (2).

12

ГОСТ 35016—2023

6.6.2 Давление возникновения текучести тела трубы по формуле Барлоу

6.6.2.1 Общие положения

Формула Барлоу для расчета давления возникновения текучести тела трубы основана на приближенной формуле одномерной (не трехмерной) текучести фон Мизеса и приближенной расчетной формуле тангенциального напряжения в трубе. Формула Барлоу аппроксимирует тангенциальные напряжения и затем приравнивает эту аппроксимацию к пределу текучести. Такая аппроксимация является менее точной, чем расчет по формуле Ламе в 6.6.1. Поскольку формула Барлоу не учитывает осевые усилия, то при расчете по ней нет разницы между трубой с торцевым уплотнением, трубой с открытыми концами и трубой, на концы которой действует растягивающая нагрузка.

6.6.2.2 Формула проектной одномерной текучести под действием давления

Формула для расчета внутреннего давления возникновения текучести металла тонкостенных труб имеет вид

^iY АПИ “ 2°ymn^wall^’ (Ю)

где Р,уапи — внутреннее давление возникновения текучести в тонкостенной трубе, МПа;

°утп — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении, МПа;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

/^_аи — коэффициент, учитывающий установленное предельное отклонение толщины стенки трубы, равный 0,875 для предельного отклонения минус 12,5 %;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм.

На формулу (10) распространяются те же допущения и ограничения, что и на более общие формулы, из которых она может быть выведена (6.2).

6.6.3 Осевое усилие при возникновении текучести тела трубы по формуле Барлоу

Предел текучести тела трубы представляет собой напряжение под действием осевого усилия при отсутствии внутреннего и внешнего давлений, изгиба и кручения. Осевое усилие при возникновении текучести рассчитывают по следующей формуле:

^Y АПИ “ °ymn^p’ (11)

где Руапи — осевое усилие при возникновении текучести по формуле Барлоу, Н;

°утп — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении, МПа;

Др — площадь поперечного сечения трубы, равная (л/4) ■ (D² - с/²), мм²;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

d — внутренний диаметр трубы, равный (D - 2f), мм;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм.

6.6.4 Возникновение текучести тела трубы при отсутствии изгиба и кручения

При отсутствии изгиба и кручения формула (2) приобретает вид

% = [о² + о ² + о² - o_ro_h - o_ro_a - o_ho_a]^1/2, (12)

где о_е — эквивалентное напряжение, МПа;

о_г — радиальное напряжение, МПа;

o_h — тангенциальное напряжение, МПа;

о_а — составляющая осевого напряжения, не вызванная изгибом, МПа.

Пример — Труба с нижним открытым торцом опущена в вертикальную скважину, наполненную жидкой средой, плотностью 1,080 кг/дм³. Внутреннее и наружное давления на любой глубине одинаковы, а нижний конец трубы испытывает осевое сжатие, равное произведению давления жидкой среды на поперечное сечение тела трубы. Наружный диаметр трубы 244,48 мм, толщина стенки 13,84 мм, *waii °>⁸⁷⁵- Принимаем плотность стали равной 7,85 кг/дм³ и пренебрегаем соединениями. Необходимо рассчитать, не возникнет ли текучесть самого верхнего сечения трубы, если опустить трубу на глубину 3000 м. Минимальный предел текучести трубы — 551,6 МПа. Результаты расчета приведены в таблице 1.

Поскольку в этом примере изгиб и кручение отсутствуют, можно не вычислять о_е для наружной и внутренней поверхностей трубы, поскольку текучесть всегда возникает на внутренней поверхности. Но в данном примере приведен расчет для обеих поверхностей.

Поскольку эквивалентное напряжение меньше предела текучести, то в самом верхнем сечении текучесть металла не наступит.

13

ГОСТ 35016—2023

Таблица 1 — Пример расчета возникновения текучести при отсутствии изгиба и кручения

14

ГОСТ 35016—2023

7 Вязкое разрушение тела трубы

7.1 Общие положения

По формуле проектного давления вязкого разрушения определяют фактическое разрушение тела трубы под действием внутреннего давления. В то время как по формуле из раздела 6 определяют возникновение пластической деформации, а не потерю целостности трубы, по формулам проектного давления вязкого разрушения определяют способность трубы выдерживать внутреннее давление без потери герметичности.

Формулы проектного давления вязкого разрушения учитывают минимальные допустимые толщину стенки и номинальный наружный диаметр трубы, максимальную глубину дефектов, не выявленных системой контроля, вязкость разрушения и деформационное упрочнение металла, предел прочности трубы. Предел текучести не оказывает непосредственного влияния на давление вязкого разрушения, но влияет на коэффициент упрочнения к_к

Формулы проектного давления вязкого разрушения могут быть выведены на основе механики равновесия трубы в сочетании с моделью пластичности трубы и моделью влияния дефектов. Выбор основной формулы, применение этой формулы к стандартным трубам и сопоставление формулы с результатами испытаний подробно рассмотрены в приложении В, а также в [3].

Формулы предельных состояний давления вязкого разрушения и формулы проектного давления основаны на трех взаимосвязанных положениях:

а) формуле равновесия вязкого разрушения трубы с известными минимальной допустимой толщиной стенки и номинальным наружным диаметром;

Ь) уменьшении допустимой минимальной толщины стенки на глубину дефектов, не выявленных системой контроля;

с) критерии минимальной вязкости, при которой происходит вязкое разрушение.

Эти формулы применимы для труб, находящихся под действием давления и осевой нагрузки, но не применимы для определения стойкости труб при усталостных нагрузках. Вычитание из толщины стенки трубы глубины дефектов и учет вязкости металла труб основаны на механике разрушения, которая связывает измеренную вязкость разрушения 3_1с образцов труб с расчетной интенсивностью напряжений в вершине дефекта типа трещина (J-интегралы) как функцию от глубины дефектов. Подробнее — см. приложение В.

7.2 Допущения и ограничения

Эти формулы применимы только в том случае, когда металл трубы в данной среде обладает достаточно высокой вязкостью, соответствующей минимальному критерию, в соответствии с которым деформация трубы в данной среде вплоть до разрушения имеет вязкий, а не хрупкий характер даже при наличии незначительных дефектов.

Напряжения изгиба, возникающие, например, при изогнутости или кривизне скважины, не входят в расчетную формулу давления вязкого разрушения. Поэтому формула проектного давления вязкого разрушения не применима для трубы в изогнутой или криволинейной скважине.

7.3 Требования к исходным данным

7.3.1 Общие положения

Для выполнения расчета давления вязкого разрушения тела трубы необходимы следующие исходные данные:

a_N — глубина дефектов, соответствующая принятому уровню приемки, т. е. наибольшая глубина дефекта типа трещина, которая может быть принята системой контроля как допустимый дефект, мм. Так, при контроле труб с толщиной стенки 12,7 мм с уровнем приемки 5 % a_N равна 0,635 мм.

Примечание — Дефект типа трещина — это дефект поверхности, представляющий собой нарушение сплошности металла в виде узкого разрыва. К такому типу дефектов могут быть также отнесены риски, рванины, свищи, царапины;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

°umn — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении, МПа;

к_а — коэффициент снижения разрушающего давления при наличии внутреннего продольного дефекта типа трещина, и равный 1,0 для труб с мартенситной структурой, подвергнутых закалке и отпуску,

15

ГОСТ 35016—2023

и для сталей типа 13Сг, и 2,0 —для труб после прокатки и нормализации; при отсутствии результатов испытаний принимается равным 2,0. Значение коэффициента для конкретного металла трубы может быть установлено при проведении испытания;

^wall — коэффициент, учитывающий установленное предельное отклонение толщины стенки трубы, равный 0,875 для предельного отклонения минус 12,5 %;

R_h — коэффициент упрочнения для истинной кривой «напряжение—деформация», полученной при испытании на одноосное растяжение (см. В.2.3.3);

t — номинальная толщина стенки трубы, мм.

7.3.2 Определение коэффициента упрочнения

При отсутствии информации о напряжениях и деформациях коэффициент к_ь выбирают из таблицы 2.

Таблица 2 — Рекомендуемые значения коэффициента упрочнения для формулы проектного давления вязкого разрушения

Если группа прочности материала неизвестна, но материал не подвергается значительному упрочнению, то коэффициент k_h может быть определен по следующей формуле:

R_h = 0,1693-/г_па_у- (13)

где k_h — коэффициент упрочнения для истинной кривой «напряжение—деформация», полученной при испытании на одноосное растяжение (см. В.2.3.3);

к_п — коэффициент пересчета напряжений, равный 1,18 ■ 10^-4 МПа^-1;

о_у — предел текучести представительного образца при растяжении, МПа.

Формула проектного давления вязкого разрушения труб сравнительно мало зависит от коэффициента k_h. Однако при использовании материала со значительным упрочнением, такого как двухфазные стали, необходимо определить к_ь точнее, чтобы избежать завышенного прогноза стойкости к вязкому разрушению. Для таких материалов значения k_h могут достигать 0,30.

7.3.3 Определение коэффициента прочности при разрушении к_а

7.3.3.1 Общие положения

Этот коэффициент характеризует влияние вязкости металла на вязкое разрушение при наличии дефекта типа трещина глубиной a_N. Нет необходимости определять этот коэффициент для каждого заказа, достаточно определить его для определенного технологического варианта труб, изготовляемых по определенному плану контроля процесса. Для материала с высокой вязкостью коэффициент равен 1,0 или менее и влияние дефекта типа трещина на давление вязкого разрушения будет не больше, чем глубина самого дефекта типа трещина. Однако для материала с пониженной вязкостью коэффициент к_а может быть равен 2,0 и влияние дефекта типа трещина становится таким, как будто дефект типа трещина имеет глубину, вдвое превышающую фактическую.

Если значение к_а для материала не определялось, его можно принять равным 2,0. Установлено, что к_а равно 1,0 для труб с мартенситной структурой, подвергнутых закалке и отпуску, и для сталей типа 13Сг. Значение коэффициента может быть установлено для конкретного материала при испытании. Для расчета к_а может быть использован один из двух методов, приведенных далее.

16

ГОСТ 35016—2023

7.3.3.2 Аналитический метод определения к_а

Рекомендуется следующая процедура:

а) создают модель конечных элементов (МКЭ) трубы для трех разных значений глубины дефекта типа трещина: 0 %, 5 % и 12,5 % номинальной толщины стенки. Дефект типа трещина моделируют как продольную трещину бесконечной длины на внутренней поверхности трубы. В модели рассматривают номинальную толщину стенки трубы (без учета эксцентриситета для бесшовных труб) и типичную кривую «напряжение—деформация» для рассматриваемой группы прочности;

Ь) модель МКЭ используют для имитации приложения внутреннего давления с целью расчета J-интеграла в функции от внутреннего давления [см. [3] (примеры, пункт В.7.2, приложение В)];

с) экспериментальным путем находят критическое значение трещиностойкости материала J_1c в воздушной среде для группы прочности труб. 3_1с представляет собой параметр, определяемый по методу испытания, приведенному в [4];

d) каждую кривую конечного элемента J-интеграла заканчивают при критическом значении 3_1с, измеренном экспериментально. Внутреннее давление, соответствующее этой конечной точке, в которой 3-интеграл равен 3_1с, представляет собой давление разрушения при наличии дефекта типа трещина в металле с вязкостью, характеризуемой 3_1с;

е) давление разрушения для металла с дефектом типа трещина, глубина которой составляет 5 %, делят на давление разрушения для металла без дефекта типа трещина, используя для этого результаты моделирования МКЭ и измерения 3_1с. Затем полученное соотношение приравнивают к (1 - k_aa/t), где a/t— отношение глубины дефекта типа трещина к номинальной толщине стенки трубы, например, в данном случае 5 %. Из этой формулы находят значение коэффициента прочности при разрушении к_а;

f) расчет повторяют с результатами, полученными по МКЭ для дефекта типа трещина глубиной 12,5%;

д) находят среднее значений к_а для значений, полученных по перечислениям е) и f), и используют его в формуле проектного давления разрушения.

7.3.3.3 Экспериментальный метод определения к_а

Вместо измерения 3_1с и расчета методом конечных элементов можно определить к_а, проведя испытания на разрушение трубы без дефекта типа трещина, трубы с дефектом глубиной 5 % и глубиной 12,5 %. Затем необходимо установить соотношение давлений разрушения, как описано в 7.3.3.2, перечисление е), и рассчитать к_а. Трудность при таком подходе заключается в том, что результат будет некорректным при недостаточной острой форме дефекта. Надрез, выполненный механическим или электроэрозионным способом, не пригоден для этой цели. Дефект типа трещина необходимо создать в процессе изготовления трубы или путем создания дефекта типа усталостная трещина. В целом МКЭ в сочетании с измерением J_1c является более легко осуществимым методом.

7.3.3.4 Чувствительность к_а

Коэффициент к_а мало зависит от группы прочности трубы и в основном зависит от технологического процесса, а при постоянстве процесса меняется слабо. Это связано с тем, что к_а представляет лишь потенциальное усиление стойкости трубы к наличию дефекта типа трещина при нагружении до разрушения. По этой причине рекомендуется определять к_а только для конкретной группы прочности, а не для конкретных размеров труб.

