Бурові вишки. Загальні відомості і будова

РОЗДІЛ 19. БУРОВІ СПОРУДИ

Бурова вишка являє собою металеву споруду над гирлом свердловини, яка призначена для встановлення талевого механізму, пристроїв для механізації спуско-підіймальних операцій і розміщення бурових свічок. Від технічного вдосконалення бурової вишки істотно залежать монтажоздатність і транспортабельність бурової установки, а також ефективність і безпечність буріння. Поломки бурової вишки здатні викликати тяжкі наслідки, тому надійність і міцність - першостепеневі вимоги, що відносяться до бурових вишок. Ці якості повинні поєднуватись із технологічністю і легкістю вишок, які сприяють підвищенню економічності і прискоренню вишкомонтажних робіт.

Вимоги безпеки до бурових вишок регламентуються ГОСТ 12.2.041-79, згідно якого конструкція і кріплення вишки до основи або фундаменту повинні забезпечити надійність і безпечність її експлуатації при відсутності відтяжок. В конструкції вишки повинні бути передбачені крон блочна, верхня робоча і перехідні площадки з маршовими сходами і стре-м’янками від підлоги бурової до крон блоку.

Верхня площадка повинна бути обладнана пересувною люлькою для робітника, зайнятого встановленням бурових свічок при спуско-підіймальних операціях. Козли для заміни крон блоку і монтажний ролик на верхній основі вишки розраховуються на підйом півтора кратної ваги крон блоку. Геометричні форми бурових вишок і окремих її елементів повинні володіти мінімальними аеродинамічними опорами з метою зниження вітрових навантажень.

По кількості і розміщенню несучих елементів (ніг) бурові вишки поділяються на баштові і мачкові. В баштових вишках навантаження передається більше як на дві опори, розміщені у вершинах многокутника.

В вишках щоглового типу навантаження передається на одну або дві опори. Залежно від методу спуско-підіймальних операцій розрізняють бурові вишки з пристроями для ручного і механізованого розміщення свічок.

Баштові вишки виготовляються із гнучкою (рис. 19.1, а) і жорсткою (рис. 19.1, б) решітками. Відомі конструкції баштових вишок, ноги яких виготовлені із зварених чотиригранних форм (рис. 19.1, в) або із труб великого діаметру (рис. 19.1, г). Вишки цих типів називають пілонними.

Рисунок 19.1 Конструктивні схеми бурових вишок

Незалежно від конструктивної схеми баштові вишки характеризуються високою жорсткістю і високим опором крученню під дією моменту сил, який створюється натягом нерухомої і струн талевого каната. Однак внаслідок великої кількості болтових з'єднань збирання баштових вишок поєднане з великою трудомісткістю.

Відсутність зв’язків між ногами пілонних вишок сприяють підвищенню їх монтажоздатності і покращує видимість вишки зі сторони містків.

Щоглові вишки (рис. 19.1, д) мають А-подібну форму і завдяки зварної конструкції секцій ніг володіють високою монтажоздатністю.

Ноги вишки мають трикутний 1 і 2, чотирикутний 3 або кільцевий 4 переріз. При однаковому розмірі В і площі поперечних перерізів найбільшим опором згину і крученню володіють вишки, які мають чотирикутний переріз ніг. Це зумовлено тим, що моменти інерції перерізів 1, 2, 3 відносно осі Х змінюються пропорційно відношенням 1:1,35:1,50. Вишки із чотирикутним перерізом ніг більш матеріаломісткі.

Вишки із кільцевим перерізом ніг виготовляють із труб великого діаметру, що приводить до їх обтяження. Жорсткість і монтажоздатність добре поєднуються в бурових вишках з відкритою передньою гранню, які мають чотири (рис. 19.1, е) або дві опори (рис. 19.1, ж) і П-подібну форму поперечного перерізу.

Бурові вишки виготовляють із труб, кутників, швелерів і круглого прокату. Для несучих елементів переважно використовують трубчаті профілі, які у порівнянні з іншими видами профілів володіють більш високим радіусом інерції і надають вишці позитивні аеродинамічні властивості, що сприяють зни-женню вітрових навантажень на вишку.

Баштова вишка (рис. 19.2) являє собою чотиригранну перерізану піраміду, яка складається з чотирьох похило розміщених ніг 6, які зв’язані між собою поясами 8 та гнучкими діагональними відтяжками 7.

