Разработка и усовершенствование конструкции силового вертлюга для подъемной установки грузоподъемностью 125 тонн

0

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

                    кафедра «Механика и конструирование машин»

 

 Курсовая работа 

 

Разработка и усовершенствование конструкции силового вертлюга

для подъемной установки грузоподъемностью 125 тонн.

 

 

 

 

 

                Проверил:                                              Разработал:

                доцент, зам. зав. кафедры                         магистрант гр. ММЭ 18-01

                _________ Д.И. Чистов                        _________  И.И. Исмагилов

                                                                                       

               

 

УФА-2019

СОДЕРЖАНИЕ

  1. Введение …………………………………….....…………...…………….…….3
  2. Основные функции ..……………………………………………………….….3
  3. Основные преимущества ……………………………………………………..4
  4. Область применения...………………………………………………….……...4
  5. Устройство силовых вертлюгов …………………………………………......5
  6. Анализ существующих силовых вертлюгов…………….…………………7
  7. Разработка предложений по усовершенствованию силовых вертлюгов…………………………………………………………………………..11
  8. Кинематическая схема……………………………………………………...13

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………..14

  1. Введение.

Более половины мирового прироста добычи углеводородов сегодня обеспечивается горизонтальными и наклонно-направленными скважинами. Бурение таких скважин, их капитальный ремонт (КРС) и зарезка боковых стволов (ЗБС) требует применения систем верхнего привода (СВП).

В последнее время при КРС в подъемных установках широко используются силовые вертлюги. Применение силовых вертлюгов (СВ) позволяет сократить время на спуско-подъемные операции (СПО) и, следовательно,  увеличить производительность. Поскольку основной составляющей процесса ремонта скважин являются СПО, и на эти операции затрачивается значительная доля времени всего цикла ремонта.

Силовые вертлюги предназначены для комплектации подъемных агрегатов при капитальном ремонте нефтяных и газовых скважин. Они выполняют функцию вращателя  и, кроме того, обладает рядом дополнительных возможностей.

В данной работе рассмотрена возможность усовершенствование конструкции редукторов силовых вертлюгов применяемых при КРС.

При этом были решены следующие задачи: изучен основные механизмы и принцип действия силовых вертлюгов, проведен анализ рынка и технических характеристик силовых вертлюгов, разработан предложение по усовершенствованию силовых вертлюгов, разработан кинематическая схема редуктора силового вертлюга.

  1. Основные функции:
  • Вращение бурильной колонны с плавной регулировкой скорости (включая реверс) и крутящего момента.
  • Торможение бурильной колонны с плавным снятием реактивного момента и ее удержание в заданном положении.
  • Обеспечение проведения спускоподъемных операций в том числе:

 – наращивание/разборка бурильной колонны свечами и одиночными трубами;

– свинчивание/развинчивание бурильных труб, докрепление/раскрепление резьбовых соединений переводников и шаровых кранов;

– подача бурильных труб к стволу/удаление от ствола вертлюга.

  • Герметизацию внутритрубного пространства ручным шаровым краном.
  • Промывка скважины и одновременное проворачивание бурильной колонны.
  • Задание и обеспечение величин крутящего момента и частоты вращения, их

измерение и вывод показаний на дисплей шкафа управления и пульт управления.

 

  1. Основные преимущества:
  • Сокращение затрат времени на проводку скважины за счет исключения промежуточных наращиваний отдельными бурильными трубами и переходом на наращивание и бурение свечами длиной до 27 метров и более.
  • уменьшение вероятности прихватов бурового инструмента;
  • расширение/проработка ствола скважины при спуске и подъеме инструмента;
  • повышение точности проводки скважин при направленном бурении;
  • повышение безопасности буровой бригады;
  • снижение вероятности выброса флюида из скважины через бурильную колонну;

Силовой вертлюг отличается от бурового вертлюга наличием собственного привода для вращения колонны бурильных труб (БТ). Вертлюг комплектуется с наземным гидроагрегатом, обеспечивающим вращение вала вертлюга с установленным моментом и плавным изменением частоты и направления вращения.

Оснащаются на отечественных и зарубежных подъемных агрегатах типа А60/80(УПА60/80), АП80, МБУ-125, МБР-160 и других.

  1. Область применения:

- Исправление дефектов эксплуатационной колонны;

- Ловильные операции;

- Зарезка бокового окна;

- Фрезерование;

 

 

 

 

 

  1. Устройство силовых вертлюгов.