7.4 Формулы проектного давления вязкого разрушения тела трубы с торцевым уплотнением

Минимальное внутреннее давление при вязком разрушении трубы с торцевым уплотнением P_iR, МПа, вычисляют по следующей формуле:

^iR “ l^(j_r°_urnn (^wall^^— Mn^I^ ^— ^wal/ ^— ^а^ам)Ь (14)

где A_dr

поправочный коэффициент, учитывающий деформацию трубы и деформационное упрочне

ние металла, равный

(1/2)^V1₊(1/T3f¹

k_h — коэффициент упрочнения для истинной кривой «напряжение—деформация», полученной при испытании на одноосное растяжение (см. В.2.3.3);

°umn — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении, МПа;

k_wan — коэффициент, учитывающий установленное предельное отклонение толщины стенки трубы, равный 0,875 для предельного отклонения минус 12,5 %;

17

ГОСТ 35016—2023

t — номинальная толщина стенки трубы, мм;

к_а — коэффициент снижения разрушающего давления при наличии внутреннего продольного дефекта типа трещина, равный 1,0 для труб с мартенситной структурой, подвергнутых закалке и отпуску, и для сталей типа 13Сг, и 2,0 —для труб после прокатки и нормализации; при отсутствии результатов испытаний принимается равным 2,0. Значение коэффициента для конкретного металла трубы может быть установлено при проведении испытания;

a_N — глубина дефекта, соответствующая принятому уровню приемки, т. е. наибольшая глубина дефекта типа трещина, которая может быть принята системой контроля как допустимый дефект, мм. Так, при контроле труб толщиной стенки 12,7 мм с уровнем приемки 5 % a_N равна 0,635 мм;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм.

По выбранному значению k_dr рассчитывают среднее значение внутреннего давления при вязком разрушении трубы с торцевым уплотнением P_iR, прогнозируемого в соответствии с условиями текучести по Треску и по фон Мизесу.

Коэффициент k_wan учитывает минимальное отклонение толщины стенки трубы без учета дефектов. Это значение может быть откорректировано, если другая минимальная толщина стенки обеспечивается технологическим процессом или требованиями поставки.

Дефекты типа трещина учитываются коэффициентом a_N. Произведение к_а на a_N представляет собой дополнительное уменьшение минимальной толщины стенки, связанное с наличием дефектов типа трещина, не выявленных системой контроля, и расположение которых совпадает с минимальной толщиной стенки. Такое наложение минимальной толщины стенки и дефектов типа трещина зависит от частоты появления минимальной стенки и частоты появления дефектов острой формы и глубиной, сопоставимой с уровнем приемки.

При детерминистическом подходе необходимо проводить расчет давления вязкого разрушения с запасом, при этом принимают частоту появления дефектов равной 100 % и глубину дефектов считают равной уровню приемки.

При вероятностном подходе в расчете давления разрушения по приложению В глубину дефекта также принимают равной уровню приемки, но учитывают фактическую частоту появления минимальной стенки и дефектов острой формы и глубиной, сопоставимой с уровнем приемки.

7.5 Учет влияния осевого растяжения и наружного давления

7.5.1 Общие положения

Формула (14) выведена для труб с торцевым уплотнением, осевое растяжение которых вызывает только внутреннее давление, действующее на внутреннюю поверхность труб с уплотнением. Это особый случай более общей ситуации, при которой в трубе может возникнуть разрушающее максимальное внутреннее давление при одновременном действии случайного наружного давления и случайного осевого растяжения или сжатия. Эти комбинированные нагрузки определяют, когда труба перейдет в состояние текучести и какие пластические деформации возникнут в ней к моменту разрушения. Может быть найден фундаментальный критерий разрушающей нагрузки, но это уже более сложная задача, решаемая при помощи формул фон Мизеса или Треска для поверхности текучести в зависимости от осевых, радиальных и тангенциальных напряжений.

Кроме того, вязкое разрушение под действием давления является преобладающим механизмом разрушения трубы только в том случае, когда осевое растяжение незначительно. При значительном осевом растяжении и незначительном внутреннем избыточном давлении осевая нагрузка (предшествующая образованию шейки и осевому разрушению трубы) будет максимальной еще до достижения максимального давления.

Далее приведены формулы разрушения под действием давления и образования шейки при комбинированных нагрузках вместе с критерием, позволяющим определить, что произойдет ранее. При этом использовано понятие «эффективное осевое растяжение», связанное с понятием «эффективное осевое напряжение», приведенным в А. 1.3.2.4. Эти приближенные формулы для эффективного осевого растяжения имеют более высокую точность по сравнению с теоретическим решением по [5]. В [3] (пункт В.6.2, приложение В) приведено соответствие результатов расчета при комбинированной нагрузке экспериментальным данным.

При отрицательных значениях эффективного осевого растяжения, т. е. при эффективном осевом сжатии, труба может быть выгнутой, как и колонна, что зависит от надежности боковых опор. Если 18

ГОСТ 35016—2023

выгнутость достаточно эффективно предотвращают, то формула для разрушения под действием комбинированной нагрузки может быть применима также и при эффективном осевом сжатии. Однако при значительном осевом сжатии возможна локальная выгнутость стенки трубы, приводящая к ее разрушению. В этом случае формула разрушения под действием комбинированной нагрузки не применима.

7.5.2 Формула проектного давления вязкого разрушения под действием комбинированной нагрузки

При наличии наружного давления и осевого растяжения или сжатия, отличающегося от создаваемого внутренним давлением на торцевое уплотнение, общая формула для расчета давления вязкого

разрушения имеет вид

^PiRa ^{= Р}о ^{+ т}'^пИ^/2(^Рм ^{+ P}refT)> ^РмЬ (¹⁵)

да Р_М=PrefM И - *R (р.Лк)²!’'². (16)

при этом F_a = nt(P - f)o_a, (17)

F_e« = ^F_a ^{+ P}o^^D - ^f) - [P_MKD - f)]/[(/<_wai|f - k_aa_t№ - k_wallt + R_aa_N)] ■ (л/4) ■ [D - 2(k_wallf - k_aa_N)]², (18)

^uts ^_ яЦО ~ 0°umn> (19)

^uts ^_ 2°umn(^wall^^— k^^iD — (k_wattt — /(_аа^)], (20)

^ref ^_ ^2(P_refM ⁺ ^refT) (см. рисунок 1), (21)

P_IefM=(2/,/3)^W’'(1/2)‘^t'P„_ts, ₍₂₂₎

P»fT = (1'2)4» (23)

k_R = (4¹-^ - 1 )/(3¹~Ч (24)

где P_iRa — P_|R с поправкой на осевую нагрузку и наружное давление, МПа;

Р_о — наружное давление, МПа;

F_a — осевое усилие, Н;

f — номинальная толщина стенки трубы, мм;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

о_а — составляющая осевого напряжения, не вызванная изгибом, МПа;

F_eff — эффективное осевое усилие, Н, т. е. для совершенных труб — усилие, создающее осевое напряжение, дополнительное к напряжению, создаваемому внутренним и наружным давлениями в трубах с торцевым уплотнением;

R_wan — коэффициент, учитывающий установленное предельное отклонение толщины стенки трубы, равный 0,875 для предельного отклонения минус 12,5 %;

к_а — коэффициент снижения разрушающего давления при наличии внутреннего продольного дефекта типа трещина, равный 1,0 для труб с мартенситной структурой, подвергнутых закалке и отпуску, и для сталей типа 13Сг, и 2,0 — для труб после прокатки и нормализации; при отсутствии результатов испытаний принимается равным 2,0. Значение коэффициента для конкретного металла трубы может быть установлено при проведении испытания;

a_N — глубина дефекта, соответствующая принятому уровню приемки, т. е. наибольшая глубина дефекта типа трещина, которая может быть принята системой контроля как допустимый дефект, мм. Так при контроле труб толщиной стенки 12,7 мм с уровнем приемки 5 % a_N равна 0,635 мм;

°umn — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении, МПа;

к^ — коэффициент упрочнения для истинной кривой «напряжение—деформация», полученной при испытании на одноосное растяжение (таблица 2).

На рисунке 1 приведено графическое изображение формулы (15) совместно с фактической кривой разрушения.

Для труб с торцевым уплотнением эффективное осевое усилие равно нулю и формула (15) сводится к формуле (14).

19

ГОСТ 35016—2023

Формула разрушения справедлива, т. е. разрушение под действием давления произойдет до образования шейки, если

^eff^uts ^(^372 Р

(25)

1 — разрушение (фактическое); 2— разрушение [формула (15)]; 3— переходная прямая; 4 — образование шейки [формула (26)];

5 — локальная выгнутость

Примечания

1 По оси X— Pef/Puts ^ПР^{И э}ФФ^{ективном} осевом растяжении.

2 По оси Y— (Р, - P₀)/P_ref при перепаде давлений.

Рисунок 1 — Иллюстрация влияния эффективного осевого растяжения и наружного давления на вязкое разрушение трубы

7.5.3 Формула проектного усилия образования шейки под действием комбинированной нагрузки

При наличии внутреннего и наружного давлений общая формула усилия образования шейки имеет вид

Pe^PutsH-^KP.-PoyPrefM]²]¹^ (26)

rfleF_a = Kf(D-f)o_a, (27)

Feff ^a+Po^D-fUrTT—(28)

Puts ^- ^^(^ ^— 0°_umn’ (29)

Puts ~ 2°umn(^wall^^— ^а^агМ^ ^— (^wall^ ^— Ml))!’ ($0)

Рге)М=(^2/^Зр(1^/2ЛР_и15> (31)

k_N = ф^1-^ - З^1-^, (32)

при этом F_eff — эффективное осевое усилие, Н, т. е. для совершенных труб — усилие, создающее

осевое напряжение, дополнительное к напряжению, создаваемому внутренним и наружным давлениями в трубах с торцевым уплотнением;

20

ГОСТ 35016—2023

F_uts — предельное осевое усилие для трубы при нормируемом минимальном пределе прочности, Н;

P_t — внутреннее давление, МПа;

Р_о — наружное давление, МПа;

F_a — осевое усилие, Н;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

о_а — составляющая осевого напряжения, не вызванная изгибом, МПа;

^waii — коэффициент, учитывающий установленное предельное отклонение толщины стенки трубы, равный 0,875 для предельного отклонения минус 12,5 %;

к_а — коэффициент снижения разрушающего давления при наличии внутреннего продольного дефекта типа трещина, равный 1,0 для труб с мартенситной структурой, подвергнутых закалке и отпуску, и для сталей типа 13Сг, и 2,0 — для труб после прокатки и нормализации; при отсутствии результатов испытаний принимается равным 2,0. Значение коэффициента для конкретного металла трубы может быть установлено при проведении испытания;

a_N — глубина дефекта, соответствующая принятому уровню приемки, т. е. наибольшая глубина дефекта типа трещина, которая может быть принята системой контроля как допустимый дефект, мм. Так при контроле труб толщиной стенки 12,7 мм с уровнем приемки 5 % a_N равна 0,635 мм;

°umn — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении, МПа;

P_uts — разрушающее осевое напряжение для трубы с дефектом максимальной выявленной глубины, МПа;

P_refM — расчетное осевое напряжение по фон Мизесу для трубы с дефектом максимальной выявленной глубины с учетом деформационного упрочнения, МПа;

k_h — коэффициент упрочнения для истинной кривой «напряжение—деформация», полученной при испытании на одноосное растяжение (таблица 2).

При нулевом давлении эффективное осевое усилие равно истинному осевому усилию и формула (26) для максимального осевого усилия сводится к пределу прочности.

Формула усилия образования шейки справедлива, т. е. образование шейки под действием давления происходит до разрушения, если

(Pi-WefM^I^)¹’^ (33)

7.5.4 Граница между разрушением под действием давления и образованием шейки

Сравнивая формулы (15) и (26), можно отметить, что образование шейки происходит до разрушения под действием давления, если

Vuts^^XP-Po)^. (34)

Этот критерий, показанный на рисунке 1 (позиция 3), определяет границу между образованием шейки и разрушением трубы под действием давления.

7.5.5 Асимметричная локальная выгнутость под действием комбинированных нагрузок

Как показано на рисунке 1, в интервале осевого сжатия, т. е. при отрицательных значениях эффективного осевого усилия, формула (15) дает завышенное значение по сравнению с фактическим давлением вязкого разрушения и предельным давлением, при котором происходит локальная выгнутость стенки трубы. С целью сближения кривых, построенных по фактическому давлению разрушения и по формуле (15), может быть разработана формула типа (16) с иным коэффициентом k_R [формула (24)], однако вывод такой отдельной формулы не имеет большого практического значения.

7.6 Примеры расчета

7.6.1 Вязкое разрушение трубы с торцевым уплотнением

Для трубы, находящейся под действием внутреннего давления, эффективное осевое усилие равно нулю и формулы (14) и (15) являются тождественными. Кроме того, при проведении испытания на разрушение труб с торцевым уплотнением при дополнительной осевой нагрузке, действующей на концы труб, эффективное осевое усилие является заданным, и формула (15) может быть использована

21

ГОСТ 35016—2023

непосредственно для расчета давления вязкого разрушения при любом значении эффективного осевого усилия.