В конструкції, яку розглядаємо, ноги і пояси вишки виготовлені з труб, а діагональні відтяжки - із круглого стального прокату. На наголовнику вишки встановлюються суцільнозварна підкронблочна рама, козли 1 і підкронблочна площадка 2. Козли оснащені блоком, який використовується при монтажі вишки, заміні кронблоку і підйомі інших вантажів. Балкони 4 і 5 призначені для роботи другого помічника бурильника (верхового) при ручній розстановці бурових свічок довжиною 36 і 27 м.

Кожний балкон складається із чотирьох площадок 10, каркаса, покрить і обладнаний пальцями 12 з шарнірною головкою для встановлення свічок і люлькою 11 для верхового, розміщеною відносно осі свердловини на відстані, достатній для проходження блока. При надмірному віддаленні люльки погіршуються умови роботи верхового. На висоті близько 15 м знаходиться площадка для обслуговування стояка маніфольда бурових насосів і бурового рукава.

Згідно вимог безпеки, ширина площадок бурової вишки повинна бути не менше 750 мм. Площадки мають металічний настил із просічно-витяжного листа (щоб запобігти ковзанню), перила висотою не менше 1200 мм з поздовжніми планками і прилягаючий до настилу борт висотою 150 мм. Вишка оснащена маршовими металічними сходами 3 шириною не менше 650 мм з перехідними площадками і перильними огородженнями висотою не менше 1000 мм. На двох протилежних гранях є ворота 9 для затягування необхідного обладнання.

Ноги вишки збираються із стійок, які з’єднуються болтовими фланцями, привареними до їх торців. Використання фланцевих з’єднань з болтами нормальної точності усуває послаблення посадок. Для зручності зборки та центрування торці стійок оснащені конусними направляючими. Нижні стійки ніг мають опорні плити і кронштейни для домкратів, які використовуються при центруванні вишки. Відомі інші методи з’єднання стійок ніг вишки (фланцеве з’єднання на напівхомутах і відкидних болтах; з’єднання “торець в торець”, стягуючими болтами і ін.). В з'єднаннях без фланців в результаті деформації контактуючих поверхонь при перебазуваннях і розборах вишки відбувається послаблення посадок в з'єднаннях.

Пояси і діагональні тяги болтами з’єднуються з привареними до ніг вишки косинками 13. Стійки ніг і пояси вишки виготовляють із труб, діагональні відтяжки - з крупного прокату. В іншій модифікації, яка відрізняється жорсткою комбінованою хрестовою решіткою, ноги вишки виготовляють із двох хрестоподібно розміщених кутників, а пояси і відтяжки - із кутників меншого розміру.

В пілонній вишці аналогічної висоти і вантажопідіймальності стійки ніг виготовляються із труб великого діаметру і з’єднуються між собою з допомогою литих стальних фланців, які приварені до торців стійок. Верхні кінці ніг пілонної вишки шарнірно з’єднуються із підкронблочною рамою. Взаємне розміщення ніг і жорсткість вишки забезпечуються діагональними гвинтовими стяжками, які з’єднують верхні стійки ніг, і горизонтальними гвинтовими відтяжками, розміщеними в середній і нижній частинах вишки. Опори ніг пілоної вишки виконані у виді конусу з провушиною, закріпленою в спеціальній стійці на фундаменті. Баштові вишки монтуються переважно зверху вниз з допомогою вишкових підйомників.

Рис. 19.2. Баштова вишка

Щоглова А-подібна вишка (рис. 19.3) складається із двох ніг, несучих основне навантаження, і підкосів 5, що утримують вишку в робочому положенні. Залежно від висоти вишки кожна нога збирається з трьох-п'яти зварених секцій 2, виготовлених із труб або профільного прокату. Секції з’єднуються з допомогою фланцевих з'єднань. Для прискорення збирання замість фланцевих з’єднань використовують напівхомути. Верхні секції мають провушини для з'єднання з підкронблочною рамою, яка надає вишці жорсткості та геометричну форму.

На підкронблочній рамі встановлені козли і площадка 1 для обслуговування і ремонту кронблоку.

Залежно від схеми підйому і конструкції вишки відкоси 5 розміщуються зі сторони містків або на прилеглій стороні і з допомогою провушин з’єднуються з ногами вишки і башмаками, встановленими на основі вишки. Ноги 4 вишки шарнірно з’єднуються з опорою, яка центрує вишку відносно вісі ротора. Балкон 3 для другого помічника бурильника і магазин для свічок кріпляться до ніг вишки з допомогою кронштейнів.

Стояк маніфольду бурових насосів розміщений всередині ноги вишки. Для обслуговування і заміни бурового рукава всередині є невелика площадка. Маршові сходи 6 монтуються на гранях однієї із ніг вишки і доходять до балкону. Всередині ноги вишки встановлюються сходи тунельного типу.

Рис. 19.3 Мачтова А- подібна вишка.

А-подібну і інші щоглові вишки збирають в горизонтальному положенні на спеціально підготовленій площадці, достатній для розміщення зібраної вишки і необхідного для її монтажу обладнання. У вертикальне положення вишку піднімають при допомозі стріли і блоків, обладнаних канатом, ходовий кінець якого до барабана бурової лебідки або трактора-підйомника. В бурових установках універсальної монтажоздатності для підйому вишки використовується спеціальний механізм підйому, який являє собою достатньо жорстку П–подібну раму з двома підкосами та поліспастом. З допомогою бурової лебідки, яка приводиться від регулятора подачі долота, і поліспаста механізму підйому вишки встановлюється в робоче положення і кріпиться до підкосів, які надають вишці стійкості при експлуатації.

При підніманні із свердловини бурової свічки нижнім кінцем встановлюють на підсвічник. Верхній кінець свічок заводять в так званий магазин, і вони впираються на палець (див. рис. 19.2, переріз А-А). Між пальцем і люлькою є простір для вільного проходження труб найбільшого діаметру. Пальці виготовляють із товстостінних труб, вони мають шарнірну головку, яка повертається при випадкових ударах талевого блоку і завдяки цьому запобігається вихід із ладу пальця.

Вибір параметрів і технічні характеристики бурових вишок.

Найбільш повно технічні можливості бурової вишки характеризуються вантажопідіймальністю, яка визначає допустиме навантаження при заданій кратності оснастки талевого механізму.

В ряді країн в допустиме навантаження включають вагу талевого механізму, натяг ходової і нерухомої струн талевого канату, що приводить до формального завищення її на 20-25% і, як наслідок, до відповідного зниження питомої металомісткості в порівнянні з вітчизняними буровими вишками. Крім того, допустиме навантаження бурових вишок за кордоном виражають в "коротких" тонах (907 кг), що при переводі часто не враховується, і це приводить до ще більшого завищення техніко-економічних показників закордонних вишок і другого бурового обладнання.

При проектуванні вишок допустиме навантаження встановлюють по найбільшому навантаженню, яке очікується в за-даному діапазоні глибин буріння. Величина цього навантаження повинна відповідати допустимому навантаженню на гаку, регламентованому ГОСТ 16293-82. При цьому враховується натяг ходової та нерухомої струн канату при заданій кратності оснастки талевого механізму.

Висота вишки, згідно ГОСТ 12.2.041-79, повинна забезпечувати безпеку робіт при підйомі талевого блоку на максимальній швидкості з урахуванням запасу висоти для встановлення обмежувача підйому талевого блоку.

Розрізняють корисну та конструктивну висоти вишки. Корисна висота виміряється віддаллю від підлоги бурової до верхньої площини підкронблочної рами. Конструктивна висота відповідає віддалі від опори вишки до верхньої площини підкронблочної рами. Корисна висота співпадає з конструктивною, коли опори вишки розташовуються на рівні підлоги бурової.

Виходячи з вимог, які забезпечують безпеку спуско-підіймальних операцій, корисна висота вишки

де h(1)-відстань від підлоги бурової до нижнього кінця підвішеної свічки, яка включає висоту ротора, елеватора, муфти бурильного замка, труби, утримуючої ротором, і зазор між муфтою труби та ніпелем підвішеної свічки (h(1)=1,2-1,5 m); h(2)-довжина свічки; h(4)-запас висоти між кронблоком і крайнім верхнім положенням талевого блоку, який необхідний для своєчасного гальмування лебідки та запобігання затягування талевого блоку на кронблок (h(4)=7 m).

Висота розміщення балконів визначається залежно від довжини свічок:

де l(св)-довжина свічки; alfa-кут нахилу свічки до вертикалі (alfa=2-4 град); h(п)-висота підсвічника; delta(h)-відстань від верхнього кінця свічки до підлоги люльки.

