Расчетная часть-Расчет горизонтального сепаратора НГС-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет горизонтального сепаратора НГС-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

6 Расчет сепаратора

6.1 Гидравлические расчеты

Рассчитаем скорость жидкости в патрубках

V=(4·Q)/(π·d^2 ) , (1)

где V – скорость жидкости, м/с;
Q - производительность, т/сут;
d - внутренний диаметр, мм.
Для входного патрубка скорость жидкости будет равна

V=(4·1000)/(24·60·60·3,14·〖0,2〗^2 )=0,37 м/с.

Для выходного патрубка скорость жидкости будет равна

V=(4·1000)/(24·60·60·3,14·〖0,15〗^2 )=0,66 м/с.

Для коллектора системы гидроразмыва осадка скорость жидкости будет равна

V=(4·0,05)/(24·60·60·3,14·〖0,1〗^2 )=1,47 м/с.

Рассчитаем давление испытания сепаратора.
Расчетным давлением сосудов служит пробное давление испытания рпр. Первые гидравлические испытания проводят на заводе-изготовителе на рпр.
При рабочем давлении сепаратора 0,5 МПа и более

〖 р〗_пр=1,25·р_в·[σ]_20/[σ]_t , (2)

где рпр - давление испытания сепаратора, МПа;
рв – рабочее давление сепаратора, но не менее рв + 0,6, Па;
[σ]_20 - допускаемое напряжение при 20° С, Па;
[σ]_t - допускаемые напряжения при рабочей температуре, Па.

р_пр=1,25·(0,7+0,6)·〖10〗^6·(350·〖10〗^6)/(300·〖10〗^6 )=1,9 МПа.

Пробное давление для аппаратов, работающих при отрицательных температурах, принимают таким же, как и для аппаратов с температурой 20° С.
При периодическом освидетельствовании сосудов испытания проводят при таком же давлении, но в рабочем состоянии. Напряжение в стенке при гидравлическом испытании не должно превышать 0,9 σ_t, а при пневматическом - 0,8 σ_t, где σ_t - предел текучести материала сосуда.
Расчет мощности насосов для системы гидроразмыва осадка.

N_н=(z·T·V_n)/(η_(гм.н.)·η_(гм.ц.) ) ,

где Nн - мощность насоса, Вт;
z – число одновременно работающих гидроцилиндров;
Т – усилие на штоке, Н;
Vn - скорость перемещения поршня, м/с;
η гм.н - гидромеханический КПД насоса;
η гм.ц - гидромеханический КПД цилиндра.

N_н=(2·24·〖10〗^4·0,07)/(0,9·0,96)=38,8 кВт.

Расчет подачи насосов для системы гидроразмыва осадка.

〖 Q〗_н=N_н/Р_ном , (4)

где QН - подача насоса, м3/с;
Nн - мощность насоса, Вт;
Pном - номинальное давление насоса, Па.

Q_н=38888/(14·〖10〗^6 )=0,0027 м^3/с.

6.2 Прочностные расчеты

Теории прочности, допускаемые напряжения и запасы прочности. При расчете сосудов на прочность применяют следующие теории прочности:
1. Первая теория прочности - наибольших нормальных напряжений, по которой за расчетное принимают наибольшее кольцевое напряжение, определяемое для тонкостенных сосудов по формуле

〖 σ〗_к=(р_в·d_с)/(2·s) , (5)

где σ_к - кольцевое напряжение, Па;
рв - внутреннее давление в сепараторе, Па;
dс - средний диаметр сепаратора, м;
s - толщина стенки сепаратора, м.
Примем допущения, что

σ_к = [σ]_t ,       (6)

dc = dв + s ,       (7)

где σ_к - наибольшее кольцевое напряжение, Па;
[σ]_t - допускаемые напряжения при рабочей температуре, Па;
dс - средний диаметр сепаратора, м;
dв - внутренний диаметр сепаратора, м;
s - толщина стенки сепаратора, м.
Тогда толщина стенки

s=(p_в·d_в)/(2·[σ]_t-p_в ), (8)

где s - толщина стенки сепаратора, м;
рв - внутреннее давление в сепараторе, Па;
dв - средний диаметр сепаратора, м;
[σ]_t - допускаемые напряжения при рабочей температуре, Па;

s=(0,7·〖10〗^6·1,78)/(2·300·〖10〗^6-0,7·〖10〗^6 )=0,02 м.

Определим средний диаметр сепаратора по формуле (7)

dc = 1,78 + 0,02 = 1,8 м.

