8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Основная цель конструирования – увеличение экономического эффекта машин. Главными факторами, определяющими экономичность оборудования, являются его полезная отдача, надежность, расходы на оплату труда операторов, потребление энергии и стоимость ремонтов.

Основными показателями экономической эффективности новой техники являются [4; 8]:

интегральный показатель, называемый коэффициентом рентабельности

Re;

суммарный экономический эффект за весь срок службы Qε; коэффициент технического использования Kти; коэффициент нормативного использования Kни; коэффициент оборачиваемости Kоб;

срок окупаемости оборудования HOK ;

коэффициент эксплуатационных расходов Kэр; себестоимость и цена оборудования.

Коэффициент рентабельности (или просто рентабельность) определяется как

где Q – полезная отдача, т. е. полезный суммарный эффект от эксплуатации оборудования за весь период его работы. Например, при бурении это стои-

мость пробуренных метров или скважин за этот же период и т. д.; Pε – сумма

расходов за весь период работы оборудования, руб. (включает стоимость энергии, расходы на амортизацию, подготовительные работы, монтаждемонтаж, материалы, эксплуатацию оборудования, труб, инструмента, основную заработную плату, услуги вспомогательных цехов и др., накладные расходы, потери от аварий).

Условие эффективности оборудования Rε 1.

Суммарный экономический эффект за весь срок службы оборудования

Из формулы видно, что Qε пропорционально полезной отдаче Q и зависит от стоимости оборудования и затрат на эксплуатацию. Величина Qε

8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

резко возрастает с увеличением долговечности оборудования и соответственно срока его службы.

Коэффициент технического использования определяют по формуле

i 1

N

где i – суммарное время пребывания i-го объекта в работоспособном со-

i 1

стоянии (i = 1, 2...N); N – число объектов; Tэксп – продолжительность экс-

плуатации, включающая интервалы времени работы, технического обслуживания и простоев до наступления предельного состояния.

Коэффициент нормативного использования вычисляют по формуле

где То – общее время пребывания оборудования в работе, включая время простоев по организационным причинам; ТН – нормативный срок службы, т. е. календарная продолжительность эксплуатации оборудования или срок ее амортизации, ч.

Коэффициент оборачиваемости Коб является величиной, обратной ко-

эффициенту нормативного использования Кни, и определяется из выражения

где Z = A+B+C – общее число (парк) единиц оборудования предприятия; А, В и С – число единиц оборудования, соответственно занятых непосредственно в технологическом цикле, в подготовительной стадии (монтажетранспортировке) и профилактическом ремонте.

Величина Kоб является нормируемой и обычно составляет Kоб = 1,5–2,1.

Срок окупаемости оборудования Нок определяется как период эксплуа-

тации, за время которого полезная отдача Q равна цене оборудования Цо или капитальным затратам на его создание, т. е. Q Цо . Тогда срок окупаемости составляет

8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

где Qr – годовая отдача или годовой экономический эффект, руб./год; Pr –

сумма годовых эксплуатационных расходов, руб.

Если принять, что эксплуатационные расходы пропорциональны долговечности, то суммарный экономический эффект

где Р1 и Р2 – эксплуатационные расходы, пропорциональные соответственно сроку службы и долговечности, руб/ч.

Коэффициент эксплуатационных расходов Кэр определяется как отно-

шение расходов за весь календарный период работы оборудования Pε к ее стоимости Цо:

С увеличением времени работы оборудования То уменьшается доля стоимости оборудования в общей сумме расходов.

Себестоимость, плановая и лимитная цена оборудования. На предпро-

ектной и проектной стадиях определяют себестоимость нового оборудования, исходя из изменения данных по базовой машине или ее элементов по группам, с учетом стоимости покупных изделий и затрат на проектирование. Цены на проектируемое оборудование также определяют на основе данных по базовой машине. Плановая оптовая цена ЦП учитывает нормативную и дополнительную прибыль и должна находиться в пределах

где ЦНП, ЦВП нижний и верхний пределы цены.

Нижний предел цены находят для второго года выпуска по плановой себестоимости новой продукции CП и нормативу рентабельности Р:

Верхний предел цены находят как

8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

где П – программы выпуска; индексы П и Б означают отношение показателей к проектируемой или базовой машине; t – срок службы; КЭП – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; И – текущие издержки потребителя при использовании машин; К – изменения капитальных затрат

употребителя в связи с заменой базовой машины на проектируемую.

Всоответствии с ГОСТ 15.001–69 заявки и исходные требования на создание новых машин и оборудования должны содержать требования по

лимитной цене изделия Цл.

