4. Выбор параметров вертлюга.

Параметры вертлюга должны отвечать требованиям бурения и промывки скважин и одновременно соответствовать аналогичным параметрам подъемного механизма и буровых насосов.

Допускаемая статическая нагрузка должна соответствовать параметрическому ряду, приведенному в табл. 6.1. Максимальные нагрузки, действующие на ствол вертлюга, определяются на основе тех же соотношений, что и при выборе других последовательно соединенных компонентов талевой системы.

Динамическая грузоподъемность основной опоры вертлюга, определяемая по нормам АНИ, представляет собой нагрузку на ствол, при которой ресурс подшипника основной опоры с вероятностью неразрушения 90 % составит 3000 часов при 100 об/мин. Величина динамической грузоподъемности основной опоры вертлюга (Q) определяется по формуле:

где С₀ - динамическая грузоподъемность подшипника основной опоры по ISO (соответствует 90 % вероятности неразрушения за 1x106 оборотов подшипника), кН;

0.8 - коэффициент эквивалентности, учитывающий изменение нагрузки с увеличением глубины забоя.

При выборе параметров вертлюга по критерию долговечности основной опоры следует использовать соотношение:

С_В>0,8 Q_бур

где Q_6yp - максимальный вес бурильной колонны.

Максимальное давление прокачиваемой жидкости определяется исходя из режима промывки скважины и должно быть не менее наибольшего давления буровых насосов, которые будут входить в комплект буровой установки.

Диаметр проходного отверстия ствола оказывает двоякое воздействие на работу вертлюга. С его увеличением снижается скорость течения промывочной жидкости, поэтому уменьшаются гидравлические потери и износ внутренней поверхности ствола. Одновременно с диаметром проходного отверстия возрастает наружный диаметр ствола и, соответственно, габариты и масса вертлюга. Увеличивается также скорость вращения роликов основной опоры и скольжения уплотнительных устройств. На основе опыта конструирования и эксплуатации вертлюгов диаметр проходного отверстия ствола принимается равным 75 мм. Внутренний диаметр напорной трубы равен диаметру проходного отверстия ствола вертлюга.

Частота вращения ствола вертлюга совпадает с частотой вращения стола ротора и изменяется в пределах 150...250 об/мин.

Высота штропа должна быть достаточной для соединения вертлюга с крюком талевой системы.

5. Расчет вертлюга

Конфигурация и размеры ствола проверяются расчетом. Внутренний диаметр ствола выбирается из условия, что наибольшая скорость потока промывочной жидкости не будет превышать 6-8 м/с во избежание повышенной эрозии стенок.

,

где Q_, V - расход промывочной жидкости и скорость ее движения.

Минимальный наружный диаметр ствола из условия прочности от действия внутреннего давления среды P_С по формуле Ляме:

Этот же диаметр, определяемый из условия прочности на растяжение,

,

где Q_max - максимальная статическая нагрузка на вертлюг.

Из вычисленных значений D₁ принимается большее при условии, чтобы размер оказался достаточным для нарезания замковой резьбы.

Предел выносливости на растяжение ствола определяется из условия работы вертлюга при пульсирующем цикле. Действительно, периоды нагружения вертлюга при бурении, чередуются с полной разгруз­кой его пря наращивании труб и смене долот. Тогда для сечения 1-1 коэффициент запаса прочности на выносливость:

Рис. 3 - Расчетная схема ствола

_,

где σ_в- предел прочности материала ствола.

Сечение по резьбе 2-2 также подвергается проверке на растя­жение по указанным формулам о заменой D2 на D_о - внутренний диаметр резьбы в плоскости торца.

Сечение 3-3 подвергается напряжениям изгиба и среза. Напря­жение изгиба:

Момент изгиба:

Момент сопротивления:

Мредел выносливости на изгиб при пульсирующем цикле нагрузок:

Коэффициент запаса прочности на изгиб:

Напряжение среза:

где площадь среза:

Предел выносливости на срез:

Коэффициент запаса прочности на срез:

Напорная.труба рассчитывается на растяжение от давления промывочной жидкости:

,

где d1, d2 - внутренний и наружный диаметры трубы.

Штроп.

Рис. 4 - Расчетная схема.

Рассчитывается как кривой брус, находящийся в свободном состоянии, то есть без учета того, что проушины штропа прикреплены пальцами к корпусу вертлюга. Поскольку фактически часть нагрузки воспринимается корпусом, запас прочности в наиболее опасном сечении 1-1 (рисунок 4) может приниматься заниженным.

Расчетное усилие на каждую ветвь штропа:

Для определения горизонтальной реакции (распора) H в проу­шинах применим принцип наименьшей работы. Потенциальная энергия деформация для любого сечения штропа, подверженного растяжению и изгибу,

,

где M - изгибающий момент;

N - нормальное усилие;

F - площадь сечения;

J - момент инерции сечения.

Поскольку перемещение ветви штропа в направлении Н отсутст­вует, частная производная равна нулю:

,

где ds - дифференциал длины, на которую действует сила Н.

Интегрирование производится отдельно для трех участков штропа:

1 - прямолинейного в зоне проушины длиной L₁;

2 - прямолинейного, наклоненного к вертикали под углом α, длиной L₂;

3 - криволинейного по дуге среднего радиуса ρ длиной L₃.

В результате определяются величины горизонтальной реакции Н, наибольшая из которых принимается для дальнейшего расчета. Напряжения определяются по участкам.

Участок 1 длиной L₁.

Изгибающий момент:

Нормальное усилие:

Момент сопротивления:

Напряжение:

Запас прочности по пределу текучести:

Участок 2 длиной L₂.

Изгибающий момент

Нормальное усилие

Момент сопротивления

Напряжение:

Запас прочности:

Участок 3 длиной L₃

Изгибающий момент:

Нормальное усилие:

Напряжение:

где L - расстояние наиболее удаленных волокон от нейтральной оси;

k - коэффициент, для определения которого реальное сечение заменяется равновеликим ему прямоугольным высотой и шириной b₃ = d₃,

В формуле знак "+"принимается для наружных, растянутых, знак "-" для внутренних, сжатых волокон.

Запас прочности:

Сечение 4-4 рассчитывается по формуле Ляме.

Растягивающее усилие на внутренней поверхности штропа

,

где q- интенсивность давления,

Ширина условного прямоугольника, равновеликого площади сечения высотой, равной высоте сечения h:

где β - центральный угол соприкосновения штропа с рогом бурового.

крюка; β ≈30°.

Запас прочности:

Аналогично можно определить запас прочности для наружных волокон по растягивающему напряжению:

Как правило, указанные напряжения меньше, чем запас прочности.

Сечение 5-5 в проушине, штропа рассчитывается на растяжение.

Площадь сечения:

Напряжение растяжения:

Запас прочности:

Сечение 6-6 рассчитывается по формуле Ляме.

Напряжение:

Интенсивность давления:

Запас прочности:

Для расчета сечений 5-5 и 6-6 необходимо знать диаметр отверстия do, который заранее определяется из условия прочности пальцев крепления штропа к корпусу. Каждый палец рассчитывается как балка на двух опорах.

Опоры вертлюга рассчитываются в соответствии с ГОСТ 18854-82 и ГОСТ 18855-82 на подшипники качения. Статическая нагрузка на основную опору прямопропорциональна, весу бурильной колонны. При расчета долговечности основной опоры рекомендуется, принимать коэффициент эквивалентности равным 2,32.

Корпус вертлюга ввиду сложной конфигурация не рассчитыва­ется, а проектируется на основе опыта эксплуатации подобных конструкций.