Расчетная часть-Расчет фонтанной арматуры на рабочее давление 24 МПа-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет фонтанной арматуры на рабочее давление 24 МПа-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

3 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
3.1 Расчет фланцевых соединений фонтанной арматуры

Для низких и средних давлений (7...35 МПа) рекомендуют применять тройниковую фонтанную арматуру, для средних и высоких давлений (35...105 МПа) крестовую арматуру.
Скорости движения жидкости или газа в тройниках, крестовинах и запорных устройствах, при определении диаметра проходного сечения фонтанной арматуры, должны находиться в пределах 0,5...5 м/с.
При наличии значительного количества механических примесей (свыше 100 мг/л) в продукции скважины необходимо предусматривать дополнительные (резервные) отводы.
При выборе запорных устройств необходимо руководствоваться тем, что для низких давлений (7...14 МПа) применяются пробковые краны, при более высоких давлениях – прямоточные задвижки.
Исходные данные для расчета:
Рабочее давление – р = 24 МПа;
Материал фланцев – сталь 40Х с закалкой в масле и высоким отпуском;
Материал прокладки – сталь 08 кп;
Материал шпилек – сталь 35Х
Средний диаметр уплотнений фланцев:
- в стволовой части арматуры Dср. ств = 0,22 м
- боковых отводов Dср. бок = 0,16 м

Расчетная нагрузка на фланцевое соединение (рисунок 3.1, 3.2) складывается из усилия на шпильки при их предварительной затяжке и усилий, возникающих в процессе эксплуатации арматуры.
Также учитываются изгибающий момент от массы боковых отводов и влияние разности температур между проходящей жидкостью или газом и окружающей средой.

Рисунок 3.1 – Фланцевое соединение

Нагрузка на шпильки от их предварительной затяжки
(3.1)
где Dср - средний диаметр прокладки фланцевого соединения, м;
bэфф – ширина уплотняющего пояска прокладки, м;
qn - удельное давление смятия прокладки, зависит от материала прокладки, принимается по таблице 3.1 (qn = 125 МПа)


Рисунок 3.2 – Сопряжение прокладки

Таблица 3.1
Конструкция прокладки Материал прокладки Коэффициент m Минимальное удельное давление прокладки qП, МПа
Металлическая овального или восьмигранного сечения Сталь 08кп
ГОСТ 2050-60 5,5 125
 Сталь ОХ13
ГОСТ 5632-61 5,5 125
 Сталь ОХ18Н10Т
ГОСТ 5632-61 6,5 180

Нагрузка, действующая на шпильки в стволовой части арматуры

Нагрузка, действующая на шпильки в боковых отводах арматуры

Эксплуатационная нагрузка складывается из cилы давления перекачиваемой среды Р0, силы давления на прокладку Рост, силы изгибающего момента от массы боковых отводов РМ, от усилия при температурных деформациях Рt.
Сила давления перекачиваемой среды
(3.2)
где р - рабочее давление, Па

Сила давления перекачиваемой среды в стволовой части арматуры


Сила давления перекачиваемой среды в боковых отводах арматуры


Сила давления на прокладку для обеспечения герметичности соединения (остаточное усилие затяжки)
(3.3)
где m - эмпирический прокладочный коэффициент, учитывающий материал
уплотненных элементов, физические свойства рабочей среды
Величина коэффициента m для жидкостей выбирается по таблице 3.1 в зависимости от материала и формы прокладки. При использовании фонтанной арматуры для работы на газовой и газожидкостной смесях его увеличивают в 2 раза.
 Сила давления на прокладку для обеспечения герметичности в стволовой части арматуры
Сила давления на прокладку для обеспечения герметичности в боковых отводах арматуры

Масса арматуры и манифольдов, подсоединяемых к ним и оборудованных несколькими задвижками и дросселями, бывает весьма значительной. При этом не всегда отводящие трубопроводы имеют надежную опору, и поэтому часть их силы тяжести передается арматуре, что создает момент, который нельзя не учитывать в расчетах. Получается рычаг, к которому приложена сила в центре тяжести отвода между тройником и опорой отвода. Рычаг опирается о прокладку фланца и растягивает часть шпилек.
Это шпильки, наиболее удаленные от манифольда, создающего изгибающий момент. Так как расстояние до центра тяжести отвода от оси арматуры измеряется обычно метрами, а от опоры фланца до шпилек - сантиметрами, существенный вес отвода создает значительную нагрузку на шпильки.
Сила от изгибающего момента для стволовой части от массы боковых отводов фонтанной арматуры (рисунок 3.3)
(3.4)
где М - изгибающий момент от массы отвода и линий, идущих к манифольду, Н∙м
Dб - диаметр окружности центров отверстий под болты (шпильки), м

