Модуль-секция погружного многоступенчатого центробежного насоса с интегрированными износостойкими подшипниками скольжения
MODULE-SECTION OF SUBMERSIBLE MULTISTAGE CENTRIFUGAL PUMP WITH INTEGRATED WEAR-RESISTANT PLAIN BEARINGS

Область техники
Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано при изготовлении и эксплуатации погружных многоступенчатых центробежных насосов для подъема пластовой жидкости из нефтяных скважин с высоким содержанием абразивных частиц и свободного газа.
Уровень техники
Погружные многоступенчатые центробежные насосы в настоящее время эксплуатируются, в основном, в условиях, осложненных наличием в скважинной жидкости механических примесей и свободного газа.
Высокая концентрация твердых абразивных частиц в добываемой жидкости (твердость присутствующих в мехпримесях частиц кварца достигает HV 1100-1200) вызывает эрозионный износ деталей ступеней и ускоренный абразивный износ контактирующих поверхностей трения скольжения. Ведь при работе погружного насоса смазочной средой пар трения служит именно откачиваемая скваженная жидкость. Вследствие износа трущихся поверхностей и увеличения зазоров в трибопарах в насосе возникают повышенные вибрации, приводящие к выходу его из строя. Также вибрации насосного оборудования вызываются присутствием газовых скоплений в откачиваемой жидкости.
Снижение ресурса погружных центробежных насосов в последнее время во многом связано с неэффективной работой подшипников скольжения. Принимая во внимание тенденции в нефтяной промышленности к интенсификации добычи нефти за счет увеличения частоты вращения роторов насосов и одновременного уменьшения наружного диаметра труб и подшипников, задача повышения работоспособности подшипниковых узлов в погружных центробежных насосах исключительно актуальна.
При повышении износостойкости деталей насоса основное значение имеет совершенствование пар трения радиальных и осевых подшипников скольжения как в ступенях, так и в самом насосе, поскольку пары трения в первую очередь подвергаются повышенному износу при форсированных режимах отбора жидкости.
Для увеличения эффективности работы подшипников скольжения погружных насосов необходимы новые конструкторские решения и новые материалы с высокими триботехническими характеристиками.
Сегодня для добычи нефти в условиях, осложненных мехпримесями в перекачиваемой жидкости, используются погружные насосы с подшипниками скольжения из монолитных износостойких материалов, твердость которых превышает твердость частиц кварцевого песка. Это - твердые сплавы или техническая керамика.
Известен погружной многоступенчатый насос (патент RU 2520797 от 07.09.2010), содержащий вал, головку и основание с расположенными в них радиальными подшипниками вала и корпус с установленными в нем ступенями и дополнительными промежуточными подшипниками вала. Каждый радиальный подшипник состоит из двух твердосплавных втулок, одна из которых установлена в корпусе подшипника, а другая - на валу насоса. Эти втулки образуют пару трения скольжения.
Известен погружной многоступенчатый модульный центробежный насос (патент RU 2317445 от 22.05.2006), в котором каждая модуль-секция имеет корпус с установленными в нем ступенями и основание, ввернутое в корпус модуль-секции. В основании установлен радиальный подшипник скольжения, состоящий из неподвижной твердосплавной втулки, запрессованной в основание, и вращающейся втулки, закрепленной на валу с помощью шпоночного соединения.
Недостатком данных решений является применение в подшипниках скольжения втулок из твердых, но относительно хрупких материалов - твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтовой или никелевой связкой или спеченных керамических материалов (SiC, Al2O3, ZrO2). Низкая теплопроводность и относительно высокий коэффициент трения (более 0,12 в воде) при высоких частотах вращения ротора насоса приводят к перегреву таких втулок, растрескиванию и выходу из строя. Значительная разница в коэффициентах линейного термического расширения твердосплавных и керамических элементов и металлического материала опор подшипников при разогреве узлов трения зачастую приводит к их выпадению из мест запрессовки.
Конструкции узлов трения отличаются сложностью и низкой технологичностью. Твердосплавные и керамические элементы должны испытывать только нагрузки на сжатие при сохранении стабильного зазора в паре трения при любых режимах работы насоса. Запрессовка элементов в металлические обоймы с необходимым натягом требует изготовления высокоточных посадочных мест.
