Расчетная часть-Расчет замковой опоры вставного скважинного насоса Установки штанговой скважинной насосной-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет замковой опоры вставного скважинного насоса Установки штанговой скважинной насосной: Проверочный расчет резьбы муфты, Расчет плунжера на прочность, Расчет на прочность деталей насоса, Расчет нагрузок действующих в точке подвески штанг-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

3 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
3.1 Проверочный расчет резьбы муфты

Присоединение муфты с колонной НКТ осуществляется посредством резьбового соединения. Зная наибольшую нагрузку на один виток резьбы, можно составить условие прочности этого витка на срез, смятие и износостойкость контактной поверхности резьбы.
Условие прочности резьбы на срез
    (3.1)
где  – внутренний диаметр резьбового соединения, ;
– высота срезаемого сечения резьбы,
– коэффициент учитывающий неравномерность распределения нагрузки между витками резьбы,
– коэффициент неполноты резьбы,
   (3.2)
где  допускаемое напряжение для стали марки Д.
Условие прочности резьбы на срез выполняется.
Условие прочности резьбы на смятие
     (3.3)
где  – внутренний средний диаметр вершин,
– внутренний средний диаметр впадин,

Условие прочности резьбы на смятие выполняется.


3.2 Расчет плунжера на прочность

Осевая сила действующая на плунжер состовляет

Площадь опасного сечения
(3.4)

Напряжение растяжения
(3.5)
 
Условие прочности плунжера на растяжение выполняется.

3.3 Расчет на прочность деталей насоса

Цилиндр насоса подвергается действию внутреннего давления, изменяющегося от нуля до максимального значения, под действием которого в теле насоса возникают тангенциальные и радиальные напряжения. Максимальные напряжения можно определить в зависимости от соотношения внутреннего и наружного радиусов цилиндра:
при
МПа
МПа,
где – внутреннее давление;
r – текущее значение радиуса.
Величину определяют по третьей теории прочности
МПа
МПа.


3.4 Расчет нагрузок действующих в точке подвески штанг

Вес колонны штанг в воздухе,
, (3.6)
где  qшт2 – вес 1 метра штанг верхней ступени (qшт2=4,1кг).

Вес колонны штанг в жидкости,
, (3.7)

Коэффициенты m и по формулам А.С. Вирновского:
, (3.8)
.
, (3.9)
.      
Вибрационные составляющие нагрузки при ходе вверх и вниз,
, (3.10)

, (3.11)

Инерционные составляющие нагрузки при ходе вверх и вниз,
, (3.12)

, (3.13)

Поправочные коэффициенты для динамических составляющих экстремальных нагрузок при ходе вверх и вниз,
, (3.14)
.
, (4.15)
.
Нагрузки при ходе вверх и вниз,
, (3.16)

, (3.17)

Напряжение в штангах,
, (3.18)

, (3.19)

Амплитудное напряжение,
, (3.20)

Усталостное напряжение,
, (3.21)


Для нормализованной стали марки Сталь 20 НМ с ТВЧ лег (пр)=120 МПа подходит пр=123 МПа. Поэтому оставим конструкцию колонны неизменной.
Крутящий момент на валу редуктора,
, (3.22)

Подберем окончательно станок – качалку. По результатам расчета установлено: Рмах=66,9 кН; Мкрмах=21654 Нм; S=1,8 м; n=10,8 мин-1. Этим условиям соответствует станок – качалка 7СК8 – 3,5 – 4000.

