Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Талевые канаты

Глава VII

Таблица VII 1

ТАЛЕВЫЕ СИСТЕМЫ

§ 1. Назначение и устройство

Талевые системы буровых установок предназначены для проведения спуско-подъемных работ и поддержания на весу в процессе бурения колонн, а также колонн обсадных труб.

В процессе этих операций при помощи талевой системы осуществляются подъем колонны на длину свечи, поддержание свечей, их отвинчивание от колонны, захват и извлечение свечей из магазина и поддержание их при свинчивании с колонной в процессе спуска, а также различные вспомогательные операции по подъему грузов в процессе бурения скважины.

Талевая система состоит из неподвижной группы шкивов — кронблока, установленного в верхней части буровой вышки; подвижной группы шкивов талевого блока, соединенных между собой стальным тросом — талевым канатом, один конец которого крепится к барабану лебедки, а второй через приспособление к основанию вышки. Крепление неподвижного конца каната к основанию буровой обусловлено необходимостью уравновесить горизонтальную составляющую усилия в ведущей ветви, установки на нем измерительной аппаратуры, предназначенной для контроля нагрузки на крюке, а также осуществления перепуска талевого каната для уменьшения его износа.

При такой системе число шкивов кронблока всегда на один больше, чем в талевом блоке, а количество ветвей в оснастке четное

1 = 2и_т6, а и_к6 = и_т_б +1, (УН-1)

где и_т6 и и_кб — число шкивов талевого блока и кронблока.

Талевые системы характеризуются номинальной и максимальной грузоподъемностью, числом ветвей каната в оснастке и диаметром каната.

Характеристика типоразмеров талевых систем, принятых размерным рядом в СССР и США, приведена в табл. УП-1.

Число блоков, их размеры и количество ветвей каната в талевой системе определяются грузоподъемностью на крюке, тяговым уси-

Характеристика талевых систем

Класс буровой установки	БУ-50	БУ-80	БУ-100	БУ-125	БУ-160	БУ-200	БУ-250	БУ-500 *
Грузоподъемность иа крюке номинальная, Т	50	80	100	125	160	200	250	500
Грузоподъемность максимальная, Т	110	140	170	200	250	320	450	600
Число рабочих ветвей каната в оснастке	6-8	8—10	8—10	10—12	10-12	10—12	10-12	12—14
Диаметр шкива по дну канавки, мм	900	1100	1100	1250	1250	1400	1400	1600
Диаметр каната, мм	25	28	28	32	32	36	38	38-42

* Грузоподъемность, принятая в США.

лием лебедки, количеством слоев навивки каната на барабан, размерами, прочностью и скоростью намотки на барабан талевого каната.

Скорость ведущей ветви каната г?_в по условиям намотки на барабан лебедки не должна превышать 20 м/сек, т. е.

р₆ — I>_кг 20 м/сек. (УП-2)

В то же время натяжение ведущей ветви должно быть

Д,

(УН-З)

Т) •* тал ^в^— г

где у_в— скорость крюка;

/?_д — действительная разрывная прочность каната; п —запас прочности каната (для буровых установок не менее 2) по отношению к максимальной нагрузке.

Число шкивов в талевой системе определяется из соотношения

2Р_п

(УН-4)

При этом число слоев навивки каната на барабане лебедки стремятся выбрать наименьшее. Чем больше шкивов и ветвей в оснастке, тем сильнее истирается канат, а чем меньше шкивов и ветвей, тем канат более нагружен и сокращается его усталостная долговечность.

Практикой эксплуатации установлено, что целесообразнее умень- тг^'.ть число шкивов в талевой системе, увеличивать их диаметр и при- а нять прочные канаты большего диаметра с тем, чтобы уменьшить

число слоев навивки каната на барабан лебедки, так как миого- слойность навивки сильно разрушает канат. Для этого также применяют большие соотношения между диаметром шкива и каната (до 40) и более жесткие, но износостойкие канаты с линейным контактом проволок в пряди и металлическим сердечником, обеспечивающие меньшее поперечное смятие каната.

§ 2. Стальные канаты талевых систем

По форме поперечного сечения стальные канаты бывают круглыми и плоскими.

Круглые канаты по конструкции разделяют на три группы: канаты одинарной, двойной и тройной свивок.

