Расчет вертлюга
Министерство Образования Российской Федерации
Красноярский
государственный Технический
Кафедра: МОНГП
Курсовой проект
“Расчет вертлюга”
Пояснительная записка
Красноярск 2002
Задание
Рассчитать вертлюг по предложенным характеристикам.
Дано
Грузоподъемность T= 300 т
Максимальное давление прокачиваемой жидкости = 32 МПа
Содержание
- Введение…………………………………………………………
.4
2. Устройство
и техническая характеристика……
3. Расчет основных деталей на прочность и
долговечность……………………………………………
4. Расчет штропа вертлюга……………………………………...10
5. Ремонт вертлюга……………………………………………….11
6. Возможные неисправности, причины и способы
их устранения………………………………………………….
7. Экология……………………………………………………….
9. Литература………………………………………………….
- Чертеж и деталировка прилагается
Введение
Вертлюг является соединительным звеном между талевой системой и буровым инструментом. Вертлюг должен удерживать подвешенную к нему колонну бурильных труб и амортизировать при ее резких движениях, попросту говоря сглаживать ее рывки при спускоподъемных операциях.
И поэтому он
является ответственным буровым
оборудованием в плане
Необходимость промывки забоя буровыми растворами во время бурения также предусмотрено в конструкции вертлюга. Под действием высокого давления промывочного раствора и многотонного веса бурильной колонны, а также усилий прилагаемых к ней вертлюг должен иметь повышенный запас прочности и не должен иметь микротрещин, каверн и прочих видимых и не видимых дефектов. На дефекты вертлюг проверяется на заводе изготовители отделом технического контроля. Вертлюг также проверяют микроскопией на содержание микротрещин и дефектов при отливке. Такая тщательная проверка осуществляется по причине то го, что при поломке вертлюга происходит серьезная авария на буровой, вследствие которой, нефтяная компания несет колоссальные убытки, а, следовательно, есть и претензии к производителю.
Устройство и техническая характеристика
Вертлюг состоит из деталей двух групп
- Неподвижные детали, которые при работе связаны с талевой системой.
- Подвижные, детали, которые вращаются вместе с буровым инструментом.
Рис 1. Вертлюг ШВ14-160: 1 — штроп; 2 — ствол; 3 — крышка; 4 — промывочная труба; 5 — сальниковое уплотнение; в —верхний масляный сальник; 7 — литой корпус; 8— радиальный шарикоподшипник; 9 — соединительные пальцы;10 — основной упорный подшипник; 11 — опорный подшипник; 12 — масляный сальник, 13 — коробка; 14 — ствол
Корпус вертлюга представляет собой пустотелую отливку сложной формы из малолегированной или углеродистой стали (35Л и др.), внутренняя полость которой разделена по высоте горизонтальной перемычкой, служащей опорной поверхностью основного упорного подшипника ствола и усиленной для жесткости вертикальными ребрами.
Конструкция опорных поверхностей подшипников в корпусе вертлюга должна исключать возможность нарушения ее перпендикулярности относительно оси ствола, так как это ведет к преждевременному износу основной опоры. Между стенками корпуса и опорной плитой предусматриваются каналы для обеспечения циркуляции смазки при вращении ствола.
На внешней
поверхности корпуса в
При конструировании корпуса весьма важно обеспечить максимально возможное расстояние между осью шарниров штропа и опорой, что позволяет достичь большой стабильности оси ствола при вращении и смещения центра массы вертлюга к нижней крышке. Такое решение снижает риск изгиба ведущей трубы при ее установке в шурф и подъеме из него. В некоторых вертлюгах к корпусу приваривают или укрепляют на болтах кронштейны с резиновыми амортизаторами, предохраняющими корпус от ударов штропов. Вертлюги с амортизаторами должны иметь несколько увеличенную ширину.
В некоторых вертлюгах корпус выполняют так, что всю нагрузку воспринимает только нижняя толстостенная тарелка, имеющая два симметричных отверстия для несущих болтов. Корпус в такой конструкции разгружен и служит монтажной базой и масляной ванной. Предварительная затяжка болтов до достижения напряженного состояния определенной интенсивности исключает деформации корпуса при нагружении ствола в процессе эксплуатации, что позволяет сохранить соосность расточек под подшипники и увеличивает межремонтный срок службы. В вертлюгах малой грузоподъемности штропов не применяют, при этом корпус на внешней поверхности снабжается отлитыми за одно целое с ним выступами с запорными защелками.