Если цена нового оборудования Цо > Цл, то применение его будет экономически нецелесообразно.

Лимитную цену Цл определяют на основе выбора существующего аналога и оценки эффективности использования нового вида оборудования по сравнению с аналогом. На практике лимитную цену иногда принимают равной 80 % от цены, при которой экономический эффект от применения проектируемой машины становится равным 0.

Эффективность нового оборудования может быть оценена путем сравнения его проектной себестоимости и приведенных затрат с фактическими данными базового оборудования по этим же показателям. Обычно определяется годовой экономический эффект по формуле

где ПЗ1, ПЗ2 приведенные затраты соответственно по базовому и проектируемому оборудованию; Q2 – объем выпуска продукции с новым оборудова-

нием за год; EH = 0,12–0,15 – нормативный коэффициент эффективности новой техники; C1УД,С2УД, К1УД , К2УД удельные показатели себестоимости и ка-

питальных вложений в производственные фонды на единицу продукции базового и проектируемого оборудования соответственно.

Часто ожидаемый экономический эффект рассчитывается с учетом только статей затрат, существенно изменяющихся при использовании нового оборудования.

Технический уровень совершенства (качества) нефтепромыслового оборудования может быть оценен комплексно с помощью интегрального показателя по формуле:

где ЭС, КС значения полезного суммарного эффекта (может быть в рублях

или в единицах измерения произведенной продукции) и капитальных суммарных вложений, (руб.), ЗГ – годовые затраты при эксплуатации; (руб.);(t ) – коэффициент учета срока службы оборудования и распределения ка-

8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

питальных затрат по времени, для t = 1 году он равен 1; при t = 5 лет

(t) 0,262; (10) 0,174.

При невозможности выделения главного показателя (например, годовой производительности) применяют средневзвешенное арифметическое значение

где вi – коэффициент весомости i-го показателя, определяемый методом экс-

пертных оценок; σi – относительный единичный показатель качества; n – число рассматриваемых единичных показателей.

Результаты расчета значений интегрального показателя И фиксируются в карте технического уровня и качества и являются ориентиром для определения лимитной цены нового оборудования и расчета экономического эффекта.

Контрольныевопросы

1.Что такое эффективность новой техники и как она оценивается?

2.Структура себестоимости изделий в изготовлении.

3.Себестоимость единицы продукции, производимой изделием при его использовании.

4.Сущность капитальных вложений в производство и эксплуатацию бурового и нефтепромыслового оборудования.

5.Как формируют оптовые цены и что такое лимитная цена?

6.Как определяется экономический эффект от использования новой техники?

7.Связь между техническим уровнем качества продукции и его эффективностью.

9.ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ

ИПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

ВЗАВИСИМОСТИ ОТ РАЗЛИЧНЫХ КРИТЕРИЕВ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ

9.1.Влияниеусловийэксплуатацииирежимовнагружения буровогоинефтепромысловогооборудования

Машины и оборудование для строительства скважин и добычи из них нефти и газа по месту выполнения технологических процессов разделяются на наземные и внутрискважинные.

Многие виды наземного оборудования имеют все конструктивнотехнологические признаки, характерные для машин и механизмов, используемых в других отраслях промышленности. Тем не менее ряд видов наземного бурового и нефтепромыслового оборудования имеют специфические особенности, обусловленные влиянием условий эксплуатации и ведения технологических процессов, интенсивностью нагрузок переменного характера. Эти особенности вызывают появление характерных отказов и требуют строгого подхода к выбору материалов и запасов прочности и выносливости. К такому оборудованию относятся насосы различного назначения, агрегаты спускоподъемного комплекса и циркуляционной системы буровых установок, фонтанная арматура и т. д.

К внутрискважинному нефтепромысловому оборудованию относятся скважинные насосы, пакеры, испытатели пластов, клапаны-отсекатели, газлифтные камеры и клапаны и т. д., отличающиеся трубным исполнением, ограничиваемым диаметром скважин. Специфические особенности перечисленных устройств, определяемые технологическими процессами, следующие:

1)высокий класс точности изготовления;

2)наличие большого числа резьбовых соединений, требующих высокого качества и точности сопряжений;

3)наличие большого числа герметизирующих уплотнительных элементов, требующих высокой надежности и соответственно высокого качества изготовления.

9.2. Влияниеизноса

Преобладающей причиной отказов как наземного, так и внутрискважинного нефтепромыслового оборудования, работающего в специфичных условиях, является износ рабочих поверхностей деталей под воздействием

9.ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

9.2.Влияние износа

свойств среды (абразивности выносимых частиц породы, обводненности продукции, вязкости нефти и т. д.) в сочетании с действующими нагрузками. Различают виды изнашивания [4; 16]:

1) абразивное – подвержены плунжеры и цилиндры скважинных и промывочных насосов, шиберы и седла задвижек фонтанной арматуры и т. д.