Рисунок 3.3 - Схема нагрузки отводящего трубопровода на арматуру устья

Изгибающий момент М (при определении усилий в стволовой части) равен произведению расстояния от центра тяжести отвода до оси арматуры устья l=9000 мм на силу тяжести отвода Fотв=75 кг, тогда
Силу от изгибающего момента для боковой части арматуры будем считать равной нулю (l = 0), т.е.
Усилие от температурных деформаций возникает из-за того, что при повышенной разнице в температуре перекачиваемой (пластовый флюид и др.) и окружающей среды внутренние и наружные элементы фонтанной арматуры подвержены разным деформациям, что создает дополнительные нагрузки.
(3.5)
где Δt - превышение температуры прокладки и фланцев по сравнению с температурой шпилек. При расчетах полагают, что фланцы, приваренные встык нагреваются до температуры среды в трубопроводе, а температура шпилек составляет около 0,95 температуры фланца для неизолированных фланцев и 0,97 - для изолированных;
lш = 0,152 м - рабочая высота шпильки (расстояние между серединами высот гаек), м;
α - коэффициент линейного расширения (принимается для фланцев и шпилек одинаковым);
Еш, Епр - модули упругости шпилек и прокладки, Па;
Fш, Fпр - площади поперечного сечения шпилек (на участке без резьбы) и прокладки, м2;
H = 15 мм - конструктивная высота прокладки, м;
D = 214,1 мм - внешний диаметр прокладки, м;
D1 = 208,6 мм - диаметр фаски прокладки, м;
γ - угол наклона стенки канавки под прокладку (γ = 67o).

В итоге эксплуатационная нагрузка равна
(3.6)

В качестве расчетной нагрузки на шпильки (болты) принимается наибольшее из двух значений Рэ (в стволовой части или боковых отводах).
Была определена максимальная нагрузка в стволовой части, которая составила 959,854 кН. По величине данного усилия определяется (проверяется) число шпилек (болтов) фланцевого соединения.
(3.7)
где qш - допускаемая нагрузка на одну шпильку (болт), Н

(3.8)
где do = 0,028376 м - внутренний диаметр резьбы шпилек, м;
σдоп - допускаемое напряжение, определяется через предел текучести материала
шпилек , при коэффициенте запаса nш = 3,5
(3.9)
Допускаемая нагрузка на одну шпильку
Число шпилек фланцевого соединения

Полученное число шпилек (болтов) округляется до числа, кратного 4. Таким образом, принимаем 8 шпилек.
Для создания расчетного удельного контактного давления на уплотняющей поверхности прокладки необходимо, чтобы шаг между осями шпилек (болтов) был равен t ≤ 5d, где d – наружный диаметр шпильки (болта). При больших давлениях шпильки ставят с шагом t = (3...2,5)d.


3.2 Определение напряжения в наиболее опасном сечении фланца

Фланец считают по наиболее опасным сечениям, таковым является сечение АС для фланцев с овальной и восьмигранной прокладкой (рисунок 3.4).
Для расчета фланец представляется в виде консольной балки с заделкой в указанных сечениях и рассматривается изгиб от силы РЭ.
Уравнение моментов
(3.10)

Момент сопротивления опасного сечения
(3.11)

Напряжение в опасном сечении

Рисунок 3.4 - Фланец


Допустимое напряжение [σ] определяется по пределу текучести и составляет 520 МПа для материала фланца сталь 40Х с закалкой в масле и высоким отпуском.
Коэффициент запаса прочности фланца стволовой части
,
что является приемлемым при рекомендуемом запасе 2,5.

Изложенный выше метод расчета является приближенным, так как не учитывает податливость деталей фланцевых соединений при их нагружении, деформации изгиба шпилек и др. А это имеет значение при больших давлениях.