Введение к работе
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-подъемного 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 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 (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. VII 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.