Вертлюг подвешивается на боковые рога подъемного крюка с помощью штропов элеваторов. Такая конструкция неудобна в эксплуатации, не уменьшает габаритов и массы вертлюга. Недостатком ее при эксплуатации является износ корпуса в зоне контакта со штропами подвески.
Корпуса вертлюгов
при изготовлении должны подвергаться
дефектоскопическому контролю. Внутренние
литые поверхности корпуса
Ствол вертлюга — наиболее нагруженная и ответственная деталь. На ствол действуют растягивающая сила, изгибающий момент и внутреннее давление. Ствол также подвержен усталостному и абразивно-эрозионному износу по внутренней поверхности канала и механическому износу в зоне контакта с уплотняющими кольцами.
Стволы изготовляются
из конструкционных
Снаружи и внутри ствол подвергается механической обработке, посадочные поверхности и переходные участки шлифуют. Наружные и внутренние поверхности канала должны быть соосны и иметь минимальную разностенность, а также жесткими для обеспечения равномерного распределения напряжений по сечениям. Биение посадочных шеек подшипников и неперпендикулярность плоскости опорного фланца к оси вращения ствола должны оговариваться допусками, величину которых рассчитывают или выбирают по нормам завода-изготовителя.
Диаметр канала ствола определяется скоростью потока промывочной жидкости; во избежание абразивного износа эта скорость не должна быть более 6 м/с. Канал ствола не должен иметь резких пережимов и расширений. Увеличение диаметра канала влечет за собой увеличение его наружного диаметра, что снижает долговечность уплотнительных устройств. Длину ствола выбирают с учетом возможности многократной нарезки изношенной левой внутренней замковой резьбы, выполняемой по ГОСТ 5286—75, служащей для соединения с ведущей трубой. Для предохранения резьбы от износа применяют предохранительные переводники. Участки ствола, контактирующие с верхними и нижними уплотнительными манжетами, защищают от износа втулками или удлиненным внутренним кольцом подшипников. Поверхность втулок шлифуют и подвергают термообработке до твердости 45—50 HRC.
Штроп. Штропы вертлюгов изготовляют из низколегированных конструкционных сталей марок 40ХН, 40ХНМА, 38ХГН, ЗОХГСА и др. по ГОСТ 4543—71. Штропы изготовляют методом свободной ковки с высадкой и прошивкой проушин. Механической обработке подвергаются только отверстия и торцовые поверхности проушин.
Для получения равнопрочной конструкции диаметр штропа на наклонном прямолинейном участке обычно увеличивают в направлении к дуговой части с отношением наибольшего и наименьшего диаметров до 1,4. Изгибающий момент имеет максимум в сечении перегиба. Для обеспечения необходимой прочности и жесткости штропа с учетом износа его дуговая часть выполняется эллиптического сечения. В вертлюгах малой грузоподъемности штропы для упрощения изготовляют кругового сечения.
Штроп вертлюга изнашивается по отверстиям проушин и внутреннему радиусу дуговой части. Для защиты проушин от износа применяют сменные втулки. При проектировании диаметр штропа иногда увеличивают на 15—20 % с учетом износа.
Опоры ствола вертлюга воспринимают нагрузки, обеспечивают свободное вращение ствола и его фиксацию от радиальных и осевых перемещений.
В качестве главной опоры в вертлюгах применяют подшипники упорные или упорно-радиальные в последнем случае ими воспринимаются также радиальные нагрузки и центрируется ствол в корпусе.
Для работы при высоких частотах вращения подшипники имеют массивные стальные или бронзовые сепараторы. Штампованные сепараторы и без сепараторные конструкции применяются редко.
Основные опоры вертлюгов являются элементами, лимитирующими их работоспособность. При эксплуатации они испытывают разнообразные повреждения: выкрашивание, отслаивание, усталостные трещины, осповидный износ на поверхностях тел качения и колец, образование подповерхностных трещин, приводящих к контактно-усталостным разрушениям.
Устранение проскальзывания тел качения по кольцам и снижение контактных напряжений уменьшают вероятность контактного окатывания и повышают долговечность основной опоры.
Лучшие из этих
упорных подшипников —
Расчет основных деталей на прочность и долговечность
Расчет ствола заключается в определении его основных размеров из условия прочности от осевого расстояния под давлением веса бурильной колонны.
Опасные сечения 1-1 и 2-2.
Внутренний диаметр ствола d выбирают из условия, что бы наибольшая скорость потока раствора V не превышала 6-8 м/с.
,где Q=7.2 л/c и выбирают исходя и насосной характеристики
1,145 мм
Расчетно-осевая нагрузка
,где Ks= 1.25 – коэффициент
Qбк – нагрузка от наибольшего веса бурильной колоны.
Qr=1.25*320=400
Рис.2 Ствол вертлюга
Минимальный нагруженный диаметр d1 полого ствола определяет условие прочности на внутреннее давление бурового раствора р6 по формуле Ляме, приняв GT=[G]=540 МПа
120
Диаметр D1 и D находим из конструктивных соображений; D1=210 мм, D=480 мм. В сечении 1-1 (Рис. 2) грибовидный фланец ствола подвергается деформации. Напряжение в этом сечении равно:
6*Qp* Lн/ПD*h2=[G]
[G]=GT/n – допускаемое напряжение n=3
Ly=[(D-D1)(D1+20)]/6(D+D1)=0,
Приняв G исходную равную [G] определяем высоту грибовидного фланца
0.018
Расчет штропа вертлюга
Рис.3 Штроп вертлюга
В сечении 1-1 (Рис.3) возникает напряжение от полости, приходящееся на одну из двух ветвей штропа,
0.120 м
В сечении 2-2 (Рис.3) штроп рассчитывается по формуле Лете на прочность основного рога крюка С=300 мм и R2=180 мм, приняв следующее условие T и далее определяем разницу.
R1=R2
q… – интенсивность давления
q=Qp/(2R2(Sin α)=200*103/2*0,18*0,3*Sin 80=18 МПа
- R1= 0.18 м
В поперечном сечении проушины штропа возникает напряжение среза по двум площадкам на обоих концах штропа.
T=0,58*Gt=0.58*690*106=371.2 МПа
Приняв Tcp=[T], находим диаметр
0,093 м
Fn=3.14*R2=538*10-6 м2
Штроп в сечении 3-3 (Рис.3) рассчитывается по формуле Ляме. Находим интенсивность давления в сечении 3-3
83*106 кг/м2
Приняв Gp*[G]*n*A=dn, находим диаметр проушины
0,066 м
Проушину штропа необходимо проверить на растяжение в сечении 4-4 (Рис.3)
2.7 МПа
Расчет подшипника основной опоры производят в соответствии с ГОСТ 18859-82. Для упорных роликовых подшипников вертлюга циклическая грузоподъемность
Ремонт вертлюга
В процессе эксплуатации
вертлюга необходим его текущий
ремонт, при котором кроме
Большие нагрузки на вертлюг при высоких числах оборотов его ствола вызывают сокращение ремонтных циклов для вертлюгов по сравнению с другими машинами буровой установки.
Текущий мелкий ремонт должен проводиться с каждой вахтой буровой бригады на бурильной в процессе эксплуатации вертлюга, при этом
в объем ремонта входит;
а) внимательный наружный осмотр корпуса самого штропа и его пальцев;
б) затяжка гаек сальников вертлюга;
в) замена отдельных крепежных деталей;
г) проверка состояния качества смазки, ее уровня;
д) ствол вертлюга следует проверить на повреждения.
Текущий средний ремонт вертлюга необходимо проводить по графику профилактического ремонта и выполнять в условиях ремонтных мастерских буровых трестов или контор бурения.
В объем среднего ремонта входит частичная разборка вертлюга на отделенные узлы, разобранный вертлюг и его детали должны быть тщательно промыты от грязи. Все выше заданное из строя крепежных деталей должны быть заменены новыми.
При среднем ремонте обязательно поменять уплотнение верхних и нижних сальников, гайки, регулирующие осевой люфт ствола вертлюга, отдельные стволы в упорном и опорном подшипниками при их подборе по диаметру останутся в работе. В зависимости от состояния упорного, опорного и направляющих подшипников, а также грязевой трубы, они могут быть заменены позже.
В объем капитального ремонт входит полная замена всех деталей вращения ствола вертлюга, все подшипники и бронзовые направляющие втулки, сальниковое уплотнение вертлюга и нижних сальников, гайки регулировки осевого люфта ствола. При ремонте должны быть заменена грязевая труба.
Все крепежные детали должны быть заменены новыми, после сборки вертлюга он должен быть обкатан.
Возможные неисправности, причины и способы их устранения
Рис 4. Крышка нижняя
материал — чугун марки СЧ-32-52
-Износ или срыв более трех ниток внутренней резьбы 2М130 X ЗК (левая)
-Ремонтировать перенарезкой резьбы на ремонтный размер 2М130 X ЗК (левая)
-Деформация конической резьбы при свинчивании с переводником
-Ремонтировать при каждом отвинчивании переводника перенарезкой с подрезкой торца
-Укорочение ствола от перенарезки конической резьбы. Номинальный размер 1650 мм; предельный размер 1350 мм
-Браковать при размере менее 1350 мм
-Износ поверхности по диаметру. Номинальный размер 126А3+0,080 мм; предельный размер 128,0 мм
- Браковать при размере более 128,0 мм
Рис. 5 Корпус
материал — сталь марки 35Л
-Обломы и трещины любого характера и расположения
-Браковать
-Износ поверхности по диаметру. Номинальный размер 310А+0,05 мм; предельный размер без ремонта 310,05мм
-Ремонтировать при размере более 310,05 мм металлизацией с последующей обработкой до номинального размера
-Износ отверстий по диаметру. Номинальный размер 110А+0,07 мм; предельный размер без ремонта 110,1 мм
-Ремонтировать при размере более 110,1 мм гильзованием с последующей обработкой до номинального размера
Рис 6. Крышка верхняя
материал — сталь 35Л
-Обломы и трещины любого характера и расположения
-Браковать
-Забитость, резьбы 2М32С X 3
-Ремонтировать зачисткой резьбы
-Износ или срыв более трех ниток резьбы. Номинальный размер 2М320 X 3
-Ремонтировать нарезкой резьбы ремонтного размера
Рис 7. Штроп
материал — сталь марки 20
-Износ отверстий по диаметру. Номинальный размер 110.5А5+0,46 мм; предельный размер без ремонта 111.5 мм
-Ремонтировать при размере более 111,5 мм гильзованием
-Износ шейки штропа: номинальный размер 130-1+10 мм; предельный размер 120,0 мм
-Браковать при размере менее 120,0 мм
-Погнутость
-Браковать
Рис. 8 Ствол
материал — сталь марки 45A
-Износ поверхности по диаметру. Номинальный размер 185Ш4-0,9-0,6 мм предельный допустимый размер без ремонта 183,5 мм
-Ремонтировать при размере менее 183,5 мм металлизацией с последующей обработкой до номинального размера
-Износ поверхности по диаметру. Номинальный размер 200Т+0,015+0,045 мм; предельный размер без ремонта 200,0 мм
-Ремонтировать при размере менее 2000,00 мм металлизацией с последующей обработкой номинального размера
-Износ поверхности по диаметру.
Номинальный размер 210Т+0,015+0,045 мм; предельный размер без ремонта 210,00 мм
-Ремонтировать при размере менее 210,00 мм металлизацией с последующей обработкой до номинального размера
-Износ поверхности по диаметру. Номинальный размер 200C-0,03 мм; предельный размер без ремонта 199,95 мм
-Ремонтировать при размере менее 199,95 мм металлизацией с последующей обработкой до номинального размера
-Износ поверхности по диаметру. Номинальный размер 197С3-0,09 мм; допустимый размер без ремонта 196,0 мм
-Ремонтировать при размере менее 196,0 мм металлизацией с последующей обработкой до номинального размера
-Износ или срыв более трех ниток резьбы 2М175 X 3 (левая)
-Ремонтировать перенарезкой резьбы на ремонтный размер 2Л1170 X 3 (левая)
-Износ или срыв замковой резьбы ЗН65/8"Л
-Ремонтировать перенарезкой с подрезкой торца
-Износ или срыв более трех нитей резьбы. Номинальный размер ЗМ200 X 2
-Браковать
-Укорочение ствола от перенарезки замковой резьбы: номинальный размер 1500 мм, предельный размер 1400 мм
-Браковать при размере менее 1400 мм
Рис. 9 Палец штропа
материал — сталь марки 40
-Износ поверхности по диаметру. Номинальный размер 115X-00,75-0,40 мм; допустимый размер без ремонта 114,5 мм; предельный размер 114,0 мм
-Браковать при размере менее 114,0 мм. Ремонтировать при размере менее 114,5 мм металлизацией с последующей обработкой до номинального размера
Рис. 10 Корпус нижнего масляного сальника
материал — сталь марка 35Л
-Обломы и сквозные трещины любого характера и расположения
-Браковать
-Несквозные трещины, доступные для заварки
-Ремонтировать заваркой с последующей зачисткой
-Износ поверхности по диаметру. Номинальный размер 237А3+0,09 мм; предельный размер без ремонта 237,1 мм
-Ремонтировать при размере более 237,1 их металлизацией или наплавкой с последующей обработкой до номинального размера.
