МОДУЛЬ-СЕКЦИЯ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ, КОРПУС ПОДШИПНИКОВОГО УЗЛА И ВТУЛКА ВАЛА ПОДШИПНИКОВОГО УЗЛА МОДУЛЬ-СЕКЦИИ

Технические решения относятся к гидромашиностроению и могут быть использованы при изготовлении и ремонте насосных модуль-секций погружных центробежных насосов для добычи нефти с твердосплавными опорами вала.
Известна модуль-секция погружного многоступенчатого центробежного насоса, описанная в патенте на полезную модель RU 19308 U1, 2001.08.20, включающая в себя корпус, внутри которого размещены рабочие органы насоса и вал для привода рабочих органов, подшипниковый узел, включающий в себя корпус с центральным отверстием для размещения вала модуль-секции и отверстиями для прохода перекачиваемой жидкости. В центральном отверстии корпуса подшипникового узла закреплена первая втулка, которая выполнена из антифрикционного материала и образует неподвижную поверхность трения подшипникового узла. Подшипниковый узел включает в себя также вторую втулку, закрепленную на валу без возможности
вращения относительно вала. Вторая втулка состоит из контактной части, предназначенной для взаимодействия с неподвижной поверхностью трения подшипникового узла и посадочной части, предназначенной для установки втулки на валу. Контактная часть втулки выполнена из износостойкого материала, (керамики, карбида вольфрама, карбида кремния и т.п.) и образует подвижную поверхность трения подшипникового узла. Посадочная часть втулки размещена в центральном отверстии контактной части и закреплена на валу посредством шлицевого соединения, при этом посадочная и контактная части втулки связаны посредством шпоночного соединения.
Указанное техническое решение принято за прототип для каждой из полезных моделей заявленной группы.
Основными недостатками прототипа являются, во-первых, невозможность восприятия и передачи на корпус модуль-секции осевого усилия со стороны вала, что не позволяет использовать подшипниковый узел в качестве осевой опоры вала, например, при добыче нефти из глубоких и сверхглубоких скважин, когда осевое усилие, действующее на валы насосных модуль-секций, превышает предельно допустимую величину для единой осевой опоры, располагаемой обычно в протекторе гидрозащиты погружного электродвигателя.
Во-вторых, недостаточно надежная фиксация твердосплавной втулки в корпусе подшипникового узла, определяемая тем, что при запрессовке и в процессе работы узла твердая втулка воздействует на прилагающие слои материала корпуса, это приводит к их деформационному упрочнению и, соответственно,
снижению упругих свойств. В результате между втулкой и корпусом постепенно образуется зазор, соответственно, ухудшаются условия отвода тепла от втулки на корпус, возникают радиальные биения вала и снижается ресурс насоса, кроме того втулка получает возможность проворота в отверстии корпуса, что приводит к быстрому износу корпуса и ускорению роста зазора.
В-третьих, недостаточно эффективный отвод тепла от трущихся поверхностей твердосплавных втулок через вал и корпус подшипникового узла, связанный с наличием микрозазоров между внутренней поверхностью корпуса и запрессованной в него твердосплавной втулкой, а также между контактной и посадочной частями втулки вала. Высокая рабочая температура трущихся поверхностей приводит к ускорению их износа, а также интенсификации процесса образования твердых осадков минеральных солей в объеме омывающей подшипник перекачиваемой жидкости.
В-четвертых, низкая технологичность конструкции втулки вала, определяемая высокой сложностью выполнения шпоночного паза в твердом материале контактной части втулки.
Таким образом, задача, на решение которой направлена заявленная группа полезных моделей, состоит в создании подшипникового узла с твердосплавными втулками для насосных модуль-секций погружных центробежных насосов, предназначенных для добычи нефти из скважин с высоким содержанием мехпримесей в перекачиваемой жидкости.
Технический результат, достигаемый при реализации первого технического
решения из заявленной группы полезных моделей, заключается в обеспечении возможности использования подшипникового узла в качестве радиально-упорного подшипника вала модуль-секции насоса без существенного усложнения конструкции подшипникового узла.
