Расчёт универсального превентора ПУ1-230х35 противовыбросового оборудования ОП5-230х35-Курсовая работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Расчёт универсального превентора ПУ1-230х35 противовыбросового оборудования ОП5-230х35-Курсовая работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин
6 Расчеты по техническому предложению
6.1. Методика определения размеров поршня кольцевого превентора при проектировании
Для гидроуправления превенторами выбираем станцию ГУП-14, с рабочим давлением 14 МПа.
Для закрытия превентора необходимо выполнение условия:
P_о∙F_о>P_З∙F_З, (6.1)
где P_о – давление жидкости в полостиоткрывания, МПа;
F_о – площадь поршня в полости открывания, м^2;
P_з – давление жидкости в полости закрывания, МПа;
F_з – площадь поршня в полости закрывания, м^2.
14∙0,19>0,3∙0,147,
2,66>0,04.
Условие выполняется.
Для открытия превентора:
P_З∙F_З>P_0∙F_Б, (6.2)
где P_з – давление жидкости в полости закрывания, МПа;
F_з – площадь поршня в полости А, м^2;
P_0 – давление флюида в полости В, МПа;
F_Б – площадь поршня в полости Б, м^2.
14∙0,147>35∙0,052,
2,065>1,82.
Условие выполняется.
Площади поршня в полостях открывания, закрывания и в полости В определяются по диаметрам поршня в этих полостях, принимаемых конструктивно.
6.2 Расчет фланцевого соединения
Фланцевая арматура соединятся шпильками с двумя гайками, и уплотняется металлическим восьмиугольным кольцом, зажимаемым между фланцами. Для установки уплотняющего кольца во фланцах сделаны канавки.
Расчет фланцевого соединения заключается в проверки прочности деталей фланцевого соединения. При прочностном расчете достаточно проверить прочность шпилек, фланца, прокладки [11].
6.2.1 Определение усилий, действующих на фланцевое соединение
Суммарное усилие действующие на фланцевое соединение, кН:
N_ф=N_дав+N_зат, (6.3)
где N_дав – сила давления скважинной среды, действующая на фланцы, кН;
N_зат – остаточное усилие затяжки резьбового соединения, кН.
Эта сила действует на фланцы и болтовое соединение.
Сила давления скважинной среды, кН:
N_дав=P_оп∙F=P_оп∙(π∙D_ср^2)/4, (6.4)
где P_оп – давление при опрессовке, Па;
F – площадь сечения, м^2;
D_ср – средний диаметр уплотнительной прокладки, м.
N_ф=70∙〖10〗^6∙(3,14∙〖0,27〗^2)/4=3816,3 кН.
Остаточное усилие затяжки, кН:
N_зат=π∙D_ср∙b_эф∙m∙P_оп, (6.5)
где b_эф – эффективная ширина прокладки, м;
m – прокладочный коэффициент, зависящий от материала прокладки.
b_эф=0,25∙b,
где b – ширина прокладки, м.
b_эф=0,25∙0,0167=0,004175 м.
N_зат=3,14∙0,27∙0,004175∙5,5∙70∙〖10〗^6=1262,7 кН.
По формуле 6.4 определим суммарное усилие:
N_ф=3816,3+1262,7=5079 кН.
6.2.2 Проверка шпильки на прочность
Сила, действующая на резьбу шпильки, кН:
N_шп=N_ф/(Z∙K_н ), (6.6)
где N_ф – усилие, действующее на фланцевое соединение, Н;
Z – количество шпилек в соединении, шт;
K_н – коэффициент неравномерности нагружения болтов.
N_шп=(5079∙〖10〗^3)/(12∙0,75)=544 кН.
Напряжение среза резьбы шпильки, МПа:
σ_шп=N_шп/F_ср , (6.7)
где N_шп – сила, действующая на резьбу, Н;
F_ср – площадь среза, м2.
Площадь среза определяется формуле, м2:
F_ср=π∙d_р∙L_р∙k_1∙k_2, (6.8)
где d_р – внутренний диаметр резьбы, м;
L_р – длина резьбы, м;
k_1 – коэффициент, зависящий от неравномерности нагружения витков резьбы;
k_2 – коэффициент полноты резьбы.
F_ср=3,14∙0,0371∙0,21∙0,54∙0,87=0,0115 м^2.
σ_шп=(544〖∙10〗^3)/0,0115=47,3 МПа.
Напряжение среза резьбы должно удовлетворять условию:
σ_шп≤([σ])/n, (6.9)
где σ_шп – напряжение среза, МПа;
[σ] – допускаемое напряжение среза, МПа;
n – коэффициент запаса прочности.
Допустимое напряжение [σ] определяем по пределу текучести материала шпильки при запасе прочности n=2,5.
36,6≤125/2,5,
47,3<50.
Условие запаса прочности выполняется.
6.2.3 Проверка прочности фланца
Фланец рассчитывается по наиболее опасному сечению АВ (см. рисунок 6.1). При расчете фланца его можно представить в виде консольной балки с заделкой в сечении АВ [11].
В соответствии с обозначениями (см. рисунок 6.1) изгибающей момент балки определяется по формуле, кН∙м:
М_АВ=N_ф∙l_А, (6.10)
где N_ф – усилие, действующее на фланцевое соединение, кН;
l_А – плечо сил, м;
М_АВ=5079∙0,045=228,5 кН∙м.

