Расчет насосно-компрессорных труб на страгивающую нагрузку

НКТ. Назначение, типы, номенклатура, материалы. Нагрузки на НКТ. Расчёт на прочность.

НКТ предназначаются для эксплуатации нефтяных и газовых скважин. После спуска эксплуатационной колонны и выполнения других работ по подготовке к эксплуатации спускают колонну НКТ. Колонну НКТ подвешивают в арматуре устьяскважины.

ГОСТ предусматривает изготовление НКТ исполнения А и Б четырех конструкций: - гладкие и муфты к ним; - с высаженными наружу концами и муфты к ним (тип В); - гладкие высокогерметичные и муфты к ним (тип НКМ); - безмуфтовые высокогерметичные (тип НКБ).

Насосно-компрессорные трубы всех типов исполнения А должны изготовляться длиной 10 м и с предельным отклонением ± 5% (± 500 мм).

Трубы и муфты гладкие и типа В имеют коническую треугольную резьбу с углом профиля при вершине 60⁰ и конусностью 1:16. (рис.5.1).

Вершины профиля имеют закругления радиусом, нескольким большим радиуса впадины, что обеспечивает соприкосновение боковых поверхностей витков резьбы (рис.5.2).

Насосно-компрессорные трубы муфтовые (типа НКМ) – гладкие с муфтой, имеют трапецеидальную резьбу с несимметричным профилем, близким к профилю упорных резьб (рис.5.3). В резьбовом соединении практически отсутствует радиальная нагрузка из-за малого опорного угла профиля, что повышает прочность соединения на 25-35% по сравнению с прочностью гладких труб и составляет 85-90% от прочности тела трубы.

Трубы НКМ обеспечивают герметичность при давлении газов до 50 МПа, что достигается за счет использования металлического уплотнительного пояска у конца ниппеля с внутренней конической поверхностью муфты

Материалы труб и муфт к ним

Насосно-компрессорные трубы и муфты к ним изготовляются из сталей групп прочности Д, К, Е, Л, М, Р. По возможности применяются более дешевые сорта труб – группа прочности Д и К. Сортамент насосно-компрессорных труб приведен в табл. 5.1.

Трубы и муфты к ним изготовляются из материала одной группы прочности. Группу прочности Д изготавливают из углеродистой стали, остальные группы прочности - из легированных и углеродистых сталей с последующей термообработкой.

Расчет насосно-компрессорных труб на страгивающую нагрузку

Страгивающая нагрузка – это такая нагрузка, которая вызывает разрушение (страгивание) металла в теле трубы в области резьбового соединения. Она возникает только в области резьбового соединения, причем у насосно-компрессорных труб с треугольным профилем резьбы. От осевой силы Q, действующей на колонну труб, возникают реакции в муфте R и R_н (рис. 5.2). Радиальная составляющая R_н – это внешняя сила, которая сжимает ниппель снаружи.

.

Удельное давление от внешних сил

.

Тогда меридианное напряжение в теле трубы в области резьбы

,

Рисунок 5.2 - Схемы к расчету страгивающей нагрузки

От действия осевой силы Q в поперечных сечениях трубы возникают еще поперечные напряжения σ₁, которые при переходе от тела трубы к нарезанной части уменьшаются за счет распределения части осевой нагрузки на муфты. Максимальное поперечное напряжение возникает в конце резьбы, и определяется как отношение полной осевой нагрузки Q к площади сечения трубы по впадине профиля с полной нагрузкой перед сбегом, т.е. по основной плоскости

.

Здесь D_с - средний диаметр сечения по впадине первого полного витка резьбы (в основной плоскости); b–толщина стенки трубы по впадине того же витка резьбы; b=(d₁-d_в)/2.

Согласно третьей теории прочности тело, испытывающее два взаимно перпендикулярных напряжения, будет иметь напряжение, действующее под углом 45⁰ к напряжениям σ₁ и σ₃ и равное полуразности этих напряжений. Разрушение тела трубы наступает тогда, когда напряжение дойдет до значения, равного половине предела текучести σ_Т

.

Подставив значения σ₁ и σ₃ из равенств (5.22) и (5.23) в формулу (5.24), и решив полученные уравнения относительно Q = Q_стр, получим:

.

Вычисленная по этой формуле страгивающая нагрузка должна быть больше фактического осевого усилия не менее в 1,25 раза. Если это условие не соблюдается, то для насосно-компрессорных труб выбирается более прочный материал. Если выбор группы прочности не возможен, то ограничивается длина спуска колонны, вес которой обеспечивает запас прочности по страгивающей нагрузке.

Подставив вместо σ_т значение σ _доп и добавив коэффициент разгрузки η, а также учитывая действие трения через угол трения β, получим:

,

где η=b/(b+s). Здесь s-толщина стенки муфты в расчетной плоскости.

 

 

Рисунок Схема типов стальных НКТ: а-неравно прочное, б-равнопрочное муфтовое с высадкой наружу, г-равнопрочное с высадкой наружу,г-равнопрочное с высадкой внутрь, д-равнопрочное с приварными резьбовыми концами.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: