1.3. Крюки, крюкоблоки и специальные подвески

Крюки (рис. П 4.1, П 4.2, П 4.3, П 4.7, П 4.8, П 4.9.) и другие специальные подвески, присоединяемые к талевому блоку, предназначены:

- для подвешивания вертлюга и бурильной колонны при бурении скважины;

- подвешивания с помощью штропов и элеватора колонн бурильных и обсадных труб при спуско-подъемных операциях;

- подвешивания и перемещения на площадке буровой установки тяжелого оборудования при монтажно-демонтажных работах и инструмента при бурении скважины.

В процессе бурения :

• крюк удерживает подвешенный на штропе вертикально перемещающийся вертлюг с вращающейся бурильной колонной;

• воспринимает крутящий момент, возникающий на опоре вертлюга, при вращении бурильной колонны ротором;

• обеспечивает автоматическое запирание центрального рога после ввода в него штропа вертлюга, когда ведущая труба находится в шурфе при переходе от СПО к бурению, или, наоборот, освобождает штроп вертлюга с ведущей трубой, устанавливаемых в шурф при переходе от бурения к подъему;

• надежно удерживает в зеве крюка штроп вертлюга при внезапных остановках в скважине спускаемой колонны.

При операциях спуска и подъема крюк обеспечивает:

• надежное удерживание штропов при спуске и подъеме бурильной или обсадной колонны;

• легкое поворачивание крюка и манипу­лирование им в процессе захватывания и освобождения свечей;

• разгрузку резьб замковых соединений от веса свечи при ее отвинчивании от бурильной колонны;

• автоматический приподъем отвинченной от колонны свечи (при операциях ее подъема) на высоту, несколько большую длины замковой резьбы;

• автоматическую установку элеватора в заданной позиции для за­хвата очередной свечи из-за пальца вышки или при подъеме для освобождения свечи.

Наиболее сложные функции крюк выполняет при работе с бурильными колоннами, и это определяет его конструкцию. Буровой крюк должен быть выполнен из трех рогов: двух боковых и одного центрального. В корпусе крюка размещены его механизмы. Центральный рог крюка служит для захвата штропа вертлюга, два боковых — для захвата штропов элеватора, что позволяет быстро снимать и надевать на крюк вертлюг при переходе от бурения к СПО. При этом штропы элеватора остаются висеть на крюке, и это облегчает работу обслуживающего персонала. В корпусе крюка размещают упорный подшипник, ствол, пружину, амортизатор и другие устройства.

Подшипник служит для обеспечения легкости поворота крюка при захвате свечей или их свинчивании во время СПО. Пружина необходима для автоматического извлечения ниппеля из муфты замка свечи при ее отвинчивании. Ход крюка S должен быть несколько больше длины резьбы замка (от 127 до 254 мм), а усилие пружины больше веса свечи (в разжатом состоянии от 13 до 30 кН, а в сжатом от 25 до 50 кН).

Гидравлический амортизатор необходим для того, чтобы исключить подскок свечи и порчу ее резьбы после развинчивания. Крюк также следует снабжать позиционером, устанавливающим ненагруженный или нагруженный весом одной свечи центральный рог в положение, удобное для работы верхнего рабочего при захвате или освобождении элеватора от очередной свечи при СПО.

Буровые крюки классифицируют по величине максимально допустимой нагрузки и конструктивному исполнению: трех- и двурогие. Допустимую нагрузку следует выбирать по ГОСТ 16 293—82 из принятого ряда 0,8; 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5; 6,3 и 8,0 МН. В США принят ряд 0,90; 1,36; 2,26; 3,17; 4,53; 5,9; 8,0 МН. Двурогие крюки применяют в основном для спуска обсадных колонн; для бурильных колонн используют чаще трехрогие крюки, которые должны быть надежны, легки и удобны в эксплуатации.

Крюки используются при ручной расстановке свечей. При ра­боте с комплексом АСП крюки заменяются специальными под­весками. В современных буровых установках применяются трехрогие крюки, отличающиеся грузоподъемностью. Конструкции буровых крюков существенных различий не имеют.

Крюк (рис. П4.2) пластинчатый с хомутом. Средний рог состоит из пластин с отверстиями, в которые запрессована траверса, образующая боковые рога. Пластины соединены заклепками. Зев центрального рога снабжен скобой с подушкой и защелкой, автоматически закрывающейся при надевании на него штропа. Для открывания зева необходимо оттянуть защелку вручную. Пластинчатое тело центрального рога подвешено шарнирно на цилиндрическом пальце к проушине ствола.

