Установки погружных центробежных насосов (УЭЦН)

σизг.max=Мизг.max                                                   (3.34)

                                                              Wx

Wх=π*d⁴кр.                                                       (3.35)

32*D

где, Wх- момент сопротивления в месте проточки под стопорное кольцо,

м;

dкр.-диаметр вала в месте проточки под стопорное кольцо, м;

σизгб.min=Мизг.min                                                             

(3.36)

Wx

Напряжение кручения

τкр.=Мкр.max                                                            

(3.37)

Wp

Wр=2*Wx – полярный момент сопротивления вала в месте проточки под стопорное

кольцо;

Эквивалентное напряжение находим  по четвертной прочности:

σэкв.=√σ²изг.max+3τ²                                                 

(3.38)

По этой величине и пределу текучести  материала вала устанавливается  запас

прочности с учетом статистических нагрузок:

п=σт≥1,3                                                      (3.39)

                                                       σэкв

Исходные данные:

Приводная мощность двигателя N = 2000Вт. Частота оборотов двигателя п=2840

об/мин. Предел текучести материала вала σ=750 МПа. Модуль упругости

материала вала У=20*10 МПа. По данной методике произведем расчет с цифровыми

значениями:

Момент инерции вала:

J= π*d⁴вн.+ а (D-dвн) * (D +dвн)²*z

64

J= 3,14*0,012⁴ + 0,0035 (0,017 – 0,012)*(0,017+0,012) ²*6

64

J=2,3*10^-10  м;

Нагрузка создаваемая работающими шлицами:

Р2=0,2*Рокр.

Р2=0,2* Mкр.max

dср

Р2=0,2 * 2*67,28

0,0155

Р2= 1736,2584.

Максимальный изгибающий момент в  месте проточки под стопорное  кольцо:

Мизг.max= (Р1+Р2)*b

Мизг.max=(258,957+1736,258)*0,035

Мизг.max=69,83 Н*м.

Минимальный изгибающий момент в этом сечении:

Мизг.min=(Р1-Р2)*b

Мизг.min=(258,957-1736,258)*0,035

Мизг.min=51,74 Н*м;

Напряжение изгиба в опасном  сечении:

σизг.max=Мизг.max

Wx

где, W= π*d⁴кр

32*D

W=3,14*0,0157⁴

32*0,017

W=3,51*10^-7  м³;

Это мы нашли осевой момент сопротивления  вала:

σизг.max.=    69,83

3,51*10^-7

σизг.max =198,945Мпа

Минимальное напряжение изгиба

σизг.min.= 51,71

3,51*10^-7

σизг.min.= 147,321 МПа

Напряжение кручения:

τкр=Мкр.max

Wp

где, Wр=2*Wх

Wр=2*3,51*10^-7

Wр=7,02*10^-7 м

Это мы нашли полярный момент сопротивления  вала

τкр.= 67,28

7,02*10^-7

τкр.=96,114 Мпа;

Эквивалентное напряжение:

σэкв=√σ² изг.max + τкр²

σэкв=√198,945²+3*96,114²

σэкв.=259,409 Мпа;

Запас прочности по пределу текучести:

п=  σт  ≥ 1,3

σэкв

п=    750

259,409

п=2,8;

Из результатов расчетов видно, что вал из стали 40 ХН диаметром 17 мм со шлицем

и с проточкой под стопорное  кольцо выдерживает заданные нагрузки с

коэффициентом запаса прочности п=2,8, который удовлетворяет условию

2,8>[1,4].

                          3.5.Прочностной расчет                         

                 3.5.1.Прочностной расчет корпуса  насоса                

Корпусы погружных центробежных насосов  изготавливают из трубных заготовок

точением или из холодных комбинированных  труб повышенной точности длиной

2100, 3600 и 5000 мм.

Корпус насоса будет рассчитываться в следующей последовательности.

1.Выбираем наружный диаметр  и внутренний корпуса насоса.

Dвн.=0,092 м, Dвн=0,08 м

2.Определяем предварительную затяжку  пакета ступеней с учетом коэффициента

запаса плотности верхнего стыка  по формуле:

T=πКρgНrвн.[1-Eк-Fк/2 (ЕкFк+Ена Fна)]

(3.40)

где К – коэффициент запаса плотности стыка;

К=1,4

ρ - плотность воды;

ρ=1000м/кг

g – ускорение свободного падения;

g = 9,8 м/с

H- максимальный напор насоса;

Н =1300 м

r - внутренний радиус расточки корпуса насоса;

r=0,04 м

Ек- модуль упругости материала корпуса насоса;

Ек=0,1х10 ⁶Мпа

Fк – площадь поперечного сечения корпуса насоса;

Fк=1,62х10 ^-3 м ²

Ена- модуль упругости материала направляющего аппарата;

Ена=1,45х10 ⁵МПа

Fна – площадь поперечного сечения направляяющего аппарата;

Fна=6,08х10^-4 м²

Т=3,14х1,4х1000х9,81х1160х0,04² [1-2,1х10⁶ х1,62[10^-3

/2(2,1х10⁶ х1,62х10^-3 +1,45х10⁵ х6,08х10^-4

) ]=48256Н

3.Находим общее усилие, действующее  вдоль оси корпуса по выражению:

Q=Т+ρgНrвн ² EкFк/2(ЕкFк+ЕнаFна)+G + πКρgНrвн

(3.41)

где Т – предварительная затяжка пакета ступеней, определенная по формуле

(3.40)

Т=48256Н

G – масса погружного агрегата;

G =20505 Н;

Hmax -  максимальный напор насоса;

Нmax =3500 м

Q = 268519Н

4.Вычисляем осевое напряжение  в  опасных сечениях корпуса  по формуле

σ=Q/Fк

(3.42)

где Q – общее усилие, действующее  вдоль корпуса насоса, определенное по

выражению (3.41)

Q=268591 Н

Fк – площадь ослабленного сечения корпуса по наружному диаметру

трубы;

Fк =1,24х10^-3 м²

σz=268519/1,24х10^-3=220МПа

5.Определяем тангенциальное напряжение  в опасных сечения, по выражению:

σ=pgHmaxrвн/S-MT/F’

(3.43)

где S – толщина корпуса в  опасном сечении;

S=0,009 м

M – коэффициент Пуассона;

M=0,28

σт=142 МПа

           3.5.2.Прочностной расчет винтов страховочной муфты.          

Расчет винтов на срез произведем по формуле:

τ≤[τ]

(3.44)

где τ – напряжение среза действующее на винты страховочной муфты;

[τ] – допускаемое напряжение  среза.

Допускаемое напряжение среза определяется по формуле:

[τ]=0,4σт

где σт – предел текучести материала  винта, для стали 35 из которой

изготовлены винты

σт=360МПА.

[τ]=0,4х360=144МПа

Напряжение среза действующее на винты определяем по формуле

        τ=4S/пdхz                                                    (3.45)

где S – сила среза действующая на винты;

d – внутренний диаметр резьбы;

d=0,0085 м;

z –количество винтов, z=2;

Находим силу среза по выражению

                         S=mхg                                            (3.46)

где m – масса насосного агрегата

m=709 кг

g – ускорение свободного падения;

g =9,8 м/с

S=709х9,81=6955,29 кгм/с² =6955,29 Н

Определяем напряжение среза, действующее  на винты страховочной муфты по

формуле (3.45)

τ=6955,29х4/3,14х0,0085⁵ х2=61285468 Па=61,29 МПа.

Прочностной рачсет винтов на срез является допустимой, так как 61,29<144

Коэффициент запаса прочности винтов определяем из выражения

n=[τ]/ τ                                                   (3.47)

где [τ] – допускаемое напряжение среза, [τ]=144 МПА

τ – напряжение среза действующее на винты страховочной муфьы,

τ=61,29 МПа

П=144/61,29=2,35

Полученный коэффициент заппса прочности является достаточным.

                3.5.3.Прочностной расчет корпуса полумуфты               

Расчет корпуса полумуфты будет  рассчитываться на растяжение в опасном

сечении. Расчет полумуфты в опасном сечении произведем по формуле:

σ≤[σ]

(3.48)

где σ – сопротивление при растяжении действующее в опасном сечении

полумуфты;

[σ] – допустимое сопротивление  при растяжении.

Допустимое сопротивление при  растяжении определяется из выражения

σ=0,3σт

(3.49)

где σт – предел текучести материала  для материала сталь 30 Л, из

которого отлита полумуфта σт=240 МПа

[σ]=0.3х240=72 МПа

Определяем напряжение, получамемое давлением максимальной нагрузки на площадь

по формуле:

σ=S/F                                                              (3.50)

где S – максимальная нагрузка действующая на полумуфту, определенная

по формуле (3.46)

S=6955,29Н

F – площадь полумуфты в опасном  сечении;

F=5,68х10^-4 м ²

σ=6955,29/5,68х10^-4=12245228Па=12,25МПА

Прочность полумуфты в опасном  сечении является допустимой, так  как 12,25

МПа<72 Мпа

Коэффициент запаса прочности определяем из выражения

П= [σ] /σ                                                      (3.51)

где [σ] – допускаемое сопротивление при растяжении;

[σ]=72 МПА

σ- сопротивление при растяжении действующее в опасном сечении

муфты;

σ=12,25 МПА

П=72/12,25=5,87

Полученный коэффициент запаса прочности является допустимым.

                        4. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ                        

На месторождениях, разрабатываемых  и эксплуатируемых НГДУ “Сургутнефтегаз”

дебет скважин по сравнению с  прошлыми годами падает, что дает основанием

использовать на скважинах электроцентробежные  насосы с меньшей подачей.

При эксплуатации скважин УЭЦН М-30-1300 повышается межремонтный период и

наработка на отказ.

Совершенствование электроцентробежного насоса с подачей 50 м/сут состоит в

том, что в корпус электроцентробежного насоса с подачей на 50 м/сут мы ставим

рабочие колеса и направляющие аппараты, рассчитанные на подачу 30 м/сут. Этим

мы получаем насос с подачей 30 м/сутки для использования на малодебетных

скважинах. За счет этого мы получаем экономию денежных средств, так, как не

приходится запускать с заводов  электроцентробежные насосы для  малодебетных

скважин.

Экономический эффект ожидается за счет:

-увеличение наработки на отказ;

-уменьшение числа текущих ремонтов;

-предотвращение затрат, связанных  с закупкой УЭЦН-30 на заводах.

Методика расчета экономического эффекта

Экономический эффект определяется по формуле

Эт=Рг-Зг                                                       (4.1.)

                                                          Кр+Ен

где, Рг – стоимостная оценка годовых результатов

Зг – неизменные по годам годовые затраты;

Кр – норма амортизации с учетом фактора времени

Ен – норматив для приведения к расчетному году

Стоимостная оценка годовых результатов:

от количества ремонтов

Рг1=(365 –   365  )  *Срем.                                            (4.2.)

МРПб  МРПсов.

где, МРП_б – базовый межремонтный период;

МРП_сов.–межремонтный период усовершенствованного

оборудования

С_рем. – стоимость текущего ремонта

Неизменные по годам годовые  затраты:

Зг=Иг+(Кр+Ен)*К

(4.3)

где, Иг – годовые текущие затраты

К – капитальные затраты

Годовые текущие затраты:

К1=1,2 ( Зср. *L + 0,395 * Зср. * L)                                      (4.4)

166                       166

где, К1 – капитальные затраты, связанные с изготовлением рабочей

ступени;

Зср – средняя затрата

L – длительность изготовления

Капитальные затраты на материалы, примененные при изготовлении рабочей  ступени:

К2=m*c*Kи                                                            (4.5)

где, m – масса материалов;

c – стоимость материалов;

Ки- коэффициент, учитывающий, что часть материалов расходуется

при изготовлении.

К=К1+К2                                                             (4.6)

К=n*(К1+К2)                                                     (4.7)

где, -n - количество рабочих ступеней.

Годовая прибыль, остающаяся в распоряжении предприятия:

Пt=Bt – Ct – Ht                                                      (4.8)

где, Bt – выручка от реализации продукции, полученной с применением

мероприятий НТП, без акцизов и  налогов на добавочную стоимость;

Ct – себестоимость продукции;

Ht – налоги, общая сумма.

Срок возврата затрат:

Т=  К                                                                (4.9)

П+А

где,  П – прибыль чистая, получаемая за счет реализации мероприятия за

год;

А – сумма амортизации за год.

Исходные данные:

Стоимость ЭЦН – 50-1300 – 1320400 руб

Стоимость ЭЦН - 30-1300 – 18900000 руб

m1 – масса рабочего колеса, изготовляемого  из полиамида.

m1=0,158 г

С – стоимость полиамида

С=1500000 руб за тонну

m₂ – масса направляющего аппарата, изготовляемого из полиамида.

m₂=320 г.

Средняя заработная плата:

Зср.=1800 руб

Длительность изготовления рабочей  ступени

L=1 час

Межремонтный период базовый:

МРПб=316 суток

Межремонтный период совершенствованного  оборудования:

МРПсов.=358 суток

Стоимость текущего ремонта (одного):

Т = 72 часа

Среднесуточный дебит :

Q=35 м/сут

Стоимость нефти на внутреннем рынке:

С = 500000 резв./тонну

Себестоимость нефти:

Ct=287274 руб/т

                      Расчет экономического эффекта                     

Стоимостная оценка годовых результатов:

от количества ремонтов:

Рг1= ( 365      –    365  )    *Срем.

МРПб      МРПсов.

МРПб=316 суток

МРПсов.=358 суток

Ср=1150000 резб.

Рг1= (365 – 365) *1150000

316          358

Рг1=156400 руб

Рг2 берем из 40% от стоимости ЭЦН – 50-1300 и стоимости ЭЦн – 30-1300.

Рг2=0,4*13204000+18900000=2418600 руб

Рг=Рг1+Рг2

Рг=156400+24181600=24338000 руб

Расчет затрат:

Зг=Иг + (Кр+Ен)*К

Иг=ΔР*Т*Q*Сп

Сп3=55% от себестоимости 287274 руб/т

Иг=0,136*3,0830,0*0,55*287274

Иг=1933928,5 руб

Затраты на изготовление рабочей ступени

К1=1,2 *(1,395 * Зср. *L)

166

Зср.=1800000 руб

L=1 час

К1=1,2 * 1,395 * 1800000*1

166

К1=18151,719 руб

Затраты на материалы, примененные  при изготовлении рабочей ступени:

К2=m*С*Ки

m=m1+m2

m=0,320+0,158

m=0,478

К2=0,478*10^-3 *1500000*1,5=1075,5 руб

К=112*19227,219

К=2153449 руб

Зг=Иг + (Кр+Ен)*К

Зг=1933928,5 + (1+0,1)*2153449

Зг=4292722,4 руб.

Эффект рассчитывается для срока  в 5 лет, срока амортизации оборудования типа