Модернизация подшипникового узла шнекового конвейера буровой платформы, для бурения на морском шельфе-Курсовая работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Модернизация подшипникового узла шнекового конвейера буровой платформы, для бурения на морском шельфе-Курсовая работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин
В данном дипломном проекте рассматривается задача современной нефтяной промышленности, с целью улучшения работы, комплекса по подготовке бурового шлама, превращения его в однородную мелкую консистенцию, с целью закачки полученной массы в техническую скважину.
Одним из способов решения, указанной задачи, является повышения ресурса и увеличения межремонтного периода подшипниковой опоры шнекового конвейера.
Пояснительная записка включает в себя 3 раздела: техническую часть, экономическую часть и раздел безопасности и экологичности проекта. В техническую часть входят: проведение патентного обзора модернизации, с предложением технического решения поставленной задачи. Выполнение расчетов элементов модернизации. Также предлагается изменить общую схему процесса подготовки пульпы, с заменой инжекторной воронки на шнековый конвейер. Экономическая часть рассматривает вопросы обеспечения экономической эффективности при применении модернизированной системы подготовки пульпы. Раздел безопасности и экологичности проекта рассматривает вопросы охраны труда и окружающей среды.
Дипломный проект состоит из: графического материала общим объемом в количестве 9 листов формата А1, и пояснительной записки объемом 102 машинописных листов.
В связи с тем, что поступающие в буровой раствор частицы выбуренной породы оказывают вредное влияние на его основные технологические свойства, а следовательно, на технико-экономические показатели бурения, очистке буровых растворов от вредных примесей уделяют особое внимание.
Для очистки бурового раствора от шлама используется комплекс различных механических устройств вибрационные сита, гидроциклонные шламоотделители (песко- и илоотдели-тели), сепараторы, центрифуги Кроме того, в наиболее неблагоприятных условиях перед очисткой от шлама буровой Раствор обрабатывают реагентами-флокулянтами, которые Позволяют повысить эффективность работы очистных устройств.
Несмотря на то, что система очистки сложная и дорогая, в большинстве случаев применение ее рентабельно вследствие значительного увеличения скоростей бурения, сокращени расходов на регулирование свойств бурового раствора уменьшения степени осложненности ствола, удовлетворения требований защиты окружающей среды.
При выборе оборудования для очистки буровых растворов учитывают многообразие конкретных условий. В противном случае возможны дополнительные затраты средств и времени.
Каждый аппарат, используемый для очистки раствора от шлама, должен пропускать количество раствора, превышающее максимальную производительность промывки скважины (исключая центрифугу).
В составе циркуляционной системы аппараты должны ус-танавливаться в строгой последовательности. При этом схема прохождения раствора должна соответствовать следующей технологической цепочке: скважина — газовый сепаратор - блок грубой очистки от шлама (вибросита) — дегазатор — блок тонкой очистки от шлама (песко- и илоотделители, сепаратор) — блок регулирования содержания и состава твердой фазы (центрифуга, гидроциклонный глиноотделитель).