2)гидро- (или газо-) абразивное – катушки, тройники, крестовины, корпусы задвижек фонтанной арматуры, штуцеры, детали гидравлической части насосов и т. д.;

3)усталостное – подшипники, зубчатые колеса и т. д.

4)при заедании – сопряженные поверхности пробковых кранов, шиберы и седла задвижек фонтанной арматуры, штанговые муфты и насоснокомпрессорные трубы в сильно искривленных и наклонно-направленных скважинах;

5)окислительное – подшипники канатных шкивов, коробки передач,

детали, сопряженные с уплотнителями и т. д.

Установлено, что интенсивность изнашивания трущихся поверхностей оборудования (например, пары штанговая муфта – НКТ, детали затвора задвижек фонтанной арматуры и т. д.) зависит от свойств и состава добываемой продукции. Например, она увеличивается с увеличением в ней содержания пластовой воды и уменьшается с повышением содержания нафтеновых кислот и ас- фальто-смолистых веществ. Наличие упомянутых веществ снижает значительно коэффициенты трения и повышает противозадирные свойства. При этом должен учитываться режим нагружения, ужесточение которого увеличивает интенсивность изнашивания любого вида. При этом степень изменения этой интенсивности сильно зависит от твердости материала деталей и величины нагрузки на них. Что иллюстрируется графиками на рис. 9.1 и рис. 9.2 [4].

Рис. 9.1. Зависимость износа образца трубы от изменения твердости образца муфты при трении в нефти с высокими (кривые 1 и 11)

и низкими (2 и 21) противозадирными свойствами

9.ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

9.2.Влияние износа

Рис. 9.2. Совокупное влияние твердости муфты и нагрузки на износ трубы в нефти с низкими (а) и высокими (б) противозадирными свойствами при нагрузках

Н: 1–200; 2–500; 3–800

Следовательно, для разных нефтяных месторождений с различными свойствами добываемой продукции могут различаться рекомендации по выбору материалов для поставляемого оборудования и режимов нагружения в зависимости от вида и твердости этих материалов.

9.3. Влияниетемпературнаработоспособностьоборудования

Наряду с износом могут иметь место отказы с серьезными последствиями из-за воздействия низких и высоких температур, влажного климата.

Промышленное освоение северных районов страны сопровождалось многочисленными авариями металлических сооружений и техники, в том числе и нефтепромысловой. Так, в России имели место серьезные аварии из-за хрупких разрушений резервуаров из стали 3сп с толщиной стенки 10 мм емкостью 700 и 1000 м3 (пос. Усть-Куйга, Якутия) в процессе эксплуатации при –40 и –53 °С, газопровода из импортных труб на трассе Мессояха – Норильск, металлоконструкций основания буровой вышки в Якутии и т. д. Воздействие низких отрицательных температур усугубляется влиянием масштабного фактора на состояние шероховатости поверхности, наличие концентраторов напряжений и вид упрочняющей обработки деталей. Проектирование оборудования, поставляемого в районы холодного климата (исполнения ХЛ), должно вестись в соответствии с требованиями ГОСТ 15150–69, устанавливающего исполнение, категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования технических изделий в части воздействия климатических факторов внешней среды. Для техники в исполнении ХЛ используют специ-

9.ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

9.3.Влияние температур на работоспособность оборудования

альные хладостойкие стали с соответствующей термообработкой, к металлоконструкциям предъявляются повышенные требования по снижению концентраторов напряжений, для сварки рекомендуют применять специальные электроды и проволоку, сварные швы должны подвергаться дополнительной упрочняющей обработке. По ГОСТ 19281–89 и ГОСТ 19282–89 на низколегированные стали предусматривается поставка листового и фасонного проката с гарантированной ударной вязкостью не менее 290 кДж/м 2 при отрицательных температурах. Сварные конструкции, согласно рекомендациям ЦНИИчермета и Института электросварки имени Е. О. Патона, для техники исполнения ХЛ (низколегированные стали) должны поставляться в термически обработанном состоянии после нормализации или закалки с отпуском и гарантированной ударной вязкостью при расчетных температурах ( с контролем ее при –40 °С).

Резинотехнические материалы и полимерные изделия должны сохранять работоспособность при воздействии низких температур до –60 °С, солнечной радиации до 635 Вт/кВ. м в сутки, повышенного содержания озона, характерных для северного региона. Специальные требования предъявляются к запуску ДВС, кабинам, электротехническим изделиям.

Тепловое воздействие на детали возникает при работе трущихся деталей оборудования, а также при технологических процессах с использованием высоких температур. Например, при тепловом воздействии на пласт оборудование устья скважины, обсадные колонны, скважинное оборудование могут нагреваться до 150–350 °С. Целесообразно использование в оборудовании для таких случаев углеродистых сталей, легированных хромом, ванадием, молибденом

От теплового режима в значительной степени зависит работоспособность фрикционных, червячных и других передач, муфт и т. д. Поэтому в ряде случаев выполняются тепловые расчеты с целью определения температуры нагрева деталей и поиска конструктивных решений по ее ограничению допустимыми пределами. Эти расчеты основываются на уравнении теплового баланса между количеством выделяемого и отводимого тепла. На основе этих расчетов, в частности, увеличивают охлаждаемые поверхности корпусных деталей, применяют охлаждающие устройства, осуществляют выбор материалов и режима смазки.

9.4. Влияниевибрации

При работе бурового и нефтепромыслового оборудования так же, как и других видов техники, может появляться вибрация, которая приводит при определенных условиях к усталостному разрушению деталей. Колебания чаще всего обусловлены упругостью деталей силовых передач (валов, зубьев колес, стенок корпусов), неточностями в изготовлении рабочих поверхностей контактирующих элементов, изменением величин деформации сопрягаемых

9.ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

9.4.Влияние вибрации

деталей. При работе бурового оборудования специфичны поперечные и продольные колебания бурильной колонны значительной протяженности при вращении в скважине и от взаимодействия зубьев шарошечного долота с забоем. Эти колебания усиливаются при бурении в породах высокой твердости и могут стать опасными не только для элементов долота и бурильной колонны, но и для деталей и сборочных единиц буровой установки в целом. На практике стремятся использовать методы устранения внешних сил, вызывающих опасные колебания. В основе большинства методов закладывается изменение динамических свойств системы – моментов инерции масс и податливости соединений. Для повышения виброустойчивости оборудования больший эффект может быть достигнут при включении в его систему специальных виброгасителей. Их роль при работе бурильной колонны играют протекторы, центраторы и калибраторы, а также устройства, амортизирующие продольные колебания колонны от шарошечного долота. При расчетах на вибрационную устойчивость вращающихся валов и других конструкций определяют критическую частоту вращения, при которой появляется возможность резонанса. При допускаемой величине f статического прогиба под нагрузкой критическая частота вращения определяется как

(9.1)

Зона частот вращения от 0,7nкр до 1,3nкр не должна использоваться, при продолжительной работе в этой зоне поломка неизбежна.

На рис. 9.3* приведен график изменения вероятности безотказной работы станков-качалок в зависимости от числа качаний в минуту, т. е. снижение усталостной выносливости с увеличением частоты приложения нагрузок (рабочих скоростей движения механизмов нефтепромысловых и буровых машин) характеризуется соответствующим снижением количественных показателей их безотказности и долговечности

Приведенные критерии работоспособности и режимы нагружения бурового и нефтепромыслового оборудования определяют выбор материалов, предельных допускаемых напряжений для конкретных деталей, изготовленных из выбранных материалов, и видов упрочняющей (термической, химической или механической) обработки.

* Примечание: графика рисунка – в авторской редакции.

9.ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

9.4.Влияние вибрации

Рис. 9.3. График изменения вероятности безотказной работы станков-качалок в зависимости от числа качаний в минуту

Таким образом, при выборе материалов и расчетах на прочность и выносливость деталей нефтепромысловой техники должны учитываться следующие факторы:

климатические условия; агрессивность среды использования; тепловой режим работы;

характер нагружения: величина, цикличность (частота) и длительность нагрузок.

Рекомендации по выбору материалов приведены в табл. 9.1.

9.ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

9.4.Влияние вибрации

на выносливость при контактных напряжениях (при расчете зубчатых передач, подшипников качения) [n] = 1,2–1,25;

на устойчивость металлоконструкций буровых вышек, мачт подъемни-

ков и т. д. [k] = 2,0–3.0.

Эти запасы следует увеличивать для оборудования, отказы которых могут быть сопряжены с тяжелыми последствиями: с травмами и гибелью людей, большим материальным и экономическим ущербом.

Для изделий нефтегазового машиностроения эти запасы в ряде случаев существенно увеличены. Например, для деталей талевых систем буровых установок и агрегатов подземного ремонта скважин, буровых насосов и роторов значения [S] достигают 3,5–4, значения [n] составляют 1,5–2.

