автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение эффективности эксплуатации канатов и подъемных систем буровых установок

На правах рукописи

( ^ ! о!

'к/

Воробель

Сергей Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАНАТОВ И ПОДЪЕМНЫХ СИСТЕМ БУРОВЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.05.06 - «Горные машины» Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005536226

З 1 ОПТ 2013

Екатеринбург - 2013

005536226

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» на кафедре горных и нефтепромысловых машин и в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» на кафедре горных машин и комплексов

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Фролов Сергей Георгиевич

Официальные оппоненты:

Попов Юрий Владимирович, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», заведующий кафедрой горной механики

Миниханов Ренат Фагилевич, кандидат технических наук, ООО «Генерация - Новые технологии», главный конструктор

Ведущая организация - ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горного и обогатительного машиностроения» (НИПИГОРМАШ)

Защита состоится 27.11.2013 г., в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.280.03, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат разослан 24.10.2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

М. Л. Хазин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При реактивно-турбинном бурении шахтных стволов, бурении глубоких дегазационных скважин с поверхности, при бурении замораживающих скважин во время строительства стволов калийных рудников в горной промышленности применяются тяжелые буровые установки такие же, как при бурении нефтяных и газовых скважин. К наиболее ответственным элементам спуско-подьемного комплекса этих установок относятся талевые канаты, которые являются специальными изделиями промышленности, предназначенными для работы в талевых системах. Талевая система позволяет многократно снижать усилие в тяговом органе — канате относительно рабочей нагрузки, что дает ряд существенных преимуществ, однако принцип работы талевых систем определяет и их недостатки: длина тягового органа во много раз превышает высоту подъема, требуется значительная скорость навивки каната на барабан буровой лебедки; из-за небольших размеров барабана талевый канат вынужден навиваться в несколько слоев. При движении каната через шкивы кронблока и талевого блока, во время подъема или спуска последнего, канат совершает большое число перегибов и изнашивается. Несовершенство талевой системы заключается в существенном снижении долговечности талевых канатов, которые являются в данном случае самыми уязвимыми элементами. Основной причиной выхода канатов из строя являются усталость металла и механический износ вследствие работы на шкивах и многослойной навивки на барабан буровой лебедки, поэтому вопросы повышения эффективности эксплуатации канатов и подъемных систем буровых установок являются актуальными.

Аварийной ситуацией, нередко возникающей при эксплуатации талевых систем, является закручивание свободно подвешенного талевого блока. Закручивание происходит вследствие повышенного крутящего момента в канате, как правило, при его замене. С учетом больших затрат, связанных с ликвидацией таких аварий, актуально стоит вопрос о разработке требований, предъявляемых к талевым канатам и подъемным системам буровых установок, которые в настоящее время сформулированы недостаточно четко.

Оценка отношения к канатам на различных буровых предприятиях показывает, что особого внимания их эксплуатации не уделяется. Как следствие такого отношения — неполная выработка их технического ресурса, повышение расхода, рост числа простоев и аварийных ситуаций, связанных с канатами. Однако при больших объемах спуско-подъемных операций, как показывает отечественный и зарубежный опыт, эффективная и безопасная эксплуатация талевых канатов может давать ощутимый экономический эффект, который возрастает при увеличении глубины скважин и объемов наклонно-направленного бурения, что делает работу актуальной.

Объект исследования - буровые установки, используемые при проходке скважин для дегазации угольных шахт, для осушения шахт и карьеров.

Предмет исследования - способы повышения долговечности талевых канатов, способы их рациональной отработки и объективная оценка их технического ресурса.

Целью работы является повышение эффективности эксплуатации канатов и подъемных систем буровых установок.

Идея работы состоит в повышении срока службы талевых канатов буровых установок за счет оптимальной их отработки, выбора рациональных параметров подъемных систем и исключения аварийных выходов каната из строя при закручивании свободно подвешенного талевого блока.

Методы исследования включают обобщение и анализ литературных источников, анализ данных по эксплуатации талевых канатов, математическое моделирование условий нагружения талевых канатов и условий работы талевых систем, применение научных положений математической статистики, теоретической механики и механики стальных канатов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При выборе рациональных соотношений высоты подъема талевого блока, кратности оснастки и полезной высоты вышки обеспечивается увеличение долговечности талевого каната за счет снижения общего числа двойных перегибов на шкивах при спуско-подъемных операциях.

2. При определении удельной наработки канатов как показателя их долговечности' должны учитываться фактические нагрузки, действующие на подъемный механизм, и параметры подъемной системы.

3. На вероятность закручивания свободно подвешенного талевого блока оказывают влияние расстояние между шкивами и конструктивные особенности талевого блока и кронблока, а также вид и кратность оснастки. Параллельная оснастка в большей степени препятствует закручиванию талевой системы, чем крестовая.

Научная новизна результатов исследований:

1. Получены закономерности распределения числа двойных перегибов талевого каната на шкивах по его длине в оснастке.

2. Обоснована теоретическая зависимость работы талевого каната от параметров подъемной системы.

3. Получено выражение эквивалентной нагрузки на талевый канат.

4. Получены выражения для расчета удельной наработки канатов в зависимости от параметров подъемной системы.

5. Установлена взаимосвязь кратности оснастки, высоты подъема, габаритов талевого блока и высоты вышки, позволяющая минимизировать общее число двойных перегибов каната на блоках при спуско-подъемных операциях и увеличить долговечность каната.

6. Установлена зависимость максимального коэффициента крутимости каната, при котором исключается закручивание струн оснастки, от конструктивных параметров талевого блока и кронблока, а также зависимость коэффициента крутимости каната от угла поворота свободно подвешенного талевого блока.

Практическая ценность работы:

1. Разработан метод расчета распределения двойных перегибов каната на шкивах по его длине в оснастке.

