Нагрузки, действующие на вышку

На вышку действуют постоянные нагрузки от ее веса, и веса смонтированного на ней оборудования, эксплуатационные нагрузки, изменяющиеся по величине в процессе бурения, и переменные нагрузки от ветра. В результате возникают вертикальные и горизонтальные усилия. Вертикальные сжимающие усилия создаются нагрузкой на крюке, весом вышки и ее оборудования, натяжением ведущей и неподвижной ветвей талевого каната. Горизонтальные нагрузки, опрокидывающие вышку, являются горизонтальными составляющими от усилий в ведущей и неподвижной ветвях талевого каната, от веса наклонно установленных за пальцем вышки свечей бурильной колонны и от действия ветра. Грузоподъемность и прочность вышки зависят от сочетания этих нагрузок.

На вышку могут действовать четыре сочетания нагрузок (рис. 3):

· вертикальные 2, 3, 4, 6 игоризонтальные нагрузки 1, 5 в процессе СПО и спуска обсадной колонны; при этом допускается ветровая нагрузка 7 на нижнюю боковую поверхность q_о = 250 Па (рис. 3а);

· ветровая нагрузка 7 на низ вышки q_о = 700 Па при полном пакете свечей за пальцем, крюк не нагружен, действуют нагрузки 2, 5 и 6 (рис. 3б);

· нагрузки на вышку 2 и 6 при СПО и ветровой нагрузке 7 q_о= 150 Па (рис. 3в);

· максимальные нагрузки на крюке 2, 3 и 4 при ликвидации прихватов, аварий или других операциях и ветровой нагрузке 7 на боковую поверхность низа вышки q_о = 150 Па (рис. 3г).

Вертикальные нагрузки

Вертикальная нагрузка на подкронблочную раму вышки:

при неподвижном крюке Р_в’ = Р_к + G_тс + 2Р_к / u_тс (1)

при движении крюка P_b^” = P_k + G_tc + 2P_k / u_{тс тс} , (2)

где Р_к — допустимая нагрузка на крюк, Н;

G_TC — вес талевой системы (крюк, талевой блок, канат и кронблок), Н;

u_тс— число струн в оснастке (кратность полиспаста);

_тс — к.п.д. талевой системы.

Усилие, действующее на более нагруженную ногу и опорный башмак при неподвижном конце каната, укрепленном у ноги вышки,

Р_н=(Р_в + G_в) / а + Р_к/ u_тс , (3)

где G_в— общий вес вышки, Н;

а — число ног вышки, для мачтовых вышек а = 2, для башенных а= 4.

Горизонтальные нагрузки

Горизонтальная составляющая силы, действующей на кронблок от натяжения ведущей и ведомой струн талевого каната:

при неподвижном крюке: Р_г’=P_к(tg ± tg ) / u_тс, (4)

при движении Р_г”=Р_к tg / u_{тс тс} - Р_{к тс} tg / u_тс, (5)

где: и - углы соответственно между ведущей и неподвижной струнами каната и вертикальной осью вышки).

Если струны закреплены противоположно друг другу, то берется знак «минус», если с одной стороны вышки у лебедки, то — «плюс».

Горизонтальная сила от действия силы тяжести свечей, установленных за пальцем рассчитывается по уравнению (6) : Р_гс = kG_сtg / 2 , в котором: k -коэффициент, учитывающий отношение расстояния от подсвечника до пальца к длине свечи ℓ; G_с — вес свечей, установленных за пальцем, Н; — угол наклона свечей к вертикали, обычно =2 - 4°.

Горизонтальная ветровая нагрузка, действующая на вышку, зависит от природно-климатических условий, в которых эксплуатируется буровая установка. На эту нагрузку влияет динамическое давление ветра, называемое ветровым или скоростным напором: q_о = v² / 2 ,

где v — скорость ветра, м/с; = 1,225 кг/м³ — плотность воздуха.

По данным многолетних наблюдений, Предельный ветровой напор в различных районах СССР изменяется в пределах от 270 до 1000 Па. Согласно нормам РТМ 26-02—6—68 (Руководящий технический материал на проектирование буровых вышек), для расчета буровых вышек значения ветрового напора принимаются независимо от места их эксплуатации:

· q_о = = 700 Па — для нерабочего состояния;

· q_о = 250 Па — для рабочего состояния;

· q_о = 150 Па — для монтажно-транспортного состояния.

Равнодействующая от ветрового давления на вышку:

Р_г.вт = q_о * с_i * р S_i *m , (7)

где q_о - скоростной напор ветра, Па;

с_i- коэффициент, учитывающий возрастание напора ветра в зависимости от высоты, принимаемый:

Высота над поверхностью земли, м	< 10
Поправочный коэффициент сi	1,0	1,25	1,55	2,1

р = 2 - динамический коэффициент, учитывающий период собственных колебаний вышки;

m— аэродинамический коэффициент, принимаемый:

· для конструкций из профильного проката m = 1,4;

· длятруб m = 1;

S_i - проекция панели на вертикальную плоскость,преходящую по оси вышки

S_i =F_i * ,

F_i — общая площадь панели; = 0,15 – 0,2 - коэффициент заполнения панели, для обшитой части вышки =1).

Горизонтальное усилие на кронблок от составляющей натяжения ведущей и неподвижной струн каната не должно быть более 15 кН и предполагается, что оно действует в том же направлении, что и горизонтальные усилия от веса свечей и ветра.

7. Пример 2. Определить вертикальную нагрузку, действующую на подкронблочную раму вышки BM-42-I40 во время СПО; глубина скважины 2503 м; диаметр бурильных труб d_бт= 127мм, ℓ_бт = 2300 м, средний вес 1 м трубы q_бт = 260 Н/м; ℓ_убт = 200 м, d_убт = 178 мм, q_убт = 1560 Н/м ; плотность бурового раствора р_р= 1,2 г/см³ и плотность стали р_с = 7,85 г/см³.

