Реферат Анализ тенденций развития и постановка задачи проектирования
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
1 Анализ тенденций развития и постановка задачи проектирования
1.1 Функциональное назначение и область применения бурового крюка и крюкоблока
Буровой крюк является подвижным узлом талевой системы. Буровой крюк предназначен для подвешивания бурильных и обсадных колонн.
В процессе бурения крюк удерживает подвешенный на штропе вертикально перемещающийся вертлюг с вращающейся бурильной колонной; воспринимает крутящий момент, возникающий на опоре вертлюга, при вращении бурильной колонны ротором; обеспечивает автоматическое запирание центрального рога после ввода в него штропа вертлюга, когда ведущая труба находится в шурфе при переходе от СПО к бурению, или, наоборот, освобождает штроп вертлюга с ведущей трубой, устанавливаемых в шурф при переходе от бурения к подъему; надежно удерживает в зеве крюка штроп вертлюга при внезапных остановках в скважине спускаемой колонны.
При операциях спуска и подъема крюк обеспечивает: надежное удерживание штропов при спуске и подъеме бурильной или обсадной колонны; легкое поворачивание крюка и манипулирование им в процессе захватывания и освобождения свечей; разгрузку резьб замковых соединений от веса свечи при ее отвинчивании от бурильной колонны; автоматический подъем отвинченной от колонны свечи на высоту, несколько большую длины замковой резьбы; автоматическую установку элеватора в заданной позиции для захвата очередной свечи из-за пальца вышки или при подъеме для освобождения свечи.[2]
Крюки используются также для подъема и подтаскивания мелких грузов, применяются при монтажных и демонтажных работах на буровых. Буровые крюки относятся к механизмам грузоподъемного оборудования и должны быть испытаны на заводах – изготовителях при нагрузке, на 25% превышающей номинальную грузоподъемность. [2]
1.2 Особенности условий эксплуатации буровых крюков и крюкоблоков, основные причины их отказов
Эксплуатация буровых крюков в условиях Крайнего Севера ставит их в положение активного и, как правило, весьма неблагоприятного воздействия климатических факторов, к главнейшим из которых относятся низкие температуры, суточные и годовые перепады этих температур, скорость ветра и влажность.
Одной из главных причин увеличения параметра потока отказов буровых крюков в зимние месяцы являются учащенные хрупкие разрушения стальных деталей, являющиеся следствием перехода при низких температурах металла этих деталей из вязкого состояния в хрупкое.
Низкотемпературная хрупкость или хладноломкость сталей зависит от химического состава и структуры металлов. Стали, легированные никелем, ниобием, марганцем, хромом, менее склонны к низкотемпературной хрупкости, так как присадки способствуют образованию мелкозернистых структур. Так основными марками сталей, применяемых при изготовлении деталей бурового крюка, являются 35Л, 35ХГС, 40ХЛ и др.
На рисунке 1 показан буровой трехрогий крюк резьбовой конструкции.
Основными неисправностями крюков могут быть следующие: не обеспечен ход крюка 130-145мм, что вызвано либо ослаблением пружины 1, либо ее поломкой; не закрывается защелка крюка, состоящая из корпуса 2, стопора 3 и пружины 4, что чаще всего является следствием поломки пружины 4; крюк не фиксируется от проворачивания стопором поворота 5, снабженным пружиной 6, что происходит при поломке пружины 6 или стопора 5. Все эти неисправности выявляются при проверке технического состояния крюка. Вышедшие из строя детали заменяют новыми.
1.3 Анализ параметров и технических характеристик буровых крюков и крюкоблоков отечественных и зарубежных производителей
При бурении нефтяных и газовых скважин время на спуско-подъемные операции занимает до 30% общего производительного времени проходки скважин. По мере увеличения глубины, доля приходящаяся на это время, быстро возрастает, что отрицательно сказывается на таких важных показателях, как коммерческая скорость и стоимость 1м проходки. Одним из резервов сокращения времени, затрачиваемого на спуск и подъем инструмента, является правильный выбор веса талевой системы, обеспечивающий спуск порожнего элеватора. Фактические скорости спуска порожнего элеватора в среднем колеблются в пределах 0,6 ¸ 0,9 м/с, что совершенно недостаточно для современных темпов бурения. Вес подвижной части должен быть подобран таким образом, чтобы средняя скорость спуска элеватора была не ниже 1 ¸ 1,2 м/сек. В таблице 1 показана сравнительная характеристика буровых крюков выпускаемых в России и США.
Из таблицы 1 видно, что бурильные крюки отечественной конструкции имеют на 1 т грузоподъемности вес несколько меньший, чем современные американские бурильные крюки соответствующих грузоподъемностей, что существенно облегчает труд “верхового” рабочего.