Площа магазину повинна бути достатньою для розміщення бурильних свічок і запасу бурильних труб, призначеного для заміни відбракованих труб і аварійних робіт:

де F-площа магазина; L-найбільша глибина буріння;

f-площа по діаметру бурильного замка.

Розміри основи (нижньої бази) вишки повинні забезпечувати можливість розміщення та технічного обслуговування бурової лебідки, ротора, напільного бурового ключа, підсвічників, пульту управління та іншого обладнання, яке встановлюється на підлозі бурової. Згідно норм, відстань між внутрішніми гранями ніг на рівні підлоги складають (в м):

Для баштових вишок висотою, м:

40-42 ........................................... 8*8

53-54 ........................................... 10*10

Для мачтових вишок (залежно від висоти та вантажопідіймальності)......................5,5;7;9;11

Розміри верхньої основи вишки визначаються по величині прогалини у підкронблочної рами, необхідної для підйому та встановлення кронблоку.

Висота воріт 40- та 53-м баштових вишок приймається відповідно 12 та 15 м. Досвід показує, що при цьому забезпечується вільне затягування з містків на бурову площадку найбільш довгих видів обладнання (робочої труби з вертлюгом, бурильних свічок, вибійних двигунів і т.д.).

Вага вишки - один із параметрів, який характеризує її технічну досконалість по матеріалоємності. Матеріалоємність вишок оцінюється по питомій вазі:

де М(виш)-вага вишки, кг; G(виш)-вантажопідйомність вишки, кг; Н- висота вишки, м.

Технічна характеристика вітчизняних бурових вишок приведена в табл. 19.1.

Таблиця 19.1 Технічна характеристика бурових вишок

Параметри

Тип вишки Щоглова Баштова

Щоглова Баштова !

Допустиме навантаження, кН

Оснастка талевої системи

Висота, м

Розміри нижньої бази, м

Спосіб розта новки -! Ручний ! Механізований свічок

Вага комплектної вишки, т

Основи розрахунку бурових вишок.

При проектуванні бурових вишок користуються методом розрахунку по граничних станах, прийнятих для будівельних конструкцій (СНіП 11-В-3-72). Розрахунки по граничних станах базуються на статичних даних дійсної завантаженості конструкцій в умовах експлуатації, а також зміни механічних властивостей матеріалів, що дає змогу підвищити надійність, міцність і економічність проектованих конструкцій.

Граничними називають такі стани, при яких конструкція перестає задовольняти експлуатаційні вимоги, які ставляться до неї.

Бурові вишки характеризуються двома граничними станами:

по втраті несучої здатності, яка настає при навантаженнях, що викликають руйнування або втрату стійкості бурової вишки;

по деформації, при досягненні якої бурова вишка зберігає стійкість і міцність, але виявляється непридатною для нормальної експлуатації.

Кожний із вказаних граничних станів характеризується певною умовою. Умова першого граничного стану (по несучій здатності)

(19.1)

де N — розрахункове (найбільше) зусилля в розглядуваному елементі бурової вишки;

Ф — граничне зусилля, яке визначає несучу здатність (найменшу) розглядуваного елемента.

Умова другого граничного стану бурової вишки

(19.2)

де а-найбільше відхилення наголовника вишки від осі ротора та свердловини;

а(гр) — граничне переміщення наголовника вишки, яке обмежує можливість її нормальної експлуатації.

Розрахункове зусилля в окремих елементах вишки визначається як сума зусиль від кожного з одночасного діючих на неї навантажень із врахуванням імовірних перевантажень:

(19.3)

де N(і)-зусилля від і-того навантаження; n(і)-коефіцієнт перевантаження для і-того навантаження.

Для розрахунку бурових вишок діючі навантаження доцільно розділити на постійні, експлуатаційні та вітрові. Така класифікація більш проста та зручна в порівнянні з прийнятим діленням діючих навантажень на основні та додаткові, які, в свою чергу, поділяються на постійні, тимчасові, тривалі та короткочасні.

До постійних навантажень, користуючись принципом класифікації навантажень, запропонованої Н.С.Стрілецьким, відносять власну вагу бурової вишки та встановленого на ній обладнання, яка зберігає своє значення протягом всього періоду експлуатації.

До експлуатаційних навантажень відносять навантаження на гаку, натяг ходової та нерухомої віток талевого канату, навантаження від комплекту бурильних труб, встановлених на підсвічниках.

