Насосная штанга
PUMP ROD

Изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию, которое используется при добыче нефти штанговыми насосами.
Известны стеклопластиковые насосные штанги, в которых  соединение стеклопластикового стержня (тела штанги) и неразборного наконечника (головки с глухим отверстием) штанги осуществляется путем склеивания посредством компаунда либо расклиниванием стеклопластикового стержня в головке (например, RU 2169250, RU 2117132, US 454401396, US 4360288, US 4653923). Их недостатком является недостаточная надежность, поскольку клеящий компаунд не обеспечивает достаточного сцепления с цилиндрической поверхностью стеклопластикового стержня, а при расклинивании происходит разрушение стержня.
Известны стеклопластиковые насосные штанги с неразборными, глухими наконечниками, в которых концы стержней выполнены с канавками, с конусными углублениями или резьбой, например CN 202767904 U, US 2016/0160577, RU 2378484. В них соединение и удержание стержня в наконечнике также происходит за счет использования клеевого компаунда. Канавки сами по себе ослабляют материал стержня, их стенки могут разрушаться (сползать) при нагрузке на растяжение.
Общим недостатком установки стержня в глухом отверстии является невозможность контролировать процесс сборки, возможно неполное заполнение полостей клеевым компаундом, неточная установка относительно расклинивающих элементов.
Известны стеклопластиковые насосные штанги с разборными наконечниками по патенту US 4787771 (выбран в качестве прототипа насосной штанги). В наконечниках используется длинный конус с малым углом конусности, который прилегает к цилиндрической поверхности стержня и соединяется с ним клеем (компаундом). Стержень и клин, при сборке штанги, нагружаются с помощью резьбовой пробки.
Их недостатком является недостаточная надежность, поскольку клеящий компаунд не обеспечивает достаточного сцепления с цилиндрической поверхностью стеклопластикового стержня, при эксплуатации возможно ослабление клеевого соединения и разрушение штанги.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности соединения стеклопластикового стержня и наконечника, повышение прочности насосной штанги.
Технический результат достигается в насосной штанге, состоящей из стеклопластикового стержня с конусообразной поверхностью и из наконечника, состоящего из корпуса с конусообразной поверхностью и зажимных элементов (сухарей), установленных между конусообразными поверхностями стеклопластикового стержня и корпуса, в корпусе наконечника выполнена соединительная часть с резьбой.
Конусообразная поверхность на корпусе оканчивается упором для зажимных элементов. На стеклопластиковом стержне выполнена дополнительная конусообразная поверхность, зажимные элементы образуют ответную конусообразную поверхность. Наконечник выполнен металлическим. Установлено два или более двух раздельных зажимных элемента. Угол наклона конусообразной поверхности стеклопластикового стержня относительно продольной оси составляет 2-5градусов.
Изобретение поясняется рисунками:
фиг. 1 – насосная штанга;
фиг. 2 – соединение стеклопластикового стержня с наконечником.
Насосная штанга состоит из стеклопластикового стержня 1 (далее также стержень 1) с внешней конусообразной поверхностью 2, отстоящей от конца стеклопластикового стержня 1, с сужением стеклопластикового стержня 1 по направлению от этого конца и из наконечника 3. Конусообразная поверхность 2 и наконечник 3, как правило, находятся на обоих концах насосной штанги (как показано на фиг.1).
Наконечник 3 состоит из металлического корпуса 4 цилиндрической формы с внутренней конусообразной поверхностью 5 (с сужением от конца стержня 1, как показано на фиг.2) и зажимных элементов 6, установленных между конусообразной поверхностью 2 стеклопластикового стержня 1 и конусообразной поверхностью 5 корпуса 4. Зажимные элементы 6 являются, по сути, сухарями, то есть образуют раздельную конусную втулку, образующую внешнюю конусообразную поверхность и внутренние конусные поверхности, позволяющие закреплять и удерживать от смещения стержень 1. Конусообразная поверхность 5 на корпусе 4 оканчивается упором 7 для зажимных элементов 6. Упор 7 выполнен в виде кольцевой ступеньки на внутренней поверхности корпуса 4, он необходим для ограничения осевого хода зажимных элементов 6, чтобы давление зажимных элементов 6 на стержень 1, при нагрузке с предварительным натягом, не превысило допустимые нагрузки на сжатие. Минимальное сечение стержня выбирается исходя из прочностных характеристик стеклопластикового стержня 1 (не менее, чем опасное сечение).
Установлено два или более двух раздельных зажимных элемента 6, на рисунках показано два раздельных зажимных элемента 6.
Узел соединения стеклопластикового стержня и наконечника (далее – узел соединения) образован стеклопластиковым стержнем 1 произвольного поперечного сечения (например, круглого, квадратного, прямоугольного) с конусообразной поверхностью 2 и металлическим наконечником 3, состоящим из корпуса 4 с конусообразной поверхностью 5 и зажимных элементов 6, установленных между конусообразной поверхностью 2 стеклопластикового стержня 1 и конусообразной поверхностью 5 корпуса 4. Конусообразная поверхность 5 необходима для устранения радиальных зазоров и обжима зажимными элементами 6 стержня 1 по конусообразной поверхности 2. При использовании стеклопластикового стержня 1 с поперечным сечением, отличным от круглого, выполняется обработка концов стеклопластикового стержня 1 с тем, чтобы придать им круглую форму и сформировать необходимые конусообразные поверхности.
На стеклопластиковом стержне 1, через цилиндрический участок 9, может быть выполнена внешняя дополнительная конусообразная поверхность 8, сужение стеклопластикового стержня 1 вдоль которой направлено также, как и у конусообразной поверхности 2, то есть от конца стеклопластикового стержня 1. Зажимные элементы в этом случае образуют ответную внутреннюю конусообразную поверхность, повторяющую форму  дополнительной конусообразной поверхности 8 стеклопластикового стержня 1.
Угол наклона α конусообразной поверхности 2 стеклопластикового стержня 1 относительно продольной оси составляет 2-5градусов, образуя таким образом угол самоторможения, при котором происходит самопроизвольная фиксация стержня 1 и зажимных элементов 6 за счет сил трения, без необходимости использовать клеевые составы.
В корпусе 4 выполнена соединительная часть 12 с внутренней резьбой для соединения с резьбовым хвостовиком 10, состоящем из двух резьбовых частей 13, расположенных по концам хвостовика 10, предназначенных для соединения с корпусами 4 наконечников двух насосных штанг, с квадратной частью 11 в центре.
Сборка насосной штанги и узла соединения выполняется  следующим образом. Стеклопластиковый стержень 1 и наконечники 3 закреплены: зажимными элементами 6, образующими внутреннюю конусообразную поверхность, взаимодействующую с ответной конусообразной поверхностью 2 стержня 1 с углом самоторможения; полимерным компаундом, нанесенным на дополнительную конусообразную поверхность 8 на стержне 1.
В предложенном соединении деталей наконечника 3 со стержнем 1 присутствуют три конусообразных поверхности. Конусообразная поверхность 2 и дополнительная конусообразная поверхность 8 обеспечивают передачу осевого усилия. При сборке, на дополнительную конусообразную поверхность 8 предварительно нанесен полимеризующийся компаунд (например, на основе формальдегидных смол), который необходим для выборки осевых зазоров. Для устранения осевых зазоров по конусообразной поверхности 2 на собранную штангу прилагается предварительная осевая нагрузка, при этом по дополнительной конусообразной поверхности 8 конструктивно обеспечен гарантированный компенсирующий зазор, который при выборке осевых зазоров будет заполнен компаундом. После полимеризации компаунда, поверхности 2, 8 работают как единое целое, уменьшая удельную нагрузку на поверхности стержня 1.
При проведении исследовательских работ конструкции узла соединения наконечника 3 и стержня 1 были проведены испытания опытных образцов на разрыв, позволяющие определить прочностные характеристики соединения наконечника 3 со стержнем 1.
По результатам испытаний на разрывных машинах было определено, что разрушение соединения происходит по опасному сечению, по наименьшему диаметру конусообразной поверхности 2. Разрушающее усилие при разрыве соответствует требуемым прочностным характеристикам насосной штанги (узла соединения стеклопластикового стержня и наконечника).