Условия эксплуатации колонны штанг и действующие нагрузки, расчет штанг на прочность.

Штанговая колонна работает в тяжелых условиях, на нее действуют агрессивная скважинная среда и переменные нагрузки (до 150 кН), приводящие к накоплению усталостных явлений в штанговой колонне.

На штанговую колонну действуют следующие нагрузки:

1. Статические:

— вес колонны штанг;

— вес столба жидкости над плунжером;

2. Динамические:

— силы инерции движущихся масс штанговой колонны и жидкости, (т. к. их движение осуществляется с ускорением);

— силы вибрации, обусловленные волновыми явлениями, возникающими в штанговой колонне при работе насоса;

— силы трения штанговой колонны о трубы и жидкость (в наклонно направленных скважинах и при откачке высоковязких жидкостей их значение может быть соизмерено с весом колонны).

При ходе плунжера вверх колонна нагружена максимально:

-=

где Р_ш - вес колонны штанг;

Р_ж - вес столба жидкости;

Р_iш - инерционные нагрузки от движущейся массы колонны штанг;

Р_iж - инерционные нагрузки от движущегося столба жидкости;

R - силы трения.

При ходе вниз нагрузка минимальная:

.

Силы трения и инерционные силы при ходе вверх увеличивают нагрузку, а при ходе вниз – уменьшают её, поэтому в этом случае их берут со знаком «минус».

Наибольшие растягивающие напряжения действуют в верхней части колонны, наименьшие — в нижней. Так как нижняя часть колонны разгружена от растягивающих усилий, то при наличии трения между плунжером и цилиндром насоса (при откачке вязких жидкостей, особенно в насосах больших диаметров) в нижней части колонны при ходе вниз могут возникнуть сжимающие усилия, что приводит к изгибу нижней части колонны штанг.

Это отрицательно влияет на долговечность работы штанговой колонны, поэтому в этих условиях данный участок усиливают, т.е. применяют тяжелые штанги или штанги большего диаметра. Утяжелённый низ колонны штанг собирается из 2-6 штанг большого диаметра – 40 мм, общим весом – 80-360 кг.

Таким образом, нагрузка на штанги зависит от глубины спуска и диаметра насоса, а также от удельного веса жидкости.

Для увеличения предельной глубины спуска штанг и уменьшения нагрузок на штанги и станок-качалку применяют ступенчатые колонны штанг, т. е. составленные из штанг неодинакового диаметра. Применяются одно- двух- и, при очень больших глубинах, трёхступенчатые колонны.

Разрушение штанговой колонны носит усталостный характер. Промысловый опыт показал, что чаще всего штанга обрывается на участках 25—35 см, прилегающих к головкам, т.е. там, где максимальные концентраторы напряжений и где может возникнуть изгибающий момент от возможной несоосности тела и головки штанги.

Расчет и подбор колонны штанг

Расчёт колонны штанг на прочность заключается в определении приведенного напряжения σ_прив (формула Вирновского), величина которого зависит от глубины спуска насоса, его диаметра, числа качаний, длины хода и др.

σ_прив = ≤ [σ_пp] ,

где σ_max = Р_max/f_шт – напряжение в штанге от максимальной нагрузки;

σ_а = (Р_max - Р_min)/(2f_шт) – амплитуда напряжения за цикл нагружения;

Р_max , Р_min – максимальная и минимальная нагрузки соответственно;

f_шт – площадь сечения штанг.

Затем сравнивают полученный результат с допускаемым приведенным напряжением [σ_пp] (даётся в таблицах для различного материала штанг). Например, для стали марки 40, подвергнутой нормализации - [σ_пp] = 70 МПа, а для той же марки стали, но кроме прочего, подвергнутой поверхностной обработке нагревом ТВЧ [σ_пp] = 100 МПа.

На усталостную прочность большое влияние оказывает рабочая среда, т.е. свойства откачиваемых жидкости и газа. Особенно сильное коррозионное воздействие оказывает водный раствор сероводорода. Поэтому при расчете штанг необходимо учитывать коррозионный предел усталости.

Причина преждевременного выхода штанг из строя – износ муфт. В искривленных скважинах штанговые муфты истираются о насосные трубы, бывают случаи истирания насосных труб. В таких случаях применяются закаленные шлифованные штанговые муфты. В местах резкого искривления скважин на насосных штангах ставят роликовые фонари.