4.7.4. Пример выбора и расчета на прочность двухступенчатой колонны штанг Задача 22

Выбрать материал для верхней секции колонны штанг по условиям задачи 15, исходя из рассчитанных нагрузок на головку балансира.

Решение

По условиям задачи 15 длина штанг 1870 м, из них dш2 = 22 мм, Lш2 = 560 м, dш1 = 19 мм, Lш1 = 1310 м.

Максимальная и минимальная нагрузки по теории Вирновского Рmax = 70930 Н; Pmin = 26927 Н.

Определим максимальное и минимальное напряжения по формулам (4.7) и (4.8):

;

.

Амплитудное напряжение

.

Приведенное напряжение

.

По табл. 4.4 выбираем материал верхней секции штанг. Это может быть сталь 20Н2М нормализованная с поверхностным упрочнением ТВЧ ( σпр =110 МПа) для некоррозионных условий или ст. 40 с такой же обработкой ( σпр = 120 МПа).

Запас по пределу текучести составит:

для стали 20Н2М ;

для стали 40 .

4.8. Расчет нкт по аварийной нагрузке при эксплуатации шгну

Аварийная нагрузка на НКТ возникает в случае обрыва шганг в процессе работы или спуска насоса в скважину [24]:

, (4.52)

где Рт - вес труб без учета погружения их в жидкость; Рш.ж - вес штанг с учетом погружения их в жидкость; Рж - вес столба жидкости в трубах; Рi ш - сила инерция от массы оборвавшейся колонны штанг.

Вес колонны НКТ определяется по формуле

, (4.53)

где Lт - длина колонны НКТ; qт - масса 1 п.м НКТ с учетом муфт; g - ускорение свободного падения.

Если предусматривается большое заглубление насоса под динамический уровень, то следует учесть облегчение в жидкости:

, (4.54)

где Lт2 - длина участка колонны НКТ ниже динамического уровня.

Вес штанг в жидкости

, (4.55)

где Lш - длина колонны штанг; qш - масса 1 п.м колонны шганг, ρшт - плотность материала штанг.

Вес столба жидкости в трубах

, (4.56)

где d - внутренний диаметр НКТ.

Сила инерции от массы оборвавшейся колонны штанг определяется по ускорению падения

, (4.57)

где fш - площадь поперечного сечения штанг; gп - ускорение падения штанг (gп = 3 ÷ 6 м/с²).

Для определения ускорения падения штанг в трубах рассмотрим две ситуации:

1) обрыв штанг в процессе работы насоса, который чаще всего и происходит. Максимальная длина хода плунжера наcoca у обычных СК- 3 м, у длинно-ходовых СК-6 м. Учитывая, что падение происходит в столбе жидкости, ускорение падения не превысит 3 ÷ 6 м/с²;

2) обрыв штанг в процессе спуска плунжера (насоса НГН или насоса НГВ редкий случай).

В этом случае ускорение падения может достигнуть 9,81 м/с², однако установившийся в НКТ статический уровень жидкости самортизирует усилие от падающих штанг, погасив ускорение. Кроме того, в этом случае на трубы не действует вес столба жидкости, что снижает общую нагрузку на НКТ. Таким образом, целесообразно принимать ускорение падения штанг в пределах 3 ÷ 6 м/с² в соответствии с длиной хода насоса.

Полученную аварийную нагрузку сопоставляют с расчетной (страгивающей или предельной нагрузкой):

, (4.58)

где n = 1,1 ÷ 1,15.