2.4. Фланцевые соединения фонтанной арматуры

Наиболее распространено соединение узлов и деталей арматуры с помощью фланцев. При фланцевом соединении деталей арматуры уплотнение осуществляется в большинстве случаев металлическим кольцом овального или восьмиугольного сечения (рис. 2.10 [7]). Эластичные, неметаллические уплотнения широко применяются в поверхностных соединениях системы сбора и подготовки нефти.

Усилие, действующее на кольцо, не должно приводить к его остаточным деформациям.

В первом варианте (рис. 2.10 б) уже при сборке кольцо соприкасается с канавками фланцев по их внутреннему и внешнему скосам. Уплотнение происходит за счет упругой деформации кольца и фланцев в месте их соприкосновения.

Во втором варианте (рис. 2.10 в) кольцо соприкасается вначале сборки только с внешним скосом канавки у верхнего фланца и фаски у нижнего фланца. При затяжке соединения шпильками кольцо уменьшается в диаметре (в пределах упругих деформаций) и доходит до внутреннего скоса канавки, в этот момент затяжка прекращается.

Момент упора кольца во внутренний скос заметен по резкому возрастанию усилия затяжки гаек у шпилек.

При работе уплотнения, когда в арматуре повышается давление, фланцы раздвигаются под действием давления и кольцо занимает первоначальное положение (см. рис. 2.10, б).

Усилия при этих двух вариантах использования кольца рассчитывают различными методами. Но в обоих случаях определяются усилия предварительной затяжки, рабочее усилие при повышении в арматуре давления, учитывается влияние разности температур откачиваемой жидкости или газа и окружающей арматуру среды и влияние веса боковых отводящих труб, подсоединенных к арматуре.

Арматура выпускается для использования по второму варианту уплотнения, но на практике часто применяется и первый.

Расчет усилий при уплотнении по первому варианту (см. рис.

2.10 б).

Общее усилие, действующее на наиболее нагруженную шпильку фланцевого соединения при работе арматуры определяется как:

Р_шп= (Рдав+ Рзат+Рt+3Рман)/z, (2.14)

где z - число шпилек в соединении.

Напряжение в наиболее нагруженной шпильке

шп=Ршп/fшп, (2.15)

где fшп- площадь горизонтального сечения шпильки, м2.

Усилие от действия давления, раздвигающего фланцы равно:

Pдав = 0,25D_Cp²p, (2.16)

где р - давление в арматуре, МПа; Dcp - средний диаметр кольца (считается, что уплотнение может происходить как по внутреннему, так и по наружному скосу канавки на фланце), м.

Остаточное усилие затяжки равно:

ΔРзат=Dсрb_эфm, (2.17)

где b_Эф - эффективная ширина прокладки, т. е. суммарная ширина уплотняющего пояска у кольца, м.; q - допустимое давление (например, для мягких сталей Ст. 2 q равно - 127 МПа, а для более твердых 1Х18Н9 - 172 МПа.); m - прокладочный коэффициент, зависящий от упругих свойств материала прокладки (для мягкой стали он равен 5,5, для более твердой - 6,5). При работе арматуры с газом или со смесью жидкости и газа в вводят коэффициент 2 m.

При подаче в скважину теплоносителя (например, пара) или отборе пластовой жидкости с высокой температурой масса металла арматуры около проходного сечения и прокладка нагреваются. Температура шпилек будет ниже, так как условия их охлаждения лучше. 

Усилие от действия температуры, при которой детали арматуры и прокладки нагреваются больше, чем материал шпилек, определяется:

Р_t = Δth_шп /[(h _шп /Е_шп 2 f_шп) (h_раб / f_np Е_пр)], (2.18)

где Δt - разность температур фланца и шпилек, °С; h _шп - длина растягиваемой части шпильки, м;  - коэффициент теплового расширения материала фланца, 1 /°С; h_раб - высота прокладки между поверхностями опоры о соседние фланцы, м; Е_пр - модули упругости материала шпилек и прокладки, соответственно, МПа; f_np- площади горизонтального сечения прокладки, м2.

Если температура пара, проходящего через арматуру, равна 300°С, то разность температур фланца и шпилек в начале прогрева близка к 20 °С, а при установившемся режиме - к 10 °С.

Несмотря на небольшую разность температур, усилия, вызывае¬мые ею, соизмеримы с усилиями Рдав + ΔРзат.

Рабочая высота прокладки

hраб= hп - (1 - cos 1) R₀. (2.19)

Обозначения и величины hп и 1, R₀ показаны на рис. 2.10.

Иногда отводы арматуры и манифольды, подсоединяемые к ним, имеют несколько задвижек и дросселей. Масса всех этих деталей значительна. При этом не всегда отводящие трубопроводы имеют надежную опору, и поэтому часть их веса передается арматуре. При отводе от тройника это создает момент, который нельзя не учитывать в расчетах. Получается рычаг, к которому приложена сила в Центре тяжести отвода между тройником и надежной опорой отвода. Рычаг опирается о прокладку фланца и растягивает часть шпилек. Это шпильки, наиболее удаленные от манифольда, создающего изгибающий момент. Так как расстояние до центра тяжести отвода от оси арматуры измеряется обычно метрами, а от опоры фланца до шипилек - сантиметрами, существенный вес отвода создает большие

дополнительные нагрузки на шпильки. Эти усилия можно опреде¬лить по следующей зависимости:

Pман = 2Mизг/(Dcp + D6), (2.20)

где Мизг - изгибающий момент, равный произведению расстояния от центра тяжести отвода до оси арматуры на силу тяжести отвода, Н • м; Dср - диаметр окружности, проведенной через оси болтов, м.

Поскольку это усилие воспринимается только частью шпилек, условно принимаем, что нагрузка Рман передается 1/3 всех шпилек соединения. Действительно, при двенадцати шпильках четыре, расположенные ближе к отводу, будут разгружены, на четырех средних нагрузка не изменится и у четырех остальных шпилек нагрузка увеличится.

Из условия эксплуатации скважины (давление, дебит, содержание песка, температура и др.) выбирают схему арматуры, диаметр условного прохода, размер фланцев.

Выполняют предварительный расчет фланца на прочность по первому варианту. Если все полученные данные соответствуют требованиям, то определяют размеры шпилек и их количество, и на этом расчет заканчивают.

При расчете по первому варианту напряжения имеют большую величину, чем при расчете по второму варианту соединения.

Расчет усилий при уплотнении по второму варианту (см. рис. 2.10 в) выполняется при больших давлениях, когда необходимо обеспечивать работу соединения при меньших напряжениях в соединении [6].

При прочностном расчете деталей арматуры достаточно проверить прочность шпилек, фланца, прокладки и цилиндрической части деталей арматуры.

Расчет фланца. Фланец рассчитывается по наиболее опасному сечению, которым является сечение АС (см. рис. 2.10). Для расчета фланца его можно представить в виде консольной балки с заделкой в сечении АС.

(2.21)

Уравнение момента изгиба балки запишется так:

Мас = Р I_A, (2.21)  

Здесь Р =Р_ШП z. Момент сопротивления опасного сечения:

W_AC = 0,17 Dм / 0,5 [(Dпp - Dср)² + 2 (Н - е)²] . (2.22)

Напряжение в опасном сечении

Допустимое напряжение [] определяется по пределу текучести материала фланца при запасе прочности 2,5. Проверка шпилек на прочность.

Внутренний диаметр резьбы шпилек проверяют по формуле

где n - коэффициент запаса прочности шпилек, принимается равным 3-5; Цилиндрические части арматуры проверяют, определяя толщину цилиндрической части S:

Где Dвн - внутренний диаметр цилиндра; р — рабочее давление; _доп — допускаемое для данного материала напряжение на растяжение.

Для определения прочности прокладки проверяют параметр i, отражающий устойчивость формы прокладки при действии на нее осевых сил:

Если i равно или меньше единицы, расчет считается законченным. Если больше, то надо сделать прокладку прочнее, например, изменить материал прокладки и найти новую ширину сечения прокладки b из зависимости

где _т - предел текучести материала прокладки; n₁ — запас прочности прокладки, принимается несколько меньшим, чем у фланца; если у фланца n_ф= 2,5, то, по рекомендациям АзИНмаша, n₁ = 2,25; - угол наклона внешней поверхности канавки на фланце к его торцу (65-75°).