книги из ГПНТБ / Халилов А.А. Техника подземного ремонта нефтяных скважин
.pdfТаблица 29
Шифр |
Ширина |
Высота |
|
Длина |
Вес |
ключа |
ключа |
зева |
зева |
|
ключа |
||
|
|
|
мм |
|
|
кг |
КШН-16 |
22 |
32 |
|
350 |
|
2,9 |
КШН-19-22 |
27 |
32 |
|
3 Л) |7чи |
2,7 |
(5,ч |
КШШН-16 |
22 |
32 |
|
350 |
|
2,9 |
КШШН-19-22 |
27 |
32 |
|
400 |
|
3,2 |
КШМН-16 |
22 |
32 |
|
235 |
|
1,6 |
КШМН-19-22 |
27 |
32 |
|
235 |
|
1,5 |
КШМН-25 |
32 |
3« |
|
235 |
|
1,4 |
КШКН-16-25 |
— |
32 |
|
— |
|
5,5 |
КМ Ш-16-15 |
— |
32 |
|
108,5 |
|
1,5 |
(длина корпуса' |
|
|||||
|
|
|
|
|
смотрим спуско-подъемные операции со штангами. Эти операции аналогичны спуско-подъемным операциям с насосно-компрессорными трубами.
Затраты времени на работы, связанные со штанговы ми ключами на свинчивание одной штанги при спуске, составляют 51,0%, а при подъеме — 36,0%: всего вре мени спуско-подъемных операций.
91
Конструктивные требования к вновь проектируемым штанговым ключам
1. Ключ штанговый должен легко надеваться и сни маться и надежно захватывать штанги.
2.Рукоятка ключей типа КШН, КШМН и КШШН должна иметь на конце утолщение, предохраняющее руку от соскальзывания с ключа.
3.Ключи типа КШН, КШМН и головка ключа типа КШШН должны быть износостойкими.
4.Ключи типа КШКН должны иметь зажимное уст ройство, регулирующее размер зева для обеспечения на дежного захвата штанг всех размеров.
5.Плашки зажимного устройства ключа типа КШКН должны быть износостойкими.
6.Корпус ключа типа КМШ должен соединяться с рукояткой при помощи шарнира.
7.Ключ типа КШКН должен быть снабжен специ альным пружинным устройством, удерживающим голов ку ключа от откидывания.
8.У ключа типа КМШ должна быть предусмотрена возможность регулирования натяжения пружины, удер живающей ключ на муфте.
9.Корпус и зажимное устройство ключа типа КМШ должны быть износостойкими.
Назрел вопрос о необходимости усовершенствования'
иунификации конструкции, специализации производства-
иразработки единой прогрессивной технологии изготов ления элеваторов и ключей, применяемых в нефтедобыче.
Г Л А В А V
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КЛЮЧА ДЛЯ ПОДЗЕМНОГО РЕМОНТА НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
При подземном ремонте ключ является основным и постоянным инструментом оператора для ручного или механизированного свинчивания и развинчивания труб, муфт и штанг. От конструкции ключа зависит произво дительность труда.
92
Поэтому при проектировании ключа для подземного ремонта следует учитывать специфику работы и устано вить основные его параметры: диапазоны захватываемых диаметров, максимальные передаваемые крутящие мо менты и конструктивные удобства в работе.
Необходимо тщательно и критически проанализиро вать конструкцию и эксплуатационные качества всех существующих ключей. Только после анализа всех дан ных о ключе II его работе можно приступить к проекти рованию.
При проектировании ключа следует рассматривать следующие основные вопросы: 1) кинематику захвата ключа; 2) расчет ключа; 3) конструктивное оформление.
1. КИНЕМАТИКА ЗАХВАТА КЛЮЧА
Прежде чем приступить к изложению кинематики за хвата проектируемого ключа, скажем несколько слов о кинематическом захвате уже применяемых в подземном ремонте ключей.
