СИСТЕМА ГИДРОЗАЩИТЫ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ПАРЫ ТРЕХЦИЛИНДРОВОГО БУРОВОГО НАСОСА

Полезная модель относится к области бурового насосного оборудования для подачи бурового раствора в скважину с целью промывки забоя от выбуренной породы, применяемого в нефтегазодобывающей промышленности., в частности, в трехцилиндровых буровых насосах большой мощности для подачи в скважину утяжеленных буровых растворов.
Долговечность буровых насосов во многом определяется эффективностью защиты от проникновения абразивных частиц бурового раствора на рабочие поверхности цилиндропоршневой пары, что в свою очередь определяет частоту замены сменных деталей и узлов буровых насосов, а также межремонтные сроки последних.
Известна система гидрозащиты бурового триплекс-насоса одностороннего действия, состоящая из двух поршней, расположенных на общем штоке, между которыми размещена распорная втулка. Указанные элементы вместе с цилиндровой втулкой образуют гидрозатворную камеру, которая сообщается с источником затворной жидкости, а между распорной втулкой и сердечником рабочего поршня образована сообщающаяся с атмосферой полость, обеспечивающая возможность ограниченного осевого
перемещения поршня, при этом внутренний диаметр его манжеты, находящейся со стороны гидрозатворной камеры, больше внутреннего диаметра манжеты, находящейся со стороны рабочей полости цилиндра.(SU 284609, F04B 5/00, 1970).
Существенным недостатком известного устройства является конструктивная необходимость увеличения длины цилиндровой втулки насоса (не менее чем в 2 раза) по сравнению с традиционной и, как следствие, изменение корпусных деталей насоса и монтаж дополнительных узлов.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является система гидрозащиты, содержащая установленные на общем штоке два поршня (рабочий и гидрозатворный), образующие гидрозатворную камеру, причем рабочий поршень имеет возможность ограниченного перемещения, а гидрозатворный поршень закреплен на штоке неподвижно, между поршнями устанавливается распорная втулка, содержащая обратный клапан для подачи смазочно-охлаждающей жидкости в гидрозатворную камеру, шток имеет внутреннюю расточку, в которой расположен поршень, разделяющий газовую камеру и камеру со смазочно-охлаждающей жидкостью (см., «Буровые и нефтепромысловые насосы и агрегаты» (исследования и разработки), ООО «Газоил пресс», Москва, 1998 г.).
В указанной системе повышенное давление создается за счет закачки газа разделительным поршнем (в процессе всасывания), который перемещает смазочно-охлаждающую жидкость в затворную камеру и далее перемещением рабочего поршня по штоку (в процессе нагнетания). За счет разницы торцевых площадей рабочего поршня со стороны раствора и смазочно-охлаждающей жидкости в затворной камере создается повышенное давление. Данная схема предусматривает систему внутренних каналов и обратных клапанов для подачи смазочно-охлаждающей жидкости.
К недостаткам указанной системы относятся следующие: низкая надежность работы системы, обусловленная уменьшением жесткости конструкции за счет большого количества подвижных деталей (устройство содержит рабочий поршень, который перемещается по общему штоку, и разделительный поршень, перемещающийся в расточке штока), сложность конструктивного исполнения, связанная с наличием камеры с поршнем, разделяющим газ и смазочно-охлаждающую жидкость, большого количества самоуплотняющихся манжет (три манжеты) и обратных клапанов (три клапана), повышенный износ сопрягаемых поверхностей, обусловленный возникновением механических ударов за счет отсутствия жесткого соединения между рабочим поршнем и штоком, повышенный расход смазочно-охлаждающей жидкости, поскольку из-за большой разницы торцевых площадей рабочего поршня в затворной камере создается высокое давление, значительно превышающее давление нагнетания насоса.
В основу настоящей полезной модели положена задача создания системы гидрозащиты цилиндропоршневой пары трехцилиндрового бурового насоса, обеспечивающей уменьшение износа цилиндропоршневой пары бурового насоса за счет создания условий, исключающих попадание абразивных частиц бурового раствора на их рабочие поверхности; упрощение конструкции, повышение надежности работы системы гидрозащиты и сокращение расхода смазочно-охлаждающей жидкости.