Вітрові навантаження залежать від природно-кліматич-них умов експлуатації бурових вишок.

При виконанні проектних розрахунків вагу бурової вишки та встановленого на ній обладнання визначають по вагових характеристиках раніше спроектованих аналогічних бурових вишках. Поряд з цим вагові характеристики бурових вишок з достатньою точністю можна обчислити за імперичними формулами:

вага вишки G(виш)=0,15*P(доп);

вага кронблоку G(к.б)=0,015*P(доп);

вага рухомих частин талевого механізму G(тс)оп);

вага балконів, сходів, козлів і інших споруджень, встановлених на вишці, G(об)=0,03*P(доп).

В цих формулах Р(-допустиме навантаження на крюку.

При перевірочних розрахунках вагу вишки та встановленого на ній обладнання визначають шляхом зважування вузлів.

Експлуатаційні навантаження вибирають по їх найбільших значеннях, які допускаються при бурінні свердловини. Ці навантаження називають нормативними та визначають, виходячи з параметрів бурової установки:

найбільше навантаження приймається рівним допустимому навантаженню на крюку Р(доп);

натяг рухомої S(р) та нерухомої S(н) віток залежать від допустимого навантаження на крюку P(доп), кратності оснастки і(т.с) та ваги рухомих частин талевого механізму G(т)

(19.4)

навантаження від комплекту свічок приймається рівним вазі найбільш важкої бурильної колони, яка використовується в заданому діапазоні глибин буріння:

де L-глибина буріння; q(б.к)-вага 1 м бурильної колони.

Переважно нормативна вагу бурильної колони визначають по найбільшій умовній глибині буріння бурильними трубами діаметром 114 мм з розрахунковою вагою 1 м 320 Н. При проектуванні бурових вишок, призначених для визначених класів бурових установок, нормативні експлуатаційні навантаження визначаються по ГОСТ 16293-82.

Друге навантаження визначається для робочого та неробочого станів бурової вишки. В робочому стані вишки приймається граничне навантаження, при якому забезпечується нормальна її експлуатація з максимальним навантаженням на крюку та повним комплектом бурильних труб на підсвічнику. В неробочому стані вишки, коли роботи при зупиняються через надмірні швидкості вітру, приймається граничне вітрове навантаження, з врахуванням якого повинні бути розраховані елементи бурової вишки в її неробочому стані.

Вітрові навантаження залежать від динамічного тиску вітру, який називається вітровим або швидкісним напором. Останній пов'язаний із густиною повітря (r=1,225 кг/м^3) та його швидкістю

де q-вітровий напір, Па; v-швидкість вітру, м/с.

По даних багаторічних спостережень, граничний вітровий напір в різних районах СРСР змінюється в межах від 270 до 1000 Па. Згідно РТМ 26-02-6-68 (Керуючий технічний матеріал на проектування бурових вишок), для розрахунку бурових вишок значення вітрового напору приймається незалежно від місця спорудження бурової: q=700 Па-для неробочого стану; q=250 Па-для робочого стану; q=150 Па-для монтажно-транспортного стану.

Зміна вітрового напору по висоті над поверхнею землі враховується коефіцієнтом R, значення якого приведені нижче.

Висота над поверхнею землі,

Коефіцієнт R ................... 1 1,25 1,55 1,75 2,1 2,6

Для проміжних висот значення R визначаються лінійною інтерполяцією. В межах зони висотою не більше 10 м допускається приймати R постійним. Згідно з цим для і-тої панелі бурової вишки нормативний швидкісний напір

(19.7)

де q(і)-нормативний швидкісний напір на і-ту панель висотою до 10 м;

R(і)-коефіцієнт, який враховує зміну швидкісного напору для і-тої панелі.

Вітрове навантаження, розподілене на 1 м довжини, для і-тої панелі бурової вишки

(19.8)

де n(в)-коефіцієнт перевантаження для вітрового навантаження;

c(і)-аеродинамічний коефіцієнт і-тої панелі бурової вишки;

beta-коефіцієнт динамічності, який враховує пульсуючий характер вітрового тиску;

В(і)-ширина і-тої панелі бурової вишки.

