Материал: Монтаж і експлуатація бурових насосів

Визначаємо коефіцієнт запасу втомної міцності по напруженнях згину

, (2.70)

де К_sд- коефіцієнт, що враховує вплив амплітудного напруження.

, (2.71)

де К_σ - ефективний коефіцієнт концентрації напружень, К_σ=1 [9];

К_пов - коефіцієнт стану поверхні, Кпов=1,7 [8];

ε - масштабний фактор, ε =0,5 [8];

К_е- коефіцієнт еквівалентності, Ке=0,6 [8].

_σ - коефіцієнт впливу середнього напруження циклу, f_σ=0,22 [9];

[n_σ] - мінімально допустимий коефіцієнт коефіцієнт запасу, [n_σ]=1,5 [1].

> []

Отже, умова виконується.

Проведемо розрахунок тарілки клапана на зминання.

Визначаємо зусилля, що діє на тарілку клапана

, (2.72)

Визначаємо площу контакту конічної поверхні тарілки клапана із сідлом

, (2.72)

де r_c- радіус прохідного перерізу сідла клапана, r_c=75 мм;

α- кут нахилу твірної конічної посадочної поверхні клапана, α=450.

Визначаємо силу нормального тиску на конічну поверхню контакту

, (2.73)

де f- коефіцієнт тертя, f=0,15 [9].

Визначаємо напруження зминання

, (2.74)

Визначаємо допустиме напруження зминання

 (2.75)

Отже умова виконується  < [].

3. Спеціальна частина

.1 Умови роботи найбільш швидкозношуваних деталей бурового насоса, види, характер та механізм їх руйнування

До найбільш швидкозношуваних деталей бурових насосів відносяться поршні і їх ущільнення, штоки і їх ущільнення, клапани і їх ущільнення, циліндрові втулки і їх ущільнення, сідла клапана, корпуси сальника, ущільнення кришок.

В процесі буріння нафтових і газових свердловин вибурена порода, особливо глина, інтенсивно дисперсується в результаті механічних і теплових дій. При цьому найменші частинки породи насичують промивний розчин, що різко погіршує його структурно-механічні властивості. На довговічність деталей гідравлічної частини бурових насосів впливають умови роботи:

циклічні навантаження від тиску перекачуваного середовища, що змінюється за кожний подвійний хід поршня насоса від нуля до максимуму;

швидкість відносного переміщення деталей пристрою, що змінюється в межах кожного ходу від нуля до 2 м/с на довжині від 250 до 400 мм;

перекачувані рідини з температурою до +80 градусів за шкалою Цельсія, що містять в ряді випадків нафту, кислоти, луги і різні хімреагенти, а також до 10 відсотків по об'єму тверді абразивні частинки вибуреної породи і обважнювачі різної форми і розмірів від декількох мікрометрів до декількох міліметрів;

навколишнє середовище з змінною на протязі року температурою.

Тверді і абразивні частинки вибуреної породи викликають абразивний вид зношення, а у клапанів, крім того, можуть збільшувати ущільнюваний зазор при попаданні частинок на посадочну поверхню між сідлом і тарілкою.

Умови роботи насосів залежать від прийнятої технології буріння і, як правило, не можуть бути змінені довільно для збільшення довговічності деталей насоса. їх слід враховувати при виборі або розробці нових деталей насоса. Але при особливо несприятливих умовах роботи знижуються загальна надійність насоса. Це вимагає для забезпечення більш довготривалої безвідказної роботи насоса знижувати при бурінні мінімальні тиски нагнітання, використовувати більш дорогий, але менш абразивний обважнювач, тобто відступити від оптимальної технології буріння. Аналіз промислових даних показує, що із збільшенням густини промислової рідини наробки змінних деталей насосів різко зменшується, особливо при досягненні густини 2 г/см³ і більше. Так, якщо при бурінні свердловин з промивною водою наробки поршнів складають 180-200 год, то при застосуванні обважненого глинистого розчину (густина 2.25г/см³) вони зменшуються до 18-20 год, тобто в 10 разів. В такій же степені вони зменшуються по всім деталям.

Більшість тарілок клапанів поршневих насосів виходять з ладу при порушенні герметичності гумового ущільнення, при чому на всіх таких клапанах відмічаються промиви. Герметичність ущільнень поступово порушується внаслідок зношення гумових ущільнюючих деталей і робочих поверхонь тарілок і сідел клапанів. Металеві поверхні руйнуються при дії турбулентного потоку, ерозії твердими частинками, і контактної втоми при роздавлюванні піщинок, що попадають між сідлом і тарілкою при закриванні клапана. Конічні робочі поверхні сідла і тарілки отримують значну шорсткість, мають багаточисельні оспини.

В процесі експлуатації клапанів спостерігається повтор циклів відкриття і закриття клапанів, багатократне прикладання діючих навантажень, складний характер взаємодії абразивних частинок з робочими поверхнями деталей: при витіканні рідини з відкритого клапана абразивні частинки, що рухаються разом з нею, проводять як ударну так і ударно-проковзуючу дію на робочі поверхні деталей клапанів; агресивний вплив промивної рідини.

