ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 ОСНАСТКА ТАЛЕВОЙ СИСТЕМЫ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ
3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 ОСНАСТКА ТАЛЕВОЙ СИСТЕМЫ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ ВВЕДЕНИЕ Талевый механизм буровой установки представляет собой полиспаст, состоящий из кронблока, талевого блока и реверсора (устройства для крепления неподвижной струны каната). Все эти механизмы соединяются стальным канатом, ходовой конец которого крепится на подъемном валу лебедки. Лабораторные работы, предлагаемые в настоящем практикуме, помогут студенту изучить работу талевой системы буровой установки, измерить нагрузки, действующие на струны каната, понять основные принципы выбора каната, типа оснастки и системы перепусков. Навыки, полученные при выполнении лабораторных работ, будут использованы в курсовом и дипломном проектировании, а также в практической работе при организации эксплуатации талевых систем буровых установок. 1.1 Цель и задачи лабораторной работы В результате выполнения лабораторной работы осуществляются: -выбор рациональной оснастки талевой системы установки по заданной индивидуальным заданием допустимой нагрузке на крюке; -оснастка талевой системы на одном из макетов буровой установки (по варианту индивидуального задания); -измерение усилий натяжения ветвей талевой системы при различных, режимах нагружения (покой, подъем и спуск) и анализ полученных результатов; -измерение числа оборотов шкивов кронблока при подъеме груза на полную высоту. 1.2 Методические указания по подготовке к лабораторной работе Лабораторная работа выполняется после курса лекций по талевой системе буровых установок. Кроме того, необходимо изучить теоретический материал по учебнику [I], с Для контроля усвоения материала необходимо ответить на вопросы для самопроверки. Перед занятиями необходимо по настоящему лабораторному практикуму изучить содержание всех разделов лабораторной работы 1. Взять на заметку все непонятные вопросы для выяснения ответов на них во время занятия. Уяснив конструкцию и принцип действия лабораторной установки, необходимо наметить план экспериментальных исследований, выполняемых во время лабораторной работы, и подготовить журнал для регистрации результатов эксперимента и фиксации исходных, данных, необходимых при обработке экспериментальных данных. После отчета преподавателю по 3
4 теоретическим основам и методике выполнения лабораторной работы студент получает допуск к выполнению экспериментов. Перед работой необходимо получить у лаборанта или преподавателя измерительный инструмент и приспособления в соответствии с приложением Теоретические сведения Рациональная оснастка талевой системы Число ветвей каната талевой системы зависит от количества шкивов, задействованных на кронблоке и талевом блоке (3x4, 4x5, 5x6 и т.д.) Выбор оснастки определяется допустимой нагрузкой на канат и тяговым усилием лебедки. Наибольшая оснастка талевой системы для каждого класса буровых установок регламентируемся Г0СТ Однако, в начале бурения глубина бурения не велика, масса бурильных и обсадных колонн не требует использования всей оснастки. Здесь требуется выбрать рациональную оснастку. При выборе оснастки необходимо рассчитать максимальную нагрузку с учетом масс самой тяжелой колонны обсадных или бурильных труб, массы подвижной части талевой системы и запаса грузоподъемности, необходимого при ликвидации прихвата колонны. Эта нагрузка не может быть больше допустимой нагрузки на крюке данной буровой установки. Отношение числа рабочих струн, каната к числу ходовых струн называется кратностью оснастки. На буровых установках она всегда равна удвоенному числу шкивов талевого блока, т.к. с каждого шкива идет по две струны талевого каната. От кратности оснастки зависит диаметр и длина используемого каната. С увеличением кратности оснастки уменьшаются усилии в струнах каната, однако, при этом пропорционально увеличивается длина каната, наматываемого на барабан при подъеме груза на заданную высоту. Для сохранения скорости подъема крюка приходится, увеличить частоту вращения подъемного вала лебедки, которая обычно ограничивается линейной скоростью ходовой струни каната, равной 20 м/с, что обеспечивает нормальную навивку каната на барабан лебедки. На буровых установках обычно используется схема оснастки с одним ходовым и одним неподвижным концом каната, поэтому кратность равна удвоенному числу шкивов талевого блока, т.к. с каждого шкива идет по две рабочих струны: где i т.c. - кратность оснастки талевой системы; n - число шкивов талевого блока. i т.c. = 2n (1.1) 4
5 1.3.2 Усилия, действующие на струны каната Здесь следует различать три режима нагружения - покой, подъем и спуск груза. Если движение отсутствует, то усилие, действующее на любую струну талевой системы, уменьшается по сравнению с подвешенной массой прямо пропорционально кратности оснастки талевой системы: Р хк = Р нк = Р 1 = Р 2 = = Р n =Р/ i т.c = Р/2n, (1.2) где Р- рабочая нагрузка на талевую систему (от массы груза и собственного веса подвижной части талевого каната); Р хк - нагрузка на ходовом конце каната; Р нк нагрузка на неподвижном конце каната; Р 1, Р 2, Р n нагрузки в рабочих струнах (нумерация со стороны ходового конца каната). При подъеме и спуске груза усилия в струнах каната изменяются из-за сопротивлений, учитываемых коэффициентом полезного действия шкива. КПД каждого шкива зависит от трения в опорах и между канавкой шкива и канатом. Для шкивов на подшипниках скольжения КПД равен 0,95 0,96, а на подшипниках качения - 0,97 0,98. Тогда для расчета натяжения отдельных струн можно использовать формулы: Р 2 = Р 1 х β; Р 3 = Р 2 х β (1.3) Р 2н. = Р 1 х β 2н-1, (1.4) где Р 2, Р 2, Р н - усилия в 1, 2 и рабочей струне оснастки; β = 1/η коэффициент сопротивления шкива. КПД всей талевой системы буровой установки определяется по формуле 1 i 1 шк η тс =, 2 (1.5) где η шк КПД одного шкива; η тс - КПД всей талевой системы; Натяжение ходовой струны при подъеме можно определить: Р хк = Р 1 х β 2n. (1.6) i тс ТС Натяжение в любой ходовой струне при подъеме Р 2n = Р 1 β 2n-1 (1.7) 5
6 Натяжение неподвижной струны при подъеме Р1 Р 1 Р нк = 2n 1, (1.8) где Р 1 сила от массы подвешенной колонны и подвижной части талевого механизма. При спуске груза максимальное натяжение будет в неподвижной струне: Р нк = а минимальное - в ходовой струне Р 2n 1, 2n 1 (1.9) Р хк = Р 1 2n. (1.10) 1 С достаточной для практических расчетов точностью натяжение на ходовом конце ( ), рабочих струнах ( ) и неподвижном конце талевого каната (Р нк ) можно определять по следующим формулам: Р хк Ркр Gтб, (1.11) i тс тс Р мк Р G кр тб, тс (1.12) iтс Р рс Р кр G i тс тб (1.13) Коэффициент полезного, действия всей талевой системы определяется отношением полезной работы А п к затраченной работе А з. Полезная работа - перемещение груза на высоту подъема : А п = Р х l гр (1.14) Затраченная работа определяется произведением усилия на ходовом конце каната на длину хода этого конца при подъеме груза: А з = Р хк х l хк = Р хк х l гр х i т.c (1.15) 6