Общий вид силового вертлюга изображен на рис. 1


Рисунок 1. Общий вид силового вертлюга ВБС-80Р1:

1–корпус; 2–подвод; 3–штропа; 4–палец; 5–ствол; 6-переводник; 7,8,9–подшипники; 10,11–верхний и нижний уплотнитель; 12,13– гайки; 14–гидромотор; 15-хомут; 16– штанга реактивная; 17– редуктор;

Вертлюг состоит (рис.1) из корпуса 1 с подводом 2, штропа 3, установленного в проушинах корпуса 1 с возможностью качанияна пальцах4, ствола 5 с переводником 6, установленного на подшипниках 7,8 и 9 с возможностью вращения в корпусе 1, и уплотнений верхнего и нижнего 11. Верхнее уплотнение 10 быстросъемное  подсоединяется к подводу 2 и стволу 5 гайками 12 и 13. Гидромоторы 14 закреплены на редукторах 17 через которые передается вращение на ствол 5 через зубчатое зацепление.

 Питание гидромоторов 14 осуществляется от наземного гидроагрегата, установленных на полуприцепе либо на санях. ( рис.2).

 

Рисунок 2. Наземный гидроагрегат.

1–рама; 2– дизельно- насосная станция; 3-силовой вертлюг; 4-пульт управления; 4- барабан для размещения рукавов гидравлических магистралей.

Наземный гидроагрегат представляет (НГА) собой насосный агрегат с дизельным приводом, смонтированный на раме со шторной ветровой защитой. НГА для обеспечения функционирования силового вертлюга.

В состав НГА входит:

  • Дизельный насосный агрегат, обеспечивающий регулируемую реверсивную подачу рабочей жидкости.
  • Электронасосный агрегат для обеспечения циркуляции прогретого масла перед пуском при низких температурах и охлаждения масла при высоких температурах.
  • Бак, разделенный на две части, для рабочей жидкости и дизельного топлива с

системами фильтрации, обогрева, контроля температуры и уровня.

  • Гидроаппаратура управляющая, предохранительная, регулирующая и контрольно-измерительная.
  • Шкаф электропитания для подвода электроэнергии от внешнего источника и

обеспечения энергопотребителей.

  • Шкаф управления.
  • Пульт управления бурильщика (длина кабеля пульта бурильщика 20 м).
  • Барабан для размещения рукавов гидравлических магистралей.

 

Насос станции, прокачивающий жидкость к гидромоторам, приводится асинхронным электродвигателем. Управление вращением вертлюга производится частотным преобразователем и регулируемым гидронасосом. Переводник 6 для предотвращения отвинчивания при реверсивном движении прижимается к стволу 5 хомутом 15. Штанга реактивная 16 соединяется с канатной оттяжкой  и препятствует вращению вертлюга от реактивного момента.

Канатная оттяжка представляет собой один или два троса 1, предназначенных для восприятия реактивного момента от вертлюга 2 посредством двух симметрично расположенных на вертлюге 2 рычагов 3, на концах которых установлены скобы, через которые пропущены тросы 1 (для оттяжки).

Рисунок 3. Канатная направляющая:

1– трос; 2– силовой вертлюг; 3– реактивная штанга; 4– мачта МБУ.

 

  1. Анализ существующих силовых вертлюгов

В нашей стране силовые вертлюги поставляются как российского, так и иностранного производства. Они отличаются методом компоновки  и исполнением приводов.

Рассмотрим силовые вертлюги различных конструктивных исполнений и основные технические характеристики выпускаемых моделей.

 

  1. Вертлюг гидравлический силовой ВГС-80/ВГС-100 ЗАО «ПромТехИнвест»

 

 

Технические характеристики

ВГС-80

ВГС-100

Исполнительный привод

Гидравлический безредукторный

Грузоподъемность, т

80

100

Максимальный крутящий момент, кН*м (кгс*м):

-0-10 об/мин

-10-80 об/мин

-80-100 об/мин

 

10,8 (1100)

8,8(900)

6,9(700)

 

9,8 (1000)

8,8(900)

6,9(700)

Диапазон регулирования частоты вращения ствола вертлюга, об/мин

0 – 100,

реверсивный

 

К недостаткам безредукторного привода можно отнести невысокую долговечность и низкую надежность привода, обусловленную применением высокомоментных гидромоторов в силовом вертлюге. Вертикальные нагрузки (удары и вибрации) в процессе бурения, действующие на детали поршневой группы гидромоторов в плоскости, перпендикулярной осям цилиндров, приводят их к быстрому износу и поломкам. Дополнительным фактором, снижающим надежность привода, является применение рабочих жидкостей в гидроприводе высокомоментных моторов, эксплуатационные свойства которых ухудшаются вследствие загрязнения в процессе работы и износа уплотнений.