Конструкция этого крюка не совсем совершенна. Защелка зева крюка очень маленькой длины, вследствие чего крюк сложно заводить в штроп вертлюга, расположенного на большой высоте. Для удержания такого длин­ного штропа в вертикальном положении в корпусе отлиты карманы, усложняющие и утяжеляющие конструкцию. Несмотря на большую нагрузку, на которую рассчитан крюк, он не имеет ни амортизатора пружины для исключения подскока, ни позиционера. В результате при эксплуатации может быть повреждена резьба бурильных замков, а операторам приходится вручную поворачивать тяжелый крюк и затрачивать больше сил и времени на каждую операцию. Ствол крюка передает нагрузку через упорный подшипник на корпус через резьбовую гайку. Резьба является очагом зарождения усталостных трещин в стволе крюка, что может привести к обрыву ствола и тяжелым авариям.

Крюк (рис. П 4.1) состоит из литого корпуса 10 и собственно крюка. В трехрогих крюках основной рог 1 используется для подвешивания вертлюга, а два боковых рога 13 — для штропов элеватора. Корпус соединяется с крюком при помощи ствола 11, установленного в полом стакане на пружинах, затянутых гайкой 6. Стакан опирается на упорный шариковый подшипник 8 и может поворачиваться относительно корпуса. Гайка ствола имеет продольные пазы под направляющие планки, приваренные к верхнему торцу стакана. Благодаря этому вместе со стаканом поворачивается ствол с крюком, что позволяет предохранить талевый канат от закручивания при поворачивании крюка.

В процессе бурения крюк относительно корпуса фиксируется стопором 3, вмонтированным в полухомуты стопорного устройства, неподвижно закрепленного в наружной кольцевой проточке нижней части стакана. От самоотвинчивания ствол предохраняется стопорной планкой (см. разрез), установленной в радиальных пазах ствола. Пружина 7 состоит из двух секций и работает на сжатие. Ход пружины и ее грузоподъемность при выбранном ходе обеспечивают необходимый при отвинчивании приподъем свечи на высоту замковой резьбы. При нагрузках, превышающих вес одной свечи, пружина сжимается до упора торцов гайки и стакана. В крюках КТБ-4-НОБр вместо ствола используются безрезьбовые подвески.

Собственно крюки изготовляются литыми из высокопрочных сальных отливок либо пластинчатыми - из легированной термически обработанной листовой стали. Пластинчатые крюки впервые были использованы в буровых установках Уралмашзавода. Пластины крюка соединяются заклепками с потайными голов­ками. В зеве крюка 1 устанавливается фасонный вкладыш из литой стали, обеспечивающий сохранность пластин и плавность прилегания контактирующих поверхностей штропа вертлюга и зева крюка.

Боковые рога 13 устанавливаются на оси, запрессованной в расточку пластин. Зев основного рога закрывается автоматически при заведении штропа вертлюга в результате поворота подпружиненной защелки 3. Боковые рога закрываются откидными скобами. Грузоподъемность боковых рогов крюка в большинстве случаев выше грузоподъемности основного рога. В крюкоблоках крюк соединяется со щеками талевого блока при помощи осей 9, установленных в карманах его корпуса и закрепленных стопорными плашками. Талевые блоки с серьгой соединяются с крюком при помощи штропа, установленного на осях в карманах корпуса крюка.

При конструировании крюков выбирают общую конструктив­ную схему в соответствии с максимальной нагрузкой. Для выбора схемы и конструкции отдельных элементов следует использовать элементы уже имеющихся конструкций, учитывая при этом их преимущества и недостатки. При разработке конструкции рассчитывают основные элементы крюка: рога, ствол, пружину, подвеску, подшипник, пальцы подвески штропов и др.

Конструктор должен учитывать требования технологии бурения, а также второстепенные требования, так как нельзя упрощать конструкцию крюка в ущерб технологическим качествам.

Конструктивное оформление буровых крюков бывает трех видов: для шарнирного соединения с талевым блоком; для жесткого соединения с талевым блоком, нижняя часть которого специально приспособлена для этого; крюки с универсальным корпусом, позволяющим соединять крюк с талевым блоком как жестко, так и шарнирно.

Крюки, жестко соединенные с талевым блоком, называют крюкоблоками. Они, составляя как бы одно целое, имеют значительно меньшую высоту, что позволяет применять их с вышками меньшей высоты. Этот тип крюков обладает такими же технологическими качествами, как и обычные крюки.

Практика эксплуатации крюков показала, что целесообразнее применять крюкоблоки. Однако до настоящего времени в эксплуатации находится значительное количество обычных талевых блоков, поэтому для нового проектирования наиболее целесообразна конструкция крюка с универсальным корпусом.

Однорогие крюки используют в передвижных буровых установках небольшой мощности, когда массы крюка и штропов небольшие и штропы легко снимать.

