и.
опыт
ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТРАНСПОРТЕРА С КОЛОННОЙ ГИБКИХ ТРУБ В КОЛТЮБИНГОВЫХ АГРЕГАТАХ
А. МОЛЧАНОВ, РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, Д. СИМЧЕНКО, ООО «ТПК «Нефтегазовые системы»
О.
А
Интенсивное развитие колтю-бинговой техники и технологий требует создания теории работы нового оборудования и методик расчета и проектирования основных узлов и деталей. Эта необходимость назрела давно, поскольку для разработки собственного оборудования нужна методика проектирования транспортера, обеспечивающего оптимальные условия нагруже-ния трубы.
Транспортер или инжектор является важнейшим узлом агрегатов подземного ремонта и буровых установок, работающих с
шШ ят
колоннами гибких труб (КГТ). Этот узел обеспечивает передачу усилия от КГТ к наземному оборудованию и наоборот, создает условия для принудительного перемещения труб вниз. При этом на рабочих поверхностях силовых органов, по которым осуществляется контакт, исключается возможность пластического деформирования, образования рисок, надрывов и любых других искажений поверхности труб. Это означает, что передача усилия должна обеспечиваться силами трения, действующими на гладких поверхностях деталей, материал которых исключает адгезию металла силовых органов и гибкой трубы.
Одним из направлений развития транспортеров является увеличение их тягового усилия с одной стороны и уменьшение габаритных размеров, прежде всего вертикальных, — с другой. Решение этих задач связано с обеспечением надежной работы плашек, передающих усилие к перемещаемой колонне гибких труб.
В настоящее время ведутся работы по проектированию и эксплуатации транспортеров буровых установок, которые характеризуются значительными максимальными усилиями, передача которых весьма проблематична.
Наиболее распространенные конструкции транспортеров содержат одну или две двухрядные цепи с плашками. Привод цепей осуществляется посредством объемного гидропривода, обеспечивающего движение вверх или вниз с максимальной скоростью до 1 м/с. На рабочем участке плашки при-
Рис. 1
Рис. 2. Эквивалентная схема транспортера, используемая при раскрытии статической неопределимости
жимаются к КГТ специальным механизмом и посредством силы трения, возникающей между поверхностями плашек и трубы, перемещают последнюю в нужном направлении (рис. 1).
Транспортер является достаточно нагруженным узлом. Ведь для обеспечения
максимального тягового усилия при подъеме трубы диаметром 33—38 мм порядка 200—240 кН плашки к трубе следует прижимать с усилием около 2000—2400 кН, которое не должно повреждать ее поверхность и нарушать условия прочности самой трубы.
Основными требованиями к транспортеру являются минимальный габарит (прежде всего вертикальный), минимальная масса и минимальное количество плашек, взаимодействующих с цепью. Выполнить их можно при условии, что все плашки работают в оптимальном режиме нагружения. Результаты предварительных исследований показывают, что оптимальным является режим, при котором плашки, взаимодействующие с трубой, передают равные усилия. Но при этом возникает вопрос обеспечения подобных условий передачи усилия — распределения сил, передаваемых от плашек к КГТ по всей длине рабочего участка, и влияния на него деформационных характеристик узлов и деталей транспортера. Расчетная схема взаимодействия цепи, плашек и КГТ показана на рис. 2. Поскольку данная стержневая система является статически неопределимой, то определение усилий, действующих в ней, может быть выполнено с учетом жесткости ее элементов — звеньев цепи Ц, захватных устройств (плашек) Д и участков колонны гибкой трубы I}. Характерно, что такая статическая неопределимость внутренняя, т. е. неизвестными являются — внутренние усилия системы.
Анализ распределения усилий проводился с учетом следующих допущений: деформирование элементов конструкций и трубы происходит в области упругих деформаций и, согласно закону Гу-ка, скольжение между плашками и трубой отсутствует.
Рассматриваемая схема «цепь-плашки» включает в себя собственно двухрядную цепь, звенья которой с помощью плашек соединены с колонной гибких труб, и, как уже было отмечено, представляет собой статически неопределимую систему, степень статической неопределимости которой равна К — 1, где К — число плашек, находящихся в контакте с трубой. Для упрощения рассмотрения системы принята расчетная схема, содержащая только часть элементов, расположенных по одну сторону от оси симметрии, совпадающей с осью трубы.
Величины податливости отдельных элементов системы, входящей в состав транспортера и рабочего участка КГТ и имеющей общую длину, равную шагу цепи, обозначены следующим образом:
— податливость участков КГТ, располагающихся между точками приложения сил X, — I};
— податливость захватных устройств (плашек), передающих усилие от цепи к КГТ — Д;
— податливость звеньев цепей (одной или двух), соответствующих одному захватному устройству — Д.
Значения податливости, соответствующие КГТ и цепям, с учетом, что эти элементы работают на растяжение (сжатие), могут быть определены следующим образом:
Ц}= 1/Ец-¥ц; Ъ = /Ет-¥т, где Ет — модуль упругости материала КГТ; Ец — приведенный модуль упругости цепи, учитывающий жесткость шарнирного соединения звеньев цепи; Ет — площадь поперечного сечения тела КГТ; Ец — приведенная площадь поперечного сечения пластин цепи, имеющих сложную конфигурацию; ^ — шаг цепи.
Величина податливости захватных устройств должна определяться с учетом особенностей их конструкции.
Поскольку исходная система симметрична, то дальнейший расчет ведется с предположением, что изгибающие и крутящие моменты в перечисленных элементах отсутствуют.
Для раскрытия статической неопределимости использован метод сил, содержание которого применительно к данной схеме сводится к следующему: внутренние связи плашек с трубой заменены искомыми неизвестными силами X. Их определение основывается на решении системы уравнений:
Рис. 3. Распределение усилий передаваемых плашками к гибкой трубе
где 5ц — относительное перемещение точек, расположенных справа и слева от виртуального сечения.
Поскольку данная система статически неопределима внутренне,
Рис. 4. Графики, характеризующие изменение продольных сил, действующих в поперечном сечении трубы при различных соотношениях податливости трубы, цепи и плашки
то необходим переход к абсолютным перемещениям. При этом указанные условия могут быть преобразованы к виду:
где 51л , 5п — абсолютные перемещения левой и правой части сечения соответственно.
Для конкретизации анализа системы рассмотрим методику определения перемещений на примере системы, состоящей из шести плашек (рис. 1).
Абсолютные перемещения — это сумма деформаций каждого элемента, находящегося справа от сечений с учетом их податливости и величины действующей силы.
Перемещение левой точки сечения 1, определяющиеся деформацией элементов По и Т1, может быть выражено следующим образом: 51л = [Р - X + Х2 +Х3 + Х4+ Х5)](Г1 + По).
Аналогично для левой точки сечения 2 с учетом того, что ее
перемещение определяется деформацией элементов П0, Т1> Т2, получим:
52л = [Р - X + Х2 +Хз + Х4 + Х5)](Г1+ По) + [Р - (Х2 +Хз + Х4 + Х5)]Т2.
Для остальных сечений уравнения составляются в соответствии с данным порядком. Значения коэффициентов X в полученных уравнениях симметричны относительно диагонали полученной матрицы, что характерно для канонических уравнений метода сил.
Для определения абсолютных перемещений правых точек сечений 5}п рассмотрим деформации элементов справа от них.
Перемещение правой точки сечения 1, определяющееся деформацией элементов П1 и Ц1 под действием сил Х1—Х5, может быть выражено следующим образом:
5п = Х1(Щ + Цо) + Х2Цо+Х3Цо+ Х4Ц0+ Х5Ц0.
Для правой точки сечения 2:
52п = X! Ц0 + Х2 (Щ + Цо + Ц) +Х3 (Цо + Ц)+Х4(Цо + Ц1) + Х5(Цо+ Ц1).
Для последующих точек уравнения будут иметь аналогичный вид.
После раскрытия скобок, приведения подобных (с учетом того, что жесткости одноименных элементов равны) и нормализации уравнений они могут быть представлены как и в предыдущей таблице: коэффициенты при Х1—Х5 симметричны относительно ее диагонали.
Переписав уравнения в виде 5л — 5}п = 0 и перенеся в правую часть известные значения Р с соответствующими коэффициентами, получим 5 уравнений следующего вида:
Х1 (Клу + Кп1]) + Х2 (Кл2 + Кп2) +Хз (Кз + Кпз) + Х4 (Кл41 + Кп4) + Х5 (Кл51 + Кп5) = Р К1, где у — номер уравнения.
Сложив почленно коэффициенты Клу + Кп1у = К у, приведенные в таблицах 1 и 2, получим систему уравнений: Х1 К11 + Х2 К12 +Хз К13+ Х4К 14 + Х5 К15 = Р К1
Рис. 5. Максимальные отклонения усилий действующих в трубе от оптимального закона их распределения
Xi К51+ X2 К§2 +X3 К53+ X4 К54 + X5 К55 — P К5
Дальнейшие расчеты целесообразно вести, предварительно разделив левые и правые части уравнений системы на Р. В результате значения неизвестных будут выражаться в долях от силы Р, приложенной к трубе:
Xj— Xj/P.
Примем также податливость трубы Т, равной единице, и разделим почленно все уравнения полученной системы на Т. В результате все значения податливости плашек и цепи примут относительное значение. Например, значение коэффициента Кп будет:
Кц/Т — [(П+Ц)+(Т+П)]/Т — 2П/Т + Ц/Т + 1 — 2П + Ц+ 1.
При дальнейших расчетах неизвестных X для того, чтобы избежать неправильное физическое толкование составляющих значений коэффициента, эта запись будет приводится в виде Кп — 2П + Ц + Т, при этом Т—1.
Найти неизвестные X1 — X5 можно, используя формулу Крамера:
Xj— D/D......X5— Ds/D,
где D — определитель системы, составленный из коэффициентов первых пяти столбцов системы уравнений; D1-5 — определители, полученные заменой соответствующих столбцов определителя системы D на столбец, составленный из свободных членов.
Вычисление определителей D и D1-5 выполнялось с использованием электронной таблицы Excel. Значения коэффициентов левой и правой матриц их суммы, а также значения коэффициентов при «Р» приведены в таблице.
Кривые, характеризующие распределение усилий для устройства с различным числом плашек (от 2 до 6), т. е. для П0—П5 , показаны на рис. 3. Из графика с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.