Рабочие органы и конструкции винтовых насосов

 

Все погружные установки ЭВН выполнены по одной конструктивной схе­ме с двумя рабочими органами, со­единенными параллельно (рис. 5.172).

Преимущество такой сдвоенной схемы расположения рабочих органов зак­лючается в том, что в данном случае при одном и том же поперечном га­ба­ри­те дос­тигается удвоенная подача насоса, что весьма существенно, учитывая огра­ниченные диаметральные габариты нефтяных скважин. Другим преи­му­щест­вом такой схе­мы является то, что здесь рабочие органы взаимно гидравлически урав­новешены. Это исключает переда­чу значительных осевых уси­лий на опор­ные подшипники насосов или пяты элек­тродвигателей.

Насос состоит из пусковой кулачко­вой муфты центробежного типа, осно­ва­­ния с приводным валом, сетчатых филь­тров, установленных на приеме на­со­са, рабочих органов с правыми и левыми обоймами и винтами, двух эксцент­ри­ко­­вых шарнирных муфт, предохранитель­ного клапана.

В основном все узлы и детали унифи­цированы и применяются, за неко­то­рым исключением, во всех типоразмерах на­сосов. Все насосы имеют две прием­ные сетки, по одной для каждого рабочего органа, и общий выход, бла­го­да­ря чему подача насоса равна сумме подач обоих рабочих органов, а напор на­со­са равен напору каждого рабочего органа [32].

В России установки электропогружных винтовых насосов выпускаются сле­дую­щих модификаций — А, Б, В, Г.

А — для жидкости с температурой до 303 К (30° С);

Б — для жидкости с температурой от 303 до 323 К (от 30° до 30° С);

В — для жидкости с температурой от 323 до 343 К (от 50° до 70° С).

Насос с подачей 16 м³/сутки, комплек­туемый гидрозащитой 1Г51, имеет сле­ду­ющие обозначения: 1УЭВН5-16-1200, В.

Эксцентриковая муфта обеспечивает возможность сложного пла­не­тар­но­го вра­щения винтов в обоймах, благодаря чему жидкость проталкивается вдоль оси вин­та и создается необходимый напор для подъема жидкости на поверх­ность.

Рис. 5.172. Схема погружного одновинтового насоса

1 — НКТ, 2 — предохра­нительный клапан; 3, 9 — фильтр, 4 — левая обой­ма; 5 — левый винт; 6, 10 — шарнирная муф­та; 7, 8 — правая обойма; 11 — вал; 12 — центро­бежная кулач­ко­вая муфта

Рис. 5.173. Эксцентриковая муфта:

1 — корпус; 2 — поволок; 3 — ролики; 4 — сферическая шайба; 5 — валик; 6 — пружина; 7 — уплотняющая манжета

 

Эксцентриковая муфта насосов ЭВН5-100-1000 и ЭВН5-200-900 (рис. 5.173) отличается от муфты насоса 1ЭВН5-25-1000 тем, что и насосах с по­да­ча­ми 100 и 200 м³/сутки муфта с винтом со­единяется штифтами, а в насосах с по­да­ча­ми 16 и 25 м³/сутки — соединение на резьбе. Муфта (см. рис. 5.173) сос­тоит из двух шарнирных узлов, соединенных резьбовым валиком 5. Враще­ние в муф­те передается через ролики 3, расположенные в спе­циальных гнездах по­вод­­ка 2 и корпуса 1. Осевая сила воспри­нимается поводком и сферической шай­бой 4. Резиновые манжеты 7 и пружина 6 сохраняют смазку в шарнирном узле и защи­щают его от механических примесей. Шарнирность узла обеспечивается сфе­рическими опорными поверхностями поводка и шайбы и зазором между ро­ли­ками и соответствующими отвер­стиями в корпусе и поводке.

Шламовая труба защищает насос от механических примесей, выпа­даю­щих из колонны труб, заполненных жидкостью, при остановке насоса. Кор­­пус­ные де­­тали составляют трубчатый кор­пус насоса. Рабочие органы на­со­са — обой­мы в комплекте с рабочими винтами. Внутренняя поверхность обой­мы вы­полне­на из твердой маслобензостойкой резины и имеет двухзаходную вин­то­вую по­верх­ность с шагом в 2 раза большим, чем шаг винтa, причем нап­рав­ле­ние спи­ра­ли одной обоймы — левое, а другой — правое. Вследствие раз­ных нап­­рав­ле­ний спирали на обой­мах и соответственно на винтах обес­печи­вает­ся гид­­рав­ли­чес­кая разгрузка насоса.

