Експлуатаційні вимоги до проектованого обладнання

Лекція 3 Особливості проектування елементів бурового обладнання БУ

Питання на вміння

Питання на знання

1 Які Ви знаєте стадії розроблення конструкторських документів?

2 Що визначається технічним завданням?

3 Назвіть етапи створення дослідного зразка елемента обладнання бурової установки.

4 Що включає технічна пропозиція на модернізацію існуючого або створення нового елемента бурової установки?

5 Що повинен містити ескізний проект на модернізацію існуючого або створення нового елемента бурової установки?

6 Що таке технічний проект і які документи входять в нього?

7 Що таке робоча документація і які етапи вона включає?

8 Які основні принципи системи автоматизованого проектування бурових машин?

9 Яка основна функція системи автоматизованого проектування?

10 Наведіть загальні критерії експлуатаційних можливостей бурової установки.

1 Обґрунтуйте вибір стадій та виду проектно-конструкторської роботи на виготовлення запірних елементів (перегородок) жалобної системи.

2 Обґрунтуйте вибір стадій та виду проектно-конструкторської роботи на модернізацію пристрою для кріплення нерухомої вітки талевого каната.

3 Обґрунтуйте вибір стадій та виду проектно-конструкторської роботи на заміну металевої драбини до блока приготування промивальної рідини на драбину нової конструкції.

4 Обґрунтуйте вибір стадій та виду проектно-конструкторської роботи на модернізацію бурового вертлюга.

5 Обґрунтуйте вибір стадій та виду проектно-конструкторської роботи на виготовлення стандартного кріпильного елемента.

Сучасна бурова установка – це комплекс тісно взаємодіючого обладнання, нормальний цикл роботи якого забезпечує без збоїв виконання послідовних операцій, пов'язаних з проходкою, спуском і підйомом бурильного інструменту.

У нормальний цикл експлуатації бурової установки слід включати весь календарний час знаходження її в господарстві підприємства від моменту отримання з заводу до виходу з експлуатації і списання з балансу, тобто сумарний термін служби, протягом якого не тільки проводиться спорудження свердловин, але і проводиться транспортування, зберігання, демонтаж, монтаж, пуско-налагоджувальні роботи, технічне обслуговування і ремонт бурового обладнання.

У процесі спорудження свердловин необхідна безвідмовна робота всіх механізмів, тому для надійності, безвідмовності, працездатності, довговічності, безперервної збережуваності основних параметрів комплектні бурові установки повинні підтримуватися в справному технічному стані впродовж всього терміну служби на всіх фазах експлуатації.

Експлуатаційні вимоги до бурових установок як в цілому, так і до окремих вузлів і механізмів встановлюються конкретними експлуатаційними документами, прикладеними до кожної бурової установки, а також іншими обов'язковими рекомендаціями і вказівками, викладеними в стандартах, технічних умовах і керівних документах.

1. Бурові установки повинні відповідати вимогам, що визначають умови буріння і, в першу чергу, враховують природньо – кліматичні, геологічні умови, віддаленість від ремонтних баз і джерел енергії, частоту переміщення на нові точки буріння, безперервність буріння та ін.

2. Основні параметри бурових установок повинні встановлюватися за стандартами:

2.1. ГОСТ 16293-89 «Установки бурові комплектні для експлуатаційного і глибокого розвідувального буріння. Основні параметри».

2.2. ГОСТ 6031-81 «Насоси бурові. Основні параметри».

2.3. ГОСТ 4938-78 «Ротори бурових установок. Основні параметри і розміри».

3. Бурове обладнання повинно відповідати вимогам ГОСТ 12.2.003. «Правил безпеки в нафтовій і газовій промисловості» (ПБ 08-624-03), «Вимогам безпеки до бурового обладнання для нафтової і газової промисловості» РД 08-272-99.

4. Проектування, монтаж, наладка, випробування і експлуатація електроустановок, бурових і нафтопромислових установок повинні проводитися відповідно НПАОП 11.1-1.01-08 «Правил безпеки в нафтогазовидобувній промисловості України» та вимог «Правил техніки безпеки при експлуатації електроустановок» (ПТБЕ).

5. Електродвигуни, пускорегулювальна апаратура, електрокомунікації і пости керування буровим обладнанням повинні відповідати вимоги ГОСТ 12.2.007.0 ССБТ, ГОСТ 12.2.007.6 ССБТ; ГОСТ 12.2.007.7 ССБТ; ГОСТ 12.2.007.8 ССБТ; ГОСТ 12.2.007.14 ССБТ.