Поставленная задача достигается тем, что система гидрозащиты цилиндропоршневой пары трехцилиндрового бурового насоса содержит рабочий поршень, состоящий из сердечника, в расточке которого установлен дифференциальный поршень с образованием камеры повышенного давления смазочно-охлаждающей жидкости со стороны торцевой поверхности меньшего диаметра, имеющий ограничитель хода в передней части расточки и три уплотнительных кольца, причем между первым и вторым уплотнительными кольцами выполнена наружная расточка, образующая между внутренней поверхностью сердечника и наружной поверхностью
дифференциального поршня гидрозатворную камеру, а между вторым и третьим уплотнительными кольцами выполнена расточка с образованием камеры, сообщающейся с атмосферой, при этом в дифференциальном поршне выполнен канал, сообщающий гидрозатворную камеру с камерой повышенного давления смазочно-охлаждающей жидкости, связанной через выполненную в штоке расточку с источником смазочно-охлаждающей жидкости, а на наружной поверхности сердечника закреплены две самоуплотняющиеся манжеты с уплотнительными кромками, направленными навстречу друг к другу и образующими дополнительную гидрозатворную камеру, в которой установлено распорное кольцо и которая посредством, по крайней мере, одного канала, выполненного в теле сердечника, сообщается с камерой повышенного давления смазочно-охлаждающей жидкости.
В предпочтительных вариантах реализации системы:
- на наружной поверхности сердечника установлена манжета-грязесъемник, примыкающая через шайбу к передней самоуплотняющейся манжете рабочего поршня.
- дифференциальный поршень имеет дополнительную манжету-грязесъемник, прижимаемую к дифференциальному поршню винтом с шайбой.
- ограничитель хода выполнен в виде упругого разрезного кольца.
В предлагаемой системе реализован механизм защиты рабочих органов насосов от воздействия абразива буровых растворов, который не допускает проникновения абразивных частиц из раствора, поступающего в цилиндр насоса, на поверхность трения поршня и цилиндровой втулки насоса вследствие создания противотока чистой жидкости в зазоре цилиндропоршневой пары, как во время хода всасывания, так и нагнетания с помощью гидравлической системы, создающей давление, превышающее давление в рабочей камере бурового насоса.
Реализация указанного механизма достигается благодаря тому, что перепад давления, необходимый для вытеснения смазочно-охлаждающей жидкости из гидрозатворной камеры на рабочие поверхности цилиндропоршневой пары, обеспечивается разницей площадей торцевых поверхностей дифференциального поршня, расположенного внутри основного рабочего поршня. Расчетным путем установлено, что соотношение диаметров наружных поверхностей дифференциального поршня составляет 1:1,05.
В дальнейшем сущность полезной модели поясняется примером его исполнения, изображенным на прилагаемом чертеже, на котором показана принципиальная схема системы гидрозащиты цилиндропоршневой пары трехцилиндрового бурового насоса.
Рабочий поршень системы гидрозащиты цилиндропоршневой пары трехцилиндрового бурового насоса состоит из сердечника 1, на который насажены самоуплотняющиеся манжеты 2 и 3. Раструбные (уплотняющие) кромки манжет расположены навстречу друг к другу, образуя совместно с внутренней поверхностью цилиндровой втулки (на чертеже не показана) замкнутую гидрозатворную камеру 4. Между самоуплотняющимися манжетами 2 и 3 расположено распорное кольцо 5, имеющее внутреннюю расточку 6 с радиальными сквозными отверстиями. Шайба 7, центрирует поршень в цилиндровой втулке. К шайбе 7 установлена манжета-грязесъемник 8. Вся сборка поршня зажимается в сердечнике шайбой 9 и фиксируется замком (пружинным кольцом) 10.
Внутренняя часть сердечника 1 имеет расточку 11, в которой с одной стороны расположен дифференциальный поршень 12, а другая сторона оснащается резьбой и конической посадкой для соединения со штоком 13.
Дифференциальный поршень имеет три уплотнительных кольца 14, 15, 16, манжету-грязесъемник 17, прижимаемую к дифференциальному поршню винтом 18 с шайбой 19.
Шайба 19 и упругое разрезное кольцо (замок) 20 предохраняют дифференциальный поршень 12 от выхода из расточки сердечника 1.