Решение.

Определяем по формуле (2) вертикальную нагрузку на подкронблочную раму вышки при движении крюка. Весами штропов и элеватора можно пренебречь, тогда:

- нагрузка на крюк, Н

Р_к = 260*2300 + 200*1560 + g*1,2* *(0,178²*200 + 0,127²*2300)/4 = 910352,6

Р_к = 0,91 МН.

- вес подвижной части талевой системы, Н

G_TC = G_кб + ⅔G_тк = 12700 + ⅔ 10880 = 19953,3

где G_кб=12,7 кН — вес крюкоблока ТБК4-140Бр;

G_тк = ℓ_тк * q_тк ; ℓ_тк = ℓ_б* u_тс – длина талевого каната в оснастке 4х5 между талевым блоком и кронблоком; ℓ_б = 40 м = расстояние между кронблоком и Талиевым блоком в нижнем положении крюка; u_тс = 8-кратность полиспаса; q_кт = 34 Н/м – вес талиевого каната (для канатов d_к = 28 мм). Тогда: G_тк = 40*8*34=10880 Н .

- к. п. д. талевой системы _тс = 1 – 0,02*u_тс = 1 – 0,02*8=0,84

- вертикальная нагрузка на подкронблочную раму вышки при движении, Н:

P_b^” = P_k + G_tc + 2P_k / u_{тс тс} = 910000 + 19953 + 2*91000/8*0,84 = 957036,3;

P_b^” = 0,95 МН.

8. Пример 3. Определить горизонтальную составляющую силы, действующей на кронблок от натяжения ведущей и неподвижной струн талевого каната, для условий, принятых в предыдущем примере, если точки касания струн талевого каната и кронблока находятся на противоположных сторонах от точек крепления: неподвижной — 3 м и ведущей —7 м; высота вышки h = 45 м.

Решение

Горизонтальные составляющие сил:

- при неподвижной талевой системе по формуле (4):

Р_г’=P_к(tg ± tg ) / u_тс

Р_к = 0,91 МН = 910 кН, кратность полиспаса u_тс = 8 (см. выше). Тогда, кН:

Р_г’ = 910(7/45 – 3/45) / 8 = 10,12

- при подъеме бурильной колонны по формуле (5), кН:

Р_г”=Р_к tg / u_{тс тс} - Р_{к тс} tg / u_тс .

Р_г” = 910 * (7/45) / 8*0,84 – 910*0,84(3/45)/8 = 14,69.

9. Пример 4. Определить ветровую нагрузку, действующую на мачтовую вышку ВМ-42-140. Нормативный напор ветра q_о = 700 Па, высота вышки h=45 м, нижняя часть вышки обшита на высоту h₁ = 10 м , высота основания h_о = 5 м, балкон на высоте h_б = 24 м имеет сплошную обшивку высотой 4 м; фермы мачты — решетчатой конструкции с маршевыми лестницами до балкона.

Решение.

Равнодействующие для каждой секции мачты определяем по формуле (7)

Р_г.вт = q_о * с_i * р S_i *m , (7)

где q_о - скоростной напор ветра, Па;

с_i- коэффициент, учитывающий возрастание напора ветра в зависимости от высоты, принимаемый:

Высота над поверхностью земли, м	< 10
Поправочный коэффициент сi	1,0	1,25	1,55	2,1

р = 2 - динамический коэффициент, учитывающий период собственных колебаний вышки;

m— аэродинамический коэффициент, принимаемый: для конструкций из профильного проката m = 1,4; длятруб m = 1;

S_i - проекция панели на вертикальную плоскость,преходящую по оси вышки S_i =F_i * ,

F_i — общая площадь панели; = 0,15 – 0,2 - коэффициент заполнения панели, для обшитой части вышки =1).

где: площади панелей S₁ = 100 м², S₂ = 80 м², S₃ = 20 м², S₄ = 54 м²; коэффициенты заполнения панелей; _{1 = 3} = 1; ₂ = ₄ = 0,15; поправочный коэффициент высоты с₁ = 1,2; с₂ = 1,4; с₃ = 1,45; с₄ = 1,8; аэродинамический коэффициент m₂ = 1,4; m₄ = 1,0 (панель из труб).

Равнодействующие силы от ветрового давления на вышку, кН:

Р_г.вт1 = q_о * с₁ * р S₁ *m = 700*1,2*2*100 = 168;

Р_г.вт2 = q_о * с₂ * р S₂ *m = 700*1,4*2*0,15*1,4*80 = 33;

Р_г.вт3 = q_о * с₃ * р S₃ *m = 700*1,45*2*20 = 40;

Р_г.вт4 = q_о * с₄ * р S₄ *m = 700*1,8*2*0,15*1*54 = 20.

Общее горизонтальное усилие от ветровой нагрузки, действующее на вышку, кН:

Р_г._вт = 168 + 33 + 40 + 20 = 261 .

10. Индивидуальное задание к расчету(по вариантам)

- определить вертикальную нагрузку, действующую на подкронблочную раму вышки BM-42-I40 во время СПО;

- определить горизонтальную составляющую силы, действующей на кронблок от натяжения ведущей и неподвижной струн талевого каната

- определить ветровую нагрузку, действующую на мачтовую вышку

для исходных данных по вариантам:

Вариант	Высота вышки, м	Вариант	Высота вышки, м
Примечание. 1. Номер варианта соответствует номеру в списке журнала группы. 2. Заданные значения имеют учебный характер (не соответствуют ГОСТ).

остальные условия расчета принять по исходным данным примеров 2, 3, 4.