6. Двигуни внутрішнього згоряння силових агрегатів бурових установок повинні бути обладнані системою аварійно-попереджувальної сигналізації і захисту по ГОСТ 11928, а також системою аварійної (екстреної) зупинки з перекриттям повітропроводу.

7. Пневмоприводи повинні відповідати вимогам ГОСТ 12.2.101 ССБТ.

8. Гідроприводи повинні відповідати вимогам ГОСТ 12.2.040 ССБТ; ГОСТ 12.2.086 ССБТ.

9. Рівні шуму на робочих місцях повинні відповідати вимогам ГОСТ 12.1.003 ССБТ.

10. Рівні вібрації на робочих місцях повинні відповідати вимогам ГОСТ 12.1.012 ССБТ.

11. Бурові установки повинні бути оснащені системами обігріву робочих місць, виконаними відповідно до вимог ПБ 08-624-03.

12. Пульти управління, розташовані на відкритих робочих майданчиках, повинні мати виконання, що відповідає категорії розміщення I по ГОСТ 15150; висота розташування важелів і рукояток - за ГОСТ 12. 032 ССБТ; ГОСТ 12.3.033 ССБТ; символи органів керування - за ГОСТ 12.4.040 ССБТ.

13. Механічні передачі (ланцюгові, карданні, зубчаті і ін.), муфти зчеплення, шківи і інші елементи обладнання, що обертаються і рухомі, а також їх виступаючі частини повинні мати металеві огорожі та відповідати вимогам ГОСТ 12.2.062 ССБТ.

14. Сигнальні кольори і знаки безпеки повинні відповідати вимогам ГОСТ 12.4.026 ССБТ.

15. Вимоги безпеки при експлуатації обладнання повинні бути вказані в експлуатаційних документах по ГОСТ 2.601, а при ремонті обладнання - в документації по ремонту згідно вимог ГОСТ 2.602.

16. Нормативні розрахункові показники «вежа без розтяжок», «вишка з розтяжками», «підвишкові основи» встановлювати з урахуванням «Специфікації на конструкції для буріння, обслуговування і ремонту свердловин», специфікації 4Б, АННІ.

17. При проектуванні бурових веж, основ, металоконструкцій, робочих майданчиків на висоті, драбин необхідно враховувати вимоги «Міжгалузевих правил по охороні праці при роботі на висоті» ПІТ РМ 012-2000.

18. Нагнітальні трубопроводи бурових установок повинні відповідати вимогам «Правил будови і безпечної експлуатації технологічних трубопроводів» (ПБ 03-585-03).

19. Всі вантажопідйомні споруди, електрокран-балки, крани поворотні, сталеві канати, використовувані як вантажні, несучі, тягові і стропові, для оснащення вантажопідйомних механізмів, талевої системи бурових установок, агрегатів для ремонту свердловин, повинні відповідати вимогам «Правил установки і безпечної експлуатації вантажопідйомних кранів» (ПБ 10-382-00).

20. Всі посудини, що працюють під тиском і використовються для комплектації бурових установок, повинні відповідати вимогам «Правил установки і безпечної експлуатації посудин, що працюють під тиском» (ПБ 03-576-03).

3.2. Аналіз діючих навантажень, механічні розрахунки та розрахунково-конструкторські схеми проектованих елементів.

Напруження і деформації. При розтягуванні стержня під дією навантаження Q він видовжиться на величину . Якщо розрізати (умовно) стержень перпендикулярно до його осі площиною, то на різні ділянки цього перерізу діятиме внутрішня сила .

Відношення

Р=/ (3.1)

при розтягуванні стержня у всіх точках даного перерізу буде постійним і його називають повним напруженням. В тих випадках, коли напруження в різних точках перерізу неоднакові, наприклад, при згині, їх визначають з того ж виразу (3.1), проте діючі сили визначають як прикладені до дуже малих дялянок.

Повне напруження розкладають на дві складові. Перша - нормальне напруження , направлене по нормалі до майданчика. Друге - дотичне напруження , що діє в площині майданчика.

Конструкційні матеріали по-різному чинять опір нормальним і дотичним напруженням. Більш того, нормальні розтягуючі напруження (що умовно приймаються додатніми) сприймаються матеріалами гірше, ніж стискаючі. В той же час знак (напрям дії) для дотичного напруження не істотний.