3.5 Сравнительный анализ усилий срыва вставного насоса стандартного
исполнения и насоса с модернизированной замковой опорой

Как известно, замковые опоры вставных насосов (верхняя и нижняя) представляют собой лепестковые разрезные пружины. При установке насоса пружина замка проталкивается через уплотнительное кольцо якорного башмака, пока якорная оправка не будет прижата к конусу уплотнительного кольца. Лепестки пружины разжимаются, и насос фиксируется.
Демонтаж вставного насоса производится путем нагружения штанговой колонны. Как показала практика, на штанговую колонну при срыве насоса значительно превышает нагрузку при ходе плунжера вверх.
Для расчета усилия срыва насоса в качестве модели механизма крепления мы рассматриваем балку, закрепленную с одного конца. В качестве балки принимаем лепесток пружины. Задача сводилась к нахождению усилия F, которое требуется для деформации лепестка на расстояние 3 мм. Согласно законам физики усилие срыва P определяется по формуле:
(3.23)
где - коэффициент трения лепестка о башмак насоса;
F – горизонтальное усилие.
Согласно [1] сборник задач по сопротивлению материалов/ Под ред. В.К. Качурина – М.: Наука, 1970 – 432 с.
(3.24)
где F – горизонтальное усилие;
l – длина лепестка;
E – модуль упругости;
Ix – момент инерции сечения лепестка.
(3.25)
где D, d – размеры пружины.
Из (3.24) и (3.25) следует
(3.26)
(3.27)
H
На шесть лепестков пружины
H
Тогда усилие срыва насоса с учетом сухого трения и загрязнения поверхности
H
Рассчитанное усилие нами определено только для пружины. В связи с тем, что эта нагрузка будет передаваться через колонну насосных штанг, она увеличит свое значение, что крайне опасно для штанг.
Модернизированная опора вставного насоса удерживает насос за счет сил гидравлики. Срыв насоса с этой опорой будет происходить постепенно, как это указывалось выше, в течение некоторого времени, когда жидкость в герметизированной камере стечет через зазор между большой ступенью насоса и корпусом в скважину. Поэтому в этом случае примерная нагрузка для срыва насоса будет определяться по формуле Вирновского.

3.5 Анализ напряженно-деформированного состояния корпуса
замковой опоры

Напряженно-деформированное состояние корпуса замковой опоры определяли в программно-числовом комплексе Ansys. Корпус замковой опоры представлена на рисунке 3.1.


Рисунок 3.1 – Корпус замковой опоры

Прикладываемые нагрузки следующие:
наружное избыточное давление в затрубе 10 МПа;
наружное избыточное давление в корпусе 10,5 МПа;
осевая сила G = 300 Н.
Построение модели корпуса замковой опоры производили поэтапно. Задавая точки, соединяли их дугами окружностей, затем по дугам отрисовывали площади. Используя команду Extrude – Areas – Along Lines, получали трехмерную модель корпуса. Трехмерная модель представлена на рисунке 3.21.

Рисунок 3.2 – Трехмерная модель корпуса замковой опоры

В качестве конечных элементов принимали элемент Solid 186. На рисунке 3.3 представлена его модель. 20-узловой трехмерный элемент, предназначен для моделирования твердых тел. Solid 186 имеет квадратичное поведение смещения и хорошо подходит для моделирования нерегулярных ячеек, произведенных различными системами CAD/CAM.

 








Рисунок 3.3 – Вид конечного элемента Solid186

Элемент определен 20 вершинами (узлами), имеющими три степени свободы в каждом узле. Элемент поддерживает пластичность, гиперупругость, ползучесть, напряжение (придание жесткости), большое отклонение, и большие способности деформации. Он также обеспечивает способность моделирования (имитации) несжимаемых материалов эластомера, и полностью несжимаемых гиперупругих материалов. На рисунке 3.4 представлена конечно-элементные модель корпуса, разбитая конечными элементами Solid186.


Рисунок 3.4 - Конечно-элементная модель корпуса 

В качестве материала корпуса была выбрана сталь 45, которая имеет предел текучести 379 МПа.
На рисунке 3.5 представлено напряженно-деформированное состояние корпуса замковой опоры. Анализируя рисунок, можно сделать вывод, что рабочие напряжения корпуса замковой опоры не превышают предела текучести материала. На рисунке 3.6 представлена графическая зависимость изменения напряжений в корпусе замковой опоры по ее длине (снизу вверх).






3.5 Напряженно-деформированное состояние корпуса замковой опоры




 Рисунок 3.6 – Графическая зависимость изменения напряжений в
корпусе замковой опоры по ее длине (снизу вверх)