Разумеется, при отсутствии газа в буровом растворе исключают ступени дегазации; при использовании неутяжеленного раствора, как правило, не применяют глиноотделители и центрифуги; при очистке утяжеленного бурового раствора обычно исключают гидроциклонные шламоотделители (песко-и илоотделители). Иными словами, каждое оборудование
предназначено для выполнения вполне определенных функций и не является универсальным для всех геолого-технических условий бурения. Следовательно, выбор оборудования и технологии очистки бурового раствора от шлама основывается на конкретных условиях бурения скважины. А чтобы выбор оказался правильным, необходимо знать техно-логические возможности и основные функции оборудования.
Обычно в буровом растворе в процессе бурения скважины присутствуют твердые частицы различных размеров (рис. 7.12). Размер частиц бентонитового глинопорошка изменяется от единицы до десятков микрометров, порошкообразного барита — от 5—10 до 75 мкм, шлама - от 10 мкм до 25 мм. Но пока частицы шлама достигнут циркуляционной системы, они уменьшатся за счет механического измельчения и диспергирования. В результате длительного воздействия частицы шлама постепенно превращаются в коллоидные частицы (размером менее 2 мкм) и играют весьма заметную роль в формировании технологических свойств бурового раствора.
При идеальной очистке из бурового раствора должны удаляться вредные механические примеси размером более 1 мкм. Однако технические возможности аппаратов и объективные технологические причины не позволяют в настоящее время достичь этого предела. Лучшие мировые образцы вибросит (ВС-1, В-21, двухсеточное одноярусное сито фирмы "Свако", двухъярусное вибросито фирмы "Бароид" и др.) позволяют удалять из бурового раствора частицы шлама размером более 150 мкм. Максимальная степень очистки при использовании глинистых растворов достигает 50 %. Это практически технологический предел вибросита при бурении глинистых отложений с промывкой их водными растворами.
Применение гидроциклонного пескоотделителя позволяет увеличить степень очистки бурового раствора до 70 — 80 %; Удаляются частицы шлама размером более 40 мкм. Для более глубокой очистки применяют батарею гидроциклонов диаметром не более 100 мм — илоотделителей. С помощью этих аппаратов удается очистить буровой раствор от частиц шлама размером до 25 мкм и повысить степень очистки до 90 % и более.
Более глубокая очистка от шлама сопряжена с применением очень сложных аппаратов — высокопроизводительных Центрифуг и поэтому обычно экономически невыгодна. Дальнейшее уменьшение содержания твердой фазы в буровом растворе осуществляется разбавлением либо механической обработкой небольшой части циркулирующего бурового раствора, в результате которой из него удаляется избыток тонкодисперсных (размером 10 мкм и менее) частиц.
Как видим, механическими средствами можно достичь очень глубокой очистки неутяжеленного бурового раствора Для утяжеленного раствора степень очистки ограничивается необходимостью сохранения в растворе утяжелителя. Поэтому механическими аппаратами из утяжеленного раствора практически могут быть извлечены частицы шлама размером лишь до 74 мкм. Частицы шлама размером от 5— 10 до 75 —90 мкм невозможно отделить от частиц барита, а так как потери барита недопустимы вследствие его высокой стоимости, дальнейшее улучшение степени очистки утяжеленного раствора обычно осуществляют переводом частиц шлама в более грубодисперсное состояние (например, путем применения флокулянтов селективного действия). При этом большое внимание уделяют регулированию содержания и состава твердой фазы с помощью центрифуги или гидроциклонных глиноотделителей.
4. Винтовой конвейер (шнек)