Під дією розтягуючого навантаження відбувається видовження стержня (). Деформація стержня завдовжки l₀ характеризується відносним видовженням

, (3.2)

яке може бути безрозмірною величиною або виражатися у відсотках.

Загальна деформація елементу пов'язана з видовженням його сторін і зсувами. Видовження сторін викликають зміну об'єму і форми, а зсуви - тільки зміни форми.

У реальних матеріалах напруження і деформації виникають одночасно. Нормальні напруження приводять до зміни лінійних розмірів, середні напруження викликають зміну об'єму, а дотичні напруження - зсув.

Розтяг і стиск. В багатьох елементах бурового обладнання основне навантаження діє уздовж осі стержня (штоки і шатуни бурових насосів, елементи веж - ноги, пояси, підкоси і т. д.), який під дією навантаження розтягується або стискається.

Напруження в поперечному перерізі стержня характеризується

, (3.3)

де F - повна площа перерізу стержня;

Р - розтягуюче або стискаюче навантаження;

- напруження розтягу (або стиску).

Напруження в похилому перерізі, нормаль до якого складає з віссю стержня кут , рівне:

, (3.4)

При розтягуванні подовжні волокна стержня деформуються (видовжуються), що оцінюється відносним видовженням (3.2), а поперечні розміри стержня зменшуються.

Величину називають відносною поперечною деформацією (де і - діаметри стержня до і після навантаження відповідно).

Експериментально встановлено, що видовження пропорційне напрженню (закон Гука в межах пружної деформації):

, (3.5)

де Е - модуль пружності (залежить від матеріалу стержня). Для вуглецевих сталей (Сталь 20, Сталь 45 і ін.), а також для вуглецевих легованих сталей (30ХГСА, 12ХНЗА) модуль пружності приймається рівним (2,02,2)•10⁵ МПа. З виразів (3.2), (3.3) і (3.5) слідує:

, (3.6)

де Р - розтягуюче навантаження;

- довжина ненавантаженого стержня;

F - площа поперечного перерізу стержня.

Добуток характеризує жорсткість перерізу стержня при розтягуванні.

Відносна поперечна деформація:

, (3.7)

де - коефіцієнт поперечного стиснення (коефіцієнт Пуассона). Для сталей його приймають =0,3.

Згин. Дії згину піддаються вали, осі, балки, зуби коліс і т.д. Діючі на деталь зовнішні навантаження при згині можуть бути у вигляді дії зосередженої сили, направленої перпендикулярно до осі деталі, або у вигляді дії розподіленого по довжині навантаження. Навантаження можуть бути також у вигляді дії зовнішнього згинаючого моменту.

Для знаходження згинаючих моментів, діючих уздовж осі валу, знаходять опорні реакції, рівні Р_а/l і Р_(а+1) /l і будують епюру згинаючих моментів (рис. 3.1). Найбільшої величини напруження досягають в перерізах з максимальним згинаючим моментом, в точках, самих віддалених від нейтральної осі:

, (3.8)

Де - момент опору при згині, см²;

, (3.9)

де J - момент інерції перерізу, см⁴;

- відстань від осі до найвіддаленішої точки.

Рисунок 3.1. - Згин двохопорного валу з консольним прикладанням зовнішньої сили

У табл. 3.1 приведені значення J і для поперечних перерізів найпоширеніших типів конструктивних елементів.

Таблиця 3.1 - Геометричні характеристики поперечних перерізів при згині

Тип поперечного перерізу	Момент інерції перерізу	Момент опору перерізу

Продовження таблиці 3.1

якщо <<1
якщо <<1

Під дією навантажень вали, балки і т.д. прогинаються. При дії зосередженої сили Р максимальний прогин балки визначають за формулою:

, (3.10)

де - прогин;

l - відстань між опорами в двохопорній балці або відстань від точки затискання балки до зосередженої сили;

k - коефіцієнт, що залежить від розташування опор і характеру навантаження.

Для двохопорної балки з прикладеною силою посередині k =48, для консольної балки з силою на вільному кінці k =3.

Зріз і зминання. В багатьох виробах застосовуються шпонки, штифти, заклепки, що піддаються деформаціям зрізу і зминання. З причини складності дійсного розподілу напружень їх розрахунок ведуть за умовними напруженнями, прийнявши гіпотезу рівномірного розподілу напружень за площею зрізу або зминання.

Дотична напруження при зрізі:

, (3.11)

де Р_ср - сила, що викликає зріз;

F_ср - площа зрізу.

