Выбор схем фонтанной арматуры

Для низких и средних давлений (7-35 МПа) рекомендуют применять тройниковую фонтанную арматуру, для средних и высоких давлений (35 - 105 МПа) крестовую арматуру.

Скорости движения жидкости или газа в тройниках, крестовинах и запорных устройствах, при определении диаметра проходного сечения фонтанной арматуры, должны находиться в пределах 0,5-5 м/с.

При наличии значительного количества механических примесей (свыше 100 мг/л) в продукции скважины необходимо предусматривать дополнительные (резервные) отводы.

При выборе запорных устройств необходимо руководствоваться тем, что для низких давлений (7-14 МПа) применяются пробковые краны, при более высоких давлениях - прямоточные задвижки.

Толщину стенок цилиндрических частей элементов фонтанной арматуры рассчитываю по зависимости

где Dвн - внутренний диаметр цилиндрической части арматуры; р - рабочее давление; -допустимое напряжение на растяжение материала арматуры; ΔS- увеличение толщины, учитывающее коррозию металла за время эксплуатации фонтанной арматуры.

где ΔSt - уменьшение толщины стенки от коррозии в год; t- срок службы арматуры.

Из условия эксплуатации скважин (давление, дебит, содержание песка, температура и др.) выбирают схему арматуры, диаметр проходного отверстия, размер фланцев.

По известным размерам фланца выбирают из приложения размер прокладки.

Выполняют предварительный расчет фланца на прочность по первому варианту соединения фланцев. Если все полученные данные соответствуют требованиям, то определяют размеры шпилек и потребное количество их и расчет на этом заканчивают.

При больших давлениях надо обеспечивать работу соединения по второму варианту для уменьшения напряжений в элементах соединения фланцев.

Расчетная нагрузка на фланцевое соединение складывается из усилия на шпильки при их предварительной затяжке и усилий, возникающих в процессе эксплуатации арматуры. Также учитываются изгибающий момент от массы боковых отводов и влияние разности температур между проходящей жидкостью или газом и окружающей средой.

Нагрузка на шпильки от их предварительной затяжки:

где Dcp- средний диаметр прокладки фланцевого соединения; bо - расчетная толщина прокладки; qn - удельное давление смятия прокладки, зависит от материала прокладки, принимается по табл. 3.1;

Эксплуатационная нагрузка складывается из:

1)       Сила давления перекачиваемой среды

где р- рабочее давление

2)      Сила давления на прокладку для обеспечения герметичности соединения (остаточное усилие затяжки)

где т- эмпирический прокладочный коэффициент, учитывающий материал уплотненных элементов, физические свойства рабочей среды.

Величина коэффициента для жидкостей выбирается по табл. 3.1 в зависимости от материала и формы прокладки. При использовании фонтанной арматуры для работы на газовой и газожидкостной смесях его увеличивают в 2 раза.

Таблица 3.1

3) Сила изгибающего момента от массы боковых отводов фонтанной арматуры

где М - изгибающий момент от массы отвода и линий, идущих к манифольду; Dш,- диаметр окружности центров отверстий под шпильки.

4) Усилие от температурных деформаций возникает из-за того, что при повышенной разницы в температуре перекачиваемой (пластовый флюид и др.) и окружающей среды внутренние и наружные элементы фонтанной арматуры подвержены разным деформациям, что создает дополнительные нагрузки.

где Δt - превышение температуры прокладки и фланцев по сравнению с температурой шпилек.

При расчетах полагают, что фланцы, приваренные встык нагреваются до температуры среды в трубопроводе, а температура шпилек составляет около 0,95 температуры фланца для неизолированных фланцев и 0,97 - для изолированных; lш - рабочая высота шпильки (расстояние между серединами высот гаек); а - коэффициент линейного расширения (принимается для фланцев и шпилек одинаковым); Еш, Епр - модули упругости шпилек и прокладки; Fш, Fnp - площади поперечного сечения шпилек (на участке без резьбы) и прокладки; Н - конструктивная высота прокладки; D - внешний диаметр прокладки; D1 - диаметр фаски прокладки; γ - угол наклона стенки канавки под прокладку (γ =67°).

В итоге эксплуатационная нагрузка равна

В качестве расчетной нагрузки (Р) на шпильки (болты) принимается наибольшее из двух значений Обычно при низких давлениях и, наоборот, при значительных давлениях и мягких прокладках

По величине расчетного усилия Р определяется число шпилек (болтов) фланцевого соединения.

где qш - допускаемая нагрузка на одну шпильку (болт) равная

где: dо - внутренний диаметр резьбы шпилек; σдоп - допускаемое напряжение, определяется через предел текучести материала шпилек, при коэффициенте запаса пш=3,5

Полученное число шпилек (болтов) округляется до числа, кратного 4.

Для создания расчетного удельного контактного давления на уплотняющей поверхности прокладки необходимо, чтобы шаг между осями шпилек (болтов) был равен t≤5d, где d - наружный диаметр шпильки (болта). При больших давлениях шпильки ставят с шагом t=(3÷2,5)d.

3.3.6. Определение напряжения в наиболее опасном

сечении фланца.

Фланец считают по наиболее опасным сечениям, таковым является сечение АС для фланцев с овальной и восьмигранной прокладкой (рис. 3.4).

Для расчета фланец представляется в виде консольной балки с заделкой в указанных сечениях и рассматривается изгиб от силы Р.

Уравнение моментов

Момент сопротивления опасного сечения

Напряжение в опасном сечении

Допустимое напряжение определяется по пределу текучести материала фланца при запасе прочности 2,5.

Изложенный выше метод расчета является приближенным, так как не учитывает податливость деталей фланцевых соединений при их нагружении, деформации изгиба шпилек и др. А это имеет значение при больших давлениях. Для этого в институте АЗИНМаш (г. Баку) разработан уточненный метод расчета соединения, работающего при втором варианте уплотнения.