4.2. Расчет балансира на прочность

Расчет производится в соответствии с методикой представленной в литературе [8] и [9] и сводится к расчету балансира на несущую способность необходимо определить величину максимальной кратковременно действующей нагрузки. Эта нагрузка может превысить максимальную нагрузку в точке подвеса штанг при установившемся движении вследствие мгновенного заклинивания плунжера в результате попадания между цилиндром и плунжером крупинок песка, находящегося в откачиваемой жидкости. Предполагается, что в результате такого мгновенного заклинивания станок не остановится и лишь увеличится нагрузка в точке подвеса штанг против допускаемой проектной. Увеличение максимальной нагрузки максимальной при мгновенном заклинивании можно учесть коэффициентом к. 1. Максимальная кратковременно действующая нагрузка на балансир: , (4.2.1)

где k – коэффициент учитывающий увеличение максимальной нагрузки при мгновенном заклинивании (1,5 – 2,0) P_max =121892 Н – максимальная нагрузка в точке подвеса штанг. Опасное сечение балансира расположено над осью его качания и находится под действием нормальных напряжений от действия изгибающего момента и касательных напряжений в центре тяжести поперечного сечения балансира от действия поперечных сил. Касательные напряжения в балочных конструкциях, подобных балансиру, незначительны, поэтому при расчете балансира ими можно пренебречь. 2. Максимальное напряжение от изгиба с учетом вероятности мгновенного заклинивания плунжера в насосе: , (4.2.2)где М`<sub>max</sub>=L<sub>1*</sub> P` - максимальный изгибающий момент W-момент сопротивления рассчитываемого сечения М`_max=2,8*243884=704824,760 Н*м

где J=2*F*b²- момент инерции накладок На рисунке 1 изображено поперечное сечение балансира СКН 5-3015 в расчетном сечении представляет собой два сваренных двутавра №60 с двумя приваренными накладками толщиной 10 мм. Рисунок 1 – Поперечное сечение балансира СКН 5-3015 Подставив в формулу (4.2.2) полученные значения получим: Далее находим коэффициенты запаса прочности при хрупком разрушении и пластической деформации. 3. Запас прочности в случае хрупкого разрушения:, (4.2.3) где6_в=400МПа – предел прочности материала балансира ст.3.

4. Запас прочности в случае пластической деформации балансира : где6_t =220МПа – предел текучести материала балансира ст. 3. Проверим балансир на действие циклических нагрузок. Для этого определяют амплитуду изменения напряжения6_а и среднее напряжение 6_m 5. Амплитуда изменения напряжения 6_а : 6. Среднее напряжение 6_m:

Полученные запасы прочности при статических нагрузках обеспечивают надежную работу балансира. 4.3. Расчет и подбор материала штанг

Расчет произведен в соответствии с методикой, представленной в литературе [9], [10]и [13].

При выборе оптимального режима работы насоса исходят из условия получения минимальных напряжений в штангах, а, следовательно, и минимальной нагрузки на головку балансира с последующей проверкой коэффициента запаса прочности.

Из расчетов, выполненных выше, для эксплуатации совместно с СКН 5-3015, мы выбрали вставной насос НВ1Б57-35-12. Следовательно, для диаметра плунжера насоса= 57 мм, при рекомендованной глубине спускаL=1230 м (и рассчитанной L=1208,5 м), выберем из таблицы 2.2 [9] колонну насосных штанг с диаметрами =25 мм и=22мм и соответствующими длинами ступеней:=483,4 мм и=725,1мм.

1. Определим вес столба жидкости без учета динамического уровня жидкости , Н:

где - площадь поперечного сечения плунжера насоса, м²;

- глубина спуска насоса, м;

–плотность дегазированной нефти, кг/м³;

–ускорение свободного падения, м/с².

2. Определим вес колонны штанг в воздухе, Н:

где и- масса одного метра штанг каждой ступени, кг; по таблице 2.5[9] и .

и - длина каждой ступени, м.

Н

3. Определим вес штанг в жидкости , Н:

где – коэффициент потери веса штанг в жидкости:

–плотность материала штанг, кг/м³;

–плотность дегазированной нефти, кг/м³.

Подставим исходные данные в (4.3.3) и (4.3.4):

4. Определим среднюю площадь штанг, мм²:

где и- площадь поперечного сечения штанг каждой ступени, мм²;

и –длина соответствующих ступеней, в процентных долях.

5. Определим средний диаметр штанг , мм:

Среднюю площадь штанг мы определили, так что по формуле (4.3.6):

6. Определим коэффициент, учитывающий соотношение диаметров штанг и труб :

где -площадь проходного сечения НКТ, мм²:

–внутренний диаметр НКТ, мм:

Так как мы крепим насос к НКТ с условным диаметром d=89 мм, по таблице 1.1 [9] определим, что его толщина стенки равна S=6,5 мм.

Подставив известные значения в формулы (4.3.7) - (4.3.9) получим, что:

7. Определим удлинение колонны штанг от веса столба жидкости,м:

где-вес столба жидкости без учета динамического уровня жидкости, H;

- глубина спуска насоса, м;

–модуль упругости стали, МПа; для стали =2,1*10⁵ Мпа;

8. Определим максимальную и минимальную нагрузки в точке подвеса штанг, кН:

где –вес столба жидкости без учета динамического уровня жидкости, Н;

–вес штанг в жидкости, Н;

–диаметр плунжера, м;

–средний диаметр штанг, м;

–число качаний (двойных ходов), об/мин;

–вес колонны штанг в воздухе, Н;

–коэффициент, учитывающий соотношение диаметров штанг и труб;

–длина хода, м;

–удлинение колонны штанг от веса столба жидкости, м.

Подставим известные значения в формулы (4.3.11) и (4.3.12):

9. Определим максимальное, минимальное, амплитудноенапряжения, возникающие в штангах, МПа:

Подставляем вычисленные ранее данные в формулы (4.3.13) - (4.3.15):

10. Определим приведенное напряжение в штангах с помощью формулы, выведенной Одингом И.А., МПа:

Согласно формуле (22):

11. Далее необходимо выбрать материал для изготовления штанг, так чтобы выполнялось условие:

Согласно вычисленному , по таблице 2.4[9] выбираем сталь 20Н2М, нормализованную с поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ. Для данной стали ,, а твердость по Бринеллю составляет 200 НВ.

12. Вычислим коэффициент запаса прочности для выбранного материала штанг:

При всех известных величинах запас прочности будет составлять:

Что вполне приемлемо для заданных условий работы насосной колонны штанг.