Расчет вертлюга

Министерство  Образования Российской Федерации

 

Красноярский  государственный Технический Университет

 

 

 

 

Кафедра: МОНГП

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой  проект

 

“Расчет вертлюга”

 

Пояснительная записка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                           Выполнил: ст-т гр. НТ 79-1

                                                                           С.Г. Медведев

                                                                        

                                                                           Проверил: П.Г. Дровников

 

 

 

 

 

 

Красноярск  2002

 

Задание

 

Рассчитать  вертлюг по предложенным характеристикам.

 

 

Дано

 

Грузоподъемность T= 300 т

Максимальное  давление прокачиваемой жидкости = 32 МПа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

1. Введение………………………………………………………….4

2. Устройство  и техническая характеристика………………….5

3. Расчет основных деталей на прочность и

   долговечность…………………………………………………….8

     4. Расчет штропа вертлюга……………………………………...10

5. Ремонт вертлюга……………………………………………….11

6. Возможные неисправности, причины и способы

   их устранения…………………………………………………...13

7. Экология………………………………………………………....17

9. Литература…………………………………………………..…..20

 

• Чертеж и деталировка прилагается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Вертлюг является соединительным звеном между талевой  системой и буровым инструментом. Вертлюг должен удерживать подвешенную  к нему колонну бурильных труб и амортизировать при ее резких движениях, попросту говоря сглаживать ее рывки  при спускоподъемных операциях.

И поэтому он является ответственным буровым  оборудованием в плане надежности. Вертлюг дожжен обеспечивать бесперебойную работу бурильного инструмента, а также безопасность обслуживающего персонала.

Необходимость промывки забоя буровыми растворами во время бурения также предусмотрено в конструкции вертлюга. Под действием высокого давления промывочного раствора и многотонного веса бурильной колонны, а также усилий прилагаемых к ней вертлюг должен иметь повышенный запас прочности и не должен иметь микротрещин, каверн и прочих видимых и не видимых дефектов. На дефекты вертлюг проверяется на заводе изготовители отделом технического контроля. Вертлюг также проверяют микроскопией на содержание микротрещин и дефектов при отливке. Такая тщательная проверка осуществляется по причине то го, что при поломке вертлюга происходит серьезная авария на буровой, вследствие которой, нефтяная компания несет колоссальные убытки, а, следовательно, есть и претензии к производителю.

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Устройство  и техническая характеристика

 

Вертлюг состоит  из деталей двух групп

 

1. Неподвижные детали, которые при работе связаны с талевой системой.
2. Подвижные, детали, которые вращаются вместе с буровым инструментом.

 

Рис 1.  Вертлюг ШВ14-160: 1 — штроп; 2 — ствол; 3 — крышка; 4 — промывочная труба; 5 — сальниковое уплотнение; в —верхний масляный сальник; 7 — литой корпус; 8— радиальный шарикоподшипник; 9 — соединительные пальцы;10 — основной упорный подшипник; 11 — опорный подшипник; 12 — масляный сальник, 13 — коробка; 14 — ствол

 

Корпус вертлюга представляет собой пустотелую отливку  сложной формы из малолегированной или углеродистой стали (35Л и др.), внутренняя полость которой разделена по высоте горизонтальной перемычкой, служащей опорной поверхностью основного упорного подшипника ствола и усиленной для жесткости вертикальными ребрами.

Конструкция опорных  поверхностей подшипников в корпусе  вертлюга должна исключать возможность  нарушения ее перпендикулярности относительно оси ствола, так как это ведет к преждевременному износу основной опоры. Между стенками корпуса и опорной плитой предусматриваются каналы для обеспечения циркуляции смазки при вращении ствола.

На внешней  поверхности корпуса в диаметральной  плоскости размещаются два прилива, имеющие форму карманов с отверстиями для дренажа. В отверстиях стенок карманов монтируются две оси, шарнирно соединяющие корпус со штропом.

При конструировании  корпуса весьма важно обеспечить максимально возможное расстояние между осью шарниров штропа и опорой, что позволяет достичь большой стабильности оси ствола при вращении и смещения центра массы вертлюга к нижней крышке. Такое решение снижает риск изгиба ведущей трубы при ее установке в шурф и подъеме из него. В некоторых вертлюгах к корпусу приваривают или укрепляют на болтах кронштейны с резиновыми амортизаторами, предохраняющими корпус от ударов штропов. Вертлюги с амортизаторами должны иметь несколько увеличенную ширину.

