Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
РАСЧЕТ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ
Расчеты НКТ можно разделить на технологические и прочностные. К технологическим можно отнести расчеты гидравлического сопротивления потоку, движущемуся по трубам, определение работы газа по подъему жидкости в колонне труб, проверку удлинения труб. Эти расчеты даются в соответствующих разделах настоящей книги. Расчеты на прочность определяют допустимость использования данных труб по следующим параметрам: нагрузке, вызывающей страгивание резьбового соединения; эквивалентному напряжению, возникающему в опасном сечении трубы с учетом давления среды и осевой нагрузки; циклической переменной нагрузке; усилиям, вызывающим продольный изгиб трубы. Необходимость учитывать все или часть этих факторов при расчете НКТ определяется условиями их работы. Насосно-компрессорные трубы могут растягиваться под действием веса колонны труб, присоединенного оборудования, давления откачиваемой жидкости. При подаче к забою жидкости в верхней части колонны могут возникать напряжения от избыточного внутреннего давления, при опоре колонны НКТ в скважине на якорь может возникать продольный изгиб. Рассмотрим общие положения прочностного расчета НКТ. Определение нагрузок, действующих на трубы при различных случаях их использования, рассмотрим в соответствующих разделах. Прежде всего, рассмотрим расчет нагрузки, вызывающей страгивание резьбового соединения. Под страгиванием резьбового соединения понимают начало разъединения резьбы трубы и муфты, когда при осевой нагрузке напряжение в трубе достигает предела текучести материала, затем труба несколько сжимается, муфта расширяется и резьбовая часть трубы выходит из муфты со смятыми и срезанными верхушками витков резьбы, но без разрыва трубы в ее поперечном сечении и без среза резьбы у ее основания. Выражение для определения осевой нагрузки на НКТ, вызывающей страгивание резьбы, нашел Ф.И. Яковлев. Он рассмотрел взаимное действие на резьбовое соединение осевой нагрузки Р и радиальных сил, возникающих в резьбе за счет наклона граней резьбы и сил трения (рис. 1.2.16). Рассматривая нефтепромысловые трубы, Ф.И. Яковлев считал их тонкостенными. У НКТ отношение их внутреннего диаметра к толщине стенки равно у основного тела трубы 10...14, а у резьбы — 15...20. Таким образом, участок трубы у резьбы можно рассматривать как тонкостенный (условная граница между тонко — и толстостенными трубами принимается обычно при упомянутом отношении, равном 18...20) [8]. Учитывая, что осевое усилие становится страгивающей нагрузкой при достижении напряжения предела текучести, Ф.И. Яковлев получил следующее выражение: (1.2.4) где Dcp— средний диаметр тела трубы под резьбой в ее основной плоскости, Dcp = Dвн + в; Dвн, в — внутренний диаметр трубы и толщина тела трубы под резьбой (см. рис. 1.2.10); σ т — предел текучести для материала труб; l — длина резьбы (см. рис. 1.2.10); α — угол профиля резьбы; φ — угол трения. П.П. Шумилов уточнил формулу Ф.И. Яковлева. Он ввел коэффициент, учитывающий влияние основного тела трубы, более жесткого, чем ослабленная резьбовая часть:
где S — номинальная толщина трубы. Тогда (1.2.5) В НКТ α = 60°. Угол трения для стальных труб рекомендуется принимать равным примерно 9°. Встречаются случаи, когда в опасном сечении трубы действуют внутреннее избыточное давление жидкости и осевые усилия. Тогда недостаточно проверить трубы только на страгивание резьбы. Необходимо также проверить трубы на совместное действие давления и осевого усилия. Расчет равнопрочных НКТ ведется на напряжения, возникающие в стенке гладкой части трубы от внешних нагрузок. Расчет НКТ на прочность под действием давления среды (давления отбираемой жидкости, газа или смеси) без учета осевых сил ведется по известным зависимостям с определением эквивалентного напряжения по четвертой теории прочности. На практике обычно избыточное давление действует внутри труб. Коэффициент запаса принимают в этом случае равным 1, 3. В этом случае определяют эквивалентное напряжение по четвертой теории прочности, а по нему и по напряжению текучести материала находят запас прочности. В некоторых случаях на НКТ действуют циклические нагрузки. При этом трубы проверяются на страгивающую нагрузку и усталость. Для этого определяют наибольшую и наименьшую нагрузки на трубы. Эти нагрузки позволяют найти наибольшее, наименьшее и среднее напряжения, а по ним — амплитуду напряжений симметричного цикла (σ а). Зная предел выносливости материала труб при симметричном цикле (σ -1), можно определить запас прочности. Влияние циклических нагрузок на прочность материала и деталей подробно рассматривается в курсах сопротивления материалов и деталей машин. Запас прочности трубы определяется по формуле (1.2.6) где σ -1 — предел выносливости материала труб при симметричном цикле растяжения-сжатия; Кσ — коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений, масштабный фактор и состояние поверхности детали; Ψ σ — коэффициент, учитывающий свойства материала и характер нагружения детали. Предел выносливости для стали группы прочности Д равен 31 МПа при испытании в атмосфере и 16 МПа — в морской воде. Коэффициент Ψ σ = 0, 07...0, 09 для материалов с пределом прочности σ в = 370...550 МПа и ys = 0, 11...0, 14 — для материалов с σ в = 650...750 МПа. Во всех указанных расчетах НКТ запас прочности обычно принимается равным 1, 3...1, 5. Продольный изгиб труб может возникать, в частности, при опоре низа труб на забой или на якорь и в некоторых других случаях. При проверке труб на продольный изгиб определяют критическую сжимающую нагрузку, возможность зависания труб в скважине и прочность изогнутого участка трубы. Критическую сжимающую нагрузку, при которой в момент установки механического пакера колонна подвергается продольному изгибу, определяют из зависимости , (1.2.7) где 3, 5 — коэффициент, учитывающий защемление колонны труб в пакере; J — момент инерции поперечного сечения трубы, , (1.2.8) λ — коэффициент, учитывающий уменьшение веса труб в жидкости, , (1.2.9) q — вес 1 м длины труб в воздухе; Е — модуль упругости, Е = 2, 1·105 МПа. При колонне НКТ, состоящей из секций различных диаметров, в расчет принимаются диаметральные размеры нижней секции. Запас устойчивости для предотвращения изгиба принимают равным 3...4 [8]. При изгибе труб на большой длине возможно зависание изогнутых труб НКТ за счет трения их об обсадную колонну. При этом на пакер передается не весь вес изогнутой колонны. В этом случае если на верхнем конце колонны неограниченно увеличивать сжимающее усилие, то нагрузка на забое не превысит величины (1.2.10) ; где а - параметр зависания, f – коэффициенттрения НКТ об обсадную колонну при незапарафинированной колонне (для расчетов можно принимать f = 0.2); r – радиальный зазор между НКТ и обсадной колонной; l – длина колонны, для скважин в пределе l = H. Если увеличивать длины колонны, то а à 8, ξ 1; ∞ à 1/a (рис. 1.2.17.) и получаем предельную нагрузку на забой: (1.2.11)
Рис. 1.2.17. Зависимость нагрузки, передаваемой колонной на забой, от параметра зависания: 1 – ζ 1; ∞ ; 2 – ζ 1; 0
При свободном верхнем конце колонны НКТ (l = H) нагрузка на забой: (1.2.12) где Условие прочности для изогнутого участка колонны НКТ записывается в виде: , где F0 – площадь опасного сечения труб; W0 – осевой момент сопротивления опасного сечения труб (м3); P1сж — осевое усилие, действующее на изогнутый участок труб, МН; σ т — предел текучести материала труб, МПа; п — запас прочности, принимаемый равным 1, 35.
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-04-12; Просмотров: 1767; Нарушение авторского права страницы