§ 2. Стальные канаты талевых систем

По форме поперечного сечения стальные канаты бывают круглыми и плоскими.

Круглые канаты по конструкции разделяют на три группы: канаты одинарной, двойной и тройной свивок.

Канат одинарной свивки в канате двойной свивки называется прядью, а канат двойной свивки в канате тройной свивки называется стренгой.

Канат, состоящий из одного слоя прядей, называется тросом, а канат, состоящий из двух или трех слоев прядей, называется много-

прядным или кабельным. Тросовые канаты бывают с числом прядей от трех до восьми.

В многошкивных тяжело­нагруженных талевых систе­мах буровых установок при­меняют только стальные канаты круглого сечения трововой конструкции с шестью прядями и одним сердечником (рис. VII-1).

Рис. VII-1. Талевый канат с шестью прядя­ми п одним стальным пруншыным сердечни­ком.

По направлению свивки прядей в канате и проволо­ке к прядях каната тросовой конструкции различают ка­наты крестовой свивки и ка­наты односторонней свив­ки. Свивка этих канатов может быть как правой, так и левой. Крестовой свивкой называется свивка канатов, при которой направление свивки прядей в канат противоположно направлению свивки проволок в верхнем слое прядей.

Проволоки наружных слоев прядей в таких канатах распола­гаются на поверхности каната параллельно его оси.

Односторонней называется свивка, при которой направление свивки прядей в канате совпадает по направлению со свивкой про­волок в прядях.

Канаты односторонней свивки вследствие совпадения направлений свивок более долговечны и гибки по сравнению с канатами крестовой свивки, однако первые канаты самораскручиваются, в результате

184

чего нарушается их строение. Эти канаты не пригодны для вертикаль­ного подъема без направляющих, не допускают резкого ослабления и свивания ветвей каната. Поэтому они не применяются в талевых системах буровых установок.

В прядях стальных канатов группа проволок располагается по спирали вокруг проволоки, называемой сердечником пряди, в один или несколько концентричных слоев.

Каждый слой пряди изготовляют или из разного числа проволок одного диаметра, навитых вокруг предыдущего слоя (рис. VII-2, а), или с одинаковым числом проволок, но различного диаметра в каж­дом слое (рис. VII-2, б).

Направление свивки проволок в каждом ряду многослойной пряди может быть различным. Пряди одинарной односторонней свивки изготовляют двух типов с одинаковым шагом и одинаковым углом свивки во всех слоях.

Рис. VII-2. Канат одинарной свив-ки (пряди).

а — однослойная прядь из проволок од­ного диаметра; б — двухслойная прядь из проволок разных диаметров.

В первом случае углы свивки по слоям разные, а проволоки перекрещиваются, в результате чего происходит их точечное каса­ние. Канаты с такой свивкой ус­ловно называются канатами ти­па ТК.

Во втором случае проволоки в слоях не перекрещиваются и про­исходит их линейное касание; канаты с такой свивкой относят к типу ЛК. Пряди с разносторонней свивкой не раскручиваются, при этом всегда происходит точечное касание проволок.

В зависимости от направления свивки проволок верхнего слоя различают пряди правой и левой свивки.

В канатах, трущихся и изгибающихся на барабане лебедки и шкивах, для уменьшения износа истиранием наружный слой пряди свивается из проволок большего диаметра, а для обеспечения гибко­сти и усталостной долговечности внутренние слои их изготовляются из проволок меньшего диаметра.

В буровых установках расход талевых канатов составляет не­сколько килограммов на 1 м проходки скважины, а долговечность их исчисляется иногда несколькими днями или неделями. Поэтому вопросы правильного выбора и расчета канатов для обеспечения необходимой их долговечности имеют большое значение.

На ос^о^ании длительного опыта эксплуатации канатов раз­личных конструкций в талевых системах буровых установок при­меняются круглые шестипрядные канаты, в которых: 1) число про­волок во внешнем и внутренних слоях одинаково, диаметр проволок различен, свивка прядей в канате крестовая, а сама прядь свита с линейным касанием проволок; 2) число проволок во внешнем и внутренних слоях различно, диаметр их одинаков, свивка

185

прядей в канате крестовая, а касание проволок в прядях линей­ное.

Преимуществами канатов второй конструкции являются увели­ченная плотность каната, повышенное сопротивление износу, боль­шая работоспособность. Такие канаты не раскручиваются. Кроме того, в этой конструкции достигается уменьшение величины кон­тактных напряжений, а также уменьшение потерь прочности от свивки. Уменьшение раскручивав мости достигается тем, что при свивке проволок в пряди, а прядей в канаты за счет применения переформированных проволок и прядей снижаются внутренние напряжения.

Раскручивавмость канатов также зависит от угла свивки. Углом свивки называется угол, под которым проволоки наклонены к оси пряди или пряди к оси каната. При углах свивки до 7° упругое напряжение проволок настолько велико, что прядь, освобожденная после навивки, сама развивается.

Опытами установлено, что работоспособность канатов возрастает, если при свивке деформация проволок превышает предел упругих деформаций. С другой стороны, установлено, что чем больше искри­вление проволок в канате, тем больше разность между суммарной прочностью проволок и прочностью каната в целом. Для прочности каната более выгодны наименьшие углы свивки, для долговечности — большие.

Практикой установлено, что оптимальными для талевых канатов являются углы 10—20°. Применение канатов с углом свивки менее 10° ограничено условиями выносливости, а более 20° — условиями прочности.

Канаты, у которых основным условней является прочность, выбирают с меньшими углами свивки (для прядей не более 10—12°).

Направление свивки прядей в канате по внешнему слою выби­рают таким, чтобы он дополнительно подкручивался, в результате чего увеличились бы плотность каната и срок его службы.

Для легких условий работы применяются канаты с одним органи­ческим сердечником, а для тяжелонагруженных талевых систем — с одним металлическим. В качестве органического сердечника при­меняют синтетические волокна или пеньку, а металлического сердеч­ника — стальной канат из семи прядей по семь проволок в каждой или стальную пружину. Канаты этого типа по сравнению с канатами с органическим сердечником, обеспечивая необходимую гибкость, имеют более высокую поперечную жесткость, предохраняющую их от раздавливания.

Свойства и прочность канатов

Плотность, гибкость и удлинение. Для оценки свойств каната служат следующие конструктивные показатели.

1. Коэффициент конструктивной плотности каната К_я, или коэф­фициент заполнения, т. е. отношение площади поперечного сечения

проволок составляющих каната i к площади поперечного сечения каната

где К_а — коэффициент заполнения для талевых канатов, равный

0,5-0,6; rf_E — номинальный диаметр каната.

2. Коэффициент гибкости K_f, т. с. отношение диаметра каната d_K к среднему диаметру проволоки 6

Коэффициент K_f характеризует способность каната к изгибу в пределах упругой деформации за счет внутреннего скольжения проволок. Для талевых канатов величина этого коэффициента соста­вляет 12—16.

3. Удлинение канатов. В стальном канате при нагрузке про­исходит взаимное перемещение проволок и прядей, вызывающее изменение первоначальной формы каната. При этом канат несколько удлиняется, а его сечение деформируется, превращаясь из круглого в овальное. Новые канаты удлиняются под нагрузкой вследствие усадки сердечника и перемещения проволок и прядей.

Такое удлинение, называемое конструкционным, является неупру­гим и равно 0,2—4% первоначальной длины каната, к концу работы каната оно может еще увеличиться.

'Упругое удлинение каната зависит от модуля его упругости и напряжения:

где Р — растягивающее усилие;

L — длина каната; Е_к — модуль упругости каната в целом.

Модуль упругости каната ниже, чем проволоки, а следовательно, и жесткость канатов также меньше, чем металлического стержня с поперечным сечением, равным суммарной площади проволок.

Модуль упругости каната является переменной величиной, зави­сящей от воспринимаемой им нагрузки и продолжительности работы до испытаний. По экспериментальным данным модуль упругости при растяжении нового шестипрядного каната при нагружении в пределах, когда с ре дне действующая нагрузка Р₉ = (0,3 — 1) Р_в, где Р_л — нагрузка каната при номинальной грузоподъемности; при коэффициенте запаса прочности п = 5 может составлять:

Е_к ^ (0,8 -г- 1,2) - 10⁵

' -а

187

Модуль упругости при поперечном сжатии зависит от типа сердеч­ника. Для канатов с органическим сердечником

Е„ = (2,5 -ь 3,5) • 10³ ~. (VII-9)

М

Для канатов с металлическим сердечником

Податливостью называется способность канатов упруго удли­няться в зависимости от нагрузки растяжения.

Жесткость при растяжении является величиной обратной подат­ливости

'

где L — длина каната.

Условной прочностью каната R₀ называется суммарное раз­рывное усилие всех проволок. При расчетах, если суммарное разрыв­ное усилие Л_с неизвестно, его определяют но номинальному пределу прочности о"₆ проволок:

где 0_е— предел прочности при растяжеиии проволоки.

Действительной прочностью Л_д называется усилие, при котором наступает разрушение каната. Прочность каната в целом всегда ниже, чем суммарная прочность составляющих его проволок.

Если действительная прочность неизвестна, ее можно определить по приближенной формуле ,

Л_д = /г_с cos" a cos"' p, (VII-13)

где п — число слоев проволоки в прядях;

hj— число слоев прядей в канате; а и р— углы наклона проволоки в пряди и пряди в канате.

Потерю прочности обычно выражают в процентах от условной прочности, и для новых талевых канатов она составляет 11 — 15%.

В талевых системах буровых установок при расчетах на прочность определяют фактический коэффициент запаса прочности каната

~

где Р_Бтлх — наибольшее напряжение ведущей ветви каната;⁴ Ь и Д —диаметры проволоки каната и барабана лебедки.

В талевых системах рекомендуют применять значения коэффи­циента запаса прочности п = 5. При отношении-^- не менее 40

"к

допускают уменьшение коэффициента до 3. При спуске обсадных колонн и новом канате допускается уменьшение коэффициента до 2.

Долговечность канатов. Под действием цикли­ческих нагрузок и перегибов на угол 180° на шкивах и барабане лебедки канаты изнашиваются и разрушаются.

Правилами Госгортехнадзора СССР установлено, что канаты считаются не пригодными для дальнейшей эксплуатации при наличии 10% оборванных проволок от общего количества в сечении на длине одного шага свивки.

Испытания на разрыв канатов, не пригодных для дальнейшего использования в данной установке вследствие большого числа обор­ванных проволок, показывают, что их действительное разрывное сопротивление мало уменьшается (на 5—10%) по сравнению с проч­ностью новых канатов. Это является следствием того, что под дей­ствием нагрузки канат рвется не сразу, а постепенно: вначале разру­шаются более напряженные проволоки и пряди, а обрыв уже изно­шенных канатов происходит внезапно.

Взаимодействие между проволоками и прядями в изношенном канате изменяется так, что прочность его становится близкой проч­ности оставшихся целых проволок в сечении. Причиной разрушения канатов является усталость металла, возникающая вследствие пере­менных напряжений и износа проволок наружного слоя.

Установлено, что долговечность каната тем меньше, чем больше напряжения растяжения и изгиба и чем выше амплитуда колебаний напряжений.

Установлено также, что канаты односторонней свивки имеют большую работоспособность, чем канаты с крестовой свивкой прядей, независимо от того, какую конструкцию свивки имеют проволоки в самой пряди.

При перегибах канатов на шкиве в проволоках кроме напряже­ний растяжения о_ от нагрузки возникают дополнительные напря­жения изгпба ст_и. Суммарное напряжение растяжения

*_eyx^_p + <V (^VIM5>

Напряжение растяжения

о, = ^. (VIH6)

где Р — усилие, действующее в ветви каната;

2 /i — площадь поперечного сечения проволок каната. Напряжение изгиба

с_и = Е_кв. (VII-17)

Здесь Е_к — модуль упругости каната из (VII-8);

е — относительное удлинение проволоки пряди при пере­гибе на шкиве

е = А (VH-18)

^иь

Из этих формул видно, что дополнительные напряжения изгиба в проволоках каната зависят от ее диаметра и диаметра шкива или

189

барабана. С увеличением диаметра шкива не только уменьшаются эти напряжения, но и уменьшается скольжение проволок и прядей относительно друг друга, а следовательно, и увеличивается не только усталостная долговечность, но и долговечность по износу.

При разрыве каната, движущегося на шкивах, фактическое раз­рушающее усилие значительно ниже разрушающей нагрузки каната в целом при статическом нагружении. Это является следствием того, что возникающие радиальные сжимающие усилия и трение между проволоками и прядями при статическом нагружении приближают канат к монолитному телу и делают его более прочным.

