Розрахунок талевих канатів

РОЗДІЛ 10 ТАЛЕВІ КАНАТИ

Розміри, основні параметри, конструктивні і технологічні особливості

Для з'єднання бурової лебідки із кронблоком застосовуються сталеві дротяні канати, які називаються талевими. В процесі експлуатації талеві канати піддаються розтягу і численним перегинам на шківах кронблока, талевого блока і на барабані лебідки, внаслідок чого відбувається їх втомне руйнування. Зовнішні дротини канатів спрацьовуються при терті по жолобах шківів і ребордах барабана лебідки. Важкі умови роботи і недостатня довговічність спричиняють значне споживання самих канатів і суттєві витрати часу на їх заміну, що негативно впливає на техніко-економічні показники буріння. Міцність талевих канатів визначає безпеку бурової бригади.

За ГОСТ 16853-88 талеві канати для установок експлуатаційного і глибокого розвідувального буріння виготовляються в трьох виконаннях, що різняться матеріалом осердь:

1 — виконання із металевим осердям (м.с.);

2 — виконання із канати із органічним трипідрядним осердям (о.с.);

3 — виконання із канати з пластмасовим стержневим осердям (і.с.).

Основні показники талевих канатів наведено на рис. 10.1 і в табл. 10.1.

 

 

 

а — металевим; б — органічним трипідрядним; в — пластмасовим

Рисунок 10.1 — Талеві канати типу ЛК-РО з осердями

 

Діаметр каната вимірюється як діаметр кола, описаного довкола його поперечного перерізу (рис. 10.2). Допускаються граничні відхилення діаметрів каната +6% для канатів виконання 1 і 3-10% для канатів виконання 2 і 3.

 

 

 

Рисунок 10.2 — Вимірювання діаметра каната штангенциркулем аі кроку сукання шестисталкового каната б

Крок сукання сталок каната вимірюється вздовж твірної (осі) як відстань між двома одноіменними точками зовніш-ніх дротин, розташованих через кожні +1 сталки, де — число сталок в канаті (рис. 10.2, б). Із зменшенням кроку сукання зростають міцність і конструктивна щільність каната. В талевих канатах кроки сукання дротин не повинні перевищувати їх 8,5-кратного діаметра, а крок сукання в канаті — 6,5-кратного діаметра канату. По довжині канату кроки сукання дротин в прядях і пряді в канаті повинні бути рівномірними.

Міцність каната на розтяг характеризується сумою розривних зусиль усіх дротин в канаті і агрегатним розривним зусиллям . Сумарне розривне зусилля визначається за формулою:

де — площі поперечних перерізів дротин каната;

— число дротин кожного діаметра в канаті;

— границі міцності матеріалу дротин відповідного діаметра.

Агрегатне розривне зусилля — міцність каната в цілому на розтяг визначається як нижня статистична вибіркова оцінка математичного очікування серії результатів випробувань на розтяг відрізків готового каната на розривній машині. Досвідом встановлено, що через деформації дротин при суканні, їх непрямолінійність і нерівномірний розподіл прикладеного навантаження між сталками показник менший, ніж . Втрати міцності каната при його виготовленні характеризуються коефіцієнтом 100%

Для талевих канатів втрата міцності від звивання не повинна перевищувати 15%.

Дротини для канатів виготовляють із високовуглеродної сталі з добавкою 0,4-0,7% марганцю і 0,3% кремнію. В результаті термічної обробки і насідання при протяжці, границя міцності дротини може бути збільшена до 2600 МПа. Сталки і металеві осердя талевих канатів виготовляються зі світлої (без захисного металевого покриття) дротини, границя міцності якої знаходиться в межах 1600-1800 МПа. Дротини з більшою міцністю мають понижену втомну міцність і тому для виготовлення талевих канатів не використовуються. Жорсткі вимоги ставляться до постійності механічних властивостей та геометричних розмірів вздовж дротини.

За допустимим розсіянням границі міцності і пластичних властивостей (останні оцінюються числом перегинів і скручувань до руйнування) ГОСТ 7372-79 поділяє дротини талевих канатів на дві марки — вищу В і першу І. Фактичне розсіяння границі міцності дротин, взятих з каната, не повинно виходити за вказані нижче межі:

Маркувальна група дротин за границею міцності, МПа
Допустимі відхилення границі міцності, МПа, для канатів марки: В
І

Довговічність стальних канатів суттєво залежить від матеріалу і конструкції їх осердя, призначенням якого є запобігати зміщенню сталок і зминанню каната під дією осьових і радіальних навантажень. Канати з органічним осердям із рослинних волокон (коноплі, сизаль, манила, джут) більш гнучкі. Канатам із пластмасовими і металевими осердями притаманна більша жорсткість при поперечних навантаженнях, завдяки чому менше формується поперечний переріз при проходженні канатів через шківи і намотуванні на барабан лебідки. Пластмасові осердя з поліпропілену у вигляді суцільного круглого стержня вперше були використані в талевих канатах. Лабораторними і промисловими випробуваннями доведено, що роботоздатність талевих канатів із пластмасовим осердям на 20-30% перевищує роботоздатність однотипних канатів з орга-
нічним осердям (з прядива конопель).

