CC BY
5DOI: 10/31660.0445-0108-2018-6-119-123
УДК 621.86.065.4+531
УСТРОЙСТВО УСТЬЕВОЙ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ ЗАСЛОНКИ ДЛЯ ДОБЫЧНЫХ СКВАЖИН ГАЗА
С. В. Марфицын1, А. В. Марфицын2, В. П. Марфицын1
1ПК «Уралец», г. Курган, Россия 2ООО «Энерготехстрой», г. Курган, Россия
Аннотация. В работе рассматриваются конструкция и расчет устьевой заслонки для добычи из скважин газа с применением патента RU 2416751С1.
Ключевые слова: устройство; газовая заслонка; преимущества
THE DEVICE WELLHEAD CONTROL VALVE FOR GAS PRODUCTION WELLS S. V. Marfltsyn1, А. V. Marfltsyn2, V. P. Marfltsyn1
1СС «Uralec», Kurgan, Russia 2LLC «Energotechstroy», Kurgan, Russia
Abstract. The article discusses the design and calculation of wellhead valves for production from gas wells with the application of the patent RU 2416751С1.
Key words: device; gas flap; advantages
Введение
Газовые и газоконденсатные месторождения залегают в земной коре на различных глубинах — от 250 до 10 000 м и более. Газовые скважины эксплуатируются в течение длительного времени в сложных и изменяющихся условиях. Давление газа в скважине может достигать 100 МПа, а температура газа достигает 523 °К. Долговечность работы скважин определяется их конструкциями.
Конструкция скважины должна обеспечивать доведение скважины до проектной глубины; осуществление заданных способов вскрытия продуктивных горизонтов и методов их эксплуатации; предотвращение осложнений в процессе бурения и эксплуатации; ремонт скважины; выполнение исследовательских работ; минимум затрат на строительство скважины как законченного объекта в целом1.
Расчет устьевой регулирующей заслонки по патенту RU 2416751С1 от 14.06.2009
Устьевая регулирующая заслонка предназначена для постепенного открытия устья скважины ручным управлением, а также для регулирования газа, поступающего в выходную линию газопровода. Она состоит из штурвала, управляемого двумя операторами, вала с шестерней на конце, зубчатого колеса, винтовой передачи и раскрывающихся захватов (рисунок) [1].
В начальный момент времени заслонка закрыта. По мере поступления газа из скважины, вращением штурвала заслонка постепенно открывается и по мере достижения заданного расхода газа сохраняет определенное положение. Прекращение подачи газа достигается вращением штурвала в противоположном направлении. В процессе работы скважины возможно ручное регулирование подачи газа в выходную линию газопровода.
1 Способы эксплуатации газовых скважин. [Электронный ресурс]. — Режим доступа:
https://lektsia.com/1x702c.html (дата обращения: 20.06.2018).
Рисунок. Общий вид устройства устьевой заслонки:
1 — напорная компрессорная труба; 2 — изобретение к патенту RU 2416751С1: затвор повышенной герметичности; 3 — пружина; 4 — редуцирующий клапан; 5 — штурвал; 6 — отборный патрубок; 7 — монтажный люк
Для примера рассмотрим фланцевое соединение. £>у — условный диаметр (200 мм); Ру — условное давление (100 МПа).
Внутренняя расчетная площадь заслонки
S = ^ = ^ = 0,0314 м2.
4 4 '
Сила давления на заслонку
F = 100 МПа • 0,0314 м2 = 3 140 000 Н.
Расчетная сила, действующая на заслонку, 3,14 МН.
Такие большие усилия предъявляют повышенное требование к прочности резьбы. Поэтому применяется резьба упорная усиленная 2
Кинематическая схема устройства заслонки представляет собой следующую цепочку: к штурвалу диаметром 1 м, управляемому двумя операторами, прикладывается момент, равный 700 Н • м [2]. Этот момент через шестерню с диаметром делительной окружности 0,07 м передается на зубчатое колесо с диаметром делительной окружности 1,5 м. При этом первоначальный момент 700 Н • м увеличивается в 21,428 раза — до величины 14 999,6 Н • м.
Определим усилие в резьбе по патенту RU 2416751С1.
2 ГОСТ 13535-87. Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба упорная усиленная 45° - Введ. 1988-07-01. - М., 2003. - 22 с.
120
Нефть и газ
№ 6, 2018
Момент в резьбе [3]
Мр = о-^^^ё (f + р), (1)
где Q — продольная сила в резьбе; £>2 — средний диаметр резьбы (£>2 = 638,59 8 мм ~ 0,6386 м); / — угол подъема резьбы ^ = 5°12'); р = 0,42'— угол самоторможения (при скольжении стали по стали при смазке и коэффициенте трения равном 0,09). Определим продольное усилие в резьбе
_ Mp 14 999,6
Q = d2 / , = = 470 206,896 Н.
-f-tgOE + р), -Ч3— 0:1
Усилие, действующее со стороны кольца на захваты,
F = = 47-20-896 = 4 499 587,521 Н.
sin 6° 0,1045 '
То есть с применением наружного кольца со скосом 60 усилие увеличивается в 9,569 раза. Таким образом, усилие, создаваемое устройством заслонки, равно в 4,4995 больше усилия, действующего на захват в
4,4995
4:4995 = 1,432 962 раза.
3,14 ' ^
При диаметре скважины 300 мм и давлении 100 МПа площадь трубы будет 0,07065 м2, а усилие давления на заслонку будет составлять
100 МН г,„,ГЛ,ггт
—2— = 7,065 МН.
м2
Если увеличить диаметр штурвала до 2 м, то усилие, создаваемое заслонкой, увеличится, соответственно, в 2 раза, то есть будет равно 4,499 • 2 = 8,998 МН, и
.. 8,998 ,
запас по герметичности будет об5 = 1,2736 раза.
Определим необходимое количество захватов из условия их прочности. Согласно международному стандарту ANSI/API 6A-2003 (п. 4.3.3.2), а также ASME (раздел VII, глава 2, приложение 4). Допускаемое напряжение
[б] = 2 бт, (2)
где бт — предел текучести материала. Условие прочности захвата
б < [б], (3)
где [б] — допускаемое напряжение ([б] — 566,666 ~ 567 МПа). Максимальное напряжение бтах в захвате
б = M
Umax w'
где М — момент, действующий на захват; W — момент сопротивления захвата. W = — = 0,0000334, где b = 0,02 м, h = 0,1 м.
Расчет для насосно-компрессорной трубы (НКТ) диаметром 200 мм и 300 мм
Для НКТ = 200 мм.
Усилие, действующее со стороны кольца на захваты,
F = 4,499587 МН.
Примем количество захватов — 28. Усилие, передаваемое на один захват,
4,999587МН _ , _ _
4:-= 0,1607 МПа.
28
Изгибающий момент, действующий на захват,
0,1607 МН • 0,114 м = 0,018304 МН • м Максимальное напряжение в захвате
_ 0,018304 МНм . - „ „г^-чт
б = 0-3 = 549,175 МПа < 567 МПа
0,00003333 м3 '
Условие прочности захвата выполнено. Для НКТ = 300 мм.
Усилие, действующее со стороны захватов,
F = 7,065МН • м
Примем количество захватов — 44. Усилие, передаваемое на один захват,
^^ = 0,160568 Н.
44
Момент, действующий на один захват,
0,1607 Н • 0,114 м = 0,018304 Н • м.
Напряжение в захвате
0,018304 МНм
б = 0-3 = 549,175 МПа < 567 МПа.
0,00003333 м3
Условие прочности выполнено.
Материал захвата — сталь 30ХГСА с пределом текучести 835 МПа.
Выводы
• Обеспечивается простота и надежность устройства заслонки.
• Пружина, стоящая над заслонкой, обеспечивает плавность включения газовой скважины.
• Конструкция устройства регулирующей заслонки такова, что она не открывается полностью по всему сечению НКТ, а обеспечивает прохождение газа по цилиндрическому зазору между заслонкой и верхним выходным срезом НКТ.
• Универсальность конструкции захвата позволяет использовать его для любых диаметров, при этом форма и размеры захвата остаются постоянными, меняется только их количество.
122 Нефть и газ № 6,2018
Библиографический список
1. Марфицын В. П., Марфицын А. В., Марфицын С. В. Изобретение к патенту Ии 2416751С1 от 14.06.2009. Затвор повышенной герметичности и вибрационной стойкости с усиленным стопорением и разгрузочным круговым кольцом для сосудов и аппаратов, работающим под внутренним и наружным давлением.
2. Гуревич Д. Ф., Шпаков О. Н. Справочник конструктора трубопроводной арматуры. - Л.: Машиностроение: Ленинградское отделение, 1987. - 518 с.
3. Сборник задач и примеров по курсу деталей машин: учеб. пособие для машиностроительных техникумов. - 4-е изд., перераб. - М.: Машиностроение,1974. - 288 с.
Сведения об авторах
Марфицын Сергей Владимирович,
председатель ПК «Уралец», г. Курган, е-шай: delta-ku щап@уа^ех. ги
Марфицыт Андрей Владимирович, директор ООО «Энерготехстрой», г. Курган, е-шай: entechstroy@шail. ги
Марфицыт Владимир Петрович, заместитель директора по научным исследованиям и конструированию, ПК «Уралец», г. Курган, е-шай: delta-kurgan@yandex.ru
Information about the authors Marfitsyn S. V., Chairman of CC «Uralec», Kurgan, e-mail: delta-kurgan@yandex.ru
Marfitsyn A. V., Director, LLC «Energotechstroy», Kurgan, e-mail: entechstroy @mail.ru
Marfitsyn V. P., Deputy Director for Scientific Research and Design, CC «Uralec», Kurgan, e-mail: delta-kurgan@yandex.ru
DOI: 10/31660.0445-0108-2018-6-123-131
УДК 658.588:622.691.4.052.012
РАСЧЕТ РЕЖИМОВ РАБОТЫ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ С ТУРБОПРИВОДНЫМИ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИМИ АГРЕГАТАМИ
С. И. Перевощиков
Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, Россия
Аннотация. Предложена методика расчета режимов работы турбоприводных газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и содержащих их компрессорных станций (КС), обеспечивающая наиболее экономичные режимы работы с минимально возможным и относительно запланированным износом, а также при минимально возможном расходе энергии. Применение данной методики в рамках автоматической системы управления технологическими процессами способно придать ГПА и содержащим их КС свойства самоуправляемых систем, способных в автоматическом режиме производить самодиагностику и изменение режимов работы по результатам диагностики.
Ключевые слова: параметрическая диагностика; газоперекачивающие агрегаты; оптимизация износа; снижение энергозатрат
THE CALCULATION OF OPERATING MODES OF COMPRESSOR STATIONS WITH TURBO-DRIVEN GAS-PUMPING UNITS
S. I. Perevoschikov
Industrial University of Tyumen, Tyumen, Russia
Abstract. The article is devoted to the description of the author's method of calculating the operating modes of turbo-driven gas-pumping units and compressor stations containing them. The proposed calculating method provides the most economical operating modes with the lowest possible and relatively planned equipment wear, as well as with the lowest possible power consumption. The application of this method of calculating in the framework of an automatic process control system is able to give gas-pumping units and compressor stations containing them the properties of self-governed systems that are able to automatically self-diagnosis and change modes according to the diagnosis results.
