РАСЧЁТ ШТАНГ
👉Расчет колонны штанг сводится к определению величины и характера изменения нагрузки на них, выбору расчетной формулы, соответствующей действительным условиям работы штанг и определению допускаемых напряжений, обусловливающих достаточно надежную работу колонн штанг.
- Характер нагружения колонны штанг сложен, некоторые составляющие действующих сил могут быть случайными.
- Усилия в точке подвеса штанг при ходе вверх определяются собственным весом штанг, весом жидкости, находящейся над плунжером скважинного насоса, силами трения, инерционными и динамическими составляющими.
- При ходе штанг вниз усилие от веса жидкости отсутствует, а направление сил трения изменяется. Кроме того, во время движения колонны штанг могут возникать усилия вследствие заклинивания плунжера в цилиндре скважинного насоса и другие силы, появление которых вызвано взаимодействием колонн штанг и труб.
Таким образом, в верхней части колонны действуют переменные напряжения, изменяющиеся по асимметричному циклу.
Характер нагружения в нижней части колонны иной — по мере увеличения расстояния от точки подвеса доля собственного веса колонны в общем балансе действующего усилия убывает и у плунжера становится равной нулю.
👉При ходе плунжера вниз усилие трения плунжера
о цилиндр, усилие, обусловленное гидравлическими сопротивлениями клапанов,
приводят к появлению усилий, сжимающих колонну штанг.
Таким образом, в нижней
части колонны действуют знакопеременные напряжения.
Изменения нагрузки в
верхнем сечении колонны штанг (рис. V.10) приводят к появлению напряжений мах,
min,
соответствующих максимальной и минимальной нагрузкам. При этом амплитуда
изменения напряжений
а= (
мах —
min)/2.
Средние напряжения m= (
мах +
min)/2.
Для определения максимальной Рmах
и минимальной Рmin нагрузок, действующих на колонну штанг, необходимо рассмотреть
особенности кинематики и динамики привода штанговой установки, для которой рассчитывается колонна
штанг.
Так, например, формулы А. С. Вирновского для расчета колоны штанг при
использовании балансирного привода, содержащие ряд эмпирических поправочных
коэффициентов, имеют следующий вид: , где Рш”,
Рш— вес колонны штанг в жидкости и в воздухе, Рж — вес столба
жидкости высотой от динамического уровня до устья и площадью, равней площади
поперечного сечения плунжера;
Выбор расчетной формулы для колонны, штанг
- Расчет штанг на усталость базируется на закономерностях изменения предельных напряжений асимметричных циклов и связи этих напряжений с пределом усталости материалов при симметричном цикле нагружения.
- Необходимость перехода от заданного асимметричного цикла нагружения штанг к пределу усталости материала при симметричном цикле обусловлена невозможностью определения предельных напряжений для всех возможных вариантов асимметричного цикла в силу длительности и трудоемкости усталостных испытаний.
По мере приближения рассматриваемого сечения к
плунжеру скважинного насоса r
уменьшается:
Существует болыцое число зависимостей, связывающих предельные
напряжения; асимметричных циклов с пределом усталости материала при
симметричном цикле, однако ни одна из них не является универсальной, пригодной
для всех материалов, видов деформаций и действующих напряжений.
Наилучшее совпадение опытных данных с расчетными для
режимов работы штанг дает формула И. А. Одинга
Определение допускаемых напряжений
Обычно под допускаемыми напряжениями подразумеваются предельные напряжения в опасном сечении детали, при которых она выполняет свои функции в течение заданного времени без разрушения.
👉Для насосных штанг это понятие условно, так как основной
причиной разрушения является коррозионная усталость материала, которая в
отличие от усталости может вызвать разрушение детали при отсутствии
нагрузки—только лишь из-за действия коррозии. Поэтому создание колонн штанг с
абсолютной гарантией их безаварийной работы экономически не оправдано,
поскольку требует большого расхода легированных сталей.
В нефтепромысловой
практике в качестве допускаемых принимаются такие напряжения, при которых
число обрывов не превышает один—три в год.
Для определения
допускаемых напряжений обобщаются данные наблюдений за работой достаточно большого
числа правильно сконструированных колонн в конкретных производственных
условиях. Методика обобщения результатов, например, предложенная Фаерманом,
заключается в следующем: по данным наблюдений за работой большого числа скважин
после статистической обработки строится график
зависимости средней
частоты обрывов штанг 1 от напряжения в верхнем сечении колонн (рис. V.11). Напряжение, соответствующее
излому графика, при котором резко увеличивается число обрывов в одном и том же
комплекте штанг в год, принимается за допустимое напряжение для верхних
сечений колонн штанг данной марки.
Использование данной
методики для определения приведенных напряжений полностью не исключает обрывы
штанг. Причем практика показывает, что колонна может работать надежно с превышением
допустимого напряжения, либо, наоборот, число обрывов может увеличиться при
более низких напряжениях.
Таким образом,
допустимые напряжения нужно рассматривать как условные, ограничивающие
область, в пределах которой эксплуатация скважин не будет усложнена обрывами
штанг.
Подобная картина
разрушений штанг обусловлена характером приложенной нагрузки и влиянием окружающей
колонну штанг среды—пластовой жидкости—на ее прочность.
- Под коррозионной усталостью металлов и сплавов подразумеваются разрушения, происходящие в результате совместного действия переменных нагрузок и химически активной электропроводной среды.
- В соответствии со схемой процесса разрушение колонны штанг происходит в результате одновременно протекающих процессов образования усталостных трещин и, электрохимической коррозии. Электрохимическая коррозия представляет собой анодные процессы, протекающие на электрохимически уязвимых" участках. К ним в первую очередь относятся дефекты металла: как микроповреждения его поверхности, так и дефекты кристаллической структуры.