Для підвищення зносостійкості та захисту від корозії канат при виготовленні змащують спеціальними мастилами (технічний вазелін, бітум у співвідношенні з гудроном, поліамідні мастила і ін.). Мастила для талевих канатів разом з антикорозійними і антифрикційними властивостями повинні мати достатню адгезію і термостійкість. Дія значних відцентрових сил на канат, які виникають при його коловому русі із шківами і барабаном, виявляється у викиданні мастила з канатів, вона диктує підвищені вимоги до адгезійних властивостей мастил.

Фізико-механічні властивості мастил повинні зберігатись в широкому діапазоні температур (від -50 до +50°С). Вказаним вимогам найповніше відповідають спеціально розроблені для талевих канатів мастила Московського нафтомаслозаводу. Але із-за обмежених об’ємів виробництва ці мастила не одержали розповсюдження. Взамін використовуються мастила 39-У. Мастило вноситься тонким шаром всередину сталки та на поверхню канатів в процесі їх виготовлення, ним просочується органічне осердя.

Технологічний процес виготовлення талевих канатів складається з трьох основних операцій:

— сукання багатошарових сталок закритого круглого перерізу з прямих або преформованих дротин;

— виготовлення осердя каната;

— сукання сталок і осердя в одношаровий шестисталковий канат тросової конструкції.

Шестисталковій конструкції притаманне раціональне співвідношення діаметрів сталок і осердя, при якому забезпечується вигідне поєднання міцності і гнучкості каната.

За способом сукання канати тросової конструкції поділяються на прості і такі, що не розкручуються (преформовані). Сталки простих канатів в готовому вигляді мають прямолінійну форму, вони виготовляються з прямих дротин. При такій технології виготовлення в дротинах зберігаються напруження, що виникли внаслідок їх пружної деформації в процесі сукання сталок і каната. Преформовані канати, які не розкручуються, сукаються з попередньо деформованих сталок, яким надано форми, що вони її мають в готовому канаті. Сталки таких канатів зсукані з дротин, попередньо деформованих відповідним чином. Ускладнена технологія виготовлення та вища вартість преформованих канатів компенсується покращеними експлуатаційними властивостями, більшою роботоздатністю.

Натурними порівняльними випробуваннями встановлено, що витривалість преформованих канатів на 25-30% перевищує такий показник канатів простого сукання, тому в талевих системах бурових установок застосовують преформовані канати. Відмінність між канатами, описаними вище, практично встановлюється за поведінкою дротин і сталок, які на вільному кінці недеформованого каната спонтанно випрямляються і потребують зусиль для повернення в положення, яке вони мають в канаті.

За ГОСТ 16853-88 талеві канати в процесі виготовлення піддаються обтисканню на рихтувальних пристроях, тим самим підвищується густина і опір поперечній деформації каната, зменшується його діаметр, створюються найсприятливіші умови контакту дротин в сталках і сталок в канаті, зростає зносостійкість і роботоздатність.

Різне взаєморозташування дротин в сталках зумовлює їх точковий (в канатах типу ТК) або лінійний (в канатах типу ЛК) контакт. Лінійний контакт досягається при однаковому напрямі і сталому кроці сукання дротин в суміжних шарах сталок. Канати типу ЛК більш довговічні завдяки дії менших контактних напружень, випробуваннями доведено, що їх роботоздатність в 1,5-2 рази перевищує роботоздатність канатів типу ТК. Дротини в кожному шарі сталки каната можуть мати однаковий або різний діаметр (умовні позначення і відповідно). Канатам, що їх сукано із дротин мінімального діаметра, притаманний максимальний коефіцієнт гнучкості, при проходженні через шківи талевої системи та при намотуванні на барабан лебідки в їх перерізі виникають мінімальні напруження згину. Але довговічність таких канатів обмежена спрацюванням дротин зовнішнього шару сталок, руйнування цих дротин примушує вилучати канат з експлуатації відносяться до типу ЛК-РО, відрізняються тим, що в окремих шарах сталок використовуються дротини різного () і однакового () діаметрів. Кожна сталка талевого каната складається із 31 дротини. Ці дротини зсукані в три шари: (1+6)+(6.6)+12. Перший шар (1+6) складається з шести дротин і центральної дротини. Другий шар (6.6) складається з 6 товстих і 6 тонших дротин, а третій — з 12 дротин найбільшого діаметра. Завдяки прийнятій конструкції сталок забезпечується достатня гнучкість і зносостійкість талевого каната, необхідні для його ефективної роботи.

