Лекция 11

Грузоподъемное оборудование

Грузоподъемное оборудование предназначено для проведения спуско-подъемных операций и состоит из вышек (матч), талевых систем, лебедок и их привода, которым чаще всего является двигатель транспортного средства. Параметры грузоподъемного оборудования определяются массой спускаемого инструмента и, следовательно, глубиной спуска и конструкцией скважинного оборудования.

Вышки и мачты служат для подвески талевой системы, под­держания колонны труб или штанг в скважине, отвода поднятой свечи труб или штанг от оси устья и складирования их на период ремонта. Вышки, имеющие три и более несущих элемента (ноги), относятся к башенным, а одна или две - мачтовые. Для подземного ремонта в основном используются мачтовые вышки. На промыслах используют подъемные сооружения двух видов: стационарные и пе­редвижные, которые монтируют в транспортном положении на спе­циальных тележках.

К стационарным сооружениям относятся различного типа вышки и мачты (двуножки). Вышки изготавливают из сортового проката или из отработанных бурильных и насосно-компрессорных труб. Стационарные вышки или мачты используются всего 2-3% кален­дарного времени в году. В основном их применяют на труднодос­тупных участках месторождений, технические характеристики при­меняемых вышек башенного типа представлены в таблице. Иногда это могут быть буровые вышки.

Таблица

Технические характеристики применяемых стационарных вышек башенного типа

Показатели	ВМ-41М	ВМ-28	ВМI-24	ВЭТ75х24	ВЭТ22х50
	ВМ-41
Номинальная грузо- подъемность на крюке, Тс/кН
	150/450	11011080	75/735	75/735	50/490
высота, м	41	28	24	24	22
Размер основания, м	8х8	8х8	8хl0	8хl0	6х6

В настоящее время пользуются практически только передвиж­ными мачтами и передвижными агрегатами с мачтами или вышками ремонта скважин.

К основным параметрам, определяющим конструкцию мачты, относятся грузоподъемность Р и высота Н. Технические характеристики мачт представлены в таблице.

Технические характеристики мачт для ремонта скважин

	Стационарные			Передвижные
Показатели	МЭСН-	МЭСН-	МЭСН-	ПТМ-40	ПМ-40	ПМ·~
	22Х25	17Х25	15Х15
Номинальная грузо- подъемность на крюке, тс/кН	25/245	17/167	15/147	40/390	40/390	20/196
Высота, м	22	15	15	22	22	14,
Число шкивов кронблока	4	3	3	4	4	3

Мачта позволяет складировать трубы вертикально, т.е. устанавливать трубы за палец, а в некоторых из них (МЭСН-22х25) можно устанавливать за палец свечи из двух труб.

Расчет вышки

На вышку действуют нагрузки: 1) вертикальные - вес груза на крюке Qк, вес талевой системы Q_Т, натяжение мертвого и ходового концов Рн и Рх, вес вышки G_B; 2) горизонтальные - горизонтальная составляющая от веса труб, установленных за палец, и ветровые Р_в. Расчет вышки производится по максимальной ветровой нагрузке (ураганный ветер), во время которого нагрузка с крюка должна быть снята. Разрешается работать при скорости ветра до 25 м/с, который дает до 30% дополнительной нагрузки на стержни вышки. Эти нагрузки распределим на 3 группы и увеличим их соответствующими коэффициентами запаса (п₁:~1,1; п₂ ~1,5; пз~l,3 )

Q_l1= (Q_K + Р_Х + Р_н) n₂;

Qш = Р_В пз ≈ O,3(Q_K + Р_Х + Р_н ) п₃

Общая расчетная нагрузка

Q_Р =Q_I +Q_II+Q_III

должна быть не больше допустимой максимальной кратковремен­ной нагрузки, которая обычно на 55-60% больше номинальной (приводится в паспорте).

Расчет оттяжек вышки производят с учетом горизонтальных нагрузок. Для этого по панелям, согласно методике [1], находят ветровые нагрузки, их равнодействующую и место ее приложения (рис. 6.1 [6]). Момент относительно точки А

G_B В/2- P_B h + Т l siПψ = О

где G_B - собственный вес вышки; В и в - стороны нижнего и верх­него оснований вышки; Т - натяжение в оттяжке; h - высота точки приложения равнодействующей ветровой нагрузки;

h ≈ (В+2b) Н /3 (В+b) ;

где: Н - высота вышки);

Р_в - суммарная ветровая нагрузка на вышку;

1- расстояние места заделки оттяжки от опоры А

ψ- угол между направлением оттяжки и горизонталью.