Необходимо рассчитать давление вязкого разрушения трубы наружным диаметром 177,8 мм, толщиной стенки 11,51 мм, группы прочности Р110. Труба имеет торцевое уплотнение, дополнительная осевая нагрузка отсутствует. Используют коэффициент деформационного упрочнения по таблице 2 и принимают уровень приемки равным 5 %.

В таблице 3 приведены результаты расчета.

Таблица 3 — Пример расчета давления вязкого разрушения трубы с торцевым уплотнением

7.6.2 Вязкое разрушение при действии осевой нагрузки

Если известна осевая нагрузка, действующая на трубу, разность давлений Р_м нельзя рассчитать непосредственно по формуле (16), поскольку эффективное осевое усилие является функцией Р_м. Решение можно найти методом итерации или переписав формулу (16) в виде квадратного уравнения с неизвестным Р_м.

Необходимо рассчитать давление вязкого разрушения трубы наружным диаметром 177,80 мм, толщиной стенки 11,51 мм, группы прочности Р110. Осевая сжимающая нагрузка составляет 889600 Н. Используют коэффициент деформационного упрочнения по таблице 2 и принимают уровень приемки равным 5 %.

В таблице 4 приведены результаты расчета.

Таблица 4 — Пример расчета давления вязкого разрушения трубы под действием осевой нагрузки

22

ГОСТ 35016—2023

Окончание таблицы 4

8 Стойкость к смятию

8.1 Выбор метода

Стойкость к смятию определяют непосредственно по результатам испытаний на смятие (более подробно — см. приложение Е) или по статистическим данным о качестве труб (по пределу текучести, наружному диаметру и толщине стенки) и по результатам вероятностного анализа с использованием формул прогнозируемой предельной прочности на смятие (более подробно — см. приложение F).

Метод расчета по результатам испытания на смятие требует данных по каждой трубе (наружный диаметр, масса и группа прочности), представительной для технологического процесса. Если такие данные отсутствуют, необходимо использовать статистический метод.

Расчет показателей стойкости к смятию с учетом возможных рисков приведен в [3] (пункт F. 5, приложение F).

8.2 Расчетные формулы стойкости к смятию

8.2.1 Формула предельных состояний

Для расчета предельного давления смятия Р_м, МПа, используют упрощенный вариант формулы

P_Ult = {(Ре ult ⁺ Ру ult) - ((Ре uft ~ Ру ult)^{2 +} ^е _U|_tPy иЛ ultima ~ *t _ult)], (35)

где

Ре ult = ^ke _ub2E/[(1 - v2)(D_ave/f_cave)((D_ave/f_{c ave}) - 1 )²], (36)

Py ult ^{- k}y uls ’ 2°y (^_c ave^ave)!^ ⁺ ^cave^^^ave)!’ (37)

k_tU|_t = 0,127ov + 0,0039e_c-0,440R_s/o_y + h_n, с ограничением k_tU|_t > 0 (38)

при этом P_{e иК} — предельное давление упругого смятия, МПа;

Ру uit — предельное давление пластического смятия, МПа;

^tult — понижающий коэффициент;

23

ГОСТ 35016—2023

^euis — поправочный коэффициент для предельных значений упругого смятия, равный 1,089;

Е — модуль Юнга, равный 206,9 ГПа;

v — коэффициент Пуассона, равный 0,28;

D_ave — средний наружный диаметр трубы, мм;

f_cave — средняя толщина стенки трубы, мм;

\uis — поправочный коэффициент для предельных значений пластического смятия, равный 0,9911;

о_у — предел текучести представительного образца при растяжении, МПа;

ov — овальность, равная 100(D_max - D_min)/D_ave, %;

D_max — максимальный наружный диаметр трубы, мм;

D_mjn — минимальный наружный диаметр трубы, мм;

е_с — эксцентриситет, равный 100(f_{c max} - f_{c mjn})/f_{c ave}, %;

f_cmax — максимальная толщина стенки трубы, мм;

f_cmin — минимальная толщина стенки трубы, мм;

R_s — остаточное напряжение при отрицательном сжатии на внутренней поверхности, и положительном растяжении на внутренней поверхности, МПа;

Л_п — коэффициент, учитывающий форму истинной кривой «напряжение—деформация».

Примечание — Для данной формулы используют фактические значения f_{c mjn}, f_{c max}, D_min, D_max, o_y, ^c ave¹ ^ave’

Значения коэффициентов h_n, k_eu|_S и k_{y иЬ} были получены эмпирически по результатам испытаний на смятие, см. [3], приложение F.

Результаты испытаний на смятие по [6] позволяют предположить, что формула (35) неприменима для труб сочень тонкой стенкой [log₁₀(Py/P_e) > 0,4] и значительными сжимающими остаточными напряжениями (R_s/o_y < -0,5).

8.2.2 Формулы проектной стойкости к смятию (функция распределения вероятности множества)

8.2.2.1 Проектное давление смятия под действием наружного давления

Формулы (35) — (38) предназначены для расчета предельной стойкости к смятию, т. е. они протезируют момент фактического разрушения обсадных труб. Для расчетов используют заниженные значения давлений упругого и пластического смятия, соответствующие минимальному уровню безопасности, отражающему требуемый уровень надежности TRL. В этом случае минимальный уровень безопасности был получен путем умножения давлений упругого и пластического смятия на понижающие коэффициенты k_{y des} и k_{e des}, соответственно, как показано далее

^des " К^е des^e ⁺ \ des^y) ^— К^е des^e ⁺ ^у des^y) ⁺ ^^е des^e ^у des^y^t desl 142(1 — к^ _des)], (39) где

Р_е = 2Е/[(1 - v²)D/t(D/t - 1 )²], (40)

Р_у = 2o_ymnf/D(1 + t/2D), (41)

при этом P_des — проектное давление смятия, МПа;

k_Q des — понижающий коэффициент для проектного упругого смятия;

Р_е — давление упругого смятия, МПа;

^ydes — понижающий коэффициент для проектного пластического смятия;

Р_у — параметр пластического смятия, МПа;

к_{ des — понижающий коэффициент, равный 0,22 для труб, подвергнутых холодной ротационной правке, и 0,20 — для труб, подвергнутых горячей ротационной правке;

Е — модуль Юнга, равный 206,9 ГПа;

v — коэффициент Пуассона, равный 0,28;

D — номинальный наружный диаметр, мм;

t — номинальная толщина стенки, мм;

°ymn — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении, МПа.

24

ГОСТ 35016—2023

Следует учитывать, что Р_е и Р_у рассчитывают по номинальным размерам и нормируемому минимальному пределу текучести, а не по фактическим значениям, как для предельной стойкости к смятию.

8.2.2.2 Проектное давление смятия под действием комбинированной нагрузки

Осевое растяжение понижает стойкость к смятию, а внутреннее давление повышает ее.

В настоящем подпункте приведен метод расчета стойкости к смятию под действием одной или обеих нагрузок, основанный на формуле Клевера-Тамано по [7].

Осевое растяжение не влияет на давление упругого смятия, т. е. ДР_{е des} находят, используя формулу (40)

△Ре des = ке de_S2^(1 - v²)Dlt(Dlt- 1 )²], (42)

где ДР_{е des} — разность давлений Р_о и P_v МПа;

Р_о — наружное давление, МПа;

Р_} — внутреннее давление, МПа;

^edes — понижающий коэффициент для проектного упругого смятия;

Е — модуль Юнга, равный 206,9 ГПа;

v — коэффициент Пуассона, равный 0,28;

D — номинальный наружный диаметр, мм; f — номинальная толщина стенки, мм.

Проектное давление текучести Треска ДР_{у Tdes} рассчитывают по следующей формуле

△Ру Tdes “ ^ des^^ymn^^ ^— ^ (43)

где /<_{у des} — понижающий коэффициент для проектного пластического смятия;

°утп — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении, МПа;

t — номинальная толщина стенки, мм;

D — номинальный наружный диаметр, мм.

Проектное давление текучести фон Мизеса ДР_{у vme des}, МПа, рассчитывают по следующей формуле

△Ру vme des ^_ ( 4 ^ V^ )/<_{у des}<j_yrnn ^ / (Р С] ^ (Peff

= P₀-Pi>

(44)

где

Peff Pax PjA ⁺ Pq^o’ (45)

Py des ky des^ymn^s’ (46)

при этом k_ydes — понижающий коэффициент для проектного пластического смятия;

°ymn — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении, МПа;

t — номинальная толщина стенки, мм;

D — номинальный наружный диаметр, мм;

F_eff — эффективное осевое усилие, Н, т. е. для совершенных труб — усилие, создающее осевое напряжение, дополнительное к напряжению, создаваемому внутренним и наружным давлениями в трубах с торцевым уплотнением;

— составляющая эффективного осевого усилия, не вызванная изгибом, Н;

Р, — внутреннее давление, МПа;

А' — площадь поперечного сечения по внутреннему диаметру, равная k[(D - 2f)²]/4, мм²;

Р_о — наружное давление, МПа;

Д_о — площадь поперечного сечения по наружному диаметру, равная kD²I4, мм²;

Д₅ — площадь поперечного сечения образца для испытания на растяжение, равная (Д_о - Д), мм².

F_eff является функцией от Р_о [формула (45)], таким образом, решение по формуле (44) находят методом итерации или при помощи функции извлечения корня в математической электронной таблице (см. пример в 8.3.2).

25

ГОСТ 35016—2023

Действующее давление смятия на пределе текучести принимается как давление текучести фон Мизеса или как среднеарифметическое значение давлений текучести фон Мизеса и Треска, в зависимости от положения на эллипсе фон Мизеса, т. е.

^ДРу des “ (^ДРу Tdes ⁺ ^^у vme _des)^{/2 П}Р^{И ДР}у vme des ^{> ДР}у Tdes’ (47)

^ДРу des “ ^ДРу vme des ^ПР^{И ДР}у vme des ^{< ДР}у Tdes^- (48)

Затем по формуле (39) рассчитывают AP_des с использованием ДР_е и ДР_у вместо Р_е и Р_у

^^des ” ((^ДРе des ^{+ ДР}у des) ^— К^^е des ^{+ ДР}у des)^{2 +} 4АР_е des ^ДРу des^t desl^1C)^(1 -^ des))- (4$) Окончательное проектное наружное давление Р_{о des} определяют по формуле

^Ро des " ^^des ^{+ Р}г (50)

8.2.3 Формулы проектной стойкости к смятию (функция распределения вероятности определенного значения)

Проектную стойкость к смятию для труб, работающих только под наружным давлением, определяют по формуле (51). Для труб, работающих под наружным давлением и осевой нагрузкой и/или внутренним давлением, см. 8.2.2.2.

^Pdes ” ((^Ре des ^{+ Р}у des) ^— К^е des ^{— Р}у des)^{2 +} 4^е des^Py des^t des^ ^1/2}/[^( 1 — к^ _des)], (51)

где

Р_{е des} = (0,825 ■ 2Е)/[(1 - v²)Dlt(Dlt - 1 )2], (52)

^Pydes = \des²^ymn^(1 +^0. (⁵³)

при этом P_des — проектное давление смятия, МПа;

Ре des — проектное давление упругого смятия, МПа;

Ру des — проектное давление пластического смятия, МПа;

^t des — понижающий коэффициент, равный 0,22 — для труб, подвергнутых холодной ротационной правке и 0,20 — для труб, подвергнутых горячей ротационной правке;

Е — модуль Юнга, равный 206,9 ГПа;

v — коэффициент Пуассона, равный 0,28;

D — номинальный наружный диаметр, мм;

t — номинальная толщина стенки, мм;

^ydes — понижающий коэффициент для проектного пластического смятия (таблица 5); o_ymn — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении, МПа.

Таблица 5 — Понижающие коэффициенты к_{е des}, к_{у des} и к_{{ des}

26

ГОСТ 35016—2023

Окончание таблицы 5

8.2.4 Допущения и ограничения

Формула (51) выведена из формулы предельных состояний на основе статистических данных о размерах труб и напряжениях (т. е. на статистическом разбросе результатов измерения наружного диаметра и толщины стенки труб, напряжения пластического течения и т. д.) и на заданном уровне надежности, равном 0,005. Это значение в существенной мере соответствует заданному пределу надежности, установленному для пластического смятия в [9].

Формула предельных состояний прогнозирует давление разрушения трубы, т. е. она не включает коэффициент запаса прочности.

Спрогнозированный уровень надежности для любого отдельного производства и вида труб может отличаться от 0,005. В приложениях Е и F описано определение предельных значений стойкости к смятию для конкретных случаев по результатам испытаний на смятие и статистическим данным о размерах труб и напряжениях соответственно.

Для расчета стойкости к смятию применяются кривые «напряжение—деформация» с плавным изгибом для труб, подвергаемых холодной ротационной правке, и кривые «напряжение—деформация» с резким изломом для труб, подвергаемых горячей ротационной правке. Таким образом, расчетные значения стойкости к смятию труб после холодной ротационной правки являются несколько заниженными для труб с плавным изгибом кривой «напряжение—деформация».

В формулу (51) не включено непосредственное определение давления возникновения текучести металла и соответственно она не распространяется на эксплуатацию труб в кислых средах. При необходимости давление возникновения текучести металла может быть определено по формуле (2).

8.3 Примеры расчета

8.3.1 Расчет проектной стойкости к смятию без нагрузки

Рассчитывают проектную стойкость к смятию труб наружным диаметром 244,48 мм, толщиной стенки 13,84 мм, группы прочности L80 тип 1, подвергнутых холодной ротационной правке, при k_ydes, равном 0,855, и R_tdes, равном 0,22 (таблица 5):

P_edes ⁼ °-⁸²⁵'²'206,9 ' ¹°^3/[(¹ - 0,28²)(244,48/13,84)((244,48/13,84)- 1)²] = 75,54 МПа;

P_ydes ⁼ °-⁸⁵⁵'²'552(13,84/244,48){[1 + [13,84/(2 ■ 244,48)]} = 54,91 МПа;

^Pdes ⁼ «75.54 + 54,91) - [(75,54 - 54,91 )² + (4 ■ 75,54 ■ 54,91 ■ 0,22)]^1/2}/[2(1 - 0,22)] = 42,70 МПа.

27

ГОСТ 35016—2023

8.3.2 Расчет проектной стойкости к смятию при сочетании нагрузок

Используя основные данные из примера в 8.3.1 в соответствии с 8.2.2 рассчитывают проектную стойкость к смятию для внутреннего давления 34,48 МПа в сочетании с растягивающей осевой нагрузкой 137,90 МПа.

АР_{уТ des} ^{= 2} ' °’⁸⁵⁵'⁵⁵² ' °'^{060 02 =} 56,60 ^МПа

Д_о = л • 244,48²/4 = 46919,82 мм²

^ = л ■ 216,8²/4 = 36896,76 мм²

Д₅ = 46919,82 - 36896,76 = 10023,06 м

F_ydes = 0,855 ■ 552 ■ 10023,06 = 4730 кН

F_ax = 137,9 ■ 10023,06 = 1383 кН.

Р_о можно рассчитать, как корень, используя формулу (44)

⁷ (^Ро) “ ^ДРу vme des (^Ро) ^{— Р}о ^{+ Р}г

Или можно провести итерацию, приняв

Р_о » АР_{уТ des} ^{+ p}i = 56,50 + 34,48 = 90,98 МПа.

Тогда по формуле (45)

F_eff = 1383 ■ 10³ - (34,48 • 36896,76) + (90,98 • 46919,82) = 4380 кН.

По формуле (44)

△^Pyvmedes = (4/3^1/2) ■ 0,855 • 552 ■ [13,84/(244,48 - 13,84)] • [1 - (4379,6 • 10³/4730 • 10³)²]^1/2 = = 24,70 МПа.

Исходное значение для следующей итерации

^ро new ⁼ °’⁵ (96.98 ^{+ 24}-^{7 + 34}-⁴⁸) = ⁷⁵-⁰⁸ МПа.

Остальные итерации приведены в таблице 6. Могут быть использованы другие методы итерации (например, Ньютона-Рафсона).

Таблица 6 — Итерации для Р_о

^ДРу vme des ^{< ДР}у т des’ отсюда АР_{у des} АР_{у vme des} 41,29 МПа, и

A^pdes ⁼ <(⁷⁵’⁵⁴ + 41,29)-[(75,54-41,29)² + (4'⁷⁵>⁵⁴ ’ 41,29 • 0,22)]^1/2}/[2(1 - 0,22)] = 34,77 МПа ^Ро des = 34,77 + 34,48 = 69,25 МПа.

9 Прочность соединений

9.1 Общие положения

Прочность резьбовых соединений является показателем цельности, а не показателем герметичности соединения. Для обсадных труб предельная нагрузка может рассчитываться по текучести или по разрушению/срыву резьбы соединяемых элементов. Для насосно-компрессорных труб, когда колонна труб может многократно подниматься и опускаться в скважину, предельная нагрузка обычно определяется по пределу текучести соединяемых элементов.

9.2 Прочность при растяжении резьбовых соединений обсадных труб

9.2.1 Общие положения

Приведенные далее расчеты соединений на прочность при растяжении применимы для обсадных труб по ГОСТ 31446 и резьбовых соединений по ГОСТ 34057 и ГОСТ 33758.

28

ГОСТ 35016—2023

9.2.2 Прочность соединений обсадных труб с треугольной резьбой SC и LC

9.2.2.1 Общие положения

Прочность соединений обсадных труб с треугольной резьбой LC и SC определяют по минимальной стойкости к разрушению трубы в опасном сечении (по впадине последнего витка резьбы с полным профилем), стойкости к срыву витков резьбы трубы или стойкости к разрушению муфты. При определенных размерах муфты ее прочность может быть меньше прочности трубы. Прочность муфты определяют в опасном сечении (по впадине резьбы муфты в плоскости торца трубы при механическом свинчивании).

9.2.2.2 Допущения и ограничения

В формуле для расчета прочности соединений обсадных труб с треугольной резьбой не учитывается возможное воздействие внутреннего или наружного давлений. Не учитывается также влияние на прочность соединения кривизны обсадных труб.

9.2.2.3 Требования к исходным данным

Для расчета прочности соединений обсадных труб и муфт с треугольной резьбой необходимы следующие исходные данные:

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

°umnp — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении для тела трубы, МПа;

°утпр — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении для тела трубы, МПа;

L_el — длина сопряжения при механическом свинчивании соединения с номинальными геометрическими параметрами, равная (L_t - М), мм;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм;

А — натяг при ручном свинчивании трубы с муфтой, мм;

Е^ — средний диаметр резьбы в плоскости ручного свинчивания, мм;

°umnc — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении для муфты, МПа;

Н — высота исходного профиля треугольной резьбы, мм;

L₁ — расстояние от торца трубы до плоскости ручного свинчивания, мм;

s_rn — срез по впадинам профиля треугольной резьбы, мм;

T_d — конусность, мм/мм;

D_M — номинальный наружный диаметр обычной муфты, мм;

Д_)С — площадь опасного сечения муфты, мм²;

A_jp — площадь опасного сечения трубы, мм²;

d — внутренний диаметр трубы, равный (D - 2f), мм;

d_jC — диаметр впадины резьбы муфты в опасном сечении, мм;

h_s — высота профиля треугольной резьбы, мм;

Ц — общая длина резьбы трубы, мм;

М — расстояние от торца муфты до плоскости ручного свинчивания, мм.

9.2.2.4 Формулы проектной прочности

Расчет прочности соединений обсадных труб с треугольной резьбой проводят по прочности трубы, прочности витков резьбы трубы на срыв или прочности муфты.

Расчет на прочность трубы проводят по следующей формуле:

Pj 0,95AjpO_uranp. (54)

Расчет на прочность витков резьбы трубы на срыв проводят по следующей формуле:

Р, = 0,954_jpL_et[(4,98D^59_o^ _{+ O},14D) + o_ymnp/(L_et ⁺ 0,140)]. (55)

Расчет на прочность муфты проводят по следующей формуле:

Р^ - 0,954j_C o_umnc’ (56)

при этом:

4_jp = (л/4)[(О - 0,1425)² - d²], (57)

Д;_с = (д/4)(О_м²-ф (58)

d_jc = E₁-(L_l+pA)T_d + H-2s_m, (59)

29

ГОСТ 35016—2023

где Р_} — прочность соединения, Н;

Д_]р — площадь опасного сечения трубы, мм²;

°umnp — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении для тела трубы, МПа;

L^ — длина сопряжения при механическом свинчивании соединения с номинальными геометрическими параметрами, равная (Д - М), мм;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

°ymnp — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении для тела трубы, МПа;

Д_)С — площадь опасного сечения муфты, мм²;

°umnc — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении для муфты, МПа;

d — внутренний диаметр трубы, равный {D - 2f), мм;

f — номинальная толщина стенки трубы, мм;

О_м — номинальный наружный диаметр обычной муфты, мм;

Д_с — диаметр впадины резьбы муфты в опасном сечении, мм;

Е^ — средний диаметр резьбы в плоскости ручного свинчивания, мм;

L^ — расстояние от торца трубы до плоскости ручного свинчивания, мм;

р — шаг резьбы, мм;

Д — натяг при ручном свинчивании трубы с муфтой, мм;

Т_й — конусность, мм/мм;

Н — высота исходного профиля треугольной резьбы, мм;

s_m — срез по впадинам профиля треугольной резьбы, мм;

Ц — общая длина резьбы трубы, мм;

М — расстояние от торца муфты до плоскости ручного свинчивания, мм.

Коэффициент 0,95 в формулах (54) и (55) учитывает статистическую погрешность формулы множественной регрессии и позволяет использовать минимальные показатели прочности вместо средних значений.

Подробности разработки формул (54) и (55) — см. [3].

9.2.3 Прочность соединений обсадных труб с трапецеидальной резьбой ВС, ОТТМ и ОТТГ

9.2.3.1 Общие положения

Прочность соединений обсадных труб с трапецеидальной резьбой ВС, ОТТМ и ОТТГ определяют по минимальной прочности трубы в опасном сечении (плоскости выхода резьбы — для ВС, плоскости конца сбега резьбы — для ОТТМ и ОТТГ) или прочности муфты в опасном сечении (по впадине резьбы муфты в плоскости торца трубы при механическом свинчивании — для соединений ВС и ОТТМ, по впадине резьбы муфты в плоскости начала резьбы трубы при механическом свинчивании — для соединения ОТТГ).

9.2.3.2 Допущения и ограничения

Расчетные формулы прочности соединения обсадных труб с трапецеидальной резьбой основаны на следующих допущениях:

- разрушение соединения из-за срыва витков резьбы невозможно. Следует отметить, что это допущение противоречит некоторым результатам испытаний труб с большим отношением D/t,

- не учитывается влияние внутреннего и наружного давлений;

- не учитывается влияние кривизны трубы.

9.2.3.3 Требования к исходным данным

Для выполнения расчета прочности соединения обсадных труб с трапецеидальной резьбой необходимы следующие исходные данные:

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

Е₇ — средний диаметр резьбы в основной плоскости, мм;

°umnc — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении для муфты, МПа;

°umnp — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении для тела трубы, МПа;

°ymnp — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении для тела трубы, МПа; h_B — высота профиля трапецеидальной резьбы, мм;

Д_в — расстояние от торца муфты до основания треугольного клейма при ручном свинчивании, равное (J_n - J), мм;

30

ГОСТ 35016—2023

J^ — расстояние от торца трубы до середины муфты при ручном свинчивании, мм;

J— расстояние от торца трубы до середины муфты при механическом свинчивании, мм;

L₇ — длина резьбы трубы с полным профилем, мм;

t— номинальная толщина стенки трубы, мм;

Т_а — конусность, мм/мм;

D_M — номинальный наружный диаметр обычной муфты, мм;

Ар — площадь опасного сечения муфты, равная (я/4)(О ² - d^, мм²;

Др — площадь опасного сечения трубы, равная (n/4)(D² - с/²), мм²;

d_jC — диаметр впадины резьбы муфты в опасном сечении, мм.

9.2.3.4 Формулы проектной прочности

Расчет на прочность соединений обсадных труб с трапецеидальной резьбой проводят по прочности трубы и прочности муфты.

Расчет на прочность трубы проводят по следующей формуле:

Pj = 0.954_jpo_umnp [1,008 - 0,00156(1,083 - o_ymnp/o_umnp)D)]. (60)

Расчет на прочность муфты проводят по следующей формуле:

Pj - 0,95Aj_Co_uranc, (61)

где Pj — прочность соединения, Н;

Др — площадь опасного сечения трубы, равная (n/4)(D² - d²), мм²;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

d — внутренний диаметр трубы, равный (D-2t), мм;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм;

o_umnp — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении для тела трубы, МПа;

°ymnp — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении для тела трубы, МПа;

Др — площадь опасного сечения муфты, равная (n/4)(D² - dj_c), мм²;

D_M — номинальный наружный диаметр обычной муфты, мм;

d_jC — диаметр впадины резьбы муфты в опасном сечении, мм;

о_11т„ — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении для муфты, МПа;

d_lc = E₇-(L_{7 +} A_B)T_{d +} h_B, (62)

где Е₇ — средний диаметр резьбы в основной плоскости, мм;

L₇ — длина резьбы трубы с полным профилем, мм;

Д_в — для соединения ВС — расстояние от торца муфты до основания треугольного клейма при ручном свинчивании, для соединений ОТТГ и ОТТМ — расстояние от торца муфты до конца сбега резьбы на трубе при ручном свинчивании, мм;

T_d — конусность, мм/мм;

h_B — высота профиля трапецеидальной резьбы, мм.

Коэффициент 0,95 в формулах (60) и (61) учитывает статистическую погрешность формулы множественной регрессии и позволяет использовать минимальные показатели прочности вместо средних значений.

Подробности разработки формул (60) и (61) — см. [3].

9.3 Прочность при растяжении соединений насосно-компрессорных труб

9.3.1 Общие положения

Приведенные ниже расчеты соединений на прочность при растяжении применимы для соединений насосно-компрессорных труб по ГОСТ 31446 с резьбовыми соединениями по ГОСТ 34057 и ГОСТ 33758.

