ВЫШКИ И МАЧТЫ

Вышки являются грузоподъёмным сооружением скважины и предназначены для подъёма глубинного оборудования и устройств из скважины. Подразделяются на стационарные и передвижные.

Рисунок 86-Схема вышки

Изготовляются из сортового проката и труб. Наиболее часто применяют вышки высотой 24 и 22 м и грузоподъёмностью 750 и 500 кн.

Таблица 28 -Характеристика эксплуатационных вышек

Следует иметь ввиду, что стационарные вышки используются всего лишь 2-3% времени в году (от всего календарного). Поэтому в последние годы для подземного ремонта широко используются передвижные агрегаты, оснащённые своими вышками.

Рисунок 87-Схема мачты

Конструктивные требования к вышкам и мачтам: а) удобство сборки и разборки основных элементов; б) транспортабельность; в) исключение самоотвинчивания деталей; г) антикоррозионное покрытие ответственных узлов; д) унификация деталей; е) наличие ограждений механизмов на высоте; ж) наличие маршевых лестниц; з) крепление от ветровых нагрузок; и) наличие ворот со всех сторон.

10.4. РАСЧЁТ ВЫШКИ

При проведении спуско – подъёмных операций на вышку действуют усилия, отличающиеся по величине, направлению и точкам приложения. Нагрузки можно разделить на две группы: а) вертикальные и б) горизонтальные.

Вертикальные нагрузки образуются от действия следующих сил: а) масса наибольшего груза на крюке Q₁ (масса труб, штанг и жидкости в насосных трубах в случае заклинивания плунжера глубинного насоса); б) нагрузка от возможного прихвата труб – Q₂ ; в) нагрузка от натяжения ходового Р_х и мёртвого Р_м концов каната; г) масса подвижного наземного оборудования Q_п, которая слагается из массы талевого блока , крюка, штропов, элеватора и висящей на кранблоке части талевого каната; д) масса неподвижного наземного оборудования – кронблока Q_н.

Таким образом, общая расчётная вертикальная нагрузка составляет

Q = Q₁ + Q₂ + Р_х + Р₁ + Q_n + Q_н , (69)

Масса наибольшего груза на крюке Q₁ , равна:

Q₁ = q×L , (70)

где q - масса 1 погонного метра труб, штанг и жидкости в кг;

L – длина колонны, м.

Q₂ = к× Q₁, (71)

где к – коэффициент, учитывающий увеличение нагрузки от прихвата (принимается к = 0,25).

Р_х = Р_м = (Q_к + Q_п) / n , (72)

где Q_к = Q₁ + Q₂ – нагрузка на крюке;

n – число струн подвижных роликов блока.

Если мёртвый конец крепится к талевому блоку, то

Р_х = (Q_к + Q_п) / n + 1 , (73)

Рисунок 88-Схема талевой системы

Масса талевого блока, крюка, штропов и т.д. определяется по паспортным данным, массу самой вышки считают условно приложенной к её вершине.

Горизонтальные нагрузки, действующие на вышку складываются из: а) ветровой нагрузки; б) горизонтальной составляющей от массы труб, если трубы устанавливаются за палец; в) горизонтальной составляющей от натяжения ходового конца каната.

Ветровая нагрузка определяется по формуле:

Р_в = q×F×b×K, (74)

где q – удельное давление ветра, н/м², то есть давление силы ветра на единицу вертикальной площади, нормальной к направлению ветра;

F - площадь грани вышки, м²;

b - коэффициент парусности стержней одной грани вышки к её общей площади (b = 0,15 для трубчатых вышек, для вышек из профильного проката – 0,4);

К – коэффициент, учитывающий давление ветра на 1 или 2 грани одновременно (если вышка обшита полностью, то К = 1, если нет, К = 0,8).

F = (В +в)/2×Н

где В и в - соответственно длины нижнего и верхнего оснований, м;

Н – высота вышки, м.

Рисунок 89-Схема оснований вышки

Удельное давление или скоростной напор ветра (q) принимают равным 8,4 МПа (ураганный ветер), когда не производят спуско – подъёма, и равным 2,5 МПа в нормальном состоянии (при ветре 8 – 9 баллов работать нельзя).

Горизонтальная составляющая от массы труб (трубы устанавливаются под углом µ = 80 – 90 ° к горизонту) определяется из условия равенства моментов от массы труб и реакции верхней опоры В относительно точки А, то есть

Q₁×х = Q_r×h

Q_r = Q₁×(х/2)

Если l – длина свечи, то

Х = ½ l×cosµ, h =l×sinµ

Q_r = Q₁(l/2×cosµ)/(l×sinµ) = ½Q₁×ctgµ

Рисунок 90-Схема к расчету горизонтальной составляющей от массы труб

Горизонтальная составляющая от натяжения ходового каната определяется по формуле:

Р_r = P_x×cosµ

где µ - угол между ходовым концом и горизонтом.

Рисунок 91-Схема к расчету каната

Расчёт вышки на вертикальную нагрузку.

Нагрузка через кронблок, в общем случае, направлена к вертикали под углом. Тогда вертикальная составляющая:

Q_в = Q×cosµ

Вертикальные реакции от силы Q_в в каждой ноге вышки равны (рисунок 92):

Р = (Q×cosµ)/4 (75)

Рисунок 93-Схемы к расчету вышки

В диагональных плоскостях пирамиды нагрузки по каждой ноге распределяется так:

Р_н^¢ Р/sing = Q×cosµ/4sing, (131) g

где g - угол между ногой и горизонтальной плоскостью.