Для насосов с подачами 16 и 25 м³/сутки винты изготавливают из стали, а для насосов с подачами 100 и 200 м³/сутки — из титанового сплава, благодаря че­му, за счет уменьшения массы винта, снижается вибрация насоса.

Пусковая ведущая муфта вместе с кулачками и ведомая полумуфта, на­ле­­тая на вал насоса, обеспечивают включение насоса при максимальном кру­тя­щем моменте двигателя, соответствующем частоте вращения 800—1100 об/мин.

Включение муфты при максимальном крутящем моменте вызвано тем, что винтовой насос имеет большую инерцию покоя и, чтобы запустить его, необхо­дим повышенный пусковой момент. Достигается это за счет выдвижения ку­лач­ков, стянутых пружиной, под действием центробежной силы, соответствую­щей этой частоте вращения двигателя. Зацепление кулачков и включение насоса проис­ходит после того, как кулачки вошли в соответствующие окна в ведомой полумуфте, обеспечивающей вращение приводного вала насоса только в за­дан­ном направле­нии. При обратном вращении за счет скоса на кулачках муфта не включается и кулачки проскальзывают.

Внутри основания насоса расположены вал с подшипника­ми и опорные пя­ты из сатинированного графита. Основание (рис. 5.174) можно использовать толь­ко в насосах, комплектуе­мых гидрозащитой 1Г51. В этом узле нет саль­ни­ка, а смазка трущихся поверхностей осуществляется пластовой жидкостью. На приводной вал 4 надеты защитные втулки 1 из нержавеющей стали, которые вращаются в бронзовых втулках 2. Концевые не­подвижные опорные пяты опи­раются на резиновые прокладки для равномерной передачи усилий на всю поверхность пяты.

Рис. 5.174. Основание:

1 — защитная втулка; 2 — бронзовая втулка; 3 — опорная пята; 4 — приводной вал

Предохранительный поршеньково-золотниковый клапан расположен в верх­ней части насоса. Клапан (рис. 5.175) состоит из корпуса золотника 3, зо­лот­ника 4, поршня 5, амортизатора 2 и корпусных деталей 1 и 6. Клапан обес­пе­чи­вает технологические и эксплуатационные операции по обслуживанию и мон­тажу на­соса. Основные функции клапана: защита насоса от перегрузки и слу­чае повышенного давления в напорной линии; обеспече­ние слива и залива ко­лонны труб при спуско-подъемиых опера­циях; перепуск жидкости из на­пор­ной линии обратно в скважи­ну или при недостаточном притоке жидкости из плас­та в сква­жину, или при содержании в жидкости большого количества газа; пре­дотвращение обратного потока откачиваемой жидкости из труб через ра­бо­чие органы при остановках насоса.

 

Рис. 5.175. Предохранительный поршеньково-золотниковый клапан:

1, 6 — корпусная деталь; 2 — амортизатор; 3 — корпус золотника; 4 — золотник; 5 — пор­шень

 

На рис. 5.176 показаны три промежуточных положения кла­пана при эксп­луа­тации насоса: заполнение жидкостью колон­ны труб и слив жидкости при спус­ке и подъеме установки (рис. 5.176, а), подача жидкости на поверхность при работаю­щей установке (рис. 5.176. б) и сброс жидкости при недостаточ­ном при­токе жидкости или большом газовом факторе обратно в скважину (рис. 5.176, в).

Рис. 5.176. Схема работы предохранительного клапана

Обойма. В стандартном одновинтовом погружном насосе типа ЭВНТ обой­ма является несущей конструкцией, а ее корпус вы­полняет функции кор­пу­са всего агрегата. Поэтому к прочности и точности изготовления метал­личес­ко­го корпуса предъявляют­ся повышенные требования, особенно в отношении раз­нос­тенности. Обычно его изготовляют из горячекатаных легированных сталь­ных труб. Легирование хромом нежелательно, так как ухудшает крепление элас­томера, например, синтетического каучука. Для увеличения прочности креп­ления резины к металлу реко­мендуется внутреннюю поверхность корпуса вы­полнять в виде неглубокой нарезки произвольного профиля, которую затем по­к­рывают различными слоями материалов, обеспечивающих на­дежное (не ме­нее 40 кгс/см² на отрыв) крепление резины к ме­таллу. Обычно этот процесс произ­водится в пресс-форме, одно­временно с вулканизацией самой резиновой сме­си.

