Нагруженность фрикционных узлов лебедок подъемных установок при спуско-подъемных операциях



В работе рассматривается анализ циклического нагружения фрикционных узлов лебедок подъемных установок при осуществлении спуско-подъемных операциях.

Ключевые слова: лебедка, спуско-подъемные операции , нагрузка на крюке, цикл нагружения элементов.

Лебедка является одним из основных элементов оборудования подъемной установки, с помощью которого осуществляется подъем и спуск колонны труб или штанг [1]. Подъемная установка типа «ПАП-60» смонтирована шасси КрАЗ или КрАЗ-65101. Установки предназначены для капитального и текущего ремонта нефтяных и газовых скважин. Установки состоят из лебедки с тормозным узлом и с талевой системой, коробок отбора мощности и передач, системы управления и других сборочных единиц, которые не являются равно долговечными. Среди указанных сборочных единиц низкой долговечностью и износостойкостью обладает тормозной узел лебедки, преждевременный отказ которого приводит к снижению надежности установки в целом и эффективности ремонта скважин [2,3,4]. В отличие от спуско-подъемных операций при бурении скважин, где их продолжительность не превышает 10 % времени строительства скважин, спускоподъемные операции при текущем ремонте скважин составляет до 80–90 % всего времени ремонта. При этом следует иметь в виду, что ежегодно выполняется порядка нескольких тысяч текущих ремонтов.

Объем работ по спускоподъемным операциям при капитальном ремонте во много раз меньше, чем при текущем ремонте, однако по абсолютной величине эти объемы работ весьма велики, что делает рассматриваемые задачи актуальными. В работе рассматривается анализ циклического нагружения фрикционных узлов подъемных установок при осуществлении спуско-подъемных операций [3].

При ремонте каждой скважины подъемная установка выполняет различные циклы спуско-подъемных операций — подъем колонны штанг и труб и их спуск в скважину. Подъем колонны сопровождается нагружением элементов подъемной установки, в том числе и фрикционных узлов, величина которого меняется в том же порядке от минимального (подъем первой от устья скважины) до максимального (при спуске последней трубы). Такие циклы нагружения фрикционных узлов установки повторяется при ремонте каждой скважины.

Как показал промысловый статический анализ эксплуатации подъемных установок [3] с целью увеличения ресурса и повышения надежности подъемника для текущего ремонта скважин, а особенно износостойкости тормозной системы лебедок, необходимо уделять внимание на стадии их проектирования. Напряженная работа тормозных систем подъемников обусловлена весьма большими количествами энергии и частотой спускающегося в скважину колонны труб, отдаваемой тормозной системы лебедки.

При текущем и капитальном ремонте скважин исходными параметрами для расчета циклической прочности деталей лебедки и тормоза подъемной установки в основном являются следующие:

— глубина скважины, т. е. глубина спуска насосно-компрессорных или бурильных труб;

— наружный диаметр и толщина стенки труб;

— масса присоединительных муфт;

— скорость подъема и спуска колонны труб, который вызывает динамические нагрузки;

— при выполнении точных расчетов учитывают потери веса труб и штанг в жидкости и силы трения.

Указанные параметры позволяют определить нагрузку на крюке подъемного агрегата, учитывая оснастку талевой системы, рассчитывать максимальные и минимальные, а также текущее нагрузки, действующие на подвижный конец каната, следовательно, на бочку барабана и тормоз лебедки.

Исходя из условий нагружения максимальная нагрузка на крюке определяется по следующей формуле:

(1)

где - масса колоны труб в воздухе; - масса присоединительных муфт в воздухе;

— коэффициент перегрузки при скорости подъема колонны труб, принимается

- количество труб в колонне труб; — плотность материала трубы; — длина одной трубы; — наружный диаметр трубы; — внутренний диаметр трубы; — количество муфт в колонне; - масса одной муфты.

Нагрузка, действующая на подвижный конец каната талевой системы, наматываемого на барабан, определяется по формуле:

(2)

где — количество роликов в талевом блоке талевой системы подъемного агрегата, при оснастке 3х4,

Каждый цикл нагружения элементов установки подчиняется гиперболическому закону, при котором максимальное нагружение соответствует началу координат кривой зависимости напряжения в контактных узлах от числа поднимаемых или спускаемых труб

(3)

где — контактное напряжение, действующее на детали фрикционного узла при спуско-подъемных операциях; — коэффициент, связанный с переводом нагрузки на крюке подъемной установки на нагрузку в контакте фрикционного узла;

— количество единиц массы поднимаемых или спускаемых труб; - степенной коэффициент, характеризующий наклонность гиперболической кривой зависимости напряжения в узлах трения от массы поднимаемых труб (блоков труб) с учетом динамических нагрузок.

В зависимости от количества ремонтируемых скважин, а также от массы поднимаемых труб и штанг циклы нагружения фрикционного узла повторяется и приводит к усталостному износу поверхности трения.

Опыт эксплуатации подъемных установок типа «ПАП-60» показал, что спектр напряжений, возникающих в соответствующих фрикционных узлах и деталях агрегата при ремонте каждой скважины, описывается кривой, и в соответствии с формулой (3).

Согласно полученной закономерности изменения спектра нагрузок или блока нагрузок при ремонте одной скважины, отношение циклов , соответствующего нагружению в каждом блоке нагружений выражается в следующем виде:

(4)

где — напряжение, создаваемое при спуске или подъеме

той трубы (текущее напряжение); — максимальное напряжение; — минимальное напряжение.

Если подъемной установкой ремонтируется m скважин, то аналогичная зависимость меняется в m раз.

Таким образом, расчетным путем можно вычислить количество циклов нагружения тормозного узла подъемного агрегата и предел усталости его элементов по формуле (4).

По полученному значению нагрузки производят дальнейший расчет на прочность и изностойкость элементов тормозной системы подъемной установки.

Определение минимального, текущего и максимального нагружения лебедки позволяет рассчитать спектр нагрузок, действующих на барабан и его фрикционные элементы.

Литература:

1. Ахметов С. М., Ахметов Н. М., Суюнгариев Г. Е., Канатов А. Е. Ленточноколодочный тормоз лебедки буровой установки // Описание изобретения по Патенту РК № А(КZ) 22844. — Бюл. № 8, 2010. — 8 с.
2. Вагидов М. А., Джанахмедов А. Х. Оптимизация работы подъемника при извлечении колонны труб из скважины с учетом трения //Трение и износ 1996, т.17 № 4.
3. Раджабов Н. А. Установки для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин. Баку, Азернешр, 1995.
4. Ильский А. Л., Миронов Ю. В., Чернобыльский А. Г. Расчет и конструирование бурового оборудования. Учебное пособие для вузов. — М.: Недра, 1985.-452с.