Аеродинамічний коефіцієнт залежить від конструктивної схеми, форми та розмірів деталей. В результаті випробовувань в аеродинамічних трубах отримані значення аеродинамічних коефіцієнтів для окремих елементів і найбільш поширених їх поєднань, приведені в СНіП 11-6-74 і інших нормативних документах. Для суцільної стінки та плоских решітчастих конструкцій із всіх видів профілів с=1,4. Для циліндричних елементів споруджень значення аеродинамічних коефіцієнтів визначаються по табл. 19.2 залежно від функції d — діаметр елемента, м; q-нормативний швидкісний напір з врахуванням коефіцієнта R, да Па).

Коефіцієнт динамічності beta від періоду власних коливань спорудження та пульсації швидкісного напору. Згідно прийнятих норм, коефіцієнти динамічності панелей бурової вишки, розміщених на різних висотах, приймаються рівними: beta=2,1-при висоті до 20 м; beta=1,6-при висоті до 60 м.

Аеродинамічний коефіцієнт для окремих панелей вишки визначається по формулі, прийнятій СНіП 11-6-74:

(19.9)

де c(і)-аеродинамічний коефіцієнт і-тої панелі;

f(і)-площа проекції і-того елементу панелі на площину, перпендикулярну до напрямку вітру;

S-габарити панелі в проекції на вертикальну площину;

n-коефіцієнт, який враховує навантаження на підвітрову грань.

Коефіцієнт n являється функцією коефіцієнту заповнення панелі вишки fі:

Для решітчастих споруджень n=0,995. Це свідчить про це, що аеродинамічні коефіцієнти для завітрової та підвітрової граней решітчастих споруджень приблизно одинакові.

Таблиця 19.2

В табл. 19.3 приведений приклад розрахунку аеродинамічного коефіцієнта панелі (рис. 19.8). Розрахункове вітрове навантаження на 1 м висоти розглядуваної панелі визначається по формулі (19.8)

де В=0,5*(9,491+10,245)=9,868 м.

Аналогічно розраховується вітрове навантаження для ін-ших панелей вишки. Для спрощення подальших розрахунків вітрові навантаження замінюються силами, зосередженими у вузлах відповідних панелей бурової вишки (рис. 19.5). Розрахункове навантаження на кожний вузол приймається рівне сумі навантажень, які діють на половини суміжних панелей. У розглядуваному прикладі (висота панелі 5 м) для вузла 0-1 (рис. 19.5, а), який немає суміжної панелі, розрахункове навантаження

Таблиця 19.3

Зусилля в елементах бурової вишки знаходять у припущенні ідеальності шарнірних з'єднань, як приймаються замість зварних і болтових вузлів, і шляхом розчленування просторової ферми на плоскі з відповідним розподіленням навантаження по гранях. Зусилля в поясах і розкосах визначаються в результаті розрахунку плоскої ферми графічним або аналітичним методом.

Рисунок 19.4 Конструктивна схема панелі вишки

1- стійка; 2, 3, 4, 6 – деталі сходів; 5- тяга; 7- пояс вишкию

При графічному методі користуються побудовою діаграми Максвелла-Кремони. Аналітично зусилля в стержнях ферми визначаються відомими прийомами будівельної механіки (метод вирізання вузлів, метод перерізів). Зусилля в ногах вишки та опорні реакції розраховують алгебраїчним сумуванням відповідних зусиль у суміжних гранях.

Коефіцієнти перевантаження у формулі (19.3) враховують можливе перевищення прийнятих у розрахунку нормативних навантажень. Перевантаження можуть бути викликані різними причинами, в тому числі в результаті порушень правил експлуатації бурових вишок. Значення коефіцієнтів встановлюються на основі статистичних даних про змінності нормативних навантажень. Нормативне навантаження, помножене на коефіцієнт перевантаження, являє собою найбільш можливе навантаження за час експлуатації бурової вишки і називається розрахунковим навантаженням.

Бурові вишки розраховують по найбільш небезпечних з'єднаннях навантажень при робочому і неробочому її стані. Різні сполучення внутрішніх навантажень можуть становити велику небезпеку для одних елементів вишки і меншу для інших. В робочому стані найбільш небезпечне сполучення навантажень виникає при спуску обсадної колони. При цьому можливий випадок, коли навантаження на гаку, створене вагою обсадної колони, рівне допустимому, за пальцем встановлений повний комплект бурильних свічок, а швидкісний напір вітру досягає найбільшого значення (250 Па), прийнятого для робочого стану. У неробочому стані найбільш небезпечні поєднання навантажень на бурову вишку будуть в тому випадку, коли повний комплект бурильних свічок встановлений за пальцем, гак розвантажений, а швидкісний напір вітру досягає найбільшого значення (700 Па), прийнятого для неробочого стану.