2. Предложена методика определения наработки талевых канатов с помощью системы контроля положения крюка и устройств кошроля натяжения канатов, учитывающая параметры подъемной системы.

3. Разработана методика выбора длин и проведения перепусков при отработке стальных талевых канатов.

4. Получены выражения для выбора параметров подъемной системы, обеспечивающих увеличение долговечности талевых канатов, которые могут быть использованы при проектировании подъемных систем буровых установок

5. Предложена методика определения допустимого коэффициента крутимости талевого каната, исключающего закручивание талевой системы, позволяющая сформулировать требования к стальным канатам, предъявляемые при их изготовлении и испытаниях.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается удовлетворительной (88-91%) сходимостью результатов расчетов с данными практических наблюдений и экспериментов.

Реализация результатов работы: результаты исследований и разработанные практические рекомендации использованы при разработке инструкций по эксплуатации канатов для потребителей ОАО «Северсталь-метиз», используются в ООО «Региональный канатный центр», г. Пермь.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности». Чтения памяти В. Р. Кубачека, г. Екатеринбург 26-30 апреля 2004 г., 7-8 апреля 2011 г., 9-10 апреля 2012 г., 4-5 апреля 2013 г.

2. Международный семинар «Стальные канаты в эксплуатации», г. Одесса (Украина) 2005,2008,2011 гг.

3. Научно-техническая конференция «Проектирование и эксплуатация нефтегазового оборудования: проблемы и решения», г. Уфа 4-5 ноября 2004 г.

4. УП конкурс молодых ученых и специалистов ОАО «Нефтяная компания «ЛУКОЙЛ» на лучшую научно-техническую разработку, г. Нижний Новгород 14-17 сентября 2006 г.

5. Научно-технический совет ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ». Конкурс молодых работников предприятия на лучшую научно-техническую разработку 2004 г., г. Пермь 11 августа 2004 г.

6. Научно-практические конференции горно-нефтяного факультета Пермского государственного технического университета, 2003, 2004, 2007, 2009, 2010 гг.

Личный вклад автора заключается:

- в разработке методики оценки работы талевого каната с учетом параметров подъемной системы;

- в разработке табличного метода расчета распределения двойных перегибов по длине талевого каната в оснастке;

- в создании методики определения коэффициента крутимости талевых канатов и разработке требований, предъявляемых к талевым канатам;

- в получении выражений, определяющих соотношения между параметрами подъемной системы, при которых минимизируется число двойных перегибов каната при спуско-подъемных операциях.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 13 статьях и тезисах, в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 116 наименований. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 8 таблиц и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрено состояние проблемы повышения технического ресурса стальных талевых канатов. Рассмотрены существующие методики оценки долговечности и наработки талевых канатов. Проведен анализ факторов, влияющих на износ и выход талевых канатов из строя. Выполнена оценка способов повышения технического ресурса и наработки талевых канатов. Сформулированы задачи и цели исследования.

Основные результаты исследований долговечности и условий работы талевых канатов отражены в работах К. И. Архипова, Р. А. Баграмова, В. И. Тарасовича, Г. М. Шахмалиева, С. И. Ефимченко, М. А. Букпггейна, С. Т. Сергеева, М. А. Исмаилова и др. Вопросы конструирования талевых канатов освещены в работах М. А. Букпггейна, С. Т. Сергеева, В. А. Малиновского. Вопросами комплексных исследований долговечности стальных канатов занимались ученые Д. Г. Житков, Б. С. Ковальский, А. И. Дукельский, Г. П. Жданов, А. Г. Эдиберид-зе, П. П. Бухтеев, А. И. Спивак, Н. Г. Ильин, Р. X. Гумеров, К. М. Масленников, А. И. Колчин, Г. В. Верстаков, Г. Д. Трифанов.

Основными способами повышения долговечности талевых канатов являются:

-применение перепусков или перетяжек каната в талевой системе, в связи с чем талевые канаты поставляются на буровые установки большей дайны, чем требуется для оснастки талевой системы. Для выполнения пере-

пусков в талевой системе предусмотрено устройство крепления неподвижной ветви каната;

- рихтовка и предварительная вытяжка талевых канатов при изготовлении, позволяющие существенно снизить свивочные напряжения и остаточный крутящий момент в канате. Предварительная вытяжка каната увеличивает его срок службы;

-повышение точности изготовления и разработка новых конструкций талевых канатов;

- разработка и внедрение новых канатных смазок;

- внедрение устройств, обеспечивающих смазку талевых канатов при эксплуатации;

- уточнение требований к ручьям канатоведущих шкивов и винтовой нарезке на барабанах буровых лебедок;

- применение футерованных канатоведущих шкивов;

- совершенствование конструкции барабанов буровой лебедки и винтовой нарезки с целью улучшения условий многослойной навивки каната;

- совершенствование кинематических схем талевой системы, внедрение системы с двумя ходовыми концами и т.д.;

- уменьшение колебаний ходовой ветви каната с помощью канатоуклад-чиков и успокоителей талевого каната;

- обеспечение необходимого натяжения ходовой ветви при навивке каната на барабан лебедки;

- снижение динамических нагрузок путем применения систем управления приводом и тормозом буровой лебедки.

Вторая глава посвящена исследованию влияния параметров подъемной системы (кратности оснастки, высоты вышки и высоты подъема) на износ талевых канатов, выбору рациональных параметров подъемной системы и разработке методик расчета показателей работы талевых канатов.

Разработан табличный метод расчета распределения числа перегибов каната на блоках по длине каната в оснастке при подъеме талевого блока на высоту свечи. Результаты расчета по данному методу приведены на рис. 1.