 

  1. Вертлюг буровой силовой ВБС-80Р1/ ВБС-100Р1 ОАО НПП «РНГИ»

 

 

Наименование параметров

ВБС-100Р1

ВБС-100Р2

Исполнительный привод

гидравлический

редукторный

электродвигатель

Грузоподъёмность, кН (тс)

100(100)

Максимальная динамическая нагрузка на ствол, кН (тс)

780(78)

780(78)

Максимальный крутящий момент при 50 об/мин, Н·м (кратковременно)

11000

9200

Номинальный крутящий момент при 100 об/мин, Н·м

6900

4200

Диапазон регулирования частоты вращения ствола, об/мин

0-150

0-130

К недостаткам силового вертлюга с гидравлическим редукторным приводом можно отнести:

- большие габаритные размеры редуктора в поперечной плоскости из-за применения двухдвигательного редукторного привода для вращения выходного вала вертлюга ;

- большая стоимость двухдвигательного привода , усложнение конструкции редуктора (двух входных валов с опорами качения, дополнительных корпусных деталей);

К недостаткам силового вертлюга с электродвигателем относится:

- cущественное недоиспользование мощности привода (50-72%) в диапазоне частот 60-100 об/мин; низкий коэффициент использования мощности;

- отсутствие саморегулирования скорости вращения выходного вала в зависимости от нагрузки на рабочем инструменте, и, как следствие, снижение производительности привода;

- отсутствие самоторможения привода и возможность генерации тока при возникновении эффекта «пружины» в случае прихвата бурильной колонны и ее обратном вращении, разрушающего электронную систему управления СВП;

-большие тепловые потери в электродвигателе, в особенности при максимальных моментах, требующие наличия собственной системы охлаждения, что усложняет и удорожает конструкцию СВП;

-необходимость применения многоступенчатых механических редукторов в приводе электродвигателей для снижения частоты вращения выходного вала, что приводит к снижению надежности, усложнению и повышению стоимости конструкции СВП

 

  1. Вертлюг силовой СВД-120 (ОАО «СибТрейдСервис»)

 

Наименование показателей

Значения

Исполнительный привод

Гидравлический редукторный

Грузоподъемность, кН (тс)

1200 (120)

Максимальный крутящий момент, кН·м (кгс*м)

10 (1019,7)

Диапазон регулирования частоты вращения ствола, об/мин

0-150

 

  1. Logan S-85 «Logan Oil Tools» США

Наименование показателей

Значения

Исполнительный привод

Гидравлический редукторный

Номинальная грузоподъемность , т

85

Динамическая грузоподъемность при 100 об/мин, т

45

Максимальный крутящий момент Н·м (кгс·м)

5350 (550)

Диапазон регулирования частоты вращения ствола, об/мин

0-155

 

К недостаткам описанных выше моделей силовых вертлюгов с редукторным исполнением можно отнести то, что в их конструкциях приводов вращения вала вертлюга используются эвольвентные цилиндрические зубчатые зацепления. Высокие нагрузки на колеса приводят к их быстрому износу, снижению долговечности, надежности, увеличению уровня вибраций и шума, а также к большим габаритам редукторов.

 

  1. Разработка предложений по усовершенствованию силовых вертлюгов

Задачи, на решение которых направлено НИР, заключаются в разработке нового привода вращения силового вертлюга, обладающей улучшенными эксплуатационными показателями.

Технический результат заключается:

– в повышении долговечности и надежности силового вертлюга,

– снижении габаритных размеров редукторов.

Поставленные задачи решены следующим образом,  в редукторе с гидравлическим приводом применяется цилиндрическое зубчатое зацепление Новикова.

Применение зацеплении Новикова, позволит:

- обеспечить прием нагрузки, примерно в 2,5 раза превышающей допускаемую для эвольвентной передачи. Благодаря этому, при равной передаваемой мощности передача Новикова имеет практически в 2 раза меньшие габариты.

