Расчет усилий, действующих на фланцевое соединение фонтанной арматуры

ВВЕДЕНИЕ

На практических занятиях рассматриваются типовые задачи по расчету и выбору машин и оборудования при штанговой глубиннонасосной, фонтанной и бесштанговой (ЭЦН) эксплуатации скважин.

Цель занятий заключается в углублении теоретических знаний о предмете на основе примеров решения задач, возникающих в повседневной нефтепромысловой практике инженеров-нефтя­ников.

Рекомендуется для студентов специальностей 09.0600 при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также ин­женерно-технических работников нефтегазодобывающих пред­приятий.

РАСЧЁТ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ФОНТАННО-КОМПРЕССОРНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН

Расчет усилий, действующих на фланцевое соединение фонтанной арматуры

При фланцевом соединении деталей арматуры уплотнение осуществляется в основном металлическим кольцом овального или восьмиугольного сечения.

Усилие, действующее на кольцо, не должно приводить к его остаточным деформациям.

В одном из вариантов сборки фланца прокладочное кольцо соприкасается с канавками фланцев по их внутреннему и внешнему скосам [2]. Уплотнение происходит за счет упругой деформации кольца и фланцев в месте соприкосновения (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема фланцевого соединения

При расчете фланца определяются усилия обжатия, рабочее усилие при повышении в арматуре давления, усилия от разности температур фланца и стягивающих шпилек при пере­качке горячей среды и усилие от веса боковых отводящих труб, присоединенных к арматуре.

Для обеспечения герметичности стыка прокладка должна быть предварительно обжата для устранения неплотности прилегания под определённым давлением. Необходимое усилие обжатия [6]

(1.1)

где Dср - средний диаметр прокладки; bэф - эффективная, т. е. суммарная ширина контакта прокладки (для прокладок овального и восьмиугольного сечений bэф = b/4); qобж - давление на прокладку для ее обжатия (для мягкой меди qобж = 160 МПа, мягкой стали - 250 МПа; стали типа 15Х5М - 350МПа; стали 12Х18Н9T - 400 МПа [6]).

Давление обжатия на прокладку должно быть меньше допускаемого табл. 4 [6]:

.

Усилие, действующее при эксплуатации Рэксп, учитывает действие давления Рдав, разжимающее фланцы, остаточное усилие затяжки ΔРзат, которое должно быть достаточным для уплотнения соединения, влияние температуры горячей перекачиваемой среды рt, влияние веса отводящих манифольдов Рм [2, 24]:

* (1.2)

где усилие от действия давления и остаточного усилия затяжки определяется по формуле

. (1.3)

Здесь Рр - давление в арматуре; m - прокладочный коэффициент, зависящий от упругих свойств материала прокладки. (для резины m = 1,2; для паронита m = 1,6; для меди = 2,4; для мягкой стали m = 2,7; для хромникелевой стали m = 3,8 (табл. 4 [6])).

В случае работы арматуры с паром или газом или смеси жидкости и газа в формулу подставляют 2m.

При перекачке горячей среды металл арматуры нагревается больше, а шпильки - меньше, так как у них лучше условия охлаждения.

Считая фланцы жесткими, а шпильки и прокладку упругими, определяют дополнительную нагрузку [24]:

, (1.4)

где Δt - разность температур фланца и шпилек; °С; hш - длина растягиваемой части шпилек; α - коэффициент теплового расширения материала шпилек (для стали α = 0,11ּ10^-4 1/ºС); hр - рабочая высота прокладки; Еш, Епр - модули уп­ругости материала шпильки и прокладки; fш - площадь поперечного течения шпильки; fпр - площадь поперечного (горизонтального) сечения прокладки. Рабочая высота прокладки

, (1.5)

где R - радиус закругления прокладки. Усилие в шпильках от веса отводящих труб манифольда

, (1.6)

где Мизг - суммарный изгибающий момент от веса деталей манифольда; Dшп - диаметр окружности крепления шпильками.