Канат одинарной свивки в канате двойной свивки называется прядью, а канат двойной свивки в канате тройной свивки называется стренгой.

Канат, состоящий из одного слоя прядей, называется тросом, а канат, состоящий из двух или трех слоев прядей, называется много-

прядным или кабельным. Тросовые канаты бывают с числом прядей от трех до восьми.

В многошкивных тяжело- нагруженных талевых системах буровых установок применяют только стальные канаты круглого сечения тросовой конструкции с шестью прядями и одним сердечником (рис. УИ-1).

По направлению свивки прядей в канате и проволо- Рис. VII-!. Талевый канат с шестью прядя- ^{ке
в} прядях каната тросовой ми и одним стальным пружинным сердечни- конструкции различают каком- наты крестовой свивки и канаты односторонней свивки. Свивка этих канатов может быть как правой, так и левой.

Крестовой свивкой называется свивка канатов, при которой направление свивки прядей в канат противоположно направлению свивки проволок в верхнем слое прядей.

Проволоки наружных слоев прядей в таких канатах располагаются на поверхности каната параллельно его оси.

Односторонней называется свивка, при которой направление свивки прядей в канате совпадает по направлению со свивкой проволок в прядях.

Канаты односторонней свивки вследствие совпадения направлений свивок более долговечны и гибки по сравнению с канатами крестовой свивки, однако первые канаты самораскручиваются, в результате
чего нарушается их строение. Эти канаты не пригодны для вертикального подъема без направляющих, не допускают резкого ослабления и свивания ветвей каната. Поэтому они не применяются в талевых системах буровых установок.

В прядях стальных канатов группа проволок располагается по спирали вокруг проволоки, называемой сердечником пряди, в один или несколько концентричных слоев.

Каждый слой пряди изготовляют или из разного числа проволок одного диаметра, навитых вокруг предыдущего слоя (рис. УН-2, а), или с одинаковым числом проволок, но различного диаметра в каждом слое (рис. УН-2, б).

Направление свивки проволок в каждом ряду многослойной пряди может быть различным.

а Ь

Рис. УН-2. Канат одинарной свивки (пряди).

а — однослойная прядь из проволок одного диаметра; б — двухслойная прядь из проволок разных диаметров.

Пряди одинарной односторонней свивки изготовляют двух типов с одинаковым шагом и одинаковым углом свивки во всех сл^ях.

В первом случае углы свивки по слоям разные, а проволоки перекрещиваются, в результате чего происходит их точечное касание. Канаты с такой свивкой условно называются канатами типа ТК.

Во втором случае проволоки в слоях не перекрещиваются и происходит их линейное касание; канаты с такой свивкой относят к типу ЛК. Пряди с разносторонней свивкой не раскручиваются, при этом всегда происходит точечное касание проволок.

В зависимости от направления свивки проволок верхнего слоя различают пряди правой и левой свивки.

В канатах, трущихся и изгибающихся на барабане лебедки и шкивах, для уменьшения износа истиранием наружный слой пряди свивается из проволок большего диаметра, а для обеспечения гибкости и усталостной долговечности внутренние слои их изготовляются из проволок меньшего диаметра.

В буровых установках расход талевых канатов составляет несколько килограммов на 1 м проходки скважины, а долговечность их исчисляется иногда несколькими днями или неделями. Поэтому вопросы правильного выбора и расчета канатов для обеспечения необходимой их долговечности имеют большое значение.

На основании длительного опыта эксплуатации канатов различных конструкций в талевых системах буровых установок применяются круглые шестипрядные канаты, в которых: 1) число проволок во внешнем и внутренних слоях одинаково, диаметр проволок различен, свивка прядей в канате крестовая, а сама прядь свита с линейным касанием проволок; 2) число проволок во внешнем и внутренних слоях различно, диаметр их одинаков, свивка

прядей в канате крестовая, а касание проволок в прядях линейное.

Преимуществами канатов второй конструкции являются увеличенная плотность каната, повышенное сопротивление износу, большая работоспособность. Такие канаты не раскручиваются. Кроме того, в этой конструкции достигается уменьшение величины контактных напряжений, а также уменьшение потерь прочности от свивки. Уменьшение раскручиваемости достигается тем, что при свивке проволок в пряди, а прядей в канаты за счет применения переформированных проволок и прядей снижаются внутренние напряжения.