Рисунок 6.1 – Схема фланцевого соединения
Момент сопротивления опасного сечения, м2:

W_АВ=(π∙D_м)/6∙[(〖(D_пр-D_ср)〗^2+2〖∙(Н_о-f)〗^2)/2], (6.11)
W_АВ=(3,14∙0,308)/6∙[(〖(0,34-0,27)〗^2+2〖∙(0,082-0,011)〗^2)/2]=0,0012 м^2.
Напряжение в опасном сечении, МПа:
σ_АВ=( М_АВ/W_АВ )≤[σ], (6.12)
Допустимое напряжение [σ] определяем по пределу текучести материала фланца при запасе прочности 2,5.
6.3 Расчет основания превентора
Наиболее нагруженной деталью превентора является его основание.
Поскольку отношение толщины стенки к диаметру в основании превентора составляет 1/9 (больше 1/20), то расчет такого цилиндра ведем по формулам для толстостенного цилиндра [11].

Рисунок 6.2 – Действующие нагрузки на основание
Расчет допускаемого напряжения проведем для сечения ВС, которое является опасным сечением.
σ_t=(2∙P_оп∙r_1^2)/(r_1^2-r_2^2 ), (6.13)
где P_оп – опрессовочное давление, МПа;
r_1=0,17 – наружный радиус сечения, м;
r_2=0,115 – внутренний радиус сечения, м.
σ_t=(2∙70∙〖0,17〗^2)/(〖0,17〗^2-〖0,115〗^2 )=258 МПа,
Корпус универсального превентора отливают из стали 30ХГС для толщин стенок более 100 мм.
Механические свойства стали 30ХГС:
предел текучести σ_t, МПа (кгс/〖мм〗^2) – 850 (85);
ударная вязкость α_н, МДж/м^2 – 0,45;
твердость по Бринелю – 229 НВ;
относительное удлинение, %  – 10.
Для этой стали определяют допускаемые напряжения при коэффициенте запаса n=2,5.
σ_т≤[σ_t ]/n, (6.14)
258≤850/2,5,
258<340.
Другие сечения корпуса универсального превентора менее опасны, поэтому и проверять их не требуется.
6.4 Расчет кулачков
Когда уплотнителем перекрыта вся скважина (трубы отсутствуют), нагрузка на крышку передается через фланцы уплотнителя. Крышку превентора рассматриваем как круглую пластину с концентрическим отверстием, внешний край которого опирается на корпус, а равномерная нагрузка распределяется по ее внутреннему краю.
Максимальная нагрузка, действующее на крышку, кН:
N_max=N_1+N_2, (6.15)
где N_1 – нагрузка, действующая от давления в скважине, кН;
N_2 – нагрузка, действующая от давления гидравлической системы, кН.
Нагрузка, действующая от давления в скважине, кН:
N_1=P_оп∙F_1=P_оп∙π/4 (D_1^2-d_1^2 ), (6.16)
где P_оп – давление при опрессовке, МПа;
F_1 – площадь действия нагрузки, м^2;
D_1 – наружный диаметр, м;
d_1 – внутренний диаметр, м.