Винтовые конвейеры относятся к группе транспортирующих устройств непрерывного действия. В нефтегазовой промышленности используются при транспортировки шлама.

4.1 Назначение и область применения

Винтовые конвейеры используют для транспортирования на небольшие расстояния (30-40 м) сыпучих и мелкокусковых (цемента, гравия, песка, шлака и т. п.), а также вязких и тестообразных (мокрой глины, бетона, шлама и т.п.) материалов. Винтовыми конвейерами нецелесообразно транспортировать липкие и сильно уплотняющиеся, а также высокоабразивные грузы.
Винтовые конвейеры получили довольно широкое распространение благодаря тому, что имеют закрытый транспортный тракт и пригодны для перемещения пылящих, токсичных и горячих материалов. Наибольшее распространение получили винтовые конвейеры, транспортирующие материалы по горизонтали или под небольшим углом к горизонту. Иногда применяют специальные вертикальные винтовые конвейеры, осуществляющие вертикальное транспортирование материалов. Эти конвейеры имеют незначительное распространение и серийно не изготовляются.

4.2 Описание конструкции и принципа действия

Основными элементами винтовых конвейеров являются (рис. 4.1): желоб 4 полукруглой формы, внутри которого расположен винт 5, вращающийся в подшипниках 3 при помощи привода 8. Материал загружается через загрузочное отверстие 2, а выгружается — через выходное отверстие 6 с задвижкой 7. Желоб обычно закрыт крышкой 1, но иногда имеет песочный затвор.
Материал загружается с одного конца трубы и постепенно перемещается при ее вращении к другому концу, где и выгружается. Насыпной груз подается в желоб через одно или несколько отверстий в его крышке и при вращении винта скользит вдоль желоба, подобно тому, как движется по винту гайка, удерживаемая от совместного с ним вращения. Совместному вращению груза с винтом препятствует сила тяжести груза и трение его о желоб. Принцип действия винтовых конвейеров основан на использовании осевой движущей силы, возникающей при вращении винтовой поверхности с углом подъема α.
Загрузочные выполнены в виде люка в крышке желоба и выпускного патрубка, обеспечивающего герметичность при переходе сыпучего материала в желоб из бункеров, технологических машин или других конвейеров.
Винтовые конвейеры выполняют горизонтальными или полого-наклонными (под углом до 20o к горизонту) и вертикальными. Материал движется вверх под действием силы трения между ним и кожухом, возникающей из-за наличия центробежной силы от вращения частиц материала у поверхности винта. Сила трения замедляет движение частиц, и они, проскальзывая по поверхности винта, одновременно с вращательным имеют и поступательное движение вверх. Вертикальные конвейеры получают материал от горизонтальных винтовых конвейеров, создающих подпор материала. Нижний участок вертикального винта, куда подается груз, делают либо с уменьшенным шагом, либо переменного, уменьшающегося кверху диаметра.
Желоб винтового конвейера U-образной формы, сварной из листового металла толщиной 4-8 мм, имеющий длину до 4м. Желоб бывает сварной конструкции, крепится на фланцах и болтах. Обычно он снабжаются загрузочными и разгрузочными патрубками, которые имеют квадратное сечение. Они привариваются к крышке и днищу желоба, применяются для очистки от загрязнения. Крышка укрепляется болтами. Когда винтовой конвейер имеет несколько пунктов разгрузки, под разгрузочными патрубками могут устанавливаться затворы, перекрывающие патрубок. Открывание и закрывание затвора производится вручную или дистанционно, при помощи соответствующего исполнительного механизма.
Для устранения распыливания транспортируемого материала применяют песочный затвор в виде дополнительных бортов к желобу, образующих боковые пазухи, в которые засыпается песок и погружаются боковые края крышек. Выходные отверстия желоба снабжают задвижками, регулирующими форму струи материала.
Конструкция желоба и крышки должна быть пыленепроницаемой, а конвейер испытываться на пыленепроницаемость. Винтовые конвейеры, предназначенные для транспортирования газовыделяющих материалов, или работающие в зоне какого-либо газа, должны быть газонепроницаемыми и испытываться на газонепроницаемость.
На рис. 4.2 а) показано болтовое соединение крышки с желобом с прокладками из резины или асбеста; последние применяют при транспортировании материалов с высокой температурой.
На рис. 4.2 б) показано соединение, называемое пылевым затвором. В лабиринтный паз, образуемый отбортовками желоба и крышки, засыпается транспортируемый материал, являющийся в данном случае уплотнителем. Достоинством этого соединения является простота съема крышки: не требуется отвинчивания и завинчивания большого количества болтов. Следует отметить, что эта конструкция непригодна для случаев, когда в полости желоба возможно избыточное давление.
На рис. 4.2 в) показано крепление крышки в газонепроницаемом винтовом конвейере, предназначенном для работы под избыточным давлением внутри кожуха. Уплотнение соединения достигается путем вдавливания отбортованной крышки в резиновую полосу, уложенную в паз желоба. Соединение крышки с желобом при помощи откидных болтов с гайками-барашками позволяет сравнительно легко обеспечить необходимую глубину вдавливания, а также облегчает съем крышки. Для удобства наблюдения за работой подвесных и концевых подшипников, а также расположением транспортируемого материала в зоне подшипников, в крышках, около подшипников размещают откидные люки.
Направление движения материала в желобе зависит от направления вращения винта и направления витков винта (см. рис. 3.3).
Винты небольшого диаметра, работающие с абразивным материалом, иногда выполняют литыми чугунными с отбеленной поверхностью. Поскольку винтовая поверхность в плоскость не раскладывается, обычно винт делают из трубы. Витки винта изготовляют навивкой полосы (холодной или нагретой) на обечайку или штамповкой из стального листа толщиной 4...8 мм, а затем приваривают к валу. Спираль ленточного и лопасти лопастного винта укрепляют на стерженьках, пропускаемых через просверленные в валу отверстия.