7 где l гр высота подъема груза; Р хк натяжения ходового конца каната при подъеме; l хк длина ходового конца при подъеме (см. рисунок 1.1). Тогда коэффициент полезного действия всей талевой системы определены по формуле: Р гр η тс =. (1.16) Р Типы оснастки и длина каната хк Талевые, системы буровых установок оснащаются по прямой или крестовой схемам. Наиболее рациональной является крестовая оснастка, при которой оси талевого блока и кронблока располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях, а ходовая ветвь каната сходит со шкива, наиболее близко расположенного к плоскости симметрии барабана лебедки. Крестовая оснастка устраняет раскачивание талевого блока при подъеме незагруженного элеватора и предотвращает возможность накручивания талевой системы. При использовании комплекса механизмов автоматизации спускоподъемных операций (АСП) талевый блок должен свободно перемешаться вдоль поднятой из скважины свечи. Для этого применяют оснастку с несоосным расположением оси шкива ходовой струны талевого каната, располагая его перпендикулярно к осям остальных шкивов. Длина каната, необходимая для оснастки талевого механизма буровых установок, определяется по формуле: 7 хк Dш iтс 1 к Н i тс 2 С0 СП, (1.17) 2 где Н - высота буровой вышки; i т.c кратность оснастки талевой сиситемы; D ш диаметр шкива талевых блоков и кронблока; i т.c + 1 число шкивов талевого блока и кронблока; С 0 длина каната в витках безопасности (остающихся на барабане лебедки при крайне нижнем положении талевого блока, С 0 = м); С п длина каната, оставленного для перепуска в процессе эксплуатации Частота вращения шкивов талевой системы Частота вращения шкивов зависит от скорости крюка и числа струн каната ст. неподвижного до рассматриваемого шкива: 60vкр iк nк, (1.18) D ш
8 где n к частота вращения i - того шкива; v кр скорость крюка; i к число рабочих струн от неподвижного до i - того шкива; D ш диаметр шкива. Число оборотов каждого шкива за цикл полного подъема одной свечи легко замерить в эксперименте. Шкив кронблока, соединенный с неподвижным концом каната вообще не вращается, а шкив ходового конца делает максимальное количество оборотов. Для равномерного износа шкивов и подшипников секции блоков периодически поворачивают на 180 либо меняют местами. 1.4 Описание лабораторной установки Принципиальная схема стенда для изучения работы талевой системы приведена на рисунке 1. Установка представляет из себя макет, талевой системы буровой установки, имеющей 7 шкивов на крон блоке и 6 - на талевом блоке. На наружном диаметре шкивов кронблока нанесены черные риски для фиксации числа оборотов каждого шкива. Перед началом эксперимента необходимо, проворачивая шкивы, установить риски на одну линию, чтобы посчитать число оборотов, сделанное каждым шкивом при подъеме груза на максимальную высоту. Макет талевого блока выполнен вместе с цилиндрической емкостью, в. которой размещается груз (соответствующий варианту индивидуального задания). Замер усилий на ходовом и неподвижном конце каната осуществляется с помощью динамометров 4 и 5 (рисунок 1). Динамометр неподвижного конца, каната 5 закрепляется за карабин 6 основания лабораторной установки. Динамометр ходового конца 4 находится в руках исследователя. Перемещением этого динамометра вверх и вниз осуществляется подъем или спуск заданного груза 3. Этим же динамометром перед началом эксперимента определяется масса груза, вместе с талевым блоков и грузовым цилиндром. Выполнение различных вариантов оснастки талевой системы в соответствии с индивидуальным заданием можно осуществить также на макетах буровых установок, находящихся в лаборатории нефтяного оборудования (учебно-производственные мастерские (теплокорпус) кафедры МОНГП. Перечень измерительных приборов, инструмента и приспособлений, необходимых для выполнения работы, приведен в приложении 1. 8
10 1.5 Требования техники безопасности и организации труда в лаборатории К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности по инструкции: "Техника безопасности при выполнении лабораторных работ в лаборатории нефтяного оборудования кафедры МОНГП". Запись об инструктаже делается в журнале, хранящемся в лаборатории, в начале занятий текущего учебного года или семестра. Каждый студент расписывается в журнале и проставляет дату инструктажа. Ответственность за допуск к лабораторной работе студента, не прошедшего инструктаж, несет преподаватель, ведущий занятие. Для выполнения лабораторной работы преподаватель организует бригады студентов по 2-3 человека, выполняющих однотипные виды оснастки на трех макетах талевой системы буровых установок. Бригада, выполнившая заданную индивидуальным заданием оснастку, после предъявления работы допускается к замеру усилий на ходовом и неподвижном конце каната, а также измерению числа оборотов шкивов кронблока на установке, изображенной на рисунке 1. Измерения каждый студент осуществляет индивидуально с грузом, заданным индивидуальным заданием. Обработка экспериментальных данных и оформление отчета осуществляется каждым студентом самостоятельно. После оформления отчета и его защиты студент допускается я выполнению следующей лабораторной работы. 1.6 Вопросы для самопроверки 1) Что такое «кратность оснастки»? 2) Как определить кратность оснастки буровой установки? 3) Как изменяется нагрузка на рабочую струну каната при изменении кратности оснастки? 4) Как изменяется длина каната, сматываемого на барабан лебедки, при изменении кратности оснастки? 5) От чего зависит количество рабочих струн при выборе рациональной оснастки буровой установки? 6) Какова величина максимальной линейной скорости каната при его навивке на барабан лебедки? 7) Как изменяется величина нагрузки на ходовом конце каната при подъеме и спуске груза? 8) Чему равен КПД одного шкива талевой системы на подшипниках качения и подшипниках скольжения? 9) Что такое коэффициент сопротивления шкива? 10) Как рассчитать натяжение в любой ходовой струне каната при подъеме груза? 11) Как определить КПД всей талевой системы? 10
11 12) Перечислите преимущества и недостатки прямой и крестовой оснастки талевой системы. 13) Сколько оборотов делает шкив кронблока, с которого сбегает неподвижный конец каната за цикл подъема одной свечи? 14) Какой, из шкивов кронблока делает максимальное число оборотов во время подъема одной свечи? 15) Как определить длину каната, необходимого для оснастки буровой установки? 1.7 Порядок выполнения работы Изучив теоретический материал по учебнику [1], и настоящему лабораторному практикуму, подготовить журнал для регистрации результатов эксперимента и исходных данных. Отчитаться преподавателю по теоретическому материалу, методике и технике, лабораторного эксперимента. Получить допуск к выполнению данных работ и вариант индивидуального задания по приложению 1.1. Получить у лаборанта или преподавателя инструмент и приспособления в соответствии с приложением 1.2. В составе бригады из 2-3 студентов (созданной преподавателем) произвести оснастку макета талевой системы буровой установки в соответствии с индивидуальным заданием, Предъявить работу преподавателю и получить допуск для выполнения лабораторного эксперимента. На лабораторной установке, изображенной на рисунке 1, осуществить исследования, соответствующие индивидуальному заданию. С помощью динамометра определить массу подвижной части макета талевой системы вместе с полученным грузом, зафиксировать результат в журнале. Произвести замер диаметров шкивов макета талевой системы, вычислить среднюю величину и записать в журнал. Замерить и записать максимальную высоту подъема макета талевого блока установки, изображенной на рисунке 1. Вычислить длину шнура, необходимого для осуществления заданной оснастки на макете. Отмерить полученную длину шнура и сделать метку черной ниткой (перевязать), смотать шнур на катушку-барабан. Осуществить заданную оснастку и замеры исследуемых величин на макете талевой системы, изображенной на рисунке 1. Записать в журнал среднюю величину после нескольких замеров: - усилия на ходовом и неподвижном конце каната в покое; - усилия на ходовом конце при подъеме; - усилия на неподвижном конце при подъеме; - усилия на ходовом конце при спуске; - усилия на неподвижном конце при спуске; - количество оборотов каждого из шкивов макета кронблока за время подъема груза на максимальную высоту; 11
12 - максимальную величину подъема груза и соответствующую ему величину хода подвижного конца каната. Усилия на ходовом и неподвижном концах каната следует замерять во время установившегося движения при постоянной скорости подъема или спуска груза. 1.8 Обработка экспериментальных данных и оформление отчета в журнале В процессе эксперимента все замеры фиксируются в «Журнале для лабораторных работ» (см. приложение 1.4) после завершения лабораторного эксперимента необходимо проанализировать к произвести математическую обработку полученных результатов. В результате лабораторного исследования должно быть установлено влияние кратности полиспаста на: - величину усилий, действующих в покое и равномерном движении на ходовой и неподвижный концы каната; - на величину перемещения ходового конца каната; - на КПД талевой системы; - на число оборотов шкивов кронблока за цикл одного подъема. В результате анализа лабораторных исследований должен быть сделан вывод о правомерности моделирования лабораторной установкой процессов в реальной талевой системе буровой установки. Сопоставить величины КПД реальных талевых систем с полученными в лабораторных условиях. Завершив оформление отчета по лабораторной работе, студент предъявляет ее преподавателю и получает допуск к выполнению следующей работы. 12
13 Номер варианта Приложение 1.1 Исходные данные для выполнения индивидуального лабораторного задания Оснастка Вариант схемы Масса подвижной части талевой оснастки талевой системы с грузом, системы (приложение1.2) кг 1 5х6 I 1, 2, 3, 4, 5 2 5х6 II 1, 2, 3, 4, 5 3 4х5 III 1, 2, 3, 4, 5 4 4х5 IV 1, 2, 3, 4, 5 5 4х5 V 1, 2, 3, 4, 5 6 6х7 VI 1, 2, 3, 4, 5 7 5х6 VII 1, 2, 3, 4, 5 8 5х6 VIII 1, 2, 3, 4, 5 9 4х5 IV 1, 2, 3, 4, х5 V 1, 2, 3, 4, 5 Приложение 1.2 Измерительные приборы, инструмент и приспособления, необходимые для выполнения лабораторной работы 1 1.Динамометр пружинной на 50Н 2 шт; 2.Измерительная линейка длиной I м 1 шт; 3. Штангенциркуль 1 шт; 4.Набор грузов общей массой 5 кг 1 комплект; 5.Шнур капроновый 10 м. 13
14 Вариант I Приложение 1.3 Продолжение приложения
15 15 Продолжение приложения 1.3
18 Приложение 1.4 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ЖУРНАЛ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО КУРСУ «Буровые машины и комплексы» для специальности 5В «Машины и оборудования для нефтегазовой промышленности» Студент гр. Фамилия студента Преподаватель Алматы,
19 Продолжение приложения 1.4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 ОСНАСТКА ТАЛЕВОЙ СИСТЕМЫ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ 1. Цель работы Таблица 1 - Исходные данные Наименование параметра Принятое обозначение 1. Диаметр шкива (по дну ручья), мм D шк 2. Оснастка талевой системы (по варианту задания) 3. Схема оснастки (вариант) 4. Кратность оснастки i тс 5. Масса груза вместе с подвижной частью талевой системы, кг эксперимент 1 Q гр1 эксперимент 2 эксперимент 3 эксперимент 4 Q гр2 Q гр3 Q гр4 эксперимент 5 6. Длина рабочей струны, см l с 7. Максимальная высота подъема груза, см l гр Q гр5 Величина Таблица Результаты экспериментальных замеров Параметр 1. Длина шнура, необходимого для оснастки талевой системы, см. расчетная 2.Усилия на ходовом конце каната в покое при подъеме при спуске 3.Усилия на неподвижном конце каната в покое при подъеме при спуске 4. Ход подвижного конца каната при максимальной высоте подъема груза, см. 5. Количество оборотов шкивов кронблока за цикл одного подъема первого шкива второго шкива третьего шкива последнего шкива Масса груза вместе с подвижной частью талевой системы, кг
20 Таблица Результаты математической обработки экспериментальных замеров Параметры 1. КПД талевой системы лабораторной установки 2. КПД одного цикла установки 3. Коэффициент сопротивления одного цикла 4. Величина усилия в рабочих струнах при подъеме, Н в первой во второй в третьей в четвертой в пятой в шестой в седьмой в восьмой в девятой в десятой в одиннадцатой в двенадцатой в неподвижной Величина по данным эксперимента при грузе массой, кг График усилия на неподвижном конце каната при оснастке х 1-усилия в ходовом конце каната при равномерном подъеме; 2- усилия в кодовом конце, находящемся в покое; 3- усилия в ходовом конце каната при равномерном спуске. Примечания: 20
21 I. КПД талевой системы по экспериментальным данным 2. КПД одного шкива п. 2 в таблице п.3 (стр. 22) определяется по экспериментальным данным по формуле 1 к η шк =η 1 где к - суммарное количество шкивов кронблока и талевого блока лабораторной установки при заданной оснастке. 3. Зависимость усилий на ходовом конце каната (рисунок п.1) строится по точкам, полученным в эксперименте. 4. Результаты экспериментального исследования на лабораторной установке следует сопоставить с параметрами реальных открытых установок, приведенными в учебнике [I]. Результаты анализа выложить в выводах. тс 21
22 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 ВЫБОР ТАЛЕВОГО КАНАТА ВВЕДЕНИЕ Для оснастки талевой системы буровой установки используются стальные канаты круглого сечения, шестипрядные с металлическим, органическим и 2.1 ЦелЬ лабораторной работы Целью лабораторной работы является изучение различных конструкций канатов и выбор каната необходимой прочности для талевой системы буровой установки заданной грузоподъемности. 2.2 Методические указания, но подготовке к лабораторной работе Настоящая лабораторная работа выполняется после лабораторной работы I, т.к. для выбора каната необходимо, прежде всего, знать величину усилий, возникающих в рабочих ветвях талевой системы буровой установки. Перед лабораторными занятиями необходимо изучить все разделы методических указаний по лабораторной работе 2. Повторить лекционный, материал и разделы учебника [1], посвященные талевым канатам. В лаборатории нефтяного оборудования (ауд. 706 нк) необходимо ознакомиться с конструкциями канатов и условными обозначениями канатов различных типов на демонстрационном стенде «Стальные канаты». Перед началом занятий необходимо подготовить лабораторный журнал и ответить на вопросы для самопроверки. Перед работой необходимо отчитаться перед преподавателем по теоретическим вопросам, получить необходимый инструмент и образцы канатов, подлежащих изучению. 2.3 Теоретические сведения Запас прочности канатов Запас прочности каната определяется по максимальной статической нагрузке Р а = S хк [К] (2 1) где Р а - агрегатное разрывное усилие каната, полученное при испытании образца каната до разрушения; S хк - натяжение ходовой струны каната при создании максимальной (допустима по ГОСТ I ) нагрузки на крюке; [К] допустимый запас прочности. По правилам безопасности в нефтегазодобывающей промышленности, допускаемый запас прочности талевых канатов буровых установок должен 22
23 быть не меньше [К] = 3. При этом масса колонны бурильных труб не должна быть больше 2/3 допустимой нагрузки на крюке, т.е. необходим запас грузоподъемности для ликвидации прихватов и других осложнений в процессе бурения. Колонна обсадных труб обычно имеет массу большую, чем бурильные трубы той же длины, однако, действие этой нагрузил непродолжительно, т.к. спуск обсадной колонны-разовая операция в цикле строительства скважины, При спуске обсадной колонны допускается снижение коэффициента запаса до [К] = 2. Перед осуществлением такой работы необходимо тщательно осмотреть канат и все механизмы талевой системы и получить письменное разрешение главного инженера или начальника буровой на спуск колонны Типы канатов Канатные заводы выпускают 45 видов канатов в соответствии с государственными стандартами и свыше 50 по различным техническим условиям. Для того, чтобы правильно выбрать канат, необходимо знать, как влияет конструкция каната и способ его изготовления на эксплуатационное свойства. По внешнему виду, а также с помощью замеров нужно уметь отличить тип и марку каната, знать как правильно записать его условное обозначение и конструкцию. В названии государственных стандартов на стальные канаты отражаются: виды свивки: одинарной свивки - канат не имеет рядей, двойной свивки - первая свивка - свивка прядей, вторая свивкасвивка прядей в канат, тройной свивки - первая - свивка прядей, вторая - свивка прядей В стренги, третья - свивка стренг в канат, плоской конструкции - канаты специального назначения; виды касания проволок в прядях: ТК - точечное касание соседних слоев проволок в прядях (слои свиваются под одинаковыми углами, но при разных шагах свивки для каждого слоя), ЛК - линейное касание между проволоками соседних слоев (пряди свивают под разными углами, но при одинаковых шагах для всех слоев); ПК - полосовое касание проволок в прядях (за счет фасонного сечения проволок после силового обжатия при изготовлении каната); размеры проволок по слоям: 0 - пряди с одинаковым числом и диаметром проволок; Р - пряди с разным числом и диаметром проволок в каждом слое; 3 - двухслойные пряди с проволоками заполнения. Многослойные пряди могут иметь комбинированные слои - ОР, РО, РР, О3 с одинаковыми, разными и заполняющими проволоками. 23
24 Для примера рассмотрим, как обозначается тип и конструкция каната, приведенного на рис. 2.3 (ГОСТ ): Материалы сердечников в канате обозначаются: с.с. - органический сердечник (из растительных волокон - пеньки, сезаля или манилы); м.с. - металлический сердечник (обладает большей сопротивляемостью поперечному сжатию); и.с. - сердечник из искусственных материалов, например, из пластмассы (наработка на 20-30% больше, чем у однотипных канатов с пеньковыми сердечниками). Кроме конструктивных признаков, приведенных в наименовании государственного стандарта, канаты подразделяются: по назначению: ГЛ - грузолюдские; Г - грузовые. по механическим свойствам проволоки: В - высшей марки (прочность от 26 до 29 МПа для различных групп прочности проволоки); I - первой марки (изменение прочности, от 32 до 37 МПа); II - второй марки (может поставляться только с согласия потребителя); по виду покрытия поверхности проволоки: - (без обозначения) проволока не имеет покрытая; ОЖ из оцинкованной проволоки для особо жестких агрессивных условий работы; Ж - из оцинкованной проволоки для жестких, агрессивных условий работы; С - оцинкованная проволока для условий средней агрессивности по направлению свивки: - (без обозначения), правой свивки; Л - левой свивки; 24
25 Рисунок 2.1 Рисунок 2.2 Рисунок
26 по сочетанию направлений свивки элементов каната: - (без обозначения) крестовой свивки; О - односторонней свивки; К - комбинированной свивки; по способу свивки: Н - нераскручивающиеся; Р- раскручивающиеся; по маркировочным группам прочности проволок: 1568 (160) - прочность материала, проволок I568 МПа (или 160 Н/мм 2 в стандартах, выпущенных до внедрения системы единиц измерений СИ). Для изготовления канатов используется светлая проволока диаметром от1,0 до 2,4 мм из стали марок 50, 55, 60, 65 и 70. Обычно эта сталь имеет сорбитную, реже - троститную структуру. Химический состав сталей этих марок имеет: C - углерода от 0,47 до 0,70% Mn - марганца от 0,50 до 0,80%, Si - кремния от 0,17 до 0,37% Cr - хрома до 0,12% Ni - никеля до 0,12% Cu - меди до 0,15% P - фосфора не более 0,030% S - серы не более 0,030% 2.4 Измерение геометрических параметров каната В результате выполнения настоящей лабораторной работы студент должен получить практические навыки, необходимые для определения типа и конструкции каната по натурному образцу, полученному в соответствии с индивидуальным заданием. 26
27 Получив натурный образец исследуемого каната, прежде всего необходимо определить: - количество прядей в канате; - количество рядов проволок в прядях; - диаметр каждой проволоки в рядах; - тип и количество сердечников; - количество проволок в сердечнике (в случае металлического сердечника); - диаметр каната; - шаг свивки каната; - вид свивки; - вид касания проволок в прядях; - наличие антикоррозионного цинкового покрытия; - направление свивки (левое или правое); - тип свивки элементов каната (крестовая, односторонняя, комбинированная); - способ свивки каната (нераскручивающийся, раскручивающийся). По результатам выполненных измерений и исследований необходимо определить стандарт, по которому изготовлен данный канат, и пределы его прочности в зависимости от возможных механических свойств материала проволоки. Результаты замеров и исследований натурного образца, полученного каждым студентом индивидуально необходимо внести в лабораторный журнал (приложение 2.4). 2.5 Выбор каната Выбор типа и конструкции Прежде чем выбирать диаметр каната необходимой прочности, следует проанализировать эксплуатационные свойства канатов различных типов и конструкций, описанных в разделе и обосновать правильность выбора каната того или иного типа и. конструкции. При этом следует иметь в вида: - увеличение числа повторных свивок проволок в канате и углов свивки снижают модуль упругости каната. Для талевых канатов буровых установок обычно используются канаты двойной свивки; - предпочтение отдают канату с линейным касанием проволок соседних слоев (ЛК), т.к. канаты с линейным касанием более долговечны; - канаты с проволоками разных диаметров (ГС) имеют поперечное сечение прядей, лучше заполненное металлом, что повышает разрывное усилие, гибкость и упругость канатов; - для талевой системы буровой установки применяют канаты крестовой свивки, т.к. канаты односторонней свивки вызывают закручивание свободно подвешенного талевого блока; - по направлению свивки (правое и левое) канат выбирают в зависимости от положения каната относительно барабана и направления укладки его витков на барабане (см. [ I ], стр. 156 и таблицу X.2) 27
28 - каната с органическими сердечниками более гибка, а с пластмассовыми и металлическими - лучше сопротивляется поперечному сжатию, и сохраняют свою форму; - при больших глубинах бурения обычно используют канаты с металлическими сердечниками, т.к. они обладают повышенным разрывным усилием и структурной прочностью, при которой возрастает их сопротивление раздавливанию; - нераскручивающиеся канаты имеют выносливость на больше, чем раскручивающиеся, кроме того, при порыве отдельных проволок они не повреждают шкивов талевой системы. В таловых системах буровых установок применяются нераскручивающиеся канаты; -допустимый разбег предела прочности проволок высшей марки (В) меньше, чем у проволоки I марки. Исходя из перечисленных выше соображений следует выбирать тип и конструкцию каната для буровой установки, в соответствии с индивидуальным заданием Выбор прочности и размеров каната Для того, чтобы выбрать по ГОСТу соответствующего типа и конструкции канат необходимой прочности и определить его диаметр, нужно знать натяжение ходовой струны при максимальной нагрузке (допустимой нагрузке на крюке по ГОСТ I ) S хк Р, (2.2) i тс тс где S хк - натяжение ходовой струны, кн; Р - допустимая нагрузка на крюке, кн; i тс - кратность оснастка; η тс - КПД талевой системы. Учитывая, что по правилам безопасности в нефтегазодобывающей промышленности допускаемый запас прочности при максимальной статической нагрузке должен быть [К] = 3, определяем агрегатную разрывную прочность каната по формуле (2.1). Зная величину агрегатного разрывного усилия Р а, по таблице основных параметров канатов легко определить, задавшись пределом прочности проволоки, какой диаметр каната необходим для заданной талевой системы. Далее необходимо проверить какой запас прочности будет иметь канат при максимальной массе бурильных труб при спуске самой тяжелой, обсадной колонны. Длина каната, необходимая для оснастки талевой системы буровой установки, определяется по формуле (2.3) [ I ], стр
29 Dш к Н iтс 2 iтс 1 С0 Сn, (2.3) 2 где. Н - высота вышки, м; i тс - кратность оснастки; D ш - диаметр шкива талевой системы; С 0 = м - длина витков «безопасности», остающихся, на барабане лебедки при крайнем нижнем положении талевого блока; С п - длина каната оставленная на бухте для выполнения операции по перепуску каната. Высота вышки определяется исходя из требований, обеспечивающих безопасность спускоподъемных операций: Н = h 1 + h 2 + h 3 + h 4, (2.4) где h 1 =1,2 1,5 м - высота подъема свечи над полом буровой с учетом высоты ротора; h 2 - длина свечи, м; h м - длина штропов крюка талевой системы, м; h 4 = 7м - запас высоты между кронблоком и талевым блоком (из соображений безопасной работы). 2.6 Порядок выполнения работы К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, отчитавшиеся перед преподавателем по теоретическим вопросам (см. контрольные вопросы). Лабораторная работа выполняется каждым студентом самостоятельно в соответствии с вариантом индивидуального задания. Номер варианта определяется, преподавателем либо соответствует последней цифре номера зачетной книжки. Выполнение лабораторной работы состоит из следующих этапов: - измерение геометрических размеров и изучение конструкции каната по образцу, соответствующему индивидуальному заданию; - выбор типа и конструкции каната для буровой установки заданного класса; - определение диаметра и длины каната для буровой установки заданного класса; - заполнение лабораторного журнала и отчета по лабораторной работе; - отчет преподавателю о выполненной лабораторной работе. 29
30 2.7 Требования к содержанию отчета Все измерения, исследования и результаты расчетов заносятся в журнал лабораторных работ по дисциплине «Буровые машины и комплексы» (для специализации 5В072400). Формы таблиц журнала приведены в приложениях В заключении отчета студент в произвольной форме излагает результаты выполненной работы и короткий комментарий. После отчета по результатам выполненной работы преподаватель допускает студента к выполнению следующей лабораторной роботы. 2.8 Контрольные вопросы 1. Назовите виды свивок канатов. 2. Как обозначаются канаты с различными, видами касания проволок? 3. Что означают буквы 0, Р, 3 в обозначении типов канатов? 4. Как обозначаются различные типы сердечников канатов? 5. Какие марки (по механическим свойствам) проволок используются, для изготовления канатов? 6. Что обозначают шифры Г и ГЛ в обозначении типов канатов? 7. Какие виды покрытий применяют для повышения коррозионной стойкости канатов и как они обозначаются? 8. Чем отличаются канаты правой и левой свивки? 9. Когда следует применять канаты правой, а когда - левой свивки? 10. Чем отличаются канаты крестовой, односторонней и комбинированной свивок? Как их отличить по внешнему виду? 11. Почему в бурении применяются канаты только крестовой свивки? 12. Напишите пример обозначения конструкции начата и назовите значение составляющих его элементов 13. Напишите пример условного обозначения каната по ГОСТу и назовите значение составляющих его элементов 14. Какие марки стали используются для изготовления проволок канатов и каково содержание углерода в этих марках? 15. Как правильно замерить диаметр каната? 16. Как определить шаг свивки каната? I7. По какой нагрузке определяется запас прочности каната? I8. Каков запас прочности должен быть в процессе бурения? 19. Какой запас прочности допускается при спуске обсадной колонны? 20. Кто дает письменное разрешение на спуск обсадной колонны? 21. Напишите формулу для определения натяжения ходовой струны каната. 22. Как определить длину каната, необходимого для оснастки талевой система буровой установки? 23. Расскажите порядок выполнения лабораторной работы. 30
31 Список литературы 1 Баграмов Р.Л. Буровые машины и комплексы. Учебник для вузов. - М.: Недра, с. 2 Букштейн М.А. Стальные канаты нефтегазодобывающей промышленности. - М.: Недра, с. 3 Мархель И.И. Крановые канаты.- М.: Машиностроение, с. 4 ГОСТ Установки буровые комплектные для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения. Основные параметры.- М. Издательство стандартов, Канаты стальные. Сортамент. Сборник стандартов. М.: Издательство стандартов,
32 Приложение 2.1 Материалы и инструмент, необходимые для выполнения лабораторной работы 2 - Выбор каната. 1 Отрезки талевого каната различных диаметров, и конструкций, а также типов (индивидуально каждому студенту - не менее 12 образцов). 2 Штангенциркуль с пределом измерения, на менее 150 мм и точностью не менее 0,10 мм. 3 Микрометр винтовой или оптический с пределами измерения от 0 до 25 мм. 4 Линейка, измерительная, металлическая длиной не менее 250 мм. 5 Канаты стальные. Сортамент. Сборник государственных стандартов, М.: Издательство стандартов, 1980 г. 6 Стальные канаты. Демонстрационный стенд з лаборатории нефтяного оборудования (ауд. 706 нк). 7 Журнал для лабораторных работ по буровому оборудованию - каждый, студент подготавливает до начала лабораторных занятий. В журнал должны быть внесены разделы, соответствующие приложениям
33 33 Приложение 2.2
34 Приложение 2.3 Исходные данные Для выполнения индивидуального задания по лабораторной работе «Выбор талевого каната» 34
35 Приложение 2.4 Результаты исследования натурного образца стального каната В результате исследования натурного образца каната студент должен определить: - тип и конструкцию исследованного каната; - номер государственного стандарта, по которому он изготовлен (или соответствует по внешним признакам); - максимальную и минимально возможную величину разрывного усилия каната в целом и суммарное всех проволок в канате (в соответствии с требованиями ГОСТа для всех маркировочных групп прочности); 35
36 - условное обозначение (возможное) для исследованного каната в соответствии с определенным в процессе исследования ГОСТом. Описав в конце отчета по лабораторной работе полученные результаты, студент определяет, какое усилие должен создать стенд для испытания данного каната на разрыв. При наличии испытательного стенда производится испытание каната в целом до разрушения. Приложение 2.5. Выбор талевого каната буровой установки 36
37 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 ИЗМЕРЕНИЕ УСИЛИЙ НАТЯЖЕНИЯ ТАЛЕВОГО КАНАТА БУРОВОЙ УСТАНОВКИ 3.1 Цель и задачи лабораторной работы В результате выполнения лабораторной работы осуществляется: - изучение механизма для крепления неподвижной струны каната буровой установки (реверсора); - изучение системы измерения усилий натяжения талевого каната буровой установки; - изучение устройства и принципа действия контрольно-измерительных приборов системы измерения и регистрации усилий, действующих на талевый канат; - испытание измерительной системы, регистрация и обработка результатов измерения усилий. 3.2 Методические указания по подготовке к лабораторной работе Лабораторная работа выполняется после изучения теоретического материала по курсу лекций, посвященных талевой системе буровых установок, и учебнику [2], а также выполнения лабораторных работ 1 и 2 предлагаемых данными методическими указаниями. Перед занятиями необходимо по настоящему лабораторному практикуму изучить все разделы лабораторной работы 3. Уяснить конструкцию и принцип действия лабораторного стенда для измерения усилий натяжения талевого каната буровой установки (п.1.4 настоящих методических указаний). Необходимо наметить план испытания измерительной системы стенда и подготовить журнал для регистрации результатов измерения усилий (см. приложение 3). После отчета преподавателю по теоретическим основам и методике выполнения лабораторной работы студент получает допуск к выполнению экспериментов. Эксперимент осуществляется двумя студентами по варианту, заданному преподавателем. Перед работой необходимо получить у мастера или преподавателя необходимые измерительные приборы, инструменты и приспособления в соответствии с приложением Теоретические сведения Измерение усилий, действующих на талевую систему буровой установки, осуществляется на неподвижном конце каната, закрепленного на специальном механизме-реверсоре 6 на рисунке 3.1. Этот механизм обеспечивает удобство и быстроту смены и перепуска талевого каната. 37
38 Реверсор обычно оснащается датчиком веса тензометрического или гидравлического типа. Сигнал от этого датчика через электронный усилитель поступает к автоматической системе регулятора подачи долота (РПДЭ) буровой лебедки, который обеспечивает либо постоянную, заданную бурильщиком нагрузку на долото, либо необходимую скорость подачи колонны бурильных труб на забой. С устройством реверсора необходимо ознакомиться по учебнику [2], с и плакату, имеющемуся в лаборатории. Для того чтобы по нагрузке, действующей на неподвижную ветвь талевого каната, определить нагрузку на крюк или вышку буровой установки, необходимо знать оснастку талевой системы. При изменении оснастки, очевидно, изменится цена деления измерительных приборов гидравлического индикатор» веса (ГИВ-6) изображенного на рисунке 3.1. Нагрузка на крюке буровой установки будет равна Q = P х n (3.1) где Q - нагрузка на крюке, кн; Р - усилие натяжения неподвижной ветви каната, кн n - число рабочих струн талевого каната (удвоенное число шкивов талевого блока). Для определения нагрузки на вышку необходимо умножить величину натяжения каната на (n + 2) т.е., учесть натяжение неподвижного и ходового концов каната, наматываемого на барабан лебедки. Нагрузка на вышку определяется по формуле Q в = Р х (n +2) (3.2) Оснастка талевой системы задается каждому студенту перед выполнением лабораторной работы как вариант. В зависимости от чувствительности датчика веса 5 на рисунке 3.1 (замененного на стенде динамометром 5), можно изменить действующую на него нагрузку за счет изменения величины плеча, сместив точку подвески датчика 8. Состав стенда для измерения усилий, изображенного на рисунке штурвал ручной лебедки; 2 - ручная лебедка; 3 - барабан реверсора; 4 - упор барабана реверсора; 5 - датчик усилий (динамометр); 6 - рама реверсора; 7 - рычаг реверсора; 8 - отверстия для подвески датчика усилий (динамометра); 38
39 9 - зажим для крепления конца каната; 10 - конец каната; 11 - стойка стенда; 12 - трансформатор давления; 13 - шток трансформатора давления; 14 - динамометр, измеряющий натяжение каната; 15 - шкив кронблока; 16,17 - оси для подвески датчика усилий (динамометра); 18 - трубка гидравлической измерительной системы; 19 - панель гидравлического измерителя веса; 20 - запорный вентиль; 21 - вороток винтового пресса; 22 - пресс бачок; 23 - основной измеритель; 24 - верньерный указатель; 25 - манометр самопишущий; 26 - ось подшипника качения; 27 - неподвижный конец талевого каната. 39
41 3.4 Описание лабораторного стенда Лабораторный стенд для измерения усилия натяжения талевого каната буровой установки изображен на рисунке 3.1. Он состоит из реверсора 6, ручной лебедки 2, шкива 15, установленного на стойке 11, гидравлического индикатора веса, смонтированного на панели 19, с трансформатором давления 18, на неподвижном конце стального каната 27. Трансформатор давления соединен с измерительными приборами гидравлического индикатора веса (ГИВ-3) стальной трубкой 18. Реверсор-механизм для крепления неподвижной ветви каната талевой системы типа МПКД-1 изготовлен по ТУ Волгоградским РМЗ. Он имеет раму со стойкой 6 и осью подшипника качения 26. На оси смонтирован рычаг 7 с барабаном 3, вращение которого стопорится упором 4. На конце рычага с помощью зажима 9 крепится конец каната 10. Стальной канат 27 после нескольких витков на барабане 3 через шкив 15 соединяется с ручной лебедкой 2. На канате установлен механический динамометр 14, фиксирующий усилие натяжения, создаваемого поворотом штурвала 1 ручной лебедки 2. Натяжение каната создает нагрузку на шток 13, деформирующий резиновую мембрану, находящуюся в корпусе трансформатора давлений 12. За счет этого под мембраной создается давление жидкости, фиксируемое основным указателем 23, верньерным указателем 24 и самопишущим манометром 25. Вместо тензометрического или гидравлического датчика, устанавливаемого на реверсоре в процессе бурения, на стенде для измерения усилия натяжения талевого каната установлен механический динамометр 5. Величина усилия, растягивающего этот динамометр-датчик, зависит от усилия натяжения талевого каната и соотношения плеч а и b. Перемещая точку подвески динамометра 5, можно изменять плечо b рычага. Скобы подвески динамометра-датчика фиксируются в отверстиях 8 рычага 7 от станины реверсора осями 16 и Организация труда и требования техники безопасности при выполнении работ К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности. Порядок инструктажа и регистрации приведены в лабораторной работе 1. Для выполнения работы преподаватель организует бригады студентов по 2-3 человека и выдает индивидуальное задание каждой бригаде, получившей допуск для выполнения; после отчета по теоретическим основам и методике выполнения лабораторной работы. Создание нагрузок на канат с помощью ручной лебедки осуществляется под наблюдением учебного мастера или преподавателя. При этом величина максимальной нагрузки, зафиксированной динамометром 14 (рисунок 3.1), не должна превышать 5 кн. 41
42 Обработка экспериментальных данных и оформление отчета осуществляются каждым студентом самостоятельно. После оформления отчета и его защиты студент допускается к заполнению следующей лабораторной работы. 3.6 Вопросы для самопроверки 1) Для чего предназначен реверсор? 2) Как зависит усилие натяжения неподвижного конца каната от оснастки талевой системы? 3) Как определить по усилию натяжения неподвижного каната нагрузку на вышку буровой установки? 4) Из каких приборов и узлов состоит гидравлический индикатор веса ГИВ-6? 5) Для чего меняется точка подвеса динамометра-датчика 5 на рычаге 7 реверсора? 6) Каково назначение упора 4 на рисунке 1? 7) За счет чего создается давление в гидравлической системе индикатора веса ГИВ-6? 8) Чему равна максимальная нагрузка на канат при выполнении лабораторной работы? 9) Как по усилию натяжения неподвижного конца каната определить нагрузку на крюке буровой установки? 10) Где устанавливается датчик усилий, регулирующий работу двигателя регулятора подачи долота (РПДЭ)? 3.7 Порядок выполнения работы 1) Выполнить методические указания по подготовке к работе (см, п. 1.2.). 2) Отчитаться преподавателю по теоретическому материалу, методике и технике лабораторного эксперимента. Получить допуск к выполнению данной работы и вариант индивидуального задания по приложению. 3) Получить у мастера или преподавателя инструмент и приспособления в соответствии с приложением 1. 4) Проверить фиксацию от поворота барабана реверсора упором 4. 5) Установить динамометр-датчик 5 (см. рисунок 3.1) в соответствий с заданным плечом b. 6) Убедившись в исправности лабораторного стенда и готовности бригады студентов к выполнению эксперимента, получить у мастера или преподавателя разрешений на создание нагрузки с помощью штурвала 1 ручной лебедки 2. 7) постепенно увеличивая, усилие натяжения талевого каната через 0,5 кн, записать в журнале показания динамометра 14, фиксирующего усилие натяжения каната и динамометра-датчика усилии 5. При достижении 42
43 максимального усилия 5,0 кн на динамометре 14 прекратить увеличение нагрузки. 8) Уменьшая усилие натяжения каната через каждые 0,5 кн, записать в журнал показания динамометров 14 и 5. 9) Повторить эксперименты 7) и 8) и записать в журнал их результаты. Если при первом и втором нагружении величины нагрузок идентичный, эксперименты следует прекратить и приступить к обработке экспериментальных данных. В случае расхождения показателей при повторных нагружениях найти и устранить причину, вызывающую погрешность измерений. 10) После завершения обработки экспериментальных данных отчитаться и получить оценку за выполненную работу у преподавателя. После зачета студент может быть допущен к следующей лабораторной работе. 3.8 Обработка экспериментальных данных и оформление отчета В процессе эксперимента все замеры фиксируется в «Журнале для лабораторных работ» (см. приложение 3.3). После завершение лабораторного эксперимента необходимо проанализировать и произвести математическую обработку полученных результатов. В результате эксперимента должны быть установлены: - величина нагрузки на крюке буровой установки при заданной оснастке талевой системы; - необходимые пределы измерения датчика усилий при заданной нагрузке на крюке и точке подвески датчика; - погрешность измерений в данном эксперименте. 43
44 Приложение 3.1 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ, ИНСТРУМЕНТ И ПРИСПОСОБЛЕНИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ 3 1. Лабораторный стенд для измерения усилий натяжения талевого каната буровой установки (рисунок 1). 2. Измерительная линейка длиной 1 м. 3. Штангенциркуль. Приложение 3.2 Исходные данные для выполнения индивидуального лабораторного задания Параметры 1.Оснастка талевой системы 2.Номер точки подвеса датчика усилий на реверсоре (слева направо) Номер варианта работы х4 4х5 5х6 6х7 7х8 2х3 3х4 4х5 5х6 6х
45 Приложение 3.3 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра машины и оборудование нефтегазовой промышленности ЖУРНАЛ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО КУРСУ «Машины и оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин на суше» для специальности 5В «Технологические машины и оборудование для нефтегазовой промышленности Студент группы Кафедры МОНГП Фамилия студента Преподаватель Алматы
46 Продолжение Приложения 3.3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 Измерение усилие натяжения талевого каната буровой установки Таблица п Исходные данные для лабораторной работы Параметры Величина 1 Оснастка талевой системы буровой установки (определена вариантом индивидуального задания) 2 Номер точки подвеса датчика усилий - динамометра (в соответствии с индивидуальным заданием) 3 Диаметр барабана реверсора, мм 4 Диаметр каната, мм 5 Плечо а, мм 6 Плечо b,мм 7 Цена одного деления динамометров, кн 8 Предел измерения динамометров, кн 9 Класс точности динамометров Продолжение Приложения 3.3 Таблица п Результаты экспериментальных замеров Усилие на датчике Усилие натяжения конца каната, кн усилий реверсора, кн 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 1 опыт 1 увеличение нагрузки 2 уменьшение нагрузки 2 опыт 1 увеличение нагрузки 2 уменьшение нагрузки 3 опыт 1 увеличение нагрузки 2 уменьшение нагрузки Эксперимент провел студент гр. НМ- Ф. И. О. 20 г. 46
47 47 Продолжение Приложения 3.3
48 Продолжение Приложения 3.3 Результаты математической обработки экспериментальных данных Параметр Значения 1 Предельное усилие натяжения конца каната, кн 2 Предел измерении нагрузки на крюке буровой установки при оснастке - х, кн 3 Погрешность измерения нагрузки на крюке в процентах (+, -) 48
49 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4 ИСПЫТАНИЕ И ТАРИРОВКА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ВЕСА 4.1 Цель и задачи лабораторной работы Во время выполнения лабораторной работы осуществляется: - изучение устройства и принципа действия гидравлического индикатора веса ГИВ-6; - испытание гидравлического индикатора веса и тарировка измерительных приборов; - определение веса инструмента на крюке буровой установки и нагрузки на вышку при различной оснастке талевой системы; - оценка точности измерений, полученных при испытании; - определение нормативных метрологических характеристик измерительной системы. 4.2 Подготовка к лабораторной работе Перед занятиями необходимо ознакомиться и выполнить требования п настоящих методических указаний. Выполнить и отчитаться за лабораторную работу 3. Ознакомиться с устройством и принципом работы гидравлического индикатора веса ГИВ-6 (см. п. 4.3). Подготовить лабораторный журнал для записи испытаний и ответить на вопросы для самопроверки (см.4.5). 4.3 Устройство и принцип работы гидравлического индикатора веса Гидравлический индикатор веса ГИВ-6 (в дальнейшем индикатор) предназначен для индикации и регистрации натяжения неподвижного конца талевого каната при бурении, подземном и капитальном ремонте скважин. Измерительные приборы и узлы индикатора см. на рисунке 3.1. Он состоит из трансформатора давления 12, основного указателя 23, верньерного указателя 24 и самопишущего манометра 25. Все измерительные приборы соединены между собой и трансформатором давления медной трубкой 18. Для заполнения гидравлической системы жидкостью используется прессбачок 22. Заполнение пресс-бачка осуществляемся при крайнем верхнем расположении поршня, поднимаемого вращением против часовой стрелки рукоятки винта 21. При заполнении жидкостью гидросистемы воздух из неё выпускается через специальную пробку в корпусе трансформатора давления 12. После заполнения всей гидросистемы жидкостью она закрывается вентилем 20. Натяжение перегнутого каната 27 определяет усилие, действующее на шток 13. Пропорционально этому усилию под разделительной резиновой мембраной трансформатора создается давление, 49
50 которое фиксируется основным и верньерным указателями и самопишущим манометром. Основной указатель 23 имеет шкалу, состоящую из 100 равных делений. В штуцере прибора помещен дроссель, сглаживающий резкие колебания давления. Верньерный указатель имеет З60 - градусную шкалу с 40 не оцифрованными делениями. При максимальном давлении 1,0 МПа его стрелка поварачивается на 180 (пять полных оборотов). Чувствительность верньерного указателя в 6-7 раз превышает чувствительность основного указателя. Верньерный указатель предназначен для уточнения показаний индикатора при измерении нагрузки на долото. Регулировка пределов измерения усилий натяжения канатов производится изменением угла преломления каната за счёт установки прокладок между канатом и штоком 13. После испытания и тарировки индикатора службой контрольноизмерительных приборов (КИП) производится пломбирование основного и верньерного указателей и трансформатора давления. Гидравлическая система индикатора заполняется кипяченой отфильтрованной водой с 1% хромпика, добавляемого для защиты от коррозии. В зимнее время система заполняется незамерзающей жидкостьюденатурированным этиловым спиртом или смесью его с глицерином (по одной части). 4.4 Метрологические характеристики измерительной системы Для аттестации измерительной системы стенда необходимо установить: - рабочий диапазон измерений; - класс точности; - основную и дополнительную погрешности; - градировочную характеристику; - чувствительность или коэффициент передачи. Рабочий диапазон измерений Рабочий диапазон измерений стенда определяется максимально допустимой нагрузкой на крюке буровой установки в зависимости от оснастки талевой системы. При этом натяжение каната с помощью ручной лебедки 2 не должно быть больше пределов измерения динамометра 14 (5 кн). Если измерения производятся от нуля шкалы основного 23 и верньерного 24 указателей и самопишущего прибора 26, то рабочий диапазон Y будет равен Y= Y мак (4.1) 50
51 В случае, когда до начала нагружения приборы показывали начальную величину, отличную от нуля, т.е. У мин., то рабочий диапазон измерений будет равен Y= [Y мак - Y мин ] (4.2) Класс точности Класс точности прибора или измерительной системы выражается целым или дробным числом К, которое выбирается ив ряда рекомендуемых стандартом чисел (0.5; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6)х10 n, где n=1; 0; -1; -2. Допускаемая при измерениях погрешность определяется по формуле = KY/100% (4.3) где - допускаемая погрешность измерения; К - класс точности измерительного прибора (ИП) или системы (ИС); Y - рабочий диапазон измерений ИП или ИC. Если входной сигнал X и основная допускаемая погрешность ИО или ИП связаны линейной зависимостью, то класс точности измерительной системы задается в виде дроби К = К 1 /К 2 (4.4) Основная допускаемая погрешность при этом определяется по формуле = (K 1 - K 2 )y + K 2 Y/100% (4.5) где Y - рабочая диапазон измерений; у - результат измерения; К 1 - класс точности образцового прибора (динамометра 14); К 2 - класс точности измерительной системы (указателей ГИВ-23, 24 или 25). В паспорте прибора указывается либо его класс точности и рабочий диапазон, либо непосредственно основная допускаемая погрешность. Основная допускаемая погрешность может быть также выражена в относительных единицах δ = ( /y ) x 100% (4.6) где у - результат измерения - выходной сигнал (нагрузка на крюке буровой установки); - допускаемая погрешность измерений в абсолютных единицах (кн). 51
52 Градуировочная характеристика Градуировочная характеристика - это функциональная зависимость выходного сигнала у от выходного х, осуществляемая ИС или ИП. Эта характеристика может быть задана аналитически, графически или в виде таблицы. Градуировочная характеристика может быть у реальных измерительных приборов «систем линейной и нелинейной (см. рисyнок 4.1 и 4.2). Во всех случаях предпочтительной является линейная градуировочная характеристика. Рисунок 4.1 Градуировочная характеристика измерирительного прибора с постоянной линейной зависимостью Рисунок 4.2 Градуировочная характеристика измерительного прибора с переменными допускаемыми погрешностями 52