К недостаткам указанных конструкций насосов также следует отнести несовершенство конструкций радиальных подшипников вала. Радиальные подшипники вала, установленные в корпусе секции, головке или основании, состоят из корпуса подшипника с запрессованной втулкой и защитной втулки вала. Корпус подшипника представляет собой диск с центральным отверстием и ступицей и несколькими осевыми периферийными отверстиями для протекания перекачиваемой жидкости через насосную секцию. Необходимость запрессовки втулки (вкладыша) увеличивает радиальную толщину ступицы и сокращает площадь сечения осевых отверстий, что ведет к увеличению гидравлического сопротивления потоку жидкости и снижению КПД насоса. Кроме того, при сборке радиального подшипника вала методом запрессовки опорной втулки в корпус подшипника из-за его неравномерной жесткости и деформации может возникнуть несоосность вала и корпуса насосной секции, что приведет к вибрациям вала и снизит работоспособность насоса.
Подшипники скольжения самих ступеней (радиальные и осевые) также оснащаются вставными элементами из твердых сплавов или керамики. В известных конструкциях ступеней с колесом открытого типа (патенты на полезную модель RU 59752 от 05.07.2006 и RU 74174 от 11.02.2008) в качестве элементов узлов подшипников скольжения устанавливаются вставные детали из твердого сплава или керамики.
Между валом насоса и направляющим аппаратом устанавливается центрирующая втулка радиального подшипника, а между торцевыми поверхностями рабочего колеса и направляющего аппарата устанавливается опора осевого подшипника в виде кольца, размещенного в точно расточенном кольцевом пазу в направляющем аппарате.
Недостатком указанных конструкций является их невысокая технологичность и повышенная стоимость. Изготовление втулок колец из твердого сплава или керамики требует трудоемкого алмазного шлифования по всем поверхностям, что существенно удорожает изделия. Кроме того, как отмечалось выше, детали из таких хрупких материалов подвержены при работе насоса растрескиванию и разрушению от тепловых и динамических нагрузок.
Более перспективным способом повышения ресурса погружных центробежных насосов является применение деталей ступеней и подшипников скольжения с износостойким антифрикционным покрытием. Это позволяет получить выгодное сочетание высокой твердости поверхности и конструкционной прочности опоры, а также улучшить теплоотвод от поверхности трения в тело деталей.
Известны элементы погружного центробежного насоса (патент на полезную модель RU 106689 от 17.12.2010) с антисолевым износостойким полимерным покрытием, в состав которого введена упрочняющая добавка в виде мелкодисперсных керамических частиц (до 20%).
Недостатком описываемого покрытия является его неравномерная толщина, что снижает точность сопряжений между деталями насоса и требует увеличения поля допуска на изготовление посадочных отверстий, что в свою очередь, вызывает увеличение перетоков в насосе и снижает его производительность и КПД. Кроме того, полимерное покрытие с упрочняющей добавкой удовлетворительно работает в скважинах с повышенным содержанием в добываемой жидкости механических примесей, но быстро изнашивается при наличии в ней твердых абразивных частиц. При работе узла трения под действием нагрузки и повышенной температуры полимерная матрица размягчается и деформируется, обнажая слабо связанные с матричным материалом твердые частицы, которые легко вырываются не будучи полностью изношенными.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков является погружной многоступенчатый центробежный насос, описанный в изобретении RU 2580611 от 19.06.2014 и принятый в качестве прототипа. Насос содержит корпус, вал и ступени, состоящие из рабочего колеса и направляющего аппарата. Рабочие колеса и направляющие аппараты выполнены литьем из чугуна и содержат на своих поверхностях азотированный слой. На контактирующие между собой опорные поверхности рабочих колес и направляющих аппаратов, образующих пары трения осевых подшипников скольжения ступеней, дополнительно нанесено износостойкое напыленное твердосплавное покрытие на основе карбида вольфрама.
Недостатком данного технического решения является большое число технологических операций при изготовлении ступеней, что увеличивает трудоемкость и себестоимость изготовления ступеней. Также надо отметить достаточно высокий коэффициент трения между упрочненными контактирующими поверхностями при отсутствии какой-либо твердой смазки.