Для заклепки при двосторонньому зрізі (рис. 3.2) сила і площа зрізу в кожному перерізі:

Р_ср =0.5 Р, F_ср = 0.25, (3.12)

Площа зрізу шпонки (рис. 3.3):

F_ср= (а+0.25)b, (3.13)

Напруження зминання:

, (3.14)

де - сила, що викликає зминання;

- площа зминання.

Площа зминання по циліндровій поверхні для заклепок =, (рис. 3.2), для шпонки 0,5са (рис. 3.3).

Рисунок 3.2 - Схема роботи з'єднання заклепками

Рисунок 3.3. Схема роботи шпонкового з'єднання:

а - схема вузла; б - схема шпонки;

1 - вал, 2 - маточина; 3 - шпонка.

Кручення. При передачі потужності вали зазнають деформації кручення:

N = M_k w = M_k, або M_k =, Нм (3.15)

де N – потужність, що передається валом, кВт;

n - частота обертання валу, хв^-1;

M_k - крутний момент, Нм;

w - кутова швидкість.

При передачі крутного моменту валом в ньому діють дотичні напруження, що розподіляються по радіусу валу за лінійним законом. В центрі валу напруження рівне нулю, а біля поверхні воно максимальне:

, (3.16)

де - момент опору перерізу крученню, см³.

Для суцільного вала:

=, (3.17)

Для порожнистого вала:

=, (3.18)

де d - зовнішній діаметр вала;

. (3.19)

d₁ - внутрішній діаметр вала.

Кут закручування валу в градусах на довжині l:

, (3.20)

де - полярний момент інерції перерізу вала, см⁴;

=, (3.21)

G - модуль зсуву, МПа.

G=0,5Е/(1+)0,38Е (3.22)

Нерівномірність розподілу напружень, викликана концентраторами. Якщо деталь, що розраховується на міцність, має різьби, шпонкові і шліцеві пази, отвори, галтелі, кільцеві виточки, а також якщо на неї напресована інша деталь або деталь різко міняє форму, то в цих місцях напруження розподіляються нерівномірно, тобто виникає концентрація напружень, а самі місця (різьби, пази, отвори, галтелі і т. п.) називаються концентраторами напружень.

Нерівномірність напружень в зоні концентрації оцінюється коефіцієнтом концентрації напружень:

, , (3.23)

Коефіцієнт концентрації рівний відношенню найбільшого напруження (,) в зоні концентрації до номінального напруження (,).

На рисунку 3.4 і 3.5 представлені схеми зміни напружень, обумовлених концентраторами - отвором і виточками на пластині, що піддається дії розтягуючих сил.

Номінальні напруження в пластині з отвором приймають:

=, (3.24)

де - напруження в пластині, визначене без урахування отвору.

Максимальне напруження визначається експериментально або розраховується методами теорії пружності.

Коефіцієнт концентрації напружень для пластини з двома виточками залежить від відношення радіусу закруглення біля дна виточки до ширини d, а також від відношення t/d. При величина .

Рисунок 3.4 - Концентрація напружень біля отвору

Рисунок 3.5 - Концентрація напружень біля виточки

У правильно спроектованих машинах коефіцієнти концентрації напружень не перевершують значень =2,02,5.

Температурні напруження. Зміна температури тіла (нагрів або охолоджування) приводить до зміни його об'єму, що може бути визначено відносною зміною об'єму:

, (3.25)

де - коефіцієнт об'ємного температурного розширення матеріалу, 1/°С;

- зміна температури тіла.

Взаємозв'язок коефіцієнта лінійного температурного розширення з коефіцієнтом об'ємного розширення має вигляд:

, (3.26)

Для вуглецевих сталей (Сталь 20, Сталь 45 і т. д.) приймають =11, 1/°С, для легованих сталей (30ХГСА, 12ХНЗА) - (1112) , 1/°С.

Температурна деформація кожної із сторін малого тіла рівна:

, (3.27)

Для стержня, що нагрівається, закріпленого в жорсткому корпусі, температура якого не змінюється, довжина буде незмінною, і в ньому виникнуть стискаючі температурні напруження:

, (3.28)

При охолоджуванні ж стержня його температурні напруження будуть розтягуючими.

У складних конструкціях, коли в процесі роботи температура в різних деталях або точках деталі не однакова, або коли нагріті деталі виготовлені з матеріалів з різними коефіцієнтами лінійного розширення, температурні напруження можуть бути значними.

Дата добавления: 2013-12-14