Талевые канаты

Глава VII

Глава VII

Таблица VII 1

ТАЛЕВЫЕ СИСТЕМЫ

§ 1. Назначение и устройство

Талевые системы  буровых установок предназначены  для проведения спуско-подъемных работ и поддержания на весу в процессе бурения колонн, а также колонн обсадных труб.

В процессе этих операций при помощи талевой системы осуществляются подъем колонны на длину свечи, поддержание свечей, их отвинчивание от колонны, захват и извлечение свечей из магазина и поддержание их при свинчивании с колонной в процессе спуска, а также различные вспомогательные операции по подъему грузов в процессе бурения скважины.

Талевая система  состоит из неподвижной группы шкивов — кронблока, установленного в верхней части буровой вышки; подвижной группы шкивов талевого блока, соединенных между собой стальным тросом — талевым канатом, один конец которого крепится к барабану лебедки, а второй через приспособление к основанию вышки. Крепление неподвижного конца каната к основанию буровой обусловлено необходимостью уравновесить горизонтальную составляющую усилия в ведущей ветви, установки на нем измерительной аппаратуры, предназначенной для контроля нагрузки на крюке, а также осуществления перепуска талевого каната для уменьшения его износа.

При такой системе  число шкивов кронблока всегда на один больше, чем в талевом блоке, а количество ветвей в оснастке четное

1 = 2и_т6, а и_к6 = и_тб +1, (УН-1)

где и_т6 и и_кб — число шкивов талевого блока и кронблока.

Талевые системы  характеризуются номинальной и  максимальной грузоподъемностью, числом ветвей каната в оснастке и диаметром  каната.

Характеристика  типоразмеров талевых систем, принятых размерным рядом в СССР и США, приведена в табл. УП-1.

Число блоков, их размеры и количество ветвей каната в талевой системе определяются грузоподъемностью на крюке, тяговым  уси- 

Характеристика  талевых систем

Класс буровой установки	БУ-50	БУ-80	БУ-100	БУ-125	БУ-160	БУ-200	БУ-250	БУ-500 *
Грузоподъемность иа крюке номинальная, Т	50	80	100	125	160	200	250	500
Грузоподъемность максимальная, Т	110	140	170	200	250	320	450	600
Число рабочих ветвей каната в оснастке	6-8	8—10	8—10	10—12	10-12	10—12	10-12	12—14
Диаметр шкива по дну канавки, мм	900	1100	1100	1250	1250	1400	1400	1600
Диаметр каната, мм	25	28	28	32	32	36	38	38-42

* Грузоподъемность, принятая в США.

 

лием лебедки, количеством слоев навивки каната на барабан, размерами, прочностью и скоростью намотки на барабан талевого каната.

Скорость ведущей  ветви каната г?_в по условиям намотки на барабан лебедки не должна превышать 20 м/сек, т. е.

р₆ — I>_кг 20 м/сек. (УП-2)

В то же время натяжение  ведущей ветви должно быть

Д,

т

(УН-З)

Т) •* тал ^в— г

где у_в— скорость крюка;

/?_д — действительная разрывная прочность каната; п —запас прочности каната (для буровых установок не менее 2) по отношению к максимальной нагрузке.

Число шкивов в талевой системе  определяется из соотношения

Т

2Р_п

(УН-4)

При этом число  слоев навивки каната на барабане лебедки стремятся выбрать наименьшее. Чем больше шкивов и ветвей в оснастке, тем сильнее истирается канат, а чем меньше шкивов и ветвей, тем канат более нагружен и сокращается его усталостная долговечность.

Практикой эксплуатации установлено, что целесообразнее умень- тг^'.ть число шкивов в талевой  системе, увеличивать их диаметр  и при- а нять прочные канаты большего диаметра с тем, чтобы уменьшить 

число слоев навивки  каната на барабан лебедки, так как  миого- слойность навивки сильно разрушает канат. Для этого также  применяют большие соотношения между диаметром шкива и каната (до 40) и более жесткие, но износостойкие канаты с линейным контактом проволок в пряди и металлическим сердечником, обеспечивающие меньшее поперечное смятие каната.

