Министерство образования и науки Российской Федерации 1 страница

1 2 3 4 5 6 7

Сибирский федеральный университет

РАСЧЕТ И АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ ПРОМЫСЛОВ

Учебно-методическое пособие по решению задач

Красноярск

СФУ

2017

УДК 622:51(07)

ББК 22.1я73

Сост. Д. О. Макушкин, П.М. Кондрашов, И.В. Зеньков, Т. С. Спирин, С.Н. Пущаев, П.Л. Павлова

Расчет и автоматизированное проектирование машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов: учебно-методическое пособие по решению задач/ cост. Д. О. Макушкин, П.М. Кондрашов, И.В. Зеньков,Т.С. Спирин, С.Н. Пущаев, П.Л. Павлова

– Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2017. – 152 с.

Данные методические указания предназначены для подготовки бакалавров и инженеров специальности «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» и состоят из двух самостоятельных частей, объединяемых общими методическими предпосылками. Решение задач осуществляется при помощи программ MathCAD, Сompas, SolidWorks+CosmosWorks, Inventor PRO и т.д.

Часть первая «Расчет и автоматизированное проектирование оборудования для бурения скважин на нефть и газ» включает задачи по расчетам оборудования преимущественно спускоподъемного, насосно – циркуляционного и вращательного комплексов буровых установок, а часть вторая «Расчет и автоматизированное проектирование оборудования для добычи и подготовки нефти и газа» посвящена задачам по расчетам промысловых объемных и динамических насосов, штанговых и бесштанговых насосных скважинных установок, сосудов, пакеров и т.д.

УДК 622:51(07)

ББК 22.1я73

федеральный

университет, 2017

ВВЕДЕНИЕ

В практике машиностроения, строительства и других отраслей промышленности России и других ведущих стран выполняются большие объемы сложнейших проектных работ в короткие сроки благодаря формированию и использованию отраслевых систем автоматизированного проектирования – САПР. Используя САПР, достигают:

- значительного повышения качества изделий путем оптимизации их конструктивных параметров;

- многократного уменьшения трудоемкости и сокращения сроков проектирования.

Получению этих результатов способствуют:

- разработка и реализация на ЭВМ эффективных математических моделей;

- использование методов многовариантного проектирования и оптимизации вариантов;

- автоматизация рутинных работ при подготовке и выполнении текстовой и графической документации проектов;

- замена натурных испытаний экспериментальных образцов моделированием на ЭВМ.

Структура САПР состоит из подсистем (блоков):

- объектно-ориентированных, используемых для непосредственного проектирования конкретных объектов, узлов и деталей;

- инвариантных (объектно-независимых) – исполняющих унифицированные процедуры и операции.

САПР базируется на стандартизации и унификации деталей, сборочных единиц, функциональных элементов, методов расчета и технологических процессов. Подсистемы САПР могут применяться либо в комплексе для разработки крупных объектов, либо фрагментарно для решения локальных задач: выполнения расчетов, проектирования отдельных сборочных единиц и деталей, а также для выполнения отдельных этапов исследований и испытаний с моделированием объектов и их процессов функционирования.

В САПР наиболее активным ее звеном является человек – конструктор, подготовленный к работе с базой данных, библиотекой стандартов, пакетами прикладных программ и т.д. Конструирование изделий с помощью САПР предусматривает оптимизацию их конструкций с выбором оптимальных параметров по ряду критериев, наиболее важными из которых являются наименьшие значения массы, габаритов и стоимости, наибольшие коэффициенты полезного действия и показатели надежности.

В отрасли нефтегазового машиностроения созданы и эффективно функционируют САПР бурового оборудования (КБ ОАО «Уралмаш» и «ВЗБТ», САПР буровых долот и инструмента ОАО «Волгабурмаш», ОАО «НПП Буринтех», НПП «УДОЛ» АО «БУРСЕРВИС» и др.). Функционирует также САПР «Технология», используемая проектно-технологическими институтами отрасли и технологическими службами заводов. При проектировании в перечисленных организациях широко используются современные методы и программные средства (трехмерное проектирование с помощью специальных программных средств, расчеты методом конечных элементов и т.д.) [6].