Спостереження за роботою клапанів показали, що клапани починають руйнуватися з ущільнень, працездатність яких менша працездатності металевих деталей. Гумова ущільнююча манжета руйнується, викликаючи порушення герметичності ущільнення і промивання тарілки і сідла, навіть в той час, коли зношення металевих деталей від інших причин ще не приводить клапан в несправність. Наклеп і поява кільцевих виробок на металевих деталях сприяють втраті герметичності і виходу клапану з ладу.

Видами зношення пари шток-ущільнення штока є абразивне, гідроабразивне, абразивно-втомне. Втомне руйнування штока і манжет, термодиструкція.

Аналіз зношених ущільнень штока вказує на те, що частіше всього руйнується опорна манжета від витискання в зазор між штоком і грундбуксою. Під напруженням до штока підтискається потилична частина манжети. Яка зношується більше, ніж її розтрубна частина. При цьому утворюються дрібні повздовжні риски-сліди від тертя абразивних частинок, які протягуються штоком по поверхні манжети або заклинюються в гумі. Риски утворюються в основному в нижній частині штока, що пояснюються дією сили гравітації. При цьому в зношених комплектах ущільнень перші манжети зберігаються. їх робочі поверхні знаходяться тільки на початковій стадії розмиву від у тічок або мають сліди стирання.

З порушенням цілісності потиличної частини опорної манжети порушується опора для попередньої манжети і вона піддається аналогічному виду зношення. При цьому попередня манжета зношується в місцях, що відповідають найбільшому зношенню опорної манжети. Також поглиблюються на тілі манжети і штока риски від подальшої дії абразивних частинок. В утворені риски попадає все більша кількість абразивних частинок, оскільки на їх поверхні нормальні напруження будуть меншими, ніж на незношеній поверхні манжети. Таким чином, абразивне зношення прискорюється за законами геометричної прогресії.

При більшому руйнуванні нижньої частини опорної манжети можливий її підворот, що приводить до катастрофічного виду зносу -промиву абразивною струминою.

Такий же результат отримується при утворенні наскрізної риски.

Головним недоліком існуючих ущільнень є те, що коли при проковзуванні по штоку в зону контакту потрапляє абразив, виникає коливання (скрип) - манжети не проковзують, а перескакують по поверхні штока, В результаті цього нерівномірно розподіляються напруження по всіх манжетах або по поверхні однієї; в місцях більших напружень виникають спрацювання, в які попадає все більша кількість абразиву. Як наслідок, ущільнення швидко виходять з ладу в умовах високих тисків і агресивних середовищ.

З метою збільшення ресурсу ущільнень штоків шляхом ліквідації скрипу за рахунок встановлення між манжетами тонких прокладок із суміші дрібнодисперсних фторопластового, мідного і модифікованого графітового порошків, коефіцієнт тертя спокою яких наближається до коефіцієнту тертя ковзання. При великих тисках така суміш веде себе як в'язка рідина і є сухою змазкою в зоні контакту ущільнення - шток. Суміш спікається за загальною методикою.

При виникненні спрацювань в манжеті або штоку під дією сили пружності гуми суміш підтікатиме в місця спрацювання, оскільки там буде менше напруження, і запобігатиме попаданню в ці ділянки бурового розчину. Час від часу манжети потрібно підтягувати грундбуксою для створення потрібного напруження між ними.

Для визначення відношення ширини прокладки до висоти манжети вибираємо статистичні значення зношування штоків і манжет, визначаємо загальний знос, і додаємо його до гранично мінімальної ширини прокладки, яка не витискатиметься внаслідок в'язкості матеріалу і ділимо на висоту досліджуваних манжет.

3.2 Аналіз роботи клапанної групи бурових насосів

На довговічність клапанної групи бурових насосів впливають такі фактори: тиск нагнітання і властивості промивальної рідини (в'язкість, температура, густина, наявність твердих і абразивних частинок, корозійна дія, наявність нафти, газу і інших хімреагентів і т.д.). Підвищена температура рідини і наявність в розчинах нафти і газу негативно впливають на гумові деталі ущільнень, змінюють механічні властивості матеріалів. Тверді та абразивні частинки вибуреної породи викликають абразивний вид зношування. Наявність абразивних частинок в промивальній рідині залежить від типу обважнювача якогось, властивості гірських порід, що зустрічаютьсяпри бурінні свердловини, якості очистки промивальних рідин і т.д. Втраті герметичності ущільнення і початку зношення абразивною струминою сприяє корозія ущільнюючих металічних деталей.

Зношення ущільнюючої гуми клапанів залежить не стільки від властивостей компонентів, з яких вона виготовлена, скільки від властивостей промивальної рідини, швидкості проковзування, навантаження, умов тепловідводу, розміру поверхні контакту, результату взаємодії матеріалів сідла і тарілки середовища і продуктами зношування.

Спостереженнями встановлено, що з перших годин роботи починається механічне зношування гумового елементу клапана незалежно від його розміщення і саме в місцях найбільшої концентрації напружень. В момент посадки манжети на сідло або тарілки на манжету (в клапані насоса У 8-6М) загострена частина манжети видавлюється в ущільнюючий зазор і защемляється. При подальшому змиканні тарілки зі сідлом з ростом тиском защемлений об'єм відривається. Механізм такого виду зношування через деякий час приводить до повного руйнування загостреної частини манжети.

Більшість тарілок клапанів поршневих насосів при глибокому бурінні виходить з ладу при порушенні герметичності гумового ущільнювача, при чому на всіх клапанах відмічаються промиви. Герметичність ущільнень поступово порушується внаслідок зношування гумових ущільнюючих деталей і робочих поверхонь тарілок, і сідел клапанів. Металічні поверхні руйнується при спільній дії потоку рідини і контактної втоми при роздавлюванні піщинок між сідлом і тарілкою.

В процесі експлуатації поршневого насоса спостерігається повторення циклів відкриття і закриття клапанів, багатократне прикладання діючих навантажень, складний характер взаємодії абразивних частинок з робочими поверхнями деталей і агресивний вплив промивальної рідини.

По мірі руйнування ущільнювача порушується герметичність клапанної пари. Промивальна рідина проникає під високим тиском в утворені щілини, інтенсивно промиває робочі поверхні ущільнювача тарілки і сідла.

Спостереження за роботою клапанів показали, що в більшості випадків серійні клапани насосів виходять з ладу в результаті промивів тарілки і сідла. Працездатність ущільнення тарілки не відповідає працездатності металічних деталей клапана. Гумове ущільнення при роботі клапана порушується, викликаючи порушення герметичності ущільнення і промиву тарілки і сідла. Наклеп і поява кільцевих виробок на металічних деталях сприяють втраті герметичності і виходу клапана з ладу.

Більшість авторів вважають, що основною причиною виходу з ладу клапанів являється утворення промивів на робочих поверхнях сідла і тарілки під дією абразивної струмини, яка проривається через утворені нещільності (в результаті руйнування гумового ущільнювача) в результаті великого перепаду тиску над і під клапаном.

Поряд з цим дослідники відмічають, що робочі поверхні тарілок і сідел клапанів руйнуються також внаслідок пластичного деформування і крихкого викришування в результаті проникнення абразивних частинок в момент посадки тарілки на сідло.

3.3 Аналіз конструкції клапанних груп бурових насосів

Основні вимоги до клапанних груп:

1) забезпечення повної герметичності, підвищеної зносостійкості і

безвідмовної роботи;

2)  невеликий гідравлічний опір;

3)  безударна посадка тарілки на сідло;

4)  простота ревізії стану і швидкість заміни деталей.

Клапани поршневих бурових насосів можна класифікувати за наступними признаками:

.За типом направляючих пристроїв:

.1 Клапани з верхнім направляючим штоком і нижньою направляючою хрестовиною.

.2 Клапани з верхнім і нижнім направляючими штоками.

. За типом ущільнення:

.1 Клапани з ущільненням закріпленим на тарілці.

.2 Клапани з ущільненням закріпленим на сідлі.

. За типом оребрення сідла:

.1 Без ребер.

.2 З одним направляючим ребром.

.3 З ребрами в сідлі, що не сприймають навантаження від тарілки.

.4 З несучими ребрами, які служать опорою для тарілки.

Використання в бурових насосах клапанів з конічними посадочними і ущільнюючими поверхнями робиться для того, що зменшити кут повороту рідини при виході її з сідла і тим самим зменшити гідравлічні втрати.

В підпружинених клапанах тарілку стараються виконати полегшеною. Розміри її обирають з умови міцності. Тарілки і сідла термообробляють, їх посадочні поверхні загартовують на глибині 2-4 мм до твердості HRC >50-55. Найбільш відповідальним елементом, який визначає довговічність клапана, являється конструкція ущільнювача і посадочних поверхонь сідла і тарілки. Форма вузла спряження щіх елементів залежить від твердості ущільнювача і тиску, щоб не викликати надмірних деформацій і зношування якого-небудь з елементів під дією змінних циклічних навантажень. Необхідно враховувати, що пластмаса і гума стиску рідиною майже не змінюють свого об'єму, але легко міняють форму і заповнюють вільний простір під дією сил, що утворюються різницею тисків.

Якщо тарілка клапана сідає на сідло раніше ніж ущільнювач, то промивальна рідина проривається в щілину клапана, швидко розмиває металічні поверхні. Якщо ж ущільнювач сідає на сідло раніше тарілки, то під дією тиску пластичний матеріал буде видавлений в щілину і його ущільнююча коронка швидко руйнується. Величина щілини між тарілкою і сідлом залежить від розмірів зерен твердих частинок промивальної рідини. А тому ущільнювач для насосів високих роблять більшого січення із округленими краями із поліуретану або синтетичних гум армованих кордом.