Оценка распределения перегибов каната на блоках по длине в оснастке является полезной при анализе причин износа каната и разработке системы проведения перепусков. Относительная простота и доступность предлагаемого метода способствуют внедрению его в практику наряду с оценкой совершенной канатом полезной работы. Метод позволяет оценить:

-максимальное число перегибов талевого каната за один подъем или цикл движения талевого блока;

- число участков с максимальным числом перегибов и их распределение по длине каната в оснастке;

- длину свечи, при которой канат будет совершать минимум перегибов при подъеме колонны с заданной глубины.

ё о

о о «о

V о 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Расстояние, м

Рис. 1. Распределение числа перегибов по длине каната в оснастке 5x6 при подъеме свечи длиной 24 м и высоте вышки 41 м и его аппроксимация простыми функциями: А - расчетные значения; Б- аппроксимированные значения; 1,2,3 - номера участков каната в оснастке

Установлено, что распределение числа перегибов по длине каната в оснастке можно аппроксимировать простыми функциями (рис. 1). Участок/: 0<x<s-i ■/ ;

п1(х) =

К

Участок2: є--ісв<х<е-ііс ■ /и + h2 + hxa;

"2(*) = "ma* =

є• /„„ ■/„

(1)

(2)

Участок3: є-/св +h2 +/гхв <х<є-/тс •/„ + +/т,.;

пі(х) =

є-і„ -І.

— х

Л к

(3)

где /т с - кратность оснастки; /св - длина свечи; є - коэффициент, учитывающий увеличение высоты подъема крюка над длиной свечи, х - координата участка, отсчитываемая от точки схода с барабана лебедки, и,...и3 - число перегибов каната на блоках, соответствующее номеру участка; /г,,/^-расстояние от оси кронблока до оси талевого блока соответственно при нижнем и при верхнем положении последнего, м.

Последовательное взаимодействие каната с огибаемыми им шкивами в талевой системе приводит к тому, что распределение перегибов по длине в оснастке дискретно, т.е. кратно целому числу, и увеличение числа изгибов

от одного участка к другому происходит ступенчато, увеличиваясь на единицу. Анализ полученных выражений, определяющих число совершаемых двойных перегибов талевого каната на шкивах, показывает, что существуют соотношения высоты вышки, высоты подъема и кратности оснастки, при которых суммарное число перегибов каната за все рейсы можно минимизировать. Соблюдение этих соотношений приведет к увеличению долговечности талевого каната. В работе получены выражения для выбора высоты вышки и длины свечи, при которых улучшаются условия работы канатов за счет снижения общего числа перегибов при выполнении спуско-подъемных операций. Рациональная полезная высота вышки определится по формуле:

где птт - максимальное число перегибов каната на блоках; /гт6 -расстояние от пола буровой до оси талевого блока при его нижнем положении.

В современных буровых установках канат совершает 6-8 двойных перегибов при подъеме талевого блока. Высота вышки будет тем больше, чем меньшее число перегибов талевого каната будет заложено при ее расчете.

При известной рабочей высоте вышки рациональная длина свечи определится как

За счет выбора оптимального соотношения высоты вышки, кратности оснастки и высоты подъема элеватора долговечность талевых канатов может быть увеличена на 10—15 %.

Долговечность каната при работе на шкивах подчиняется закону кривой усталости. При определении долговечности или числа циклов изгиба каната на блоках действующую на канат нагрузку необходимо привести к постоянному эквивалентному уровню нагружения. В работе получено выражение для определения эквивалентной нагрузки, действующей в течение числа циклов изгиба каната на блоках, соответствующего периоду бурения скважины:

Я.

в

(4)

(5)

7

(6)

где т - показатель степени кривой усталости каната; В, к — показатели теоретической кривой проходки скважины, определяющие число рейсов и объем спуско-подъемных операций; <7-масса одного метра бурильной колонны;

g - ускорение свободного падения; 2 - число рейсов при бурении скважины; Ь I - глубина г'-го рейса; Ст с — сила тяжести, поступательно движущихся

частей подъемной системы.

Оценку эффективности работы талевых канатов принято проводить по совершенной ими полезной работе. При этом не учитываются параметры талевой системы, непосредственно влияющие на наработку канатов: кратность оснастки, КПД оснастки и высота подъема. Это не позволяет объективно оценивать наработку талевых канатов, работающих в разных подъемных системах. В связи с этим предлагается методика расчета полезной работы талевого каната с учетом длины пробега каната по блокам как фактора, определяющего взаимодействие каната и подъемной системы.

Общая длина пробега каната по блокам с учетом навивки каната на барабан лебедки определится как

Анализ изменения нагрузки на крюке во время спуско-подъемных операций при проходке наклонно-направленных скважин показывает, что она зависит от множества факторов: профиля ствола скважины, соотношения диаметра бурильной трубы и долота, свойств бурового раствора, особенностей работы бурильщика и т.д. Поэтому в работе предлагается методика учета фактической работы талевого каната с помощью системы мониторинга работы буровой лебедки.

Работа талевого каната, рассчитанная за такт измерения при подъеме и спуске колонны, с учетом кратности оснастки определяется следующим образом:

где РМ,Р1,5М,Б1 — нагрузка на крюке и положение, соответственно определяемые на г-м и г+1-м шаге измерения; г|тс - КПД талевой системы; ц- коэффициент, учитывающий жесткостные потери в канатах при их перегибах на шкивах.

Общая работа каната за любой период рассчитывается путем численного интегрирования элементарных ее составляющих:

(7)

АА

(8)

(9)

а = (10)

I

Также во второй главе работы предлагается методика расчета удельной работы талевого каната. В основу предлагаемой методики положен тот факт, что удельная работа каната по его длине в оснастке распределена неравномерно, так же, как и износ каната. За функцию распределения удельной работы по длине в оснастке принята функция распределения числа перегибов на шкивах, которая в достаточной мере определяет различную нагруженность отдельных участков каната.