9.3.2 Прочность соединений насосно-компрессорных труб с невысаженными концами NU, НКТН и НКМ

9.3.2.1 Общие положения

Прочность соединений насосно-компрессорных труб с невысаженными концами NU, НКТН определяют по минимальной стойкости к разрушению трубы в опасном сечении (по впадине последне-

31

ГОСТ 35016—2023

го витка резьбы с полным профилем — для NU и НКТН, плоскости конца сбега резьбы — для НКМ). Прочность муфт не учитывают, т. к. площадь опасного сечения обычных и специальных муфт всегда больше, чем площадь опасного сечения свинчиваемых с ними труб.

9.3.2.2 Допущения и ограничения

Формула для расчета на прочность соединений насосно-компрессорных труб с невысаженными концами не учитывает возможное воздействие внутреннего и наружного давлений. Не учитывается также влияние на прочность соединения кривизны насосно-компрессорных труб.

9.3.2.3 Требования к исходным данным

Для выполнения расчета прочности соединения насосно-компрессорных труб с невысаженными концами необходимы следующие исходные данные:

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

D₄ — наружный диаметр резьбы трубы, мм;

°утпр — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении, МПа;

h_s — высота профиля треугольной резьбы, мм;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм;

T_d — конусность, мм/мм;

h_B — высота профиля трапецеидальной резьбы, мм.

9.3.2.4 Формула проектной прочности

Расчет прочности при растяжении для соединений насосно-компрессорных труб с невысаженными концами и треугольной резьбой NU и НКТН проводят по прочности трубы по следующей формуле:

Pj = o_ymn{(n/4)[(D₄ - 2h_s)² - d²]}. (63)

Прочность витков резьбы на срыв насосно-компрессорных труб с невысаженными концами используется для расчета момента свинчивания и определяется по следующей формуле:

Pj = 0,954_jpL_et[(4,98D^59o_umn^^ ₊ 0,14D₄) ₊ o_ymnp/(L_{et +} 0,14D₄)], (64)

где Р_} — прочность соединения, Н;

^р — площадь опасного сечения трубы, равная (7t/4)[(D₄ - 2h_s)² - d²], мм²;

L_e{ — длина сопряжения при механическом свинчивании соединения с номинальными геометрическими параметрами, равная (Д - М), мм;

D₄ — наружный диаметр резьбы трубы, мм;

°ymn — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении, МПа;

°umnp — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении для тела трубы, МПа;

°ymnp — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении для тела трубы, МПа;

b_s — высота профиля треугольной резьбы, мм;

d — внутренний диаметр трубы, равный (D - 2t), мм;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм;

Д — общая длина резьбы трубы, мм;

М — расстояние от торца муфты до плоскости ручного свинчивания, мм.

Расчет прочности при растяжении для соединения НКМ насосно-компрессорных труб с невысаженными концами и трапецеидальной резьбой проводят по формуле (60).

9.3.3 Прочность соединений насосно-компрессорных труб с высаженными концами EU и НКТВ

9.3.3.1 Общие положения

Прочность соединений насосно-компрессорных труб с высаженными концами и треугольной резьбой EU и НКТВ определяют по минимальной стойкости к разрушению трубы в опасном сечении (по поперечному сечению невысаженной части трубы). Прочность поперечного сечения высаженных концов труб по впадине после последнего витка резьбы с полным профилем не учитывают, т. к. площадь этого сечения всегда больше, чем площадь поперечного сечения невысаженной части трубы. Прочность муфты не учитывают, т. к. площадь опасного сечения обычных и специальных муфт всегда больше, чем площадь опасного сечения свинчиваемых с ними труб.

32

ГОСТ 35016—2023

9.3.3.2 Допущения и ограничения

Формула для расчета прочности соединений насосно-компрессорных труб с высаженными концами не учитывает возможное воздействие внутреннего и наружного давлений. Не учитывается также влияние на прочность соединения кривизны насосно-компрессорных труб.

9.3.3.3 Требования к исходным данным

Для расчета прочности соединений насосно-компрессорных труб с высаженными концами необходимы следующие исходные данные:

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

°ymnp — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении для тела трубы, МПа;

t— номинальная толщина стенки трубы, мм;

d— внутренний диаметр трубы, равный (D- 2f), мм.

9.3.3.4 Формула проектной прочности

Расчет прочности при растяжении для соединений насосно-компрессорных труб с высаженными концами проводят по прочности невысаженной части трубы по следующей формуле:

Pj = o_ymn(7r/4)(D²-c/²). (65)

Прочность витков резьбы на срыв насосно-компрессорных труб с высаженными концами используется для расчета момента свинчивания и определяется по следующей формуле:

Р_} = 0.954_jpL_et[(4,980^59^^ _{+ 0},14D₄) + o_ymnp/(L_{et +} 0,14D₄)], (66)

где Р_} — прочность соединения, Н;

Др — площадь опасного сечения трубы, равная (n/4)[(D₄ - 2h_s)² - d²], мм²;

L_e{ — длина сопряжения при механическом свинчивании соединения с номинальными геометрическими параметрами, равная (Ц - М), мм;

D₄ — наружный диаметр резьбы трубы, мм;

o_ymn — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении, МПа;

°umnp — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении для тела трубы, МПа;

h_s — высота профиля треугольной резьбы, мм;

°ymnp — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении для тела урубы, МПа;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

d — внутренний диаметр трубы, равный (D-2f), мм;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм;

Д — общая длина резьбы трубы, мм;

М — расстояние от торца муфты до плоскости ручного свинчивания, мм.

9.4 Прочность при растяжении соединений труб для трубопроводов

Формулы для расчета прочности резьбовых соединений труб для трубопроводов приведены в [Ю].

10 Расчет стойкости муфт при действии давления

10.1 Общие положения

Трубы с резьбой и муфтами выдерживают такое же внутреннее давление, как и трубы без резьбы и муфты, кроме случаев, когда способность выдерживать меньшее внутреннее давление обусловлена текучестью муфты или недостаточной стойкостью соединения к утечкам под действием внутреннего давления в плоскости уплотнения, основанной на том допущении, что плоскость уплотнения соединений с треугольной резьбой находится в плоскости ручного свинчивания, соединений с трапецеидальной резьбой — в основной плоскости. Для предотвращения текучести муфты или утечки под действием внутреннего давления в плоскости Е^ или Е₇ из-за недостаточной плотности соединения требуется уменьшение внутреннего давления.

Приведенные далее положения распространяются на трубы с муфтами по ГОСТ 31446 с резьбовыми соединениями по ГОСТ 34057 и ГОСТ 33758.

33

ГОСТ 35016—2023

10.2 Внутреннее давление возникновения текучести муфты с треугольной и трапецеидальной резьбой

Внутреннее давление возникновения текучести муфты рассчитывают по следующей формуле:

^iYc " l°ymnc^n ~ ^jc^^m’ ($7)

где P_iYc — внутреннее давление возникновения текучести в муфте, МПа;

°ymnc — нормируемый минимальный предел текучести при растяжении для муфты, МПа;

D_M — номинальный наружный диаметр обычной муфты, мм;

d_]C — диаметр впадины резьбы муфты в опасном сечении, мм.

Для обсадных и насосно-компрессорных труб с треугольной резьбой

d_ic = E_}-(L^pA)T_d + H-2s_m, (68)

где d_jC — диаметр впадины резьбы муфты в опасном сечении, мм;

Е₁ — средний диаметр резьбы в плоскости ручного свинчивания, мм;

L^ — расстояние от торца трубы до плоскости ручного свинчивания, мм;

р — шаг резьбы, мм;

А — натяг при ручном свинчивании трубы с муфтой, мм;

T_d — конусность, мм/мм;

Н — высота исходного профиля треугольной резьбы, мм;

s_m — срез по впадинам профиля треугольной резьбы, мм.

Для обсадных труб с трапецеидальной резьбой для соединения ВС

d_lc = E₇-(L₇ + A_B)T_{d +} h_B, (69)

где d_jC — диаметр впадины резьбы муфты в опасном сечении, мм;

Е₇ — средний диаметр резьбы в основной плоскости, мм;

L₇ — длина резьбы трубы с полным профилем, мм;

Д_в — расстояние от торца муфты до основания треугольного клейма при ручном свинчивании, мм;

T_d — конусность, мм/мм;

h_B — высота профиля трапецеидальной резьбы, мм.

Для обсадных труб с трапецеидальной резьбой для соединений ОТТМ и ОТТГ d_jC = d₃-L_tT_d + 2h_B, где d₃ — внутренний диаметр резьбы в плоскости торца муфты при механическом свинчивании, мм, L_{— общая длина резьбы трубы, мм.

10.3 Стойкость к утечкам под действием внутреннего давления муфт с треугольной

и трапецеидальной резьбой

Стойкость к утечкам под действием внутреннего давления в плоскости уплотнения рассчитывают по формуле (70). При этом считается, что муфта является наиболее слабым звеном, и ее стойкость к утечкам при воздействии внутреннего давления считается наиболее низкой. Формула (70) основана также на допущении, что стойкость к утечкам под действием внутреннего давления определяется давлением витков резьбы трубы и муфты друг на друга, являющимся результатом свинчивания и действия внутреннего давления, при этом напряжения не выходят за упругий интервал.

P_lL=ET_dAp(D2-E2)/2E_sD2 (70)

где P_iL — внутреннее давление при появлении утечки, МПа;

Е — модуль Юнга, равный 206,9 ГПа;

T_d — конусность, мм/мм;

А — натяг при ручном свинчивании трубы с муфтой, мм, для резьбовых соединений SC, LC, NU, EU, ОТТМ, ОТТГ и НКМ, равный указанному в ГОСТ 34057 и ГОСТ 33758, для резьбового соединения ВС обсадных труб наружным диаметром 114,30 мм — 10,16 мм, наружным диаметром от 127,00 до 339,72 мм включительно — 12,70 мм, наружным диаметром 406,40 мм — 9,52 мм;

р — шаг резьбы, мм;

34

ГОСТ 35016—2023

D_M — номинальный наружный диаметр обычной муфты, мм;

E_s — средний диаметр резьбы в плоскости уплотнения, равный Е₁ — для треугольной резьбы и

Е₇ — для трапецеидальной резьбы, мм;

Е₁ — средний диаметр резьбы в плоскости ручного свинчивания, мм;

Е₇ — средний диаметр резьбы в основной плоскости, мм.

Давление витков резьбы муфты и трубы друг на друга в результате свинчивания P_tp, МПа, составляет

Р^ = [ET_dAp(D² - Е²\Е² - d^/[2El(D^ - d²)], (71)

где E — модуль Юнга, равный 206,9 ГПа;

T_d — конусность, мм/мм;

А — натяг при ручном свинчивании трубы с муфтой, мм, для резьбовых соединений SC, LC, NU, EU, ОТТМ, ОТТГ и НКМ, равный указанному в ГОСТ 34057 и ГОСТ 33758, для резьбового соединения ВС обсадных труб наружным диаметром 114,30 мм — 10,16 мм, наружным диаметром от 127,00 до 339,72 мм включительно — 12,70 мм, наружным диаметром 406,40 мм — 9,52 мм;

р — шаг резьбы, мм;

D_M — номинальный наружный диаметр обычной муфты, мм;

E_s — средний диаметр резьбы в плоскости уплотнения, равный Е₁ — для треугольной резьбы и Е₇ — для трапецеидальной резьбы, мм;

Е₁ — средний диаметр резьбы в плоскости ручного свинчивания, мм;

Е₇ — средний диаметр резьбы в основной плоскости, мм;

d — внутренний диаметр трубы, равный (D-2t), мм;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм.

После свинчивания приложение внутреннего давления вызывает изменение давления витков резьбы муфты и трубы друг на друга Р_Лр, Мпа

P^ = [P^D²-E^ (72)

где Pj — внутреннее давление, МПа;

d — внутренний диаметр трубы, равный (D-2t), мм;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм;

D_M — номинальный наружный диаметр обычной муфты, мм;

E_s — средний диаметр резьбы в плоскости уплотнения, равный Е₁ — для треугольной резьбы и Е₇ — для трапецеидальной резьбы, мм;

Е^ — средний диаметр резьбы в плоскости ручного свинчивания, мм;

Е₇ — средний диаметр резьбы в основной плоскости, мм.

Поскольку наружный диаметр муфты всегда больше среднего диаметра резьбы, который в свою очередь всегда больше внутреннего диаметра трубы, то Р_йр всегда меньше P_tp. Поэтому, когда суммарное давление (P_tp + P_ltp) станет равным внутреннему давлению P_v будет достигнуто предельное давление герметичности соединения P_tc. Другими словами, если Р, больше (P_tp + P_itp), то возникнет утечка

Ptp ⁺ Pitp = Pi = Ptc- (73)

где Р^ — давление витков резьбы муфты и трубы друг на друга в результате свинчивания, МПа;

Р, — внутреннее давление, МПа;

P_itp — изменение давления витков резьбы муфты и трубы друг на друга в результате свинчивания после приложения внутреннего давления, МПа;

P_tc — предельное давление герметичности соединения, МПа.

При подстановке соответствующих значений P_tp и Р_#р в формулу (73) и упрощении получают формулу (70).

35

ГОСТ 35016—2023

11 Расчет массы

11.1 Общие положения

Приведенный в настоящем разделе расчет массы применим для обсадных и насосно-компрессорных труб по ГОСТ 31446, труб для трубопроводов по ГОСТ ISO 3183, применяемых в качестве обсадных и насосно-компрессорных труб и бурильных труб по ГОСТ 32696.

Плотность мартенситной хромистой стали (групп прочности L80 тип 9Сг и L80 тип 13Сг) отличается от плотности углеродистой стали, масса труб из такой стали может быть рассчитана с использованием поправочного коэффициента 0,989.

11.2 Расчет номинальной массы

Понятие номинальной массы применяется в отношении труб с резьбой и муфтой, с высаженными и невысаженными концами и труб без резьбы. Это понятие применяется также при проектировании колонн обсадных и насосно-компрессорных труб для определения запаса прочности соединений при растяжении.

Номинальная масса трубы с резьбой и муфтой, указанная в ГОСТ 31446—2017 (таблицы С.1 и С.2), приблизительно равна расчетной массе одного метра трубы с муфтой длиной 6,10 м, вычисленной по номинальным геометрическим параметрам резьбового соединения, номинальным наружному диаметру и толщине стенки с учетом класса стали. Одно значение номинальной массы трубы с резьбой и муфтой применяют для соединений SC, LC, ВС, ОТТМ, ОТТГи подобных соединений, применяемых в нефтяной и газовой промышленности. Номинальная масса бурильной трубы с высаженными концами и приваренным замком, указанная в ГОСТ 32696—2014 (таблица А.1), приблизительно равна расчетной массе одного метра тела бурильной трубы с замком длиной 8,96 м, вычисленной по номинальным наружному диаметру и толщине стенки тела трубы и типоразмеру замка с учетом вида высадки.

Определение номинальных масс, указанных в ГОСТ 31446—2017 (таблицы С.1 и С.2), было выполнено по расчетной массе без специальной процедуры округления. При определении номинальных масс, не указанных в ГОСТ31446—2017 (таблицы С.1 и С.2), подходящее округление до 0,01,0,05, 0,10 или 0,50 следует выполнять с учетом смежных номинальных масс.

11.3 Расчет массы трубы без резьбы и высадки

Массу трубы без резьбы и высадки на единицу длины т_ре, кг/м, для труб по ГОСТ 31446, ГОСТ ISO 3183, ГОСТ 32696 рассчитывают по следующей формуле:

^тре “ ^m^wpe(^ ^— ^’ (74)

где k_m — поправочный коэффициент для расчета массы, равный 1,000 — для углеродистой стали и 0,989 — для мартенситной хромистой стали;

k_wpe — коэффициент пересчета массы на единицу длины, равный 0,0246615;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм.

11.4 Расчет массы трубы с отделкой концов

При расчете номинальной массы трубы используют понятие уменьшения или увеличения массы трубы, связанное с отделкой концов Д_т. Значения Д_т рассчитывают по формуле (75). Для труб без резьбы Д_т = 0.

\п = Ц^т-^т_ре)’ (⁷⁵)

где Д_т — изменение массы трубы при отделке концов, кг;

Lj — длина трубы, м;

т — расчетная масса трубы с резьбой и муфтой т_1с или трубы при высадке т_и, кг/м, для трубы длиной !.(,

^тре — масса трубы без резьбы и высадки на единицу длины, кг/м.

36

ГОСТ 35016—2023

Массу трубы с отделкой концов рассчитывают по следующей формуле:

^mL ” ^mpe^ef ⁺ ^m^m¹ (76)

где m_L — расчетная масса трубы длиной L, кг;

т_ре — масса трубы без резьбы и высадки на единицу длины, кг/м;

L_ef — длина трубы с отделкой концов, м;

k_m — поправочный коэффициент для расчета массы, равный 1,000 — для углеродистой стали и 0,989 — для мартенситной хромистой стали;

Д_т — изменение массы трубы при отделке концов, кг.

11.5 Расчет массы трубы после нарезания резьбы и свинчивания с муфтой

11.5.1 Общие положения

Массу на единицу длины трубы после нарезания резьбы и свинчивания с муфтой вычисляют при длине, измеренной от свободного торца муфты до свободного торца трубы (рисунок 2). При этом считается, что несвободный торец навинченной муфты находится в плоскости механического свинчивания трубы.

m_tc = {[Lj - [/f_IS|(L_m + 2J)]/2]m_pe + m_c - m^/L^, (77)

где m_tc — масса трубы с резьбой и муфтой на единицу длины, кг/м;

L) — длина трубы, м;

R_lsl — коэффициент пересчета длины, равный 0,001;

L_m — длина муфты, мм;

J — расстояние от торца трубы до середины муфты при механическом свинчивании, для соединений НКТН, НКТВ и ОТТМ, равное (L^2 - L^, для соединений НКМ и ОТТГ, равное (L_ml2-1₂), мм;

т_ре — масса трубы без резьбы и высадки на единицу длины, кг/м;

т_с — масса обычной муфты, кг;

m_rt — масса металла, удаляемая при нарезании резьбы на трубе, кг;

L_{ — общая длина резьбы трубы, мм;

/₂ — расстояние от торца муфты до упорного уступа, мм.

Lj—длина трубы; L_m —длина муфты; J— расстояние отторца трубы до середины муфты при механическом свинчивании; K|_S| — коэффициент пересчета длины

Рисунок 2 — Труба с резьбой и муфтой

11.5.2 Расчет изменения массы трубы после нарезания резьбы и свинчивания с муфтой

△гл ^Isl (^m^ ⁺ ^)^mpe ^{+ т}с ^тЛ'

где Д_т — изменение массы трубы при отделке концов, кг;

k|_Si — коэффициент пересчета длины, равный 0,001;

— длина муфты, мм;

(78)

37

ГОСТ 35016—2023

J — расстояние от торца трубы до середины муфты при механическом свинчивании, для соединений НКТН, НКТВ и ОТТМ, равное (L-^2 - L_{), для соединений НКМ и ОТТГ, равное (L„/2 -1₂), мм\

т_ре — масса трубы без резьбы и высадки на единицу длины, кг/м;

т_с — масса обычной муфты, кг;

т_п — масса металла, удаляемая при нарезании резьбы на трубе, кг;

L\ — общая длина резьбы трубы, мм;

/₂ — расстояние от торца муфты до упорного уступа, мм.

Массу муфты определяют по 11.8.

Массу, удаляемую при нарезании резьбы на двух концах трубы, определяют по 11.9.

11.6 Расчет массы трубы при высадке

11.6.1 Общие положения

Расчет изменения массы трубы при высадке проводят для определения Д_т — изменения массы трубы при отделке концов.

Расчет массы трубы при высадке на единицу длины т_и приведен для трубы длиной 6,10 м, с учетом высадки обоих концов трубы (рисунок 3).

Lj — длина трубы

Рисунок 3 — Труба с двумя высаженными концами

Массу трубы при высадке на единицу длины m_u, кг/м, рассчитывают по следующей формуле % = ^тре ⁺ ^iu^j- <⁷⁹)

где т_ре — масса трубы без резьбы и высадки на единицу длины, кг/м;

m_eiu — увеличение массы трубы при наружной и внутренней высадках, кг;

L) — длина трубы, м.

11.6.2 Расчет изменения массы трубы при высадке

Изменение (увеличение) массы трубы при высадке определяют по 11.9.

11.7 Расчет массы муфты

11.7.1 Общие положения

Массу муфты для обсадных и насосно-компрессорных труб с треугольной резьбой и труб для трубопроводов вычисляют по 11.7.2, обсадных и насосно-компрессорных труб с трапецеидальной резьбой — по 11.7.3.

Примечание — Рассчитанная по формулам масса муфты является приближенным значением, поскольку не учитывает массу удаленного металла при выполнении ряда элементов резьбового соединения, например, обычной фаски, заходной фаски, уплотнительных элементов соединений с уплотнением металл-металл.

11.7.2 Расчет массы муфты для обсадных и насосно-компрессорных труб с треугольной резьбой и труб для трубопроводов

11.7.2.1 Общие положения

Массу муфт для обсадных и насосно-компрессорных труб с треугольной резьбой и труб для трубопроводов вычисляют по формулам (80)—(89) в соответствии с рисунками 4 и 5.

38

ГОСТ 35016—2023

11.7.2.2 Расчет массы обычной муфты без учета массы металла, удаляемого при выполнении фаски

L_m — длина муфты; М — расстояние от торца муфты до плоскости ручного свинчивания, D_M — номинальный наружный диаметр обычной муфты; Q — диаметр расточки в плоскости торца муфты; Е^ — средний диаметр резьбы в плоскости ручного свинчивания; Е_с — средний диаметр резьбы посередине муфты; I, II, III —объемы I, II, III (Vol. I, Vol. II, Vol. Ill) соответственно в формулах (82), (83) и (85)

Рисунок 4 — Муфта с треугольной резьбой

т_с = 2 ■ 7,85 ■ 10"% (Vol.UI), (80)

E_c = E_y-(L_m/2-M)T_d, (81)

Vol.l = 0,7854/WQ², (82)

Vol.ll = 0,2618(L_m/2-M)(E^ + E₁E_C + E^), (83)

Vol.(l + II + III) = 0,7854/._mD²/2, (84)

Vol.Ill =Vol.(l + ll + III)-Vol.l-Vol.ll, (85)

где m_c — масса обычной муфты, кг;

k_m — поправочный коэффициент для расчета массы, равный 1,000 — для углеродистой стали и 0,989 — для мартенситной хромистой стали;

Е_с — средний диаметр резьбы посередине муфты, для соединений НКТН и НКТВ, соответствующий Е_с для NU и EU по ГОСТ 34057, мм;

Е₁ — средний диаметр резьбы в плоскости ручного свинчивания, для соединений НКТН и НКТВ, соответствующий Е₁ для NU и EU по ГОСТ 34057, мм;

L_m — длина муфты, мм;

М — расстояние от торца муфты до плоскости ручного свинчивания, для соединений НКТН и НКТВ, соответствующее М для NU и EU по ГОСТ 34057, мм;

T_d — конусность, мм/мм;

Q — диаметр расточки в плоскости торца муфты, мм;

D_M — номинальный наружный диаметр обычной муфты, мм.

Результаты расчета массы муфты выражают в килограммах. Окончательную расчетную массу округляют до двух десятичных знаков, промежуточное округление при расчете не проводят.

Расчет массы специальной муфты номинальным наружным диаметром D_c выполняют также, как расчет массы обычной муфты.

11.7.2.3 Расчет массы металла, удаляемого при выполнении специальной фаски

Массу металла, удаляемого при выполнении специальной фаски на муфтах для насосно-компрессорных труб с наружной высадкой, вычисляют по формуле (86) в соответствии с рисунком 5.

39

ГОСТ 35016—2023

D_M — номинальный наружный диаметр обычной муфты, D_f — наружный диаметр плоскости торца обычной муфты со специальной фаской; 9 — угол специальной фаски; IV — объем IV (Vol. IV) в формулах (86), (87) и (88)

Рисунок 5 — Муфта с треугольной резьбой со специальной фаской

Формула (86), используемая для расчета массы металла, удаляемого при выполнении специальной фаски на муфтах для насосно-компрессорных труб с наружной высадкой, имеет приближенный характер. Точное выражение для объема IV приведено в виде формулы (87).

Vol.IV = 0,7854[(D_M - D_f)(D2 - D2)]/2tg0, (86)

Vol.lV = (D_M-D_f)[0,785D2-0,2618(D? + DfD_M + D2)]/tg0, (87)

где D_M — номинальный наружный диаметр обычной муфты, мм;

D_f — наружный диаметр плоскости торца обычной муфты со специальной фаской, мм;

0 — угол специальной фаски, град.

Массу металла, удаляемого при выполнении специальной фаски, m_crsb, кг, рассчитывают по следующей формуле:

m_crsb = 2 ■ 7,85 ■ 10-%(Vol.lV), (88)

где к_т — поправочный коэффициент для расчета массы, равный 1,000 — для углеродистой стали и 0,989 —для мартенситной хромистой стали.

11.7.2.4 Расчет массы муфты со специальной фаской

Массу муфты со специальной фаской вычисляют, вычитая из массы муфты по формуле (80) массу металла, удаляемого при выполнении фаски [формула (88)]. Окончательную расчетную массу округляют до двух десятичных знаков, промежуточное округление при расчете не проводят.

^mcsb = ^mc ~ ^mcrsb- (⁸⁹)

где т_кЬ — масса муфты со специальной фаской, кг;

т_с — масса обычной муфты, кг;

m_crsb “ масса металла, удаляемого при выполнении специальной фаски, кг.

11.7.3 Расчет массы муфты для обсадных и насосно-компрессорных труб с трапецеидальной резьбой

Массу муфты для обсадных и насосно-компрессорных труб с трапецеидальной резьбой вычисляют по формулам (90)—(95), см. рисунок 6.

