Лекция 11
Грузоподъемное оборудование
Грузоподъемное оборудование предназначено для проведения спуско-подъемных операций и состоит из вышек (матч), талевых систем, лебедок и их привода, которым чаще всего является двигатель транспортного средства. Параметры грузоподъемного оборудования определяются массой спускаемого инструмента и, следовательно, глубиной спуска и конструкцией скважинного оборудования.
Вышки и мачты служат для подвески талевой системы, поддержания колонны труб или штанг в скважине, отвода поднятой свечи труб или штанг от оси устья и складирования их на период ремонта. Вышки, имеющие три и более несущих элемента (ноги), относятся к башенным, а одна или две - мачтовые. Для подземного ремонта в основном используются мачтовые вышки. На промыслах используют подъемные сооружения двух видов: стационарные и передвижные, которые монтируют в транспортном положении на специальных тележках.
К стационарным сооружениям относятся различного типа вышки и мачты (двуножки). Вышки изготавливают из сортового проката или из отработанных бурильных и насосно-компрессорных труб. Стационарные вышки или мачты используются всего 2-3% календарного времени в году. В основном их применяют на труднодоступных участках месторождений, технические характеристики применяемых вышек башенного типа представлены в таблице. Иногда это могут быть буровые вышки.
Таблица
Технические характеристики применяемых стационарных вышек башенного типа
Показатели |
ВМ-41М |
ВМ-28 |
ВМI-24 |
ВЭТ75х24 |
ВЭТ22х50 |
ВМ-41 |
|||||
Номинальная грузо- подъемность на крюке, Тс/кН |
|
|
|
|
|
150/450 |
11011080 |
75/735 |
75/735 |
50/490 |
|
|
|
|
|
|
|
высота, м |
41 |
28 |
24 |
24 |
22 |
Размер основания, м |
8х8 |
8х8 |
8хl0 |
8хl0 |
6х6 |
В настоящее время пользуются практически только передвижными мачтами и передвижными агрегатами с мачтами или вышками ремонта скважин.
К основным параметрам, определяющим конструкцию мачты, относятся грузоподъемность Р и высота Н. Технические характеристики мачт представлены в таблице.
Технические характеристики мачт для ремонта скважин
|
Стационарные |
Передвижные |
||||
Показатели |
МЭСН- |
МЭСН- |
МЭСН- |
ПТМ-40 |
ПМ-40 |
ПМ·~ |
22Х25 |
17Х25 |
15Х15 |
|
|
|
|
Номинальная грузо- подъемность на крюке, тс/кН |
25/245 |
17/167 |
15/147 |
40/390 |
40/390 |
20/196 |
Высота, м |
22 |
15 |
15 |
22 |
22 |
14, |
Число шкивов кронблока |
4 |
3 |
3 |
4 |
4 |
3 |
Мачта позволяет складировать трубы вертикально, т.е. устанавливать трубы за палец, а в некоторых из них (МЭСН-22х25) можно устанавливать за палец свечи из двух труб.
Расчет вышки
На вышку действуют нагрузки: 1) вертикальные - вес груза на крюке Qк, вес талевой системы QТ, натяжение мертвого и ходового концов Рн и Рх, вес вышки GB; 2) горизонтальные - горизонтальная составляющая от веса труб, установленных за палец, и ветровые Рв. Расчет вышки производится по максимальной ветровой нагрузке (ураганный ветер), во время которого нагрузка с крюка должна быть снята. Разрешается работать при скорости ветра до 25 м/с, который дает до 30% дополнительной нагрузки на стержни вышки. Эти нагрузки распределим на 3 группы и увеличим их соответствующими коэффициентами запаса (п1:~1,1; п2 ~1,5; пз~l,3 )
Ql1= (QK + РХ + Рн) n2;
Qш = РВ пз ≈ O,3(QK + РХ + Рн ) п3
Общая расчетная нагрузка
QР =QI +QII+QIII
должна быть не больше допустимой максимальной кратковременной нагрузки, которая обычно на 55-60% больше номинальной (приводится в паспорте).
Расчет оттяжек вышки производят с учетом горизонтальных нагрузок. Для этого по панелям, согласно методике [1], находят ветровые нагрузки, их равнодействующую и место ее приложения (рис. 6.1 [6]). Момент относительно точки А
GB В/2- PB h + Т l siПψ = О
где GB - собственный вес вышки; В и в - стороны нижнего и верхнего оснований вышки; Т - натяжение в оттяжке; h - высота точки приложения равнодействующей ветровой нагрузки;
h ≈ (В+2b) Н /3 (В+b) ;
где: Н - высота вышки);
Рв - суммарная ветровая нагрузка на вышку;
1- расстояние места заделки оттяжки от опоры А
ψ- угол между направлением оттяжки и горизонталью.
Из уравнения моментов относительно точки А следует, что оттяжка не нужна при
Обычно ставят по две оттяжки с каждой грани вышки. Угол их направления с горизонталью - в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа (рис. 6.1 [1]), равен γ . Тогда натяжение в каждой оттяжке
Т1 = Т/2sinγ
Т определяется из уравнения моментов относительно точки А и берется с запасом в 1,5-2 раза.
Напряжение в проволоках каната оттяжки должно быть
где δ - диаметр проволоки оттяжки; i - количество проволок, σв - предел прочности на растяжение материала проволоки; п - запас прочности, равный 4 - 5.
В случае установки труб за палец добавляются следующие нагрузки:
1) горизонтальная составляющая от веса труб Рт , установленных за палец под углом α ≥800 к горизонту,
2) половина ветровой нагрузки от труб, установленных за палец, РВ'.
Произведение (Р + PB)h' (h' - высота установленных труб, равная высоте расположения пальца вышки) включается в уравнение расчетного усилия в оттяжке.
При установке двух ярусов оттяжек усилия в них принимают приблизительно одинаковыми для обоих ярусов.
Расчет мачты
Мачта ВА (рис. 6.2) наклонена под углом φ и укреплена растяжкой, направленной под углом α к горизонтали.
На крюк мачты действует нагрузка QK, а натяжение ходового конца РХ частично уравновешивает мачту. Сжимающее мачту усилие QМ и усилие в растяжке Т находят следующим образом:
1) силы QK и РХ заменяют равнодействующей R, направленной под углом γ к горизонтали;
2) QМ и Т находят, раскладывая усилие R на направления мачты и оттяжки.
По усилию Т проверяют условия работы оттяжки, используя выражение для напряжения в проволоках каната.
Из рис. 6.2 видно, что с удалением оттяжного шкива от скважин уменьшаются QМ и Т
Неработающую мачту проверяют на равномерно распределенную ветровую нагрузку q, определяемую по формуле:
.q = PB/h
где PB - суммарная ветровая нагрузка на мачту;
h - высота мачты.
Нижнее основание мачты считают закрепленным, а верх заделанным шарнирно. Для такой балки максимальный момент изгиба будет посередине
M max = q h2 / 8
Если трубы установлены за палец мачты, при подсчете изгибающего момента M max необходимо учесть сосредоточенную силу (Рт' + Рв') (см. расчет вышки).
Напряжения в ногах мачты при работе в условиях сильного ветра
где FH - площадь поперечного сечения ноги мачты по металлу;
W - момент сопротивления ноги изгибу;
. φ - коэффициент продольного изгиба (дается в справочниках в зависимости от гибкости стержня λ).
где 1- длина ноги между опорами (поясами);
i - радиус инерции сечения ноги,
(дробь под корнем)
Здесь D и d - наружный и внутренний диаметры ноги,
f ОТВ - площадь отверстий, выполненных в сечении.
Подсчитанное напряжение в ногах мачты должно быть в 1,3 раза меньше σт
В случае двуногой мачты при угле наклона ног мачты к горизонту α в плоскости мачты:
. σ = QМ/ (2FН φ sin α) ± Mmax / 2W
Талевая система
Талевая система установок представляет собой полиспастный механизм, состоящий из кронблока, талевого блока, стального каната, являющегося гибкой связью между буровой лебедкой и механизмом закрепления неподвижного конца каната и объединяющего кронблок (неподвижная часть талевой системы) с талевым блоком (подвижная часть талевой системы). Талевая система предназначена для кратного увеличения подъемной силы установки при столь же кратном снижении скорости подъема (спуска) и нагрузки на тяговый орган установки (лебедку). Талевая система характеризуется оснасткой, записываемой в виде числа шкивов талевого блока и кронблока, к примеру 2 х3, 3 х4, 4 х5, 5 х6 и т.д. Кратность оснастки определяется умножением числа шкивов талевого блока на 2 и равна числу рабочих струн, удерживающих нагрузку на крюке и талевом блоке. Чем больше число рабочих струн каната и шкивов участвует в работе, тем медленнее будет подниматься (опускаться) талевый блок с крюком. Усилие в струнах талевого каната в состоянии покоя и движении не одинаковы.
При статическом нагружении (в состоянии покоя):
Рт = Р К MAX + GТС
При динамическом нагружении
Рт = (Р К MAX + GТС) (1+ εк /g)
Где: Р К MAX – максимальная нагрузка на крюке
GТС - вес талевой системы (вес талевого блока, крюка и 2/3 веса длины каната талевой оснастки)
εк - ускорение крюка при подъеме (спуске)
g - ускорение свободного падения
Каким бы ни было усилие в рабочих струнах Рт – статическим или динамическим, оно равно: Рт = Р1 + Р2 +Р3 + …..Рn ;
Где : - Р1 + Р2 +Р3 + …..Рn усилия в рабочих (несущих) струнах талевой системы. В состоянии покоя они равны между собой, т.е.
Р1 = Р2 =Р3 = …..Рn = Рх = Рн
где : Рх и Рн – усилия в ходовой (ведущей) и неподвижной струнах талевого каната.
Тогда усилие в любой струне в состоянии покоя:
РI = Рт / uтс ,
Где: uтс – число несущих струн каната или кратность оснастки;
Рт - усилие в струнах талевого каната
При движении талевой системы вследствие трения каната о шкивы и трения в подшипниках шкивов нагрузка на струны каната не одинакова:
Рх = Р1 / ηш , Р1= Р2 / ηш и т.д.
Где: ηш – КПД струны шкива
КПД талевой системы ηтс зависит от числа шкивов, диаметра каната, степени их изношенности, нагрузки на крюке, состоянии подшипников, смазки и др. Для практических расчетов можно использовать формулу:
ηтс = 1- 0,02 uтс
В период установившегося движения при подъеме натяжение ходового конца талевого каната:
Рхп = (Ркмах + GТС) / uтс ηтс
Натяжение неподвижной струны каната при подъеме
Рнп = Рх ηтс
Натяжение ходового конца талевого каната при спуске
Рхс = (Ркмах + GТС) ηтс / ηтс
Скорость ведущей (ходовой) струны каната при подъеме VВ по условиям намотки на барабан лебедки не должна превышать 20м/с (уточняется по паспорту на установку, подъемник):
VВ = VК uтс ≤ 20м/с
Где: VК - скорость крюка
Число шкивов, их размеры и кратность оснастки определяются допустимой нагрузкой на крюке, тяговым усилием лебедки, скоростью навивки каната на барабан, числом рядов навивки каната, размерами, прочностью, работоспособностью, типом и стоимостью талевого каната. Средняя частота вращения барабана лебедки:
.nб.ср= v х.ср 60/ πDср, об/мин
где: Dср = (D0 +Dе) / 2 - средний диаметр навивки каната, м
D0 = Dб + dк – минимальный диаметр навивки каната, м
Dб – диаметр бочки барабана, м
dк - диаметр каната, м
Dе – наибольший диаметр навивки каната, м
Dе = Dб + α (2z-1) dк , м
Где: α =0,93 -0,95 - коэффициент уменьшения диаметра навивки за счет укладки и смятия каната,
.z - число слоев навивки каната
Мощность на крюке при подъеме колонн, кВт
Nкп = Р К MAX v к ср /2 или Nкп = Р К MAX v к min
Оснастка талевой системы
а – однострунная; б – двухструнная; в – трехструнная;
г – четырехструнная; д – шестиструнная
Оснастка талевой системы - это последовательность навивки каната на шкивы кронблока и талевого блока исключающая трение ветвей друг о друга. Оснастка определяется числом шкивов, находящихся в работе.
Если «мертвый» конец каната закрепляется за низ вышки, то поднимаемый груз распределяется на 2z струн каната, если же «мертвый» конец закрепляется за талевый блок, то груз распределяется на 2z + 1 струн, где z - число подвижных шкивов талевого блока.
