Типы и конструкции талевых канатов

Существует большое разнообразие конструкций канатов, свитых из стальных проволок, различных как по форме поперечного сечения (круглые, плоские, овальные и др.), так и по конструкции отдельных прядей и их навивки (число элементов, свитых в канате, род их свивки, диаметр проволоки и др.).

В талевых системах буровых установок используются стальные канаты только круглого сечения двойной свивки из одинаковых канатов, называемых прядями (рис. З).

Стальные талевые канаты (рис. .4) изготовляют различной конструкции: крестовой свивки правой и левой, обозначаемые соответственно символами «Z» и «S». При этой свивке проволоки в прядях свиваются в одну сторону, а пряди вокруг сердечника в другую. В талевых системах для эксплуатационного бурения более распространены канаты правой крестовой свивки, изготовленные из высокоуглеродистой высокомарганцовистой канатной стальной проволоки с пределом прочности 1766— 1960 МПа.

Пряди изготовляют из разного числа слоев проволок (рис. 5). Трехслойная, простой конструкции (1+6+12+18 = 37) из проволок одного диаметра в слоях, свитых вокруг одной центральной проволоки-сердечника — тип ТК (рис. 5, а); Двухслойная с одинаковым числом (1+9+9 = 19) проволок разного диаметра ₁ , ₂ , ₃ в каждом слое — тип ЛК (рис.5,б); трехслойная с промежуточным слоем для лучшего заполнения сечения, состоящего из проволок двух диаметров ₁ и ₂ (1 + (6+6) + 12 = 25, рис. 5, в]; двухслойная с внешним слоем из проволок различного диаметра ₁ и ₂ и внутреннего слоя ₃ [1 +6+ (6+6) = 19, рис. 5, г]. Существуют и другие типы конструкции.

В прядях группа проволок располагается по спирали вокруг сердечника в несколько концентрических слоев. Пряди каната по роду свивки изготовляют трех типов: с односторонним направлением, одинаковым углом свивки и линейным касанием проволок в слоях — тип ЛК; с одинаковым шагом свивки во всех слоях; комбинированные с разным направлением свивки по слоям. Во втором и третьем случаях проволоки в слоях перекрещиваются и происходит их точечное касание — тип ТК.

В стальных канатах двойной свивки группа прядей располагается по спирали вокруг органического или металлического сердечника. Для тяжело нагруженных талевых систем лучше применять канаты с металлическим сердечником, состоящим из семи прядей по семь проволок в каждой. Талевые канаты этого типа обеспечивают необходимую гибкость и имеют высокую поперечную жесткость.

На рис. 6 показаны сечения канатов, применяемых в талевых системах: с простой конструкцией прядей 1 с точечным касанием проволок (ТК) и органическим (О) сердечником 2 (тип ТК-О 6x1 + 18=114, рис. 6,а); с линейным касанием (ЛК) проволок в прядях 1 и органическим сердечником 2 (тип ЛК-О 6x1+9+9=114, рис. 6,б); с линейным касанием и с сердечником из стальных проволок 3 (тип 7х7=49) и свивкой прядей 1из проволок различного диаметра (тип ЛК 6x25=150+1 м. с, рис. 6, б); с прядями из проволок разного диаметра в промежуточном слое (тип ЛК-РО 6х1+6+(6+6) + 12 = 186, рис. 6, г) с сердечником из стальных проволок 3.

Канаты более жестких конструкций и большей прочности применяют для спуска тяжелых обсадных колонн, когда требуется большая прочность каната, а гибкость и износ не играют большой роли. Прочностные характеристики канатов зависят от их конструкции, диаметра и прочности проволок, на них не влияет направление свивки прядей, левое или правое.

В табл. .2 приведены данные стальных канатов, применяемых в талевых системах.

Канаты ЛК-РО 6х1+6+(6+6) + 12= 186+1 м.с. (рис.6.г) ргсшифровывают следующим образом: канат с линейным касанием (ЛК) проволок, состоящий из 6 прядей с 31-й проволокой в каждой пряди; РО — в одних слоях прядей каната проволоки одинаковой толщины, а в других слоях— разной; прядь состоит из одной центральной проволоки, шести проволок одинаковой толщины в первом слое пряди, 12 проволок разной толщины (в том числе шесть большой толщины и шесть малой толщины) во втором слое и 12 проволок одной толщины в третьем слое пряди; металлический сердечник каната обозначается 1 м.с. (состоит из семи прядей по семь проволок в каждой).

Пряди, сердечник и канат в целом смазывают в процессе свивки специальной канатной смазкой НМЗ-3 и в дополнительней смазке в процессе эксплуатации они не нуждаются.

Расчет канатов.

Согласно правилам Ростехнадзора, диаметр талевого каната выбирается в соответствии с расчетом на статическую прочность:

R_р = sР_вп (19)

где R_p— разрывное усилие каната, Н;

s > 3 — коэффициент запаса прочности при СПО (должен быть в пределах 3—5);

Р_вп — максимальное натяжение струны каната, Н.

Для спуска обсадных колонн при статических нагрузках принимают двойной запас прочности. Разрывное усилие каната (агрегатная прочность) зависит от предела прочности проволок при растяжении и определяется в зависимости от диаметра каната по таблицам или ГОСТам.

Для упрощения расчета максимального натяжения ведущей струны каната формула (9) заменяется следующей:

Р_вп = Р_тбm (20)

где: m — коэффициент, зависящий от оснастки.

Величины mдля различной талевой оснастки приведены ниже.

Натяжение ведущей струны каната Р_вп определяют из формулы (18).

2.3. Пример. При бурении скважины глубиной 2200 м с применением 127-мм труб принята оснастка 4х5 с канатом диаметром 28 мм. Необходимо сделать проверочный расчет правильности принятой оснастки.

Определяем наибольшую статическую нагрузку на подвижные струны каната талевой системы

Р_тс = Lq + ℓ_убт q_убт + G_тс ,

где: L— длина бурильных труб, м;

q - вес 1 м бурильных труб, Н;

ℓ_убт - длина УБТ, м;

q_убт — вес 1 м УБТ, Н;

G_тс— вес талевого блока, каната и крюка, Н.

В нашем случае L=2200 м; q = 280 Н/м; ℓ_убт =100 м; q_убт =1 кН; G_тс = 80 кН.

Тогда:

Р_тс = 2200 * 280 + 100*1000 + 80000 = 796 кН.

Отсюда статическая нагрузка на одну струну каната

Р = Р_тс / u_тс = 796 / 8 = 99,5 кН.

Если полученная нагрузка на канат с учетом к. п. д. шкивов меньше допустимой и ниже допустимого натяжения набегающего на барабан конца каната, то такую оснастку можно принять для работы.

Наиболее приемлемыми для буровых установок большой грузоподъемности считаются канат ЛК-РО 6х31 = 186 с металлическим сердечником 7x7 (ГОСТ 16853—79) и такой же канат с органическим сердечником, разрывное усилие которого на 12—14% меньше, чем первого. Рекомендуется также применять канаты с органическим или металлическим сердечником ЛК-М 6X25 = 150.

Задание к расчету.

Для исходных данных примера (пункт 2.3) и с учетом индивидуальных данных провести проверочный расчет правильности принятой оснастки. Индивидуальные данные (по вариантам) приведены в следующей таблице

N вар	Глубина скважины	N вар.	Глубина скважины
Примечание. Номер варианта соответствует номеру в журнале группы.

Диаметр шкивов

Зависимость диаметров шкивов талевой системы и каната выражается следующим образом:

sD_ш / d_к = 150 (21)

откуда

D_ш = 150d_к / s (22)

По нормам диаметр шкивов D_шустанавливается в зависимости от диаметра d_K (в мм) и конструкции каната.

Наиболее распространенным в отечественной и зарубежной практике бурения талевым канатом является канат конструкции 6х31. Для определения наиболее выгодного диаметра шкивов пользуются данными М. А. Букштейна:

Примечание. В отношении D_ш / d_K— первая цифра — наименьшее рекомендуемое значение, вторая цифра — минимально допустимая величина.

Диаметр барабана лебедки D_б из конструктивных решений обычно меньше диаметра шкивов талевой системы. Однако для обеспечения хорошей намотки каната на барабан отношение D_б / d_K должно быть не меньше 24.

Кронблоки и талевые блоки

Кронблок и талевый блок служат для размещения свободно вращающихся шкивов, по которым проходит канат талевой системы. Кронблок и талевый блок представляют собой конструкцию, в которой группа свободно вращающихся шкивов смонтирована на подшипниках. Оси закрепляют на раме. По числу осей и креплению кронблоки отличаются от талевых блоков. Конструкции же шкивов и их подшипниковых опор выполняются одинаковыми в обоих блоках.

Кронблоки

Кронблок устанавливают на верхней площадке вышки, называемой наголовником. Это — неподвижный элемент талевой системы. Конструкция кронблока зависит от типа вышки, действующей нагрузки и объема спуско-подъемных операций.

Шкивы 1 кронблоков монтируют на подшипниках качения 4на одной или двух соосно расположенных осях 2,установленных в опорах 3 на раме 5 (рис. 7 а, б, в) либо несоосно (рис. 7, г, д). При несоосной схеме ось 6 шкива 7, служащего для подвижной струны талевого каната, располагается перпендикулярно к оси 2остальных шкивов. Кронблоки с несоосным расположении шкивов применяют в мачтовых вышках в установках с буровой лебедкой, расположенной ниже пола буровой, для того чтобы подвижный конец каната не цеплял фермы мачты, или при использовании АСП с механизированной расстановкой свечей.

На рис. 8 показан трехсекционный кронблок с несоосным расположением осей, в котором шкив 1 с осью, перпендикулярной к оси остальных шкивов, смонтирован на опоре 2, установленной на полке рамы 3.Две секции — трехшкивная 6 и двухшкивная 4— смонтированы на опорах 5 и 7. Каждый шкив смонтирован на оси на двух цилиндрических роликоподшипниках, внешние кольца которых зафиксированы в ступице шкива пружинным кольцом, а внутренние — на оси распорными кольцами.

Смазка к подшипникам каждого шкива подается через прессмасленку по каналу, просверленному в оси.

В табл. 3 приведены характеристики кронблоков, выпускаемые по ГОСТ 25091—82 (СТ СЭВ 2450—80). Анализируя эти характеристики, можно видеть, что масса кронблоков с двумя соосными осями при нагрузках 3—5 МН на 30—80% больше, чем масса одноосных конструкций при аналогичных нагрузках. Ширина таких кронблоков на 10—15% больше, чем одноосных.

Талевые блоки.

Талевый блок, являющийся подвижной частью талевой системы, предназначен так же, как и кронблок, для выполнения СПО и других работ, необходимых при бурении скважин.

В буровых установках применяют талевые блоки двух видов: одноосные (все шкивы смонтированы на одной оси, укреп ленной в боковых щеках) и соосные с двумя осями (две сборки шкивов смонтированы каждая отдельно, а между осями оставлено пространство для пропуска свечи).

Талевый блок должен иметь минимальные габариты, особенно ширину, так как он движется внутри вышки в пространстве между пальцами магазинов с бурильными свечами, поэтому должно быть обеспечено минимальное безопасное расстояние между блоком и элементами вышки.

Одноосный талевый блок показан на рис. 9. Талевый блок обычно выполняют из двух сварных боковых щек 4, соединенных наверху полой траверсой 9, а внизу — поперечной подвеской 3, к которой с помощью пальцев 2 присоединяется подвеска 1, а в крюкоблоках непосредственно сам крюк. Эти детали составляют силовой каркас блока.

В щеках неподвижно закреплена ось 7, на которой на подшипниках качения 6 смонтированы шкивы 5. Для предохранения от смещения ось с торцов закреплена гайками 8. Шкивы 5 блока закрыты кожухами 10, снабженными прорезями для прохода струн каната.

Таблица 4

В талевых системах с применением АСП используют двухсекционные талевые блоки (рис. 10), между секциями 1 и 4 которых расположен желоб 2 с приемным конусом 3, направляющим талевый блок при его перемещении вдоль свечи. В нижней части щек вмонтированы две оси 5 для подвески траверсы 6. В траверсе установлен на упорном подшипнике стакан 7 со скобой-подвеской 8, имеющей проушины для штропов автоматического элеватора или вертлюга. Скоба-подвеска фиксируется защелкой.

В табл. 4 приведены основные характеристики талевых блоков различных конструкций (ГОСТ 25091—82 СТ СЭВ 2450—80).