Усилия в фонтанной арматуре, подлежащие учету при ее проектировании.

Наиболее распространено соединение узлов и деталей арматуры с помощью фланцев. При этом уплотнение осуществляется металлическим кольцом овального или восьмиугольного сечения (рис. 5.3). Эластичные, неметаллические уплотнения широко применяются в поверхностных соединениях системы сбора и под готовки нефти.

Размеры всех фланцевых соединений предусмотрены ГОСТом.

В фонтанной арматуре усилие, действующее на кольцо, не должно приводить к его остаточным деформациям.

Возможна работа фланцевого соединения фонтанной арматуры при двух вариантах касания уплотняющего кольца и канавки фланца

В первом варианте (рис. 5.3, б) уже при сборке кольцо соприкасается с канавками фланцев по их внутреннему и внешнему скосам. Уплотнение происходит за счет упругой деформации кольца и фланцев в месте их соприкосновения. Во втором (рис. 5.3, в) кольцо в начале сборки соприкасается только с внешним скосом канавки у верхнего фланца и фаски у нижнего фланца. При затяжке соединения шпильками оно уменьшается в диаметре (в пределах упругих деформаций) и доходит до внутреннего скоса канавки, в этот момент затяжку прекращают. Момент упора кольца во внутренний скос заметен по резкому возрастанию усилия затяжки гаек у шпилек.

Когда в арматуре повышается давление, фланцы раздвигаются под его действием и кольцо занимает первоначальное положение (см. рис. 5.3, в).

Усилия при этих двух вариантах уплотнения рассчитывают различными методами. Но в обоих случаях определяют усилия предварительной затяжки, рабочее усилие при повышении в арматуре давления, учитывают влияние разности температур откачиваемой жидкости или газа и окружающей арматуру среды и влияние веса боковых отводящих труб, подсоединенных к арматуре.

Усилие предварительной затяжки Р _зат определяют по давлению допустимого предварительного смятия:

 

 

где D _ср — средний диаметр кольца; b _эф — эффективная ширина прокладки, т. е. суммарная ширина уплотняющего пояска у кольца; q — допустимое давление (для мягких сталей, например ст. 2, q = 127 МПа, а для более твердых, например 1Х18Н9, q= 172МПа).

Усилие Р_эк, действующее при эксплуатации, учитывает: действие давления Р_дав, разжимающего фланцы; остаточное усилие затяжки ΔР_зат, которое должно быть достаточным для уплотнения соединения; влияние температуры перекачиваемой среды P_t; усилие отводящих манифольдов Р_ман. Две первые составляющие Р_эк равны

 

где р — давление в арматуре; m — прокладочный коэффициент, зависящий от упругих свойств материала прокладки (для мягкой стали m = 5,5, для более твердой m = 6,5).

При работе арматуры с газом или со смесью жидкости и газа в вводят коэффициент 2т.

При подаче в скважину теплоносителя (например, пара) или отборе пластовой жидкости с высокой температурой металл арматуры около проходного сечения и прокладка нагреваются. Температура шпилек будет ниже, так как условия их охлаждения лучше. В результате температурное расширение деталей арматуры и прокладки становится больше, чем шпилек, и они нагружаются дополнительным усилием Р_t.

Считая (для упрощения) фланцевые окончания деталей жесткими, а шпильки и прокладку упругими, определяют возникающее усилие

 

 

где Δt — разность температур фланца и шпилек; h _шп — длина растягиваемой части шпильки; α — коэффициент теплового расширения материала фланца, 1/°С; h _раб — высота прокладки между поверхностями ее опоры о соседние фланцы; Е _шп, Е _пр — модули упругости шпилек и прокладки соответственно; f _шп, f _пр — площади горизонтального сечения шпильки и прокладки соответственно.

Рабочая высота прокладки

 

Масса арматуры и манифольдов, подсоединяемых к ним и оборудованных несколькими задвижками и дросселями, бывает весьма значительной. При этом не всегда отводящие трубопроводы имеют надежную опору, и поэтому часть их силы тяжести передается арматуре, что создает момент, который нельзя не учитывать в расчетах. Получается рычаг, к которому приложена сила в центре тяжести отвода между тройником и надежной опорой отвода. Рычаг опирается о прокладку фланца и растягивает часть шпилек. Это шпильки, наиболее удаленные от манифольда, создающего изгибающий момент. Так как расстояние до центра тяжести отвода от оси арматуры измеряется обычно метрами, а от опоры фланца до шпилек — сантиметрами, существенный вес отвода создает большую дополнительную нагрузку на шпильки.

 

 

где М _изг — изгибающий момент, равный произведению расстояния от центра тяжести отвода до оси арматуры устья на силу тяжести отвода; D_б — диаметр окружности, проведенной через оси болтов.

Поскольку это усилие воспринимается только частью шпилек, условно принимаем, что нагрузка Р_ман передается ¹/₃ всех шпилек соединения. Действительно, при шести шпильках две, расположенные ближе к отводу, будут разгружены, на двух средних нагрузка не изменится и у двух шпилек нагрузка увеличится.