Но основными недостатками насоса с данными ступенями являются недостатки, присущие всем чугунным ступеням: невысокая точность тяжелых литых колес закрытого типа приводит к дисбалансу и вибрациям при работе насоса, высокая шероховатость литых поверхностей проточных каналов ступеней увеличивает гидравлическое сопротивление потоку откачиваемой жидкости и усиливает процессы солеотложения и засорения каналов механическими примесями.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является повышение абразивной стойкости подшипниковых узлов в насосной модуль-секции, увеличение надежности и срока службы ее и насоса в целом при эксплуатации в скважинах, осложненных высоким содержанием абразивных частиц и свободного газа в пластовой жидкости, а также снижение себестоимости изготовления модуль-секции и затрат при ее эксплуатации.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается:
- в повышении технологичности и снижении себестоимости изготовления подшипниковых узлов в насосной модуль-секции за счет упрощения конструкции;
- в снижении абразивного износа и вибрационных нагрузок в узлах трения модуль-секции за счет применения износостойкого антифрикционного покрытия на деталях и повышения точности сборки сопрягаемых поверхностей;
- в снижении рабочей температуры узлов трения в насосной модуль-секции и в целом в насосе за счет уменьшения коэффициента трения скольжения и улучшения теплоотвода из зон контакта путем выполнения деталей подшипников и ступеней из высокопрочного алюминиевого сплава, обладающего высокой теплопроводностью;
- в повышении КПД насосной модуль-секции, снижении энергопотребления за счет минимизации потерь на трение, уменьшение массы вращающихся рабочих колес (350-600 шт. в насосе) в 2,9 раза и в связи с этим значительное снижение вибраций, что увеличит надежность и срок службы
-в снижении общей массы модуль-секции в 2,9 раза: корпуса подшипников вала, защитные втулки вала, рабочие колеса и направляющие аппараты (350-600 шт. в насосе) выполнены из алюминиевого сплава.
Модуль-секция погружного многоступенчатого центробежного насоса, обеспечивающая достижение указанного выше технического результата, содержит вал, головку и основание, в которых размещены радиальные подшипники скольжения вала, состоящие из корпуса подшипника вала и защитной втулки вала, и корпус с набором ступеней, состоящих из рабочего колеса открытого типа и разборного направляющего аппарата со съемным верхним диском.
Корпуса подшипников скольжения вала, защитные втулки вала, рабочие колеса и направляющие аппараты выполнены из высокопрочного алюминиевого сплава, а на их поверхности сформировано износостойкое антифрикционное керамико-полимерное покрытие.
Радиальные подшипники скольжения вала, радиальные и осевые подшипники скольжения ступеней интегрированы в конструкции деталей модуль-секции, когда по меньшей мере одна скользящая контактирующая поверхность подшипника выполнена непосредственно в теле вращающейся или неподвижной детали. При этом опорные внутренние цилиндрические поверхности корпусов подшипников вала своим керамико-полимерным покрытием контактируют с керамико-полимерным покрытием на наружных цилиндрических поверхностях защитных втулок вала, образуя пары трения радиальных подшипников скольжения вала; опорные плоские поверхности кольцевых выступов на торцах направляющих аппаратов своим керамико-полимерным покрытием контактируют с керамико-полимерным покрытием на торцевых поверхностях рабочих колес, образуя пары трения осевых подшипников скольжения ступеней; опорные внутренние цилиндрические поверхности ступиц направляющих аппаратов своим керамико-полимерным покрытием контактирует с керамико-полимерным покрытием на наружных цилиндрических поверхностях удлиненных втулок рабочих колес, образуя пары трения радиальных подшипников скольжения ступеней.
Ступени состоят из рабочих колес открытого типа (бездисковых) и разборных направляющих аппаратов со съемным верхним диском. Ступени с рабочими колесами открытого типа наиболее эффективны при перекачивании пластовой жидкости с высоким содержанием механических примесей и свободного газа. При работе насоса открытые колеса диспергируют как пузырьки газа, так и грязевых включения, гомогенизируя перекачиваемую жидкость.