В плоскости верхней рамы по диагонали ВС будет действовать сила

Р₂ = Р× ctgg = (Q× cosµ)/4× ctgg

По каждому из стержней ВВ, В С, ВС будет действовать сила

Р_с = Р₂× cos45°

Собственная масса вышки – Q_в, распределяется равномерно на 4 ноги и наибольшую нагрузку будут испытывать ноги в нижней части.

Усилие в каждой ноге от собственной массы составит:

Р_н^² = Q_в/4×sing

Полная нагрузка на ногу вышки в нижней части:

Р_н = Р_н^¢ + Р_н^² = Q× cosµ/4×sing + Q_в/4×sing = Q× cosµ + Q_в / 4×sing

Составляющая силы Р_н по вертикали

Р¢ = Р_н× sing = ¼( Q× cosµ + Q_в)

Горизонтальная Р₂^¢ силы Р_н , действующая по диагонали к плоскости нижней рамы, равна:

Р₂^¢ = Р_н× cosg = ¼( Q× cosµ + Q_в) ctgg

Расчёт ног вышки ведётся в следующей последовательности.

Ноги вышки испытывают следующие деформации: а) сжатие – от собственной массы и вертикальных нагрузок; б) изгиб – от ветровых и горизонтальных нагрузок; в) динамические нагрузки от вибраций, ударов и т.д.

Приближённо ноги рассчитывают на продольный изгиб, предполагая, что они обладают малой гибкостью.

Критическая сила определяется по формуле Эйлера:

Р_кр = p2×Е×J/m×l²,

где Е – модуль упругости материала, МПа (сталь 0,2×10⁶);

m – коэффициент запаса прочности (для стали m = 4 ¸ 5);

l – длина участка ноги между поясами, м;

J - наименьший экваториальный момент инерции, м⁴. для круглого сечения

J = pd⁴/64 » 0.05 d⁴

Расчёт вышки на горизонтальную нагрузку производится известным способом, путём построения диаграммы Кремоны.

Расчёт оттяжек.

Оттяжки ставят для предотвращения опрокидывания вышки при сильных ветрах. Для устойчивости вышки необходимо условие:

Q_в×в/2 > Rh

где Rh – опрокидывающий момент;

В – длина основания по одной грани, м;

Q_в – масса вышки, кг;

R – результирующая сила осевого давления на грань вышки, которую можно принять равной F×q (F – площадь грани (В + в)/2×Н , q – удельное давление ветра, МПа), н;

h – расстояние от точки приложения силы R, которая будет находиться от нижнего основания на расстоянии, равном 1/3 Н (В + 2в)/(В + в) , то есть в центре тяжести грани;

где Н – высота вышки, м;

В – длина нижнего основания, м;

в – длина верхней рамы, м.

Рисунок 93-Схема сил в оттяжках

Обозначим: Т – усилия в двух оттяжных канатах, н;

h = 1,5 ¸ 2 - коэффициент устойчивости;

µ - угол наклона оттяжек к горизонту, градус;

l – расстояние от ребра до оттяжки, м;

l₁ – плечо силы, м;

g - угол наклона оттяжных канатов к горизонту в плоскости оттяжек, градус.

Сумма моментов относительно точки АА₁ равна:

Q_в×В/2 + Тlsinµ= Rhh (так как l₁ = l×sinµ (76)

Откуда

Т = (Rhh - Q_в×В/2) / l×sinµ (77)

Если оттяжек две, то в каждой из них усилие равно:

Т₁ = Т / 2×sinµ (78)

10.5.РАСЧЁТ МАЧТ

Рисунок 94-Схема к расчету мачт

Расчёт мачты сводится к определению натяжения оттяжек и проверке прочности самой мачты на продольный изгиб.

Если Q_к – масса груза на крюке, кг;

Р_х – натяжение ходового конца каната, н;

Т – натяжение оттяжки, н;

ОО₁ – нога мачты;

К₁и К₂ - оттяжки (К₂ при спуско – подъёме не работает, а ставится для предохранения системы от расшатывания и не рассчитывается);

µ и b - углы наклона мачты и оттяжки, град., то усилия, действующие на мачту, можно определить как равнодействующую G , направленную под углом g к горизонту.

Сжимающее усилие в ноге мачты определится вектором Р_н, а усилие в оттяжке – Т.

Для двуногой мачты усилия в ногах:

Р_м^¢ = Р_м / 2sinµ₁ (79)

где Р_м^¢ - усилие, приходящее на каждую ногу, н;

µ₁- угол наклона ног мачты к горизонту в плоскости фермы мачт, град.

Усилия в оттяжках (если их две):

Т₁ = Т / 2×sinb₁ , (80)

где b₁ – угол наклона оттяжек к горизонту в плоскости оттяжек.

Изгибающий момент от ветрового усилия в мачте определится при рассмотрении мачты как балки на двух опорах.

М = q×h/8 (81)

где q – ветровая нагрузка на 1 м² вертикальной проекции мачты, н;

h – вертикальная проекция мачты, м.

Величина натяжения в ногах мачты:

s = Р_м^¢/ F_м×j + М/W £ [s], (82)

где Р_м – усилие в ноге мачты, н;

F_м – площадь поперечного сечения, м²;

j - коэффициент продольного изгиба (вводится в формулу при расчётах гибких стержней для некоторого запаса);

W – момент сопротивления сечения ноги (для кольца W = 0,1 (Д⁴ – d⁴)/Д), м⁴

Величина напряжения в оттяжных канатах.

Канаты рассчитывают на растяжение по величине силы, приходящейся на одну оттяжку.

s = 4Т₁/pd²Z , (83)

где d - диаметр проволоки каната, см;

Z - число проволок в канате.