ГОУ ВПО
Уральский государственный горный университет
Л. А. Гаврилова
УСТРОЙСТВА
ДЛЯ ЗАХВАТА ТРУБ ДЛЯ ПОДЪЕМА
(ЭЛЕВАТОРЫ)
Учебно-методическое пособие
к выполнению лабораторных работ по дисциплине
“Расчет и конструирование машин и оборудования
нефтяных и газовых промыслов”
для студентов специальности
130602 (170200) - “Машины и оборудование нефтяных
и газовых промыслов”
Екатеринбург
2008
Устройства захвата труб для подъема в бурении обычно называются элеваторами, хотя для этих целей могут применяться зажимные патроны, резьбовые ниппели, вертлюжные пробки, хомуты и другие устройства.
Элеваторы применяют для подвешивания на талевой системе или столе ротора бурильных или обсадных труб при выполнении СПО, а также для укладки труб. В установках с подвижным вращателем (верхний привод) элеваторы могут выполнять функции свинчивания-развинчивания и манипулирования трубами.
Тип и конструкция труб определяет классификацию элеваторов по назначению. Например, элеваторы для бурильных труб, для обсадных труб, НКТ и штанг. Элеваторы для работы в установках с подвижным вращателем, для работы в составе комплекса АСП и т. д.
Схемы трубных элеваторов приведены на рисунке 1.
В установившейся практике бурения элеваторы подразделяют на створчатые, корпусные и автоматические.
Створчатый элеватор состоит из двух шарнирно соединённых между собой створок с рукоятками. В каждой створке имеется проушина для штропа с запирающим устройством против его самопроизвольного выпадения. Элеватор закрывается защёлкой с замковым устройством. При сведении рукояток створки соединяются, и подпруженная защёлка одной створки находит на зуб второй створки. Чтобы открыть ненагруженный элеватор, надо оттянуть защёлку и развести рукоятки со створками. Створчатые элеваторы применяются при небольшом весе бурильной колонны и работают, как правило, в паре с пневмоклиньями.
Корпусной элеватор состоит из массивного литого или кованного корпуса с проушинами для штропов, дверцы и замка с пружиной. Масса корпусных элеваторов 72 - 135 кг. Корпуса и дверцы изготовляются из среднеуглеродистой низколегированной хромом и никелем конструкционной стали с ơт ≥ 450 МПа. При ударе дверцы о корпус замок автоматически закрывается. Под нагрузкой элеватор не может самопроизвольно открыться, т.к. защёлка прижимается посадочной поверхностью муфты трубы.
Элеваторы для подвешивания бурильных и обсадных труб применяют при нагрузках 1250–3200 кН. Это корпусные элеваторы типа ЭК диаметрами 114–426 мм и типа КМ диаметрами 89–377 мм. Для нагрузок 320 –1250 кН и диаметров труб 48–127 мм применяют двуштропные литые элеваторы типа ЭТАД.
Корпусной элеватор типа КМ (рисунок 2) состоит из корпуса 1 и створки 5. В левой части корпуса 1 элеватора укреплена защелка 2 с пружиной, удерживающая створку в закрытом положении. На створке шарнирно укреплена рукоятка 3 с эксцентриком, при повороте которой одновременно открываются защелка и створка элеватора. Шарнирные самозапирающиеся фиксаторы 4 в проушинах элеватора обеспечивают свободный ввод штропов в проушины и предотвращают самопроизвольное выпадение их в процессе работы. Для вывода штропов из проушин фиксаторы открывают вручную крючком.
В верхней части корпус имеет предохранительную расточку, исключающую возможность выхода трубы из элеватора, находящегося под нагрузкой при спуско-подъёмных операциях; опорные поверхности элеватора под муфту трубы обрабатывают токами высокой частоты до твёрдости 45 –50 HRC.
В таблице 1 приведена техническая характеристика корпусных элеваторов типа КМ.
Рисунок 1 - Схемы трубных элеваторов:
 |
а - балочный для труб с муфтами; б - балочный для безмуфтовых труб с наружной высадкой; в - балочный для безмуфтовых труб гладких; г - втулочный
Рисунок 2 - Корпусный элеватор типа KM:
1 - корпус; 2 - защелка; 3 - рукоятка; 4 - предохранитель штропа; 5 – створка
Таблица 1 - Техническая характеристика корпусных элеваторов типа КМ.
| Тип | Грузоподъемность, кН, не более | Условный диаметр захватываемых труб, мм | Габариты, мм, не более | Масса, кг, не более | |
| КМ 60-125 | 67,0 | ||||
| KM 60H-125 KM 73-125 | 610´225´250 | 66,0 63,0 | |||
| KM 7.3Н/НП-125 | 62,0 | ||||
| KM 89-125 | 81,5 | ||||
| KM 89Н/НП-125 | 645´250´250 | 80,5 | |||
| KM 102-125 | 77,5 | ||||
| KM 102H-125 | 75.5 | ||||
| KM 114-140 KM 114H-140 KM 114НП-140 KM 127-140 KM 127НП-140 | 670´295´260 | 94.0 91,0 92,0 89,0 86,0 | |||
| KM 129Л-140 | 89,0 | ||||
| KM 140-170 | 131,0 | ||||
| KM 140H-170 | 755´325´290 | 127,0 | |||
| KM 146-170 | 128,0 | ||||
| KM 146П/НП-170 | 125,0 | ||||
| KM 168-170 | 780´345´290 | 134,0 | |||
| KM 168П/НП-170 | 129,0 | ||||
| KM 178-170 | 129,0 | ||||
| KM 89-200 | 120,5 | ||||
| KM 89Н/НП-200 КМ 102-200 | 710´255´310 | 119,5 116,5 | |||
| KM 102H-200 | 113,5 | ||||
| KM 114H-250 | 151,0 | ||||
| KM 114-250 | 155,0 | ||||
| KM 114НП-250 KM 127-250 | 760´315´320 | 152,0 149,0 | |||
| KM 127НП-250 | 144,0 | ||||
| KM 140-320 | 193,0 | ||||
| KM 140H-320 | 188,0 | ||||
| KM 146-320 | 189,0 | ||||
| KM 146П/НП-320 KM 168-320 | 800´340´350 | 185,0 177,0 | |||
| KM 168П/НП-320 | 171,0 | ||||
| KM 178-320 | 171,0 | ||||
| KM 194-320 | 850´390´350 | 261,0 | |||
| KM 219-320 | 850´390´350 | 237,0 | |||
| KM 245-320 | 900´435´350 | 295,0 | |||
| KM 273-320 | 900´435´350 | 265,0 | |||
| KM 299-320 | 1020´490´350 | 340,0 | |||
| KM 324-320 | 1020´490´350 | 310,0 | |||
| KM 340-320 | 1070´510´350 | 363,0 | |||
| KM 351-320 | 1070´510´350 | 352,0 | |||
| KM 377-320 | 1100´535´350 | 395,0 |
Корпусные элеваторы типа ЭК изготовляют для следующих диаметров труб: 60, 73, 89, 102, 114, 127, 140 и 168 мм и для предельных нагрузок: 1100, 1400, 1700, 2000, 2500 и 3200 кН, по ГОСТ 25362 –82 (СТ СЭВ 3187 –81).
Элеваторы для подвешивания колонны бурильных или обсадных труб на столе ротора имеют особенности. Литой полуавтоматический элеватор ЭАЛ конструктивно относится к двустворчатому (бескорпусному) и состоит из двух створок, замкового устройства, осей шарнира и пружины. Замковое устройство размещено на левой створке элеватора и состоит из защёлки, оси, пружин, замка и оси.
Правая створка на передней части имеет бурт полукруглой формы, который в момент закрытия элеватора входит в паз корпуса и тыльной частью упирается в защёлку. Благодаря двум пружинам 5 и 13 защёлка всё время находится в прижатом к корпусу положении. Ось 9, соединяющая обе створки, наклонена к вертикальной оси элеватора под углом 10°, что исключает самопроизвольное открытие элеватора под нагрузкой.
Назначение наклонной оси ещё и в том, что после открытия элеватора под действием пружины он, поворачиваясь на штропах, отталкивается от трубы, т.е. не нужно дополнительного усилия рабочего. Чтобы штропы не выходили из проушин, имеются предохранители 7, закреплённые пальцем 6. Этот тип элеватора используется при спуско-подъёмных операциях с клиновым захватом. Посадка элеватора на ротор не допускается.
Техническая характеристика элеваторов ЭАЛ приведена в таблице 2.
Таблица 2 - Техническая характеристика элеватора ЭАЛ-1.
| Параметры | ЭАЛ-1-114 | ЭАЛ-1-141 | ЭАЛ-1-168 |
| Допускаемая нагрузка, МН | 0,75 | 1,25 | 1,25 |
| Диаметр расточки, мм | |||
| Размеры, мм: длина | |||
| ширина | |||
| высота | |||
| Масса, кг | 76,5 | 88,7 | 98,2 |
При спуске в скважину обсадных труб используют литые элеваторы ЭН и кованные элеваторы ЭО и ЭКО, которые относятся к типу корпусных элеваторов с одной створкой (дверкой).
Штропы представляют собой промежуточное звено между крюком и элеватором, на котором подвешивается колонна бурильных или обсадных труб. В настоящее время применяются одно- и двухветвевые штропы. Одноветвевые штропы на 15 –20 % легче двухветвевых. Штропы – это вытянутые на одной оси стальные петли овальной конфигурации, один конец которых изогнут для более удобного расположения в рогах подъёмного крюка. Иногда в нижней части имеются ручки.
Техническая характеристика штропов приведена в таблице 3.
Таблица 3 - Техническая характеристика штропов.
| Шифр | ШБН-300 | ШБН-200 | ШБН-125 | ШБУ*-125 |
| Допускаемая нагрузка, МН | 1,25 | 1,25 | ||
| Длина L, м | 1,89 | 1,20 | ||
| Диаметр D, мм | ||||
| Масса пары, кг |
* «У» - укороченные штропы.
Автоматический элеватор ЭА-320 предназначен для автоматического захвата и освобождения колонны бурильных труб при выполнении спуско-подъёмных операций с помощью комплекса АСП. Элеватор может захватывать стальные бурильные трубы диаметрами 89, 114, 127 и 140 мм и легкосплавные трубы диаметрами 114, 129 и 147 мм. Масса элеватора 2475 кг. Вставить рис.3.2
Элеватор для подвижного вращателя установки УРБ-2А-2 предназначен для спуска и подъема, а также свинчивания и развинчивания и укладки труб.
Элеватор состоит из следующих основных деталей: шпинделя 11, корпуса 5, сменного штуцера 4, обоймы 3 и затвора 12.
Элеватор крепится на шпинделе вращателя с помощью двух полуколец 9, штуцера 4 и болтов 6.
В нижней части корпуса 5 при помощи осей 2 закреплена обойма 3, в пазу которой установлен затвор 12. Величина хода затвора в обойме ограничивается упорами 15.
Для захвата трубы элеватором необходимо совместить отверстия обоймы и затвора и в образовавшееся отверстие ввести муфту трубы до совмещения ее верхних лысок с прорезью затвора, затем закрыть затвор.
Затвор в закрытом и открытом положениях фиксируется двумя пружинными фиксаторами, кроме того, при вращении он удерживается в закрытом положении центробежной силой.
Во время спуско-подъемных операций корпус 5 находится в нижнем положении по отношению к шпинделю 11 и своими кулачками ложится на фланец шпинделя.
В этом положении корпус может свободно проворачиваться относительно шпинделя, что обеспечивает безопасность работ, так как исключается вращение инструмента при случайном включении вращателя.
При наращивании инструмента для соединения штуцера с бурильной трубой необходимо шпиндель 11 опустить вниз относительно корпуса 5 так, чтобы резьбовой конец штуцера зашел в муфту трубы, и дать вращение шпинделю, в процессе чего штуцер навернется на трубу. При этом кулачки корпуса 5 находятся выше кулачков шпинделя 11 и не препятствуют вращению шпинделя относительно корпуса.
Во время бурения крутящий момент со шпинделя вращателя передается через шпиндель элеватора, болты 6 и штуцер 4 на бурильную трубу.
Для свинчивания и развинчивания инструмента необходимо установить шпиндель в среднее положение относительно корпуса 5 так, чтобы кулачки шпинделя и корпуса находились в зацеплении. В этом положении крутящий момент от шпинделя вращателя посредством шлиц передается через шпиндель элеватора, корпус 5, оси 2, обойму 3 и затвор 12 на бурильную трубу. Среднее положение шпинделя относительно корпуса устанавливается совмещением кромки кожуха с проточкой корпуса.
При укладке труб в горизонтальное положение обойма 3 элеватора вместе с затвором поворачивается вокруг осей 2.
Параметрическая классификация элеваторов базируется на величине двух параметров: грузоподъемность и диаметр труб. Параметры наиболее часто применяемых в глубоком бурении элеваторов приведены в таблице.
