ПОГРУЖНОЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использовано, например, в установках погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти.
Известен погружной электроцентробежный насос со ступнями, состоящих из направляющих аппаратов и рабочих колес, выполненных из лигированного чугуна нирезиста (Вихман Р.Г., Филиппов В.Н. Погружные центробежные износостойкие насосы для добычи нефти, / Экспресс-информация: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, №6, 1989). Недостатком данной ступени является высокая стоимость и недостаточная износостойкость в пластовых жидкостях с высоким содержанием абразивных частиц.
Известна ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, где деталь выполняют из литой чугунной заготовки и подвергают упрочняющей обработке с целью повышения ее износостойкости (см. патент РФ №2116515, F04D 1/06, опубл. 27.07.1998.)
Недостатком насоса с данными ступенями является то, что упрочняющая обработка, заключающееся в закалке заготовки из перлитного или перлитно-ферритного чугуна, модифицированного редкоземельными металлами, на мартенситную структуру с последующим низким отпуском, не обеспечивает комплексного повышения надежности и долговечности ступени за счет повышения защиты от солеотложения, коррозионной и абразивной износостойкости.
Известен многоступенчатый центробежный насос, содержащий ступень, состоящую из рабочего колеса, установленного на валу и выполненного в виде ведущего диска, ведомого покрывного диска и лопастей, которые закреплены между передней поверхностью ведущего диска и ведомым покрывным диском, и из направляющего аппарата, выполненного в виде лопаточного покрывного диска, цилиндрической обоймы и лопаток, причем лопаточный покрывной диск направляющего аппарата установлен со стороны задней поверхности ведущего диска рабочего колеса, цилиндрическая обойма направляющего аппарата выполнена с кольцеобразной стенкой, расположенном поперечно, внутри цилиндрической обоймы установлены рабочее колесо и лопаточный покрывной диск, лопатки закреплены в направляющем аппарате между кольцеобразной стенкой цилиндрической обоймы и лопаточным покрывным диском, выбраны определенные соотношения параметров и геометрических размеров лопастей и лопаток. В конструкции применяются шайбы (кольца) из антифрикционного материала, выполняющие роль индивидуальных опор (см. Патент РФ №2161737 МПК 7 F04D 1/06, F04D 13/10, опубл. 10.01.2001 г.)
Недостатком данного насоса является то, что индивидуальные осевые опоры из шайб (колец), изготовленных из антифрикционных материалов, в процессе работы насоса подвергаются значительному износу. Причем они особенно интенсивному износу подвергаются при работе насоса в среде с повышенным содержанием механических примесей. Также значительному износу подвержены буртики направляющих аппаратов, контактирующих с шайбами рабочих колес. Это приводит к необходимости частого подъема насосной установки из скважины для замены антифрикционных шайб (колец), к снижению межремонтного периода насосной установки, приводит к не ремонтопригодности направляющих аппаратов, все это снижает напорные характеристики, КПД, надежность, долговечность и эффективность насоса. С увеличением частоты вращения рабочих колес резко возрастает износ и повреждаемость осевых опор рабочих колес и направляющих аппаратов. Использование твердосплавных и керамических колец в качестве осевых опор рабочих колец и направляющих аппаратов ступеней насосов приводит к увеличению габаритов насоса, увеличивает стоимость и снижает надежность насоса вследствие того, что материалы ступени (рабочего колеса и направляющего аппарата) имеют большую разность коэффициентов линейного термического расширения. Вследствие этого нагрев при работе рабочих колес и направляющих аппаратов с твердосплавными и керамическими шайбами (кольцами) приводит к выпадению их из мест запрессовки. Другие способы крепления, такие как завальцовка, зачеканка, твердосплавных и керамических шайб неэффективны из-за хрупкости твердосплавных и керамических шайб и материала ступеней.
Известна ступень многоступенчатого центробежного насоса [RU 2450888 С2 (ООО "СТУПЕНЬ"), 10.08.2012], содержащее рабочее колесо и направляющий аппарат, выполненные литьем из чугуна следующего химического состава, масс. %: Углерод 3.2-3.8, Кремний 0.2-1.0, Марганец 0.5-0.7, Хром 0.3-0.5, Медь 0.8-1.3, Алюминий 1.8-4, Фосфор не более 0.3, Сера не более 0.02, Железо остальное. При данном химическом составе материала ступени ее поверхность при кристаллизации покрывается химически инертной твердой оксидной пленкой, которая частично препятствует коррозии и солеотложению и имеет сорбитную структуру.
