§ 3. Узлы вышек

М а т е р и а л ы. Для изготовления буровых вышек и мачт при­меняется в основном мягкая малоуглеродистая сталь с содержанием углерода от 0,2—0,3% (Ст.З, Ст.5). Она хорошо сваривается, почти не закаливается.

Помимо малоуглеродистых сталей применяются также и низко­легированные марганцем и кремнием стали (марки 14Г2 и 15ГС).

329

Углеродистые стали наиболее распространены. Более дешевая кипящая сталь не применяется, поскольку у нее в значительно боль­шей степени, чем у спокойной, снижается ударная вязкость при по­ниженных температурах.

Низколегированные стали имеют следующие основные преимуще­ства по сравнению с углеродистой:

1. почти в полтора раза большее значение предела текучести;

2. более низкая температура перехода в хрупкое состояние;

3) повышенная стойкость против атмосферной коррозии. Недостатком низколегированных сталей по сравнению с углеро­ дистой является большая стоимость, примерно на 25%.

Для сварки ответственных деталей конструкций как при их из­готовлении, так и при ремонте применяются электроды из качествен­ной проволоки с толстой обмазкой, которые обеспечивают предел

Тип профиля

г

"'7

Q.W-0.18

Q.21'0.27

0.5 -1,5

0,55

Q.IB'0,22

Pnc. XV-6. Типы профилей, применяемых в вышках.

прочности не ниже предела прочности основного металла. Вспомога­тельные детали сваривают между собой электродами с меловой обмазкой.

Весьма перспективно использование в вышках алюминиевых сплавов. Небольшой вес сплавов наряду с повышенной их устойчи­востью против коррозии при прочности, равной прочности стали, является главным достоинством легких сплавов. Алюминиевые сплавы могут быть получены в виде труб, прутков и профилей весьма разнообразного очертания. Помимо методов получения профилей: горячекатаных, гпутых и холоднокатаных из листа или ленты, алюминиевые сплавы дают возможность получения так называемых прессованных профилей различных конфигураций, включая и зам­кнутые профили. Наиболее вероятно их использование в узлах ограждающих устройств, лестницах, переходных площадках, дета­лях решетки и т. п., т. е. там, где важно соблюдение условия проч­ности, а не устойчивости. Следует учитывать, что модуль продольной упругости алюминиевых сплавов примерно в три раза ниже, чем у стали.

Сортамент. В вышках и мачтах применяется стальной про­кат весьма разнообразных профилей, В основном он определяется сортовым (уголковым) и трубным прокатом. Выбор того или иного материала определяется технико-экономическими соображениями.

Профили, наиболее широко применяемые в конструкциях вышек, приведены на рис. XV-6.

Замкнутые трубчатые и коробчатые профили обладают большим радиусом инерции и поэтому могут воспринимать более высокую

330

сжимающую нагрузку, нежели открытые угловые или швеллерные профили. Отношение квадрата радиуса инерции сечения г к его пло­щади /, характеризующее способность воспринимать сжимающую нагрузку, колеблется для ходовых профилей в пределах от 0,18 до 1,5.

Из рис. XV-6 видно, что трубы по сравнению с несимметричными профилями обладают в несколько раз большей способностью выдер­живать сжимающую нагрузку. Это обстоятельство позволяет выпол­нять пояса ног значительно большей длины, сокращая до предела расход металла, что особенно важно для стержней, сечения которых определяются условиями предельной гибкости.

Преимуществом труб является также возможность применения меньшей толщины стенок. Так, если полки уголков имеют обычно, толщину не менее 1/10—1/20 ширины полки, то для труб это отно­шение уменьшается до 1/20—1/50 диаметра. Как показывают иссле­дования, даже при толщине стенки, равной 1/100 диаметра, устой­чивость ее выше, чем устойчивость всей трубы, и не снижает допу­скаемой нагрузки на стержень.

Следует учитывать, что небольшая толщина стенки (менее 4 мм) может способствовать смятию детали во время монтажа или транс­портирования.

Трубчатые профили при одной и той же площади сечения имеют меньшую внешнюю поверхность, подверженную действию коррозии, что сокращает расходы по окраске. Помимо этого, в результате уменьшения боковой поверхности и лучшей обтекаемости снижается ветровая нагрузка. Отсутствие внутренних углов, выемок, где могут скапливаться влага и грязь, также является преимуществом трубчатых профилей.

Изготовление конструкций из сортового проката менее трудо­емко, поскольку отпадает необходимость выполнять сложные фасон­ные вырезы, присущие трубчатым конструкциям. Поэтому сварные конструкции (например, секции ног мачтовых вышек) предпочти­тельнее выполнять из уголкового профиля.

Соединения узлов вышек

Вышки конструируются таким образом, чтобы напряжения от места приложения нагрузок распространялись к опорам по крат­чайшему пути и передавались минимально возможному количеству стержней. Важно также при этом обеспечить плавность распределе­ния напряжения, так как концентрация его способствует прежде­временному появлению трещин и разрушению конструкций. Кон­центрация напряжений в сварных конструкциях возникает прежде всего при резком изменении толщины. Так, в тавровом соединении (рис. XV-7) при односторонней приварке без отработки кромки резко сужается сечение. Скосом кромки устраняется этот недостаток.

В конструкциях стараются не применять такого наложения швов, при котором между соединяемыми деталями остаются зазоры,

331

так как это вызывает высокую концентрацию напряжений. Также фланговые швы по возможности заменяют лобовыми.

Стыковое соединение стержней выполняют только лобовыми швами, которые при недостаточной длине располагают под углом

Рис. XV-7. Пример выполнения сварных тавро­вых соединений.

а — неправильное; б — правильное.

к оси стыкуемых деталей. Аналогично осуществляется соединение встык для труб.

На рис. XV-8 показаны различные случаи стыкования труб. Стык на прокладке (рис. XV-8, а) применяют в тех случаях, если

стержень испытывает только сжимающее усилие. При растяжении допускаемая нагрузка на стык не превышает 65% допускаемой нагрузки на стыкуемый стер­жень. Более прочными являются стыко­вые соединения на втулке (рис. XV-8, б). Для них допустимая сжимающая нагруз­ка равна 100%, а растягивающая — 90%. При малой толщине кромки труб, соеди­няемых на втулке, она не разделывается, а для наложения шва оставляется зазор, равный толщине стенки.

Рис. XV-8. Стыкование труб.

а — одного диаметра на про­кладке; б — одного диаметра на втулке; в — одного диаметра на муфте; г — разного диаметра на втулке.

В сварных фермах из профильного про­ката стержни центрируются по осям с ок­руглением до 5 мм. В легких сварных фер­мах из одиночных уголков узлы часто выполняются без фасонок, а части решетки непосредственно привариваются к полке поясного уголка. Решетки наиболее це­лесообразно прикреплять к внутренней грани полки пояса. Если для прикре­пления стержней решетки непосред­ственно к полке пояса не хватает места, то к полке пояса приваривается планка, создающая в узле необ­ходимое уширение для наложения швов требуемой протяженности.

332

Площадь швов, прикрепляющих одиночный уголок, определяется по формуле

^ = 0,7^2^-4"' (^XV-^1G>

где т — коэффициент условий работы, равный 0,75.

Конструкции узлов

Стыковые соединения. Монтажные и эксплуатацион­ные качества вышки в значительной мере определяются конструк­цией стыковых узлов, которые не только воспринимают силовые воз­действия, но и должны быть удобными для сборки и разработки конструкции.

Рис. XV-9. Стыковые узлы башенных вышек.

а — стыковой узел на полухомутах; б — стыковой узел на фланцах.

На рис. XV-9 приведены стыковые узлы башенных вышек. Не­достатками этих конструкций являются большое число болтов и трудность обеспечения соосности стыкуемых деталей и проверки узла во время их эксплуатации. Вследствие появления эксцентриси­тетов в соединениях из-за выработки отверстий и болтов в узлах возникают дополнительные моменты. Помимо этого, торцы труб или уголков, не плотно прилегающие по всей опорной поверхности, испытывают значительные местные напряжения смятия.

333

В конструкциях (рис. XV-9, б) применено фланцевое соединение ног, в котором для предотвращения взаимного смещения последних предусмотрены фиксирующие детали, выполненные в виде стаканов или сухарей. Такая конструкция обеспечивает достаточную жесткость узла и легкость сборки. Нагрузка от вертикальных сил восприни­мается фланцами, а растягивающие усилия — болтами. Горизонталь­ные пояса и диагональные тяги крепятся к косынке двумя болтами

или устанавливаются на один палец.

Опорные узлы. Конструкции опорных за­креплений приведены на рис. XV-10. Опорные за­крепления подразделяются на два типа: бесшарнир­ные (у башенных вышек — рис. XV-10, а и шарнир­ные у мачтовых вышек — рис. XV-10, б).

При бесшарнирном за­ креплении давление на фундамент передается

опорной плитой, приварен­ной к фрезерованному тор-¹ Плита обычно

квадратноп

V

N

цу ноги принимается со стороной

(XV.17)

Рис. XV-10. Опорные закрепления.

а — бесшарнирное; б — шарнирное.

где N — сжимающая рас­четная нагрузка; ЯФ-расчетное сопротивление сжатию материала фундамента.

Если ноги вышки опираются на бетонный фундамент, расчетное сопротивление сжатию бетонного фундамента

л/

I/

где Я_бет —расчетное сопротивление бетона осевому [сжатию; ^ф— площадь фундамента под ногой вышки; -Р_пл —площадь опорной плиты ноги. Приближенно требуемая толщина плиты *

(XV. 18)

334

(XV.19)

Стрелецкий Н. С. Металлические конструкции. Госстрой, 1963.

где Л/ —момент в плите, равный M==G^Fc\

F — площадь трапеции, заштрихованной на рис. XV-11; с — расстояние от центра тяжести трапеции до кромки ко­лонны; Н_ал — расчетное сопротивление материала плиты;

b — сторона или диаметр сечения ноги; С* — напряжения сжатия в фундаменте

N

* =

Рис. XV-И. Схема к расчету бесшарнирного за­крепления.

При шарнирном закреплении давление на фундамент восприни­мается через цапфу соединения. Нижняя часть ноги, работающая как балансир, воспринимает изгибающий момент

Na

(XV-20)

где N — полное давление на ногу; а—длина цапфы.

Напряжения сжатия в плотно вложенной цапфе балансира рас­пределяются неравномерно, изменяясь от наибольшего по верти­кальной оси до нуля у границы гнезда.

Расчетное сопротивление стали местному смятию при плотном касании принимается сравнительно небольшим (Л_ои =110 Мн/м² для литой стали марки 15Л и R = 160 Мн/м^г для стали марки 35Л) ввиду невозможности обеспечить фактическое соприкосновение цапфы по всей поверхности гнезда балансира.

Балконы. Балконы предназначены для размещения свечей бурильной колонны. Каждый балкон имеет переходные площадки, рабочие места для верхнего рабочего, пальцы для установки свечей и ограждения. Размеры площадок, ограждений и проходов, а также расстояния от выступающих частей до подвижных деталей талевой системы определяются правилами Госгортехнадзора для обеспече­ния безопасности работы.

На рис. XV-12 приведены конструкции балконов вышек. В ба­шенных вышках (рис. XV-12, а) применяются односторонние мага­зины для труб, размещаемых, как правило, с левой стороны при

335

взгляде с приемного моста. У мачтовых вышек магазины размещаются с обеих сторон ротора. Отличие это обусловлено конструктив­ными особенностями вытек.

Пальцы магазинов 1 с целью предотвращения поломок при ударах талевого блока выполняются откидными целиком либо с откидной

головкой. Последние более пред­почтительны. Люлька 2 для верх­него рабочего независимо от кон­струкции вышки размещается на безопасном расстоянии от оси скважины. Однако слишком да­леко ее не относят, так как при этом ухудшаются условия труда верхнего рабочего при операции с трубами. На всю высоту люлька обшивается либо деревом, либо металлическим листом. Башенные вышки могут снабжаться подвиж­ной люлькой (лифтом верхнего рабочего), используемой при работе со свечами различной длины.

Рис. XV-12. Конструкция балконов. а — башенных вышек; б — мачтовых вышек.

Магазины вышек комплектуются ограничительными трубами 3 (рис. XV-12, б). По мере заполнения емкости магазина ограничитель­ная труба переставляется в следующее гнездо.

336

С целью облегчения труда верхнего рабочего на мачтовых выш­ках используется передвижной подсвечник (рис. XV-13). Особенность его работы заключается в том, что весь пакет свечей, установленный

Рис. XV-13. Передвижной подсвечник.

1 — подсвечник; 2 — толкатель; 3 — балкон.

на подвижной платформе, перемещается к люльке. Электродвига­тели подвижной платформы и толкателя управляются верхним ра­бочим. Использование передвижного подсвечника значительно облег­чает труд во время спуско-подъемных операций, так как при этом сокращаются усилия, необходимые для установки свечей на палец и перемещения их к люльке. По внутреннему периметру балконы

12. Заказ 1015.

337

ограждаются металлическими перилами высотой 1250 мм, а по внешнему контуру каркасом укрытия. Последний обшивается бре­зентом, деревом или металлическими щитами.

Настилы балкона выполняются из металлического листа толщи­ной не более 5 мм с рифленой или иной шероховатой поверхностью. Маршевые лестницы, переходные пло­щадки. Конструкция лестниц и переходных площадок, их геоме­трические размеры, детали крепления и размещения относительно граней вышки выполняются в соответствии с правилами Госгортех-надзора.

В башенных вышках лестницы размещают в плоскости одной грани или обходят башню по наружному контуру. В мачтовых вышках

применяют винтовые лестницы, которые обычно устанавливаются до уровня балконов. Подъем от балкона до кронблочной площадки осуществляется по лестнице тон­нельного типа, смонтированной внутри секции.

Pnc. XV-14. Подкронблочная рама.

7—s

rrr

I ' ! ! I I

Наголовник — совокуп­ность узлов и деталей, обрамля­ющих верхнюю часть вышки. Основными его частями являются подкронблочная рама (рис. XV-14), козла и кронблочная площадка с настилом и ограждениями. Под­кронблочная рама обычно кон­струируется в виде плоской свар­ной фермы, которая болтами, хомутами или пальцами крепится

к опорным узлам ног вышки. Помимо деталей крепления к ногам вышки, подкронблочная рама снабжается присоединительными частями для установки кронблока, козел, площадок и верхнего марша лестницы. Кроме того, подкронблочная рама имеет проемы, необходимые для прохода ветвей талевого каната и секций кронблока в случае их замены.

Расчет подкронблочной рамы ведется в следующей последова­тельности.

1. Определяются усилия в ветвях талевой системы и в закреплен­ ной ветви (см. главу VI).

2. Определяются опорные реакции П_г и R₂ от воздействия усилий в ветвях талевого каната, а силы тяжести талевой системы G_ic, крон- блока G_Kfj и подкронблочной рамы G_p (нагрузки G_rc, G_KS и G^ берутся с коэффициентом перегрузки п = 1,1.

Опорная реакция

^ Р-х. Пг=^т^~, (XV-21)

где P_t—внешние нагрузки;

x_i— расстояния до опоры приложения нагрузок, определя­емые размещением шкивов кронблока (нагрузки от соб­ственных весов прикладываются в середине пролета рамы); / — длина пролета подкронблочноЙ рамы. Опорная реакция

Л_й = 2^—*i (XV-22)

3. Определяется прочность балки в главной плоскости при из­гибе и срезе.