§ 2. Стальные канаты талевых систем

По форме поперечного  сечения стальные канаты бывают круглыми и плоскими.

Круглые канаты по конструкции разделяют на три  группы: канаты одинарной, двойной и  тройной свивок.

Канат одинарной  свивки в канате двойной свивки называется прядью, а канат двойной свивки в канате тройной свивки называется стренгой.

Канат, состоящий из одного слоя прядей, называется тросом, а канат, состоящий из двух или трех слоев прядей, называется много-

прядным или кабельным. Тросовые канаты бывают с числом прядей от трех до восьми.

В многошкивных тяжело- нагруженных талевых системах буровых установок применяют только стальные канаты круглого сечения тросовой конструкции с шестью прядями и одним сердечником (рис. УИ-1).

По направлению  свивки прядей в канате и проволо- Рис. VII-!. Талевый канат с шестью прядя- ^{ке в} прядях каната тросовой ми и одним стальным пружинным сердечни- конструкции различают каком- наты крестовой свивки и канаты односторонней свивки. Свивка этих канатов может быть как правой, так и левой.

Крестовой свивкой  называется свивка канатов, при которой  направление свивки прядей в канат противоположно направлению свивки проволок в верхнем слое прядей.

Проволоки наружных слоев прядей в таких канатах  располагаются на поверхности каната параллельно его оси.

Односторонней называется свивка, при которой направление  свивки прядей в канате совпадает по направлению со свивкой проволок в прядях.

Канаты односторонней  свивки вследствие совпадения направлений  свивок более долговечны и гибки  по сравнению с канатами крестовой  свивки, однако первые канаты самораскручиваются, в результате 
чего нарушается их строение. Эти канаты не пригодны для вертикального подъема без направляющих, не допускают резкого ослабления и свивания ветвей каната. Поэтому они не применяются в талевых системах буровых установок.

В прядях стальных канатов группа проволок располагается по спирали вокруг проволоки, называемой сердечником пряди, в один или несколько концентричных слоев.

Каждый слой пряди изготовляют  или из разного числа проволок одного диаметра, навитых вокруг предыдущего  слоя (рис. УН-2, а), или с одинаковым числом проволок, но различного диаметра в каждом слое (рис. УН-2, б).

Направление свивки проволок в каждом ряду многослойной пряди может быть различным.

а Ь

Рис. УН-2. Канат одинарной свивки (пряди).

а — однослойная прядь из проволок одного диаметра; б — двухслойная прядь из проволок разных диаметров.

Пряди одинарной односторонней свивки изготовляют двух типов с одинаковым шагом и одинаковым углом свивки во всех сл^ях.

В первом случае углы свивки по слоям разные, а проволоки перекрещиваются, в результате чего происходит их точечное касание. Канаты с такой свивкой условно называются канатами типа ТК.

Во втором случае проволоки в слоях не перекрещиваются  и происходит их линейное касание; канаты с такой свивкой относят к типу ЛК. Пряди с разносторонней свивкой не раскручиваются, при этом всегда происходит точечное касание проволок.

В зависимости  от направления свивки проволок верхнего слоя различают пряди правой и  левой свивки.

В канатах, трущихся и изгибающихся на барабане лебедки и шкивах, для уменьшения износа истиранием наружный слой пряди свивается из проволок большего диаметра, а для обеспечения гибкости и усталостной долговечности внутренние слои их изготовляются из проволок меньшего диаметра.

В буровых установках расход талевых канатов составляет несколько килограммов на 1 м проходки скважины, а долговечность их исчисляется иногда несколькими днями или неделями. Поэтому вопросы правильного выбора и расчета канатов для обеспечения необходимой их долговечности имеют большое значение.

На основании  длительного опыта эксплуатации канатов различных конструкций в талевых системах буровых установок применяются круглые шестипрядные канаты, в которых: 1) число проволок во внешнем и внутренних слоях одинаково, диаметр проволок различен, свивка прядей в канате крестовая, а сама прядь свита с линейным касанием проволок; 2) число проволок во внешнем и внутренних слоях различно, диаметр их одинаков, свивка  

прядей в канате крестовая, а касание проволок в прядях линейное.

Преимуществами  канатов второй конструкции являются увеличенная плотность каната, повышенное сопротивление износу, большая работоспособность. Такие канаты не раскручиваются. Кроме того, в этой конструкции достигается уменьшение величины контактных напряжений, а также уменьшение потерь прочности от свивки. Уменьшение раскручиваемости достигается тем, что при свивке проволок в пряди, а прядей в канаты за счет применения переформированных проволок и прядей снижаются внутренние напряжения.

Раскручиваемость  канатов также зависит от угла свивки. Углом свивки называется угол, под которым проволоки наклонены  к оси пряди или прядп к  оси каната. При углах свивки до 7° упругое напряжение проволок настолько  велико, что прядь, освобожденная после навивки, сама развивается.

Опытами установлено, что работоспособность канатов  возрастает, если при свивке деформация проволок превышает предел упругих  деформаций. С другой стороны, установлено, что чем больше искривление проволок в канате, тем больше разность между суммарной прочностью проволок и прочностью каната в целом. Для прочности каната более выгодны наименьшие углы свивки, для долговечности — большие.

Практикой установлено, что оптимальными для талевых  канатов являются углы 10—20°. Применение канатов с углом свивки менее 10° ограничено условиями выносливости, а более 20° — условиями прочности.

Канаты, у которых  основным условием является прочность, выбирают с меньшими углами свивки (для прядей не более 10—12°).

Направление свивки прядей в канате по внешнему слою выбирают таким, чтобы он дополнительно подкручивался, в результате чего увеличились бы плотность каната и срок его службы.

Для легких условий  работы применяются канаты с одним  органическим сердечником, а для тяжелонагруженных талевых систем — с одним металлическим. В качестве органического сердечника применяют синтетические волокна или пеньку, а металлического сердечника — стальной канат из семи прядей по семь проволок в каждой или стальную пружину. Канаты этого типа по сравнению с канатами с органическим сердечником, обеспечивая необходимую гибкость, имеют более высокую поперечную жесткость, предохраняющую их от раздавливания.

Свойства и  прочность канатов

Плотность, гибкость и удлинение. Для оценки свойств каната служат следующие конструктивные показатели.

1. Коэффициент конструктивной плотности каната К_ъ, или коэффициент заполнения, т. е. отношение площади поперечного сечения проволок составляющих каната 2/^ ^к площади поперечного сечения каната

К.-Щ, (У11-5)

где К_ъ — коэффициент заполнения для талевых канатов, равный

0,5-0,6;

с1_к — номинальный диаметр каната.

2. Коэффициент гибкости К_г, т. е. отношение диаметра каната с1_к к среднему диаметру проволоки б

 

(УП-6)

Коэффициент К_г характеризует способность каната к изгибу в пределах упругой деформации за счет внутреннего скольжения проволок. Для талевых канатов величина этого коэффициента составляет 12—16.

3. Удлинение канатов. В стальном канате при нагрузке происходит взаимное перемещение проволок и прядей, вызывающее изменение первоначальной формы каната. При этом канат несколько удлиняется, а его сечение деформируется, превращаясь из круглого в овальное. Новые канаты удлиняются под нагрузкой вследствие усадки сердечника и перемещения проволок и прядей.

Такое удлинение, называемое конструкционным, является неупру- гпм п равно 0,2—4% первоначальной длины каната, к концу работы каната оно может еще увеличиться.

Упругое удлинение  каната зависит от модуля его упругости  и напряжения:

где Р — растягивающее усилие;

Ь — длина каната;

Е_к — модуль упругости каната в целом.

Модуль упругости  каната ниже, чем проволоки, а следовательно, и жесткость канатов также меньше, чем металлического стержня с поперечным сечением, равным суммарной площади проволок.

Модуль упругости  каната является переменной величиной, зависящей от воспринимаемой им нагрузки и продолжительности работы до испытаний. По экспериментальным данным модуль упругости при растяжении нового шестипрядного каната при нагружении в пределах, когда среднедействующая нагрузка Р_э = (0,3 — 1) Р_п, где Р_в — нагрузка каната при номинальной грузоподъемности; прп коэффициенте запаса прочности п = 5 может составлять: