7.2. Условия работы штанг

Насосные штанги в процессе работы испытывают следующие нагрузки: а) статические – от массы штанг и откачиваемой жидкости и от трения плунжера о цилиндр и штанг о трубы; б) инерция – от движущихся масс жидкости и штанг; в) ударные – от несоответствия скоростей движения плунжера и жидкости (отрыв жидкости от цилиндра – жидкость идет вверх, а цилиндр – вниз); г) вибрационные – от вибрации колонны штанг.

Точный учет всех этих нагрузок пока невозможен, мы их определяем расчетным путем приближенно и замеряем динамографом.

Но на штанги действует ещё один вид нагрузок, который сильно влияет на их аварийность – циклические знакопеременные нагрузки. В результате их воздействия обрывы штанг происходят не вверху, где наибольшую величину имеют статические нагрузки (растяжение), а по всей длине и очень часто внизу.

Исследования позволили объяснить это усталостным разрушением металла, возникающим по причине анизотропности материала штанг (различие физических свойств в разных направлениях). Наличие в структуре материала штанг зерен различной величины создает условия для возникновения микротрещин из-за скольжения кристаллов под действием тангенциальных сил, ведет к образованию очагов концентраций напряжений и излому. Излом по причине усталостного разрушения весьма характерен: часть, занятая трещиной, - мелкозернистая, там, где произошел излом- крупнозернистая. В месте излома нет никаких деформаций металла – удлинения, сужения и т.д. Мелкозернистость объясняет факт постепенного развития трещин, её «шлифование» под действием переменной нагрузки.

Опытами установлено, что поломка от усталости происходит тогда, когда величина переменных напряжений, действующих на металл, превышает предел усталости. Под пределом усталости понимают такое наибольшее напряжение, при котором металл выдерживает 10 миллионов циклов (для стали). Предел усталости для металла штанг изменяется от 38 до 75% временного сопротивления разрыву. Выносливость снижается при работе штанг в коррозионной среде на 50-60%.

Нормализация – термообработка стали: нагрев до определенной температуры и последующее охлаждение на воздухе. Улучшается структура стали и её прочность повышается.

Сорбитизация- нормализация + нормализация + закалка + отпуск.

7.3 Расчет колонны штанг

Насосные штанги подвержены ассиметричной циклической нагрузке, характеризующейся значением и .

- максимальное напряжение в опасном сечении за цикл;

- минимальное напряжение (при ходе вниз).

Долговечность работы штанг определяют в зависимости от наибольшего напряжения , средней амплитуды напряжения за цикл и числа ходов ТПШ в единицу вермени.

По Вирновскому эта зависимость имеет вид:

(152)

где N – число циклов до обрыва штанг.

Для любого сечения колонны штанг на расстоянии Х метров от плунжера насоса и определяют из следующих соотношений:

(153)

(154)

(155)

где Д- диметр плунжера, мм;

d – диаметр штанг, мм;

- средний кинематический показатель СК;

- плотность металла штанг, кг/м³;

ω – угловая скорость кривошипа, рад;

S – длина хода СК, м;

g – ускорение силы тяжести;

- плотность жидкости, кг/м³;

L – глубина подвеса колонны, м.

При применении ступенчатой колонны штанг длины ступеней колонн подбирают так, чтобы наибольшие значения для верхних сечений были одинаковыми, т.е.

(156)

где – максимальное напряжение ступеней;

- средние амплитуды напряжений ступеней.

Для ступенчатой колонны напряжения определяют по формулам Вирновского.

Для нижней ступени:

(157)

(158)

(159)

Для верхней ступени:

(160)

(161)

(162)

Подставляя в формулы значения отдельных её символов и решая относительно , получим в долях от длины колоны L. Способ расчета предложен Фаерманом и Гаврилкевичем.

Приведенное напряжение определяется по формуле (163) для каждого из применяемых материалов штанг.

(163)

и составляют, например:

для стали 40У – 70 Мпа;

для стали 20ХН – 90 Мпа;

для стали 20 НМ – 110 МПа;

Задача расчета колонны (выбора отдельных её звеньев) упрощается применением номограммы Грузинова.

Номограмма состоит из трех систем шкал и линий (рисунок 41).

Система 1 – совокупность сочетаний применяемых диаметров насосов и штанг. Наименьшему диаметру штанг соответствует верхняя точка на линии насосов.

Система 2 – число качаний насосов (абсцисса) и длина хода (ордината).

Система 3- служит для расчета ступенчатых колонн.

Определить количество и размер ступеней колонны штанг при данных:

а)приведенное напряжение R_пр=90 МПа; б) подвеска насоса L=1920м; в) диаметр насоса Д=38 мм; г) число ходов насоса n =12; д) длина хода S=1,8 м.

Выбираем нижнюю ступень диаметром ¾’’ . Соединяем точку «0» с точкой ¾ на линии насоса Д=38 (точка К).

Рисунок 41 – Номограмма Грузинова

Порядок пользования номограммой станет понятным, если выполнить следующее задание.

Из точки «г», соответствующей подвеске насоса (на оси L), восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с прямой «ОК» в точке «а».

Из точки «L» на оси абсцисс проводим прямую до точки «е» (система П), лежащей на пересечении заданного числа ходов 12 и длины хода 1,8.

Из точки «а» проводим линию, параллельную «Le» до пересечения с горизонталью, соответствующей величине Rn=9.

На линии «cf», соответствующей L=1100 м, откладываем отрезок «cd»= «bd». Точка d откладывается на выбранном нами диаметре штанг в системе Ш на пересечении с горизонталью bd.

Из точки «d» проводим линию «dm» до пересечения с «cb» и откладываем md’=cd и так далее.

Количество отрезков и т.д. и есть длины ступеней

– ¾’’

– 7/8‘’

- 1’’.