Рисунок 4.4 – Заполнение витка винта в зависимости от коэффициента наполнения желоба.

Тип винта выбирают по виду поверхности и в зависимости от коэффициента наполнения витка желоба (рис. 4.4).
Винт конвейера выполняют с правым или левым направлением спирали, одно-, двух- или трехзаходным. Поверхность винта может быть сплошной, ленточной или прерывистой в виде отдельных лопастей фасонной формы (рис. 4.5).






1)- полностенный (со сплошной винтовой поверхностью); 2)-ленточный; 3)-лопастный; 4)- фасонный.
Рисунок 4.5 – Винты конвейеров

Винт со сплошной поверхностью применяют преимущественно при перемещении сухого мелкозернистого и порошкового насыпного груза, не склонного к слеживанию; с ленточной, лопастной и фасонной - при перемещении слеживающихся грузов. Винт не допускает обратного пересыпания материала и поэтому при одинаковых диаметрах и числах оборотов дает большую производительность, чем винты других типов.
Ленточные винты применяют при транспортировании крупнокусковых или липких материалов. Лопастный и фасонный винты используют для интенсивного перемещения груза, а также когда должна быть выполнена еще и определенная технологическая операция, например смешивание, смачивание.
На практике использования винтовых конвейеров встречаются случаи применения их с винтами разных типов в одном агрегате. На рис. 4.6 показан винтовой конвейер для транспортирования золы в котельных установках. Конвейер подает золу от золоуловителей в шлакозольный канал. Особенностью данного конвейера является то, что он имеет комбинированный винт, состоящий из витков сплошного сечения и лопастных витков. Последние расположены в головной части конвейера, где производится смешивание золы с водой с целью образования гранул золы для уменьшения ее текучести. Операция гранулирования золы осуществляется перед подачей ее в шлакозольный канал для предотвращения вытекания золы из транспортных устройств (скребковый конвейер, скрепер), подающих шлак и золу в шлакозольный бункер для последующего удаления их с территории котельной. Как видно из рис. 3.6, диаметр лопастного винта больше, чем диаметр сплошного винта, что объясняется меньшей производительностью лопастного винтового конвейера.

Рисунок 4.6 – Конвейер для транспортирования золы

Конструкция стационарных винтовых конвейеров общего назначения должна удовлетворять требованиям ГОСТа 2037-65 и обеспечивать удобный доступ для осмотра и смазки его частей, разборку привода без снятия винта и демонтаж винта без разборки привода.
Вал винта, состоящий для удобства сборки из отдельных секций, может быть сплошным или трубчатым. Трубчатые валы имеют меньшую массу, и их более удобно скреплять между собой с помощью вставляемых по концам коротких соединительных валиков. Отдельные участки длинных валов соединяют между собой муфтами.
Вал винта лежит в промежуточных и концевых подшипниках. Промежуточные подшипники подвешиваются сверху на укрепленных на желобе поперечных планках. Они должны иметь по возможности малые диаметр и длину (так как витки винта на эту длину приходится прерывать), а также надежное уплотнение во избежание загрязнения частицами груза. Нередко это подшипники скольжения, в которых вращаются со-единительные валики. Вал винта поддерживается подшипниками через каждые 2,5-3,0 м. Смазка к подшипникам подводится по трубкам от пресс-масленок, расположенных сверху на планках.
Концевые подшипники укрепляют в торцовых стенках желоба. Один из них делают упорным и устанавливают обычно со стороны, в которую перемещается груз, для восприятия действующей вдоль вала осевой растягивающей силы. Кроме подшипников вал имеет подпятник, воспринимающий осевую силу винта. Подшипники и подпятники могут быть скользящие, но лучше их выполнять в виде опор качения.
Головной (упорный) подшипник воспринимает осевое давление, возникающее при работе конвейера. Осевые усилия достигают в ряде случаев большой величины и составляют значительную долю общих сопротивлений в винтовых конвейерах. На конвейерах отечественного производства для головных подшипников применяют подшипники качения. Для хвостовых подшипников винтовых конвейеров отечественного производства также применяют преимущественно подшипники качения. Особенностями хвостовых подшипников является то, что они рассчитаны на возможность осевого сдвига. Благодаря этому достигается определенность в передаче осевых усилий на головной подшипник, а также компенсируются неточности изготовления.
Подвесные подшипники являются одним из основных элементов винтовых конвейеров. Габариты подвесных опор конвейеров в известной мере определяют допустимый коэффициент заполнения конвейеров транспортируемым материалом и величину сопротивления материала при прохождении его через зону подшипников. ГОСТ 2037-65 устанавливает, что подшипники и соединительные муфты не должны занимать более 25% полезного сечения желоба, расположенного ниже геометрической оси винта.
Подвесные опоры в конвейерах отечественного производства выпол-няются с подшипниками скольжения или качения. Подвесной подшипник скольжения, показанный на рис. 3.7, выполнен с разъемным вкладышем. Болты, стягивающие вкладыш, выведены на крышку желоба. Предусматривается подача к вкладышам консистентной смазки. Конструкция подшипника позволяет сравнительно легко производить монтаж и демонтаж винта и допускает некоторое осевое смещение винта (последнее необходимо при транспортировании материалов с высокой температурой).










