2.3 Фланцеві з’єднання фонтанних арматур

2.3.1 Типи фланцевих з’єднань

Елементи ФА з’єднуються між собою в основному з допомогою фланцевих з’єднань.

Конструкція і параметри фланцевих з’єднань регламентуються стандартом ГОСТ 28919-91. Розмірний ряд фланцевих з’єднань характеризується двома параметрами – умовним діаметром і робочим тиском. Стандарт передбачає два типи конструктивного виконання фланцевих з’єднань:

Тип 1 - фланцеві з’єднання з зазором між торцями фланців.

Тип 2 - фланцеві з’єднання без зазору між торцями фланців.

Фланцеві з’єднання із зазором між торцями використовуються для робочих тисків 14, 21, 35 МПа. З’єднання передбачає використання сталевих ущільнювальних прокладок ортогонального поперечного перерізу з двостороннім контактом (рис. 2.15, 2.16). Ущільнення з’єднання досягається в результаті створення контактних напружень на спряжених поверхнях, величина яких залежить від зусилля затягування фланців і внутрішнього тиску.

Рисунок 2.15 - Фланець типу 1

Рисунок 2.16 – Прокладка типу П

При робочих тисках, більших ніж 35 МПа, використовуються фланцеві з’єднання типу 2 без зазору між торцями і прокладками типу БХ ортогонального поперечного перерізу з одностороннім контактом (рис. 2.17, 2.18).

Рисунок 2.17 – Фланець типу 2

При складанні такого фланцевого з’єднання прокладка дотикається лише до зовнішньої поверхні ущільнювальної канавки на фланці. При затягуванні шпильок з’єднання прокладка зазнає радіальної деформації, в результаті чого, в зоні контакту прокладки з ущільнювальною канавкою виникають контактні напруження. Даний тип фланцевого з’єднання належить до самоущільнювальних з’єднань. Внаслідок одностороннього контакту прокладки і канавки підвищення внутрішнього тиску призводить до підвищення контактних напружень між прокладкою і зовнішньою поверхнею канавки, в результаті чого підвищується герметичність з’єднання.

Конструкція фланцевого з’єднання 2-го типу має експлуатаційні переваги перед з’єднанням типу 1. Воно є менш вразливим до згинальних навантажень, що можуть діяти на нього при експлуатації.

Рисунок 2.18 – Прокладка типу БХ

2.3.2 Визначення зусиль, що діють на фланцеве з’єднання

Під час експлуатації на його елементи діють зусилля , які виникають в результаті затягування ущільнюючого стику з врахуванням тиску всередині продукції свердловини та інших факторів.

Якщо для ущільнення застосовується прокладка з двостороннім контактом, то розрахунок ведеться за формулою

, Н (2.15)

де Р_тиск – зусилля від дії тиску, що розтискає фланці;

Р_зат – залишкове зусилля затягування, яке повинно бути достатнім для ущільнення з’єднання;

- середній діаметр прокладки, м;

- тиск всередині арматури, па;

- ефективна ширина прокладки, м;

, (2.16)

- ширина прокладки, м;

m - коефіцієнт, який враховує пружні властивості матеріалу прокладки (для нафтових свердловин значення m становить від 5 до 6, для газових – від 10 до 12), менші значення приймають для м’яких сталей, більші – для більш твердих. При використанні сталі 12Х18Н9Т m=7 для нафтових і m=14 для газових свердловин.

У випадку одностороннього дотику поверхні проточки розрахунок зусилля затягування фланцевого з’єднання ведеться за формулою

, Н (2.17)

де - зусилля від тиску продукції свердловини, Н;

- залишкові зусилля від затягування, які повинні бути достатніми для забезпечення герметичності з’єднання, Н;

- тиск всередині арматури, Па;

, (2.18)

, (2.19)

, , (2.20)

де D₃ – зовнішній радіус прокладки для з’єднання з одностороннім дотиком (рис.2.19, в);

- коефіцієнт Пуассона ( = 0,3);

- робоча висота прокладки, м

, (2.21)

- кут нахилу зовнішньої поверхні канавки на фланці (див. рис.2.19);

- радіус округлення прокладки, м;

- внутрішній і зовнішній радіуси прокладки відповідно, м.

При подачі в свердловину теплоносія (пари) або відборі пластової рідини з високою температурою маса металу арматури біля прохідного перерізу і прокладка нагріваються. Температура шпильок буде нижче, так як умови їх охолодження кращі. Це призводить до виникнення в шпильках додаткових зусиль внаслідок різних лінійних розширень елементів фланців і шпильок. Додаткове зусилля Р_t визначається як

Р_t = ∆t∙ h_шп∙α_т / [ (h_шп /Е_шп∙Σ f_шп)+ (h_{п .}/ f_пр∙Е_пр)], (2.22)

де ∆t – різниця температур фланця і шпильок;

h_шп – довжина розтягуючої частини шпильки;

α_т – коефіцієнт теплового розширення матеріалу фланця, 1/^оС;

h_п - висота прокладки між поверхнями опори до сусідніх фланців;

Е_шп, Е_пр – модулі пружності матеріалу шпильок і прокладки, відповідно;

f_шп, f_{пр –} площі горизонтального перерізу шпильки і прокладки, відповідно.

Додаткові зусилля на шпильках арматури трійникового типу під дією несиметричного навантаження будуть

Р = 2 М_зг ∙/ (D₃ + D₁), (2.23)

де М_зг – згинальний момент, який рівний добутку ваги струн арматури з маніфольдом на віддаль від осі арматури до центра тяжіння приведеної маси струн арматури і маніфольда;

D₁ – діаметр кола центрів отворів фланця під шпильки.

Так як це зусилля сприймається третиною шпильок з’єднання, то зусилля, яке діє в найбільш напруженій шпильці, буде

Р_шп = (Р_тиск + Р_зат + Р_t + 3 Р) / z, (2.24)

де z – число шпильок в з’єднанні.

Напруження в найбільш навантаженій шпильці

σ_шп = Р_шп / f_шп. (2.25)