Недостатком насоса с приведенными выше ступенями является то, что поверхности данной ступени, рабочего колеса и направляющего аппарата, не обладают повышенной твердостью, повышенной износостойкостью и повышенной коррозионной стойкостью, поверхности трения не обладают необходимой твердостью. При прохождении рабочей жидкости с повышенным содержанием твердых частиц и химически агрессивных компонентов по каналам рабочего колеса и направляющего аппарата по RU 2450888 будет нарушена оксидная пленка воздействием твердых частиц, далее будет происходить интенсивный эрозионный износ и коррозионный износ, которые усиливают друг друга в процессе работы насоса, и способствуют быстрому выходу его из строя. При работе насоса с рабочей жидкостью с повышенным содержанием твердых частиц и химически агрессивных компонентов поверхности осевых опор подвергнутся интенсивному эрозионному и коррозионному износу. Оксидная пленка позволит сдержать процесс износа на незначительное время. Указанные недостатки ступени по RU 2450888 С2 снижают надежность, долговечность, межремонтный период насосной установки.
Известна ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, включающая в себя рабочее колесо, выполненное из порошкового материала, и направляющий аппарат, по меньшей мере, большая часть которого выполнена литьем из чугуна, отличающаяся тем, что чугун представляет собой серый чугун, при этом поверхностный слой материала направляющего аппарата насыщен диффундирующим веществом или сочетанием диффундирующих веществ, обеспечивающим повышение коррозионной стойкости и/или износостойкости поверхностного слоя (RU 55901 U1, 27.08.2006). Недостатком насоса с данными ступенями являются низкая износостойкость и коррозионная стойкость насоса, вследствие малой твердости рабочих колес, вследствие разнородности материалов рабочего колеса и направляющего аппарата, высокая стоимость насоса вследствие использования дорогих материалов для рабочего колеса, как порошковые материалы.
Отличия по существу заявленного насоса от известного (RU 55901 U1) заключается в том, что рабочее колесо и направляющий аппарат полностью выполнены литьем из чугуна следующего состава, масс. %:
углерода - 3,2-3,9, кремния - 0,2-1,0, марганца - 0,5-0,8, хрома - 0,1-0,5, меди - 0,8-1,5, алюминия - 1,7-4.0, фосфора - не более 0,2, серы - не более 0,02,
при этом, рабочие колеса азотированным слоем опорной поверхности нижней осевой опоры контактируют с азотированным слоем опорной поверхности опорного бурта направляющего аппарата, образуя пару трения. Кроме того, в состав чугуна может входить титан в масс. %. 0.01-0,3 масс.
Кроме того, опорная поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса выполнена с возможностью контакта азотированным слоем, образуя пару трения, с азотированным слоем нижней опорной поверхности направляющего аппарата.
Из уровня техники не известна совокупность упомянутых выше отличительных признаков.
Добавление в состав чугуна легирующих элементов алюминия, хрома, титана, в указанных выше пропорциях, где каждый из перечисленных химических элементов занимает свою нишу в кристаллической решетке железа, при азотировании увеличивает скорость азотирования в глубину детали и значительно повышает твердость азотированного слоя. В поверхностном слое при низкотемпературном азотировании чугуна с приведенным выше составом они образуют на глубине до 0,5 мм и более высокотвердые химические соединения: нитриды хрома, нитриды алюминия и нитриды титана, в результате чего твердость поверхности чугуна после азотирования повышается примерно в 2-2,5 раза относительно исходной до азотирования и достигает до HV равной 850-1000 кгс/мм2, также резко повышается коррозионная стойкость поверхностного слоя, за счет повышения плотности поверхностного слоя детали, что затрудняет доступ кислорода и других агрессивных элементов к элементам чугуна. Приведенный выше чугун с низкотемпературным азотированием обладает твердостью поверхностного слоя в 2-2,5 раза большей, чем наиболее часто применяемый для этих условий легированный чугун нирезист, коррозионной стойкостью не уступает нирезисту, по цене дешевле примерно в два раза.
В известном RU 55901 U1 твердость поверхностей направляющих аппаратов, изготовленных из серого чугуна, значительно ниже HV: до 350-450. При такой твердости направляющих аппаратов при работе насоса в пластовой жидкости с большим содержанием твердых частиц и химически агрессивных веществ произойдет быстрый износ направляющего аппарата. Изготовление рабочих колес из порошкового материала значительно удорожает насос, так как порошковый материал значительно дороже, чем заявленный чугун приведенного состава. Применение разнородных материалов для ступени в химически агрессивной среде создаст условия для электрохимической коррозии, что ускорит разрушение ступени.