Рисунок 4.7 – Подвесной подшипник скольжения

Важнейшим условием обеспечения нормальной работы подшипников скольжения является их систематическая смазка. Рекомендуется централизованная смазка этих подшипников.


а) с войлочным и лабиринтным уплотнением; б) с резиновыми манжетами и лабиринтным уплотнением.
Рисунок 4.8 – Подвесные подшипники качения

На рис. 4.8 показаны подвесные подшипники со сферическими шарикоподшипниками, допускающими некоторый угловой поворот промежуточного валика. Подшипники имеют крышки с лабиринтным уплотнением и прессмасленки для подачи консистентной смазки. Подшипник, показанный на рис. 3.8, б, имеет более качественное уплотнение (при помощи резиновых манжет) для предохранения от попадания пыли во внутреннюю полость. Недостатком этих подшипников является то, что их нужно весьма тщательно монтировать, чтобы обеспечить зазоры, предусмотренные в лабиринтных уплотнениях, и не допустить перекосы промежуточных валиков, так как в этом случае также нарушается плотность лабиринтных уплотнений. Рассматриваемые конструкции непригодны для винтовых конвейеров, транспортирующих материалы с высокой температурой, поскольку тепловые деформации также могут нарушить зазоры в лабиринтных уплотнениях.
Подвесные подшипники устанавливают на конвейерах с шагом до 3 м. Для уменьшения сопротивления при проходе материала через зону подшипников рекомендуется устанавливать подшипники с наибольшим допустимым шагом.
Винт приводится в движение от электродвигателя через редуктор, что обеспечивает высокий к. п. д. и эксплуатационную долговечность. Приводы рекомендуется устанавливать в головной части конвейера, чтобы винт работал на растяжение. Одноприводные винтовые конвейеры изготовляют длиной до 50 м. При большей длине транспортирования применяют двухприводные конвейеры.
Приводы винтовых конвейеров аналогичны приводам, используемым в остальных машинах непрерывного действия, но, как правило, имеют меньшие габариты. Это объясняется в первую очередь довольно большой частотой вращения винтов. Ввиду этого в качестве передаточных механизмов используют одноступенчатые цилиндрические редукторы в сочетании с открытой конической передачей, двухступенчатые цилиндрические редукторы, клиноременные передачи.
Разгрузка желоба производится через одно или несколько отверстий в днище, снабженных затворами. Для предохранения от завала в разгрузочном патрубке устанавливают мембранный сигнализатор уровня.
Интерес представляют способы технического решения вопросов, связанных с тепловым удлинением конвейера. В конвейере жестко закреплены участки головных подшипников с приводами. Опоры желобов не закреплены и могут сдвигаться в осевом направлении. Вся тепловая деформация винтов и желобов передается на участок компенсационной секции, где имеется подвижной стык. На этом участке концы винтов консольные, длина консоли равна шагу винта. Между винтами предусмотрен зазор 60 мм, который сокращается при тепловом удлинении конвейера. Для предотвращения оседания материала на стенках желоба при охлаждении последнего внешняя поверхность желоба выстлана термоизоляционными плитками.