На рис. 30 приведены схемы захвата трех различных конструкций ключа, применяемых для свинчивания и развинчивания насосно-компрессорных труб. Все три конструкции имеют один и тот же принцип захвата: звенья ключа обнимают трубы по всей окружности.
В действительности такой захват не нужен. Он за трудняет зарядку и разрядку ключа и увеличивает коли чество деталей ключа.
Кинематика захвата проектируемого ключа (ключа Халилова) основана на принципе зажима в трех точках по наружному диаметру трубы. Выбранная нами кине матика захвата обеспечивает бесступенчатый захва4 ключом трубы в определенном заранее заданном диапа зоне.
Бесступенчатая универсальность кинематики захвата ключа является большим преимуществом этого ключа.
В нефтедобыче широко применяются шесть размеров насосно-компрессорных труб от 48,3 до 114,0 мм и муфты к ним от 56,0 до 132,5 мм.
Целесообразно установить два диапазона захвата ключом, обеспечивающих свинчивание и развинчивание всех применяемых размеров насосно-компрессорных труб и муфт.
93
Первый диапазон захвата устанавливается для свин чивания и развинчивания труб (гладких) и муфт диа метрами 48, 56 и 60 мм, что соответствует диаметрам от
48,3 до 89 мм. Учитывая износ трубы во время работы и погрешность при изготовлении трубы и муфты в наруж ном диаметре, диапазон захвата для первого ключа опре деляют от 46 до 90 мм (рис. 31).
Второй диапазон захвата устанавливается для свин чивания и развинчивания труб и муфт диаметром 89, 102, 107, 114, 121 и 132,5 мм, что соответствует диаметрам 89—132,5 мм. Учитывая износ трубы при работе и по грешность при изготовлении трубы и муфты по наруж ным диаметрам, диапазон захвата для второго ключа определяют от 86 до 135 мм (см. рис. 31).
Из рис. 31 видно, что при неподвижном положении
94
Рис. 31. Кинематика захвата ключаХалилова:
Л —схема захвата для предельных захватывавмых дигмэтров: / —/ / —крайние положения за
хвата челюсти ключа; Б—схема ключа |
для диа |
|
пазона |
диаметров от 46 до 90 мм: |
1—труба |
4і мм; |
2 —муфта 56 мм; 3 —труба 60 мм; 4 -- |
труба 73 мм и муфта 73 мм; 5 —муфта 89 мм и труба 89 мм; В —схема захвата ключа для диапазона дирмзтров от 86 до 135 мм: / —тру
ба 80 мм; |
2—труба 102 мм■ 3—муфта 107 мм; |
4 —труба |
114 мм; 5 — муфта 121 мм. б—муфта |
|
132 мм |
рукоятки ключа по мере поворачивания челюсти ключа образуется диапазон бесступенчатоувеличивающегося
захвата ключа.
При этом захватываемый минимальный диаметр трубы, соответствующий начальному положению челю сти, соприкасается с ключом в трех точках аи а2, аъ\ по мере увеличения захватываемых диаметров труб точки зажима постепенно перемещаются от а\, а2 и аъ к в\, в2, в3, к точкам, соответствующим крайнему положению че люсти ключа.
Следует отметить, что при захвате ключом различных диаметров каждый раз вступают в работу новые зубья плашки, вставленной в челюсть, и сухаря, находящегося в конце рукоятки; такой принцип кинематики захвата ключа способствует значительному удлинению срока службы запасных деталей — плашки и сухаря. На кон струкции ключа и его деталей подробно остановимся в разделе конструктивного оформления.
Широкий диапазон захвата ключа достигается пере мещением челюсти вдоль сегмента сухаря, находящегося в конце рукоятки ключа. Внутренняя поверхность челю сти выполнена под углом 60°.
Упрощение кинематической схемы ключа, создание зажима в трех точках и исключение излишних промежу точных звеньев привело к значительному улучшению конструкции, повышению. эксплуатационных качеств и снижению веса ключа.
