2.3. УЗЛЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ КОЛОННЫ гибких труб

Колонна гибких труб или ее часть, не находящаяся в скважине, располагается на барабане, конструкция которого имеет вид цилиндрической бочки, как правило, подкрепленной изнутри ребрами и снабженной по бокам ребордами или радиально расположенными стержнями. Если используют последние, то между ними чаще всего натягивают металлическую сетку, исключающую попадание между витками посторонних предметов. Барабан вращается на валу, установленном на подшипниках качения. Для фиксации "мертвого" конца гибкой трубы, намотанной на барабан, его бочка имеет зажимы.

Диаметр последней в зависимости от диаметра гибкой трубы изменяется от 1,6 до 2 м, а ширина составляет в среднем 1,8 – 2,5 м. "Мертвый" конец гибкой трубы соединяется через задвижку, а в ряде случаев и через обратный клапан с каналом, просверленным в валу барабана. У выхода из отверстия на торце вала размещают вертлюг, обеспечивающий подачу технологической жидкости от насосов в полость вала и далее в колонну гибких труб.

Необходимость установки задвижки обусловлена требованиями безопасности – в случае потери герметичности вертлюга или трубопроводов манифольда она обеспечивает герметичность внутренней полости колонны гибких труб, находящихся в скважине, и исключает неконтролируемое истечение жидкости в окружающее пространство. Наиболее предпочтительной является конструкция узла с задвижкой, а не с обратным клапаном, поскольку с ее помощью при возникновении аварийной ситуации можно оперативно управлять процессом и уменьшать гидравлические потери при течении технологической жидкости.

Узел крепления "мертвого" конца трубы, соединительные элементы и задвижку располагают во внутренней полости боч­ки барабана. В некоторых конструкциях там же размещают и  привод барабана – гидромотор и редуктор.

Конструкция барабана, которую в том или ином виде при­меняют для большинства агрегатов, приведена на рис. 10.

В комплект барабана для гибкой трубы входит и ее укладчик – устройство для обеспечения ровной укладки витков трубы при ее разматывании и наматывании (рис. 11.)  В настоящее время общепринято монтировать укладчик в виде двухзаходного винта, перемещающего каретку по направляющим. Через нее пропускается гибкая труба, наматываемая на барабан. Винт приводится в действие от вала барабана посредством цепной передачи. Ролики каретки, направляющие гибкую трубу, соединяются гибким тросом со счетчиком, регистрирующим глубину ее спуска. Специалисты некоторых фирм считают необходимым дублирование счетчиков, устанавливая один непосредственно на каретке, а второй – в кабине оператора.

Узел, в который входит барабан, может быть неподвижно закреплен на раме агрегата или иметь вертикальную ось, позволяющую ему поворачиваться с небольшими отклонениями (15 – 20°), что приводит к снижению нагрузки на элементы агрегата при разматывании или наматывании витков трубы, находящихся на краях барабана. Однако в этом случае усложняются конструкции и рамы, и узла барабана.

Для обеспечения смазки поверхности трубы, направляемой в скважину, и защиты ее от коррозии после извлечения на поверхность проводят орошение (смачивание) трубы, намотанной на барабан. Для этого вдоль нижней части барабана устанавливают распылители, а под ним самим – сборник.

Рис. 11. Укладчик гибкой трубы:1 – реборда; 2 – траверса; 3 – бочка барабана; 4 – рама

Жидкость, приготовленную на углеводородной основе, на поверхность трубы подает насос при вращении барабана, ее излишки стекают с витков, намотанных на последний, в сборник и опять поступают на прием насоса.

Известны конструкции, где для упрощения процесса смачивания поверхности труб барабан располагают в карте­ре, размер которого подбирают таким образом, чтобы витки трубы, лежащие на барабане, были погружены в смазыва­ющую жидкость. В нижней части картера имеется дренажный трубопровод, служащий для слива скапливающейся там воды.

2.4. Система управления агрегатом

К системе управления агрегатом относятся кабина оператора, пульты управления основным и вспомогательным оборудованием.

Учитывая сложные климатические условия, в которых происходит эксплуатация агрегатов, а также особенности организации выполнения работ (использование вахтового метода), к кабине оператора предъявляют достаточно высокие тре­бования:

а) удобство рабочего места оператора;

б) комфортные условия труда с точки зрения обогрева (ох­ла­­ж­дения);

в) хороший обзор рабочей зоны;

г) удобный пульт управления.

Удовлетворение указанных требований должно сочетаться с обеспечением допустимых габаритов агрегата и ограничений нагрузки на колеса транспортной базы. Поэтому при конструировании кабин управления следует учитывать их размещение в транспортном и рабочем положениях. В большинстве зарубежных агрегатов кабина оператора, находящаяся за кабиной водителя транспортного средства, снабжена гидроприводом, обеспечивающим ее вертикальное перемещение в пределах 1 – 1,5 м. Известны технические решения, в которых перевод кабины в рабочее положение осуществляется путем ее поворота. И в том, и в дру­гом случаях появляется более удобный обзор барабана с наматываемой на него гибкой трубой, укладчика трубы и устьевого оборудования, прежде всего транспортера.

На пульте управления агрегата располагают весь комплекс контрольно-измерительных приборов и органов управления. К первым относятся приборы, контролирующие режимы работ при­водного двигателя и всех систем гидропривода, длину трубы, спущенной в скважину, и давление технологической жидкости, а ко вторым – органы управления транспортером, уплотнителем, барабаном, укладчиком трубы и приводным двигателем.

В зависимости от конструктивных особенностей агрегата применяют гидравлические или электрогидравлические системы управления.

3.ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ АГРЕГАТОВ, ИХ РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ

3.1. ТРАНСПОРТЕР КОЛОННЫ ГИБКИХ ТРУБ (ИНЖЕКТОР)

Кинематический расчет

Цель расчетов, приведенных в данном разделе, заключается в определении взаимосвязи скорости перемещения колонны гибких труб и подачи рабочей жидкости гидропривода к гидромоторам транспортера.

Два гидромотора, приводящие в действие цепи транспортера, получают рабочую жидкость от насоса того же типа, что и каждый гидромотор.

Подача насоса

Qф = qкnфK0/1000,

где qк – объем рабочей камеры насоса (qк = 112 см3); nф – фактическая частота вращения вала гидромотора; коэффициента подачи насоса K0 = 0,95.

При  nф = 1500 об/мин Qф = 112×1500×0,95/1000 = 159,6 л/мин.

Угловая скорость вращения вала гидромотора

wг = [(Qф/2)pKом1000]/30qк,

где Kом – объемный КПД гидромотора (Kом = 0,95).

Соответственно угловая скорость вращения звездочки инжекторного механизма

wг = [(Qф/2)pKом1000]/30iqк,

где i – передаточное отношение редуктора транспортера.

Скорость подъема непрерывной трубы

v = wгR,

где R – радиус звездочки, которая приводит в действие цепь инжекторного механизма (R = 114 мм).

В результате

v = [R(Qф/2)pKом1000]/30iqк.

Скорость перемещения трубы при номинальной частоте вращения вала приводного двигателя

v = [0,114(159,6/2)×3,14×0,95×1000]/30×24×112 = 0,336 м/с.

При работе приводного двигателя с максимальной час­тотой вращения nф = 1800 об/мин, подача насосов Qф = 191 л/мин и соответственно скорость перемещения трубы  v = 0,4 м/с.

Определение допускаемого усилия на плашки

Усилие, с которым плашки воздействуют на трубу, однозначно связано с величинами напряжений, возникающих в последней. Для определения максимально допустимого значения усилий проследим взаимосвязь внутренних силовых фак­торов и внешней нагрузки.

Для оценки напряжений, возникающих в продольных сечениях гибкой трубы, сжатой плашками, рассмотрим возможные варианты их взаимодействия, которые определяют картину приложения внешних сил к трубе.

В дальнейшем примем следующие допущения, которые, как показывает практика, достаточно обоснованы: плашка пред­ставляет собой абсолютно жесткий монолит, а труба – упругое тело.При взаимодействии плашек с трубой возможны три варианта приложения сил:

а) при Rтр.н < Rп возникает ситуация, изображенная на рис. 12, а;

б) при Rтр.н > Rп имеет место вариант, представленный на рис. 12, в;

в) при Rтр.н = Rп характерной является картина, изображенная на рис. 12, б.

Здесь Rтр.н – наружный радиус гибкой трубы, Rп – радиус кривизны контактной поверхности плашек.

Картины взаимодействия плашки и трубы, представленные на рис. 12, а, в, могут наблюдаться не только при несоответ­ствии размеров трубы и плашки, но и при деформации поперечного сечения трубы. Помимо этого встречаются и другие варианты приложения нагрузки, например, несимметричный. В этом случае каждая из плашек по-своему взаимодействует с трубой.

Рис. 12. Схема взаимодействия плашек транспортера с гибкой трубой:

при сжатии трубы: а – двумя сосредоточенными силами, б – равномерно распределенной нагрузкой, в – двумя парами сосредоточенных сил

Для определения наиболее опасного с точки зрения прочности трубы случая взаимодействия плашки с ее поверхностью рассмотрим внутренние силовые факторы (см. рис. 12), возникающие при различных вариантах приложения сил .

Приложение двух сосредоточенных сил. Этот случай соответствует соотношению Rтр.н < Rп (см. рис. 12, а). При этом в поперечных сечениях трубы с угловой координатой j действуют следующие силы:

нормальная

N(j) = 0,5Рsinj;

поперечная

Q(j) = 0,5Рсosj;

изгибающий момент

M(j) = РRтр.н(0,3183 – 0,5sinj).             

Приложение двух пар сосредоточенных сил. Этот случай соответствует соотношению Rтр.н > Rп. Здесь также в качестве координаты рассматриваемого сечения принят угол j.

Нормальная сила:

интервал 0 £ j £ a

N(j) = –(P/2)[0,3183сosj(sin2b – sin2a)];

интервал a £ j £ b

          N(j) = –(P/2)[0,3183сosj(sin2b –sin2a) + sinj];

нтервал b £ j £ p

N(j) = –(P/2)[0,3183сosj(sin2b – sin2a)].

Поперечная сила:

интервал 0 £ j £ a

Q(j) = (–P/2)[0,3183sinj(sin2a – sin2b)];

интервал a £ j £ b

Q(j) = (–P/2)[0,3183sinj(sin2a – sin2b) + сosj];

интервал b £ j £ p

Q(j) = (–P/2)[0,3183sinj(sin2a – sin2b)].

Изгибающий момент:

интервал 0 £ j £ a

M(j) = (PRтр.н/2)[0,3183(bsinb + сosb – asina – сosa –  

        – sin2aсosj + sin2bсosj) – sinb + sina];       

интервал a £ j £ b

M(j) = (PRтр.н/2)[0,3183(bsinb + сosb – asina – сosa –

– sin2aсosj + sin2bсosj) – sinb + sinj];      

интервал b £ j £ p

M(j) = (PRтр.н/2)[0,3183(bsinb + сosb – asina – сosa –

– sin2aсosj + sin2bсosj)].                 

В рассматриваемом случае нагружения трубы предполагают, что каждая из действующих сил равна половине усилия, приложенного к плашке.

Приложение распределенной нагрузки. Этот случай соответствует соотношению Rтр.н = Rп (см. рис. 12, б). Значение j характеризует текущую угловую координату продольного сечения, в которой определяется изгибающий момент, а a – половину угла охвата трубы плашкой. Силовые факторы в поперечных сечениях определяются следующим образом.

Нормальная сила:

интервал 0 £ j £ a

N(j) = –qRтр.нsin2j;

интервал a £ j £ p – a

N(j) = –qRтр.нsinasinj.

Поперечная сила:

интервал 0 £ j £ a

Q(j) = qRтр.нsinjсosj;

интервал a £ j £ p – a

Q(j) = qRтр.нsinaсosj.

Изгибающий момент:

интервал 0 £ j £ a

M(j) = qR2тр.н{(1/p)[(0,5a + asin2a + 1,5sinaсosa)] –

– 0,5 sin2a – 0,5sin2j};                   

интервал a £ j £ p – a

M(j) = qR2тр.н{(1/p)[(0,5a + asin2a) + 1,5sinaсosa] –

– 0,5sin2a – sinasinj + 0,5sin2a}.                

Для определения экстремальных значений изгибающих моментов в безразмерной форме были построены эпюры, характеризующие зависимости M(j) для различных условий приложения нагрузки. Для обеспечения возможности сопоставления получаемых величин по формулам при распределенной нагрузке коэффициент выражен через величину силы P, приложенной к плашке, и ее ширину Lï = 2Rsina. Тогда

qR2тр.н = R2тр.нP/L = R2тр.нP/2Rтр.нsina = PRтр.н/2sina.

Отсюда величины безразмерных изгибающих моментов M1(j) могут быть представлены следующим образом:

при приложении двух сосредоточенных сил

                            M1(j) = M(j)/PRтр.н = –0,3183 + 0,5sinj;

при приложении двух пар сосредоточенных сил

интервал 0 £ j £ a

M1(j) = M(j)/2PRтр.н = (1/2)[0,3183(bsinb + сosb – asina –

– сosa – sin2aсosj + sin2bсosj) – sinb + sina];

интервал a £ j £ b

M1(j) = M(j)/2PRтр.н = (1/2)[0,3183(bsinb + сosb – asina –

– cosa – sin2aсosj + sin2bсosj) – sinb + sinj;

интервал b £ j £ p

M1(j) = M(j)/2PRтр.н = (1/2)[0,3183(bsinb + cosb – asina –

– сosa – sin2aсosj) + sin2bсosj)];

при приложении распределенной нагрузки

интервал 0 £ j £ a

M1(j) = M(j)/(PRтр.н) = [1/(2sina)]{(1/p)[(0,5a +

+ asin2a + 1,5sinaсosa] – 0,5sin2a – 0,5sin2j};

интервал a £ j £ p – a

M1(j) =  M(j)/(PRтр.н/2sina) = [1/(2sina)]{(1/p)[(0,5a +

+ asin2a + 1,5sinaсosa] – 0,5sin2a – sinasinj + 0,5sin2a}.

Графики, иллюстрирующие изменение изгибающего момента, приведены на рис. 13, 14. Из них следует, что оптимальным с точки зрения минимизации напряжений, возникающих при сжатии плашкой трубы и действии распределенной нагрузки, является значение угла охвата a, близкое к 90°. Достигнуть такой величины по конструктивным соображениям невозможно, поэтому в качестве максимального значения следует принимать a = 80 ¸ 85°.

Это же положение относится и к случаю действия двух пар сосредоточенных сил. Однако этот вариант нагружения является промежуточным при переходе к распределенной нагрузке.

При условии равенства геометрических размеров поперечных сечений гибких труб для трех рассмотренных вариантов взаимодействия их с плашками наиболее опасным будет случай, при котором возникает максимальный по модулю изгибающий момент. При проведении прочностных расчетов следует, в первую очередь, учитывать растягивающие напряжения, которые суммируются с растягивающими напряжениями, возникающими при действии давления технологической жидкости.

Максимальные значения изгибающих моментов для трех рассмотренных случаев представлены ниже:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9