Конструкция ступени с открытым колесом и направляющим аппаратом со съемным верхним диском высоко технологична. Отсутствие закрытых полостей в деталях ступени упрощает их механическую обработку и позволяет формировать на поверхностях деталей гладкие, равномерные по толщине керамические покрытия.
Конструкция радиального подшипника вала состоит всего из двух деталей: корпуса подшипника вала, плотно закрепленного в головке или основании, и защитной втулки вала, которая крепится на валу с помощью шпонки. Исключение из конструкции основного элемента традиционного подшипника скольжения - втулки (вкладыша) из монолитного твердого материала позволило упростить конструкцию и снизить трудоемкость изготовления узла трения. Кроме того, упростился монтаж подшипников, повысилась точность центровки и соосность опорных поверхностей подшипников и вала. Также отсутствие запрессованной втулки дало возможность увеличить площадь сечения осевых периферийных отверстий в корпусе подшипника на 20-25%. Это, в свою очередь, позволяет существенно уменьшить гидравлическое сопротивление потоку перекачиваемой жидкости на входе и выходе насосной модуль-секции и повысить КПД насоса.
Корпуса подшипников вала, защитные втулки вала, рабочие колеса и направляющие аппараты выполнены из высокопрочного алюминиевого сплава с пределом текучести не менее 400 МПа. Прочность такого сплава вдвое превышает прочность никелевого чугуна "нирезиста". На поверхностях легких алюминиевых деталей секции сформировано износостойкое керамико-полимерное покрытие толщиной 45-65 мкм и твердостью HV 1400-1900.
Прочные и твердые оксидно-керамические покрытия, превосходящие по абразивной износостойкости твердые сплавы в 1,5-2 раза, создаются на поверхности алюминиевых деталей методом плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО). Метод ПЭО является наиболее эффективным способом упрочнения алюминиевых сплавов.
Новая высокочастотная версия ПЭО позволяет за короткое время (0,5 часа) формировать на поверхности алюминиевых деталей покрытия толщиной 45-65 мкм, при этом первоначальные размеры деталей остаются в поле допуска (патент RU 2681028 от 17.01.2018 и Евразийский патент 012825 от 02.04.2007).
Алюминиевые детали с таким покрытием успешно противостоят абразивно-эрозионному износу и вибродинамическим нагрузкам.
Введение в микропоры керамического покрытия фторполимера приводит к существенному улучшению его защитных свойств. Наличие полимера на поверхности керамико-полимерного покрытия снижает коэффициент трения в воде до 0,04-0,06, что вдвое ниже, чем у твердого сплава и керамики. Низкий коэффициент трения минимизирует работу узлов трения и снижает энергопотребление насоса. Гидрофильные свойства керамико-полимерного покрытия препятствуют отложению на нем солей и АСПО. Пара трения "керамико-полимерное покрытие по керамико-полимерному покрытию" обеспечивает стабильность триботехнических характеристик за счет самосмазывающих свойств. Характер износа таких поверхностей коренным образом отличается от характера износа поверхностей с защитным полимерным покрытием, описанным в вышеприведенном патенте на полезную модель RU 106689. При работе трибоузла с керамико-полимерным покрытием механическую нагрузку воспринимает прочный и твердый керамический каркас (микровыступы керамического слоя), а полимер, находящийся в микропорах покрытия, выполняет функцию твердой антифрикционной смазки.
При повышении температуры в парах трения в условиях граничной смазки (при содержании свободного газа в перекачиваемой жидкости выше 40%) тепло интенсивно отводится из зоны трения за счет высокой теплопроводности алюминиевых опор и ступеней.
Таким образом достигается комплексное улучшение эксплуатационных характеристик подшипников скольжения модуль-секции за счет максимального снижения коэффициента трения, повышения твердости и абразивной износостойкости контактирующих поверхностей, интенсификации теплоотвода от узлов трения.
