Расчетная часть-Расчет клапана-отсекателя КАУ-89-350 и замка для него 1ЗК-70-350-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет клапана-отсекателя КАУ-89-350 и замка для него 1ЗК-70-350-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

11 Расчетная часть


11.1 Гидравлический расчет втулки-дросселя

Принцип действия разрабатываемого автоматического клапана-отсекателя заключается в том, что за счет перепада давления на сменной втулке-дросселе поршень воспринимает усилие, направленное снизу вверх, которое при определенных перепадах давления преодолевает вес подвижных частей клапана, усилие пружины и силу трения уплотнений и перемещает его вверх. При этом тарель клапана садится в седло, перекрывая центральный канал скважины.
В зависимости от площади поперечного сечения втулки и усилия пружины отсекатель будет закрываться при различных расходах жидкости, то есть практически клапан-отсекатель настраивается на необходимый расход соответствующим подбором площади поперечного сечения отверстий втулки и усилия пружины, которое зависит от осевого перемещения ее торцов.
Целью данного расчета будет являться определение проходного сечения втулки, то есть ее внутреннего диаметра.
Условие перекрытия потока жидкости клапаном отсекателем:

, (1)

где - перепад давления, создаваемый втулкой-дросселем;
- площадь сечения втулки-дросселя;
- сила трения уплотнительных колец о поршень и толкатель клапана;
- вес подвижных частей клапана;
- усилие, возникающее при сжатии пружины. [1]

Площадъ сечения втулки-дросселя, м2.:

, (2)

где - диаметр проходного сечения клапана;
- диаметр проходного сечения втулки-дросселя.
Определим вес подвижных частей клапана, Н.:

, (3)

где - вес уплотненительных колец по ГОСТ 9833-73 (2 шт.);
- вес толкателя;
- вес поршня;
- вес втулки.
Определим , Н.:

, (4)

где - ускорение свободного падения;
- масса одного уплотнительного кольца по ГОСТ9833-73;

.

Вычислим вес толкателя, Н.:
, (5)

где - масса толкателя, кг.:

, (6)

где - объем толкателя;
- плотность стали.
Найдем , как сумму обьемов цилиндрических тел, из которых он состоит (см. рисунок 23), м3.:



Рисунок 23 – Толкатель



,
.

Вычислим вес поршня, Н.:

, (7)

где - масса поршня, кг.:

, (8)

где - объем поршня.
Найдем , как сумму обьемов цилиндрических тел, из которых он состоит (см. рисунок 24), м3.:



Рисунок 24 – Поршень
,
.

Вычислим вес втулки-дросселя, Н.:

, (9)

где - масса втулки-дросселя, кг.:

, (10)

где - объем втулки-дросселя.
Найдем , как сумму обьемов цилиндрических тел, из которых она состоит (см. рисунок 25), м3:


Рисунок 25 – Втулка-дроссель
,
,
.

Вычислим силу трения уплотнительных колец о толкатель и поршень клапана, Н.:

, (11)

где - коэффициент трения резины по стали;
- сила упругости резины при сжатии, Н. [11]

, (12)

где - жесткость резины по ГОСТ 9833-73;
- смещение колец при сжатии. Уплотнительное кольцо сжимается поршнем и толкателем на величину 1 мм по диаметру 42 мм.

,
.

Вычислим усилие при сжатии пружины, Н.:

, (13)

где - жесткость пружины 1086-1012 ГОСТ 18793-80;
- ход пружины необходимый для закрытия клапана.
.

Определим перепад давления, создаваемый втулкой-дросселем при аварийном дебите.
Исходные данные для расчета (информация предоставлена ОАО «НОРИЛЬСКГАЗПРОМ» по скважине 2356 ГКМ «Пелятка», на которой установлен автоматический клапан-отсекатель в колонне НКТ89):
- аварийный дебит (закрытие клапана);
- относительный удельный вес газа;
- температура в скважине;
- давление на глубине установки клапана-отсекателя.

Перепад давления, Па.:

, (14)

где - гидравлические сопротивления при сужении потока;
- скорость потока в узкой части втулки-дросселя. [10]

Гидравлические сопротивления при сужении потока найдем по формуле Идельчика [10]:

. (15)

Скорость потока в узкой части втулки найдем по формуле, м/с.:
. (16)

Подставим выражения 15 и 16 в уравнение 14 и получим:

. (17)

Все полученные результаты подставим в уравнение 1:

.

Полученное уравнение решим при помоши программы MathCad:



Рисунок 26 – Решение уравнение в MathCad

Таким образом, внутренний диаметр втулки-дросселя принимаем равным 29,6 мм. Остальные размеры: длину втулки, размер пояска для крепления в толкателе и выходную кромку принимаем конструктивно.
11.2 Расчет цангового соединения на прочность

При закрытии клапана-отсекателя основное усилие от давления в колонне НКТ будет воспринимать цанговый захват замка для клапана-отсекателя.
Рассчитаем лепестки цанги на срез (рисунок 27).



Рисунок 27 – Цанговое соединение замка

Условие прочности:

, (18)
где - допускаемое напряжение на срез для стали 40ХН;
- коэффициент запаса прочности;
- расчетное напряжение на срез. [11]

Напряжение на срез определим по формуле, МПа.:

, (19)

где - площадь продольного сечения лепестка цанги;
- количество лепестков цанги;
- осевое усилие, возникающее от давления на клапан (рисунок 6).

Площадь продольного сечения лепестка цанги, м2.:

, (20)

где - высота лепестка цанги;
- длина уги лепестка цанги.

.

Осевое усилие, возникающее от давления на клапан, Н.:

, (21)

где - давление закрытие клапана-отсекателя КАУ-89-350;
- площадь тарели клапана с седлом, м2.:

Рисунок 28 – Действие давления на тарель клапана

, (22)

где - диаметр тарели клапана с седлом.

,
,
,
.

Условие прочности цангового соединения на срез выполняется.
11.3 Расчет тарели клапана на срез

Условие прочности:

, (23)

где - допускаемое напряжение на срез для стали 40ХН;
- коэффициент запаса прочности;
- расчетное напряжение на срез. [11]
Напряжение на срез определим по формуле, МПа.:

, (24)

где - площадь сечения среза тарели по седлу, м2.:

, (25)

где - диаметр проходного сечения седла;
- толщина тарели.

,


Условие прочности тарели клапана на срез выполняется.
11.4 Расчет крепления втулки-дросселя на срез

При прохождении потока газа через втулку-дроссель создаются гидравлические сопротивления. В результате перепада давления, на поясок крепления втулки воздействует сила, сремящаяся его срезать (рисунок 29).



Рисунок 29 – Действие перепада давления на втулку-дроссель

Условие прочности:

, (26)

где - допускаемое напряжение на срез для стали 40ХН;
- коэффициент запаса прочности;
- расчетное напряжение на срез. [11]
Напряжение на срез определим по формуле, МПа.:

, (27)

где - сила действия перепада давления на поясок втулки, Н.
- площадь сечения среза пояска втулки, м2.:

, (28)

где - толщина пояска втулки.

.

Сила действия перепада давления на поясок втулки, Н.:

. (29)

Подставим в левую часть данные, полученные в уравнениях 2 и 17 и поличим:

, (30)

Вычисли , МПа.:

,
.

Условие прочности крепления втулки-дросселя выполняется.