Экология
Проблема загрязнения окружающей среды вредными веществами в результате хозяйственной деятельности стала крупной проблемой социально-экономического развития общества.
Один из потенциально основных загрязнителей окружающей среды – нефтяная промышленность. В стремлении завладеть большой нефтью, хороши далеко не все способы.
Экологические проблемы стоят сейчас крайне остро. Они возникли с появлением первых буровых вышек. Ведь именно тогда кое-кто высказывал, что открытие нефти и газа не только величайшее благо, но и в определенной степени зло, и что если сразу не потребовать от нефтяников всех требований по охране окружающей среды, то очень скоро из рек и озер исчезнет рыба, загниет в неволе тайга, начнется эрозия почвы.
Особое внимание стоит уделить нефтепромысловым сточным водам, выходящих из пластов попутно с нефтью, объем которых в 2-3 раз больше чем объем добытой нефти. Нефтепромысловые сточные воды содержат значительное количество солей, обладают большой химической и биохимической потребностью в кислороде при сбросе в открытые водоемы, а при попадании в почву, вызывают сильную ее эрозию. Такие сточные воды можно сбрасывать только после специальной обработки. К процессам и аппаратам по глубокой очистке сточных вод предъявляется ряд требований.
1. Аппараты должны быть экономичными по потреблению энергии, надежными в эксплоотации, малогабаритными.
2. В процессе
подготовки воды для
3. Вода не
должна быть коррозионно-активн
4. Смолы, образующиеся
в процессе очистки должны
легко утилизироваться.
При эксплоотации практически любого нефтедобывающего оборудования, из него или от него происходят утечки нефти, газа или утечки промывочной жидкости, которые в свою очередь наносят вред окружающей среде.
Выбросы при работе с нефтью можно классифицировать на две группы:
1. Постоянные – не произвольные утечки.
Выбросы представляют собой в основном не значительные утечки, из-за по следующим причинам:
a) Выработка уплотнителей и всевозможных прокладок
б) ослабление крепежных соединений от вибрации устройства
в) сколы, трещины картеров или корпусов в недоступных или не видимых участков оборудования.
Такие утечки стараются ликвидировать при наружном осмотре оборудования либо заменой изношенных элементов, либо попыткой сильнее затянуть закрепляемый элемент или, в крайнем случае, если течь не под давлением то применить герметики.
2. Аварийные выбросы.
Это вид утечек наиболее опасен по количеству выбросов в окружающую среду нефти, газа или промывочной жидкости, которая содержит присадки гораздо более опасные для флоры и фауны.
Что касается аварийных ситуаций эксплуатации вертлюга:
а) Износ либо прорыв масляного сальника. При этой аварии все масло, предназначенное для смазки деталей и охлаждения подшипников, выливается из корпуса. Тем самым, нанося вред окружающей среде. Такие аварии в основном бывают, редко, так как существует документация для каждого оборудования, в которой дан график проведения профилактических работ и текущих ремонтов для замены быстро изнашиваемых деталей оборудования.
б) Срыв патрубка с грязевой или промывочной трубы. При этой аварии загрязняется относительно большая площадь, вокруг буровой, опасными присадками для промывочного раствора содержащие также в себе нефтяные включения. В результате этой аварии на территорию буровой до того как остановят компрессор, выливается 0,5 - 2 м3 промывочной жидкости. Примерно половину из этого объема впитается в грунт. На месте этой аварии необходимо произвести срочную уборку территории со снятием и удалением поверхностного слоя почвы. К тому же есть и так называемые косвенные последствия срыва патрубка, при срыве нарушается циркуляция промывочной жидкости, что может привести к прихвату бурового инструмента. И кто знает, кокой ущерб получит природа уже при ликвидации этой серьезной аварии…
Литература
1. Наумкин В.Н.
«Горное и буровое
2. Палашкин Е.Н.
«Справочник механика по
3. Северянчик Н.А. «Машины и оборудование для бурения скважин». М.,Недра, 1986г.,368с.
4. Абдрахманов
Г.С. «Бурение нефтяных и
5. Аваков В.А.
«Расчеты бурового
6. Ильский А.Л., Миронов
Ю.В., Чернобыльский А.Г. «Расчет
и конструирование бурового