9.5. Особенностирежимовнагружениясопрягаемыхдеталей

Сопряжения деталей могут быть:

1)неподвижными – при их соединении сваркой, резьбой, посадкой в натяг, склеиванием, пайкой и т. д.;

2)подвижными – при передаче движения от одной детали к другой путем зацепления и трения (шлицевые и шпоночные соединения, зацепление зубчатых передач; при перемещении детали относительно другой неподвижной детали (пары ползун – направляющие, поршень – цилиндр, клапан – седло, пробка крана – гнездо крана и т. д.).

Контактно нагруженные сочленения: зубья шестерен, роликовые захваты ключей, упоры шарниров, изготавливают из закаливаемых или цементируемых деталей. При контактном сопряжении (два цилиндра, шары, цилиндры или сферы с площадкой) материал в зоне действия максимального напряжения находится в условиях всестороннего сжатия. В этом случае предел текучести материала возрастает в 4–5 раз по сравнению с односторонним сжа-

тием (σт.=1000–2500 МПа). При ударных нагрузках это значение уменьшается в 2–3 раза.

Неправильная организация режимов нагружения перечисленных сопряжений приводит к их отказам из-за износа, усталостного разрушения, нарушения герметичности, коррозии и т. д. На долговечность соединений могут существенно влиять конструкция сопрягаемых деталей и технология их изготовления. Величина эффективного коэффициента концентрации напряжений

Кσ, например при кручении валов со шлицевыми соединениями, для прямозубых шлицев в 1,5 раза выше, чем у эвольвентных шлицев. Для шпоночных

канавок, выполненных дисковой фрезой, значение Кσ при изгибе выше, чем у канавок прорезанных пальцевой фрезой, на 15–25 % в зависимости от прочности материала.

Выносливость прессовых соединений очень зависит от величины натяга и размеров посадки. Например, при диаметре валов свыше 100 мм значения коэффициента Кσ для средних посадок в натяг H7/s6 выше, чем для скользящих посадок H7/h6 от от1,5 до 2,15 раз в зависимости от значения предела прочности. Существенно повышаются эффективные коэффициенты

9.ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ И ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

9.5.Особенности режимов нагружения сопрягаемых деталей

напряжений и при меньших диаметрах валов – до 1,5–1,8 раза при посадке

H7/r6.

Известны следующие конструктивные меры по снижению уровня отказов или их предотвращению:

1.Обеспечить равномерное распределение нагрузок между сопрягаемыми деталями и снижение в них напряжений путем использования упругих деформаций (обычно это достигается при перемещении сопряжения из узлов жесткости).

2.Избегать сопряжения деталей по нескольким поверхностям. Сопряжения предусматривать только по одной поверхности, по остальным же предусматривать зазоры, исключающие соприкосновения деталей при упругих, тепловых и прочих деформациях.

3.В случаях неизбежной затяжки по двум поверхностям рекомендуется использование упругих прокладок.

4.Осевую фиксацию деталей рекомендуется осуществлять только в одной точке для обеспечения возможности ее самоустановки по остальной ее длине.

5.Детали, совершающие возвратно-поступательное движение по двум направляющим, фиксируют на одной направляющей, а вторая направляющая только должна поддерживать деталь.

6.Привалочные поверхности рекомендуется выполнять плоскими, избегая крепления по цилиндрической поверхности. Нужно избегать деформации деталей при затяжке болтов крепления, затяжку производить попеременно на небольшую величину каждый раз. На уплотняющих поверхностях не должно быть ступенек, внутренних и наружных углов.

7.Следует избегать стыкования деталей по скрещивающимся плоскостям, затрудняющего изготовление изделия и уплотнение стыков (разъемные корпуса и их крышки).

8.Трущиеся и быстро изнашиваемые части следует выполнять в виде отдельных и легко сменяемых деталей.

9.Взаимное расположение в корпусе должно осуществляться при минимальном числе переходных сопряжений и посадок (сопряжение конических фасок клапанов с гнездом, изготовление угловых передач).

10.Подвижные соединения, изготовленные с высокой точностью необходимо разгружать от излишних сил во избежание повышения износа или нарушения работы механизма.

11.В соединениях деталей из твердых и мягких материалов поверхность из более твердого и износостойкого материала должна перекрывать мягкого и менее износостойкого материала ( пары концевые цапфы – бронзовые втулки, зубья шестерен – зубья колес и т. д.).

12.Максимальное снижение концентрации напряжений в соединениях

внатяг. В этом случае рекомендуется:

увеличивать длину и диаметр соединений; повышать класс точности изготовления сопрягаемых деталей;

подбирать оптимальные сочетания диаметров сечений охватываемой и охватывающей деталей;

уменьшать сечения торца вала и ступицы.