За расчетное усилие Ppac принимается большее из Робж и Рэксп. Усилие на наиболее нагруженную шпильку определяется по формуле

, (1.7)

где Ррас - большее усилие из Робж и Рэксп; n - количество шпилек.

Напряжение в шпильке

, (1.8)

где fш - площадь поперечного сечения шпильки по внутрен­нему диаметру резьбы; η - коэффициент запаса η = 1,25 - 1,6. Допускаемый момент затяжки шпильки ключом [6]

, (1.9)

где d - наружный диаметр резьбы шпильки; σт - предел те­кучести материала шпильки.

Расчетный момент затяжки шпильки

, (1.10)

Задача 1. Рассчитать усилие обжатия и эксплуатационное усилие, действующее на фланец фонтанной арматуры с прокладкой овального сечения из стали 12Х18Н9Т. Выбрать диаметр шпилек фланца исходя из рассчитанных усилий, материала ст. 30 (σт = 300 МПа) и определить момент затяжки шпилек.

Решение. Усилие обжатия фланца определим по формуле (1.1). Для прокладки из стали 12Х18Н9Т qобж = 400 МПа. Средний диаметр прокладки

,

,

тогда

.

Для определения эксплуатационного усилия воспользуемся формулой (1.2), так как температура добываемой жидкости не превышает 30°С, а данные по весу отводящих труб манифольда отсутствуют. Используем лишь первые два члена формулы (1.2), т. е. определим усилие от рабочего давления и остаточ­ного усилия затяжки (m = 3,2):

За расчетное усилие принимаем большее из рассчитанных (Рэксп).

Усилие на наиболее нагруженную шпильку определим по формуле (1.7):

.

Диаметр шпильки определим из отношения (1.8), приняв коэффициент запаса η = 1,5:

.

Отсюда диаметр шпильки по впадине резьбы

.

Выберем диаметр шпильки

.

Напряжение в шпильке

,

где площадь поперечного сечения шпильки по впадине резьбы

.

Допустимый момент затяжки шпильки (формула (1.9))

.

Расчетный момент затяжки (формула (1.10))

.

Задача 2. По условиям предыдущей задачи рассчитать усилие обжатия и эксплуатационное усилие, действующее на фла­нец фонтанной арматуры с прокладкой из мягкой стали при нагнетании в скважину горячей воды и пара. Выбрать материал для шпилек, исходя из рассчитанных усилий, и определить момент затяжки шпилек.

Решение. Усилие обжатия фланца определим по формуле (1.1). Для прокладки из мягкой стали qобж = 250 МПа. Из предыдущей задачи Dcp = 88, bэф = 1,5 мм,

.

Усилие от рабочего давления и остаточного усилия затяж­ки определим по формуле (1.3) при m = 2,7·2 = 5,4:

Нагрузку от разности температур фланца и шпилек опре­делим по формуле (1.4), причем разность температур в начало прогрева при 300°С составит 20°С [24]. По условию длина растягиваемой части шпилек hш = 45 мм.

Рабочая высота прокладки hр = 12 - 2 = 10 мм, площадь по­перечного сечения прокладки

.

Площадь поперечного сечения шпильки

,

тогда

,

Нагрузку от веса части манифольда определим по формуле (1.6). Момент от веса манифольда

.

По условию предыдущей задачи Dшп = 135 мм,

.

Эксплуатационное усилие по формуле (1.2)

.

За расчетное усилие принимаем большее из рассчитанных (Рэксп и Робж).

Усилие на наиболее нагруженную шпильку определим по формуле (1.7):

.

Напряжение в шпильке определим по формуле (1.8):

.

.

Выбираем материал шпилек по табл. 1 [6]. Это сталь 35 с σт = 360МПа.

Коэффициент запаса

,

что допустимо. Допустимый момент затяжки шпильки (формула (1.9))

.

Расчетный момент затяжки (формула (1.10))

.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: