2. Расчет вертлюгов на прочность и долговечность

1). Ствол вертлюга

В случае прихватов буриль­ных колонн на ствол вертлюга могут действовать пиковые нагрузки, намного превос­ходящие вес колонны. Эти нагрузки следует рассматривать как статические.

Статическая нагрузка Р_ВС рассчитывается по формуле

, (7.1)

где Р_Т – разрушающая нагрузка бурильных труб, Н;

k_З – ко­эффициент запаса (>1,3).

Динамическую нагрузку Р_ВД, в процессе бурения при вращении колонны, можно определить по формуле

(7.2)

где ρ_р и ρ_т –плотности бурового раствора и материала труб;

q_i – вес 1 м труб с учетом выса­женной части и замков, Н;

ι – длина труб одинакового веса, м;

G_ki – вес прочих элементов бурильной ко­лонны, Н;

Р_д – вероятная расчетная нагрузка на долото, Н

Р_р – расчетное давление жидкости, Па;

f – площадь сече­ния отверстия ствола вертлюга, м².

Напряжения при статической нагрузке σ_э (в Па) в стенках ствола вертлюга определяют по формуле для расчета толсто­стенных сосудов, подверженных действию растягивающей на­грузки,

(7.3)

где σ_Э – растягивающее напряжение в минимальном сечении от действия расчетной нагрузки Р_Рi Па;

σ_t – напряжение на внутренней поверхности отверстия, Па;

ν – отношение предела текучести материала при растяжении к пределу текучести при сжатии;

σ_r = р_рi – напряжение от давления жидкости, Па.

Напряжение на внутренней поверхности отверстия

(7.4)

где k = r/R — отношение внутреннего радиуса r отверстия ствола вертлюга к его наружному радиусу R = D/2; (D – наименьший наружный диаметр ствола, м).

Эквивалентное напряжение σ_эi (в Па)

. (7.5)

Коэффициент запаса статической прочности по пределу те­кучести S = σ_т /σ_э должен быть > 1,65.

Коэффициент запаса прочности по выносливости

(7.6)

где σ_-1огр – ограниченный предел выносливости материала ствола при работе в агрессивной среде, Па (для поковок из легированной среднеуглеродистой стали σ_-1огр = 0,28·σ_в);

σ_а – средняя амплитуда цикла;

K_σд – коэф­фициент, учитывающий влияние всех факторов на предел вынос­ливости;

ψ_σ – коэффициент, характери­зующий влияние асимметрии цикла на предел выносливости;

σ_m – среднее напряжение цикла, Па

Коэффициент запаса прочности по выносливости n_a выбира­ется в пределах 1,3÷1,5.

Коэффициент долговечности ствола вертлюга

(7.7)

где L_р — расчетная наработка ствола;

L_К – суммарное число циклов нагрузки или суммарное число оборо­тов бурильной колонны за период бурения;

Z_С – число типовых скважин, ко­торое должно быть пробурено вертлюгом.

2). Цапфы корпуса

Воспринимают такую же наибольшую ста­тическую нагрузку, что и ствол. Цапфа рассчитывается на из­гиб и смятие как консольная или 2-х опорная балка, равно­мерно загруженная по длине. При этом принимается, что на каждую цапфу действует половина общей нагрузки.

3). Штроп вертлюга

Рассчитывается по наибольшей действую­щей статической нагрузке как брус с криволинейной осью. Верхнее сечение штропа и проушина рассчитываются как тол­стостенное кольцо по формуле Ляме.