Задачей полезной модели является повышение надежности, долговечности погружного многоступенчатого центробежного насоса, снижение его себестоимости и повышение межремонтного периода.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение износостойкости и коррозионной стойкости насоса.
Данная задача решается тем, что погружной многоступенчатый центробежный насос, содержащий корпус, вал, ступени, состоящие из рабочего колеса и направляющего аппарата, выполненные литьем из чугуна следующего состава, масс. %: углерода - 3,2-3,9; кремния - 0,2-1,0; марганца - 0,5-0,8; хрома - 0,1-0,5; меди - 0,8-1,5; алюминия - 1,7-4,0; фосфора - не более 0,2; серы - не более 0,02; железо - остальное, а поверхности рабочего колеса и направляющего аппарата содержат азотированный низкотемпературным азотированием слой, рабочие колеса, установлены на валу посредством ступицы с возможностью вращения и содержат нижнюю осевую опору колеса с опорной поверхностью, лопасти, ступицу, верхнюю осевую опору с опорной поверхностью. Направляющие аппараты установлены в корпусе насоса посредством цилиндрической обоймы, содержат опорный бурт с опорной поверхностью направляющего аппарата, цилиндрическую обойму, лопатки, нижнюю опорную поверхность. Рабочие колеса азотированным слоем опорной поверхности нижней осевой опоры контактируют с азотированным слоем опорной поверхности опорного бурта направляющего аппарата, образуя пару трения.
Кроме того, в состав чугуна входит титан в масс. % 0.01-0,3.
Кроме того опорная поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса выполнена с возможностью контакта азотированным слоем, образуя пару трения, с азотированным слоем нижней опорной поверхности направляющего аппарата.
Азотированный низкотемпературным азотированием слой выполнен толщиной от 30 мкм до 500 мкм, и более.
На фиг. 1 представлен продольный разрез заявляемого погружного многоступенчатого насоса.
На фиг. 2 представлен элемент I фиг. 1, на котором изображен фрагмент насоса со ступенями в увеличенном масштабе, где рабочие колеса азотированным слоем опорной поверхности нижней осевой опоры контактируют с азотированным слоем опорной поверхности опорного бурта направляющего аппарата, образуя пару трения.
На фиг. 3 представлен элемент I фиг. 1, на котором изображен фрагмент насоса со ступенями в увеличенном масштабе, где опорная поверхность верхней осевой опоры рабочего колеса выполнена с возможностью контакта азотированным слоем, образуя пару трения, с азотированным слоем нижней опорной поверхности направляющего аппарата.
Погружной многоступенчатый центробежный насос содержит корпус 1, вал 2, ступени 3, состоящие из рабочего колеса 4 и направляющего аппарата 5. Рабочие колеса 4 и направляющие аппараты 5 выполнены литьем из чугуна следующего состава, масс. %: углерода - 3,2-3,9; кремния - 0,2-1,0; марганца - 0,5-0,8; хрома - 0,1-0,5; меди - 0,8-1,5; алюминия - 1,7-4.0; фосфора - не более 0,2; серы - не более 0,02; железо - остальное. Поверхности рабочего колеса 4 содержат азотированный низкотемпературным азотированием слой 6 и поверхности направляющего аппарата 5 содержат азотированный низкотемпературным азотированием слой 7. Рабочие колеса 4, установлены на валу 2 посредством ступицы 8 с возможностью вращения и содержат нижнюю осевую опору 9 колеса 4 с опорной поверхностью 10, лопасти 11, ступицу 8, верхнюю осевую опору 12 с опорной поверхностью 13. Направляющие аппараты 5, установлены в корпусе 1 насоса посредством цилиндрической обоймы 14, содержат опорный бурт 15 с опорной поверхностью 16 направляющего аппарата 5, цилиндрическую обойму 14, лопатки 17, нижнюю опорную поверхность 18. Рабочие колеса 4 азотированным слоем 19 опорной поверхности 10 нижней осевой опоры 9 контактируют с азотированным слоем 20 опорной поверхности 16 опорного бурта 15 направляющего аппарата 5, образуя пару трения. В состав чугуна может входить титан в масс. % 0,01-0,3.
Опорная поверхность 13 верхней осевой опоры 12 рабочего колеса 4 выполнена с возможностью контакта азотированным слоем 21, образуя пару трения, с азотированным слоем 22 нижней опорной поверхности 18 направляющего аппарата 5.
Как правило, рабочие колеса насосов коррозионноизносостойкого варианта имеют три осевые опоры: верхнюю 12 от "всплытия" ступеней и две основные - нижнюю 9 и среднюю 23 (для двухопорных ступеней). В таких насосах обеспечивается повышенная защита вала 2 насоса от коррозии и износа ступицей 24 направляющего аппарата 5, одновременно являющейся опорой для средней осевой опоры 23 рабочего колеса 4.
Азотированный низкотемпературным азотированием слой выполнен толщиной от 30 мкм до 500 мкм.
В процессе работы насоса вследствие вращения расположенных на валу 2 и скрепленных посредством ступиц 8 рабочих колес 4 относительно неподвижных направляющих аппаратов 5 перекачиваемая жидкость поступает в основание 25 секции насоса, проходит через основание 25 и направляется в ступени насоса 3. Перекачиваемая жидкость поступает в тракты между лопастями 11 вращающегося рабочего колеса 4 и движется от его центра к периферии. При этом рабочее колесо 4 создает напор перекачиваемой жидкости. Далее жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 5, в которых осуществляется разворот и направление потока на рабочее колесо 4 следующей ступени. Проходя через ступени насосов, головку 26 секции насоса перекачиваемая жидкость продолжает движение вверх.
При прохождении пластовой жидкости с содержанием твердых частиц в трактах между лопастями 11 рабочего колеса 4 и лопатками 17 направляющего аппарата 5 происходит механическое и коррозионное изнашивание каналов рабочих колес и направляющих аппаратов. С увеличением содержания химически агрессивных компонентов и твердых частиц в пластовой жидкости увеличивается коррозионное и механическое изнашивание ступеней и насоса в целом. Причем рабочие колеса 4 и направляющие аппараты 5 особенно интенсивному износу подвергаются при совместном воздействии на них повышенного содержания механических примесей и агрессивных компонентов пластовой жидкости. Азотированный низкотемпературным азотированием слой поверхностей рабочего колеса и направляющего аппарата, изготовленных из приведенного выше состава чугуна, имеет повышенную твердость и высокую коррозионную стойкость даже в пластовой жидкости с повышенным содержанием химически агрессивных компонентов и твердых частиц. Повышение твердости и корозионностойкости поверхностей рабочего колеса и направляющего аппарата ступеней повышает надежность, долговечность и межремонтный период насосов.
При работе насоса рабочие колеса 4 создают усилия, которые передаются опорной поверхностью 10 нижней осевой опоры 9 рабочего колеса 4 на опорную поверхность 16 и воспринимаются опорным буртом 15 направляющего аппарата 5. При этом рабочее колесо 4 азотированным слоем 19 опорной поверхности 10 осевой опоры 9 опирается на азотированный слой 20 опорной поверхности 16 опорного бурта 15, образуя пару трения. Усилие от опорного бурта 15 посредством цилиндрической обоймы 14 передается на корпус 1 насоса. При работе насоса в режиме "всплытия" рабочих колес осевые силы направлены снизу вверх. При этом рабочие колеса 4 создают усилия, которые передаются опорной поверхностью 13 верхней осевой опоры 12 рабочего колеса 4 на нижнюю опорную поверхность 18 направляющего аппарата 5. При этом рабочее колесо 4 азотированным слоем 21 опирается на азотированный слой 22 нижней опорной поверхности 18 направляющего аппарата 5, образуя пару трения. Усилие от опорной поверхности 18 посредством лопаток 17, цилиндрической обоймы 14 направляющего аппарата 5 передается на корпус 1 насоса.
При попадании твердых частиц на опорные поверхности пары трения азотированный слой - азотированный слой, частицы разрушаются или края частиц округляются, за счет того, что азотированный слой тверже частиц механических примесей пластовой жидкости. Это приводит к снижению износа узлов и деталей насоса, в первую очередь ступеней насоса. Высокая твердость и коррозионная стойкость опорных поверхностей из азотированного слоя увеличивает срок службы пары трения осевых опор ступеней, как направляющих аппаратов, так и рабочих колес, приводит к повышению надежности, долговечности, снижению себестоимости насосной установки и к увеличению межремонтного периода эксплуатации насоса, соответственно и насосной установки в целом. Малая толщина азотированного слоя по сравнению с шайбами из антифрикционных материалов позволяет уменьшить длину ступени, соответственно уменьшить длину насоса, снизит себестоимость насоса, или увеличить количество ступеней, соответственно повысить напор.
Выполнение таким образом насоса позволяет повысить надежность, долговечность погружного многоступенчатого центробежного насоса, снизить ее себестоимости и повысить межремонтный период.