Расчетная часть-Расчет Оборудования блока очистки системы циркуляционной СЦ-31-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Расчетная часть-Расчет Оборудования блока очистки системы циркуляционной СЦ-31: Расчет поперечной балки каркаса рамы на условие сохранения жесткости, Расчет продольной балки каркаса рамы на условие сохранения жесткости, Расчет сварного шва трубы каркаса крыши на растяжение, Расчет свариваемости элементов рамы-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

6 Техническое предложение

Техническое предложение заключается в модернизации системы очистки. Целью модернизации является создание двухмодульной блочной конструкции системы очистки. В отличие от базовой конструкции предлагается разместить все оборудование системы очистки на специально сконструированной раме.
Оборудование блока очистки системы циркуляционной СЦ-31 полностью монтируется-демонтируется и обвязывается каждый раз при переезде на новое место бурения. На монтаж бригаде из двух монтажников требуется 10 рабочих дней, на демонтаж – 6 дней.
Эффект модернизации заключается в сокращении сроков монтажа-демонтажа оборудования. Разработка рамы позволит монтировать оборудование блока очистки менее чем за один день посредством использования двух автокранов.
Рамная конструкция блока очистки должна отвечать следующим требованиям:
- отвечать заданным нагрузкам от установленного оборудования;
- габариты основного несущего каркаса рамы должны быть выполнены в соответствии с габаритыми емкости блока очистки;
- рама должна отвечать габаритам ширины, которые не должны превышать габариты зимника ( 3,5 м );
- должны быть предусмотрены строповочные элементы для монтажа рамы вместе с установленным оборудованием;
Сконструированная рама представлена на рисунке 11. Она состоит из: двух основных продольных балок 1 длиной 12000 мм,; двух продольных балок 2 для выступающих габаритов вибросита ЛВС-1М и ситогидроциклонного сепаратора СГС-1М, изготовленных из трубы профильной 220х100; четырех поперечных балок 3 для вибросита и ситогидроциклонного сепаратора длиной 3010 мм; четырех поперечных малых балок 4 для установки дегазатора и центрифуги длиной 2370 мм; концевых поперечных балок 5.
Основные продольные балкик и концевые поперечные балки изготовлены из трубы профильной 300х200 ГОСТ 8639-82, все прочие – из трубы профильной 20х100 ГОСТ 8639-82.


1 – основная продольная балка; 2 –продольные балки; 3 - поперечные балки; 4 – поперечные малые балки; 5 –концевые балки.

Рисунок 11 – Схема рамы для блока очистки

К раме посредством сварки прикреплен каркас крыши. Схема совместно выполненной конструкции рамы с крышей представлена на рисунке 12.
Крыша отвечает габаритам по высоте устанавливаемого оборудования – максимальный габарит по высоте у дегазатора Каскад-40 составляет 1900 мм. Предусмотрен способ захвата за специальные монтажные проушины конструкции для перемещения. Проушины располагаются на каркасе крыши 2. Каркас крыши 2 выполнен из трубы стальной 114х8 прикрепленной к раме 1 посредством сварки с применением «косынок».


1 – рама; 2 –каркас крыши; 3 - съемная площадка; 4 – съемный навес; 5 –упор съемной площадки.

Рисунок 12 – Схема рамы совместно с каркасом крыши

Общее количество монтажных проушин равно восьми – для проведения монтажа-демонтажа посредством использования двух автокранов с применением стропочных элементов «паук».
Исходя из требований по габаритам, проходы для обслуживания выполнены съемными. Они изготавливаются из уголка 63х63 ГОСТ 8509-93, имеют проушины для крепления к раме посредством пальцев. С противоположной от рамы стороны площадки крепятся к емкости блока очистки с помощью специальных упоров. Упоры в свою очередь вставляются в фиксаторы, приваренные к емкости блока очистки. Подобное исполнение позволит без труда убирать проходы для обслуживания при подготовке к транспортировке.
Элементы укрытия, расположенные непосредственно над проходами для обслуживания, также сконструированы съемными. Съемный навес изготовлен из трубы 60х4 ГОСТ 8732-78, которая крепится на съемной площадки путем установки в трубу 73х5 длиной 135 мм. Отрезок трубы 73х5 в свою очередь приварен к съемной площадке. К каркасу крыши съемный навес крепится посредством специальных проушин и пальцев с применением стопорных элементов.
Настил каркаса рамы и съемных площадок выполнен из листа рифленого толщиной 5 мм ГОСТ 8568-77.
Для центрирования во время проведения монтажа рамы предусмотрены центрирующие элементы, выполненные на диаметрально противоположных сторонах рамы. Внутреннее отверстие этих элементов выполнено на конус, предполагается что центровка рамы во время монтажа будет производится посредством натяжения цепей.
Чертежи деталей, которые требуется изготовить для проведения данной модернизации, представлены на листе 9 графического материала дипломного проекта.









7 Расчетная часть

7.1 Расчет поперечной балки каркаса рамы на условие сохранения жесткости

Так как все поперечные балки выполнены из одного и того же профиля с одинаковыми характеристиками, заделки находятся в одних и тех же местах, то расчет произведем для самой нагруженной. А именно для поперечной балки на которую будет установлен ситогидроциклонный сепаратор, масса которого является наибольшей.
Примем следующие упрощения: профильная труба 220х100 принимается за идеальное прямоугольное сечение, нагрузка от СГС-1М является равномерно распределенной.



Рисунок 13 - Регулярный вид балки, эпюры поперечных сил и моментов
На рисунке 13 представлен регулярный вид балки.
Для проведения расчета потребуются следующие данные:
- распределенная нагрузка от СГС-1М
- длина пролета балки
- модуль упругости
Опоры балки заменим действием опорных реакций: поперечных - и , продольных - и . Так как продольные силы отсутствуют, можно сделать вывод, что .
Так как нагрузка на балку распределена равномерно, реакции опор найдем по формуле, кН [6]:

      (1)

где - реакции опор, кН;
q – распределенная нагрузка, кН/м;
l – длина балки, м
Вычислим реакций опор:



Максимальную поперечную силу Q, кН определим из выражения [6]:

     (2)

Найдем значение максимальной поперечной силы:

Найдем максимальный изгибающий момент, действующий на балку. Значение моментов в заделках будет равно 0.
Определим максимальный изгибающий момент , [6]:

      (3)



Условие недопущения потери жесткости имеет вид [6]:

      (4)

где f – прогиб балки, м;
- максимально допустимый прогиб балки, м.
Прогиб балки f найдем из выражения [6]:

     (5)

где - максимальное напряжение, МПа;
- наибольший по модулю изгибающий момент, ;
- осевой момент инерции, .
Осевой момент инерции найдем по формуле [6]:

     (6)

где , - соответственно ширина внешнего и внутреннего контура трубы профильной, м;
- соответственно высота внешнего и внутреннего контура трубы профильной, м.
Для определения максимального напряжения потребуется знание величины осевого момента сопротивления [6]:

     (7)

Рассчитаем величину осевого момента сопротивления , [6]:



По формуле (6) найдем величину осевого момента инерции , [6]:



Максимальное напряжение , МПа определим из выражения [6]:

      (8)



По формуле (5) найдем прогиб балки f, м [7]:



Сравним полученное значение прогиба с допустимым, которое согласно СНиП 2.01.07-85 составляет 0,0198.



Таким образом условие жесткости выполняется.

7.2 Расчет продольной балки каркаса рамы на условие сохранения жесткости

Продольная балка имеет более трёх опорных усилий, поэтому она статически неопределима, и в ней невозможно найти значения опорных усилий, используя только уравнения статики. Для расчёта такой балки нужно составить столько дополнительных уравнений, сколько дополнительных опорных связей было установлено.
Для проведения расчета воспользуемся специально разработанной инженерной программой Beam 2.1.1.108. [20]
Программа предназначена для расчёта на прочность и жесткость многопролетных статически неопределимых балок, построения эпюр прогибов, углов поворота, изгибающих моментов, напряжений и поперечных сил, возникающих в балке от приложенных внешних нагрузок. Программа производит проверку и подбор сечения стальных балок, описанных в сортаменте металлопроката, прилагаемом с данной программой.
На рисунке 14 представлена графическая оболочка программы.


Рисунок 14 - Графическая оболочка программы Beam 2.1.1.108 [20]

Рассмотрим начальные параметры продольной балки. В местах крепления поперечных балок будут действовать силы, возникающие от действия сил тяжести установленного оборудования. Предполагаем, что вес каждой единицы оборудования будет равномерно распределен между двумя соответствующими поперечными балками. В нашей системе тогда будут действовать одинаковые по значению пары сил, прикладываемые в местах крепления к продольной балке поперечных балок.
Для проведения расчета потребуются следующие данные:
- вертикальные силы от вибросита ЛВС-1М
- вертикальные силы от СГС-1М
- вертикальные силы от дегазатора Каскад-40
- вертикальные силы от центрифуги ОГШ-501У
- длины пролетов балки соответственно,м:
- величины расстояний от точки приложения вертикальных сил до левого конца балки, м:
После ввода исходных данных в программу был произведен расчет заданной многопролетной балки. На рисунке 15 представлена полученная расчетная схема.



Рисунок 15 - Расчетная схема балки

На рисунке 16 представлена эпюра прогибов.


Рисунок 16 - Эпюра прогибов

На рисунке 17 представлена эпюра углов поворота.


Рисунок 17 - Эпюра углов поворота

На рисунке 18 представлена эпюра изгибающих моментов.



Рисунок 18 - Эпюра изгибающих моментов

На рисунке 19 представлена эпюра поперечных сил.


Рисунок 19 - Эпюра поперечных сил.
Характеристики элемента:
Сортамент: трубы стальные профильные по ГОСТ 8639-82
Элемент: труба 300x200х7;
Масса 1 м.п. = 38,57 кг;
Момент инерции, Jx = 1061,44
Момент сопротивления, Wx = 151,63
Статический момент полусечения, Sx = 114,66
Марка стали – 09Г2С
Расчётное сопротивление стали, Ry = 230 МПа
Расчётное сопротивление стали сдвигу, Rs = 0,58·Ry = 133,40 МПа
Относительный прогиб - 1/250 пролёта
Модуль упругости, E = 206000 МПа
Проверка условий прочности и жесткости:
Напряжения в балке, МПа:
- нормальное : Mmax / Wx = 86,84 < Ry = 230,     [9]
- касательное : Qmax·Sx / (Jx·tст) = 24,73 < Rs = 0,58·Ry = 133,4. [10]
Максимальный прогиб (с коэффициентом надёжности) = 15,37 , что составляет 1/420 от максимального пролёта 6,46 m.
Сечение элемента проходит по условиям прочности и жесткости.

7.3 Расчет сварного шва трубы каркаса крыши на растяжение

Допускаемое напряжение для стыковых сварных соединений конструкций при растяжении согласно [8] составляет , МПа:

,       (11)

где - допускаемое напряжение основного металла, МПа.
Допускаемые напряжения для сварного шва составляет , МПа:



Величину допускаемой нагрузки для сварного соединения определим по формулe [8]:

      (12)

где - допускаемая нагрузка, Н;
l - длина сварного шва, м;
s =0,007 – катет сварного шва, м.
Определим длину сварного шва для трубы каркаса крыши, с помощью которой будет произведен монтаж рамы, l, м:

      (13)

где - наружний диаметр трубы, м.
Длина сварного шва составляет l, м:



Допускаемая нагрузка на сварной шов составляет , Н:



Нагрузка от установленного оборудования и веса самой рамы будет распределена между восьмью монтажными трубами.
Нагрузка, приходящаяся на одну трубу составит , Н:

      (14)
где - нагрузка от установленного оборудования, Н;
- нагрузка от веса рамы, Н.



Сравним полученное значение нагрузки с допустимым, имеем [8]:

       (15)



Коэффициент запаса сварного шва на разрыв k определим по формуле:

      (16)



Таким образом условие прочности сварного шва выполняется.


7.3 Расчет свариваемости элементов рамы

Наиболее существенным параметром при сварке и наплавке углеродистых и низколегированных сталей является сопротивляемость
образованию холодных и горячих трещин. [9]:
 Все свариваемые детали выполнены из стали 09Г2С. Химический состав стали 09Г2С для расчета принят по ГОСТ 19281-89.
Вероятность появления при сварке или наплавке горячих трещин можно определить по показателю Уилкинсона H.C.S. [8]:

    (17)

где С = 0,12– содержание углерода в стали, %;
S = 0, 04 – содержание серы в стали,
P = 0,035 – содержание фосфора в стали, %;
Si = 0, 6– содержание кремния, %;
Ni = 0, 3 – содержание никеля, %;
Mn = 1, 5– содержание марганца, %;
Cr = 0, 3 – содержание хрома, %;
Mo = 0 – содержание молибдена, %;
V = 0 – содержание ванадия, %.



При обычной сварке низколегированной стали трещины начинают возникать при H.C.S.=4, в нашем же случае значение H.C.S. меньше.
Для оценки склонности металла к появлению холодных трещин используем углеродный эквивалент , рассчитываемый по формуле [8]:

   (18)



Так как показатель необходимо предусмотреть предварительный подогрев.