Известны технические решения использования ступеней насосов из алюминиевых сплавов с керамическим покрытием. Это - ступень, описанная в патенте WO 2008069702 от 06.12.2008, и направляющий аппарат, описанный в патенте RU 2387881 от 09.02.2009. Основным недостатком данных технических решений является низкая технологичность конструкций ступеней, не позволяющая использовать в полной мере преимущества нового конструкционного материала. В вышеприведенных патентах детали ступеней традиционно выполняют цельнолитыми. Литые рабочие колеса закрытого типа и направляющие аппараты имеют узкие глубокие полости, поверхности которых располагаются близко друг к другу. Нанести качественное керамическое покрытие методом ПЭО на такие поверхности затруднительно, так как они экранируют друг друга. Кроме того, литейные алюминиевые сплавы (силумины) из-за своего химического состава также препятствуют получению качественных керамических покрытий. На поверхности этих сплавов присутствуют кристаллы кремния, которые плохо проводят электрический ток, что затрудняет прохождение плазменных разрядов в процессе оксидирования. Покрытия получаются пористыми с пониженной твердостью.
Поэтому применение описанных технических решений не имеет практической перспективы.
Известна также ступень погружного электроцентробежного насоса, описанная в Евразийском патенте 029187 от 26.03.2015. Ступень состоит из открытого колеса и разборного направляющего аппарата и выполнена их жаропрочного алюминиевого сплава с защитным керамическим покрытием, пропитанным полимером.
Основным недостатком данного технического решения является недостаточная прочность жаростойкого алюминиевого сплава, выбранного для изготовления упрочненных деталей ступеней. Это проявляется, в первую очередь, при работе ступеней в жестких условиях абразивного истирания. При попадании абразивной частицы между поверхностями трения она оказывает на них мощное силовое воздействие. Локальные контактные напряжения достигают больших значений. Если материал трущихся тел алюминиевый сплав с керамическим покрытием толщиной 50 мкм, то поведение покрытия в этом случае зависит от предела текучести сплава-основы. Экспериментально установлено, что применение в трибоузлах алюминиевого сплава с пределом текучести ниже 350-400 МПа (выбранный в аналоге жаропрочный сплав имеет предел текучести 270-300 МПа) приводит к пластической деформации сплава под покрытием в зоне действия абразивной частицы. Это ведет к появлению трещин в покрытии и последующему разрушению его. Применение же в трибоузлах высокопрочных алюминиевых сплавов с пределом текучести более 400 МПа приводит в подобном случае лишь к упругой деформации покрытия и сплава-основы в зоне действия абразивной частицы и дальнейшему ее раздавливанию на более мелкие фрагменты. Недостатком известного решения также является использование в парах трения ступеней дополнительных вставных втулок и колец из твердых сплавов или керамики.
Высокая износостойкость и триботехнические характеристики пары трения "керамико-полимерное покрытие по керамико-полимерному покрытию" сделали возможным упростить конструкции узлов трения и выполнить сопрягаемые поверхности подшипников скольжения непосредственно в теле самих деталей, то есть интегрировать подшипники в конструкцию деталей. Это позволило отказаться от размещения в насосной модуль-секции специальных подшипников в виде дополнительных антифрикционных втулок и колец.
Радиальный подшипник скольжения вала образован опорной внутренней цилиндрической поверхностью корпуса подшипника вала и наружной цилиндрической поверхностью защитной втулки вала.
Конструкция ступени предусматривает наличие в каждой ступени радиального и осевого подшипников скольжения, выполненных непосредственно в теле деталей ступени. Осевой подшипник скольжения ступени образован опорной плоской поверхностью кольцевого выступа на торце направляющего аппарата и торцевой поверхностью рабочего колеса. Радиальный подшипник скольжения образован опорной внутренней цилиндрической поверхностью ступицы направляющего аппарата и наружной цилиндрической поверхностью удлиненной втулки рабочего колеса. Для обеспечения необходимой несущей способности подшипника и восприятия действующих нагрузок длина втулки l должна соотноситься с ее диаметром d, как l=(0,6-0,8)d. Малый вес алюминиевых колес и высокая точность их изготовления обеспечивает сбалансированное вращение ротора насосной модуль-секции с минимальным уровнем вибраций.
Это позволяет беспрепятственно применять современные быстроходные погружные электродвигатели и существенно повысить производительность насоса.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен продольный разрез заявляемой модуль-секции погружного многоступенчатого центробежного насоса.
Модуль-секция погружного центробежного насоса содержит приводной вал 10, головку 2, основание
3 и корпус 1, в котором установлен набор ступеней. Вал 10 модуль-секции опирается на радиальные подшипники вала, размещенные в головке 2 и основании 3. Радиальные подшипники вала состоят из неподвижных, жестко вмонтированных в головку 2 и основание 3 корпусов подшипников вала 13 и защитных втулок вала 11, закрепленных на валу с помощью шпонок и вращающихся вместе с валом 10. Корпус подшипника вала 13 представляет собой точно изготовленный диск с центральным отверстием и несколькими осевыми отверстиями 12 по периферии для прохождения перекачиваемой жидкости. Опорные внутренние поверхности корпусов подшипников вала 13, контактируя с наружной цилиндрической поверхностью защитных втулок вала 11, образуют пары трения радиальных подшипников скольжения вала 14. При этом обе контактирующие поверхности имеют керамико-полимерное покрытие.
На фиг. 2 изображен элемент модуль-секции со ступенями (продольный разрез) в увеличенном масштабе.
В корпусе 1 установлен набор ступеней, состоящих из рабочих колес открытого типа 4 и разборных направляющих аппаратов б. Рабочие колеса 4 установлены на валу 10 с помощью шпонок и вращаются вместе с ним. Направляющие аппараты 6 неподвижно закреплены внутри корпуса 1 за счет сил трения от натяга, созданного ввинченными с двух сторон в корпус 1 головки 2 и основания 3. Рабочее колесо 4 состоит из удлиненной втулки 5 с размещенными на ней радиальными лопатками. Длина втулки l соотносится с ее диаметром d, как l=(0,6-0,8)d. Направляющий аппарат 6 состоит из стакана, выполненного заодно с утолщенным нижним диском, и верхнего съемного диска 7. Нижний утолщенный диск имеет центральную ступицу 8 и каналы-лопатки, ведущие от периферии к центру. На торце нижнего диска выполнен кольцевой выступ 9.
Опорные плоские поверхности кольцевых выступов 9 на торцах направляющих аппаратов 6, контактируя с торцевыми поверхностями рабочих колес 4, образуют пары трения осевых подшипников скольжения ступеней 16. При этом обе контактирующие поверхности имеют керамико-полимерное покрытие. Опорные внутренние цилиндрические поверхности ступиц 8 направляющих аппаратов 6, контактируя с наружной цилиндрической поверхностью удлиненных втулок 5 рабочих колес 4, образует пары трения радиальных подшипников скольжения ступеней 15. При этом обе контактирующие поверхности имеют керамико-полимерное покрытие.
Насосная модуль-секция работает следующим образом. При работе секции приводной вал 10 вращается в радиальных подшипниках скольжения вала.
Вследствие вращения расположенных на валу 10 рабочих колес 4 относительно неподвижных направляющих аппаратов 6 перекачиваемая жидкость поступает в основание 3 и через периферийные отверстия 12 в корпусе радиального подшипника вала 13 направляется в центробежные ступени секции.
Жидкость, поступая в межлопаточные полости рабочего колеса 4 движется от центра к периферии. При этом рабочее колесо 4 создает напор перекачиваемой жидкости. Далее жидкость поступает в каналы-лопатки нижнего диска направляющего аппарата 6, в которых осуществляется разворот и направление потока на рабочее колесо следующей ступени. При этом кинетическая энергия движения жидкости переходит в потенциальную. Проходя через ступени секции жидкость поступает в головку 2 и, двигаясь через периферийные отверстия 12 в корпусе радиального подшипника вала 13, продолжает движение вверх. При работе модуль-секции пары трения подшипников скольжения 14, 15 и 16 обеспечивают легкое сбалансированное вращение вала 10 с рабочими колесами 4 (ротора секции).
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет создать модуль-секцию погружного многоступенчатого центробежного насоса с интегрированными износостойкими подшипниками скольжения, которая дает возможность с наименьшими трудовыми и экономическими затратами производить и эксплуатировать погружные нефтяные насосы в скважинах, осложненных высоким содержанием абразивных примесей и свободного газа в пластовой жидкости.