Грузоподъемность элеватора - это суммарная предельно допустимая на него нагрузка, включает вес колонны и дополнительные динамические нагрузки.
Штропы, на которых подвешивается элеватор, служат промежуточным звеном между элеватором и талевым крюком. Грузоподъемность штропов определяется аналогично грузоподъемности элеватора.
Рисунок 3 - Элеватор для труб Æ 60,3 мм.
1-крышка; 2-ось; 3-обойма; 4- сменный штуцер к элеватору; 5-корпус; 6-болт; 7-прокладка; 8-кольцо; 9-полукольцо; 10-кожух; 11-шпиндель; 12-затвор; 13-пружина; 14-шарик; 15-упор.
Расчет элеватора.
Расчет элеватора проводится с учетом динамичности. Принимая коэффициент динамичности 1,25, будем иметь расчетную нагрузку на элеватор
Qp=1,25·Q.
Нагрузка Q распределяется на корпус и затвор элеватора пропорционально центральным углам обхвата a1 и a2 (рисунок 4).
Если нагрузки на корпус и затвор элеватора обозначим соответственно через Р1 и Р2, то
Р1=Qp/360°·a1,
Р2=Qp-Р1.
В элеваторе рассчитывается затвор, нагруженный сплошной нагрузкой Р2 (рисунок 5), который следует рассматривать как балку на двух опорах; одной из опор является опорная поверхность затвора, а другой – шарнир.
Опасным в затворе является сечения I-I.
Обозначив реакции опор соответственно через R1 и R2, имеем
R1=Р2·(2·с+b)/2·l.
Сечение I-I подвергается изгибу силой R1 на плече n.
Напряжение в сечении I-I
s=Мизг/W,
где
Мизг=R1·n;
W=b·h2/6.
Корпус элеватора (рисунок 6) обычно рассчитывается как балка на двух опорах, нагруженная сплошной нагрузкой Р1 и двумя сосредоточенными нагрузками. Вследствие изогнутой формы корпус под действием внешних сил подвергается одновременно изгибу и кручению.
Изгибающий и крутящий моменты сечения I-I определяются по формулам:
Мизг=Qp/2·l/2·sin×a-R1·l1-Qp/360°·(a+j)·x·sin·[(a+j)/2],
Мкр=Qp/2·(l/2·cos×a-r)+R1·r2+Qp/360°·(a+j)·[r-x·cos·([a+j]/2)],
где Qp/2 – реакция в точке подвеса элеватора;
l – расстояние между точками подвеса;
R1 – сила действия затвора на корпус;
a - часть угла обхвата, находящаяся выше горизонтальной оси элеватора;
j - часть угла обхвата, находящаяся ниже горизонтальной оси элеватора (определяется графически);
r – расстояние от точки приложения силы R1 до данного сечения – плечо изгибающего момента от силы R1 (определяется графически);
x – расстояние от центра тяжести площади передачи давления части труб, заключенной в угле (a+j), до центра элеватора; определяется по формуле
x=38,19·(a3-a13)/(a2-a12)·[(sin×(a+j)/2)/((a+j)/2),
где а – наружный радиус;
а1 – внутренний радиус кольцевой площади передачи давления на элеватор.
Пренебрегая кручением, определим напряжения от изгибающего момента.
Максимальное нормальное напряжение определяется по формуле
s=Мизг/W,
где W – момент сопротивления сечения корпуса.
Изгибающий момент Мизг достигает максимального значения при a=90°, т.е. в центральном сечении корпуса.
Подставив в формулу напряжения значение изгибающего момента при a=90°, находим напряжение в центральном сечении.
Проушина корпуса рассчитывается по наиболее опасному сечению II-II (рисунок 7).
Изгибающий момент в сечении проушины определяется по формуле
Мизг=Qp/2·r·cosa,
где r – радиус проушины;
a - переменный угол.
Момент сопротивления переменного сечения определяется по формуле
W=b·(h-r·sin×a)2/6,
где b – ширина сечения (проушины);
h – высота от центра проушины до верхнего торца проушины.
Нормальное напряжение
sизг=Мизг/W=6·Qp·r·cos×a/2·b·(h-r·sin×a)2.
Затем находим максимальное нормальное напряжение, возникающее в проушине корпуса.
Рисунок 4 - Схема нагружения элеватора.
Рисунок 5 - Затвор элеватора.
Рисунок 6 - Корпус элеватора.
Рисунок 7 - Проушина элеватора.
