Механический расчет сепаратора на прочность

Механический расчет сепаратора на прочность сводится к определению толщины стенки корпуса и днища цилиндрического сепаратора

 

Дано:

Pоп=0,075 МПа; Dc=3,4м=3400мм.

Решение:

Определяем толщину стенки корпуса сепаратора: δ=(Pоп*Dс)/(2R*φ+Pоп)+C; (мм)

где

δ – толщина стенки сепаратора, мм;

Pоп – давление опрессовки, МПа;

в расчетах принимаем

Pоп=2*Pс=2*0,075=0,15

Dc – наружный диаметр сепаратора, м;

R – допускаемое напряжение на разрыв, для сталей марки Ст3 принимаем R=250 МПа;

φ – коэффициент запаса прочности сварных швов, принимаем φ=0,95;

С – прибавка толщины стенки на коррозию, принимаем С=3мм.

δ=(Pоп*Dс)/(2R*φ+Pоп)+C=(0,15*2400)/(2*250*0,95+0,15)+3=14,07 мм

 

Определяем толщину днища сепаратора:

δд=(Pоп*Dс*Y)/(2R*φ+Pоп)+С; (мм)

где Y – коэффициент перенапряжения или фактор формы, зависящий от отношения высоты выпуклости эллиптического днища к диаметру сепаратора, в расчетах принимаем Y=1,06.

δд=(Pоп*Dс*Y)/(2R*φ+Pоп)+С=(0,15*2400*1,06)/(2*250*0,95+0,15)+3=16,13

 

Расчет пропускной способности вертикального гравитационного сепаратора

 

Расчет пропускной способности вертикального гравитационного сепаратора по газу сводится к определению скорости подъема газового потока в сепараторе V_г, то есть V_ж<V_г

 

Определяем плотность газа в условиях сепаратора ρ_г:

ρ_г=ρ_о*P_c*T₀/P₀*T_c*Z; (кг/м³)

где ρ_о– плотность газа при нормальных условиях, кг/м³

P и P₀ – соответственно давление в сепараторе, и давление при нормальных условиях, Па принимаем P=103*100Па;

T_с и T₀ –абсолютная температура в сепараторе (T=273+t),⁰K и абсолютная температура (T₀=273⁰);

Z– Коэффициент сжимаемости учитывающий отклонение реального газа от идеального;

t–температура в сепараторе,⁰C.

ρ_г=ρ_о*P_c*T₀/P₀*T_c*Z=1,03*100*273/1,03*100*301*0,98=1,13кг/м³

 

Определяем скорость осаждения капельной жидкости твердых частиц V_ч по формуле Стокса:

V_ч=d_н²*(ρ_н *ρ_г)g/18µ_г ; (м/сек)

где

d_н– диаметр частиц и капель нефти, м;

ρ_н и ρ_г– соответственно плотность нефти и газа в условиях сепаратора кг/м³;

g– ускорение свободного падения 9,81 м/с;

µ_г – динамическая вязкость газа в условиях сепараторе, Па*с.

V_ч=d_н²*(ρ_н *ρ_г)g/18µ_г=0,031²*(880–1,13)*9,81/18*1,012=0,45м/с

 

Скорость подъема газа V_гв вертикальном сепараторе на практике определяем:

V_г=V_ч/1,2=0,375; (м/сек)

 

Определяем суточную производительность сепаратора по газу:

Q_г=86400*V_г*0,785*Д_с²*P_c*T₀/P₀*T_c*Z; (м³⁾

Q_г=86400*V_г*0,785*Д_с²*P_c*T₀/P₀*T_c*Z=86400*0.375*0.785*1²*2.6*273/1.03*100*301*0.98=604,15м³

 

Для определения суточной производительности сепаратора по жидкости сначала определяем скорость подъема уровня нефти в сепараторе:

V_н=Q_н/86400*F *ρ_н; (м/сек)

где Q_н– количество нефти проходящей через сепаратор т/сут;

ρ_н – плотность нефти, т/м³;

F– площадь поперечного сечения сепаратора м³;

V_н=Q_н/86400*F *ρ_н=240000/86400*0,785*0,880=0,004м/сек

F= π*Д²_с/4;(м² )

F= π*Д²_с/4=3,14*1²/4=0,785м²

 

Так как пузырьки газа успевают всплыть при условии V_г>V_н, принимаемV_г на 0,001–0,002 м/сек больше чем V_н.