Можно сделать вывод, что нормальная скорость спуска крюка с талевым блоком зависит не только от их абсолютного или относительного веса, но и от других факторов: количества и диаметра канатных шкивов, совершенства тормозной системы лебедки, жесткости и диаметра применяемого каната.
1.4 Конструктивные особенности буровых крюков отечественных и зарубежных производителей
В России бурильные крюки выпускают двух конструкций : резьбовые и безрезьбовые.
Крюки бывают одно-, двух- и трехрогие. В буровых установках для глубокого бурения применяются только трехрогие крюки. Двухрогий крюк входит в комплект установки БУ – 50 Бр – 1, однорогие крюки применяются в установках для структурно-поискового бурения. В настоящее время в бурении в основном применяются трехрогие бурильные крюки, являющиеся универсальными. У них основной рог предназначен для бурения, так как на него надевается штроп вертлюга, а два боковых – для штропа элеватора.
По способу изготовления буровые крюки бывают литыми, коваными или пластинчатыми. В России крюки грузоподъемностью более 1250 кН выпускаются пластинчатыми, так как их преимущество – это их повышенная надежность. Если в одной из пластин возникает усталостная трещина, то она повреждает только одну пластину и распространяется до границы с соседними пластинами. В монолитных крюках возникшая усталостная трещина представляет серьезную опасность для целостности всей конструкции.
На рисунке 2 показан бурильный трехрогий крюк резьбовой конструкции. Собственно рог крюка представляет собой сборку, состоящую из основного рога 1 и пальца-траверса 27. Основной рог 1 выполнен из нескольких легированных стальных пластин. Пластины соединены между собой заклепками 3 и образуют монолитный рог. От повреждения штропом вертлюга зев основного рога 1 защищен литым седлом 29, прикрепленным к рогу двумя заклепками. Самопроизвольный выход штропа вертлюга из зева основного рога 1, предупреждает защелка. Защелка состоит из корпуса 28, стопора 6 и пружины 7. Для подвешивания штропов элеватора на крюк в основной рог запрессован палец-траверса 27, застопоренный планкой 2. Для защиты штропов элеватора от соскакивания к концам пальца – траверсы крепятся серьги 26 заклепками 32, которые, соединяясь с пальцем 25 при помощи болтов 30, образуют два закрытых боковых рога. Палец 25 удерживается от выпадения, с одной стороны, буртом, а с другой, - стопорной планкой 4. Рог крюка 1 подвешивается шарнирно к стволу 16 при помощи пальца-шарнира 23, который крепится стопорной планкой 5. Палец-шарнир 23 смазывается через отверстие в торце, которое глушится пробкой 24. Корпус крюка 9 представляет собой литую стальную деталь с двумя карманами, в которых шарнирно закрепляются ветви штропа 15 на осях штропа 21. Оси штропа 21, для предотвращения осевого перемещения, поддерживаются планками 14, приравненными к корпусу крюка. Ось штропа 21 смазывается через штуцер 22, который с торца глушится пробкой. Корпус крюка 9 имеет внутри кольцевую площадку, на которой помещается упорный шарикоподшипник 20. Подшипник 20 смазывается через отверстия в корпусе крюка 9, которые глушатся пробкой. В центральной части корпуса крюка 9 помещается стальной литой стакан 31, который фланцем упирается в верхнее кольцо подшипника 33. Внизу стакана имеется кольцевая канавка для полухомутов 8, ограничивающих осевое перемещение стакана. Полухомут 8 имеет бобышку, в которой помещается стопор 18 с пружиной 19. Под действием пружины 19 стопор 18 входит в одно из восьми глухих отверстий и стопорит стакан от проворачивания. В стакан 31 через пружину 19 и гайку 13 подвешивается ствол 16. Снизу пружина 17 упирается в кольцевую площадку стакана, а сверху – в торец гайки 13, навинченной на резьбовой конец ствола 16 и застопоренной планкой при помощи болтов 10. Чтобы ствол 16 не проворачивался в стакане, на фланце гайки 13 имеются две прорези, в которые заходят две шпонки 12. Для предохранения от загрязнения и попадания влаги сверху стакан 31 закрыт крышкой 11.
Крюки резьбовой конструкции имеют ряд существенных недостатков:
– резьба на стволе и на гайке уменьшает прочность сопряженных деталей вследствие большой концентрации напряжений;
– относительно большой вес крюков на тонну грузоподъемности нежелателен с точки зрения экономии металла, а также создаёт тяжёлые условия для труда верхового рабочего;
– расход большого количества стального литья;
– в связи с тем, что крюк не обтекаемой формы и при спускоподъёмных операциях направлен к верховому рабочему боком, имеются случаи ударов торца замка труб о карманы литого корпуса, то есть траверсы.
При проектировании трёхрогих бурильных крюков безрезьбовой конструк-
ции ставились следующие задачи:
– создание прогрессивной конструкции на основе современной техники;
– создание безопасной конструкции;
– облегчение труда верхового рабочего при подтаскивании им элеватора со штропами, а вместе с ними и крюка на себя, то есть получение минимального веса крюка на одну тонну грузоподъёмности;
– уменьшение веса стального литья путём замены литых деталей сварнолитыми и ковано-сварными конструкциями;
– создание конструкции обтекаемой формы;
– облегчение и ускорение процессов сборки и разборки;
– получение минимальной трудоёмкости при изготовлении деталей крюков;
– снижение себестоимости изготовления крюков.
На рисунке 3 показан бурильный трехрогий крюк безрезьбовой конструкции. Принципиальное конструктивное отличие безрезьбовых крюков от резьбовых заключается в следующем. Ствол крюка 6 состоит из вильчатой части, стержня и бурта. На стволе отсутствует резьба, несущая основную нагрузку, и, следовательно, исключается возникновение концентрации напряжения от нарезки резьбы и разрыв ствола крюка в резьбе. На верхнем конце ствола 6 растачивается небольшое углубление, в которое помещают палец-шпильку 3 с шарнирным окончанием. Чтобы палец-шпилька не выскакивая из гнезда ствола 6, его закрепляют сквозной гайкой 8, наворачиваемой на ствол 6. Гайка 4 опирается на упорную шайбу 5, которая подпирается пружиной 7. В верхней своей части гайка 4 с пальцем-шпилькой 3 шплинтуется. В результате такой конструкции все усилия изгиба, возникающие вследствие технологических погрешностей пружины, а также скручивания, возникающие при осадке пружины 7, компенсируются путем наклона пальца-шпильки 3 набок или поворота вокруг своей оси вместе с гайкой 4 и упорной шайбой 5.
Все безрезьбовые крюки на заводе «Бакинский рабочий» выпускаются с шарнирным устройством пальца-шпильки ствола.
В таблице 2 приведена сравнительная характеристика современных бурильных крюков резьбовой и безрезьбовой конструкций, выпускаемых в
России. Из таблицы видно, что крюки безрезьбовой конструкции имеют минимум стального литья и меньший вес по сравнению с крюками резьбовой конструкции при прочих равных величинах технических характеристик.
В настоящее время зарубежными фирмами, как и отечественными выпускаются бурильные крюки как резьбовой так и безрезьбовой конструкций.
На рисунке 4 показан буровой крюк производимый в США фирмой “Biron Jackson” из серии “ Dinaplex ”.
В серии крюка “Dinaplex” представлены 5 моделей следующих грузоподъемностей: 91 т, 136 т, 227 т, 318 т, 454т.
Конструкция и особенности крюков “Dinaplex” по существу одинаковы для всех моделей данной серии. Особенностями серии крюков “Dinaplex” являются гидравлический амортизатор 1 и установочное приспособление 2.
Гидравлический амортизатор 1 исключает срыв бурильных труб во время извлечения из скважины, тем самым предотвращая повреждения бурильных замков. А установочное приспособление 2 автоматически поворачивает элеватор в необходимое “верховому” рабочему положение для удобства захвата следующей свечи труб при бурении скважин, тем самым облегчая труд “верховому” рабочему.
Установочное приспособление 2 является обязательной принадлежностью только крюка грузоподъемностью 91 т. Для всех остальных крюков это устройство поставляется по необходимости.
В таблице 3 представлены весовые характеристики крюков серии “Dinaplex”. Кроме серии “Dinaplex” фирмой “ Biron Jackson ” производятся серии: “Super Triplex”, “Duplex” и “Unimatic”.
Для лучшего использования размеров буровой применяют крюки серии “Unimatic”. В этой серии представлены 4 модели следующих грузоподъемностей: 68 т, 91 т, 136 т, 227 т. Конструкция крюка “Unimatic” обеспечивает непосредственное соединение с различными талевыми блоками.
Рассмотрев отечественные и зарубежные конструкции бурильных крюков, можно дать их сравнительный качественный анализ.
Зарубежные фирмы, так же как и отечественные уделяют значительное внимание совершенствованию эксплуатационных качеств крюков. Все крюки фирмы “Байрон Джексон” снабжены гидравлическими амортизаторами для исключения повреждения бурильных замков. А так же установочным приспособлением, для облегчения труда “верхового” рабочего. Конструкция подобного “установочного приспособления”, разработанная КБ завода “Бакинский рабочий”, проще американской и легче на 15–20 кг.
Силовая характеристика работы гидроамортизаторов зарубежных крюков обратно пропорциональна силовой характеристики пружины крюка, то есть гидроамортизатор создает минимальное сопротивление в начале хода пружины вверх, когда пружина полностью сжата и обладает максимальной подъемной силой. По мере хода пружины вверх сила ее уменьшается, а сопротивление гидроамортизатора увеличивается. Скорость подъема свечи уменьшается от максимума в начале хода до минимума в конце хода. Этот принцип не обеспечивает “мягкого” вывода ниппеля свечи из муфты.
Силовая характеристика гидроамортизатора конструкции КБ завода “Бакинский рабочий” прямо пропорциональна силовой характеристике пружины бурильного крюка, в чем заключается принципиальное отличие и преимущество перед зарубежными конструкциями. [3]
1.5 Эскизная проработка узла конструкции
Как известно, в процессе работы буровой крюк испытывает значительные нагрузки, напрямую связанные с его грузоподъёмностью. В особо жестких условиях оказываются детали работающие в среде с отсутствием смазки. К таким деталям относят литое седло, которое защищает зев основного рога крюка от износа штропом вертлюга. Седло с выработкой более
Известны способы уменьшения коэффициента трения металлов, заключающиеся в том, что в зону трущихся поверхностей подается смазка, которая обеспечивает наличие положительного градиента механических свойств трущихся тел по глубине. Но в данном случае подача смазки в зону контакта трущихся тел не возможна. Поэтому предлагается способ, по которому контактирующие поверхности трущихся тел насыщаются водородом.
Насыщение может производится при непосредственном трении в газообразном водороде или при предварительной специальной обработке деталей водородом.
Водород, подаваемый в зону контакта, благодаря хемосорбции, пластифицирует тончайший приповерхностный слой металла и создает положительный градиент свойств металла – увеличение пластичности от глубины к поверхности. При этом снижается коэффициент трения и увеличивается предельная нагрузка звеньев.
В отличии от вышеупомянутой пары трения седло рога – штроп верелюга, куда невозможно подвести смазку, шарнирное соединение пластинчатого рога со стволом крюка допускает возможность подачи смазки в зону трения. Смазка осуществляется через отверстие в оси, соединяющей основной рог с вильчатой частью ствола крюка. У крюка стандартной конструкции после заливки масла отверстие в оси закрывается пробкой, уплотняемой картонной прокладкой. Данная конструкция не позволяет контролировать уровень масла, а также не отвечает за качество смазки трущихся поверхностей. Поэтому предлагается заменить пробку в оси на специальную масленку. Данная масленка содержит корпус и запорный клапан с пружиной. С целью упрощения процесса смазки и отвода воздуха из полости смазываемого узла при подаче в него смазки, в корпусе масленки установлена с зазором дренажная втулка, поджимаемая своей торцовой частью с отверстием к седлу корпуса пружиной запорного клапана.
На рисунке 5 представлена конструкция масленки. Изобретение относится к области технического обслуживания машин.
В корпусе 1 помещена с зазором дренажная втулка 2 с отверстием 3 в торцовой части 4, которая контактирует с гнездом 5 корпуса 1. Внутри дренажной втулки 2, над ее центральным отверстием 3, помещен шариковый клапан 6, нагруженный пружиной 7, упирающейся другим своим концом в перемычку 8.
В исходном положении пружина 7 воздействует на шариковый клапан 6 и через него – на дренажную втулку 2, прижимая ее торцовой частью 4 к гнезду 5, обеспечивая герметичность узла.
При подаче смазки в отверстие 3 при помощи шприца 9, давление смазки преодолевает усилие пружины 7 и открывает шариковый клапан 6. Головка шприца 9 при этом одновременно воздействует на дренажную втулку 2, отжимая ее торцовую часть 4 от седла 5 и образуя зазор между ними, через который выходит воздух, вытесняемый смазкой из полости узла трения.
После прекращения подачи смазки шариковый клапан 6 и дренажная втулка 2 возвращаются в исходное положение и запирают входной канал масленки. Масленка, в случае необходимости, позволяет проверить уровень смазки в полости узла трения. Для этого необходимо нажать на торец 4 дренажной втулки 2, преодолевая усилие пружины 7. В случае наличия достаточного количества смазки в узле трения она просочится в зазор между торцом 4 втулки 2 и гнездом 5. [5]
1.6. Патентные исследования
Патентные исследования проводятся с целью определения технического уровня и тенденций развития объектов техники, их патентоспособности на основе научно-технической информации
В таблице 4 представлены технический уровень и тенденции развития узлов буровых крюков.