Раскручиваемость канатов также зависит от угла свивки. Углом свивки называется угол, под которым проволоки наклонены к оси пряди или прядп к оси каната. При углах свивки до 7° упругое напряжение проволок настолько велико, что прядь, освобожденная после навивки, сама развивается.

Опытами установлено, что работоспособность канатов возрастает, если при свивке деформация проволок превышает предел упругих деформаций. С другой стороны, установлено, что чем больше искривление проволок в канате, тем больше разность между суммарной прочностью проволок и прочностью каната в целом. Для прочности каната более выгодны наименьшие углы свивки, для долговечности — большие.

Практикой установлено, что оптимальными для талевых канатов являются углы 10—20°. Применение канатов с углом свивки менее 10° ограничено условиями выносливости, а более 20° — условиями прочности.

Канаты, у которых основным условием является прочность, выбирают с меньшими углами свивки (для прядей не более 10—12°).

Направление свивки прядей в канате по внешнему слою выбирают таким, чтобы он дополнительно подкручивался, в результате чего увеличились бы плотность каната и срок его службы.

Для легких условий работы применяются канаты с одним органическим сердечником, а для тяжелонагруженных талевых систем — с одним металлическим. В качестве органического сердечника применяют синтетические волокна или пеньку, а металлического сердечника — стальной канат из семи прядей по семь проволок в каждой или стальную пружину. Канаты этого типа по сравнению с канатами с органическим сердечником, обеспечивая необходимую гибкость, имеют более высокую поперечную жесткость, предохраняющую их от раздавливания.

Свойства и прочность канатов

Плотность, гибкость и удлинение. Для оценки свойств каната служат следующие конструктивные показатели.

Коэффициент конструктивной плотности каната К_ъ, или коэффициент заполнения, т. е. отношение площади поперечного сечения проволок составляющих каната 2/^ ^к площади поперечного сечения каната

К.-Щ, (У11-5)

где К_ъ — коэффициент заполнения для талевых канатов, равный

0,5-0,6;

с1_к — номинальный диаметр каната.

Коэффициент гибкости К_г, т. е. отношение диаметра каната с1_к к среднему диаметру проволоки б

(УП-6)

Коэффициент К_г характеризует способность каната к изгибу в пределах упругой деформации за счет внутреннего скольжения проволок. Для талевых канатов величина этого коэффициента составляет 12—16.

Удлинение канатов. В стальном канате при нагрузке происходит взаимное перемещение проволок и прядей, вызывающее изменение первоначальной формы каната. При этом канат несколько удлиняется, а его сечение деформируется, превращаясь из круглого в овальное. Новые канаты удлиняются под нагрузкой вследствие усадки сердечника и перемещения проволок и прядей.

Такое удлинение, называемое конструкционным, является неупру- гпм п равно 0,2—4% первоначальной длины каната, к концу работы каната оно может еще увеличиться.

Упругое удлинение каната зависит от модуля его упругости и напряжения:

где Р — растягивающее усилие;

Ь — длина каната;

Е_к — модуль упругости каната в целом.

Модуль упругости каната ниже, чем проволоки, а следовательно, и жесткость канатов также меньше, чем металлического стержня с поперечным сечением, равным суммарной площади проволок.

Модуль упругости каната является переменной величиной, зависящей от воспринимаемой им нагрузки и продолжительности работы до испытаний. По экспериментальным данным модуль упругости при растяжении нового шестипрядного каната при нагружении в пределах, когда среднедействующая нагрузка Р_э = (0,3 — 1) Р_п, где Р_в — нагрузка каната при номинальной грузоподъемности; прп коэффициенте запаса прочности п = 5 может составлять:

(УП-8)

Модуль упругости при поперечном сжатии зависит от типа сердечника. Для канатов с органическим сердечником

#„ = (2,5 4-3,5) -Ю»^. (УН-9)

Для канатов с металлическим сердечником

Я_я = 6-Ю²^. (УН-10)

Податливостью называется способность канатов упруго удлиняться в зависимости от нагрузки растяжения.

Жесткость при растяжении является величиной обратной податливости

С = 4 = —(УН-11)

I Ь

где Ь — длина каната.

Условной прочностью каната Е_а называется суммарное разрывное усилие всех проволок. При расчетах, если суммарное разрывное усилие Н_а неизвестно, его определяют по номинальному пределу прочности 0₆ проволок:

= (УН-12)

где а_е — предел прочности при растяжении проволоки.

Действительной прочностью называется усилие, при котором наступает разрушение каната. Прочность каната в целом всегда ниже, чем суммарная прочность составляющих его проволок.

Если действительная прочность неизвестна, ее можно определить по приближенной формуле

= Д. соз” а соз”¹ р, (УИ-13)

где п — число слоев проволоки в прядях;

щ—число слоев прядей в канате; а и р—углы наклона проволоки в пряди и пряди в канате.

Потерю прочности обычно выражают в процентах от условной прочности, и для новых талевых канатов она составляет 11—15%.

В талевых системах буровых установок при расчетах на прочность определяют фактический коэффициент запаса прочности каната

^пв — (УН-14)

где Р_ъ_тах — наибольшее напряжение ведущей ветви каната;’ б и Ь_б — диаметры проволоки каната и барабана лебедки.

В талевых системах рекомендуют применять значения коэффициента запаса прочности п_а = 5. При отношении не менее 40

допускают уменьшение коэффициента до 3. При спуске обсадных колонн и новом канате допускается уменьшение коэффициента до 2.

Долговечность канатов. Под действием цикли- ’тских нагрузок и перегибов на угол 180° на шкивах и барабане Iг-бедки канаты изнашиваются и разрушаются.

Правилами Госгортехнадзора СССР установлено, что канаты читаются не пригодными для дальнейшей эксплуатации при наличии 10 °о оборванных проволок от общего количества в сечении на длине дного шага свивки.

Испытания на разрыв канатов, не пригодных для дальнейшего использования в данной установке вследствие большого числа обор- ;анных проволок, показывают, что их действительное разрывное отротивление мало уменьшается (на 5—10%) по сравнению с прочностью новых канатов. Это является следствием того, что под дей- твпем нагрузки канат рвется не сразу, а постепенно: вначале разрушаются более напряженные проволоки и пряди, а обрыв уже изношенных канатов происходит внезапно.

Взаимодействие между проволоками и прядями в изношенном канате изменяется так, что прочность его становится близкой прочности оставшихся целых проволок в сечении. Причиной разрушения канатов является усталость металла, возникающая вследствие переменных напряжений и износа проволок наружного слоя.

Установлено, что долговечность каната тем меньше, чем больше напряжения растяжения и изгиба и чем выше амплитуда колебаний напряжений.

Установлено также, что канаты односторонней свивки имеют 'олыпую работоспособность, чем канаты с крестовой свивкой прядей, независимо от того, какую конструкцию свивки имеют проволоки в самой пряди.

При перегибах канатов на шкиве в проволоках кроме напряжений растяжения ст от нагрузки возникают дополнительные напряжения изгиба а_и. Суммарное напряжение растяжения

(УП-15)

сум р I И

Напряжение растяжения

— о- -+ сг .

где Р — усилие, действующее в ветви каната;

2^/г—площадь поперечного сечения проволок каната. Напряжение изгиба

ст_и = Е_ке. (УП-17)

Здесь Е_к — модуль упругости каната из (УН-8);

е — относительное удлинение проволоки пряди при перегибе на шкиве

(VI1-18)

Из этих формул видно, что дополнительные напряжения изгиба в проволоках каната зависят от ее диаметра и диаметра шкива или

барабана. С увеличением диаметра шкива не только уменьшаются эти напряжения, но и уменьшается скольжение проволок и прядей относительно друг друга, а следовательно, и увеличивается не только усталостная долговечность, но и долговечность по износу.

При разрыве каната, движущегося на шкивах, фактическое разрушающее усилие значительно ниже разрушающей нагрузки каната в целом при статическом нагружении. Это является следствием того, что возникающие радиальные сжимающие усилия и трение между проволоками и прядями при статическом нагружении приближают канат к монолитному телу и делают его более прочным.

При прохождении каната по шкивам под нагрузкой поперечное сечение каната деформируется, силы сцепления между отдельными

проволоками уменьшаются, и каждая проволока и прядь работают отдельно, что значительно снижает прочность каната.

На рис. УП-З показана зависимость напряжения разрыва от диаметра вращающихся шкивов. Эти данные указывают на то, что статический коэффициент запаса прочности п_ — величина условная, которая не характеризует истинного запаса прочности каната в процессе работы. Опытами установлено, что нагрузка, необходимая для разрушения прямолинейного каната (кривая 2), на 3—4% выше статической нагрузки (кривая 1), разрушающей канат, огибающий подвижный блок. На снижение прочности и долговечности движущегося каната значительно влияют диаметр навивки, плотность и направление навивки каната на барабан.

При навивке на барабан канат подвергается деформации трех видов — растяжению, изгибу и кручению, что не учитывается расчетной формулой.

Канат навивается на барабан по винтовой линии, смещаясь за каждый оборот барабана на величину своего диаметра; это смещение дополняет деформацию растяжения и изгиба деформацией кручения.

В зависимости от направления свивки каната, направления вращения барабана, порядка укладки каната на барабан (справа
налево или наоборот, на барабан или под барабан) деформация кру- ч-ния может увеличиваться или уменьшаться.

При укладке каната слева направо под барабан направление :впвкп должно быть левое, при укладке справа налево — правое, что уменьшает напряжения.

В буровых лебедках канат навивается в несколько слоев так, что направление укладки в различных рядах меняется. Направление -З,пвки при четном числе слоев большой роли не играет.

Сильно влияют на износ канатов форма канавки шкива, величина удельного давления между канатом и поверхностью канавки.

На рис. VI1-4, а приведены основные данные канавок шкивов, обеспечивающих наименьшее истирание талевых канатов. Высота канатов Н = 1,75 й_к.

Рпс. УП-4. Профиль канавок.

а — шкивов; б — барабанов.

Радиус канавки

К = 0,5й_к + (0,02 ч-0,07)с?_к (УН-19)

На рис. VI1-4, б приведен профиль канавок барабанов буровых Чт5едок. Шаг канавки

5 = а, + (2,5 н- 3) [мм], (УН-20)

.• —радиус канавки, К— 0,58;

С —радиус канавки, С — 0,5Л + (1 0,5) [мм].

Удельное давление между канатом н канавкой

(УН-21)

где Р_п — номинальное натяжение каната.

Допустимое удельное давление между канатом и канавкой;

а) шкивы из среднеуглеродистой стали, канавки обработаны до чистоты у 3.

[р] — 600 ч- 750 Мн/м²-,

б) шкивы из марганцевой стали, поверхность канавки закалена и шлифована до чистоты у 7.

[р] = 1750 2800 Мн/м².

Влияние смазки на выносливость каната. Хорошо смазанные канаты с сердечником, пропитанным маслом, выдерживают в 1,5—2 раза больше перегибов, чем не смазанные. Буровые талевые канаты не требуют дополнительной смазки, так как вследствие непродолжительного срока их службы смазки, закладываемой в канат при его изготовлении, достаточно.

Работа совершаемая канатом. Вследствие отсутствия надежных методов расчета долговечность оценивается по производимой канатом работе. Этот метод не дает точного ответа

о фактической работоспособности каната и зависимости ее от различных факторов, однако может служить для сравнительной оценки долговечности каната при эксплуатации в сопоставимых условиях.

Если принять, что работа каната, выполненная при подъеме, равна работе при спуске, то работа спуска и подъема может быть определена по формуле

А = 2

(УН-22)

2ь(26+1)

где д—вес 1 м труб с учетом замков и высаженной части;

2^ — суммарная длина бурильных труб, извлеченных из скважины за время ее проводки;

— длина свечи;

С — вес подвижной части талевой системы.

Приведенная методика расчета используется для относительной оценки правильности выбора каната, размеров шкивов, барабанов и других узлов талевой системы. Более точные и сложные формулы не вносят существенной разницы в результаты. Количество каната, необходимое для проводки одной скважины,

В = ~,

где а — нормативная величина работы талевого каната в тонно- километрах, устанавливается заводом-изготовителем. Для талевых канатов обычных конструкций составляет 6—20 тыс. т/км.

§ 3. Кронблоки и талевые блоки

Кронблок является неподвижным узлом талевой системы и предназначен для поддержания на весу в вышке подвижной ее части с крюком и грузом на нем. Талевый блок является подвижным узлом талевой системы, к которому подвешивается крюк. В ряде случаев талевый блок выполняется за одно целое с крюком.