При розрахунку і проектуванні бурових вишок, крім цьо-го, враховуються поєднання навантажень, які діють при підйомі та опусканні вишок, а також при транспортуванні вишки в зібраному виді.

Імовірність прийнятих поєднань навантажень враховується коефіцієнтом поєднання К(c)=0,9, який використовується в якості множника для всіх розрахункових навантажень, які входять у поєднання. Коефіцієнт поєднань вказує, що одночасне досягнення всіма навантаженнями їх найбільших значень допускається з визначеною степінню імовірності.

Навантаження по напрямку їх дії вишку діляться на вертикальні і горизонтальні. Для ніг і опор бурової вишки найбільше значення мають вертикальні навантаження, для поясів і розкосів - горизонтальні.

Нормативні навантаження для робочого і неробочого станів вишок, враховуються при розрахунку на міцність, а також відповідні їм коефіцієнти перевантаження і поєднання приведені в табл. 19.4 [17].

Вертикальні навантаження розподіляються між ногами вишки. Розрахункове зусилля на опору баштової вишки від вертикальних навантажень

(19.11)

де G-власна вага бурової вишки;

G власна вага талевого механізму і іншого встановленого на вишціобладнання;

P4доп -допустиме навантаження на гаку;

S вертикальні складові від зусиль у рухомій і нерухомій струнах талевого канату;

коефіцієнти перевантажень (приймаються за табл. 19.4);

коефіцієнт поєднання навантажень;

кут між віссю ноги вишки та вертикаллю;

3,6-коефіцієнт, який враховує нерівномірність розподілу навантажень між ногами вишки (для А-подібних вишок приймається рівним 2).

Вертикальні і горизонтальні складові від зусиль у нерухомій та рухомій струнах талевого каната

(19.12)

де S і Sнг — вертикальна і горизонтальна складові зусилля в нерухомій струні талевого каната;

Sі також, від зусилля в рухомій струні;

— кути нахилу нерухомої і рухомої струн талевого каната до вертикалі.

Таблиця 19.4

Робочий стан Неробочий стан

Вид навантажень

Навантаження

Навантаження

Вертикальні

Власна вага вишки

Власна вага талевого механізму

і змонтованого на вишці обладнання

Допустиме навантаження на гаку

Вертикальні складові зусиль у нерухомій і рухомій струнах талевого каната

Горизонтальні

Горизонтальна складова зусиль у нерухомих струооах талевого каната

Горизонтальна складова ваги свічок за пальцем

Максимальний швидкісний напір вітру

Експлуатаційний швидкісний напір вітру

Горизонтальне навантаження на палець від максимального вітрового напору

Горизонтальне навантаження на палець від експлуатаційного напору вітру на пакет свічок

Примітка: "+" - навантаження враховується; "-" - навантаження не враховується.

Горизонтальне навантаження на палець від ваги свічок

(19.13)

девага комплекту свічок;

кут нахилу до вертикалі свічок, встановлених за палець.

Горизонтальне навантаження на палець від експлуатаційного вітрового напору на пакет свічок

де коефіцієнт навантаження;

аеродинамічний коефіцієнт (c=1,4); B ширина пакета свічок;

нормативне вітрове навантаження на 1 м пакета свічок:

(19.15)

де q, усереднені напори вітру на розглядуваній ділянці пакета (по епюрі рис. 19.5, а); висота усередненого напору вітруна розглядуваній ділянці;

відстань від опори вишки до розглядуваної ділянки усереднених напорів вітру;

висота встановлення пальця.

Граничне зусилля у формулі (19.1) визначається із врахуванням виду деформації елементів, які розраховуються. Для випадку центрального розтягу стержня про його несучу здатність судять за величиною сили Ф:

(19.16)

де F площа поперечного перерізу стержня;

R нормативний опір матеріалу (для сталей рівний нормативній границі текучості);

коефіцієнт однорідності матеріалу, який враховує можливе зменшення величини R;

m коефіцієнт умов роботи.

Коефіцієнт однорідності матеріалу k=0,8-0,9. Він залежить від імовірного розсіювання механічних властивостей матеріалу, спричиненого нестабільністю параметрів металургійних процесів, технології виготовлення та іншими чинниками. Добуток нормативного опору R і коефіцієнту однорідності матеріалу називають розрахунковим опором R Коефіцієнт умов роботи m враховує відповідальність деталі, наслідки відмов, ступінь відхилення прийнятої розрахункової схеми від дійсних умов роботи, можливі пошкодження в процесі монтажу, транспортування і експлуатації бурових вишок. За РТМ 26-02-6-68 слід приймати наступні чисельні значення коефіцієнта умов роботи:

-для стиснутих елементів ніг баштових вишок .0,80-0,90

-для стиснутих елементів поясів (ніг) мачтових вишок 0,95

-для стиснутих елементів гратів щоглових вишок з одиничних кутників, прикріплених болтами до поясів однією стороною 0,75

-те ж саме, але кріплення зварними швами:

для перехресних гратів з поєднаними у суміжних гранях ву-

злами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,90

для ялинкових та перехресних гратів з непоєднаними у суміжних гранях вузлами . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,80

для стиснутих елементів гратів щоглових вишок з труб, які прикріплені до поясів зварними швами .. 0,85-0,95

У випадку поздовжнього згину, супроводжуваного втратою стійкості і прямолінійної форми рівноваги центрального стиснутого прямого стержня несуча здатність визначається формулою

(19.17)

де - коефіцієнт поздовжнього згину, який враховує зменшення несучої здатності для стиснутих стержнів.

Коефіцієнт повздовжнього згину залежить від матеріалу та гнучкості деталі. Остання дорівнює відношенню приведеної довжини ( до радіусу інерції і поперечного перерізу деталі:

(19.18)

Оскільки втрата стійкості, як правило, відбувається в площині найменшої жорсткості, то у вираз гнучкості (19.18) переважно входить мінімальний радіус інерції і поперечного перерізу. Коефіцієнт приведення довжини 7m, який враховує спосіб закріплення кінців стержня, у розрахунках приймається рівним 1. За РТМ 26-02-6-68 граничні гнучкості елементів баштових та щоглових вишок приймаються рівними:

Для елементів ніг . . . . . . . . . . . . . . . 90

Для елементів гратів . . . . . . . . . . . . . 120

Для інших елементів . . . . . . . . . . . . . . 150

Вираз (19.1), яким описується перший граничний стан бурової вишки, із врахуванням розглянутих посилань може мати вид:

по міцності

(19.19)

по стійкості стиснутих елементів

(19.20)

З отриманих виразів визначається необхідний нормативний опір матеріалу, оскільки площа поперечного перерізу деталей переважно задається попередньо для розрахунку діючих навантажень від власної ваги вишки. Виходячи з формули (19.19), маємо

Вираз (19.19) можна привести до виду, прийнятого у розрахунках за допустимими напруженнями. В простішому випадку - при центральному розтягу стержня зусиллям N - ця формула має вид:

Після ділення одержаного виразу на F, прийняв R, маємо

де -діючі напруження;

- границя текучості матеріалу;

S = n/k*m - запас міцності.

В розрахунках за граничним станом коефіцієнти запасу міцності встановлюються диференційовано залежно від виду навантаження, матеріалів, що використовуються, і умов роботи конструкції. Це дозволяє зменшити загальний коефіцієнт запасу, а в результаті - масу і вартість конструкції в тих випадках, коли нормативні навантаження і нормативні опори матеріалів визначаються з достатньою точністю і коли умови роботи конструкції добре вивчені.

Диференційовані коефіцієнти запасу дозволяють забезпечити міцність конструкції в тих випадках, коли можливі значні перевищення нормативних навантажень, відхилення фактичних опорів матеріалів від нормативних і коли умови роботи конструкції недостатньо вивчені. Метод розрахунку за граничними станами вимагає глибшого вивчення умов експлуатації бурових вишок, діючих на них навантажень і механічних властивостей використовуваних матеріалів.

Відхилення наголовника вишки допускається в межах, які забезпечують проходження бурильної колони через отвір ствола ротора без контакту з його стінками:

де відхилення наголовника вишки від осі свердловини і ротора під дією постійних, експлуатаційних і вітрових навантажень;

- відхилення наголовника вишки внаслідок неточностей її виготовлення та монтажу.

Для перевірочних розрахунків приймають

де D-діаметр прохідного отвору в столі ротора;Dз- діаметр бурильного замка; Н- висота вишки;

Поиск по сайту: