1.2 Розрахунок ступінчастих колон насосних штанг

Надалі проводиться уточнюючий розрахунок, під час виконання якого будемо виходити з умови отримання мінімальних напружень у насосних штангах і відповідно мінімального навантаження на головку балансира.

Далі необхідно перевірити міцність штанг на розрив та витривалість.

Для вказаної вище умови основні параметри роботи насоса (при коефіцієнті подачі η = 0,75 (для всіх розглядуваних у контрольній роботі верстатів-качалок та питомій вазі нафти γ = 0,92 т/м³)(питома вага дається в завданні) знаходяться між собою в таких залежностях:

(1.4)

та

, (1.5)

де = 2,59 кг – середня вага 1 м двоступінчастих насосних штанг діаметром 22 та 19 мм;

– маса 1 м штанг діаметром 22 мм (додаток Д);

– маса 1 м штанг діаметром 19 мм,

а – їх відсоткові частки в загальній довжині (додаток Б).

Для визначення оптимального режиму роботи, що відповідає мінімальному напруженню в штангах, розглянемо ряд можливих режимів. Спочатку задаємося для прийнятого верстата–качалки СКД6-2,5-2800 можливими стандартними значеннями S і знаходимо за формулою (1.4) відповідне значення n.

Площу перерізу плунжера F_пл визначаємо для прийнятих значень S та порахованих значень п за формулою продуктивності насоса

. (1.6)

За площею плунжера знаходимо його діаметр

(1.7)

Потім задаємося стандартними значеннями n і за формулою (1.5) знаходимо відповідні їм значення F_пл., а з неї за формулою (1.6) визначаємо S, оскільки в ній відомі F_пл , n та Q_Т. Діаметр плунжера знаходимо за формулою (1.7).

Результати розрахунків зводимо до таблиці 1.2.

Таблиця 1.2 – Результати розрахунку параметрів плунжера верстата-качалки

№ режиму	S, м	n	Fпл, см2	Dпл, см
При стандартних значеннях S
1	0,9	19,37	13,69	4,17
2	1,2	15,9	12,51	3,9
3	1,6	11,91	12,52	3,9
4	2,0	11,38	10,48	3,65
5	2,5	9,81	9,73	3,52
При стандартних значеннях n
6	9,82	5	4,86	2,48
7	3,47	10	6,87	2,95
8	2,09	14	8,13	3,21

Умовам, які були задані, відповідають 3-й, 4-й, 5-й і 8-й режими, оскільки тільки при цих режимах значення S та n мають можливі для вибраного верстата-качалки значення.

Для вибору оптимального режиму роботи визначимо для цих режимів максимальне значення навантаження в точці підвісу штанг за формулою

, (1.8)

де – коефіцієнт утрати ваги штанг у рідині, який дорівнює = (приймається для всіх варіантів завдань однаковим);

– фактор динамічності (приймається для всіх варіантів завдань однаковим).

Тоді для 3-го режиму:

;

для 4-го режиму:

;

для 5-го режиму:

;

для 8-го режиму:

.

Відповідно оптимальним режимом, при котрому навантаження в точці підвісу штанг найменше, буде 5-й.

При цьому режимі максимальне напруження в штангах = 22 мм становитиме

, (1.9)

де м² – площа перерізу штанг діаметром 22 мм.

Таке напруження допустиме для штанг із легованої сталі, оскільки воно не перевищує значення =560 МПа.

Перевіримо 5-й режим на витривалість штанг, що характеризується частотою їх обривів.

Частоту обривів штанг на свердловино-рік визначаємо за такою формулою:

, (1.10)

де – коефіцієнт, котрий залежить від якості сталі.

Через те, що якість сталі В та довжина насосних штанг L для кожної свердловини є постійними величинами, то кількість обривів штанг буде пропорційна параметру К, який визначається тільки змінними величинами , , . У зв’язку з тим що найбільше число обривів відбувається у верхній частині колони штанг, розрахунок ведемо для верхньої частини колони штанг d_шт = 22 мм.

Для 5-го режиму

(1.11)

Така кількість обривів є припустимою, оскільки вона не перевищує значення К=30 і має вірогіднісний характер.

Отримані розрахунковим шляхом режимні параметри нестандартні. Приймаючи для 5-го режиму стандартний плунжер 38 мм, знайдемо необхідне число гойдань на хвилину

хв^-1. (1.12)

Тоді за формулою (1.3) остаточно уточнюємо діаметр шківа, який потрібно встановити на роторі електродвигуна верстата-качалки.

мм.

Тобто остаточно приймаємо такі параметри роботи СШНУ:

=2,5 м; =9,08 хв^-1; =38 мм; (для труби)=89 мм, діаметр шківа електродвигуна мм.

Завдання №2

Розрахувати та підібрати необхідну потужність привідного електродвигуна.

Вихідні дані: діаметр плунжера D_пл=38 мм; глибина свердловини H=1410 мм;

довжина ходу устьового штока s=2,5 м; частота ходів головки балансира n=9,08 хв^-1.

Потужність електродвигунів для верстатів-качалок може бути визначена за

формулою Азинмаша в кВт за середньоквадратичним значенням тангенційних сил

(2.1)

та

, (2.2)

де N₀ – втрати потужності холостого ходу верстата-качалки, N₀ у контрольній роботі та курсовому проекті приймається у розмірі 5% від загальних утрат потужності;

D_пл, H, s, n – мають такі розмірності і значення: D_пл = 38 мм, H = 1410 мм, s = 2,5 м, n=9,08 хв^-1;

К₀ – відносний коефіцієнт форми кривого крутного моменту на валу електродвигуна, що для верстатів-качалок із роторним урівноваженням визначається залежністю

. (2.3)

Тоді

;

К_а – поправковий коефіцієнт, який ураховує вплив деформації штанг і труб на величину середньоквадратичної потужності, приймаємо залежно від відношення довжини ходу плунжера до довжини ходу полірованого штока, що визначається за формулою

м,(2.4)

де – довжина ходу точки підвісу штанг, у нашому випадкові =2,5 м;

– площа перерізу плунжера, см², у нашому випадкові (додаток Е) =11,34 см²;

= – висота підйому нафти, приймається такою ж як глибина спуску насоса, оскільки динамічний рівень знаходиться біля прийому насоса,тоді = =1410 м;

– середня площа перерізу штанг, складених зі ступенів, визначається

см², (2.5)

де і – площі перерізів насосних штанг діаметрами відповідно 22 мм та 19 мм (додаток Д), см;

– площа поперечного перерізу тіла вибраних насосно-компресорних труб із =89 мм, згідно з додатком М =16,82 мм².

– модуль пружності матеріалу штанг, у контрольній роботі та курсовому проекті приймаємо = 2,110⁶ МПа.

Оскільки , то з додатка К приймаємо найближче стандартне значення К_а= 0,98.

Для розрахунку вибираємо формулу (2.1), тоді

Тобто стандартний електродвигун, котрий установлюють на верстаті-качалці СКД6-2,5-2800 ( 18,5 кВт ), буде задовольняти умови (додаток К).

Завдання №3

Розрахувати клинопасову передачу верстата-качалки СКД6-2,5-2800.

Для верстатів-качалок СКД6-2,5-2800 (додаток К) застосовується клинопасова передача, яка має такі характеристики:

• тип ременя – В;

• ширина ременя – 24 мм;

• висота ременя – 14 мм;

• максимальна кількість ременів – 4;

• довжина ременя – 4000 мм.

Кількість обертів шківа редуктора визначається за формулою

(хв^-1), (3.1)

де = 0,01 – коефіцієнт ковзання ременя;

– діаметр шківа електродвигуна; в нашому випадку = 0,214 м;

– кількість обертів вала ротора електродвигуна за хвилину; за умовою = 1500 хв^-1;

– діаметр шківа редуктора; = 0,900 м.

Звідси за формулою (3.1)

хв^-1.

Швидкість руху ременів

м/с. (3.2)

У клинопасових передачах швидкість руху ременів не повинна перевищувати 25 м/с. Тобто така швидкість 16,79 м/с нас повністю задовольняє.

Кут обхвату меншого шківа розраховується за емпіричною формулою

. (3.3)

Розрахункова потужність , кВт, що передається одним ременем, визначається з додатка Л. Її значення встановлюється шляхом вибору найближчої табличної величини – в нашому випадку воно становить величину = 8,8 кВт.

Допоміжний коефіцієнт для розрахованого кута обхвату становитиме

. (3.4)

Мінімальна кількість ременів розраховується за формулою

, (3.5)

де – коефіцієнт, який ураховує режим роботи верстата-качалки; в розрахунках приймаємо = 0,55.

Тоді

.

Приймаємо = 3 ременя.