N_1=70〖∙10〗^6∙3,14/4 (〖0,364〗^2-〖0,262〗^2 )=2800 кН.
Нагрузка, действующая от давления гидравлической системы, кН:
N_2=P_г∙F_2=P_г∙π/4 (D_2^2-d_2^2 ), (6.17)
где P_г – давление гидравлической системы, МПа;
F_2 – площадь действия нагрузки, м^2;
D_2 – наружный диаметр камеры закрывания, м;
d_2 – внутренний диаметр камеры закрывания, м.
N_2=14∙〖10〗^6∙3,14/4 (〖0,612〗^2-〖0,432〗^2 )=1906 кН.
N_max=2800+1906=4706 кН;
N_max/F_(общ ср) =τ, (6.18)
где F_(общ ср) – общая площадь среза, м^2;
τ – напряжение среза, МПа.
F_(общ ср)=N_max/τ,
Для стали 40Х предел текучести равен 800 МПа
Напряжение среза должно удовлетворять условию:
τ≤([τ])/n, (6.19)
где τ – напряжение среза, МПа;
[τ] – допускаемое напряжение среза, МПа;
n – коэффициент запаса прочности.
τ≤800/2,5,
τ≤320 МПа,
F_(общ ср)=(4706∙〖10〗^3)/(320∙〖10〗^6 )=0,0142 м^2.
F_ср=F_(общ ср)/z, (6.20)
F_ср=0,0142/6= 0,0023〖 м〗^2.
Срезом кулачка является прямоугольник с шириной b и высотой h. Следовательно, F_ср=b∙h=0,0023 м^2.
Конструктивно принимаем ширину b=0,055 м, высоту h=0,042 м.

Рисунок 6.3 – Сечение кулачка
6.4 Расчет крышки
В процессе испытания корпуса и крышки в сборке на определенное давление крышку вместе с заглушкой рассматривают как одно целое – круглую сплошную пластинку постоянной толщины, край которой опирается и равномерная сплошная нагрузка действует по всему контуру. Крышка изготовлена литьем из стали 30ХГС. При этом максимальное напряжение определяем по линии c, радиус которой r_с равен среднему радиусу прокладки:
Напряжение действующее на крышку:
σ_max=-(3∙ρ)/(8∙π∙m〖∙s〗^2 ) [(3m+1)-(m+3) (r_c^2)/a^2 ],   (6.21)
где ρ – максимальное напряжение, МПа;
s – толщина стенки, м;
r_с – средний радиус прокладки, м;
a – внутренний радиус крышки, м.
Максимальные напряжения определяем по формуле:
p=π∙a^2∙P_оп, (6.22)
p=3,14∙〖0,177〗^2∙70= 6,86 МПа.
σ_max=(3∙6,86)/(8∙3,14∙3,3〖∙0,75〗^2 ) [(3∙3,3+1)-(3,3+3) 〖135〗^2/〖0,177〗^2 ]= 282 МПа.

Рисунок 6.4 – Расчет крышки превентора
6.5 Определение геометрических размеров прокладки
На трубопроводе. d_т=80 мм – внутренний диаметр трубопровода; Р_р=35 МПа.
Высота кольца, мм:
h_к=5,6√(d_т⁄10), (6.23)
h_к=5,6√(80⁄10)=15,8 мм.

Ширина кольца, мм:
b_к=4√(d_т⁄10), (6.24)
b_к=4√(80⁄10)=11,3 мм.
Глубина канавки под кольцо, мм:
К=2,5√(d_т⁄10), (6.25)
К=2,5√(80⁄10)=7,07 мм.