Проектирования выкидных линий от скважины оборудованной винтовой насосной установки до автомат групп замерной установки на месторождени

На основании вышеизложенного считаем наиболее целесообразным принять длину штанги для работы с верхнеприводными винтовыми насосами l @ 4,5 м. Такая штанга обеспечивает более чем в три раза большую устойчивость колонны по сравнению со стандартной ШН с длиной l @ 8 м и вполне удовлетворяет всем другим указанным выше условиям.

Расчет резьбового соединения сводится к численному интегрированию соответствующей системы дифференциальных уравнений четвертого порядка. Эти уравнения выражают условия равновесия и совместимости деформирования резьб насосной штанги и муфты при осевой растягивающей нагрузке.

Численной интегрирование указанной системы дифференциальных уравнений осуществлялось методом двухсторонней матричной прогонки с использованием специально разработанной для этого ПЭВМ-программы. В результате работы ПЭВМ-программы получаем в табличной форме распределение  по длине резьбы усилия t, приходящегося на единицу длины нарезанной поверхности, нормальных усилий в штанге Nш и муфте Nм, а также распределение взаимных смещений штанги Uш и муфты Uм в осевом направлении.

Представленный расчет относится в ШНВ-22 из стали 20ХН2М по ГОСТ 43-71 с резьбой Ш22, выполненной по ГОСТ 13877-80, нагруженной допускаемой осевой растягивающей нагрузкой:

где n – коэффициент запаса прочности.

При отсутствии нормативного документа, регламентирующего порядок расчета и нормы прочности для насосных штанг, работающих с винтовыми насосами, величина n = 1,45 принята как для колонны бурильных труб при роторном бурении наклонно направленной скважины в неосложненных условиях.

Нагрузка на витки резьбы существенно неравномерна. Наиболее нагруженным является первый виток резьбы со стороны тела штанги. Нагрузка, приходящаяся на этот виток, составляет:

 

где  S – шаг резьбы Ш22, S = 2,54 мм.

Средняя нагрузка на виток резьбы равна:

где m – число витков резьбы, m = 10.

Таким образом, «перегрузка» первого витка составляет:

Кп1=17,13/10,22=1,676,

где Кп1 – коэффициент перегрузки.

Нагрузка среза витка резьбы приближенно может быть вычислена по формуле:

 

где  d1 – наружный диаметр резьбы муфты;

       D1 – ширина витка резьбы штанги по линии диаметра в сборе.

 

Для ШНВ-22

Допускаемая нагрузка на срез при коэффициенте запаса n = 1,45 составит:

 

Таким образом, допускаемая нагрузка на срез превышает нагрузку на наиболее нагруженный первый виток резьбы, соответствующую допускаемой нагрузке на тело штанги. Следовательно, для ШНВ-22 можно считать, что условия статической прочности резьбового соединения и его соответствия телу штанги выполняются.

Перекос и несоосность крепления соединительного элемента (головки) насосной штанги являются типичными, точнее говоря, неизбежными геометрическими несовершенствами (ГН) или отклонениями параметров, допустимые значения которых нормируются ГОСТ 13877-80.

Как известно, при растяжении штанги указанные геометрические несовершенства вызывают значительные по величине дополнительные изгибные напряжения или концентрацию напряжений и деформаций около соединительных элементов, что обусловливает повышенный усталостный износ насосных штанг на приконцевых участках.

Под перекосом здесь понимается пересечение под углом осей штанги и резьбы соединительного элемента.

Максимальный изгибающий момент (МИ)мах, возникающий в зоне перекоса осей штанги и соединительного элемента при растяжении штанги усилием Qp, рассчитывается по формуле:

где  a - угол перекоса, рад;

Согласно ГОСТ 13877-80 для ШН-22 при  практическом отсутствии несоосности можно принять в качестве допустимого угла перекоса:

 

a = 1,5/(200-55)=10,345ּ10-3 рад,

где  200 мм – база измерения;

         55 мм –  длина резьбового соединения штанги, включая упорный бурт.

 

b = 6,505 м-1, тогда (МИ) = 162,53 Нּм.

Соответствующие изгибающие напряжения составляют:

(sИ)мах = (МИ)мах / WИ; (sИ)мах=155,5 МПа,

где WИ - момент сопротивления штанги:

WИ = 2IИ/d; WИ = 1,045 см3,

где  d – диаметр штанги.

Растягивающие напряжения при нагрузке

Равны

Коэффициент концентрации запаса статической прочности (по условию текучести) при наличии рассматриваемого перекоса осей штанги и соединительного элемента равен:

 

Таким образом, ориентируясь при расчете колонны насосных штанг на запас прочности по нормальным растягивающим напряжениям n=1,45, за счет возможного угла перекоса фактически получаем по суммарным (растяжение + изгиб) напряжениям n<1,0. Следовательно, допускаемый по ГОСТ 13877-80 угол перекоса, по существу, нельзя признать обоснованным и допустимым.

Поскольку на данном этапе изменить рассматриваемое положение ГОСТ 13877-80 не представляется возможным, при расчете колонны ШНВ следует ввести соответствующую корректировку величины допускаемой нагрузки на растяжение.

Под несоосностью здесь понимается параллельное смещение осей штанги и резьбы соединительного элемента.

Максимальный изгибающий момент, возникающий в зоне соединения штанги и соединительного элемента при растяжении штанги усилием QP, рассчитывается по формуле:

где  d - величина несоосности;

       b – половина длины резьбового соединения двух штанг в сборе.

Согласно ГОСТ 13877-80 для ШН-22 при практическом отсутствии перекоса можно принять в качестве допустимой несоосность d = 1,5 мм.

 

b=90/2+13=58 мм,

где  90 – длина муфты ШН, мм;

       13 – длина (ширина) упорного бурта, мм.

Далее, как в предыдущем расчете, получаем:

 

Таким образом, и с точки зрения влияния несоосности, допускаемой по ГОСТ 13877-80, величина этого дефекта не может быть признана обоснованной и допустимой. Вывод, сделанный в разделе «перекос», остается справедливым и для данного случая.

Расчет параметров переходной зоны от тела штанги к соединительному элементу производится на основе уравнений статистической теории подобия усталостного разрушения С.В. Серенсена и В.П. Когаева и методики, разработанной применительно к расчету на усталость бурильных труб.

Расчету подлежат два сечения: слева и справа от переходного бурта. Последовательность расчета следующая.

2.5.1 Теоретический коэффициент  концентрации напряжений рассчитывается по формуле:

где

 

 

где   D - диаметр бурта;

         d - диаметр тела штанги;

         r - радиус галтельного перехода.

 

2.5.2 Теоретический коэффициент  концентрации напряжений корректируется с учетом ограниченной длины ширины бурта:

где   - поправочный коэффициент.

2.5.3 Относительный градиент напряжений  в зоне их максимальной концентрации вычисляется по формуле:

2.5.4 Отношение эффективного коэффициента  концентрации и масштабного фактора, а также каждый из указанных параметров в отдельности рассчитываются таким образом:

 

 

где gs - постоянная материала, характеризующая чувствительность к концентрации напряжений.

2.5.5 Коэффициент КsД=s-1/s-1Д, характеризующий снижение предела выносливости детали (штанги) /s-1Д по сравнению с пределом выносливости образца s-1 за счет влияния всех факторов (концентрация напряжений, масштабный фактор, чувствительность материала, качество поверхности) вычисляется по формулам:

для зоны концентрации напряжений

для тела штанги

 

где bп – коэффициент качества поверхности.

2.5.6 Отношение запасов по сопротивлению  усталости рассматриваемого сечения в переходной зоне (индекс «П») и тела штанги (индекс «Ш») рассчитывается по выражению:

 

Признаком достаточной прочности рассматриваемых сечений по отношению к телу трубы является выполнение условия n>1.

Для сечения около бурта со стороны соединительного элемента имеем:

D = 43 мм; S = 27 мм (сторона квадрата); dср = 34,38 мм (средний диаметр окружности, равный по длине периметру квадрата); r = 3,0 мм; l = 6 мм (длина или ширина бурта); xsl = 0,71; = 3280,5 мм3; = 1045,4 мм3; = 0,903; = 0,7 (поверхность, не обработанная после проката).

Для сечения около бурта со стороны штанги (начало галтельного перехода) получаем:

D = 43 мм; dШ =22 мм; lб = 6 мм; r = 40 мм;xsl = 1; = ; =0,903; =0,7.

Таким образом, по рассмотренному критерию менее прочным  является сечение по началу галтельного перехода от тела штанги к бурту, но, тем не менее, прочность этого сечения (сопротивление усталости) практически равна прочности тела штанги.

Из проведенного анализа следует, что выбранные для работы с верхнеприводными насосами длина насосных штанг, равная 4,5 м, резьбовое соединение, переходные зоны от головки к телу штанги, выполненные по ГОСТ 13877-80, удовлетворяют условиям прочности, т.е. их прочность не ниже прочности тела штанги.

Допускаемые вышеуказанным ГОСТом перекос и несоосность крепления соединительных элементов к телу штанги приводят к существенному снижению прочности насосной штанги, точнее говоря – к уменьшению ее несущей способности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Экономические основы конструирования

 

Решая задачи конструирования оборудования, нельзя обойтись без экономической оценки принимаемых решений.

Для определения экономической эффективности оборудования необходимо оценить его как объект производства и как объект эксплуатации. За базу сравнения  берут лучшие образцы существующей отечественной и зарубежной техники по идентичным технологическим процессам. Главные параметры сравниваемого оборудования должны совпадать по величине. Только при расширении области применения известных машин данного назначения допускается различие главных параметров сравниваемого оборудования.

Как объект производства новую конструкцию оценивают по трудоемкости изготовления (общей, структурной) и удельной материалоемкости (общей и структурной материалоемкости, коэффициенту использования материала), массе (общей и относительной), себестоимости машины, определяемой на предпроектной и проектной стадиях ее создания, а также по ценам оборудования (верхнего и нижнего пределов плановой оптовой цены, лимитной цены).

Общая трудоемкость изготовления представляет собой сумму затрат труда (по нормам времени) на изготовление машины. На предпроектной стадии определить ее сложно.

Структурная трудоемкость - сумма затрат труда на отдельных технологических этапах (литье, кузнечная продукция, при механической, термической обработке, сборке и т.д.).

Удельную трудоемкость изготовления определяют отношение общей суммы трудозатрат на изготовление всей машины к величине какого-либо характерного параметра. Естественно, что такой метод определения трудоемкости неточен, так как он не учитывает массы комплектующих изделий и прочие факторы.

Материалоемкость в значительной мере зависит от применяемой технологии производства, массы машины - от совершенства ее конструкции.

Снижения массы машины и металлоемкости можно достичь правильным подбором поперечных сечений деталей, основанным на соответствующем расчете прочности и жесткости.

Цены на проектируемую машину определяют на основе данных по базовой машине.

Плановая цена находится между нижней и верхней плановыми оптовыми ценами и определяется по отраслевой себестоимости машины с учетом прибыли.

Лимитная цена примерно равна 80 % от той цены, при которой экономический эффект от применения проектируемой машины становится равным нулю. Таким образом, это наибольшая из допустимых цен проектируемого оборудования.

Коэффициент эксплуатационной трудоемкости - это отношение объема трудозатрат на ремонты оборудования за весь срок его службы к общей трудоемкости выпуска этого оборудования.

Коэффициент эксплуатационной материалоемкости - это отношение суммарной массы сменных частей, расходуемых при ремонтах машины за весь срок ее службы, к общей массе машины.

Коэффициент эксплуатационной ремонтоемкости определяется по подобному отношению суммы затрат на ремонты к стоимости машины.

Рентабельность машины выражается отношением стоимости продукции машины к сумме расходов (за один и тот же период времени). Во всех случаях рентабельность должны превышать единицу.

Срок окупаемости определяется как период службы машины, за которой экономический эффект от ее работы будет равен стоимости машины.

В нефтедобывающей промышленности все затраты на эксплуатацию месторождений, в том числе и на использование машин и оборудования, относятся на себестоимость добытой нефти. Расчеты сравнительной себестоимости продукции нового и базового оборудования иногда выполняются на стадии разработки конструкции, а чаще всего при промышленных испытаниях и внедрении новых конструкции на промыслах.