За способом сукання розрізняють канати хрестової і односторонньої звивки. В канатах хрестової звивки дротини в сталці звиті в одну сторону, а сталки в канат — в протилежну. В канатах односторонньої (паралельної) звивки дротини і сталки звиті в одну сторону. Дротини зовнішнього шару сталок в канатах хрестового сукання розташовані паралельно (рис. 10.3, а і б), при односторонньому суканні - під кутом до осі каната (рис. 10.3, в і г).

 

Канати одностороннього сукання внаслідок гнучкості і щільності розташування дротин по січенню володіють підвищеною витривалістю і зносостійкістю. Але вони непридатні для бурових установок, оскільки викликають закручуванню вільно підвішеного талевого блока із-за великих звивних напружень в дротинах каната. В канатах хрестового сукання дротини деформуються в різних напрямах при звивці сталок і каната, тому звивне напруження виявляються незначними.

а і в — правого напряму;
б і г — лівого напряму з 31 дротину

Рисунок 10.3 — Канат подвійного хрестового а, б і одностороннього в, г сукання

 

Канати мають правий або лівий напрям сукання. При правому направленні (рис. 10.3, а і в) звивки сталок розташовуються зліва вверх направо, а при лівому – з права вверх наліво (рис. 10.3, б і г). Направлення звивки вибирається залежно від положення каната відносно барабана і напряму укладки його витків на барабані. Намотування на барабан лебідки здійснюється підкручування каната в результаті його зміщування відносно раніше накрученого на барабан витка. Тому напрям звивки слід вибирати так, щоб при намотці на барабан канат накручувався в направленні своєї звивки. В цьому випадку додаткова підкрутка сприяє впорядкованій і щільній укладці каната на барабан. Правила вибору напряму звивки каната вказані в табл. 10.2.

Таблиця 10.2

Напрям вкладання витків каната на барабан	Розташування каната відносно барабана	Рекомендований напрям сукання каната
З права наліво	Під барабаном	Правий
З ліва на право	Над барабаном	Правий
З ліва на право	Під барабаном	Лівий
З права наліво	Над барабаном	Лівий

 

При багатошаровому намотуванні напрям звивки вибирається з умови впорядкованої і щільної укладки першого шару, який сприяє нормальному намотуванню наступних шарів. З врахуванням вільної підвіски талевого блока і прийнятої схеми намотування каната на барабан лебідки талеві канати виготовляються правою хрестовою звивкою.

Опір каната пружній деформації розтягу характеризу-ється модулем пружності, величина якого залежить від конструктивних і технологічних параметрів каната.

де — модуль пружності каната;

— модуль пружності матеріалу дротини;

= 0,33¸0,35 за даними багатьох авторів для стальних канатів подвійної звивки.

Із збільшенням числа повторних звивок дротин в канаті і кутів звивки модуль пружності каната знижується. При розтягуванні його діаметр зменшується до номінального. Залежно від використаного сердечника, діаметра і числа дротин конструкційне подовження каната змінюється в границях 0,2-6,0% від робочої довжини каната.

Довжина талевого каната встановлюється замовником. Розрізняють канати нормальної довжини — для роботи з перепусками – і вкорочені. Рекомендовані довжини талевих канатів за ГОСТ16853-88 наведено нижче.

Діаметр каната, мм
Довжина каната, м, не менше: нормального
вкороченого

Відхилення від заказаної довжини каната допускаються в границях ± 1 %

Приклади умовного позначення талевого каната: канат виконання 1 діаметром 32 мм із дротини з границею міцності 1600 МПа правої хрестової звивки марки В: канат 1-32-1600-В-ГОСТ16853-88.

Теж, лівої хрестової звивки: канат 1-32-1600-Л-В-ГОСТ 16853-71.

Розрахунок талевих канатів

Міцність і довговічність талевих канатів залежить від діючих експлуатаційних навантажень, кратності оснащення, розмірів згинаючих шківів і барабана, діаметра і конструкції каната. Відомі методи розрахунку не дозволяють з достатньою для практики точністю визначити вплив вказаних і інших факторів (не стаціонарний режим навантаження, зношення внаслідок тертя на шківах і барабані, а також між дротинами і сталками каната) на напружений стан, міцність і довговічність талевих канатів. Тому іх розраховують по максимальному статичному навантаженню.

де — агрегатне розривне зусилля каната (вибирається по ГОСТ16853-71 і залежить від діаметру і границі міцності дротини каната);

— натяг ходової струни каната при підніманні найбільш важкої бурильної колони з врахуванням ваги рухомої частини і КПД талевого механізму;

— допустимий запас міцності.

При цій умові, згідно правил безпеки в нафтогазовидобувній промисловості, допустимий запас міцності талевих канатів приймається .

На рис. 10.4 приведена номограма для розрахунку запасу міцності талевих канатів залежно від навантаження на гаку, діаметра каната і кратності оснастки. На крайній правій шкалі показана очікувана відносна довговічність каната залежно від запасу міцності, встановлена за даними натурних втомних випробувань каната. За 100% довговічності умовно прийнято число циклів до втомного руйнування каната при п'ятикратному запасі міцності.