Из распределения числа перегибов по длине в оснастке следует, что удельная работа каната для участка с максимальным числом перегибов п^ будет определяться как

2А

а =---(П)

А1\ — 28 • /св + /т с • ]\

где Апол — полезная работа, выполненная канатом.

Из формулы (11) видно, что удельная работа участка каната зависит от максимальной длины рабочих ветвей \, высоты подъема (длины свечи /св) и кратности оснастки гтс, т.е. от параметров талевой системы.

Предлагаемая методика расчета удельной работы каната позволяет учитывать влияние параметров талевой системы и высоты подъема крюка на наработку талевого каната, что позволит объективно сравнивать наработку канатов, работающих в одних условиях бурения, но в различных талевых системах.

В третьей главе на основе анализа факторов износа талевых канатов, данных исследований и данных экспертного опроса разработана методика оптимальной отработки талевых канатов перепусками.

Предлагаемая методика включает решение следующих задач:

1) определение длины перепускаемых отрезков и числа перепусков;

2) определение периодичности проведения перепуска или критериев оценки состояния каната, при котором выполняется перепуск;

3) оценка эффективности системы отработки талевого каната.

Установлено, что на износ талевого каната наибольшее влияние оказывают работа каната на блоках и результат многослойной навивки на барабан буровой лебедки. Оценка вклада в износ каната каждого из этих факторов определяется по характеру изменения износа каната по его дойне. Анализ влияния обоих факторов показал, что предпочтительной длиной перепуска является часть каната, навиваемая на барабан лебедки при стандартных спус-ко-подьемных операциях, а основным фактором износа следует считать по-

вреждение каната при его перекрестной навивке в слоях и формировании высоких контактных напряжений при многослойной навивке на барабане буровой лебедки. Также это подтверждается исследованиями других авторов.

Рекомендуемая длина перепуска с учетом всех факторов определится по формуле

где /ши - длина участка каната, испытывающая наибольшее число перегибов на шкивах в талевой системе, /тах = 50...70 м.

Число перепусков определяется как целая часть выражения

где Хк — длина каната на заводском барабане при его поставке с завода; Хтс - длина каната в оснастке; /пер - принятая длина перепуска.

Число перепусков п1Кр должно быть по возможности кратным остаточной длине каната на заводском барабане Хост = Хк - £тс. В общем случае, на барабане еще остается некоторый запас каната, определяемый дробной частью выражения (13). Этот запас может бьггь израсходован на перепуски небольшой длины без отрубки перепускаемого отрезка каната. На проведение таких перепусков требуется значительно меньше времени, при этом решается задача смещения критических участков, таких как участок, контактирующий с неподвижным шкивом кронблока, и участков, контактирующих со шкивами при крайних положениях талевого блока.

За критерий проведения перепуска должна принимается наработка талевого каната с учетом параметров подъемной системы, рассчитанная по методике, предлагаемой во второй главе, или определенная с помощью системы мониторинга работы буровой лебедки.

Для выявления оптимальной наработки, являющейся критерием перепуска, следует принять процент канатов, достигающих этой наработки. По известным статистическим данным (Асш - среднеквадратичное отклонение наработки и - средняя наработка, которые можно получить из наблюдений) определяется величина наработки канатов Ауд, являющаяся критерием

выполнения перепуска.

Оценку эффективности принятой схемы отработки канатов необходимо проводить по статистическим данным о совершенной полезной работе, рассчитанной как показатель безотказности для невосстанавливаемых изделий.

шах '

(12)

п

(13)

В четвертой главе проводится исследование условий, при которых происходит закручивание свободно подвешенного талевого блока. Такая аварийная ситуация не является редкостью и происходит, как правило, при навескс нового каната на буровой установке вследствие повышенною крутящею момента в канате или нарушений технологии навески (сброс петель, подкручивание из-за больших углов девиации и т.д.). В работе рассмотрена задача закручивания свободно подвешенною талевого блока для различных условий: различная кратность оснастки, разные способы оснастки, порядок прохождения шкивов, различные конструктивные особенности талевых блоков и кронблоков.

Цель исследований - разработка требований к талевым канатам но кру-тимости и оценка факторов, оказывающих влияние на закручивание свободно подвешенною талевого блока.

В процессе исследований принимались следующие допущения:

- максимальный восстанавливающий момент возникает при повороте татевою блока на 90 град;

- проекции натяжения всех струн »и вертикальную плоскость одинаковы;

- вертикальная ось симиетрии талевого блока совпадает с вертикальной осью симметрии кронблока.

Решение задачи для крестовой оснастки 4*5. одноосевых талевого блока и кронблока иллюстрируют рис. 3 и 4. На рис. 3 показан порядок прохождения канатом шкивов —3 — III — 2 — II — 4 — IV — 1 — I—5 — (римскими цифрами обозначены шкивы талевогс блока). Ось талевого блока в нормальном положении находится перпендикулярно оси кронблока.

К устройству креппения неподвижной ветви

Рис. 3. Кресшвая оснастка 4*5 при нормальном расноложсннн шкивов талевого и кронблока: 1-5 - шкивы кронблока: I—IV - шкивы талевого блока

Под действием крутящего момента в канате талевый блок будет поворачиваться влево, если канат имеет правую свивку, и. наоборот, вправо, если канат имеет свивку левую. 11ри повороте талевого блока на 90 град горизонтальные оси талевого и кронблока становятся параллельны друг другу, а струны располагаются, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Положение талевого блока относительно кронблока при его повороте на 90 фал: схемы к определению сил и моментов

При повороте талевого блока влево, согласно нашим допущениям, талевый блок располагается точно под кронблоком, и их вертикатьные оси совпадают в некотором центр; О. Все усилия в рабочих струнах будут при этом создавать восстанавливающий момент относительно цеіпра - вертикальной осн. общей для обоих блоков.

Далее определяется косстанавлнваюший момент относительно центра вращения талевого блока, совпадающего с вертикальной осью кронблока. Момент от натяжения каждой струны будет равен проекции натяжения ветви Ршепя на горизонтальную плоскость, умноженную на плечо этой проекции относительно центра вращения. Плечо силы, создающей восстанавливающий момент, зависит от геометрических параметров: Л-радиуса шкива и е-расстояния между центрами ручьев соседних шкивов. Так как талевый блок имеет на один шкив меньше, чем кронблок. то расстояние в горизонтальной плоскости между ручьями соответствующих шкивов будет равно е! 2 . Поскольку для данной кратности оснастки число рабочих ветвей равно 8. то и момент будет иметь 8 составляющих:

Р

2 R

в/2

О

- от струны /// - 3 : М„,.у = Pr R -

-отструны ІГ-4: Мя,_4=рг(/Г.4)-Л = —— Я = р^-І1:

-от струны II-2: Мц_г = Р1{11_2) ■ Я = —-Л = Я;

Р Зе

— Я = Р—

¡8аП-2 2Н

- от струны / -1: = Р ■ Я = —!—Л = Р^Я;

- от струн 111-2 и II-4:

мш_2 =мп_4 = РГуц-2) • а1 ■

- от струн /К -1 и 7-5, по аналогии

^ <0 о

М/к.1=М/.5=---+ .со8Э = Т>——.

\%а1У_1 К2 4] 2Н

Сложив все моменты, получим

(14)

Для оснастки 4x5 крутящий момент в 8 струнах оснастки равен: Мк - 8Р ■ К5, где К — коэффициент крутимости каната; 5 - толщина проволок наружного слоя прядей.

Тогда условие устойчивости талевого блока от закручивания для оснастки 4x5 будет выглядеть так:

18— >8*5. (15)

Я

Условие устойчивости от закручивания для оснастки 5Х6:

27— >10Л:5. (16)

Я

Для параллельной оснастки 4x5:

(8Д2+10е2)

Я

>8ЛГ5. (17)

Из анализа условий устойчивости талевой системы к закручиванию для одноосевых кронблока и талевого блока получено выражение, определяющее допустимый коэффициент крутимости талевого каната:

(18)

д<ш I ' / ) Я-5

где г - кратность оснастки; - коэффициент, зависящий от кратности оснастки: для 3x4 -к, = 1, для 4x5 - = 2, для 5x6 - к,,= 3; п^ - число шкивов кронблока; у-предельный угол закручивания талевого блока (не более 70 град).

Коэффициент Клоп определяется, если принять предельный угол закручивания талевого блока и другие параметры.

Анализ литературных данных по крутимости талевых канатов и конструктивных параметров талевых систем современных буровых установок показал, что допустимый коэффициент крутимости, рассчитанный по выражению (18), примерно в 2 раза выше, чем конструктивный коэффициент, определяемый параметрами свивки талевого каната и подтвержденный эмпирическими данными других исследований. Из этого следует вывод, что закручивание талевой системы происходит при значительном отклонении крутимости каната от номинального значения.

Закручивание талевого блока возникает при достижении угла поворота талевого блока вокруг своей вертикальной оси на 90 град. При известном коэффициенте крутимости каната угол поворота свободно подвешенного талевого блока определится согласно выражению

Для коэффициента крутимости по данным литературы, примерно равному К = 1,3, расчетный угол поворота талевого блока составит 30 град, что в целом подтверждается данными наблюдений. Данные расчетов угла поворота талевого блока при постоянном коэффициенте крутимости каната в зависимости от длины рабочих ветвей расходятся с данными наблюдений не более чем на 9-12%.

В диссертационной работе на базе выполненных автором исследований решена задача повышения эффективности эксплуатации канатов и подъемных систем буровых установок. Выполненные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты работы:

1. Объективная оценка наработки канатов, учитывающей параметры работы подъемной системы, распределение износа каната по его длине в оснастке и фактическую нагрузку в течение всех циклов подъема и спуска позволяет повысить эффективность эксплуатации канатов, выявлять и устранять

К-Н-Ъ

(19)

эту =

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

факторы, оказывающие наибольшее влияние на износ, рационально отрабатывать канат с применением перепусков;

2. Выбор рациональных параметров подъемной системы буровой установки при проектировании: кратности оснастки; высоты вышки и высоты подъема, позволит увеличить ресурс талевых канатов на 10-15 %;

3. Выбор рациональной длины перепуска при отработке каната и расходования запасной длины каната с заводского барабана, а также своевременного проведения перепуска на основе объективной оценки наработки каната позволяет повысить срок службы и технический ресурс канатов;

4. Защита талевых систем от закручивания свободно подвешенного талевого блока, за счет выполнения требований по крутимости, предъявляемых к талевым канатам и учитывающих габаритные параметры существующих талевых систем позволит сократить число аварийных ситуаций, связанных с закручиванием талевой системы.

Предлагаемые в работе методики позволяют:

- рассчитывать распределение по длине в оснастке числа совершенных канатом перегибов на шкивах;

- определять работу талевого каната с учетом параметров подъемной системы буровой установки;

- определять работу каната с помощью систем контроля работы буровой установки;

- рассчитывать эквивалентное нагружение каната за цикл бурения скважины;

- определять удельную работу каната с учетом параметров подъемной системы;

- подбирать рациональные параметры талевой системы при проектировании и эксплуатации;

- разрабатывать систему перепусков талевого каната и проводить оценку ее эффективности;

- формулировать требования к элементам талевой системы и канатам, позволяющим исключить закручивание свободно подвешенного талевого блока, а также проводить оценку фактического коэффициента крутимости каната по углу закручивания талевого блока.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Воробель С. В., Трифанов Г. Д. Сравнительный анализ крестовой и параллельной оснасток талевых систем тяжелых буровых установок // Горное оборудование и электромеханика. - 2013. - № 9. С. 11-15.

2. Воробель С. В., Трифанов Г. Д. К вопросу о закручивании канатов талевой системы буровых установок // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море / ВНИИОЭНГ. - 2010. - № 7. - С. 5-9.

3. Быков И. Ю., Трифанов Г. Д., Воробель С. В. Оценка факторов износа талевого каната и выбор рациональной длины перепуска // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море / ВНИИОЭНГ. - 2007. — № 5. — С. 25-28.

4. Воробель С. В. Повышение эффективности эксплуатации талевых канатов на буровых установках // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений / ВНИИОЭНГ. - 2005. - Вып. 9-10. - С. 75-76.

5. Воробель С. В., Трифанов Г. Д., Кошкин А. П. Эксплуатация канатов на карьерных экскаваторах // Известия вузов Сев.-Кавказ. регион. Технические науки. Спецвыпуск: Проблемы горной электромеханики. - 2005. С. 142146.

2. Работы, опубликованные в других изданиях

6. Воробель С. В., Кошкин А. П. Об увеличении эффективности эксплуатации талевых канатов на буровых установках // Тезисы докладов XXXI науч.-техн. конф. горно-нефтяного факультета ПГТУ/ Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2003. - 149 с.

7. Воробель С. В., Трифанов Г. Д. О рациональной длине перепуска талевого каната на буровых установках // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докл. П Между нар. науч.-техн. конф. «Чтения памяти В. Р. Кубачека», поев. 65-летию кафедры ГМК. 26 - 30 апреля 2004 г. - Екатеринбург: Изд-во Уральс. гос. горно-геол. акад., 2004. - С. 99-102.

8. Воробель С. В. Методика расчета талевого каната на выносливость // Стальные канаты: сб. науч. тр. Вып. 5. - Одесса: Астропринг, 2007. - С. 79-88.

9. Воробель С. В. Оценка износа талевых канатов и методика их рациональной отработки // Нефтегазовое и горное дело: сб. науч. тр. Вып. 7. -Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. - С. 285-293.

10. Воробель С. В., Трифанов Г. Д. О закручивании свободно подвешенного талевого блока в талевых системах // Стальные канаты: сб. науч. тр. Вып. 6. - Одесса: Астропринт, 2008. - С. 209-218.

11. Воробель С. В. Расчет момента закручивающего свободно подвешенный талевый блок // Проблемы рационального природопользования: материалы междунар. науч.-техн. конф., г. Пермь 29-31 октября 2008. — Пермь, 2008.-С. 367.

12. Воробель С. В. К выбору оптимальных соотношений параметров подъемной системы буровых установок. Научные исследования и инновации: науч. журнал. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. - Т. 3, № 4. - С. 29-33.

13. Воробель С. В. Определение эквивалентных нагрузок, действующих на талевые канаты и спускоподьемный комплекс буровых установок // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докл. XI Междунар. науч.-техн. конф. «Чтения памяти В. Р. Кубачека»; 04 -05 апреля 2013 г. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2013. - С. 262-265.

Подписано в печать 18.10.13. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 995/2013.

Издательство Пермского национального исследовательского политехнического университета. Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел. (342)219-80-33.

ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический

университет»

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

04201452044

На правах рукописи

/

ВОРОБЕЛЬ Сергей Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАНАТОВ И ПОДЪЕМНЫХ СИСТЕМ БУРОВЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент С. Г. Фролов

Екатеринбург -2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

1. Вопросы и задачи исследований.........................................................................12

1.1. Методики оценки долговечности и наработки талевых канатов..............14

1.1.1. Оценка совершенной талевым канатом работы....................................14

1.1.2. Оценка долговечности талевых канатов при работе на шкивах.........19

1.2. Факторы, влияющие на износ талевых канатов и изученность их влияния на выход канатов из строя....................................................................................25

1.2.1. Характер нагружения талевых канатов при спуско-подъемных операциях............................................................................................................25

1.2.2. Многослойная навивка на барабан буровой лебедки...........................27

1.2.3. Динамический характер работы системы «бурильная колонна -талевый канат - вышка»....................................................................................32

1.2.4. Закручивание свободно подвешенного талевого блока.......................38

1.2.5. Износ талевого каната при работе на блоках и при навивке на барабан буровой лебедки.................................................................................................42

1.3. Методы повышения технического ресурса и долговечности талевых канатов....................................................................................................................47

1.4. Задачи и цели исследования..........................................................................53

2. Исследование влияния параметров подъемной системы на износ талевых канатов, выбор рациональных параметров подъемной системы и разработка

методик расчета работы талевых канатов..............................................................56

2.1. Расчет распределения числа двойных перегибов каната на блоках по его длине в оснастке при подъеме талевого блока на высоту свечи......................56

2.2. Выбор рациональных соотношений высоты подъема, кратности оснастки и высоты вышки.....................................................................................................65

2.3. Методика определения наработки талевого каната, учитывающая кратность и КПД оснастки талевой системы......................................................70

2.4. Учет работы талевого каната с помощью систем контроля работы буровой лебедки.....................................................................................................74

2.5. Определение эквивалентных нагрузок, действующих на талевый канат и подъемную систему буровой установки.............................................................77

2.6. Методика определения удельной работы, совершаемой разными

участками талевого каната в оснастке.................................................................82

Выводы....................................................................................................................90

3. Разработка системы отработки талевого каната с применением перепусков 92

3.1. Задачи, решаемые при отработке талевого каната перепусками...............92

3.2. Известные методики отработки талевого каната........................................93

3.2.1. Методика проведения перепусков, основанная на оценке фактического состояния каната по числу оборванных проволок.................93

3.2.2. Методики, основанные на определении полезной работы талевого каната при спуско-подъемных операциях.......................................................95

3.3. Выбор оптимальной длины перепуска.........................................................96

3.3.1. Оценка факторов износа каната..............................................................96

3.3.2. Выбор длины перепуска........................................................................101

3.4. Пример отработки каната с учетом факторов «перегибы на блоках» и «многослойная навивка».....................................................................................105

3.5. Расчет числа перепусков..............................................................................109

3.6. Выбор критерия перепуска..........................................................................110

3.7. Планирование проведения перепусков на основании известных

показателей теоретической кривой проходки..................................................115

Выводы..................................................................................................................116

4. Исследование условий, определяющих закручивание свободно подвешенного талевого блока.........................................................................................................119

4.1. Состояние задачи исследования процесса закручивания свободно подвешенного талевого блока............................................................................119

4.2. Определение моментов, действующих на свободно подвешенный талевый

блок........................................................................................................................123

4.3. Условие устойчивости талевого блока к закручиванию для различной кратности оснастки..............................................................................................127

4.4. Определение условий закручивания при параллельной оснастке...........130

4.5. Влияние схемы запасовки и направления свивки каната на устойчивость талевой системы к закручиванию......................................................................133

4.6. Влияние конструктивных особенностей талевого блока и кронблока на закручивание талевой системы..........................................................................136

4.7. Общие закономерности в определении восстанавливающего момента. 145

4.8. Определение коэффициента крутимости каната по углу закручивания

талевого блока......................................................................................................146

Выводы..................................................................................................................149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................151

Список литературы.................................................................................................153

Приложение 1..........................................................................................................164

Приложение 2..........................................................................................................167

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. При реактивно-турбинном бурении шахтных стволов, бурении глубоких дегазационных скважин с поверхности, при бурении замораживающих скважин во время строительства стволов калийных рудников в горной промышленности применяются тяжелые буровые установки такие же, как при бурении нефтяных и газовых скважин. Одиим из наиболее ответственных элементов спуско-подъемного комплекса буровых установок являются талевые канаты - специальные изделия промышленности, предназначенными для работы в подъемных системах буровых установок. Талевая система позволяет многократно снижать усилие в тяговом органе -канате относительно рабочей нагрузки, что дает ряд существенных преимуществ, однако принцип работы талевых систем определяет и их недостатки: длина тягового органа во много раз превышает высоту подъема, требуется значительная скорость навивки каната на барабан буровой лебедки; из-за небольших размеров барабана буровой лебедки талевый канат вынужден навиваться на барабан в несколько слоев. При движении каната через шкивы кронблока и талевого блока во время подъема или спуска последнего канат совершает большое число перегибов, и изнашивается, находясь в постоянном контакте со шкивами. Несовершенство талевой системы заключается в существенном снижении долговечности талевых канатов, которые являются в данном случае самыми уязвимыми элементами. Основной причиной выхода талевых канатов из строя является усталость металла и механический износ вследствие работы на шкивах и многослойной навивки на барабан буровой лебедки, поэтому вопросы повышения эффективности эксплуатации канатов и подъемных систем буровых установок остаются актуальными.

Аварийной ситуацией, нередко возникающей при эксплуатации талевых канатов и талевых систем, является закручивание свободно подвешенного

талевого блока. Закручивание происходит вследствие возникающего под действием сил тяжести повышенного крутящего момента в канате и других факторов. С учетом больших затрат, связанных с преждевременным выходом канатов из строя, с высокой стоимостью канатов растут предъявляемые к ним требования, и актуальным становится вопрос об увеличении эффективности их эксплуатации.

Оценка отношения к канатам на различных буровых предприятиях, показывает, что особого внимания их эксплуатации не уделяется и показатели наработки канатов не учитываются. Как следствие такого отношения -зачастую неполная выработка их технического ресурса, увеличение расхода, рост числа простоев и аварийных ситуаций, связанных с эксплуатацией канатов.

Количественной мерой эффективности работы талевого каната может являться срок службы и совершенная канатом работа по подъему или спуску бурового инструмента, бурильных и обсадных колонн. Применяемые в настоящее время методы определения наработки талевьтх канатов, разработанные еще в 60-е годы прошлого века, не учитывают параметров подъемной системы и могут применяться лишь для сравнения наработки канатов в сходных условиях эксплуатации. Применение новых прогрессивных конструкций талевых канатов, новых подъемных систем, а также современных систем мониторинга требует пересмотра методов объективной оценки наработки талевых канатов. Поэтому эти вопросы в настоящее время являются актуальными.

Основным способом повышения технического ресурса талевого каната или увеличения его долговечности на данный момент является применение перепусков, т.е. перемещение каната в талевой системе на определенную длину. При выработке определенной тактики проведения перепусков удается существенно повысить наработку талевого каната. При выборе длины и

критериев проведения перепуска стараются добиться того, чтобы канат изнашивался по своей длине как можно равномернее, при этом не доводя его до критического износа, когда требуется уже не перепуск, а замена каната. Однако факторы износа каната и распределение износа талевого каната по длине в оснастке еще не достаточно изучены.

Другим принципиальным способом повышения долговечности стальных талевых канатов является совершенствование их конструкции. В разное время эта задача решалась разными способами в зависимости от соответствующих знаний и опыта. Конструкции талевых канатов постоянно совершенствовались, начиная от круглопрядных канатов типа ТК с точечным касанием проволок в прядях и проволоками в прядях, имеющих одинаковый диаметр, до современных канатов типа ЛКРО. Следующим этапом в развитии конструкций канатов является изменение формы прядей и изменение взаимодействия элементов каната между собой при его работе. При этом ставят такие задачи, как повышение заполнения сечения каната металлом при обеспечении достаточной его гибкости, снижение контактных напряжений между проволоками внутри каната и между поверхностью канатоведущего ручья и наружных проволок, повышение структурной стойкости свивки, совершенствование конструкции прядей и металлических сердечников, применение сочетаний материалов внутри каната, улучшающих его механические свойства.

При больших объемах строительства скважин, как показывает отечественный и зарубежный опыт, эффективная и безопасная эксплуатация талевых канатов может давать ощутимый экономический эффект, который возрастает при увеличении объемов наклонно-направленного бурения и глубины строящихся скважин, что делает работу актуальной.

Объект исследования - буровые установки, используемые при проходке скважин для дегазации угольных шахт, для осушения шахт и карьеров.

Предмет исследования - способы повышения долговечности талевых канатов, способы их рациональной отработки и объективная оценка их технического ресурса.

Целыо работы является повышение эффективности эксплуатации канатов и подъемных систем буровых установок.

Идея работы состоит в повышении срока службы талевых канатов буровых установок за счет оптимальной их отработки, выбора рациональных параметров талевых систем и исключения аварийных выходов каната из строя при закручивании свободно подвешенного талевого блока.

Методы исследования включают обобщение и анализ литературных источников, анализ данных по эксплуатации талевых канатов, математическое моделирование условий нагружения талевых канатов и условий работы талевых систем, применение научных положений математической статистики, теоретической механики и механики стальных канатов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При выборе рациональных соотношений высоты подъема талевого блока, кратности оснастки и полезной высоты вьтшки обеспечивается увеличение долговечности талевого каната за счет снижения общего числа двойных перегибов на шкивах при спуско-подъемных операциях.

2. При определении удельной наработки канатов как показателя их долговечности должны учитываться фактические нагрузки, действующие на подъемный механизм и параметры подъемной системы.

3. На вероятность закручивания свободно подвешенного талевого блока оказывают влияние расстояние между шкивами и конструктивные особенности талевого блока и кронблока, а также вид и кратность оснастки. Параллельная

оснастка в большей степени препятствует закручиванию талевой системы, чем крестовая.

Научная новизна результатов исследований:

1. Получены закономерности распределения числа двойных перегибов талевого каната на шкивах по его длине в оснастке.

2. Обоснована теоретическая зависимость работы талевого каната от параметров подъемной системы.

3. Получено выражение эквивалентной нагрузки на талевый канат.

4. Получены выражения для расчета удельной наработки канатов в зависимости от параметров подъемной системы.

5. Установлена взаимосвязь кратности оснастки, высоты подъема, габаритов талевого блока и высоты вышки, позволяющая минимизировать общее число двойных перегибов каната на блоках при спуско-подъемных операциях и увеличить долговечность каната.

6. Установлена зависимость максимального коэффициента крутимости каната, при котором исключается закручивание струн оснастки, от конструктивных параметров талевого блока и кронблока, а также зависимость коэффициента крутимости каната от угла поворота свободно подвешенного талевого блока.

Практическая ценность работы:

1. Разработан метод расчета распределения двойных перегибов каната на шкивах по его длине в оснастке.

2. Предложена методика определения наработки талевых канатов с помощью системы контроля положения крюка и устройств контроля натяжения канатов, учитывающая параметры подъемной системы.

3. Разработана методика выбора длин и проведения перепусков при отработке стальных талевых канатов.

4. Получены выражения для выбора параметров подъемной системы, обеспечивающих увеличение долговечности талевых канатов, которые могут быть использованы при проектировании подъемных систем буровых установок.

5. Предложена методика определения допустимого коэффициента крутимости талевого каната, исключающего закручивание талевой системы, позволяющая сформулировать требования к стальным канатам, предъявляемые при их изготовлении и испытаниях.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается удовлетворительной сходимостью (88-91 %) результатов теоретических исследований с данными практических наблюдений и экспериментов.

Реализация результатов работы:

Результаты исследований и разработанные практические рекомендации использованы при разработке Инструкции по эксплуатации талевых канатов для потребителей ОАО «Северсталь-метиз», используются в ООО «Региональный канатный центр», г. Пермь.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности». Чтения памяти В.Р. Кубачека, 26-30 апреля 2004 г., 7-8 апреля 2011 г., 9-10 апреля 2012 г., 4-5 апреля 2013 г.

2. Международный семинар «Стальные канаты в эксплуатации» г. Одесса (Украина), 2005, 2008, 2011 гг.

3. Научно-техническая конференция «Проектирование и эксплуатация нефтегазового оборудования: проблемы и решения», г. Уфа 4-5 ноября 2004 г.

4. VII конкурс молодых ученых и специалистов ОАО «Нефтяная компания «ЛУКОЙЛ» на лучшую научно-техническую разработку, Нижний Новгород 14-17 сентября 2006 г.

5. Научно-технический совет ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь». Конкурс молодых работников предприятия на лучшую научно-техническую разработку, г. Пермь, 11 августа 2004 г.

6. Научно-практические конференции горно-нефтяного факультета Пермского государственного технического университета, 2003, 2004, 2007, 2009,2010 гг.

Личный вклад автора заключается:

- в разработке методики оценки работы талевого каната с учетом параметров подъемной системы;

- разработке табличного метода расчета распределения двойных перегибов по длине талевого каната в оснастке;

- создании методики определения коэффициента крутимости талевых канатов и разработке требований, предъявляемых к талевым канатам;

- п