Расчетная часть-Расчет бурового крюка УК-225-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Расчетная часть-Расчет бурового крюка УК-225: Определение основных параметров бурового крюка, Расчет деталей на прочность, Расчет ствола крюка на статическую прочность, Расчет ствола крюка на усталостную прочность, Расчет пластинчатого рога крюка на статическую прочность, Расчет пластинчатого рога крюка на усталостную прочность-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

2 Расчетная часть

2.1 Определение основных параметров бурового крюка

Исходными данными при выборе базового крюка является конструк-ция скважины и проектная глубина бурения. Именно эти параметры опреде-ляют максимальную массу груза, который необходимо переместить на крюке. Схема конструкции скважины представлена на рисунке 2.1, а исходные дан-ные для расчета приведены в таблице 2.1. Расчет ведется по методике [2].
Нагрузка от массы кондуктора Qк, кН, определяется по формуле
Qк = qк∙lк,
где
 qк – вес одного погонного метра кондуктора, кН/м;

 lк  –
 длина кондуктора, м.





Qк = 1,225∙350 = 428,75 кН
Нагрузка от массы первой промежуточной колонны Q1п, кН
Q1п = q1п∙l1п,
где q1п – вес одного погонного метра первой промежуточной колонны, кН/м;

 l1п – длина первой промежуточной колонны, м.

Q1п = 0,848∙900 = 763,2 кН
Нагрузка от массы второй промежуточной колонны Q2п, кН
Q2п = q2п∙l2п,
где q2п – вес одного погонного метра первой промежуточной колонны, кН/м;

 l2п  – длина первой промежуточной колонны, м.
Q2п = 0,585∙1800 = 1053 кН.
Нагрузка от массы эксплуатационной колонны Qэ, кН
Qэ = qэ∙lэ,
где qэ – вес одного погонного метра эксплуатационной колонны, кН/м;
 lэ – длина первой промежуточной колонны, м.
Qэ = 0,32∙3000 = 960 кН.
Нагрузка от массы бурильной колонны Qэ, кН
Qб.к. = Qб.т. + QУБТ,
где Qб.т – нагрузка от массы бурильных труб, кН

Qб.т. = qб.т.∙lб.т.,

 qб.т – вес одного погонного метра бурильных труб, кН/м;
 lб.т – общая длина бурильных труб, м


Qб.т. = 0,306.∙2800 = 856,8 кН
QУБТ – нагрузка от массы утяжеленных бурильных труб, кН
QУБТ. = qУБТ.∙lУБТ ,
qУБТ – вес одного погонного метра утяжеленных бурильных труб, кН/м;
lУБТ – общая длина утяжеленных бурильных труб, м


QУБТ. = 1,56∙200 = 312 кН
Qб.к. = 856,8 + 312 = 1168,8 кН
Наибольшей является нагрузка от массы второй промежуточной ко-лонны, поэтому максимальная нагрузка на крюке Qкр.max, кН, будет рассчиты-ваться по формуле
Qкр.max = Q2п∙К,
где К – коэффициент запаса элементов талевой системы, К = 1,3

Qкр.max = 1053∙1,3 =1368,9 кН
В качестве базового крюка выбираем наиболее подходящий по нагрузке крюк УК-225. Техническая характеристика крюка представлена в таблице 2.

2.2 Расчет деталей на прочность

2.2.1 Расчет ствола крюка на статическую прочность

Расчет ведется по методике [2]. Ствол крюка представлен на рисунке 5.
Сечение 1 – 1 подвержено растяжению силой Qкр.max. Напряжение в этом сечении от действия максимальной нагрузки на крюке σр, МПа, определяется по формуле

где F – площадь поперечного сечения ствола крюка, м

,
d – диаметр ствола крюка, d = 0,15 м


Коэффициент запаса прочности, n
, n ≥ 1,5
где σт – предел текучести материала, для стали 40ХНМА σт = 600 МПа

Условие прочности выполняется.

Сечение 2 – 2. Напряжение растяжения в сечении σр, МПа,

где В – ширина вилки ствола, В = 0,34 м;
 D – диаметр отверстия, D = 0,15 м;
 b – толщина ушка, b = 0,1 м.


Интенсивность давления в проушинах Р, МПа
,

Напряжение от изгиба в сечении 4 – 4, σиз, МПа
,
где D1/2 – расстояние от центра отверстия до наружного радиуса ушка вилки,
D1 = 0,41 м


Коэффициент запаса прочности при изгибе, n1
, n ≥ 1,5

Условие прочности выполняется.
Коэффициент запаса прочности, n2
, n ≥ 1,5

Условие прочности выполняется.
Сечение 3 – 3. Резьбовая часть крюка подвержена деформациям изгиба, смятия и среза. Напряжение изгиба σиз, МПа,
,
где α – коэффициент, учитывающий неравномерность нагрузки на витке резьбы, α =0,43;
 dо – наружный диаметр резьбы, dо = 0,18 м;
 d1 – внутренний диаметр резьбы, d1 = 0,153 м;
 S – шаг резьбы, S = 0,02 м;
 β – коэффициент, зависящий от от профиля резьбы (резьба трапеце-иданая, специальная), β = 0,75.


