Сорап компрессорлы құбырларды есептеу

 

СКҚ-дың есептеулерін технологиялық және беріктілікке деп екіге бөлуге болады. Технологиялық есептерге келесілер жатады: құбыр арқылы сұйық қозғалысы кезіндегі орын алатын гидравликалық кедергі, құбыр тізбегінде мұнайды көтеру үшін жұмыс істейтін газдың мөлшері және құбырлардың ұзаруын тексеру.

Беріктілікке есептеулер құбырдың келесі беріктік шектерінде қолданудың мүмкіншілігін тексереді: бұрандалық байланысқа әсер ету күші және құбырдың қауіпті қимасындағы эквивалентті кернеуі. Циклді айнымалы әсер ету күші, құбырдың ұзындығы бойымен майысуына әсер ететін күш. Келтірілген барлық параматрлер СКҚ жұмыс істеу жағдайына байланысты анықталады. СКҚ-лар құбыр тізбегінің салмағы, оған қосылған қондырғылардың салмағы және сорылып жатқан сұйықтың қысымының есебінен ұзаруы мүмкін. Ұңғы түбіне сұйықты айдағанда құбыр тізбегінің жоғары жағында артық қысымның себебінен кернеу пайда болуы мүмкін. Егер якорьге бұл қысым әсер етсе ұңғыма бойымен құбыр майысып, иілуі мүмкін.

СКҚ-ларды беріктікке есептеуді қарастырайық. Біріншіден, бұрандалы байланыстың ажырауына әкелетін күш әсерін есептейік.

Бұрандалы байланыстың ажырауы (страгивание) деп құбыр бұрандасының түсетін күшке байланысты муфтадан ажырауының басталуын айтады. Оған себеп – құбырға әсер ететін күштердің шамасы ағу шектен артқан кезде, құбыр жұмырланып, муфта кеңейіп, құбырлар бұрандасының жоғарғы шеттері майысып, кесіліп ажырайды.

Ф.И. Яковлев құбыр бұрандасының ажырауына қажетті күшті есептеп шығарған. Ол бұрандадағы бұранда шеттерінің бүгілуі және үйкеліс күшінің әсерінен туындайтын бұрандалы байланысқа әсер ететін осьтік күш Р пен радиалы күштерді q бірге қарастырған.

 

1.10-сурет. Бұрандағы әсер ететін күштердің сұлбасы

 

Бұл жерде құбырлардың қабырғасы жұқа деп қарастырылады. СКҚ-ларда құбырлардың ішкі диаметрінің оның негізгі денесіндегі қалыңдығының қатынасы 10... 14, ал бұрандалы бөлігінде – 15... 20-ға тең болады. Сондықтан, құбырлардың бұрандалы бөлігін жұқа қабырғалы деп қарастырады. Жұқа және қалың қабырғалар үшін шекаралық қатынас 18-20 шамасында болады.

Осьтік күштерінің ажыратқыш мәні ағу шегіне жеткенде пайда болатынын Ф.И. Яковлев ескеріп, келесі теңдеуді ұсынады:

 

Р_аж = , (1.4)

 

мұндағы, D_ор – құбырдың негізгі жазықтығының бұрандасының астына орналасқан денесінің орташа диаметрі, D_ор = D_іш + b; D_іш, b – бұранда астындағы құбырдың ішкі диаметрі және қалыңдығы; – құбырдың жасалған материалының ағу шегі, l – бұранданың ұзындығы, – бұранданың профилінің бұрышы, – үйкеліс бұрышы. П.П. Шумилов Яковлевтің формуласына түзету енгізді. Ол бұл формулаға құбырдың негізгі бөлігінің беріктігін есепке алатын коэффициентті – енгізді. Бұл коэффициент бұрандалы бөлігімен салыстырғанда құбырдың негізгі бөлігін ескереді.

 

η=b/(S+b), (1.5)

мұндағы, S – құбырдың номиналды қалыңдығы.

Сонымен,

Р= . (1.6)

 

СКҚ үшін = 60⁰. Болаттан жасалған құбырлар үшін үйкеліс бұрышын 9⁰ етіп алған жөн.

СКҚ-ларды ішкі ортаның қысымының әсерінен болатын беріктікке есептеу (осьтік күшті есепке алмаған жағдайда) беріктіктің төртінші теориясына сәйкес эквивалентті кернеуді анықтау арқылы жүргізіледі. Әдетте, практикада артық қысым құбырдың тек қана ішіне түсіріледі деп есептелінеді. Мұндай кездері беріктік қорының коэффициенті анықталады.

Кейбір жағдайларда, құбырдың қауіпті көлденең қимасының бөлігіне құбыр бойымен қозғалатын сұйықтың ішкі қысымы мен осьтік жүктемелер әсер етеді. Мұндай жағдайда құбырларды ажырату күшіне жүргізілетін тексеру жеткіліксіз болып табылады. Құбырларды сонымен қатар қысымдардың әсері мен осьтік жүктеменің әсеріне де тексеру керек.

Мұндай кезде беріктіктің төртінші теориясына сәйкес эквивалентті кернеуді анықтап, соған байланысты аққыштық кернеуі мен беріктік қорының коэффициенті табылады.

Біртекті төзімділікті СКҚ үшін сыртқы күштерінің әсерінен құбырдың тегіс бөлігінде пайда болатын кернеулерді есептейді.

СКҚ-ларды ортаның (өндірілетін өнім, газ немесе қоспа) қысымы бар кезде, ал осьтік жүктемелердің болмаған кезінде оларды беріктікке есептеу төртінші беріктік теориясының формуласымен эквивлентті кернеуді анықтауға негізделген. Тәжірибеде қалыпты жағдайда артық қысым мөлшері құбырдың ішкі кеңістігінде болады. Бұл жағдайда қор коэффициентін n = 1,3-ке тең етіп алады.

Кейбір жағдайда СКҚ-ға циклді жүктемелер әсер етуі мүмкін. Бұл кезде құбырларды ажырату жүктемесіне және шаршау шегіне тексереді. Ол үшін құбырға әсер ететін үлкен және кіші жүктеменің мөлшерін анықтайды. Бұл жүктемелер арқылы ең үлкен, ең кіші және орташа кернеулер анықталады, ал бұл кернеулер арқылы симметриялы цикл үшін кернеулер циклін анықтауға болады (σ_ор – орташа кереу; σ_а – амплитудалық кернеу).

Симметриялы цикл (σ_-1) үшін құбырдың материалының шыдау шегін біле отырып, беріктік қорын анықтауға болады.

Ол келесі формула бойынша анықталады:

 

n= σ_-1/[(k_σ)_Д *σ_а+ψ σ_а ], (1.7)

 

мұндағы, σ_-1 – ұзару-сығылудың симметриялы циклі кезіндегі құбыр материалының шыдау шегі; (k_σ)_д – кернеулердің концентрациясын, масштабты факторын және бөлшектің бетінің жағдайын ескеретін коэффициент; ψ_σ – материалдың қасиетін және бөлшекке әсер ететін жүктемелерді ескеретін коэффициент.

Д топтағы болаттың атмосферадағы шыдау шегі 31 МПа, ал судағы мөлшері – 16 МПа. Бұл үшін коэффициент ψ_σ= 0.07...0.09 (шыдау шегі 370-550 МПа материал үшін) және ψ_σ=0.11... 0.14 (σ_в = 65-750 МПа материалдар үшін) мәндеріне тең болады.

Барлық СКҚ есептерінде беріктік қоры 1,3...1,5 аралығында алынады. Құбырдың тігінен бүгілуі құбырдың ұңғыма түбіне тірелгенде немесе якорьлердің әсерінен болуы мүмкін.

Құбырларды тігінен бүгілуіне тексерген кезде келесі параметрлерді қарастырады: критикалық сығу жүктемесі, құбырлардың ұңғымада ілініп тұру мүмкіншілігі және бүгілетін аймақтың беріктілігі.

Құбырға механикалық пакерді орналастырған кезде тізбек тігінен бүгіледі, осы жағдай үшін критикалық сығылу жүктемесі келесі формула бойынша анықталады:

Р_кр=3,5 , (1.8)

мұндағы, 3,5 – пакердің құбыр тізбегін ұстап қалуын ескеретін коэффициент, J – құбырдың көлденең қимасының инерция моменті.

 

J=(π/64)(D⁴_сыр-D⁴_іш). (1.9)

 

λ – құбырлардың сұйықтағы салмағының кішіреюін ескеретін коэффициент

 

λ =1-( _с/ _құб). (1.10)

 

q – құбырлардың 1 м ұзындығының салмағы; Е = 2,1*10⁵МПа – серпімділік модулі.

СКҚ тізбегінің диаметрлерінің әртүрлі секциялары болуы мүмкін, сонда біздің есептеу кезінде ескеретініміз тек төменгі секциясындағы диаметрлер. Бүгілуден сақтайтын беріктік қоры 3...4-ке тең етіп алынады.

Құбырлардың ұзын бөлігінің бүгілуі кезінде СКҚ шегендеуші құбырмен үйкеліс күшінің әсерінен ұсталынып қалуы мүмкін. Сонда пакерге құбырдың бүгілуі есебінен бүкіл тізбектің салмағы түспейді. Бұл жағдайда тізбектің жоғары жағында сығу күшін шектеусіз арттырған кезде, ұңғыманың түбіндегі жүктемелер келесі мәнінен артпайды:

 

Р _1;∞= λg l ζ_1;∞, (1.11)

мұндағы, ζ_1;∞ =(1/ а)[(е^{2 а} +1)/(е^{2 а} -1)];

 

а =0,5 ,

 

мұндағы, а – ұсталынып қалу (зависание) параметрі; f – СКҚ-ң шегендеуші құбырлармен үйкелесу коэффициенті (парафині жоқ тізбектегі есепеулер үшін f = 0,2 деп алуға болады); r – СКҚ мен шегендеуші тізбегінің арасындағы радиалды кеңістік; l – тізбектің жалпы ұзындығы (ең үлкен шегінде l = H).

Егер құбырлар тізбегін арттырса, онда а → , ζ_1;∞ →1/ а (1.11-сурет) және ұңғыманың түбіне әсер ететін шекті жүктемені табамыз.

 

Р _1max=2 . (1.12)

 

Тізбектің жоғары жағы бос болған кездегі (l = H) түпке әсер ететін жүктеменің мәні:

Р _1;0=λqH ζ_1;0, (1.13)

 

мұндағы, ζ_1;0 =(1/ а)[(е^2а-1)/(е^2а+1)].

СКҚ тізбегінің бүгілу аймағының беріктік шарты келесі формуламен беріледі:

Р _1сж(1/F₀+r/2W₀) σ_а/n₁, (1.14)

 

мұндағы, F_о – құбырлардың қауіпті көлденең қимасының ауданы, м²; W_o – құбырлардың қауіпті көлденең қимасы аумағындағы осьтік қарсыласу моменті, м³; P_lсж – құбырлардың бүгілген аумағына әсер ететін осьтік күш, МН; σ_а – құбыр материалының ағу шегі, МПа; n – беріктік қоры (1,35-ке тең деп алынады).