Диаметр пузырьков газа определяется из формулы Стокса;

d_г= √18µ_нV_г/(ρ_н –ρ_г)* g; (м)

d_г=√18µ_нV_г/(ρ_н –ρ_г)* g = √18*4.5*0.006*/(0.880–0.375)*9.81=0.31м

 

Определяем суточную производительность сепаратора по жидкости

Q_ж=86400*0,785*Д_с²*d_н²(ρ_н –ρ_г)*g/18 µ_н ; (м³⁾

Q_ж=86400*0,785*Д_с²*d_н²(ρ_н–ρ_г)*g/18µ_н=86400*0,785*1²*0,031²(0,880-0,375)*9,81/18*4,5=3,94 м³

 

 

Пример выбора оборудования.

Определим максимальную, вертикальную нагрузку, действующую на вышку, по формуле:

P_max=P_кр+Р_хк+Р_нк+Р_тс

 

Где P_кр– максимальная нагрузка, действующая на крюк, кН., Р_хк, Р_нк – натяжения соответственно ходового и неподвижного конца талевого каната, кН, Р_тс– вес талевой системы, кН.

Рассчитаем вес колонны НКТ + хвостовика + муфты

 

G_эк = (L_нкт * g₁) + (L_хв * g₁) + (n * g₂)

 

где L_НКТ – общая длина спущенных труб НКТ;

L_хв– длинна хвостовика,

n – количество соединительных муфт (труб НКТ),

g₁ – вес 1 метра гладкой трубы НКТ 73 с толщиной стенки 5.5 мм, кН;

g₂ – вес 1 муфты, кН.

 

G_эк = (1459.9 * 90.16) + (37.45 * 90.16) + (148 * 23.52) = 138.5кН

 

Определим статическую нагрузку, действующую на талевый блок.

Р_кр= KG * (1 – (ρ_жгс/ρ_м)

 

где К – коэффициент, учитывающий затяжки и прихват колонны (К = 1.25 – 1.30);

G – вес всей колонны;

ρ_жгс, ρ_м – плотность соответственно жидкости глушения и материала труб.

 

Р_кр= 1.3 * 138.5 * (1 – (1180/7850) = 153.04 кН

 

Исходя из максимальной нагрузки на талевом блоке, которая составляет 153,04 кН, для производства ремонтных работ в данной скважине выбираем подъемник типа АР 32/40 смонтированный на базе Урала 43.20 и оборудование для талевой системы массой до 40 тонн.

Техническая характеристика подъемника АР 32/40 используются при дальнейших расчетах.

Р_тс = g_кб+ g_тб+ g_кр

Где g_кб – вес кронблока;

g_тб– вес талевого блока;

g_кр– вес крюка.

 

Тогда вес талевой системы будет равен

Р_тс = (500кг * 9.8) + (560кг * 9.8) + (275 * 9.8) = 13.08 кН

 

Число рабочих струн оснастки талевой системы определим по формуле

n = Р_кр/ Р_Iтк* ŋ_тс

 

где Р_{Iтк –} наибольшее тяговое усилие на бегающем конце талевого каната на I скорости для подъемника АР 32/40 Р_Iтк= 75 кН;

ŋ_тс - КПД полезного действия талевой системы, равный 0,85

КПД талевой системы зависит от числа шкивов, кронблока и талевого блока приведена в таблице 18.

Таблица 18: КПД талевой системы

 

Число шкивов
КПД талевой системы	0.97	0.94	0.92	0.90	0.88	0.87	0.85	0.84	0.82	0.81

 

n = 153,04/40 * 0.85 = 4,5

Несмотря на расчеты принимается талевая оснастка 3 х 4 с креплением неподвижного конца талевого каната диаметром 22 мм к рамному брусу вышки (n =6), т.к. выполняемые работы проходили на модификации подъемника данного типа.

Определение натяжение ходового и неподвижного концов, а так же натяжение рабочих струн талевого каната.

При подъеме колонны труб наибольшее натяжение возникает в ходовом конце талевого каната, наименьшее – в неподвижном.

При подъеме колонны натяжение ходового конца талевого каната определяется по формуле:

 

Р_хк= Р_кр+ Р_об * (βⁿ(β – 1) / (βⁿ – 1),

где Р_об – вес поднимаемого оборудования (Р_об = 8,0 кН)

 

Р_хк= (153,04 + 8) * 0,18464 = 29,8 кН

Определяется натяжение неподвижного конца талевого каната по формуле:

Р_нк= Р_кр+ Р_об * ((β – 1) / β(βⁿ – 1),

Р_нк= (153,04 + 8) * (1,03 – 1) / (1,03 (1,03⁶ – 1)) = 24,16 кН.

 

Определим натяжение рабочих струн:

Р₁ = Р_хк * 1 / β = 29,8 * 0,97 = 28,9 кН,

Р₂ = Р₁ * 1 / β = 28,9 * 0,97 = 28,03 кН,

Р₃ = Р₂ * 1 / β = 28,03 * 0,97 = 27,19 кН,

Р₄ = Р₃ * 1 / β = 27,19 * 0,97 = 26,4 кН,

Р₅ = Р₄ * 1 / β = 26,4 * 0,97 = 25,61 кН,

Р₆ = Р₅ * 1 / β = 25,61 * 0,97 = 24,84 кН.

 

По вычисленным значениям получается:

Р_max = 153,04 + 29,8 + 24,16 + 11,25 = 218,25 кН.

 

Выбор диаметра и типа каната для оснастки талевой системы.

Основное требование, предъявляемое к применяемым в подъемных механизмах стальным канатам, - обеспечение заданного расчетного разрывного усилия при оптимально-минимальном диаметре, минимальных массе и жесткости.

Выбираем диаметр и тип каната для оснастки талевой системы.

Из выбранного оборудования для талевой системы видно, что оно рассчитано на канат диаметром 22 мм.

 

Выбираем тип талевого каната. Натяжение ходового конца талевого каната Р_хк= 29,8 кН. Определим необходимое разрывное усилие Р_р талевого каната с учетом коэффициента запаса прочности К = 3-5. для нашего случая выбираем К = 3.5.

Р_р= КР_хк = 3,5 * 29,8 = 104,3 кН.

Исходя из полученного значения разрывного усилия, которое равно 104,3 кН, выбираем талевый канат 1370 (140) диаметром в 22 мм с разрывным усилием Р_р= 253,5 кН.

 

Определение числа рядов талевого каната на барабане лебедки подъемника.

 

От правильной навивки талевого каната на барабан лебедки зависят равномерность и плавность спуско-подъемных операций, что очень важно во избежание непредвиденных динамических усилий в процессе ремонта.

 

Определяем число рядов талевого каната, навиваемого на барабан лебедки подъемника АР 32/40, при следующих данных: диаметр бочки барабана D_б = 420мм, длина бочки барабана L_м = 800мм, диаметр талевого каната d_к = 26мм, оснастка талевой системы 3 х 4. высота подъема крюка 13,4 м.

Определим средние диаметры рядов навивки каната на барабан лебедки.

Средний диаметр первого ряда

D₁ = D_{б +} d_к = 420 + 22 = 442 мм.

 

Средний диаметр любого другого ряда:

D₁ = D_{б +} d_к + α (2z – 2) d_к,

где α – коэффициент, учитывающий расстояние между рядами навивки каната (обычно α = 0,90 – 0,93, принимаем 0,93),

z – число рядов каната на барабане.

Диаметры второго и третьего рядов составят:

D₂ = D_б+ d_к + α2d_к = 420 + 22 + 0,93 * 2 * 22 = 483 мм

D₃ = D_б+ d_к + α4d_к = 420 + 22 + 0,93 * 4 * 22 = 524 мм.

 

Для определения числа рядов каната находим число витков в ряду, длину каната, навиваемого на барабан, и длину каната, которая навивается на каждый ряд.

Число витков каната в одном ряду на барабане

m = L_б β / t,

 

где β – коэффициент неровности навивки каната на барабан лебедки подъемника (обычно β = 0,92 – 0,95, принимаем 0,92), t – шаг навивки каната, мм.

M = 800*0,92/ 22 = 33,4

Принимаем m = 33 витка

Необходимую длину каната навиваемого на барабан при подъеме труб на высоту 13,4м, определяем по формуле:

L_к = h_крn + l₀,

Где n – число рабочих струн оснастки талевой системы, l₀ – длина нерабочих витков каната первого ряда, постоянно навитого на барабан, м:

l₀ = m₀πD₁,

 

Где – число нерабочих витков каната в первом ряду навивки (m₀ = 12).

l₀ = 12*3,14*0,442 = 16,65м (принимаем 17 м).

Тогда

L_к = 13,4*6+17 = 97,4м.

 

Длина каната навиваемого на каждый ряд:

На 1 ряд:

L₁ = mπD₁ = 33*3,14*0,442 = 45,8м,

На 2 ряд

L₁ = mπD₂ = 33*3,14*0,483 = 50м,

На 3 ряд

L₁ = mπD₃ = 97,4 – (45,8 + 50) = 1,6м.

 

Тогда число витков в третьем ряду будет:

m₃ = L₃/ πD₃ = 1.6/3.14*0.524 = 1 виток.

Таким образом, при подъеме из скважины колонны на высоту h_кр = 13,4 м на барабан лебедки подъемника навиваются 2 полных ряда каната и 1 виток - на третий ряд.

 

Определение скорости подъема крюка

В данной задаче мы определим скорость подъема крюка на каждой скорости вращения барабана лебедки подъемника АР 32/40 при оснастке талевой системы 3 х 4, используя данные ранее решенных задач.

Определим средний диаметр навивки трех рядов талевого каната на барабан лебедки:

D_ср = (D₁ + D₃) / 2 = (442 + 524) / 2 = 483 мм.

Скорость подъема

Скорость подъема берем из таблицы 19

 

Таблица 19: Скорость подъема крюка

 

	1 пон	1 осн	1 пов	2пон	2осн	2пов	3пон	3осн	3пов
Скорость подъема, м/с.	0,22	0,33	0,5	0,44	0,67	1,02	0,82	1,24	1,88

 

Определяем скорость вращения барабана лебедки

 

n_бт = (60n * υ_кр) / πD_ср

где υ_кр - скорость подъема

 

На агрегате АР 32/40 9 скоростей.

1_пон = 360*0,22 / 1,51 = 52,2 об/мин.

1_осн = 360*0,33 / 1,51 = 78 об/мин.

1_пов = 360*0,5 / 1,51 = 118 об/мин

2_пон = 360*0,44 / 1,51 = 104 об/мин

2_осн = 360*0,67 / 1,51 = 159 об/мин

2_пов = 360*1,02 / 1,51 = 242 об/мин

3_пон = 360*0,82 / 1,51 = 194 об/мин

3_осн = 360*1,24 / 1,51 = 294 об/мин

3_пов = 360*1,88 / 1,51 = 446 об/мин

 

За обратную скорость берем третью основную равную 294 об/мин.

 

Определение числа труб, поднимаемых на каждой скорости подъемника

 

Рациональное использование мощности подъемника и ускорение процесса спуско-подъемных операций достигается правильной оснасткой талевой системы и использованием всех скоростей подъемника. Принятая оснастка 3 х 4 должна обеспечивать подъем наибольшего груза на 1 скорости подъемника. В дальнейшем скорость подъема по мере уменьшения веса поднимаемого груза увеличивается путем переключения скоростей подъемника.

 

Определяем число труб диаметром 73 мм, поднимаемых на каждой скорости подъемника АР 32/40М.

Число труб, которое следует поднимать на каждой скорости, определяем по формуле:

 

На 1 скорости:

z₁ = G_г / l_ср* g_{1м НКТ}

где l_ср - средняя длина 1м гладкой трубы НКТ – 73.

 

l_ср = L_НКТ + L_хв/ n_нкт

l_ср = (1459,9 + 37,45) / 148 = 10,117м.

1_пон = 40 000 / 10.117*9.2 = 429 труб (Максимальная нагрузка, не используется для подъема такого количества труб)

 

1_осн =31 000 / 93,08 = 333 трубы

1_пов = 20 000 / 93,08 = 214 труб

2_пон = 23 000 / 93,08 = 247 труб

2_осн = 15 000 / 93,08 = 161 труба

2_пов = 10 000 / 93,08 = 107 труб

3_пон = 12 000 / 93,08 = 128 труб

3_осн = 8 000 / 93,08 = 85 труб

3_пов = 5 000 / 93,08 = 53 трубы

 

Число труб поднимаемых на каждой скорости:

Для расчета возьмем 3 скорости: 2 основную, 3 основную и 3 повышенную.

 

3 основная скорость подъемника рассчитана на нагрузку до 8 тонн (85 труб НКТ) всего труб в скважине вместе с хвостовиком 148 штук.

 

148 – 85 = 63 трубы поднимаем на 2 основной скорости

148 – 63 = 115 труб

 

третья повышенная рассчитана на груз до 5 тонн (53 трубы НКТ)

115 - 53 = 62 трубы поднимаем на 3 основной,

115 – 62 = 53 трубы поднимаем на 3 повышенной передаче.

 

4.6. Определение времени на спуск м подъем инструмента

 

Учитывая данные предыдущих задач, определить время на спуск и подъем труб НКТ длиной в 1497,35 метра.

 

Время подъема колонны НКТ из скважины.

Т_п = t_пр + z₁t₁ + z₂t₂ + z₃t₃ + t_зр,

 

Где t_пр– норма времени на подготовительные работы перед подъемом инструмента (t_пр = 7 мин), t_зр – нормы времени на заключительные работы после подъема колонны НКТ из скважины (t_зр = 13 мин), t₁, t₂, t₃ – норма времени для подъема одной трубы в зависимости от скорости подъема крюка, с:

t = t_m + t_p,

где t_m время машинных операций, с. t_р– время ручных операций при подъеме (t_р = 73 с)

t_м = Kl₁ / υ_кр

 

где К – коэффициент, учитывающий замедление подачи скорости спуска – подъема при включении и торможении лебедки. При скорости подъема – спуска до 0,8 м/с К = 1,2, при скорости более 0,9 м/с К = 1,3.

 

1_пон = 1,2 * 10,117 / 0,22 = 55,2с

1_осн = 12,14 / 0,33 = 36,8с

1_пов = 12,14 / 0,5 = 24,3с

2_пон = 12,14 / 0,44 = 27,6с

2_осн = 12,14 / 0,67 = 18,1с

2_пов = 1,3 * 10,117 / 1,02 = 12,9с

3_пон = 13,15 / 0,82 = 16с

3_осн = 13,15 / 1,24 = 10,6с

3_пов = 13,15 / 1,88 = 7с

 

Тогда

1_пон = 55,2 + 73 = 128,2с

1_осн = 36,8 + 73 = 109,8с

1_пов = 24,3 + 73 = 97,3с

2_пон = 27,6 + 73 = 100,6с

2_осн = 18,1 + 73 = 91,1с

2_пов = 12,9 + 73 = 85,9с

3_пон = 16 + 73 = 89с

3_осн = 10,6 + 73 = 83,6с

3_пов = 7 + 73 = 80с

 

Таким образом, мы находим время подъема труб НКТ из скважины

Т_п = 420 + 63*91,1 + 62*83,6 + 53*80 + 780 = 16362с = 273мин = 4 ч 33мин.

 

Время спуска

Т_с = t_пр + z(t_м + t_р) + t_зр

где z – число труб спускаемых в скважину (z = 148), t_пр – 11мин, t_зр – 7 мин.

t_м = Кl / υ_сп = 1,3*10,117 / 1,24 = 11 сек

t_р – время ручных операций, 67с (значения t_пр, t_зр, t_р определяют по справочнику «Единые нормы времени на капитальный ремонт скважин»)

 

Подставляя цифровые значения – получим:

Т_с = 660 + 148(11 + 67) + 420 = 12624 = 3 ч 30 мин.

Расчет талевого каната диаметром 22 мм на прочность.

 

 

Допустимую рабочую нагрузку на талевый канат определяют исходя из сопротивления разрыва данного каната по его заводскому паспорту и коэффициента запаса прочности, принимаемым равным не менее 3.

Действительное усилие, развивающееся в канате во время подъема или спуска наиболее тяжелой колонны труб, определяют по формуле:

 

Р_к = Р_ст + Р_дин

где – Р_ст – статическая нагрузка на талевый канат, развивающаяся при при натяжении инструмента, но без его движения, кН., Р_дин – дополнительная динамическая нагрузка на канат, развивающаяся во время подъема или спуска колонны труб, кН.

Статическую нагрузку на талевый канат при подъеме инструмента, равную натяжению ходового конца талевого каната, из ранее решенного она равна 29,8 кН.

Динамическую нагрузку в ходовом конце каната находим по формуле:

 

Р_дин= Р_ст * (υ / gt),

где υ – скорость подъема или спуска, м/с., g – ускорение свободного падения, м/с²., t – время разгона или торможения (t = 1 – 1,2с)

 

Р_дин = 29,8 * (0,22 / 9,81*1,2) = 0.56 кН.

Р_к = 29,8 + 0,56 = 30,36 кН

 

Коэффициент запаса прочности каната определяем по формуле:

К = Р_разр/Р_к

 

где Р_разр – расчетное разрывное усилие каната, кН.

 

Для талевого каната диаметром 22 мм Р_разр = 253.5 кН, при??? запас прочности составит

К = 253,5 / 30,36 = 8,35 > 3

Что соответствует требованиям.

 

Определение потребной длины талевого каната, необходимой для оснастки талевой системы 3 х 4 на вышке АР 32/40 высотой 17.7 м.

 

Потребную длину каната определяем по формуле:

L_к = H_вышк(n+2)+l₀+l¹

 

где n+2 – число рабочих струн оснастки, с учетом ходового и неподвижного концов талевого каната, l₀ – длина каната, постоянно навитого на барабан лебедки, l¹ – длина каната, необходимого на замену сработанной части ходового конца (l¹ = 30м)

Тогда

L_к = 17,7*(6 + 2) + 17 + 30 = 259,4 м

Таблица 20: Исходные данные по установкам подъемным

 

Тип	Оснастка	Диаметрбарабана D6мм	Диаметр тормозного шкива Dт мм	Коэф. трения тормозных колодок μ	Угол охвата тормозного шкива α, град
УПА – 32	2×3			0,3
УПТ1 – 50	3×4			0,4
А – 50М	3×4			0,45

Таблица 21: Вес одного погонного метра НКТ, насосных штанг

 

Трубы НКТ	Штангинасосные
Диаметрусловный, мм	Вес одного метра, Н/м	Диаметр, мм	Вес одного метра, Н/м
			20,7
			28,9
			37,1
			51,7

Таблица 22: Характеристики канатов по ГОСТ 7668

 

Диаметрканата	Маркировочнаягруппа, Н/мм2
Разрывное усиление в целом, Н, не менее
18,0
20,0
22,0
23,5
27,0
29,0
31,0