L_m — длина муфты; D_M — номинальный наружный диаметр обычной муфты; Е_с — средний диаметр резьбы посередине муфты; Е_ес — средний диаметр резьбы в плоскости торца муфты; I, II — объемы I, II в формулах (92) и (94)

Рисунок 6 — Муфта с трапецеидальной резьбой

40

ГОСТ 35016—2023

E_c = E₇-(L₇ + J)T_d, (90)

E_ec = E₇-(g ₊ k_x)T_d, (91)

где E_c — средний диаметр резьбы посередине муфты, для соединения ОТТМ, равный (d₃ - T_d^•m^ ⁺ + h^, для соединений ОТТГ, НКМ, равный d_M, мм;

Е₇ — средний диаметр резьбы в основной плоскости, для соединений ОТТМ и ОТТГ, НКМ, равный (d_BH + h^, мм;

L₇ — длина резьбы трубы с полным профилем, мм;

J — расстояние от торца трубы до середины муфты при механическом свинчивании, для соединений ОТТМ, равное (L^2- L^, для соединений ОТТГ, НКМ, равное (1-^2- /₂), мм;

T_d — конусность, мм/мм;

Е_ес — средний диаметр резьбы в плоскости торца муфты, мм;

g — длина резьбы с неполным профилем, для соединения ОТТМ, ОТТГ, НКМ, равная расстоянию от основной плоскости до конца сбега резьбы (L^ - /₀), мм;

к* — поправочный коэффициент для расчета среднего диаметра резьбы в плоскости торца муфты, для соединения ВС, равный 7,62 — при наружном диаметре труб менее 406,4 мм и 5,08 — при наружном диаметре труб 406,4 мм и более, для соединений ОТТМ, ОТТГ и НКМ, равный нулю;

d₃ — внутренний диаметр резьбы трубы в плоскости торца муфты при механическом свинчивании, мм;

h_e — высота профиля трапецеидальной резьбы, мм;

d_M — внутренний диаметр муфты, мм;

d_BH — внутренний диаметр резьбы в основной плоскости, мм;

L_m — длина муфты, мм;

Ц — общая длина резьбы трубы, мм;

/₀ — расстояние от торца трубы до основной плоскости, мм;

/₂ — расстояние от торца муфты до упорного уступа, мм.

Void = 0,2618(L_m/2)(E2_c + Е_есЕ_с + Е^), (92)

Vol.(l + II) = 0,7854(^/2)0 2, (93)

Vol.ll = Vol.(l + ll)-Vol.l, (94)

где L_m — длина муфты, мм;

Е_ес — средний диаметр резьбы в плоскости торца муфты, мм;

Е_с — средний диаметр резьбы посередине муфты, для соединения ОТТМ, равный (d₃ - T_d L^2 + + h^, для соединений ОТТГ, НКМ, равный d_M, мм;

О_м — номинальный наружный диаметр обычной муфты, мм;

d₃ — внутренний диаметр резьбы в плоскости торца муфты при механическом свинчивании, мм;

T_d — конусность, мм/мм;

/7_В — высота профиля трапецеидальной резьбы, мм;

d_M — внутренний диаметр муфты, мм.

Массу муфты для обсадных труб ВС т_сВ, кг, рассчитывают по следующей формуле:

т_сВ = 2 • 7,85 • 10-6^(701.II), (95)

где к_т — поправочный коэффициент для расчета массы, равный 1,000 — для углеродистой стали и 0,989 —для мартенситной хромистой стали.

Результаты расчета массы муфты выражают в килограммах. Окончательную расчетную массу округляют до двух десятичных знаков, промежуточное округление при расчете не проводят.

Расчет массы специальной муфты номинальным наружным диаметром D_c выполняют также, как расчет массы обычной муфты.

41

ГОСТ 35016—2023

11.8 Расчет массы металла, удаляемого при нарезании резьбы на трубе

Массу металла, удаляемого при нарезании резьбы на трубе, рассчитывают по формулам (96)— (101) в соответствии с рисунками 7, 8.

L₄ —длина резьбы трубы; D₄— наружный диаметр резьбы трубы; д — длина резьбы с неполным профилем; L₇ —длина резьбы трубы с полным профилем; Е₇ — средний диаметр резьбы в основной плоскости', Е_о — средний диаметр резьбы в плоскости торца трубы; I, II, III —объемы Vol. I, Vol. II, Vol. Ill в формулах (97), (98) и (99)

Рисунок 7 — Труба с треугольной или трубопроводной резьбой

L^ —длина резьбы трубы; D₄— наружный диаметр резьбы трубы; д — длина резьбы с неполным профилем; L₇ —длина резьбы трубы с полным профилем; Е₇ — средний диаметр резьбы в основной плоскости', Е_о — средний диаметр резьбы в плоскости торца трубы; I, II, III — объемы Vol. I, Vol. II, Vol. Ill в формулах (97), (98) и (99)

Рисунок 8 — Труба с трапецеидальной резьбой

E₀ = E₇-L₇T_d, (96)

где Е_о — средний диаметр резьбы в плоскости торца трубы, мм;

Е₇ — средний диаметр резьбы в основной плоскости, для соединений ОТТМ и ОТТГ, НКМ, равный (d_BH + hj, мм;

L₇ — длина резьбы трубы с полным профилем, мм;

T_d — конусность, мм/мм;

с/_вн — внутренний диаметр резьбы в основной плоскости, мм;

h_B — высота профиля трапецеидальной резьбы, мм.

На рисунках 7 и 8

Vol.l = 0,2618g(D% + D₄E₇ + Ej), (97)

Vol.ll = 0,2618(L₄-g)(Ej + E₇E₀ + El\ (98)

Vol.(l + II + III) = 0,7854L₄Dl (99)

Vol.Ill = Vol.(l + II + III)-Vol.l-Vol.ll, (100)

где g — длина резьбы с неполным профилем, для соединений ОТТМ, ОТТГ, НКТН, НКТВ, НКМ, равная расстоянию от основной плоскости до конца сбега резьбы (L_t - 1^, мм;

D₄ — наружный диаметр резьбы трубы, мм;

Е₇ — средний диаметр резьбы в основной плоскости, для соединений ОТТМ и ОТТГ, НКМ, равный (d_BH + hj, мм;

42

ГОСТ 35016—2023

L₄ — длина резьбы трубы, мм;

Е_о — средний диаметр резьбы в плоскости торца трубы, мм;

Lt — общая длина резьбы трубы, мм;

/₀ — расстояние от торца трубы до основной плоскости, мм;

d_BH — внутренний диаметр резьбы в основной плоскости, мм;

h_B — высота профиля трапецеидальной резьбы, мм.

Массу металла т_л, кг, удаляемого при нарезании резьбы на трубе, рассчитывают по следующей формуле:

т_л = 7,85 ■ 10Л_т (Vol.Ill), (101)

где к_т — поправочный коэффициент для расчета массы, равный 1,000 — для углеродистой стали и 0,989 —для мартенситной хромистой стали.

11.9 Расчет увеличения массы трубы при высадке

11.9.1 Общие положения

Увеличение массы при высадке концов насосно-компрессорных труб по ГОСТ 31446 и бурильных труб по ГОСТ 32696 вычисляют в соответствии с 11.9.2—11.9.4.

11.9.2 Расчет увеличения массы трубы при наружной высадке

Увеличение массы трубы при наружной высадке вычисляют по формулам (102)—(106) в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 9.

D₄ — наружный диаметр резьбы трубы в плоскости торца или наружный диаметр высадки бурильной трубы; D — номинальный наружный диаметр трубы; Ц — расстояние от торца трубы до начала переходного участка высадки; L_eu — длина переходного участка наружной высадки; I, II, III, IV — объемы Vol. I, Vol. II, Vol. Ill, Vol. IV в формулах (102)—(105)

Рисунок 9 — Наружная высадка

Vol.(l + II) = 0,7854L_BD^, (102)

Vol.(lll + IV) = 0,2618L_eu(D₄² + D₄D + D²), (103)

Vol.(ll + IV) = 0,7854(L_B + L_eu)D², (104)

Vol.(I + III) = Vol.(l + II) + Vol.(lll+ IV) - Vol.(ll + IV), (105)

где L_B — расстояние от торца трубы до начала переходного участка высадки, мм;

О₄ — наружный диаметр резьбы трубы в плоскости торца или наружный диаметр высадки бурильной трубы, мм;

L_eu — длина переходного участка наружной высадки, мм;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм.

Увеличение массы трубы при наружной высадке т_ехи, кг, рассчитывают по следующей формуле: m_exu = 7,85 ■ 10-%[Vol.(l + III)], (106)

где R_m — поправочный коэффициент для расчета массы, равный 1,000 — для углеродистой стали и 0,989 —для мартенситной хромистой стали.

43

ГОСТ 35016—2023

Примечание — Расчет увеличения массы трубы при наружной высадке проводят в килограммах с точностью до двух десятичных знаков.

11.9.3 Расчет увеличения массы трубы при внутренней высадке

Увеличение массы трубы при внутренней высадке вычисляют по формулам (107)—(111) в соответствии с рисунком 10.

I

П

d — внутренний диаметр трубы, равный (D - 2t), d_ou — внутренний диаметр высадки, L_IU — длина внутренней высадки, 1_Ш —длина переходного участка внутренней высадки; I, II, III —объемы Vol. I, Vol. II, Vol. Ill в формулах (107)—(110)

Рисунок 10 — Внутренняя высадка

Vol.l = 0,7854L_iud²_u, (107)

Vol.ll = 0,2618/_iu(d² + dd_QU + d²_u), ₍₁₀₈₎

Vol.(l + II + III) = 0,7854d²(L_iu + /_iu), (109)

Vol.lll = Vol.(l + II + III)-Vol.l-Vol.ll, (110)

где L_iu — длина внутренней высадки, мм;

d_ou — внутренний диаметр высадки, мм;

/_i(J — длина переходного участка внутренней высадки, мм;

d — внутренний диаметр трубы, равный (D - 2t), мм;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм.

Увеличение массы трубы при внутренней высадке m_inu, кг, вычисляют по следующей формуле: m_inu = 7,85 ■ lO-^Vol.lll), (111)

где k_m — поправочный коэффициент для расчета массы, равный 1,000 для углеродистой стали и 0,989 для мартенситной хромовой стали.

Примечание — Расчет увеличения массы трубы при внутренней высадке проводят в килограммах с точностью до двух десятичных знаков.

11.9.4 Расчет увеличения массы трубы при наружной и внутренней высадках

Увеличение массы трубы при наружной и внутренней высадках m_eiu, кг, по формуле (112) вычисляют как сумму увеличения массы трубы при наружной высадке по формуле (106) и при внутренней высадке — по формуле (111)

^meiu " ^minu ^{+ m}exu’ (112)

где m_inu — увеличение массы трубы при наружной высадке, кг;

^mexu — увеличение массы трубы при внутренней высадке, кг.

Примечание — Расчет увеличения массы трубы при наружной и внутренней высадках проводят в килограммах с точностью до двух десятичных знаков. 44

ГОСТ 35016—2023

12 Удлинение

Минимальное удлинение 6 при расчетной длине образца 50,0 мм вычисляют по формуле (113) и округляют до ближайших 0,5 % при значении удлинения менее 10 % или до ближайшего 1 % при значении удлинения более 10 %

л 0,2/_0,9 ^^_^ers '^cumn’

(113)

где k_el — коэффициент удлинения, равный 1944'

Д₅ — площадь поперечного сечения образца для испытания на растяжение, мм², рассчитанная по номинальному наружному диаметру или номинальной ширине и толщине образца, с округлением до 10 мм², или равная 490 мм² (что меньше);

°umn — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении, МПа.

Подробности разработки формулы (113) — см. [11].

13 Испытание на сплющивание

13.1 Испытание на сплющивание сварных обсадных и насосно-компрессорных труб

При испытании сварных обсадных и насосно-компрессорных труб по ГОСТ 31446 на сплющивание расстояние между сплющивающими поверхностями после испытания рассчитывают по формулам, указанным в таблице 7.

Подробности разработки формул — [12]—[14].

13.2 Испытание на сплющивание сварных труб для трубопроводов

При испытании сварных труб для трубопроводов по ГОСТ ISO 3183 на сплющивание расстояние между сплющивающими поверхностями после испытания рассчитывают по формулам, приведенным в таблице 8.

Подробности разработки формул на сплющивание — см. [15].

Таблица 7 — Расстояние между сплющивающими поверхностями после испытания на сплющивание для сварных обсадных и насосно-компрессорных труб

45

ГОСТ 35016—2023

Окончание табличны 7

^а Если результат испытания образцов в положении «12 ч» или «6 ч» оказался неудовлетворительным, испытание должно быть продолжено, пока не будут получены результаты испытания на сплющивание в положении «3 ч» или «9 ч». Предварительный неудовлетворительный результат испытания в положении «12 ч» или «6 ч» не является основанием для отбраковки.

^ь По ГОСТ31446 (А.5 SR11) сплющивание без образования дефекта типа трещина должно быть проведено до указанного расстояния или до расстояния, равного 0,8500 D мм, что меньше.

Примечание — D — номинальный наружный диаметр трубы, мм; t — номинальная толщина стенки трубы, мм.

Таблица 8 — Расстояние между сплющивающими поверхностями после испытания на сплющивание сварных труб для трубопроводов

14 Испытательное гидростатическое давление

14.1 Испытательное гидростатическое давление для труб без резьбы

Испытательное гидростатическое давление для испытаний труб без резьбы вычисляют по формуле (114), за исключением труб для трубопроводов групп прочности L175 или А25, L210 или А и L245 или В наружным диаметром 60,32 мм, для которых это давление устанавливается по согласованию между изготовителем и заказчиком.

Испытательное гидростатическое давление P_ht, МПа, вычисляют по следующей формуле:

P_ht = 2o_ff/D, (114)

где o_f — напряжение в стенке трубы при гидростатическом испытании, равное процентам, указанным в таблице 9, от нормируемого минимального предела текучести при растяжении o_ymn, МПа;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм.

Испытательное гидростатическое давление должно быть не более допустимого гидростатического давления, указанного в таблице 9.

46

ГОСТ 35016—2023

Таблица 9 — Параметры для определения испытательного гидростатического давления

^а Допускается более высокое испытательное давление.

^ь Альтернативное испытательное давление не предусмотрено.

^с Более низкое испытательное давление допускается только для испытательного оборудования, технические возможности которого ограничены. Изготовитель должен иметь документированное обоснование, подтверждающее такие ограничения.

^d Альтернативное испытательное давление, равное расчетному.

^е По согласованию между изготовителем и заказчиком трубы могут быть испытаны при альтернативном испытательном гидростатическим давлении, указанном в ГОСТ 31446—2017 (таблицы С.48—С.69).

14.2 Испытательное гидростатическое давление труб с резьбой и муфтами

Трубы для трубопроводов с резьбой и муфтами наружным диаметром более 168,28 мм испытывают при том же гидростатическом давлении, что и трубы без резьбы, за исключением труб наружным диаметром 168,28 мм и менее, для которых это давление устанавливается по согласованию между изготовителем и заказчиком.

Обсадные и насосно-компрессорные трубы с резьбой и муфтами испытывают при том же гидростатическом давлении, что и трубы без резьбы, за исключением тех случаев, когда меньшее внутреннее давление обусловлено предотвращением текучести муфты или утечки в соединении под действием внутреннего давления из-за недостаточной стойкости соединения к утечкам в плоскости уплотнения (см. раздел 10).

47

ГОСТ 35016—2023

Испытательное гидростатическое давление принимается равным меньшему из следующих давлений: давлению, рассчитанному для труб без резьбы по формуле (112) в 14.1, или давлению, равному 80 % внутреннего давления возникновения текучести металла муфты, рассчитанному по формуле (65) в 10.2, или внутреннему давлению появления утечки в соединении, рассчитанному по формуле (68) в 10.3.

15 Момент свинчивания обсадных и насосно-компрессорных труб

В соответствии с [1] или /767 для свинчивания обсадных труб с соединениями LC и SC с треугольной резьбой расчетный момент свинчивания принимается равным 1 % расчетной прочности резьбы на срыв, вычисленной в фунтах на фут по формуле (55), приведенной в [3], что соответствует расчетному моменту свинчивания, равному 0,305 % расчетной прочности резьбы на срыв, вычисленной в ньютонах на метр по формуле (55) настоящего стандарта.

В [1] и [16] определение расчетного момента свинчивания на основе формулы (55), приведенной в [3], применяется только для обсадных труб с соединениями LC и SC с треугольной резьбой. Применение этого подхода для насосно-компрессорных труб с треугольной резьбой приводит к завышенным значениям расчетного момента свинчивания.

В своем циркуляре [17] конференция API в феврале 1991 г. постановила, что более правильно проводить свинчивание труб с муфтами по положению свинчивания, а не по моменту свинчивания.

В ГОСТ 34380 также установлено, что более правильно проводить свинчивание труб с муфтами не по моменту свинчивания, а по положению свинчивания —для соединений ВС, ОТТМ, ОТТГ, НКМ, и по числу оборотов механического свинчивания —для соединений LC, SC, NU, EU, НТКН, НКТВ.

16 Испытание на направленный изгиб труб для трубопроводов, сваренных дуговой сваркой под флюсом

16.1 Общие положения

Размеры приспособления (оправки или пуансона) для испытания на направленный изгиб труб для трубопроводов, сваренных дуговой сваркой под флюсом, вычисляют по формуле (115) в соответствии с рисунком 11.

Примечание — Испытание на направленный изгиб заключается в изгибе образца до заданного угла без изменения направления действия силы.

Критический размер оправки (пуансона) А_дц, мм, не должен превышать значения, рассчитанного по следующей формуле с округлением полученного значения до 1 мм:

Vtj ⁼ И И 5(0 - 20Me_engO/f - 2е_епд - 1] - f, (115)

где 1,15 — коэффициент неоднородности структуры;

D — номинальный наружный диаметр трубы, мм;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм;

^£eng — коэффициент деформации.

Значение £_eng зависит от группы прочности (таблица 10), а дополнительные размеры оправки (пуансона) вычисляют по приведенным далее формулам.

Таблица 10 — Коэффициент деформации при испытании на направленный изгиб

48

ГОСТ 35016—2023

Окончание таблицы 10

Радиус оправки (пуансона) для испытания на направленный изгиб г_а, мм, вычисляют по формуле ^V/²’ (¹¹⁶)

где Д_дМ|— критический размер приспособления для испытания на направленный изгиб, мм.

Расстояние между стенками матрицы или опорами при испытании на направленный изгиб B_gb, мм, вычисляют по формуле

Bg_b = Vi ^{+ 2f+3}’²’ ^

где 4_gbtJ — критический размер приспособления для испытания на направленный изгиб, мм;

t — номинальная толщина стенки трубы, мм.

Радиус матрицы для испытания на направленный изгиб г_ь, мм, вычисляют по формуле ^М²’ <¹¹⁸>

где 8_gb — расстояние между стенками матрицы или опорами при испытании на направленный изгиб, мм.

^а По необходимости.

^ь Резьбовое установочное отверстие.

^с Закаленные и смазанные опоры или закаленные ролики.

Д_дЬ — размер оправки пуансона, равный Д_дЬф В_дЬ — расстояние между стенками матрицы или опорами; С_дЬ — расстояние не менее 22,0 мм, но не более (7t + 1,6); t— номинальная толщина стенки; г_а — радиус оправки (пуансона); г_ь — радиус матрицы

Рисунок 11 — Приспособление для испытания на направленный изгиб

49

ГОСТ 35016—2023

16.2 Исходные данные

16.2.1 Расчет коэффициента деформации материала

Значения s_eng вычисляют по формуле (119), приведенной в стандарте [11] (пункт 4а). Подтверждение этих значений приведено в стандарте [12]. Значения, рассчитанные по формуле (119), округляют до ближайшего кратного 0,0025, за исключением значений для групп прочности L360 или Х52 и L390 илиХ56, для которых округление проводится до ближайшего большего кратного 0,0025.

Коэффициент деформации e_eng рассчитывают по следующей формуле:

_£eng= 3000 (0,64 )°'²/^_пр, (119)

где o_umnp — нормируемый минимальный предел прочности при растяжении для тела трубы, МПа.

16.2.2 Подбор размера оправки

Значения этого размера, приведенного в ГОСТ ISO 3183—2015 (приложение D), вычисляют по формуле (115) и округляют в соответствии с таблицей 11.

Таблица 11 — Стандартные значения Д_дЬ^ для испытания на направленный изгиб

Описание вывода формулы (115) приведено в [18].

17 Определение минимального размера образцов для испытания на ударный изгиб

17.1 Критическая толщина стенки

Требования к поглощенной энергии основаны на критической толщине стенки изделий. Критической толщиной стенки муфт для соединений SC, LC, ВС, ОТТМ, EU, NU, НКТН и НКТВ является толщина стенки во впадине профиля резьбы посередине муфты, для соединений ОТТГ и НКМ — толщина стенки во впадине профиля резьбы в плоскости торца трубы, рассчитанные по номинальному наружному диаметру муфты D_M или D_c и номинальным геометрическим параметрам резьбы. Критическая толщина стенки муфт для резьбовых соединений, предусмотренных настоящим стандартом, указана в таблице 12. Критической толщиной стенки для труб является номинальная толщина стенки.

17.2 Расчетная толщина стенки трубной заготовки для муфт

Чтобы рассчитать необходимую толщину стенки трубной заготовки для муфт, к критической толщине стенки муфты по таблице 12 следует прибавить высоту резьбы и результат разделить на 0,875. Рассчитанные таким способом значения толщины стенки трубной заготовки для муфт приведены в таблице 13.

17.3 Расчетная толщина стенки для изготовления поперечных образцов

Расчетная минимальная толщина стенки, необходимая для того, чтобы изготовить для испытания на ударный изгиб обычных муфт поперечные образцы полного размера, 3/4 размера и 1/2 размера, включая припуски по 0,50 мм на механическую обработку по наружному и внутреннему диаметрам, определяется по формуле (120) и приведена в таблице 14.

Минимальную толщину стенки без учета дефекта типа трещина f_min, мм, необходимую для изготовления поперечных образцов для испытания на ударный изгиб, рассчитывают по следующей формуле:

f_min = DJ2 - [(D_M/2)² - 756,2525]^1/2 +1,016+1 Ok,, (120)

где D_M — номинальный наружный диаметр обычной муфты, мм;

К, — коэффициент, служащий для определения минимальной толщины стенки трубы, достаточной для получения поперечного образца для испытания на ударный изгиб, равный: - 1,00 — для образцов полного размера;

- 0,75 — для образцов 3/4 размера;

- 0,5 —для образцов 1/2 размера.

50

Таблица 12 — Критическая толщина стенки стандартных муфт

В миллиметрах

Примечание — Критическая толщина стенки трубной заготовки для муфт и муфтовой заготовки превышает указанную выше, с учетом высоты резьбы и припуска на механическую обработку для предотвращения образования черновин по вершинам резьбы.

ГОСТ 35016—2023

g Таблица 13 — Расчетная толщина стенки трубной заготовки для муфт

В миллиметрах

ГОСТ 35016—2023

Примечание — Расчетные значения для LC, SC, НКТН, НКТВ приведены для высоты профиля 8-ниточной треугольной резьбы.

ГОСТ 35016—2023

Таблица 14 — Требования к толщине стенки, необходимой для изготовления поперечных образцов для испытания на ударный изгиб обычных муфт

В миллиметрах

^а Расчетные толщины стенок приведены с учетом припусков на механическую обработку: 0,50 мм — по внутреннему диаметру и 0,50 мм — по наружному диаметру.

53

ГОСТ 35016—2023

17.4 Расчетная толщина стенки для изготовления продольных образцов

Расчетная толщина стенки, необходимая для того, чтобы изготовить для испытания на ударный изгиб обычных муфт продольные образцы полного размера, 3/4 размера и 1/2 размера, включая припуски по 0,50 мм на механическую обработку по наружному и внутреннему диаметрам, и определяемая по формуле (121), приведена в таблице 15.

Таблица 15 — Требования к толщине стенки, необходимой для изготовления продольных образцов для испытания на ударный изгиб обычных муфт

В миллиметрах

^а Расчетные толщины стенок приведены с учетом припусков на механическую обработку: 0,50 мм — по внутреннему диаметру и 0,50 мм — по наружному диаметру.

54

ГОСТ 35016—2023

Минимальную толщину стенки без учета дефекта типа трещина f_mjn, мм, необходимую для изготовления продольных образцов для испытания на ударный изгиб, рассчитывают по следующей формуле:

f_min = DJ2 - [(D_m/2)2 - 24,9999]^1/2 + 1,016+10^, (121)

где D_M — номинальный наружный диаметр муфты по ГОСТ 31446, мм;

к_х — коэффициент, служащий для определения минимальной толщины стенки трубы, достаточной для получения продольного образца для испытания на ударный изгиб, равный:

-1,00 — для образцов полного размера;

- 0,75 — для образцов 3/4 размера;

- 0,5 — для образцов 1/2 размера.

17.5 Размеры образцов для испытания на ударный изгиб муфт

Минимальную толщину образцов для испытания на ударный изгиб, отбираемых от трубной заготовки для муфт (см. 17.2), определяют по расчетной толщине стенки, необходимой для изготовления образцов (см. таблицы 13 и 14). Из таблиц 13 и 14 должен быть выбран наибольший из возможных образцов с расчетной толщиной стенки менее номинальной толщины стенки испытуемой трубной заготовки для муфт для рассматриваемого соединения. В таблице 16 приведены минимально допустимые размеры поперечных образцов, а в таблице 17 — минимально допустимые размеры продольных образцов. Таблицы 16 и 17 служат для определения ориентации и размера образцов для испытания на ударный изгиб, требуемого по ГОСТ 31446.

Таблица 16 — Минимальные допустимые размеры поперечных образцов для испытания на ударный изгиб муфт

55

ГОСТ 35016—2023

Окончание таблицу/ 16

Таблица 17 — Минимальные допустимые размеры продольных образцов для испытания на ударный изгиб муфт для труб наружным диаметром менее 88,90 мм и муфт для труб наружным диаметром 88,90 мм и более, если изготовление поперечных образцов 1/2 размера невозможно