Из уравнения моментов относительно точки А следует, что оттяжка не нужна при

Обычно ставят по две оттяжки с каждой грани вышки. Угол их направления с горизонталью - в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа (рис. 6.1 [1]), равен γ . Тогда натяжение в каждой оттяжке

Т₁ = Т/2sinγ

Т определяется из уравнения моментов относительно точки А и берется с запасом в 1,5-2 раза.

Напряжение в проволоках каната оттяжки должно быть

где δ - диаметр проволоки оттяжки; i - количество проволок, σв - предел прочности на растяжение материала проволоки; п - запас прочности, равный 4 - 5.

В случае установки труб за палец добавляются следующие нагрузки:

1) горизонтальная составляющая от веса труб Р_т , установленных за палец под углом α ≥80⁰ к горизонту,

2) половина ветровой нагрузки от труб, установленных за палец, Р_В'.

Произведение (Р + P_B)h' (h' - высота установленных труб, равная высоте расположения пальца вышки) включается в уравнение расчетного усилия в оттяжке.

При установке двух ярусов оттяжек усилия в них принимают приблизительно одинаковыми для обоих ярусов.

Расчет мачты

Мачта ВА (рис. 6.2) наклонена под углом φ и укреплена растяжкой, направленной под углом α к горизонтали.

На крюк мачты действует нагрузка Q_K, а натяжение ходового конца Р_Х частично уравновешивает мачту. Сжимающее мачту уси­лие Q_М и усилие в растяжке Т находят следующим образом:

1) силы Q_K и Р_Х заменяют равнодействующей R, направленной под углом γ к горизонтали;

2) Q_М и Т находят, раскладывая усилие R на направления мачты и оттяжки.

По усилию Т проверяют условия работы оттяжки, используя вы­ражение для напряжения в проволоках каната.

Из рис. 6.2 видно, что с удалением оттяжного шкива от сква­жин уменьшаются Q_М и Т

Неработающую мачту проверяют на равномерно распределенную ветровую нагрузку q, определяемую по формуле:

.q = P_B/h

где P_B - суммарная ветровая нагрузка на мачту;

h - высота мачты.

Нижнее основание мачты считают закрепленным, а верх заделанным шарнирно. Для такой балки максимальный момент изгиба будет посередине

M max = q h² / 8

Если трубы установлены за палец мачты, при подсчете изгибающего момента M max необходимо учесть сосредоточенную силу (Р_т' + Р_в') (см. расчет вышки).

Напряжения в ногах мачты при работе в условиях сильного ветра

где F_H - площадь поперечного сечения ноги мачты по металлу;

W - момент сопротивления ноги изгибу;

. φ - коэффициент продольного изгиба (дается в справочниках в зависимости от гибкости стержня λ).

где 1- длина ноги между опорами (поясами);

i - радиус инерции сечения ноги,

(дробь под корнем)

Здесь D и d - наружный и внутренний диаметры ноги,

f _ОТВ ­- площадь отверстий, выполненных в сечении.

Подсчитанное напряжение в ногах мачты должно быть в 1,3 раза меньше σ_т

В случае двуногой мачты при угле наклона ног мачты к гори­зонту α в плоскости мачты:

. σ = Q_М/ (2F_Н φ sin α) ± M_max / 2W

Талевая система

Талевая система установок представляет собой полиспастный механизм, состоящий из кронблока, талевого блока, стального каната, являющегося гибкой связью между буровой лебедкой и механизмом закрепления неподвижного конца каната и объединяющего кронблок (неподвижная часть талевой системы) с талевым блоком (подвижная часть талевой системы). Талевая система предназначена для кратного увеличения подъемной силы установки при столь же кратном снижении скорости подъема (спуска) и нагрузки на тяговый орган установки (лебедку). Талевая система характеризуется оснасткой, записываемой в виде числа шкивов талевого блока и кронблока, к примеру 2 х3, 3 х4, 4 х5, 5 х6 и т.д. Кратность оснастки определяется умножением числа шкивов талевого блока на 2 и равна числу рабочих струн, удерживающих нагрузку на крюке и талевом блоке. Чем больше число рабочих струн каната и шкивов участвует в работе, тем медленнее будет подниматься (опускаться) талевый блок с крюком. Усилие в струнах талевого каната в состоянии покоя и движении не одинаковы.