Приведенная рациональная кинематическая схема ключа полностью удовлетворяет эксплуатационным тре бованиям, предъявляемым к конструкции ключа.
2. РАСЧЕТ КЛЮЧА
Для расчета на прочность деталей ключа прежде все го необходимо правильно определить величину и на правление действующих на них усилий.
Для определения величины действующих усилий надо знать крутящий момент, обеспечивающий свинчивание и развинчивание резьбовых соединений. Точное определе ние крутящего момента задача нелегкая. Дело в том, что на величину момента в промысловых условиях влия ет ряд таких факторов, как материал трубы и муфты точность профиля резьбы, состояние резьбовых поверх ностей, длительность межремонтного периода, степень
коррозионности соединений, центрированность колонны в скважине, количество свинчиваний-развинчиваний, ко торое выдержало данное соединение, смазка поверхности
иее качество.
Вконце свинчивания и особенно в начале развинчи
вания необходимо прикладывать значительные крутящие моменты. Из практики бригад подземного ремонта вы явлено, что величины моментов отвинчивания резьбовых соединений всегда превышают величины моментов за винчивания. Все остальное время свинчивания труб и развинчивания врагцаюіДие моменты незначительны — примерно 10—20 кГм.
В некоторых случаях приходится развинчивать тру бы в сильно корродированном состоянии. В таких слу чаях необходимый для отворачивания момент значитель на больше (примерно в 2—3 раза), чем расчетный, или момент, определенный в лабораторных условиях.
Мы считаем, что не следует в основу расчета ключа класть завышенный крутящий момент, который требу ется лишь в редких случаях. Для отвинчивания таких резьбовых соединений необходим индивидуальный под ход.
Известно, что крутящие моменты увеличиваются при увеличении диаметра труб.
Определением необходимых вращающих моментов для свинчивания и развинчивания насосно-компрессор ных труб занимались в бывшем АзНИИ ДН СКВ по тру бам, бакинском филиале ЦИМТнефти и Гипронеф^емаше как в промысловых условиях, так и в лабораторных.
Основным критерием, определяющим правильность резьбовых соединений насосно-компрессорных труб в нефтяной промышленности, является герметичность со единений.
Гидравлические испытания трубы на герметичность, согласно ГОСТу 633-63, зависят от диаметра и материа ла труб. Для часто применяемых труб из стали марки
D испытательное давление установлено' равным 255—
210 кг/см2.
При испытаниях в стенках и резьбе труб и муфт не должно быть течи и потения.
Часто правильность соединения практически опреде ляется натягом резьбы (согласно требованиям ГОСТа 633-63 допускается натяг±нитка).
238-7 |
97 |
Величину натяга измеряют по расстоянию от послед ней риски на трубе до торца муфты. Натяг считается положительным, если в свинченном состоянии риска на ходится снаружи, за торцом муфты. При отрицательном натяге последняя риска трубы углубляется внутрь муфты.
Для расчета ключа автор взял примерные средние значения крутящих моментов, рекомендуемые в литера туре [4, 9].
Ниже приводим рекомендуемые максимальные кру тящие моменты для свинчивания насосно-компрессорных труб, обеспечивающие необходимую герметичность со единений.
Диаметр трубы, мм |
Крутящий момент, кГм |
48 |
50 |
60 |
100 |
73 |
150 |
89 |
200 |
114 |
300 |
В результате испытаний выявилось, что крутящие моменты при развинчивании труб превышают таковые свинчивания на 15—20%.
Ключ зажимает захватываемую трубу под действием усилия, приложенного к его рычагу. Возникающие в результате зажима силы трения и силы сцепления (меж ду сухарями и поверхностью трубы) препятствуют про скальзыванию ключа, обеспечивая тем самым свинчи вание и развинчивание труб.
Исходными данными для расчета являются диаметры захватываемых труб и муфт, усилие, действующее на рукоятку ключа, и расчетная длина рычага (рукоятки).
Графически достаточно точно для расчета определя ем усилия, действующие в элементах ключа.
Под действием усилия Р, приложенного на конце ру коятки, в ключе возникают следующие усилия: силы Q\
и Q2— в рукоятке ключа, силы |
Q3 и — в челюсти |
ключа. |
|
Треугольники сил, действующих на рукоятку и че люсть ключа, строятся графически. Сила Р известна по направлению и величине, усилие Qi, действующее в точ ке соприкосновения трубы с сухарем ключа, направлено
98
перпендикулярно к линии, соединяющей точку приложе ния Qi с центром шарнира.
Так как из условия равновесия действующие на руко ятку силы должны составить замкнутый треугольник, то Q2 д о л ж н о проходить через точки пересечения силы Р и
-усилия Qi. Определив направление действующих сил, легко построить треугольник сил и по принятому мас штабу для Р определить величины Qi и Q2.
Без труда можно построить треугольник сил, действу
ющих на челюсть ключа, так как направление и вели чина усилия Q'2 известны, а Q3 и Q4 направлены от центра перпендикулярно к соответствующим плоскостям челюсти.
Рис. 32. Схема расположения действующих усилий на детали ключа:
Л —для минимального;*/) —для максимального захватываемого диаметра, / —треугольник сил, действующих на челюсть ключа; 2 —треугольник
сил, действующих на рукоятку ключа
Таким образом, построив треугольник сил (рис. 32), действующих на челюсть и рукоятку ключа, определим величины этих сил. При этом для упрощения графиче
7* |
99 |
ских построений условно принято, что Р — 1. Величина усилий, действующих в ключе при Р = 1 (без учета сил трения), приведена в таблице 27.
Для расчета на прочность основных деталей ключа выбираем наиболее напряженное положение захвата ключом трубы при максимальном диаметре — 89 мм. Для данного случая передаваемый крутящий момент, как указано выше, будет М кр ~ 150 кГм, а приложенное к концу рукоятки усилие будет Р — 300 кг, так как длина рукоятки равна 0,5 м.
Поскольку под действием сил труба, зажатая клю чом, находится в равновесии, то и отдельные элементы ключа должны находиться в равновесии. Поэтому от дельно рассмотрим равновесие рукоятки и челюсти клю ча под действием приложенных сил.
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
3 0 |
|
Усилия, действующие |
Усилия, действующие |
Усилия при максималь |
||||
Усилия |
ной |
величине Р , |
при |
||||
(диаметр трубы 48 мм) |
(диаметр трубы 89 мм) |
ложенной к концу ру |
|||||
|
|
|
|
|
коятки (£-500 мм) |
||
|
на руко |
на челюсть |
на руко |
на челюсть |
|
кг |
|
|
ятку |
ятку |
|
|
|||
р |
1 |
|
1 |
|
|
300 |
|
Or |
4,7 Р |
|
8,5Р |
|
|
2550 |
|
Os |
5,7 Р |
5,7 Р |
9.4Р |
|
|
2820 |
|
Qi» |
|
|
9,4P |
|
2820 |
|
|
Оз |
|
6,6 Р |
|
7,3Р |
|
2190 |
|
04 |
|
3,5 Р |
|
10,4 Р |
|
3120 |
|
Из рис. 33 видно, что на рукоятки действуют силы Р, |
|||||||
Qi и Q2. Рукоятку рассматриваем |
как балку, |
подвержен |
ную изгибу. Расчет рукоятки на прочность производим по трем предполагаемым наиболее опасным сечениям.
Сечение / —I |
испытывает |
действие |
перерезывающей |
|||
силы от действия составляющей силы Qi. |
в сечении |
|||||
Касательное |
напряжение, |
действующее |
||||
/ - / : |
|
|
|
|
|
|
г д е п ер ер езы в а ю щ а я |
сила |
в |
сеч ен и и |
Q = |
Q j c o s a , кг; |
|
п л о щ а д ь сеч ен и я |
F = |
fi-b, |
смг. |
|
|
100