Технический результат, достигаемый при реализации второго технического решения из заявленной группы полезных моделей, заключается в повышении ресурса подшипникового узла и насосной модуль-секции в целом за счет повышения надежности фиксации втулки корпуса подшипникового узла, улучшения условий теплоотвода от трущейся поверхности втулки, снижения вибрации, а также в повышении технологичности сборки подшипникового узла.
Технический результат, достигаемый при реализации третьего технического решения из заявленной группы полезных моделей, заключается в повешении технологичности конструкции втулки вала, а также в повышении ресурса подшипникового узла насосной модуль-секции за счет улучшения условий теплоотвода от трущейся поверхности втулки вала.
Модуль-секция погружного многоступенчатого центробежного насоса, обеспечивающее достижение указанного выше технического результата, включает в себя корпус, внутри которого размещены рабочие органы насоса и вал для привода рабочих органов, а также подшипниковый узел, включающий в себя корпус, состоящий из несущего элемента с центральным отверстием для установки вала модуль-секции и отверстиями для прохода перекачиваемой жидкости, и втулки, закрепленной в центральном отверстии несущего
элемента корпуса. Втулка образует неподвижную поверхность трения радиальной опоры вала и выполнена из материала, имеющего прочность и/или износостойкость и/или теплостойкость выше, чем у материала несущего элемента корпуса подшипникового узла. При этом в отличии от прототипа торцевая поверхность втулки расположена с зазором относительно соответствующей боковой стенки несущего элемента корпуса, а вал снабжен упорным элементом, выполненным с возможностью передачи осевой нагрузки от вала на указанную торцевую поверхность втулки. Соответствующие посадочные поверхности втулки и корпуса представляют собой часть конической поверхности, вершина которой расположена со стороны, противоположной упомянутой торцевой поверхности втулки.
Кроме того, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы, упорный элемент вала представляет собой втулку, зафиксированную на валу в осевом направлении с помощью стопорного кольца.
Кроме того, в частном случае реализации первой полезной модели из заявленной группы, упорный элемент представляет собой выполненный на валу буртик.
Корпус подшипникового узла модуль-секции погружного многоступенчатого центробежного насоса, обеспечивающее достижение указанного выше технического результата, включает в себя несущий элемент с центральным отверстием для размещения вала модуль-секции и отверстиями для прохода перекачиваемой жидкости, выполненный с возможностью размещения в корпусе модуль-секции погружного многоступенчатого центробежного
насоса. В центральном отверстии несущего элемента корпуса запрессована втулка, которая образует неподвижную поверхность трения радиальной опоры вала, втулка выполнена из материала, имеющего прочность и/или износостойкость и/или теплостойкость выше, чем у материала корпуса. При этом в отличии от прототипа между втулкой и несущим элементом образован промежуточный слой из материала, имеющего теплопроводность и пластичность большую, чем у спеченного порошкового материала несущего элемента и у материала втулки.
Кроме того, в частном случае реализации второй полезной модели из заявленной группы, несущий элемент выполнен из спеченного пористого металлического порошкового материала, поры которого заполнены пропиточным материалом, имеющим теплопроводность большую, чем у спеченного порошкового материала.
Кроме того, в частном случае реализации второй полезной модели из заявленной группы, втулка выполнена из керамики или твердого сплава на основе карбида или карбонитрида вольфрама или титана или молибдена или их композиций.
Кроме того, в частном случае реализации второй полезной модели из заявленной группы, несущий элемент выполнен из порошкового материала на основе железа.
Кроме того, в частном случае реализации второй полезной модели из заявленной группы, пористость спеченного порошкового материала несущего элемента находится пределах от 15 до 30%,
Кроме того, в частном случае реализации второй полезной модели из заявленной группы, пропиточный материал представляет собой оловянистую бронзу.