По способу изготовления крюки подразделяются на кованые, составные пластинчатые и литые из стали. В России буровые крюки из стального литья применяют для максимальных нагрузок 1,2 — 1,6 МН; для больших нагрузок используют составные пластинчатые крюки. При развитой технике дефектоскопии следует проектировать литые крюки, так как они значительно легче и удобнее кованых и пластинчатых.

При конструировании центрального рога надо стремиться к тому, чтобы зев был минимальных размеров. Это уменьшит напряжение изгиба и позволит выполнить тело крюка меньшего сечения. В то же время защелка центрального рога должна быть большой длины, для удобства завода штропа вертлюга в зев крюка при подъеме ведущей трубы из шурфа.

Примером удачного конструктивного решения крюка с универсальным корпусом может служить трехрогий стальной литой крюк (рис. П 4.2), рассчитанный на нагрузку 1,4 МН. Крюк может быть соединен с талевым блоком Б как жестко при помощи имеющихся в верхней части корпуса двух проушин А, так и шарнирно. В этом случае к проушинам кре­пится хомут В. Кроме того крюк может быть использован с любым талевым блоком.

Литой трехрогий крюк шарнирно укреплен к стволу при помощи оси и имеет защелку зева большой длины с легкоуправляемым автоматически закрывающимся запорным устройством. Защелка зева центрального рога может быть открыта только оператором. Боковые рога отлиты заодно с телом крюка, и зевы их закрываются серьгами на болтах. В нижней части корпуса имеется как бы скошенный выступ с углублением в середине, в который автоматически входит позиционер. При сжатии пружиной ненагруженного крюка корпус его устанавливается автоматически в заданное оператором положение центрального рога. Ствол крюка в верхней части имеет утолщение и при нагрузке опирается на фланец стакана упорного шарикоподшипника. В ненагруженном состоянии ствол опирается на пру­жину, усилие на которую передается диском гидравлического амортизатора, исключающего подскок крюка при развинчивании свечи.

Конструкция крюкоблока, в котором талевый блок и крюк жестко соединены между собой, образуя одну сборку, имеет минимальную высоту.

На рис. П 4.3 показана удачная конструкция корпуса крюка для жесткого и шарнирного соединения с талевым блоком. В этой конструкции просто решен гидравлический амор­тизатор, состоящий из поршня-стакана с отверстием в дне, неподвижно связанного с корпусом; цилиндр-втулка соединена со стволом крюка, и при его перемещении масло перетекает через отверстие в дне поршня из одной полости в другую, за счет чего происходит амортизация действия пружины.

В табл. П 4.1 и П 4.2 приведены основные характеристики крюков и крюкоблоков.

При конструировании элементов крюков и сопрягаемых с ними деталей следует применять стандартизованные присоединительные размеры по стандарту СЭВ-2452 — 80, приведенные в табл. П 4.3 и на рис. П 4.4.

Материалы элементов крюков. Требования к материалам деталей крюков, являющихся весьма ответственным элементом подъемного комплекса, очень высокие. Поломка крюка почти всегда связана с тяжелыми авариями на буровой.

Крюк и другие грузонесущие детали изготовляют из среднеуглеродистых слаболегированных сталей, не обладающих хрупкостью и менее склонных к развитию усталостных трещин.

Трехрогие крюки выполняют литыми или составными, так как штамповка трехрогого крюка весьма сложна. Литые крюки изготовляют из легированного стального литья со следующими механическими свойствами: предел текучести _т=550 МПа; временное сопротивление _в=700 МПа; ударная вязкость а_п=40Дж/см². Применяют сталь марки 30 ХМЛ и другие с аналогичными свойствами.

Штропы изготовляют из стали марок 30ХГСА (ГОСТ 4543— 71) или 35 (ГОСТ 1050—74), корпусы крюков из литых сталей марок 30Л, 35Л.

В пластинчатых крюках пластины центрального рога толщиной до

30 мм выполняют из легированной конструкционной крюковой стали со следующими механическими свойствами: предел текучести _т=700 МПа; временное сопротивление _в900 МПа; ударная вязкость a_н60 Дж/см², твердость НВ 203—321. Подушку обычно изготовляют из стального литья марки 35ХН (ГОСТ 4543—71). Боковые рога для подвешивания штропов элеваторов выполняют из стали марки 38Х2Н2МА или 40ХН (ГОСТ 4543—71).

При работе с двухсекционными талевыми блоками бурильная колонна при спуско-подъемных операциях подвешивается к автоматическому элеватору, который в комплексе АСП заменяет крюк. В процессе бурения скважин вертлюг присоединяется к автоматическому элеватору при помощи дополнительной подвески (рис. П 4.5).