4.3 Техническая характеристика

Ряды диаметров винта и его шага имеют следующие значения в мм (табл. 4.1):
Таблица 4.1 – Ряды диаметров и шага винта.
Диаметр
 100 125 160 200 250 320 400 500 650 800
Шаг  100 125 160 200 250 320 400 500 650 800
 80 100 125 160 200 250 320 400 500 650

Номинальные числа оборотов винта в минуту должны соответствовать следующему ряду: 6; 7,5; 9,5; 11,8; 15; 19; 23,6; 30; 37,5; 47,5; 60; 75; 95; 118; 150; 190; 236 и 300. Числа оборотов в минуту менее 6 не регламентируются.
Длина конвейера может быть любой, но в массовом производстве обычно составляет 30-40 м, редко до 50 м.
Производительность винтового конвейера Q=20-40 м3/ч, но при больших размерах винта может составлять до 100 м3/ч.
Для приведения конвейера в движение используют различные трехфазные электродвигатели и редуктора, выполненные в соответствии с ГОСТами.

6. Техническое предложение

В данном дипломном проекте рассмотрена схема удаления и подготовки бурового шлама на буровой платформе. В процессе бурения скважины, процесс удаления шлама является закрытым, так как в дальнейшем шлам подготовленный (пульпа), закачивается в техническую скважину. Процесс подготовки пульпы замкнут. Для уменьшения возникновения не штатных ситуаций целесообразно более широко использовать винтовые конвейеры, исключив рукава высокого давления, так как в процессе эксплуатации возникали не однократно засорение шламовых и инжекторных насосов. Используемое оборудование требует дополнительного контроля рабочего персонала для исключения не штатных ситуаций.
При работе винтового конвейера (шнек), слабым звеном оказался подшипниковый узел, в зависимости от метода установки шнека, и направления подачи шлама, происходило постоянное воздействие абразивного материала на подшипниковый узел.
Цель модернизации повышение долговечности подшипникового узла в условиях работы при высокой абразивной нагрузке, и замены манифольда высокого давления на винтовой конвейер.
На основании рассмотренного патента № 2274595 предлагаю установить на винтовую секцию уплотнение с пружиной, что позволяет добиться герметичности узла, при высокой абразивности и мелкодисперсионности перемещаемой продукции, а так же визуально контролировать надежность уплотнения, при возникновении течи уплотнения происходит его визуальное контролирование, и исключает попадание пульпы на подшипник.
В ходе модернизации предлагается заменить радиальный роликовый подшипник, на радиально-упорный роликовый, позволяющий продлить срок службы подшипниковой опоры, так как ресурс предложенной подшипниковой опоры в два раза выше используемой, с целью уменьшения затрат на проведение модернизации сохранением посадочные размеры вала.
В результате модернизации упрощается контроль подшипникового узла и уплотнения, что приводит к повышению надежности работы винтового конвейера в целом.
Кроме того в процессе эксплуатации системы приготовления бурового шлама для закачки его в техническую скважину, происходило периодическое забивание инжекторной воронки, требовался оператор для контроля данного устройства, в процессе эксплуатации. Для решения данного вопроса предлагается установить дополнительный шнек с уменьшенным зазором, что позволяет в целом повысить надежность системы в целом.
Данная модернизация и предложение представлена в графической части выпускной квалификационной работе.
В результате выполнения выпускной квалификационной работы, предложена модернизация шнекового конвейера, а именно подшипникового узла, с целью увеличения срока службы.
Так же предложена схема изменения процесса подготовки бурового шлама, для закачки его в техническую скважины (процесс утилизации).
Выполнены общие расчеты винтового конвейера, а так же расчет подшипникового узла, с цель подбора подшипника с минимальными затратами на проведение модернизации.
Выполнена экономическая и экологическая часть выпускной квалификационной работы, в соответствии с элементами модернизации.