Головка колонная КГ-5х700 с усовершенствованием уплотнительного соединения фланцев

 

 

2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

 

2.1 Расчет клиновой подвески

 

Применительно к условиям бурения сверхглубоких скважин в южных районах страны была создана колонная головка КГ–5–700 для подвески пяти колонн обсадных труб, рассчитанная на максимальное рабочее давление 70 МПа.

Колонная головка КГ–5–700 предназначена для обвязки устья нефтяных и газовых скважин глубиной 5000 м и более с целью герметизации и контроля межтрубных пространств.

Диаметры подвешиваемых обсадных колонн и соответствующие им давления следующие (табл. 2.1).

Произведём расчет клиновой подвески для колонны обсадных труб диаметром 377 мм и толщиной стенки 12 мм.

Из таблицы 1.4 видно, что в первой клиновой подвеске может быть подвешена обсадная труба с наружным диаметром от 377 до 372 мм. Для расчета принимаем трубу, проточенную по наружной поверхности до диаметра 373 мм, при этом толщина стенки уменьшается до 10 мм.

Для определения напряженного состояния тонкостенных труб, на которые действуют указанные силы, необходимо соблюдать неравенство (условие тонкостенности):

                                                      (1)

–

толщина стенки, равная 1 см;

где

 мм;

 

 

 

 

Таблица 2.1 - Диаметры подвешиваемых обсадных колонн

Диаметр обсадных колонн, мм	Диаметр подвесок, мм	Давление в корпусе, МПА
		Рабочее	Испытательное
502, 478, 426	502, 478, 426	14	21
377	372-377	14, 35	35
299	315	35, 50	70
219	235	50, 70	105
168	164-168	70	105

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пренебрегая деформациями плашек и других элементов захвата (их жесткость значительно больше жесткости трубы) можно считать, что поверхность трубы на участке «а» будет равномерно деформироваться в радиальном направлении при перемещении плашки под действием осевого усилия Q.

Определяем коэффициент равновесия:

                                                  (2)

	–	коэффициент Пуассона,
	–	толщина стенки, равная 1 см;
	–	средний радиус стенки трубы,

где

 

 

Учитывая, что в практике расчета деталей отечественного оборудования широко применяют третью теорию прочности (теорию наибольших касательных напряжений), расчетная формула для определения предельной нагрузки следующая:

                                       (3)

	–	предел текучести в Па;
	–	угол наклона, равный 25˚;
	–	угол трения, зависящий от коэффициента трения на поверхностях контакта плашек с корпусом подвески;
	–	коэффициенты, определяемые в зависимости от длины нагруженного участка а.

где

 

 

 

  

Эти коэффициенты определяются по формулам:

                           (4)

 

Конструктивно длину плашки выбирают равной 150 мм. Учитывая, что 10-15% длины плашки в работе участвовать не будут из-за погрешностей изготовления, её расчетная длина составит:

Из таблицы 7 [2] для находим значение коэффициентов:

По формулам (4) определяют коэффициенты:

Условие равновесия клиньев определяется как:

	–	коэффициент трения;
	–	угол трения между наружной поверхностью клиньев и корпусом.

где

 

 

Угол трения [2]

                                                 (5)

–

коэффициент трения, зависящий от удельного давления между наружной поверхностью клиньев и корпусом подвески.

где

 

Для определения удельного давления находим площадь контакта плашек с корпусом подвески.

Плашка соприкасается с корпусом подвески по двум коническим поверхностям.

Площадь контакта первой конической поверхности:

                                                    (6)

 

Площадь контакта второй конической подвески:

                                                   (7)

	–	средний диаметр первой конической поверхности;
	–	средний диаметр второй конической поверхности;
	–	длина контакта плашек с корпусом на первой конической поверхности;
	–	длина контакта плашек с корпусом на второй конической поверхности.

где

 

 

 

 

 

Применительно к конкретной конструкции колонной головки средние диаметры конических поверхностей и участки сопряжения составляют:

Тогда длина контакта:

Таким образом при расчете по формулам (6) и (7) получаем:

Общая площадь контакта:

Учитывая неточности при изготовлении сопрягаемых деталей, принимают площадь контакта на 15 % больше.

Тогда расчетная площадь контакта плашек с корпусом подвески составляет:

Максимальный вес обсадных труб принят равным

Удельная нагрузка, действующая в соединении наружной поверхности и плашек с внутренней поверхностью корпуса клиновой подвески, составит:

Согласно [2] для такой удельной нагрузки коэффициент трения равен

Теперь по формуле (5) определяем:

По формуле (3) определяем предельную нагрузку, при которой цилиндр (в нашем случае труба) на рассматриваемом участке теряет прочность:

– для труб из стали марки Е

– для труб из стали марки Л

– для труб из стали марки М

Таким образом, расчет показывает, что на трубах диаметром 377 мм из сталей марок Е, Л и М в клиновой подвеске данной конструкции можно подвесить всю колонну обсадных труб.

 

2.2 Расчет крестовиков 

 

Одним из основных узлов колонных головок всех типов являются крестовики. Конструктивной особенностью крестовиков является то, что в основном их рассчитывают на два различных рабочих давления. Например, крестовик имеет нижние присоединительные размеры, рассчитанные на рабочее давление 14 МПа, а верхние – на 35 МПа. Поэтому цилиндрическая часть крестовика имеет несколько завышенную толщину стенок.

Прочность цилиндрической части крестовиков проверяют по формуле:

                                            (8)

	–	допускаемое испытательное давление в Па;
	–	номинальная толщина стенки в мм;
	–	наружный диаметр корпуса в мм;
	–	допускаемое напряжение в Па.

где

 

 

 

Кроме того, определяют предельное давление, при котором корпус крестовика теряет прочность:

                                         (9)

	–	наружный диаметр крестовика в мм;
	–	внутренний диаметр крестовика в мм;
	–	предел текучести в Па.

где

 

 

Расчет крестовика ведется по частям. Прочность цилиндрической части проверяют по формуле (8). Для первого крестовика колонной головки

Испытательное давление для первого крестовика равно 28 МПа, поэтому коэффициент запаса составит:

Предельную величину давления, при котором корпус крестовика теряет прочность, определим по формуле (9), где

Запас прочности по предельному давлению составит:

Полученные расчетом коэффициенты запаса прочности по испытательному и предельному давлениям удовлетворяют условиям обеспечения необходимой прочности крестовика и учитывают возможности литейной технологии при его изготовлении.