Кроме того, в частном случае реализации второй полезной модели из заявленной группы, на, по меньшей мере, части наружных поверхностей несущего элемента образован слой пропиточного материала.
Кроме того, в частном случае реализации второй полезной модели из заявленной группы, промежуточный слой образован напылением соответствующего материала на поверхность втулки и/или несущего элемента корпуса.
Кроме того, в частном случае реализации второй полезной модели из заявленной группы, промежуточный слой состоит из пропиточного материала.
Кроме того, в частном случае реализации второй полезной модели из заявленной группы, соответствующие посадочные поверхности втулки и несущего элемента корпуса представляют собой часть конической поверхности.
Втулка вала для подшипникового узла модуль-секции погружного многоступенчатого центробежного насоса, обеспечивающее достижение указанного выше технического результата, выполнена с возможностью закрепления на валу модуль-секции погружного многоступенчатого центробежного насоса без возможности вращения относительно вала с образованием подвижной поверхности трения радиальной опоры вала. При этом в отличии от прототипа втулка состоит из контактной части, предназначенной для взаимодействия с неподвижной поверхностью трения радиальной опоры вала и посадочной части, которая предназначена для установки втулки на валу и расположена
в центральном отверстии контактной части. Контактная часть втулки выполнена из материала, имеющего прочность и/или износостойкость и/или теплостойкость выше, чем у материала вала, а посадочная часть втулки выполнена из материала, имеющего теплопроводность и обрабатываемость резанием и/или давлением выше, чем у материала контактной части втулки. При этом в посадочной части втулки выполнен, по меньшей мере, один элемент, предназначенный для обеспечения возможности закрепления втулки на валу без возможности вращения.
Кроме того, в частном случае реализации третьей полезной модели из заявленной группы, в посадочной части втулки выполнен шпоночный паз.
Кроме того, в частном случае реализации третьей полезной модели из заявленной группы, посадочная часть выполнена из порошка на основе оловянистой, железистой или марганцовистой бронзы или на основе алюминия.
Кроме того, в частном случае реализации третьей полезной модели из заявленной группы, посадочная часть сформирована путем холодного или плазменного напыления.
Кроме того, в частном случае реализации третьей полезной модели из заявленной группы, контактная часть втулки выполнена из керамики или твердого сплава на основе карбида или карбонитрида вольфрама или титана или молибдена или их композиций.
Наличие выступающей за пределы несущего элемента корпуса торцевой части твердосплавной втулки и упорного элемента на валу, а также выполнение посадочной поверхности втулки и корпуса подшипникового узла в виде
конической поверхности, вершина которой направлена в сторону действия осевой силы, практически без усложнения конструкции подшипниковый узел позволяет использовать его не только в качестве радиальной опоры, но и в качестве осевой опоры вала при добыче нефти из глубоких и сверхглубоких скважин, когда суммарное осевое усилие, создаваемое давлением столба жидкости на торцы валов насосных модуль-секций, превышает предельно допустимую величину для единой осевой опоры в протекторе гидрозащиты. Кроме того, при выполнении осевой опоры в каждой модуль-секции отпадает необходимость в использовании усиленной опоры в протекторе гидрозащиты, что позволяет улучшить температурный режим работы электродвигателя (т.к. не происходит дополнительного нагревания масла в полости электродвигателя) и делает целесообразным использование описанной схемы осевой фиксации валов модуль-секций в любых условиях эксплуатации.
Наличие промежуточного слоя относительно мягкого и теплопроводного материала между втулкой и несущим элементом корпуса подшипникового узла существенно улучшает надежность соединения, т.к. обеспечивает релаксацию напряжений, возникающих при запрессовке втулки. Релаксация напряжений в тонком пластичном промежуточном слое предохраняет несущий элемент корпуса подшипника от деформации, что позволяет предотвратить появление зазора между втулкой и несущим элементом в процессе эксплуатации подшипникового узла и, соответственно, позволяет сохранить гарантированный натяг и препятствует провороту и выпадению втулки из корпуса. Наличие промежуточного слоя из высокотеплопроводного эластичного
материала позволяет также существенно улучшить условия теплообмена между втулкой и несущим элементом корпуса, в результате существенно повышается ресурс подшипникового узла и не происходит интенсивной кристаллизации солей на перегретых поверхностях подшипникового узла.
Выполнение втулки вала с посадочной частью из относительно мягкого и теплопроводного материала обеспечивает существенное повышение технологичности конструкции втулки, т.к. при ее изготовлении исключается операция выполнения шпоночного паза в твердом сплаве, который выполняется в легкообрабатываемом материале посадочной части втулки вала. При этом надежности фиксации втулки на валу практически не снижается, т.к. к втулке в процессе работы не прикладывают значительных тангенциальных нагрузок и прочность на срез материала посадочной части оказывается достаточно. Кроме того, обеспечивается интенсивный отвод тепла от трущейся поверхности втулки и его эффективная передача потоку перекачиваемой жидкости, а также массивному стальному валу модуль-секции.
Возможность осуществления каждого технического решения из заявленной группы полезных моделей, подтверждается описанием подшипникового узла модуль-секции погружного многоступенчатого центробежного насоса, выполненного в соответствии с заявленной группой полезных моделей.
Описание сопровождается чертежом, на котором изображен фрагмента модуль-секции с подшипниковым узлом.
Модуль-секция погружного многоступенчатого центробежного насоса
включает в себя корпус 1 в виде трубы, внутри которого размещены рабочие органы (ступени) насоса и вал 2 для привода рабочих органов. Вдоль внутренней стенки корпуса установлены с упором друг в друга направляющие аппараты ступеней насоса (на чертеже не показаны), а также корпуса концевых и промежуточных подшипниковых узлов.
Подшипниковый узел 3 включает в себя корпус 4, состоящий из несущего элемента 5 с центральным отверстием для размещения вала модуль-секции и отверстиями 7 для прохода перекачиваемой жидкости, а также первую втулку 8, запрессованную в центральном отверстии корпуса. Втулка 8 образует неподвижную поверхность трения радиальной опоры вала 2. Подшипниковый узел включает в себя также вторую втулку 9, закрепленную на валу 2 модуль-секции посредством шпоночного соединения. Втулка 9 образует подвижную поверхность трения радиальной опоры. Втулка 9 состоит из контактной части 10, предназначенной для взаимодействия с втулкой 8 и посадочной части 11, которая предназначена для установки втулки на валу 2 и расположена в центральном отверстии контактной части. Втулка 8 и контактная часть втулки 9 выполнены из твердого сплава, например на основе карбида вольфрама (ВК8, СН8 и т.п.) или керамики.
Торцевая поверхность 12 втулки 8 расположена с зазором h относительно соответствующей боковой стенки несущего элемента 5 корпуса 4, а вал 2 снабжен упорным элементом, для передачи осевой нагрузки на указанную торцевую поверхность втулки 8. Упорный элемент представляет собой втулку 13, зафиксированную на валу 2 в осевом направлении с помощью стопорного
кольца 14 или выполненный на валу буртик (на чертеже не показан). Соответствующие посадочные поверхности втулки 8 и несущего элемента 5 представляют собой часть конической поверхности, вершина которой расположена со стороны, противоположной упомянутой торцевой поверхности втулки. Угол при вершине упомянутой конической поверхности находится в пределах 15-20°, что обеспечивает самозаклинивание втулки при запрессовке втулки и восприятие осевого усилия со стороны вала.
В процессе работы осевое усилие, действующей на торец вала (равное произведению давления жидкости на площадь верхней торцевой поверхности вала), а также осевое усилие, возникающее на валу в случае применения пакетной сборки ступеней, через кольцо 14 и втулку 13 передается на торцевую поверхность 12 втулки 8. Осевое усилие передается через конические поверхности втулки и несущего элемента на корпус 1 модуль-секции. Перекачиваемая жидкость обтекает трущиеся поверхности элементов 5 и 8, обеспечивая их смазку и охлаждение. Кроме того, для снижения потерь на трение и нагрева трущихся поверхностей на них может быть с помощью напыления нанесен слой антифрикционной бронзы.
Несущий элемент 5 выполнен из спеченного пористого порошкового материала на основе железа. Пористость спеченного порошкового материала несущего элемента находится пределах от 15 до 30%, при этом поры являются открытыми и сообщаются между собой. Поры заполнены теплопроводным пропиточным материалом, например, оловянистой бронзой (также могут быть использованы железистая или марганцовистая бронза и другие высокотеплопроводные
сплавы на основе меди, а также алюминия и т.п.) в результате в объеме несущего элемента 5 образуются тепловые мостики, что обеспечивает эффективный отвод тепла от втулки 8 и рассеивание его в потоке перекачиваемой жидкости без снижения прочности корпуса подшипникового узла. Кроме того, за счет использования при пропитке избыточного количества инфильтрата на наружных поверхностей несущего элемента образуют слой пропиточного материала, улучшающий условия теплообмена между несущим элементом и протекающей жидкостью. Отверстия 7 для прохода перекачиваемой жидкости за счет использования методов порошковой металлургии могут быть выполнены фигурными с увеличенной поверхностью теплоотвода.
Между втулкой 8 и несущим элементом 5 образован промежуточный слой 15 толщиной 0,3-0,8 мм из пластичного теплопроводного материала, в частности из упомянутого пропиточного материала. Промежуточный слой формируют напылением соответствующего материала на поверхность втулки или несущего элемента корпуса. Промежуточный слой 15 обеспечивает повышение прочности соединения, создавая эффект холодной сварки втулки 8 и несущего элемента 5 при запрессовке втулки, а также в процессе эксплуатации (за счет соединения по конусу), кроме того олово, входящее в предпочтительном варианте реализации в состав пропиточного материала несущего элемента и промежуточного слоя, имеет тенденцию к активной диффузии в прилегающие слой контактирующих элементов при наличии внешней нагрузки. В результате испытаний подшипниковых узлов, выполненных в
соответствии с заявленной полезной моделью и серийных узлов установлен, что прочность соединения втулка - несущий элемент выросла с 2,0 тонн до 6,4 тонн, при этом в течении межремонтного периода эксплуатации насоса прочность соединения в серийном узле падает примерно до 300 кг, а прочность соединения выполненного в соответствии с настоящей полезной моделью незначительно повышается.
Также обеспечивается улучшение прирабатываемости и условий работы подшипникового узла за счет обеспечения возможности самоустановки втулки, сглаживания пиковых радиальных нагрузок и снижения вибрации, в связи со снижением динамических нагрузок и существенным улучшением теплового и режима работы втулки 8 ее толщина может быть снижена, что позволяет экономить дорогостоящие сплавы, используемые при ее изготовлении. Кроме того, промежуточный слой обеспечивает повышение технологичности сборки подшипникового узла, выполняя роль своеобразной "смазки" при запрессовке втулки, при этом не происходит деформации несущего элемента и нежелательного упрочнения (наклепа) прилегающих к центральному отверстия слоев материала несущего элемента 5, так как промежуточный слой 15 обеспечивает релаксацию возникающих напряжений.
Кроме того, наличие промежуточного слоя существенно улучшает условия отвода тепла от втулки 8.
Зазор между торцевой поверхностью втулки 8 и стенкой несущего элемента 5 формируется при сборке подшипникового узла за счет подбора соответствующего угла конической поверхности и толщины промежуточного
слоя.
Посадочная часть 11 втулки 9 выполнена из легкообрабатываемого теплопроводного материала, например путем холодного или плазменного напыления порошка на основе оловянистой (железистой или марганцовистой) бронзы или на основе алюминия на внутреннюю поверхность твердосплавной контактной части 10 втулки 9. В объеме материала посадочной части втулки выполнен шпоночный паз 6 для фиксации втулки на валу модуль-секции.