§ 4. Расчет буровых вышек

Предельные состояния конструкции и предпосылки расчета

Задача расчета сводится к тому, чтобы предотвратить разрушение вышки или чрезмерных ее прогибов. Состояние, при котором кон­струкция перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуата­ционным требованиям, называется предельным.

Для буровых вышек различают два таких состояния:

а) первое предельное состояние — по несущей способности (проч­ ности и устойчивости), при достижении которого конструкция теряет способность сопротивляться внешним воздействиям или получает недопустимые остаточные изменения своей формы;

б) второе предельное состояние — по развитию чрезмерных де­ формаций от статических или динамических нагрузок, при достиже­ нии которого в конструкции, сохраняющей прочность и устойчивость, появляются недопустимые деформации или колебания.

Основное требование норм расчета состоит в том, чтобы величина усилий (напряжений) и деформаций (перемещений) от внешних воздействий не превосходили предельных (допустимых) значений.

Для первого предельного состояния предельное условие имеет вид

N*£P^ (XV-23)

где ./V—расчетное усилие в рассматриваемом стержне конструкции

(функция нагрузок, действующих на сооружение); л!р ~~ предельное усилие, воспринимаемое материалом рассма­триваемого стержня и определяющее его несущую способ­ность.

Величина N неравенства (XV-23), представляющая собой наи­большее возможное за время эксплуатации сооружения усилие, называется расчетной нагрузкой и выражается в виде

ЛГ = 2*?*„ (XV-24)

где /^ — нормативная нагрузка, отвечающая условиям нормаль­ной эксплуатация вышки;

22* 329

к. — коэффициент перегрузки /*?, т. е. отношение наибольшей возможной за время эксплуатации конструкции нагрузки (расчетной) к нормативной нагрузке, принимаемый в пре­делах 1,05—1,30.

В соответствии с неравенством (XV-23)

tf = SP;n^JV (xv-25)

Функция Р_1|р, определяющая несущую способность элемента, зависит от его размеров, сопротивления материала и условий работы элемента

Ф =- mRF, (XV-26)

где т — коэффициент условий работы, принимаемый равным

0,9-0,95; F — геометрическая характеристика элемента (площадь, момент

сопротивления и т. д.): И — расчетное сопротивление элемента;

R=kR* (XV-27)

k — коэффициент однородности материала, равный 0,8—0,9;

R^s — нормативное сопротивление (предел текучести материала).

Таким образом, условие первого предельного состояния для рассматриваемого стержня или части выгаки выражается следующим образом: по прочности

^ РЫ ^ mkR»F, (XV-28)

по устойчивости

2 P*n_t ^ mykR*F. (XV-29)

Здесь (р — коэффициент понижения напряжения при продоль­ном изгибе.

Условие второго предельного состояния имеет вид

°=£б_пр, (XV-30)

где 6 — деформация или перемещение конструкции в результате внешних воздействий на нее {функция нагрузок, материала и системы сооружений);

6„_р — предельная деформация или перемещение, ограничивающие условия нормальной эксплуатации (функция назначения сооружения).

Условия второго предельного состояния соответствуют условиям нормальной эксплуатации, и поэтому величину перемещения б определяют в функции нормативных нагрузок (без учета коэффициен­тов перегрузки).

340

Поскольку при нормальной эксплуатации детали вышки работают в пределах упругости, неравенство (XV-29) перепишется так:

2^'б^б_пр, (xv-3i)

где Р*—значение нормативной нагрузки;

б_; — деформация или перемещение конструкции от действия

нагрузки;

б_ир — предельная величина деформации, определяющая возмож­ность нормальной эксплуатации.

Нагрузки и их сочетания

Действующие на вышку нагрузки подразделяются па постоянные и временные (временные длительные, кратковременные и особые).

К постоянным нагрузкам относятся масса вышки и масса обору­дования, смонтированного на ней. Эти нагрузки не изменяются в те­чение всего периода эксплуатации буровой установки.

К временным длительным относятся: эксплуатационная нагрузка на крюке, вертикальные и горизонтальные составляющие усилий в ходовой и: неподвижной ветвях талевой системы, крутящий момент на наголовнике, горизонтальная составляющая от веса свечей, уста­новленных за пальцем. Нагрузки этого рода возникают в период работы буровой установки и зависят от условий бурения.

К кратковременным относятся ветровая и снеговая нагрузки; они являются случайными величинами, функции распределения ко­торых определяются местными особенностями.

К особым относятся нагрузки, возникающие при испытаниях кон­струкции.