Напряжение смятия σсм, МПа
,

Напряжение среза σср, МПа
,

Напряжение растяжения σр, МПа

где F – площадь сечения, м2

,


Минимальный коэффициент запаса прочности, nmin
1,5 ≤ n < 1,8
где σmax – максимальное напряжение в сечении 3 – 3, σmax = 361,44 МПа


Условие прочности выполняется.

2.2.2 Расчет ствола крюка на усталостную прочность

Расчет ведется по методике [2].
Сечение 1 – 1. Коэффициент запаса прочности, n
n ≥ 2
где σ-1р – предел прочности материала на растяжение, для стали 40ХНМА
σ-1р = 400 МПа;
 kσ – эффективный коэффициент концентрации напряжений, kσ = 1,52;
 εσ – масштабный фактор εσ = 0,58;
 σа – амплитудное напряжение цикла, МПа;
 σср – среднее напряжение цикла, МПа


 Qкр – максимальная продолжительная нагрузка на крюк, Qкр = 1368,9 кН;
 F  – площадь сечения 1 – 1, F = 0,018 м2;



 kэ – коэффициент долговечности, kэ = 0,6;
 ψσ – коэффициент, учитывающий влияние среднего напряжения на проч-ность, ψσ = 0,1


Условие прочности выполняется.
Сечение 2 – 2. Площадь сечения F, м2
F = 2∙(B-D)∙b
F = 2∙(0,34-0,15)∙0,1= 0,038 м2
Среднее напряжение цикла σср, МПа


Коэффициент запаса прочности, n
n ≥ 2

Условие прочности выполняется.
Сечение 3 – 3. Площадь сечения F, м2


Среднее напряжение цикла σср, МПа


Коэффициент запаса прочности, n
n ≥ 1,5
где  kσ – эффективный коэффициент концентрации напряжений, kσ = 3,65


Условие прочности выполняется.

2.2.3 Расчет пластинчатого рога крюка на статическую прочность

Расчет ведется по методике [2]. Рог крюка рассматриваем, как кри-вой брус, подверженный действию максимальной кратковременной нагруз-ке. Расчетная схема представлена на рисунке 6.
Сечение 1 – 1. Вычисление нормальных напряжений требует предвари-тельного определения положения нейтральной линии. Параметр положения нейтральной линии r, м

где h – ширина расчетного сечения, h = 0,52 м;
 U1 – расстояние от центра кривизны до внутренних волокон сечения, U1 = 0,125 м;
 U2 – расстояние от центра кривизны до наружных волокон сечения, м.

U2 = h + U1
U2 = 0,52 + 0,125 = 0,645 м

Центр тяжести сечения Rо, м


Смещение нейтральной линии Zo, м
Zo = Rо – r
Zo = 0,385 – 0,32 = 0,065 м
Площадь сечения F, м2
F = B∙h,
где B – толщина рога, B = 0, 125 м;

F = 0,125∙0,52 = 0,065 м2
Статический момент сечения S, м3
S = F∙Zo
S = 0,065∙0,065 = 0,004 м3
Расстояние центра тяжести от внутренних и наружных волокон С2 и С1, м


Расстояние от нейтральной линии до внутренних волокон Z2, м
Z2 = С2 – Zо
Z2 = 0,26 – 0,065 = 0,195 м
Расстояние от нейтральной линии до наружных волокон Z1, м
Z1 = C2 + Zo
Z1 = 0,26 + 0,065 = 0,325 м
Изгибающий момент М, Н∙м, действующий в сечении 1 – 1
М = Qкр.max∙Ro
М = 1368,9∙103∙0,385 = 527026,5 Н∙м
Максимальное напряжение растяжения σр, МПа


Максимальное напряжение сжатия σсж, МПа


Коэффициент запаса прочности, n
n ≥ 1,5
где  σТ – предел текучести материала рога крюка, для стали 38ХН3МФА
σТ =1080 МПа;

Условие прочности выполняется.
Сечение 2 – 2. Параметр положения нейтральной линии r, м,

где h – ширина расчетного сечения, h = 0,5 м;
 d – диаметр отверстия, d = 0,17 м;
 U1 – расстояние от центра кривизны до внутренних волокон сече-ния,
U1 = 0,125 м;
 U2 – расстояние от центра кривизны до ближних волокон отвер-стия,
U2 = 0,315 м;
 U3 – расстояние от центра кривизны до дальних волокон отвер-стия,
U3 = 0,495 м;
 U4 – расстояние от центра кривизны до наружных волокон сече-ния,
U4 = 0,625 м.



Центр тяжести сечения Rо, м

где а – расстояние от внутренних волокон сечения до ближних волокон отверстия, м
а = U2 – U1
а = 0,315 – 0,125 = 0,19 м

 b –  расстояние от дальних волокон отверстия до наружных волокон сечения, м
b = U4 – U3
b = 0,625 – 0,495 = 0,13 м

Смещение центра тяжести относительно середины сечения К, м


Смещение нейтральной оси относительно центра тяжести сечения Zo, м
Zo = Rо – r – К + U1
Zo = 0,27 – 0,32 – 0,02+ 0,125 = 0,055 м
Плечо изгиба l, м
,
где α – угол отклонения сечения 2 – 2 от сечения 1 – 1, α = 12o


Площадь сечения F, м2
F = B∙(h – d),
где B – толщина рога, B = 0, 125 м

F = 0,125∙(0,5 – 0,17) = 0,041 м2
Статический момент сечения S, м3
S = F∙Zo
S = 0,041∙0,055 = 0,002 м3
Расстояние от нейтральной линии до внутренних волокон Z2, м
Z2 = r – U1
Z2 = 0,32 – 0,125 = 0,195 м
Расстояние от нейтральной линии до наружных волокон Z1, м
Z1 = h – Z2
Z1 = 0,5 – 0,195 = 0,305 м
Изгибающий момент М, Н∙м, действующий в сечении 2 – 2
М = Qкр.max∙l
М = 1368,9∙103∙0,34 =465426 Н∙м
Нормальная сила N, кН
N = Qкр.max∙cos α
N = 1368,9∙103∙0,98 = 1341,5 кН
Напряжение растяжения σр, МПа


Напряжение сжатия σсж, МПа


Коэффициент запаса прочности, n
, 1,5 ≤ n < 1,8

Условие прочности выполняется.
Сечение 3 – 3 подвержено действию срезывающего усилия Qкр.max. Напряжение срезывающего усилия определяется по следующему выражению σср, МПа

где F – площадь сечения, м2.

F = b∙h,
 b – толщина проушины, b = 0,12 м;
 h – ширина расчетного сечения, h = 0,42 м

F = 0,12∙0,42 = 0,05 м2

Сечение 4 – 4. Площадь сечения F, м2
F = 2∙b∙(R – r),
где b – толщина проушины, b = 0,12 м;
 R – радиус кривизны рога, R = 0,2 м;

 r – внутренний радиус проушины, r = 0,07 м.


F = 2∙0,12∙(0,2 –0,07) = 0,031 м2
Напряжение растяжения σр, МПа

где Qр.б – расчетная нагрузка на боковые рога, Qр.б = 1368,9 кН
.

Коэффициент запаса прочности, n
, n ≥ 1,5

Условие прочности выполняется.
Сечение 5 – 5. Максимальное напряжение на внутренней поверхности проушин
,
где Р – интенсивность давления в проушине, МПа



 d –  диаметр пальца, м

d = 2∙r
d = 2∙0,07 = 0,14 м


Минимальное напряжение на внешней поверхности проушин
,

Коэффициент запаса прочности, n
n ≥ 1,5

Условие прочности выполняется.

2.2.4 Расчет пластинчатого рога крюка на усталостную прочность

Расчет ведется по методике [2]. Ввиду отсутствия источников концен-трации напряжения, сечение 1 – 1 не рассчитывается.
Сечение 2 – 2. Изгибающий момент М, кН∙м
М = Qкр.∙l
М = 1368,9∙103∙0,34 =465426 Н∙м
Нормальная сила N, кН
N = Qкр.max∙cos α
N = 1368,9∙0,98 = 1341,52 кН
Напряжение растяжения σр, МПа


Площадь сечения F, м2
F = B∙(h – d),
где B – толщина рога, B = 0,125 м

F = 0,125∙(0,5 – 0,17) = 0,041 м2
Амплитудное σа, МПа, и среднее σср, МПа, напряжение цикла


Коэффициент запаса прочности, n
n ≥ 2
где kσ – эффективный коэффициент концентрации напряжений, kσ = 2,3;
 εσ – масштабный фактор εσ = 0,8;
 kэ – коэффициент долговечности, kэ = 0,6;
 ψσ – коэффициент, учитывающий влияние среднего напряжения на проч-ность, ψσ = 0,1


Условие прочности выполняется.

Выводы

Материал крюка удовлетворяет требованиям надежности и теории прочности, но большие коэффициенты запаса прочности ведут к увеличению металлоемкости конструкции и повышению ее стоимости. Для уменьшения ко-эффициентов запаса прочности необходимо подобрать сталь с более подхо-дящими характеристиками.

2.2.5 Расчет корпуса крюка на статическую прочность

Расчет на прочность выполняется на ЭВМ. В таб¬лице 6 приведены ис-ход¬ные данные к расчету, а в таб¬лице 7 выво¬димые пара¬метры.
Программа расчета корпуса крюка представлена в приложе¬нии А. Ре-зультаты рас¬чета представлены в приложении Б.[5]