К талевой системе так же относится ограничитель подъема талевого блока и механизм крепления неподвижной ветви талевого каната. Ограничитель подъема талевого каната служит для предотвращения возможности соударения талевого и кронблоков В процессе эксплуатации ограничитель представляет собой механизм, устанавливаемый под кронблоком, и включающий тормоз лебедки при подъеме блока выше положенного хода. Расстояние между кронблоком и механизмом ограничения определяется тормозным путем талевого блока на максимальной скорости подъема.
Кронблоки
Кронблоки эксплуатационные являются неподвижной частью талевой системы.
Кронблоки КБН предназначены ДЛЯ работы в районах с умеренным климатом, типа КБ - в умеренном и холодном климате.
Последние изготавливаются двух видов:
- исполнение 1 - для передвижных подъемных установок и стационарных эксплуатационных мачт;
- исполнение II - с подкронблочной рамой для стационарных эксплуатационных вышек
В зависимости от грузоподъемности кронблоки выпускаются с различным числом канатных шкивов, устанавливаемых на подшипниках качения. Конструктивно кронблоки всех грузоподъемностей
не отличаются друг от друга. Шкивы у всех кронблоков расположены на одной неподвижной оси, покоящейся на опорах и закрепленной стопорными болтами. Канатные шкивы, посаженные на ось на двух роликоподшипниках, разделяются друг от друга стопорными кольцами.
Во избежание перемещения шкивов вдоль оси кронблока последняя имеет с одной стороны бурт, а с другой - навинченную на резьбу оси круглую гайку со стопорной шайбой.
Смазка к роликоподшипникам поступает через продольное сверление внутри оси, которое связано радиальными сверлениями с полостью подшипников. Выходы продольного канала на концах оси закрываются шестигранными резьбовыми пробками. Шкивы снабжены крышками, предотвращающими вытекание смазки и попадание грязи в подшипники.
Шкивы кронблоков закрыты быстросъемным ограждением и кожухом. Ограждение кронблока предотвращает соскальзывание талевого каната со шкивов.
В кронблоке, кроме шкивов, связанных с талевым блоком имеются шкивы для работы с тартальной и вспомогательной лебедкой по одному на каждую лебедку (при соответствующей комплектации установки)
Талевые блоки
Талевый блок является подвижной частью талевой системы. Талевые блоки предназначены для работы в районах с умеренным климатом (тип БТН) и с холодным климатом. Талевые блоки всех типоразмеров (конструктивно отличающиеся друг от друга только числом канатных шкивов) представляют собой канатные шкивы, насаженные на роликоподшипниках на ось, неподвижно установленную в двух щеках, закрепленных гайкой. По аналогии с кронблоками канатные шкивы талевого блока имеют боковые крышки, предохраняющие от попадания грязи и вытекания смазки.
В настоящее время используются конструкции, совмещенные талевые блоки и крюки, называемые крюкоблоками. В этом случае серьга отсутствует, щеки талевого блока удлиняются и соединяются непосредственно с подвеской крюка.
Конечная конструкция получается проще и меньше в высотном габарите
Крюки подъемные эксплуатационные
Крюки подъемные эксплуатационные относятся к подвижной части талевой системы, предназначены для подвешивания на них штропов, трубных или штанговых элеваторов, вертлюгов и других приспособлений при монтаже, демонтаже наземного оборудования.
Крюки КН предназначены для работы в районах с умеренным климатом, а КР - для умеренного и холодного климата.
Крюки изготавливаются двух типов: однорогие (исполнение а) грузоподъемностью до 20 т и трехрогие (исполнение б) грузоподъемностью 32 т и более.
Крюк состоит из рога, подвески и серьги.
Рог кованый включает сменное седло с защелкой для фиксирования при спускоподъемных операциях. Вогнутая цилиндрическая поверхность седла соответствует размеру сопрягаемого с ним штропа элеватора или серьги вертлюга.
Подвеска, соединяющая рог крюка с серьгой, состоит из литого стального корпуса, амортизирующей пружины, ствола, установленного на упорном подшипнике. Конструкция подвески допускает свободное вращение рога крюка со стволом как под нагрузкой, так и без нагрузки. Амортизационная пружина и упорный подшипник помещены внутри корпуса и закрыты крышкой для предохранения их от атмосферных осадков и загрязнения.
На боковые рога крюка подвешиваются удлиненные штропы для захвата элеватора балочного типа через проушины. Пружина обеспечивает вертикальное перемещение отвинчиваемой или свинчиваемой трубы.