1
2
Наружные поверхности дифференциального поршня 12 диаметрами D и D создают с соответствующими поверхностями расточки сердечника 1 камеру 21 и камеру повышенного давления 22. Причем полость камеры 21 соединена отверстием 23 с атмосферой, а полость камера повышенного давления 22 через отверстие 24 в сердечнике соединена с расточкой 6 распорного кольца 5 и гидрозатворной камерой 4. Между уплотнительными кольцами 14 и 15 в дифференциальном поршне выполнена расточка, образующая гидрозатворную камеру 25, соединенную через отверстие 26 в дифференциальном поршне с камерой повышенного давления 22.
Камера повышенного давления 22 соединена отверстием 27 в штоке с обратным клапаном 28, через который вспомогательным насосом или гидроаккумулятором (на фигуре не показан) подается смазочно-охлаждающая жидкость. Обратный клапан может быть вынесен за пределы бурового насоса.
Поскольку в рассматриваемом устройстве наиболее тяжелый режим работы у самоуплотняющейся манжеты 2, поэтому конструктивное решение должно обеспечить создание условий, исключающих попадание абразивных частиц в зону ее работы. С этой целью в устройстве созданы две гидрозатворные камеры 4 и 25, исключающие попадание в них абразива и создающие комфортные условия работы самоуплотняющейся манжеты 3 и уплотнительного кольца 14.
В гидрозатворных камерах 4 и 25 находится смазочно-охлаждающая жидкость под давлением, всегда превышающем давление в рабочей камере цилиндропоршневой пары насоса, что препятствует проникновению абразивных частиц в зону контакта манжеты 3 с цилиндровой втулкой и уплотнительного кольца 14 с поверхностью расточки сердечника 1 и обуславливает появление смазывающей пленки на рабочей поверхности цилиндровой втулки.
При такте всасывания цилиндропоршневой пары в гидрозатворных камерах 4 и 25 давление создается насосом, подающим смазочно-охлаждающую жидкость, которое превышает давление во всасывающей линии бурового насоса.
1
2
При такте нагнетания цилиндропоршневой пары в гидрозатворных камерах 4 и 25 давление смазочно-охлаждающей жидкости создается за счет разности площадей дифференциального поршня с диаметрами D и D при закрытом обратном клапане 28.
Проникновению абразивных частиц в зону контакта самоуплотняющейся манжеты 3 и уплотнительного кольца 14 препятствуют также манжеты-грязесъемники 8 и 17, удаляющие с поверхности трения прилипающие твердые частицы.
Самоуплотняющаяся манжета 3 и уплотнительное кольцо 14 не подвержены усталостному разрушению, так как перепад давления на них не превышает 5-10% от рабочего давления насоса.
Устройство гидрозащиты цилиндропоршневой пары бурового насоса работает следующим образом.
При сборке поршня камеры 4, 6, 25 и 22 заполняются консистентной смазкой. Перед пуском бурового насоса вспомогательным насосом (на фигуре не показан) смазочно-охлаждающая жидкость закачивается в гидроаккумулятор (на чертеже не показан), из которого через обратный клапан 28 и отверстие 27 в штоке смазочно-охлаждающая жидкость направляется в камеру повышенного давления 22.
В цикле всасывания в цилиндропоршневой паре под давлением смазочно-охлаждающей жидкости дифференциальный поршень 12 перемещается в крайнее левое положение, а в камерах 4, 6 и 25 поддерживается давление, равное давлению в гидроаккумуляторе.
В цикле нагнетания в цилиндропоршневой паре под действием давления бурового раствора дифференциальный поршень перемещается относительно рабочего поршня вправо, создавая в камере повышенного
давления 22 (и далее в камерах 4, 6 и 25) давление, превышающее давление бурового раствора пропорционально отношению площадей торцевых поверхностей дифференциального поршня. Высокое давление в камерах 4 и 25 создает переток смазочно-охлаждающей жидкости в сторону камеры нагнетания цилиндропоршневой пары и предохраняет зону трения от попадания в нее бурового раствора и абразива.
Таким образом, предлагаемая система гидрозащиты цилиндропоршневой пары позволяет практически полностью предотвратить влияние абразива буровых растворов на износостойкость поршней и цилиндровых втулок буровых насосов и повысить их долговечность.