При конструировании и расчете профиля винтовой поверх­ности всегда учи­тываются свойства синтетического каучука дан­ной марки. Важно обес­пе­чить равномерность толщины слоя ре­зины по всей длине обоймы. Необходимо учи­тывать и измене­ние геометрической формы изделия в процессе вул­ка­ни­за­ции его в пресс-форме.

Требования к эластомеру обоймы. Гарантийная наработка до отказа обой­мы, непрерывно работающей в нефтяной скважине с напором 900—1500 м, долж­на быть не менее 1 года при сроке хранения 2 года.

Эластомер обоймы, обычно синтетический каучук, должен быть рабо­тос­по­собным, т.е. нефтестойким в нефтяной среде различных месторождении, при­чем часто требуется его работоспособность при высоких температурах жид­кос­ти — до 70—90 °С.

Вследствие высоких требовании по напору конструктивная длина обойм не­которых типоразмеров уже достигает 1500 мм и существует непрерывная тен­денция к увеличению этого размера. Отсюда очень важны высокие литьевые свойст­ва эластомера и обеспечение прочности крепления его к металлу не ме­нее 40 кгс/см². Особое внимание уделяется равномерности крепле­ния резины по всей поверхности обоймы.

Основные физико-механические показатели эластомера

 

Сопротивление разрыву, кгс/см^2…………………………..	≥ 100
Относительное удлинение, %……………………………...	≥ 150
Относительное остаточное удлинение, %………………...	≤ 20
Изменение массы образца в нефтяной среде, %:
за 24 ч……………………………………………………...	≤ 3
за 72 ч……………………………………………………...	≤ 4

 

Эластомер должен обладать достаточной твердостью, быть стойким к воз­дейст­вию жидких и газообразных агрессивных сред, уменьшение массы образ­ца не допускается.

Транспортирование и монтаж оборудования можно производить в за­по­ляр­ных районах и в районах с тропическим климатом. Эластомер должен удов­лет­во­рять и этим специфическим требованиям.

Специальных исследований требует проблема газостойкости эластомера, т.е. стойкости к проникновению газов

При сравнении газопроницаемости различных синтетичес­ких каучуков уста­­новлено, что удельная газопроницаемость нитрильного синтетического кау­чука (СКН) в 20 раз больше фторокаучука. Однако при насыщении образцов угле­кислотой, которая по своему действию на СК близка к нефтяным попут­ным га­зам, наименьшему разрушению подвергаются образцы, обладающие большей га­зопроницаемостью. Это объясняется возможностью молекул газа выходить из меж­молекулярной решетки, не разрушая ее при резком снижении давления окру­жа­ющей среды, что происходит при подъеме насоса из скважины но время ре­монта.

Большое значение при выборе эластомера имеет коэффици­ент трения элас­то­мера по металлу. С этой точки зрения могут быть рекомендованы фто­ро­кау­чу­ки и полиуретаны.

Одним из специфических свойств эластомера является его твердость. Это свойст­во характерно не само по себе, а служит контролируемым выразителем сум­мы других физико-механичес­ких показателей, которые в готовом изделии про­контролировать бывает невозможно.

Показатели теплостойкости связаны с показателем твердости обычной за­ви­симостью: теплостойкость твердых эластомеров выше, чем более мягких.

С точки зрения повышения напорности насоса повышение твердости являет­ся полезным свойством, оно совпадает и с по­вышением теплостойкости. Одна­ко наиболее износостойки мяг­кие синтетические каучуки.

Таким образом, для износостойкой модификации насоса не­обходимы обой­мы в специальном исполнении.

После вопроса крепления к металлу износостойкость является наиболее важ­ным из требований, предъявляемых к эластомеру.

Стойкость к истиранию полиуретановых каучуков в несколь­ко раз выше стой­кости нитрильных. Однако проблема трения и износа трущихся пар с учас­тием механических примесей сложна и требует больших усилий для ее исс­ле­до­вания и решения. Пока наиболее износостойкая пара — хром по эластомеру.

Обоймы, покрытые изнутри эластомером, изготовляют, как правило, в пресс-форме. Эластомер заполняет форму и подвергается вулканизации. С по­мощью литьевых стержней с правым и левым направлением винтовых спира­лей формуются соответствую­щие обоймы — правые или левые. Перед сборкой качество и размер обойм контролируется гладкими цилиндрическими калибра­ми.

Контроль качества эластомера осуществляется с помощью сви­детелей — образцов эластомера, изготовляемых в той же пресс-форме одновременно с изделием. По торцам обоймы контроли­руется твердость эластомера.

Стабильность химического состава и физико-механических свойств элас­томера и строгое соблюдение технологического регламента на всех операциях обеспечивают гарантированный ресурс насоса.

Винт. Наиболее технологически простым является однозаходный винт с по­перечным сечением в виде правильного круга.

Винт может быть изготовлен из стали, легированной хромом, или из тита­но­во­го сплава, который примерно в 1,7 раза легче стали и не уступает ей по проч­ности. Выигрыш в массе позволяет во столько же paз снизить нагрузку на элас­томер от центробежной силы при вращении винта. Обрабатывается винт на то­­кар­ном станке, обычно с приспособлением для вихревой нарезки что поз­во­ляет получить высокую точность при наиболее высокой производительности тру­да. Поверхности винта должны удовлетворять требованиям высокой твер­дос­ти и чистоты обработки. Эти условия выполняются нанесением на по­верх­ность твердого слоя хрома и его полированием в специальном приспособлении.

Сборка сдвоенных насосов. При сборке сдвоенного насоса ра­бочие пары обой­ма — винт (как левые, так и правые) подбира­ются по возможности с оди­на­ковым монтажным натягом. Пос­ледний рассчитывается с учетом тем­пе­ра­тур­но­го исполнения насоса. Если насос предназначен для работы в скважинах с по­­вы­шенной температурой жидкости, натяг уменьшается и дол­жен быть пре­дус­мотрен предварительный зазор. Этот зазор при нагреве насоса в скважине бу­дет выбран и перейдет в стандарт­ный натяг в связи с тем, что эластомер в обой­ме расширяется больше, чем металлический корпус. Заказчик обязан своев­ре­менно известить предприятие-изготовитель о необходимом ему тем­пе­ра­турном исполнении насоса.

Необходимым условием сборки является также балансировка винтов. Пра­вый и левый винты при сборке следует располагать в одной плоскости и раз­ме­щать в обоймах так, чтобы оси винтов (приведенные к центрам тяжести массы) на­ходились в противо­положных направлениях. Тогда центробежные силы Р _ци Р' _ц(рис. 5.177) будут уравновешены, неуравновешенным останется лишь век­тор момента инерции второго порядка от пары сил Р _ци Р' _ц.

 

Рис. 5.177. Схема балансировки винтов

 

(5.46)

Абсолютная величина этого момента невелика и, как показывает практика, не влияет на прочность погружного агрегата или насосно-компрессорных труб.

Такая балансировка винтов при сборке насоса легко достигается простым вра­щением корпусов обоим при одновременном контроле положения винтов в обой­мах. Так как при вращении корпуса обоймы на угол α угловое пе­ре­ме­ще­ние винта в обойме составляет 2 α, задача балансировки винтов при сборке на­со­са не составляет труда.

Особенности конструирования универсальных шарниров. Уни­вер­саль­ные шарниры конструируются с учетом необходимого эксцентриситета винтов, пе­ре­даваемого крутящего момента и осевых сил, возникающих в насосе оглав­ле­ния. Предложенные ранее шарниры с гибким тросом, шарниры с точечным кон­­тактом между торовыми поверхностями звеньев цепи, так же как и широко извест­ные шарниры типа Кардана-Гука, или упругий вал взамен шарниров ока­за­лись ненадежными при эксплуата­ции насосов со сдвоенными винтовыми ро­то­рами.

Только конструкция (см, рис. 5.173) показалa себя достаточно надежной и ши­­роко применяется в промышленных образцах.

При изготовлении шарнира основное внимание следует обращать на па­рал­­лельность и равномерность размещения по ок­ружности канавок, в которые по­мещаются «плавающие» роли­ки, и на их термическую обработку.

Прилегание сферических поверхностей должно быть не менее 75 %. Сбор­ка шарниров должна обеспечивать их подвижность, т.е. необходим небольшой за­зор между трущимися деталями.