Алгоритм выполнения процессов расчета и конструирования бурового и нефтепромыслового оборудования с выбором оптимальных вариантов конструкций в общем виде может быть представлен блок-схемой на рисунке 1 [3]. После выбора оптимального конструктивного решения по приведенной блок-схеме, САПР может разрабатывать и выдавать в готовом виде всю проектную документацию на оборудование. При этом проводится модульная разработка составных частей оборудования, его сборочных единиц и деталей с использованием в отдельности специальных пакетов программ расчетов и вычерчивания в автоматическом режиме.

Например, с помощью таких программ могут разрабатываться элементы бурового оборудования:

а) зубчатые передачи - оптимизируются типы, параметры зацепления, передаточные числа, конструктивные соотношения;

б) стержневые конструкции - подбираются оптимальные профили, размеры сечения по длине, расположение опор;

в) резьбовые детали – оптимизируются профили резьбы, формы стержня и гайки;

г) подшипники качения – находят оптимальные варианты типов, профилей дорожек, конструктивных соотношений, натягов и зазоров.

Для перечисленных случаев основными критериями оптимизации являются масса, выносливость и технологичность, для передач еще учитываются КПД, теплостойкость и бесшумность.

Процесс автоматического проектирования элементов подъемного вала буровой лебедки (цепных колес, муфт, барабана, подшипников и т.д.) осуществляется автономно с наложением ограничений, определяемых схемой сборки вала и сопряженными деталями [3]. При этом применяется модульное программирование. Например, для расчета и проектирования коробки перемены передач буровых установок может быть использована модульная программа из пакета прикладных программ для деталей машин ПДМ.

Успешному освоению процессов работы в системе САПР, в частности, при автоматизированном проектировании и расчете отдельных модулей оборудования может способствовать получение студентами навыков выполнения расчетов в среде программ MathCAD, а также трехмерного проектирования с расчетами по методу конечных элементов с использованием интегрированных программ типа SolidWorks +CosmosXpress или +CosmosWorks и других программ.

В данном сборнике для расчетов используются программы пакета MathCAD и интегрированных программ SolidWorks+Simulation, Inventor PRO. По отдельным задачам даны задания по вычерчиванию деталей, которые студенты должны выполнить с помощью программ по трехмерному проектированию, в том числе интегрированных.

Рисунок 1 – Блок-схема синтеза оптимальных решений по конструкции бурового оборудования

Часть первая. Задачи и методические указания по расчету и
автоматизированному проектированию машин и оборудования для
бурения скважин на нефть и газ.

1.1. Разработка кинематических схем и анализ режимов нагружения механизмов.

Решение задач по данному разделу предполагает реализацию блок- схемы синтеза оптимальных решений по проектированию кинематических схем и параметров режимов работы основных механизмов бурового оборудования (см. рисунок 1).

Задача № 1.1.1 Разработка кинематических схем

Разработать и изобразить структурную и конструктивную кинематические схемы силового привода буровой лебедки для буровой установки, если заданы тип привода и класс установки по ГОСТ 16293-89 «Параметры буровых установок для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения». Выбрать силовой привод и определить общие передаточные отношения в зависимости от скорости подъема и их распределение по валам трансмиссии. Варианты задачи приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные к задаче 1.1.1

Класс буровой установки по ГОСТ 16293-89

Варианты силового привода

ДМ

ДГ

ЭП

ДГ

ЭП

ДГ

ЭП

ДГ

ЭП

Обозначения привода: ДМ – дизель-механический, ДГ – дизель-гидравлический; Э – электрический переменного тока; ЭП – электрический постоянного тока.

Примечание: студентам предлагается в этой задаче 14 вариантов, составленных по видам силовых приводов и классам буровых установок. Допускается решать по одному варианту на двоих студентов. Выбор варианта согласовывается с преподавателем.

Указания:

пользуясь литературой [3 и 4].

1. Наметить структурную кинематическую схему силового привода и определить количество валов трансмиссии, исходя из следующих соображений:

1.1. Для буровых установок с ДМ и ДГ – силовыми передачами исходить из применения в схемах группового привода, а в установках с Э и ЭП – силовыми передачами применить индивидуальные приводы.

1.2. Для силового привода буровых установок 2 и 3 классов проектировать коробки переменых передач (КПП) с зубчатыми передачами;

1.3. Для 4-7 классов с ДГ – приводом использовать трансмиссии с цепными передачами, с ЭП – приводом применить 2-х скоростные КПП;

1.4. Для оперативного переключения скоростей ДГ и Э - приводов использовать шинно-пневматические муфты, а для передач внутри КПП – кулачковые муфты, перемещаемые по валам коробки на шлицевых соединениях.

2. Составить программу и выполнить расчеты в среде MathCAD (методику приводится в приложении А), для чего:

2.1. Из таблицы ГОСТ 16293-89 (см. Приложение Б, таблица 2П) выбрать исходные расчетные данные в соответствии с классом буровой установки с соответствующим присвоением цифровых значений по программе MathCAD:

а) допускаемую нагрузку на крюке – , кН.

б) наибольшую кратность оснастки талевой системы – ;

в) скорость подъема крюка при расхаживании обсадных колонн и ликвидации аварий – , м/с.

г) скорость установившегося движения при подъеме незагруженного элеватора – , м/с.

д) мощность на приводном валу подъемного агрегата – , кВт.

е) из таблицы 5П выбрать расчетное значение веса подвижных частей талевого механизма, соответствующее наибольшей кратности талевой системы – , кН.

ж) диаметр талевого каната – , мм.

з) из Приложения Б, таблицы 4П выбрать значения КПД для элементов составленной схемы трансмиссии и для соответствующей талевой оснастки;

2.2. Определить мощность выбираемого двигателя по формуле

(1.1.1)

где суммарный КПД равен произведению КПД, учитывающих потери мощности в элементах трансмиссии.

(1.1.2)

Проверить правильность выбора силового привода по формуле

(1.1.3)

По полученному значению по справочнику (учебнику), например из источника [2] выбираем тип двигателя и для дальнейших расчетов используем номинальные значения его мощности , кВт и частоты вращения , .

2.3. Выбрать число скоростей подъема крюка и определить значения промежуточных скоростей подъема, исходя из геометрической прогрессии возрастания скоростей по мере уменьшения нагрузки на крюке. Если число скоростей крюка (соответственно число скоростей вращения барабана лебедки) равно , то знаменатель геометрической прогрессии находят по формуле:

(1.1.4)

Число скоростей подъема считают оптимальным принимать в пределах для передач с ДМ, ДГ и Э – приводами. Для лебедок с ЭП – приводом скорости подъема изменяются в зависимости от нагрузки бесступенчато, поэтому условно число скоростей можно принять изменяющимся в пределах от до по линейному закону.

Промежуточные значения скоростей подъема находят по формулам

для 2- ой скорости ;

для 3-й скорости ;

для 4-й скорости и т. д.

Если используется всего 4 скорости подъема, то .

2.4. Определить передаточные отношения трансмиссии в целом и отдельных передач при различных скоростях подъема. Для определения распределения передаточных отношений по валам трансмиссии нужно знать расчетный диаметр навивки каната на барабан лебедки, принимаемый как:

(1.1.5)

Частоты вращения при разных скоростях конечного звена кинематической цепи – подъемного вала . Их определяют по формуле:

(1.1.6)

Расчет промежуточных скоростей, частот вращения и передаточных отношений удобнее вести в MathCAD с помощью матриц:

(1.1.7)

Тогда, согласно предыдущей формулы:

(1.1.8)

При определятся передаточные отношения подъемного вала на разных скоростях КПП как:

(1.1.9)

3. Сконструировать кинематическую схему привода лебедки, уделяя особое внимание конструкции КПП. В КПП должно быть обеспечено наличие необходимого количества передач и вращение подъемного вала лебедки строго в одну сторону на каждой передаче согласно расчетам.

3.1. Подобрать числа зубьев на кинематической схеме КПП в соответствии с рассчитанными передаточными числами в п. 2.4. Минимальное число зубьев на зубчатом колесе 20, максимальное число зубьев 70. Для цепных передач выбирать минимальное число зубьев ведущей звездочки, шаг и число рядов цепи выбирать из источника [2, c. 388-389].

3.2. Начертить кинематическую схему привода лебедки с указанием мощности выбранного двигателя и частот вращения, моментов на каждом валу на первой передаче. При расчете моментов учитывать КПД зубчатых передач подъемного вала лебедки, валов на подшипниках качения по таблице 4П (Приложение Б), для ШПМ принять равным 0,98÷0,99.

Пример решения задачи представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Пример решения задачи № 1.1.1

Задача № 1.1.2 Расчет режима нагружения при спуско-подъемных операциях

Провести исследование режима нагружения спускоподъемного комплекса, если заданы глубина скважины – , м, опытный коэффициент влияния объема операций – , опытный коэффициент влияния числа рейсов – , длина свечи – , м; кратность талевой оснастки – . Варианты задачи приведены в таблице 2. Исследование провести в среде MathCAD.

Таблица 2 – Исходные данные к задаче 1.1.2

Параметры	Варианты
Параметры	1	2	3	4	5	6	7	8
, м	3500	3000	3800	3200	2800	4700	2500	2700
	423	700	926	350	300	1250	286	200
	0,43	0,3	0,33	0,5	0,6	0,27	0,72	0,77
	27	25	36	27	25	36	25	25
	10	8	10	10	8	12	8	8
Примечание: студентам предлагается в этой задаче 8 вариантов, составленных по глубинам скважин. Допускается решать по одному варианту на двоих – троих студентов. Выбор варианта согласовывается с преподавателем.

Алгоритм расчета.

Определяется число рейсов , пользуясь уравнением кривой проходки:

(1.2.1)

полученное число округлить до целого.

2. Построить график кривой проходки, определив вектор нарастания числа рейсов с начала бурения скважины и вектор соответствующего изменения объема поднимаемых бурильных труб с увеличением числа рейсов:

(1.2.2)

3. Приняв нагрузку от массы 1м бурильной колонны, равной , построить кривую изменения нагрузки по мере углубления скважины

	(1.2.3)

4. Определить суммарное число циклов повторения регулярных нагрузок при спусках и подъемах бурильной колонны при заданной длине свечи:

(1.2.4)

Задача № 1.1.3 Расчет режима работы деталей ротора

Выполнить оценку режима работы деталей ротора для бурения роторным способом при заданных параметрах типовой скважины.

Заданы: – конечная глубина скважины, , , , – протяженность скважины по интервалам; , , , – диаметры скважины по интервалам глубин; – мощность на приводном валу ротора; – максимальный момент, передаваемый ротором; – передаточное отношение конической пары; – общее время чистого бурения скважины ; , , , – распределение затрат времени бурения по интервалам глубины скважины. Варианты задачи приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Исходные данные к задаче 1.1.3

Расчетные параметры	Варианты
Расчетные параметры	1	2	3	4	5	6
, м	1580	2700	3800	4500	5200	6350
, м	400	500	300	400	600	900
, м	880	1200	700	850	1000	950
, м	300	1000	1000	1400	1400	3000
, м	-	-	1800	1850	2200	1500
, м	0,445	0,445	0,59	0,59	0,59	0,64
, м	0,295	0,295	0,49	0,445	0,49	0,49
, м	0,215	0,215	0,295	0,310	0,295	0,310
, м	-	-	0,215	0,215	0,215	0,215
, кВт	180	150	370	370	370	500
, кН-м	30	30	50	80	80	100
, ч	250	540	1050	1650	2390	3050
	3,05	3,05	3,61	3,61	3,895	3,81
Примечание: студентам предлагается в этой задаче 6 вариантов, составленных по глубинам скважин. Допускается решать по одному варианту коллективно группой из 4-5 студентов. Выбор варианта согласовывается с преподавателем. По вариантам 1 и 2 распределение времени бурения скважины принять самостоятельно.