При статическом нагружении (в состоянии покоя):

Р_т = Р _{К MAX} + G_ТС

При динамическом нагружении

Р_т = (Р _{К MAX} + G_ТС) (1+ ε_к /g)

Где: Р _{К MAX} – максимальная нагрузка на крюке

G_ТС - вес талевой системы (вес талевого блока, крюка и 2/3 веса длины каната талевой оснастки)

ε_к - ускорение крюка при подъеме (спуске)

g - ускорение свободного падения

Каким бы ни было усилие в рабочих струнах Рт – статическим или динамическим, оно равно: Рт = Р₁ + Р₂ +Р₃ + …..Р_n ;

Где : - Р₁ + Р₂ +Р₃ + …..Р_n усилия в рабочих (несущих) струнах талевой системы. В состоянии покоя они равны между собой, т.е.

Р₁ = Р₂ =Р₃ = …..Р_n = Рх = Рн

где : Рх и Рн – усилия в ходовой (ведущей) и неподвижной струнах талевого каната.

Тогда усилие в любой струне в состоянии покоя:

Р_I = Рт / u_тс ,

Где: u_тс – число несущих струн каната или кратность оснастки;

Рт - усилие в струнах талевого каната

При движении талевой системы вследствие трения каната о шкивы и трения в подшипниках шкивов нагрузка на струны каната не одинакова:

Рх = Р₁ / η_ш , Р₁= Р₂ / η_ш и т.д.

Где: η_ш – КПД струны шкива

КПД талевой системы η_тс зависит от числа шкивов, диаметра каната, степени их изношенности, нагрузки на крюке, состоянии подшипников, смазки и др. Для практических расчетов можно использовать формулу:

η_тс = 1- 0,02 u_тс

В период установившегося движения при подъеме натяжение ходового конца талевого каната:

Рхп = (Ркмах + G_ТС) / u_тс η_тс

Натяжение неподвижной струны каната при подъеме

Рнп = Рх η_тс

Натяжение ходового конца талевого каната при спуске

Рхс = (Ркмах + G_ТС) η_тс / η_тс

Скорость ведущей (ходовой) струны каната при подъеме V_В по условиям намотки на барабан лебедки не должна превышать 20м/с (уточняется по паспорту на установку, подъемник):

V_В = V_К u_тс ≤ 20м/с

Где: V_К - скорость крюка

Число шкивов, их размеры и кратность оснастки определяются допустимой нагрузкой на крюке, тяговым усилием лебедки, скоростью навивки каната на барабан, числом рядов навивки каната, размерами, прочностью, работоспособностью, типом и стоимостью талевого каната. Средняя частота вращения барабана лебедки:

.n_б.ср= v _х.ср 60/ πD_ср, об/мин

где: D_ср = (D₀ +Dе) / 2 - средний диаметр навивки каната, м

D₀ = D_б + d_к – минимальный диаметр навивки каната, м

D_б – диаметр бочки барабана, м

d_к - диаметр каната, м

Dе – наибольший диаметр навивки каната, м

Dе = Dб + α (2z-1) d_к , м

Где: α =0,93 -0,95 - коэффициент уменьшения диаметра навивки за счет укладки и смятия каната,

.z - число слоев навивки каната

Мощность на крюке при подъеме колонн, кВт

Nкп = Р _{К MAX} v _{к ср} /2 или Nкп = Р _{К MAX} v _{к min}

Оснастка талевой системы

а – однострунная; б – двухструнная; в – трехструнная;

г – четырехструнная; д – шестиструнная

Оснастка талевой системы - это последовательность навивки каната на шкивы кронблока и талевого блока исключающая трение ветвей друг о друга. Оснастка определяется числом шкивов, находя­щихся в работе.

Если «мертвый» конец каната закрепляется за низ вышки, то под­нимаемый груз распределяется на 2z струн каната, если же «мертвый» конец закрепляется за талевый блок, то груз распределяется на 2z + 1 струн, где z - число подвижных шкивов талевого блока.

