Расчет напряженно-деформированного состояния и оптимизация конструкции безрезьбового стыка насосных штанг

данном случае используется конечно-элементный пакет ANSYS. Математически задача формулируется как трехмерная контактная упруго-пластическая и отличается сложностью решения.

1.1 Насосные штанги

В нашей стране самым распространенным методом добычи нефти является штанговый насосный способ, он охватывает более 60% скважин общего действующего фонда [2].

Схема штанговой скважинной установки (рис. 1) состоит из скважинного насоса 2, насосно-компрессорных труб 3, насосных штанг 4, тройника 5, устьевого сальника 6, сальникового стока 7, канатной подвески и станка-качалки 8. Скважинный насос опускают в скважину под уровень нефти.

Возвратно-поступательное движение плунжера насоса, подвешенного на штангах, обеспечивает подъем жидкости из скважины на поверхность. В зависимости от глубины скважины и других факторов подбираются станок-качалка, диаметр насосно-компрессорных труб, штанг и насоса.

Насосные штанги, соединенные в штанговую колонну, передают возвратно-поступательное движение от точки подвеса штанг поверхностного привода к плунжеру насоса.

Рис. 1. Схема штанговой скважинной насосной установки

	Штанга представляет собой стальной стержень круглого сечения различных диаметров (16, 19, 22, 25 мм) с высаженными концами (рис. 2). На концах штанги имеется участок квадратного сечения для захвата под ключ при свинчивании - развинчивании, и выполнена резьба метрическая специальная, причем резьба накатывается. Номинальная длина штанг – 8000 мм. Штанги соединяются между собой муфтами, при этом прочность резьбового соединения должна бить не ниже прочности тела штанги. Условные обозначения штанг и муфт к ним содержатся в ГОСТе 13877-80.
Рис. 2. Насосная штанга и соединительная муфта

Муфты изготовляют из сталей марок 40 и 45 с поверхностной закалкой током высокой частоты. Для изготовления насосных штанг используют марки стали в зависимости от условий работы [4]:

для легких условий работы из стали 40 по ГОСТ 1050-74, нормализованные;

для средних и среднетяжелых условий работы из стали 20Н2М по ГОСТ 4543-71, нормализованные;

для тяжелых условий работы из стали марки 40, нормализованные с последующим поверхностным упрочнением ТВЧ и из стали 15НЗМА с закалкой и отпуском;

для особо тяжелых условий работы из стали марки 15Х2ГМФ (термоулучшение).

Свойства сталей приведены в таблице 1.

    Таблица 1

Штанговая колонна представляет собой гибкую, упругую нить, испытывающую во время работы насосов знакопеременные нагрузки, которые передаются на головку балансира станка-качалки. К ним относятся:

статические нагрузки от силы тяжести штанг и жидкости, а также от сил трения плунжера в цилиндре и штанг о трубы;

силы инерции движущихся масс жидкости и штанг;

ударные нагрузки из-за несоответствия движения плунжера и жидкости;

усилия от вибрации колонны штанг.

Эксплуатационные и предельные нагрузки штанговой колонны (ШН22) приведены в таблице 2 [4]:

Таблица 2

Долговечность штанг снижается при работе в коррозионной среде. При выборе штанг по марке стали и диаметру необходимо учитывать глубину спуска насоса, диаметр насоса, качество нефти и воды, присутствие песка в скважине и др.

Переменная нагрузка на штанги вызывает усталость, приводящая к внезапному обрыву. Другая причина преждевременного выхода штанг из строя – износ муфт.

Работоспособность штанг зависит не только от качества материала, но и от правильности транспортировки, хранения и эксплуатации. Расчеты показывают, что напряжения в сечениях изогнутых штанг значительно повышаются.

Для увеличения ресурса работы штанговой колонны необходимо проводить мероприятия по улучшению прочностных характеристик штанг и муфт к ним.

1.2 Техническая постановка задачи

В работе исследуется напряженно-деформированное состояние новой конструкции безрезьбового соединения насосных штанг ШН22 (ГОСТ 13877-80. Параметры штанг и муфт к ним). Все геометрические размеры соединения приведены на рис. 3. Материал штанг и муфты – сталь 40, механические свойства материала приведены в таблице 1.

Рис. 3. Схема безрезьбового соединения насосных штанг

1.3 Расчетная схема соединения штанг

2   а	б
в   4
3   1
Рис. 4. Модель соединения насосных штанг

Модель соединения насосных штанг, изображенная на рис. 4, имеет следующие закрепления и нагружения:

сечения  штанги 1 и муфты закреплены от продольного перемещения