Найдя все величины, можно определить σ_к по формуле (5)

σ_к=(0,7·〖10〗^6·1,8)/(2·0,02)=315 МПа.

2. Вторая - теория наибольших касательных напряжений, по которой за эквивалентное берут разницу между наибольшим и наименьшим напряжениями, то есть

σэкв = σ1 – σ3 ,     (9)

Для тонкостенных сосудов имеем

〖 σ〗_1=σ_к=(р_в·d_с)/(2·s) , (10)

〖 σ〗_3=σ_r=p_(в ), (11)

где σ_к - кольцевое напряжение, Па;
рв - внутреннее давление в сепараторе, Па;
dс - средний диаметр сепаратора, м;
s - толщина стенки сепаратора, м.

〖 σ〗_экв=(р_в·(d_в+3·s))/(2·s), (12)

где σ_экв - эквивалентное напряжение, МПа;
рв - внутреннее давление в сепараторе, Па;
dв - внутренний диаметр сепаратора, м;
s - толщина стенки сепаратора, м.
Расчетная формула толщины стенки при σ_экв=[σ]_t имеет вид

s=(р_в·d_в)/(2·[σ]_t-3·р_в ), (13)

где s - толщина стенки сепаратора, м;
рв - внутреннее давление в сепараторе, Па;
dв - внутренний диаметр сепаратора, м;
〖 [σ]〗_t - допускаемые напряжения при рабочей температуре, Па.

s=(0,7·〖10〗^6·1,78)/(2·300·〖10〗^6-3·0,7·〖10〗^6 )=0,02 м.

Найдя все величины, можно определить σ_экв по формуле (12)

〖 σ〗_экв=(0,7·〖10〗^6·(1,78+3·0,02))/(2·0,02)=322 МПа.

3. Третья — энергетическая теория прочности, по которой

〖 σ〗_экв=√(0,5·[(〖 σ〗_к-〖 σ〗_м )^2+(〖 σ〗_к-〖 σ〗_r )^2+(〖 σ〗_м-〖 σ〗_r )^2 ] ), (14)

где σ_экв - эквивалентное напряжение, МПа;
〖 σ〗_к - наибольшее кольцевое напряжение, Па;
σ_м - меридиональное (продольное) напряжение, МПа.

σ_м=("р" _"в" "·" "d" _"в" )/"4·s" , (15)

где σ_м - меридиональное (продольное) напряжение, МПа;
рв - внутреннее давление в сепараторе, Па;
dв - внутренний диаметр сепаратора, м;
s - толщина стенки сепаратора, м;

σ_м=(0,7·〖10〗^6·1,78)/(4·0,02)=155,8 МПа.

Расчетная формула толщины стенки

s=(р_в·d_в)/(2,3·[σ]_t-р_в ) , (16)

где s - толщина стенки сепаратора, м;
рв - внутреннее давление в сепараторе, Па;
dв - внутренний диаметр сепаратора, м;
〖 [σ]〗_t - допускаемые напряжения при рабочей температуре, Па.

s=(0,7·〖10〗^6·1,78)/(2,3·300·〖10〗^6-0,7·〖10〗^6 )=0,018 м.

Подставив значение σ_к и σ_м и приравняв σ_r к нулю (в сосудах большого диаметра рв << σ_r), получим

〖 σ〗_экв=√(0,5·[(315-155,8)^2+(315-0)^2+(155,8-0)^2 ] )=272,8 МПа.

Анализ данных расчетов показывает, что наименьшая толщина стенки получается по третьей теории прочности.
Для расчета сосудов, работающих при внутреннем давлении, принимают формулы, полученные из первой теории прочности, и компенсируют погрешность расчетных формул введением запаса прочности nт = 1,2. Поэтому напряжение при испытании сосуда должно составлять
σ≤σ_t/1,2 , (17)

где σ - напряжение при испытании сосуда, МПа;
[σ]_t - допускаемые напряжения при рабочей температуре, МПа.
С другой стороны, давление испытания превышает рабочее, а следовательно, и напряжение при испытании превышает допускаемое рабочее 〖 [σ]〗_t в 1,25 раза, то есть

σ≤1,25·[σ]_(t ), (18)

σ≤1,25·300=375 МПа.

Для стали

σ_t ≈0,58·σ_в, (19)

где σ_в - предел прочности, МПа.
Следовательно

[σ]_t≤(σ_в )/n≈(σ_в )/2,6 , (20)

где [σ]_t - допускаемые напряжения при рабочей температуре, МПа;
σ_в - предел прочности, МПа;
n – коэффициент запаса.

[σ]_t=(1087 )/2,6=418 МПа.
Условие прочности сосуда при испытании

[σ]_t≥σ, (21)

418≥375.

то есть, условие соблюдается.
Рассчитаем допустимое усилие в сварочном соединении корпуса и крышки сепаратора по формуле

р=0,7·[τ_ср ]·К·L, (22)

где [τ_ср ] - допускаемое напряжение для сварного шва на срез, Па;
К - катет шва, м;
L - длина шва, м.

р=0,7·36·〖10〗^6·0,021·5,71=3,02·〖10〗^6 Па.

что вполне допустимо для этого соединения.
Рассчитаем шпильки во фланцевом соединении корпуса и крышки сепаратора на прочность.
Определим площадь фланца.

S=(π·D^2)/4, (23)

где S – площадь фланца, м2;
D – внутренний диаметр, м.

S=(3,14·〖1,78〗^2)/4=2,49 м^2.

Определим силу, действующую на площадь фланца.

F=P· S, (24)

где F - сила, действующая на площадь фланца, Н/м2;
P - рабочее давление, Па;
S – площадь фланца, Н/м2;

F=0,7·〖10〗^6·2,49=1,74· 〖10〗^(6 ) Н/м^2 .

Рассчитаем силу, действующую на каждую шпильку крепления во фланце.

F_ш=F/(z·k), (25)

где F_ш - сила, действующая на каждую шпильку крепления во фланце, Н/м2;
F - сила, действующая на площадь фланца, Н/м2;
z - количество шпилек;
k – коэффициент неравномерности.

F_ш=(1,47· 〖10〗^(6 ))/(12·0,7)=0,18 · 〖10〗^(6 ) Н/м^2.

Материал шпильки 40Х, = 6500 Н/см 2
Запас прочности по нормальным напряжениям

n_σ=σ_т/σ, (26)

где n_σ - запас прочности по нормальным напряжениям;
σ_т – предел текучести, Н/м2;
σ - нормальные напряжения в теле шпильки, Н/м2.

n_σ=6500/2800=2,3.

Оценка вероятности безотказной работы.
Вероятность безотказной работы Р(t) определяют по экспоненциальному закону

Р(t)=e^(-λ·t), (27)

где Р(t) - надежность сепаратора;
λ - интенсивность отказов, 1/ч;
t – время работы, дней.
Задаваясь надежностью сепаратора Р(t) = 0,99, определим интенсивность отказов λ в течение года.

λ=-lg〖P(t)〗/(t·lge ), (28)

где Р(t) - надежность сепаратора;
λ - интенсивность отказов, 1/ч.;
t – время работы, дней.

λ=-lg0,99/(365·lg2,72 )=2,7·〖10〗^(-5) 1/ч.
Определим показатели и построим графики.
Функция распределения F(t).

F(t) = 1 - P(t),      (29)

где F(t) - функция распределения;
P(t) - вероятность безотказности работы.
Вероятность безотказности работы P(t) определим по формуле (27).
Плотность распределения f(t)

f(t)=〖λ·e〗^(-λ·t), (30)

где f(t) - плотность распределения;
λ - интенсивность отказов, 1/ч;
t – время работы, дней.

График 1 - Функция распределения F(t) и
вероятность безотказности работы P(t)

График 2 - Плотность распределения
Оценка трудоемкости изделия.
Определим трудоемкость, достигаемую при проектной массе нового сепаратора, по методу учета масс.

Т=Т_а·k_м=m_a·q·∛((m/m_a )^2 ),

где Т – трудоемкость нового изделия, нормо-час;
Та - трудоемкость изделия-аналога, нормо-час;
kм – коэффициент различия масс;
mа – масса изделия-аналога, кг;
m - масса нового изделия, кг;
q - расчетный коэффициент.

Т=15500·0,88·∛((15550/15500)^2 )=1,37·〖10〗^4 нормо-час.

при трудоемкости изделия-аналога Т = 1,35 нормо-час.
Определим удельную материалоемкость, отнесенную к суточной добыче и сроку службы, по формуле

М_у=m/(Q·C) ,

где Му - удельная материалоемкость;
Q – производительность, м3/сут;
С – срок службы, лет.
Удельная материалоемкость базового сепаратора

М_у=15500/(6250·20)=0,124.

Удельная материалоемкость модернизированного сепаратора

М_у=15550/(6250·20)=0,125.

Вывод: При изготовлении нового изделия увеличилась материалоемкость и трудоемкость.