К талевой системе так же относится ограничитель подъема талевого блока и механизм крепления неподвижной ветви талевого каната. Ограничитель подъема талевого каната служит для предотвращения возможности соударения талевого и кронблоков В процессе эксплуатации ограничитель представляет собой механизм, устанавливаемый под кронблоком, и включающий тормоз лебедки при подъеме блока выше положенного хода. Расстояние между кронблоком и механизмом ограничения определяется тормозным путем талевого блока на максимальной скорости подъема.

Кронблоки

Кронблоки эксплуатационные являются неподвижной частью талевой системы.

Кронблоки КБН предназначены ДЛЯ работы в районах с умерен­ным климатом, типа КБ - в умеренном и холодном климате.

Последние изготавливаются двух видов:

- исполнение 1 - для передвижных подъемных установок и стаци­онарных эксплуатационных мачт;

- исполнение II - с подкронблочной рамой для стационарных экс­плуатационных вышек

В зависимости от грузоподъемности кронблоки выпускаются с различным числом канатных шкивов, устанавливаемых на подшип­никах качения. Конструктивно кронблоки всех грузоподъемностей

не отличаются друг от друга. Шкивы у всех кронблоков расположе­ны на одной неподвижной оси, покоящейся на опорах и закреплен­ной стопорными болтами. Канатные шкивы, посаженные на ось на двух роликоподшипниках, разделяются друг от друга стопорными кольцами.

Во избежание перемещения шкивов вдоль оси кронблока после­дняя имеет с одной стороны бурт, а с другой - навинченную на резьбу оси круглую гайку со стопорной шайбой.

Смазка к роликоподшипникам поступает через продольное свер­ление внутри оси, которое связано радиальными сверлениями с по­лостью подшипников. Выходы продольного канала на концах оси зак­рываются шестигранными резьбовыми пробками. Шкивы снабжены крышками, предотвращающими вытекание смазки и попадание гря­зи в подшипники.

Шкивы кронблоков закрыты быстросъемным ограждением и кожухом. Ограждение кронблока предотвращает соскальзывание талевого каната со шкивов.

В кронблоке, кроме шкивов, связанных с талевым блоком имеются шкивы для работы с тартальной и вспомогательной лебедкой по одному на каждую лебедку (при соответствующей комплектации установки)

Талевые блоки

Талевый блок является подвижной частью талевой системы. Талевые блоки предназначены для работы в районах с умеренным климатом (тип БТН) и с холодным климатом. Талевые блоки всех типоразмеров (конструктивно отличающиеся друг от друга только числом канатных шкивов) представляют собой канатные шкивы, насаженные на роликоподшипниках на ось, неподвижно установленную в двух щеках, закрепленных гайкой. По аналогии с кронблоками канатные шкивы талевого блока имеют боковые крышки, предохраняющие от попадания грязи и вытекания смазки.

В настоящее время используются конструкции, совмещенные талевые блоки и крюки, называемые крюкоблоками. В этом случае серьга отсутствует, щеки талевого блока удлиняются и соединяются непосредственно с подвеской крюка.

Конечная конструкция получается проще и меньше в высотном габарите

Крюки подъемные эксплуатационные

Крюки подъемные эксплуатационные относятся к подвижной части талевой системы, предназначены для подвешивания на них штропов, трубных или штанговых элеваторов, вертлюгов и других приспособлений при монтаже, демонтаже наземного оборудования.

Крюки КН предназначены для работы в районах с умеренным климатом, а КР - для умеренного и холодного климата.

Крюки изготавливаются двух типов: однорогие (исполнение а) грузоподъемностью до 20 т и трехрогие (исполнение б) грузоподъем­ностью 32 т и более.

Крюк состоит из рога, подвески и серьги.

Рог кованый включает сменное седло с защелкой для фиксирова­ния при спускоподъемных операциях. Вогнутая цилиндрическая по­верхность седла соответствует размеру сопрягаемого с ним штропа элеватора или серьги вертлюга.

Подвеска, соединяющая рог крюка с серьгой, состоит из литого стального корпуса, амортизирующей пружины, ствола, установлен­ного на упорном подшипнике. Конструкция подвески допускает сво­бодное вращение рога крюка со стволом как под нагрузкой, так и без нагрузки. Амортизационная пружина и упорный подшипник поме­щены внутри корпуса и закрыты крышкой для предохранения их от атмосферных осадков и загрязнения.

На боковые рога крюка подвешиваются удлиненные штропы для захвата элеватора балочного типа через проушины. Пружина обеспечивает вертикальное перемещение отвинчиваемой или свинчиваемой трубы.