Практическая работа № 14

Тема: Определение нагрузок в точке подвеса штанг станков-качалок, выбор материала штанг

Цель работы:

формирование умения производить расчет нагрузок на штанговую колонну и в зависимости от результатов расчета подбирать материал для колонны насосных штанг.

Общие сведения

Одним из основных параметров станка - качалки является нагрузка в точке подвеса штанг. Этот параметр в значительной мере определяет правильность подбора станка-качалки в зависимости от условий эксплуатации штанговой насосной установки. Возникает необходимость значений факторов, определяющих величину усилий на головку балансира и способа их расчета. Основная особенность заключается в том, что нагрузки, действующие в точке подвеса штанг изменяются по величине в зависимости от направления хода головки балансира. При ходе вверх нагрузки имеют максимальное значение т. к. В этот момент нагнетательный клапан закрыт и на головку балансира передается нагрузка от веса штанг и веса столба жидкости. При ходе вниз, когда нагнетательный клапан открыт, а всасывающий закрыт колонна штанг, следовательно и головка балансира разгружены от веса столба жидкости и усилие минимально. Кроме статических нагрузок, обусловленных весом колонны штанг и столба жидкости, на головку балансира действуют инерционные (динамические) нагрузки, возникающие при движении указанных масс с ускорением. А наличие ускорений характерно для кривошипно-шатунных механизмов и величина их определяется соотношением элементов станка-качалки и числом двойных ходов.

Колонна насосных штанг подвержена аналогичным нагрузкам, кроме того необходимо учитывать, что нижняя часть колонны разгружена от растягивающих усилий, и при наличии трения между плунжером и цилиндром насоса в нижней части колонны при ходе вниз могут возникнуть сжимающие усилия, что приводит к изгибу нижней части колонны штанг.

Многократно повторяющиеся, изменяющиеся по величине и по направлению нагрузки приводят к возникновению усталостных явлений как в элементах станка-качалки так в колонне штанг. Поэтому расчет и подбор материалов должен производиться с учетом упомянутых факторов.

Методика расчетов изложена Адониным А. Н. и заключается в следующем.

Принципиально нагрузка в точке подвеса штанг складывается из следующих величин:

- при ходе вверх:

- при ходе вниз:

,

Р_ш - вес колонны штанг

Р_ж - вес колонны столба жидкости

Р_iш - инерционные нагрузки от движущейся массы колонны штанг

Р_iж - инерционные нагрузки от движущегося столба жидкости

R - силы трения.

Подсчеты максимальных и минимальных нагрузок по формулам Вирновского А. С. применимы для широкого диапазона условий штанговой насосной добычи нефти:

В этих формулах учитывается следующие величины:

- вес столба жидкости высотой от динамического уровня до устья скважины,Н

F_п = 0,785*D² - площадь поперечного сечения плунжера

Р^/_ш - вес колонны штанг в жидкости

q - вес одного метра штанг в воздухе

_ж, _м - плотности жидкости и металла соответственно

n - число качаний балансира в минуту

d_ш - диаметр колонны штанг.

Если колонна штанг ступенчатая, то необходимо подсчитывать средний диаметр.

Р_ш = g*H - вес колонны штанг в воздухе.

- коэффициент просвета в колонне НКТ

_Ш - удлинение колонны штанг

Для подбора материала штанг необходимо определить величину приведенных напряжений, учитывающих циклический характер нагружения. Они подсчитываются по формуле Вирновского А. С.:

,

где - максимальное напряжение в колонне штанг,

- амплитудное напряжение в колонне штанг.

По значению приведенных напряжений подбирается материал штанг, из которых будет компоноваться колонна.

Наиболее благоприятными условиями для работы колонны штанг, являются те, при которых приведенные напряжения не превышают 80 МПа.

Задание

Используя данные предыдущей работы, определить нагрузки на ступенчатую колонну штанг, выбрать материал изготовления.

Пример решения задачи

Исходные данные используют из задания на практическую работу № 13.

Н = 1350 м

Насос НВ-32-25-15

S_o = 2,5 м

n = 6 мин^-1

d_Ш1 = 19 мм (72%)

d_Ш2 = 22 мм (28%)

 = 1050 кг/м^З

Исходные формулы по определению максимальных и минимальных нагрузок в точке подвеса штанг

Вес жидкости подсчитан в предыдущей работе

= 11167 Н

Вес двухступенчатой колонны штанг с учетом потери веса в жидкости

,

где q (кг/м) - масса одного метра штанг в воздухе имеет следующие значения:

тип штанги	ШН16	ШН19	ШН22	ШН25
кг/м	2,07	2,89	3,71	5,17

Средний диаметр колонны штанг:

Вес штанг в воздухе:

Коэффициент просвета:

Удлинение штанг:

Максимальная нагрузка:

Минимальная нагрузка:

Максимальное значение напряжений в колонне штанг:

Минимальное значение напряжений в колонне штанг:

Амплитудное значение напряжений:

Приведенное значение напряжений в колонне штанг:

Исходя из полученных приведенных напряжений по таблице выбирается материал штанг 30ХМА, подвергнутых нормализации, высокому отпуску и упрочению нагревом ТВЧ, имеющие допускаемые значения приведенных напряжений  = 90 МПа, при условии работы в коррозионной среде.

Таблица 14.1

Таблица значений приведенных напряжений

Марка стали	Вид термообработки	В, МПа	Т, МПа	пр, МПа	Условия эксплуатации
Сталь 40	Нормализация	570	320	70	Некоррозионные
	Нормализация и упр. ТВЧ			100
20Н2М	Нормализация	600	390	60	Коррозионные
	Нормализация и упр. ТВЧ			110	Некорозионные
30ХМА	Нормализация	610	400	110	Некоррозионные
	Выс. отпуск упр. ТВЧ			90	Коррозионные
15НЗМА	Нормализация упр. ТВЧ	650	500	150	Некоррозионные
				120	Коррозионные
15Х2НМ	Закалка выс. отпуск	730	600	100	Некоррозионные
				90	Коррозионные

Контрольные вопросы:

1. Из каких составляющих складывается нагрузка на балансир станка-качалки?

2. Как изменится нагрузка в точке подвеса штанг в течении двойного хода?

3. Как определить статическую нагрузку от веса ступенчатой колонны штанг?

4. Каков основной принцип определения динамических нагрузок?

5. Как подсчитывается амплитудное значение напряжений в колонне штанг?

6. Почему в нижней части колонны насосных штанг могут возникнуть сжимающие напряжения?

7. Почему материал для колонны насосных штанг определяют по приведенным напряжениям?