- применять более высокие передаточные числа, а отлично удерживающаяся между контактирующими элементами смазочная пленка увеличивает срок службы зубьев и повышает КПД передачи (потери на трение в новиковском зацеплении примерно в 2 раза ниже, чем в передачах с эвольвентный профилем зубьев).

Кроме этого передача Новикова обладает и другими преимуществами:

- Благодаря точечному контакту зубьев передача Новикова не столь чувствительна к погрешностям при монтаже и перекосам.

-Шестерни с зацеплением Новикова гораздо лучше прирабатываются, и редуктор при первоначальном пуске быстрее выходит на заданные параметры.

 

Исходные данные для разработки силового вертлюга на МБУ г/п 125 т.

Параметр

Значения

Грузоподъёмность, т

120

Исполнительный привод

Гидравлический редукторный

Диапазон регулирования частоты вращения ствола, об/мин

0-150

Номинальный крутящий момент Н·м (кгс·м)

7000 (720)

Рабочее давление, Мпа (атм)

35 (350)

Диаметр проходного ствола, мм

56

Присоединительная резьба по ГОСТ Р 50864

З-102

 

Выбираем Гидромотор аксиально-поршневой серии 310 типоразмера 112

Параметр

Значения

Частота вращения вала n, об/мин

  - минимальная

  - номинальная

  - максимальная

 

50

1200

3000

Давление на входе Р, МПа

20

Мощность, кВт

44,8

Крутящий момент Т, Н·м

338,7

 

Для обеспечения на проектирумом силовом вертлюге требуемых исходных данных, необходим передаточный механизм с передаточным числом u=20.

В качестве передаточного механизма привода используем двухступенчатый цилиндрический редуктор с зацеплением Новикова.

 

  1. Кинематическая схема привода

 

 

I – быстроходный вал; II – промежуточный вал; III – тихоходный вал.

1– шестерня Новикова; 2– колесо Новикова; 3– шестерня Новикова; 4– колесо Новикова.

 

Расчет КПД привода:

η=ηНОВ2•ηПК4•ηмасла

где, ηНОВ - КПД зацепления Новикова ηНОВ = 0,98;

 ηПК - коэффициент, учитывающий потери пары подшипников качения ηПК = 0,99;

ηмасла - КПД масла ηмасла=0,99;

 Суммарный коэффициент полезного действия для проектируемого редуктора

η=0,982•0,994•0,99=0,91.


 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

  1. Буровой портал [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http//www.drillings.ru, свободный. – Загл. С экрана.
  2. Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование / Коллектив авторов; под общей редакцией А.М. Гусмана и К.П. Порожского: Научное издание. Екатеринбург: УГГГА, 2002. 592с. с ил.
  3. Гасумов Р.А., Гноевых А.Н., Лобкин А.Н., Максименко И.Ю. Справочник монтажника буровых установок. – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2008. -528 с.
  4. Дмитриев А.Ю. Основы технологии бурения скважин [Текст]. Учебное пособие. – Томск : Изд-во ТПУ, 2008. – 216 с.
  5. Ефимченко С.И., Прыгаев А.К. Расчет и конструирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов. Часть I. Расчет и конструирование оборудования для бурения нефтяных и газовых скважин. Учебник для вузов. – М.: ФГУП «Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2006. – 736 с
  6. Журнал «Время колтюбинга». №56 Июнь 2016, стр.56.
  7. Калинин А.Г., Левицкий А.З., Никитин Б.А. Технология бурения разведочных скважин на нефть и газ. М., Недра, 1998.
  8. ПРОМТЕХИНВЕСТ [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://promtehinvest.ru, свободный. – Загл. С экрана.
  9. Рябчиков, С.Я. Проектирование буровых машин и механизмов
  10. Эпштейн В. Система верхнего привода для бурения глубоких

нефтегазовых скважин. Нефтегазовая вертикаль 01.04. 06.

  1. Tesco products, Top Drives and CDS [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://tescocorp.com, свободный. – Загл. С экрана.
  2. Top drive solutions National Oilwell Varco [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://nov.com, свободный. – Загл. С экрана.
  3. Top drive [электронный ресурс]. –режим доступа: http://www.canrigdrillingtechnology.com.- Загл. С экрана.

 Скачать: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ  

Категория: Курсовые / Курсовые машиностроение

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.