При расчете вышки учитываются нагрузки, появляющиеся во время реальдых условий эксплуатации. В этих условиях должны быть обеспечены устойчивость и прочность всех деталей конструкции.

На рис. XV-15 приводятся схемы нагрузок, действующих на вышку при различных режимах эксплуатации (сочетаниях). За рас­четные принимают два вида сочетаний нагрузок.

1. Максимальная нагрузка на крюке и горизонтальная составля­ ющая от массы пакета бурильных свечей, установленных за палец в сочетании с эксплуатационной ветровой нагрузкой (имеется в виду случай спуска обсадной колонны). При этом вышка и ее узлы рассчи­ тываются на прочность и устойчивость.

2. Воздействие ветра высокой интенсивности на вышку и пакет бурильных свечей, установленных за палец. Нагрузка на крюке при этом отсутствует. В этом случае вышка рассчитывается на устой­ чивость от опрокидывания, а элементы решетки (пояса и диагональ­ ные тяги) на прочность и устойчивость.

Общая схема расчета буровой вышки после выбора типа выгля­дит следующим образом.

1. Уточняются основные параметры сооружения (максимально допустимая грузоподъемность, емкость магазинов, длина свечи,

341

высота, отметки балконов, массы вышки, талевой системы и т. д.).

2. Определяются расчетные нагрузки, действующие на вышку в основных расчетных сочетаниях.

к

cl, Р

И

и &

Ф Я

s

И .-^к а

J_J

и а йэ¹

и Ы Л5 i йй *%

a

*Н л

Ш

« f, И

>» Р.

e-i

^ss§

^д S ⁼ я а"

£ м I I

В СМ

Ветровая нагрузка. Нормативная ветровая нагрузка д_в, принимаемая нормальной к поверхности сооружения или отдельной

его части

(XV-32)

342

где g₀—нормативный скоростной напор, принимаемый по таблицам

XV-3 и XV-4;

С—аэродинамический коэффициент, выбираемый по строи­тельным нормам и правилам;

S — площадь проекции рассчитываемого сооружения или его узла на поверхность, перпендикулярную к направлению ветра;

р — коэффициент увеличения расчетного скоростного напора учитываемый для расчета сооружений с периодом соб­ственных колебании более 0,25 сек

p = l-Km. (XV-33)

Здесь £— коэффициент динамичности, зависящий от периода собственных колебаний сооружения и логарифмиче­ского декремента затухания колебаний сооружений, принимаемый для вышек 1,8—2,3;

т — коэффициент пульсации скоростного напора, опреде­ляемый по табл. XV-5.

Т а б ;i ii ц a XV-3

Нормативные скоростные напоры ветра д₀ для высоты над поверхностью земли до 10 „м

Районы СССР	г	II	III	IV	V	VI	VII
Нормативный скоростной на-	270	350	450	550	700	850	1000

Поправочные коэффициенты на возрастание скоростных напоров ветра для высот более 10 м (за исключением горных местностей) приведены в табл. XV-4.

Т а б л п ц a XV-4

Высота над поверхностью земли, -и ...	До 10	20	40	100	350 и выше
	1,0	1,35	1,8	'» ')	3,0

Примечание. Для промежуточных высот величина поправочных коэффициентов определяется линейной Интерпол я диен.

Т а б л п ц a XV-r₍ Коэффициенты пульсации скоростного напора ветра

Высота, м	ДО 20	40	GO	80	100-120
	0,35	0,32	0,28	0,25	0.21
	0,25	0,22	0.20	0,18	0.15

343

При определении площади S необходимо учитывать коэффициент заполнения (р. Для обшитых поверхностей ср = 1, для стержневых ферм он принимается равным в пределах 0,15—0,20. В целях упрощения расчета полученные усилия от ветровой нагрузки в от­дельных точках суммируются и равнодействующая их приклады­вается и одной точке.

Н о р м а т и в и у ю нагрузку от горизонтальной соста­вляющей У-*св от массы свечей, установленных за палец, опреде­ляют пз уравнения

/V^tga, (XV-34)

где G— масса установленных свечей;

a — угол наклона свече it к вертикали, принимаемый рав­ным 2 — 4°.

Нагрузка на наголовник в ы ш к и Q* определяется следующим образом:

О_гп(т-г2)

<?>'=- ^-.'-^, (XV-35)

где (^ — нагрузка на крюке;

?/г — число рабочих струн полиспаста.

Расчетная нагрузка от продольных (вертикальных) сил опреде­ляется следующим образом.

На опорную плиту ноги четырехгранной башенной вышки

<?кт> (т-¹- 2) И,

(XV-36)

\ /

где G^ 6'_T, G₀ — массы вышки, талевой системы и оборудования

размещенного на вышке; «!, п.₂ — коэффициенты перегрузки нормативных нагрузок;

a — угол наклона ноги к горизонтали; 3,6 — коэффициент, учитывающий распределение нагруз­ки между ногами вмгаки.]

На опорный шарнир ноги мачтовой вышки (А-образного типа)

.37)

Расчетные нагрузки в узлах вышки от поперечных (горизонтальных) сил определяются по методам строительной меха­ники аналитически либо графически путем построения диаграммы усилий.

Площадь сечения стержня ноги проверяется, исходя из условия пертюго предельного состояния.

Для башенной вышки

0' - Q1 ^ Р_Я9 = mqRkF. (X V.38)

344

Здесь Q* — расчетная нагрузка в стержне от вертикальных сил; Q[ — расчетная нагрузка в стержне от горизонтальных сил; Р —несущая способность стержня.

Из формулы (XI.38) определяется необходимая площадь сечения F стержня

~ ' "" (XV.39)

Затем полученная площадь сравнивается с вы-бранной.

Для мачтовой А-образной вышки

(XV.

01 + <?[

где F — суммарная площадь сечения всех стержней, образующих одну ногу.

Необходимая площадь сечения одного стержня

F =

(XV.41)

'суй _ <?!+е;

где п — число стержней в поперечном сечении ноги.

Определяя второе нредельное состояние для вышек, необходимо учитывать, что суммарное от­клонение наголовника Д_сум (рис. XV-16) от верти­кали не должно превышать предел, допустимый при эксплуатации. Этим пределом считается рас­стояние от замка трубы до стола ротора при спуске или подъеме бурильной колонны. Рассма­триваемое условие жесткости конструкции запи­сывается в виде:

Д^^ + Л^-^V^-, (XV.42)

Ротор

где Д₂ —отклонение наголовника вследствие не- Рис. XV-16. Схе-

точности монтажа вышки; ^{ма к} определению

Л отклонения наго-

— диаметр отверстия в столе ротора; ловника вышки.

D_y~диаметр замка бурильной колонны;

Дд. —отклонение наголовника вследствие воздействия попереч­ ных и продольных сил

(XV-43)

Здесь ЛГ₍.—усилие в элементах вышки от единичных сил;

N_fi —усилие в элементах вышки от заданных нагрузок;

/., л,—длина п площадь сечения элементов.

345

Усилия в стержнях определяются способами строительной меха­ники: либо графически построением диаграммы усилий, либо ана­литически методом вырезания узлов.

Для поверочных расчетов принимаются значения:

300

Л = JL Я; (XV-44)

>-5077^я;

(XV-45)

^_-_-L._I{_i (XV-46)

где Н— высота вышки.

В табл. XV-6 приведены допустимые отклонения наголовника вышек от вертикали.

Т а б л и ц a XV-6

Допустимые отклонения наголовника иышек от вертикали

	Условное	Высота е	ышки, ,и
Вид отклонения	обо л каче­ние	42	53
	Д,	80—90	100—110
	д..	40—50	«5— 75
		120 -140	1(55—185

Частные случаи расчета

Вышку при необходимости проверяют такте на действие нагрузок, возникающих при монтажно-транспортном положении.

Проверка на действие нагрузки при монтажном положении особенно важна для мачт, которые первоначально собираются на земле, а затем переводятся в рабочее (вертикальное) положение с по­мощью специальных подъемных механизмов. В этом случае на си­стему действуют перерезывающие силы, вызываемые силой тяжести вышки и смонтированного на ней оборудования (кронблока, средств механизации и др.). Поскольку подъем вышки происходит неравно­мерно, в системе возникают дополнительные динамические воздей­ствия. Они учитываются коэффициентом динамичности, равным 1,20.

Вышки обоих типов (башенных и мачтовых) следует проверять на транспортные воздействия, возникающие при перемещении вышки с одной точки бурения на другую. В этом случае особенное значение имеет расчет на устойчивость системы в условиях перемещения по наклонной плоскости (при расчетах угол принимают обычно в 10° к вертикали) с учетом действия ветровой нагрузки. Помимо проверки системы на общую устойчивость в случае транспортирования круп­ным блоком проверяют вероятность отрыва опорных плит вышки от опорной поверхности блока и прочность соединительных болтов.

34G