При растворении анодных
участков поверхности детали в результате появления разности потенциалов между
различными участками поверхности металла, а потом и разности потенциалов
между дном углубления и его стенками начинается процесс концентрации напряжений.
Под влиянием циклически приложенной нагрузки и процесса растворения действующие
напряжения растут, и в конечном счете возникает усталостная трещина.
Считается также, что
интенсификации образования трещин способствует возникновение водородной хрупкости
на катодных участках. Причем в зависимости от величины действующих напряжений процесс образования трещин может
превалировать либо на анодных участках, либо на катодных.
При коррозионной
усталости обычно, трещины образуются по всей поверхности, причем очаги разрушения
распределены относительно равномерно.
Характерным признаком
коррозионно-усталостного разрушения детали является наличие трех зон на поперечном
сечении разрушенной штанги: мелкозернистой, крупнозернистой (как при
усталостном разрушении металла) и зоны пластической деформации. Мелкозернистая
зона начинается с периферии детали и представляет собой участок, на котором
развивалась усталостная трещина. Обычно эта часть имеет более темную Окраску
вследствие длительного контакта с агрессивной средой. Крупнозернистая зона —
это область окончательного разрушения, когда прочности сечения, еще не ослабленного
усталостными трещинами, недостаточно для обеспечения прочности детали. Кроме
того на периферийной части штанги имеется зона с пластичной деформацией металла
обусловленной разрушением волокон после разрушения части поперечного сечения с
«крупнозернистой» структурой.
К характерной
особенности коррозионно-усталостного процесса относится более сильное
одновременное влияние коррозии и циклических напряжений, чем их, например,
следующее друг за другом воздействие.
Помимо этого характерным
для процесса коррозионной усталости является отсутствие предела усталости,
представляющей максимальное напряжение, при котором образец выдерживает
неограниченное количество циклов. При коррозионной усталости эта величина
условна и зависит от числа циклов нагружения (рис. V.12).
При оценке процессов
коррозионной усталости штанг принято считать, что главную роль в процессе их
разрушения играет коррозионный фактор. Это подтверждается, например,
соотношением пределов усталости сталей 20ХН, 20НМ на воздухе—300 МПа—и в
жидкости— 120 МПа. Причем, как показывают эксперименты, уменьшение влияния
коррозии, например, за счет покрытий штанг, позволяют повысить величину
допустимых напряжений.
Повышение эксплуатационных показателей насосных штанг
К основной задаче повышения
эксплуатационных показателей насосных штанг относится повышение их циклической
прочности, которая достигается совершенствованием конструкции штанг,
использованием новых материалов и применением новых технологических процессов
при их производстве, правильной эксплуатацией штанг на промыслах.
- Совершенствование конструкции колонны штанг обусловлено прежде всего изысканием способов, исключающих концентрацию напряжений в резьбе и переходной зоне от головки к телу штанги. Это достигается улучшением качества заготовок, обеспечением соосной высадки головки штанг, накаткой резьбы и снабжением ее разгрузочной канавкой. Одним из интересных направлений совершенствования штанг является разработка непрерывной колонны, наматываемой во время спуско-подъемных операций на специальный барабан. Применение таких колонн исключает переходные зоны и резьбовые соединения.
- В качестве новых материалов для изготовления штанг используют высокопрочные хромникельмолибденовые стали. Эффективность первого направления проблематична, поскольку предел коррозионной усталости практически не изменяется при увеличении предела прочности в отличие от предела усталости, возрастающего примерно пропорционально ему.
👉По-видимому, новые высокопрочные материалы целесообразно использовать одновременно с технологическими мероприятиями, повышающими циклическую прочность штанг, изготовленных из сталей, не содержащих большого количества легирующих элементов.
- К подобным методам относится поверхностное упрочнение штанги механическим или термическим воздействием.
- При этом повышаются эксплуатационные характеристики тонких поверхностных слоев, а механические характеристики средней части остаются неизменными.
- Эффект от поверхностного упрочнения обусловлен прежде всего тем, что увеличивается твердость только поверхностного слоя, а следовательно, и повышается его хрупкость.
- Сердцевина штанги остается при этом мягкой и пластичной, хорошо работающей под действием динамических нагрузок.
Поверхностное упрочнение
штанг обеспечивает появление в тонком слое остаточных сжимающих напряжений,
которые, складываясь с растягивающими напряжениями во время работы штанг,
уменьшают абсолютную величину последних. В результате уменьшается раскрытие
микротрещин на поверхности штанг и снижается интенсивность их развития.
Штанги упрочняются
дробеструйным наклепом и поверхностной закалкой токами высокой частоты.
В первом случае наклеп
поверхности штанг происходит при соударении с нею стальных или чугунных дробинок,
направляемых с большой скоростью из дробеструйного аппарата. Во втором случае
в поверхностных слоях штанги появляются остаточные напряжения (до 700 МПа),
обусловленные образованием мартенситной структуры. Второй способ упрочнения
более эффективен.
- Кроме того, делаются попытки создания противокоррозионного поверхностного слоя за счет термодиффузионного цинкования и электрофоретического алюминирования. Однако эти процессы не вышли пока за рамки лабораторных исследований.
Определение
сил, действующих в точке подвеса штанг
Cечения Fт (полное сечение внутренней полости труб), Fш (сечение тела штанг), F (полное сечение плунжера). Наибольшее значение нагрузки в точке подвеса штанг при ходе вверх будет