В некоторых  вертлюгах корпус выполняют так, что всю нагрузку воспринимает только нижняя толстостенная тарелка, имеющая два симметричных отверстия для несущих болтов. Корпус в такой конструкции разгружен и служит монтажной базой и масляной ванной. Предварительная затяжка болтов до достижения напряженного состояния определенной интенсивности исключает деформации корпуса при нагружении ствола в процессе эксплуатации, что позволяет сохранить соосность расточек под подшипники и увеличивает межремонтный срок службы. В вертлюгах малой грузоподъемности штропов не применяют, при этом корпус на внешней поверхности снабжается отлитыми за одно целое с ним выступами с запорными защелками.

Вертлюг подвешивается  на боковые рога подъемного крюка  с помощью штропов элеваторов. Такая конструкция неудобна в  эксплуатации, не уменьшает габаритов  и массы вертлюга. Недостатком ее при эксплуатации является износ корпуса в зоне контакта со штропами подвески.

Корпуса вертлюгов  при изготовлении должны подвергаться дефектоскопическому контролю. Внутренние литые поверхности корпуса покрываются  маслостойкой краской для предохранения от коррозии.

Ствол вертлюга — наиболее нагруженная и ответственная  деталь. На ствол действуют растягивающая сила, изгибающий момент и внутреннее давление. Ствол также подвержен усталостному и абразивно-эрозионному износу по внутренней поверхности канала и механическому износу в зоне контакта с уплотняющими кольцами.

Стволы изготовляются  из конструкционных низколегированных улучшаемых сталей перлитного класса марок 40Х, 40ХН, 38ХГН, 338ХВА. 34ХМ1М по ГОСТ 4543—71 и др. Заготовки стволов получают свободной ковкой, причем грибовидный опорный фланец выполняется за одно целое со стволом. Ствол подвергается закалке с последующим отпуском до твердости 280— 320 НВ.

Снаружи и внутри ствол подвергается механической обработке, посадочные поверхности и переходные участки шлифуют. Наружные и внутренние поверхности канала должны быть соосны и иметь минимальную разностенность, а также жесткими для обеспечения равномерного распределения напряжений по сечениям. Биение посадочных шеек подшипников и неперпендикулярность плоскости опорного фланца к оси вращения ствола должны оговариваться допусками, величину которых рассчитывают или выбирают по нормам завода-изготовителя.

Диаметр канала ствола определяется скоростью потока промывочной жидкости; во избежание абразивного износа эта скорость не должна быть более 6 м/с. Канал ствола не должен иметь резких пережимов и расширений. Увеличение диаметра канала влечет за собой увеличение его наружного диаметра, что снижает долговечность уплотнительных устройств. Длину ствола выбирают с учетом возможности многократной нарезки изношенной левой внутренней замковой резьбы, выполняемой по ГОСТ 5286—75, служащей для соединения с ведущей трубой. Для предохранения резьбы от износа применяют предохранительные переводники. Участки ствола, контактирующие с верхними и нижними уплотнительными манжетами, защищают от износа втулками или удлиненным внутренним кольцом подшипников. Поверхность втулок шлифуют и подвергают термообработке до твердости 45—50 HRC.

Штроп. Штропы вертлюгов  изготовляют из низколегированных конструкционных сталей марок 40ХН, 40ХНМА, 38ХГН, ЗОХГСА и др. по ГОСТ 4543—71. Штропы изготовляют методом свободной ковки с высадкой и прошивкой проушин. Механической обработке подвергаются только отверстия и торцовые поверхности проушин.

Для получения  равнопрочной конструкции диаметр  штропа на наклонном прямолинейном  участке обычно увеличивают в  направлении к дуговой части  с отношением наибольшего и наименьшего  диаметров до 1,4. Изгибающий момент имеет максимум в сечении перегиба. Для обеспечения необходимой прочности и жесткости штропа с учетом износа его дуговая часть выполняется эллиптического сечения. В вертлюгах малой грузоподъемности штропы для упрощения изготовляют кругового сечения.

Штроп вертлюга изнашивается по отверстиям проушин и внутреннему радиусу дуговой части. Для защиты проушин от износа применяют сменные втулки. При проектировании диаметр штропа иногда увеличивают на 15—20 % с учетом износа.

Опоры ствола вертлюга воспринимают нагрузки, обеспечивают свободное вращение ствола и его фиксацию от радиальных и осевых перемещений.

В качестве главной  опоры в вертлюгах применяют  подшипники упорные или упорно-радиальные  в последнем случае ими воспринимаются также радиальные нагрузки и центрируется ствол в корпусе.

Для работы при  высоких частотах вращения подшипники имеют массивные стальные или  бронзовые сепараторы. Штампованные сепараторы и без сепараторные конструкции применяются редко.

Основные опоры  вертлюгов являются элементами, лимитирующими их работоспособность. При эксплуатации они испытывают разнообразные повреждения: выкрашивание, отслаивание, усталостные трещины, осповидный износ на поверхностях тел качения и колец, образование подповерхностных трещин, приводящих к контактно-усталостным разрушениям.

Устранение проскальзывания тел качения по кольцам и снижение контактных напряжений уменьшают вероятность контактного окатывания и повышают долговечность основной опоры.

Лучшие из этих упорных подшипников — роликовые  сферические с бочкообразными роликами, обеспечивающие более равномерное распределение нагрузки, в результате чего снижается износ внешних торцов роликов и колец подшипника. Однако вследствие сложности изготовления эти подшипники применяют весьма ограниченно. В обычных конических роликоподшипниках бурт кольца и торцы роликов сильно изнашиваются под действием центробежных сил, возникающих в роликах при вращении ствола.

 

Расчет  основных деталей на прочность и  долговечность

 

Расчет ствола заключается в определении его  основных размеров из условия прочности от осевого расстояния под давлением веса бурильной колонны.

Опасные сечения 1-1 и 2-2.

Внутренний  диаметр ствола d выбирают из условия, что бы наибольшая скорость потока раствора V не превышала 6-8 м/с.

 

  ,где Q=7.2 л/c и выбирают исходя и насосной характеристики

 

1,145 мм

 

Расчетно-осевая нагрузка

 

,где Ks= 1.25 – коэффициент

 

Qбк – нагрузка от наибольшего веса бурильной колоны.

 

Qr=1.25*320=400

 

 

Рис.2 Ствол вертлюга

 

Минимальный нагруженный  диаметр d1 полого ствола определяет условие прочности на внутреннее давление бурового раствора р₆ по формуле Ляме, приняв G_T=[G]=540 МПа

 

 120

 

Диаметр D1 и D находим из конструктивных соображений; D1=210 мм, D=480 мм. В сечении 1-1 (Рис. 2) грибовидный фланец ствола подвергается деформации. Напряжение в этом сечении равно:

 

6*Qp* Lн/ПD*h²=[G]

 

[G]=G_T/n – допускаемое напряжение n=3

 

Ly=[(D-D1)(D1+20)]/6(D+D1)=0,076 м

Приняв G исходную равную [G] определяем высоту грибовидного фланца

 

0.018

 

 

 

 

Расчет  штропа вертлюга

 

 

Рис.3 Штроп вертлюга

 

В сечении 1-1 (Рис.3) возникает напряжение от полости, приходящееся на одну из двух ветвей штропа, 

 

0.120 м

 

В сечении 2-2 (Рис.3) штроп рассчитывается по формуле Лете на прочность основного рога крюка С=300 мм и R₂=180 мм, приняв следующее условие T и далее определяем разницу.

 

R1=R2

 

q… – интенсивность давления

 

q=Qp/(2R2(Sin α)=200*10³/2*0,18*0,3*Sin 80=18 МПа

 

• R1= 0.18 м

 

В поперечном сечении проушины штропа возникает напряжение среза по двум площадкам на обоих концах штропа.

 

 

 

T=0,58*Gt=0.58*690*10⁶=371.2 МПа

Приняв Tcp=[T], находим диаметр

 

0,093 м

 

Fn=3.14*R²=538*10^-6 м²

 

Штроп в сечении 3-3 (Рис.3) рассчитывается по формуле Ляме. Находим интенсивность давления в сечении 3-3

 

83*10⁶ кг/м²

 

Приняв Gp*[G]*n*A=dn, находим диаметр проушины

 

0,066 м

 

Проушину штропа необходимо проверить на растяжение в сечении 4-4 (Рис.3)

 

 

2.7 МПа

 

Расчет подшипника основной опоры производят в соответствии с ГОСТ 18859-82. Для упорных роликовых подшипников вертлюга циклическая грузоподъемность

 

 

Ремонт  вертлюга

 

В процессе эксплуатации вертлюга необходим его текущий  ремонт, при котором кроме профилактических мероприятий заменяют сальниковые  и манжетные уплотнения. Детали уплотнительных устройств, требуют периодической замены. При планировании допускается капитальный ремонт вертлюга с заменой основной колонки, опоры и нарезной резьбы ствола.