При прохождении каната по шкивам под нагрузкой поперечное сечение каната деформируется, силы сцепления между отдельными

IV⁵

70

1 60

16 М 20 22 24 26 28 30 32 ЗЬ 36 38

Рис. VII-3. Зависимость напряжения разрыва от отношения —£- .

. d_K

проволоками уменьшаются, и каждая проволока и прядь работают отдельно, что значительно снижает прочность каната.

На рис. VII-3 показана зависимость напряжения разрыва от диаметра вращающихся шкивов. Эти данные указывают на то, что статический коэффициент запаса прочности п_а — величина условная, которая не характеризует истинного запаса прочности каната в про­цессе работы. Опытами установлено, что нагрузка, необходимая для разрушения прямолинейного каната (кривая 2), на 3—4% выше статической нагрузки (кривая 7), разрушающей канат, огибающий подвижный блок. На снижение прочности и долговечности движу­щегося каната значительно влияют диаметр навивки, плотность и направление навивки каната на барабан.

При навивке на барабан канат подвергается деформации трех видов — растяжению, изгнбу и кручению, что не учитывается рас­четной формулой.

Канат навивается на барабан по винтовой линии, смещаясь за каждый оборот барабана на величину своего диаметра; это смещение дополняет деформацию растяжения и изгиба деформацией кручения.

В зависимости от направления свивки каната, направления вращения барабана, порядка укладки каната на барабан (справа

190

налево или наоборот, на барабан или под барабан) деформация кру­чения может увеличиваться или уменьшаться.

При укладке каната слева направо под барабан направление свивки должно быть левое, при укладке справа налево — правое, что уменьшает напряжения.

Б буровых лебедках канат навивается в несколько слоев так, что направление укладки в различных рядах меняется. Направление свивки при четном числе слоев большой роли не играет.

Сильно влияют на износ канатов форма канавки шкива, вели­чина удельного давления между канатом и поверхностью канавки.

На рис. VII-4, а приведены основные данные канавок шки­вов, обеспечивающих наименьшее истирание талевых канатов. Высота канатов H~-i,lbd.

Радиус канавки

Рис. VII-4. Профиль канавок. а — шкивов; б — барабанов.

Я = 0,5^+ (0,02-*-0,07) <4

(VII-19)

На рис. VII-4, б приведен профиль канавок барабанов буровых лебедок. Шаг канавки

S = й_к + (2,5-^-3) [мм],

Л —радиус канавки, Л-—0,55; С — радиус канавки, С = 0,5Д + (1 ч- 0,5) [мм]. Удельное давление между канатом и канавкой

(VII-20)

(VII-21)

где /^ — номинальное натяжение каната.

Допустимое удельное давление между канатом и канавкой; а) шкивы из сред неуглеродисто и стали, канавки обработаны до чистоты у 3.

[/»)== 600-н 750 Л/м/л";

191

б) шкивы из марганцевой стали, поверхность канавки закалена и шлифована до чистоты у 7.

[р] = 1750 -4- 2800 Мн/м*.

Влияние смазки на выносливость каната. Хорошо смазанные канаты с сердечником, пропитанным маслом, выдерживают в 1,5 — 2 раза больше перегибов, чем не смазанные. Бу­ровые талевые канаты не требуют дополнительной смазки, так как вследствие непродолжительного срока их службы смазки, заклады­ваемой в канат при его изготовлении, достаточно.

Работа совершаемая канатом. Вследствие от­сутствия надежных методов расчета долговечность оценивается по производимой канатом работе. Этот метод не дает точного ответа о фактической работоспособности каната и зависимости ее от различ­ных факторов, однако может служить для сравнительной оценки долговечности каната при эксплуатации в сопоставимых условиях.

Если принять, что работа каната, выполненная при подъеме. равна работе при спуске, то работа спуска и подъема может быть определена по формуле

где q — вес \м труб с учетом замков и высаженной части;

2^~ суммарная длина бурильных труб, извлеченных из сква-

жины за время ее проводки; I — длина свечи; G— вес подвижной части талевой системы.

Приведенная методика расчета используется для относительной оценки правильности выбора каната, размеров шкивов, барабанов и других узлов талевой системы. Более точные и сложные формулы не вносят существенной разницы в результаты. Количество каната, необходимое для проводки одной скважины,

где я — нормативная величина работы талевого каната в тонно-километрах, устанавливается заводом-изготовителем. Для талевых канатов обычных конструкций составляет

6 — 20 тыс. т/км.