МАНЖЕТА БОЛЬШОГО РЕСУРСА ЭКСПЛУАТАЦИИ

Полезная модель «Манжета большого ресурса эксплуатации» относится к уплотнительной технике и может быть использовано для уплотнения движущихся с большой осевой скоростью (от 0,3 до 3 м/с) длинных (свыше 2000 мм) полированных штоков, в частности, для установки в устьевые сальники при добыче нефти с помощью штанговых глубинных насосов (ШГН).
Одной из главных причин остановки непрерывного процесса добычи нефти с помощью штанговых глубинных насосов является быстрый износ и выход из строя шевронных резино-тканевых манжет по ГОСТ 22704-77 из-за малого ресурса эксплуатации этих манжет, ограниченного величиной износа уплотняющих поверхностей, контактирующих с поверхностью штока, повышенной силы трения в зоне контакта уплотнений с поверхностью полированного штока и потеря герметичности устьевого сальника, приводящая к разливам нефти на устье скважины и загрязнению окружающей среды. Повышенная сила трения возникает из-за неконтролируемого усилия сжатия пакета уплотнений в осевом направлении, в результате работа силы трения преобразуется в тепло, температура в зоне контакта уплотняющих кромок манжет с поверхностью штока повышается, что приводит к перегреву уплотнений и преждевременному выходу из строя, особенно в период «сухого трения» при отсутствии жидкости в устьевом сальнике.
Известно резино-тканевое шевронное многорядное уплотнение, применяемое для установки в устьевые сальники, состоящее из шевронных манжет, опорного и нажимного колец по ГОСТ 22704-77, выбранное в качестве прототипа.
Недостатком данного устройства является невозможность обеспечения герметичности в зоне контакта уплотняющих поверхностей манжет с поверхностью полированного штока без осевого сжатия пакета манжет с большим усилием, поэтому многорядные уплотнения по ГОСТ 22704-77 эффективно уплотняют полированный шток только при осевом сжатии уплотнений с большим неконтролируемым усилием F (Фиг. 1), способствующим росту величины силы трения в зоне контакта манжет с поверхностью штока, преждевременному выходу из строя манжет, преждевременному износу поверхности дорогостоящего полированного штока, повышенному расходу электроэнергии при работе станка-качалки. Нажимную гайку устьевого сальника (см. Бухаленко Е.И., Абдуллаев Ю.Г. «Монтаж, обслуживание, ремонт нефтепромыслового оборудования» г. Москва, издательство «Недра», 1985 г. стр. 42-45) операторы добычи нефти затягивают с помощью воротка с крутящим моментом M=20÷30 кг·м, в этом случае усилие F=M/tg€, где € - угол подъема витков резьбы, для резьбы M76×3, применяемой в устьевых сальниках в нажимной гайке угол подъема витков равен 2°15″, tg€=0,03947, усилие F=30/0,03947=760 кг, шевронные манжеты такой силой раздавливаются, прижимаясь к поверхности штока и создают высокую силу трения. К недостаткам конструкции манжеты относится конфигурация внутреннего и наружного плеча манжеты в сечении Фиг. 1, так как при осевом сжатии пакета шевронных манжет по ГОСТ 22704-77 происходит смыкание поверхностей внутренних и наружных плеч соседних манжет, чем ограничивается дальнейшее поджатие внутренних плеч манжет к штоку, то есть поджатие является одноразовым. Таким образом ресурс работы пакета шевронных манжет по ГОСТ 22704-77 ограничивается величиной износа единожды поджатых к поверхности штока уплотнительных поверхностей манжет и является незначительно малым.
Полезная модель направлена на обеспечение герметичности в области контакта уплотняющих поверхностей манжет с поверхностью полированного штока в сочетании с минимальной силой трения в течение длительного времени с возможностью многократного поджима уплотняющих поверхностей манжет к поверхности полированного штока по мере их износа с минимальным осевым усилием.
Технический результат достигается тем, что контактирующие между собой нижняя и верхняя манжеты имеют:
- нижняя манжета - прямоугольный выступ В Фиг. 2, Фиг. 3
- верхняя манжета - прямоугольную полость Π Фиг. 2, Фиг. 3
Полезная модель поясняется фигурами:
Фиг. 1 - сечение многорядного шевронного уплотнения по ГОСТ 22704-77
Фиг. 2 - сечение пакета манжет большого ресурса эксплуатации
Фиг. 3 - сечение пакета манжет большого ресурса эксплуатации без наружного плеча - вариант 2.
Фиг. 4 - сечение пакета манжет большого ресурса эксплуатации, выполненных из двух частей (верхняя часть с выступом поз. 1, нижняя часть со впадиной поз. 2) - вариант 3.
Пакет манжет большого ресурса эксплуатации (поз. 2) устанавливается с натягом в корпус (поз. 3) Фиг. 2, 3, 4 опирается на опорную втулку (поз. 4) и состоит минимум из двух манжет (на Фиг. 2 показан пакет из четырех манжет), сверху пакета имеется нажимная втулка (поз. 1). Максимальное количество манжет не ограничено, но для рабочей камеры устьевого сальника достаточно шести манжет, это заключение было получено опытным путем в результате опытно-промышленных испытаний на нефтяных скважинах, оборудованных штанговыми глубинными насосами на предприятиях: ОАО «Лукойл», ОАО «Роснефть», ОАО «Татнефть».
Манжеты большого ресурса эксплуатации имеют следующие параметры:
1. Прямоугольный выступ В, Фиг. 2, имеет поверхность, расположенную под углом а, поэтому при воздействии нижней манжеты на верхнюю в точке К, Фиг. 2, происходит поджатие уплотняющей поверхности внутреннего плеча верхней манжеты к поверхности штока. Выступ В при этом входит в прямоугольную полость Π на величину Δ и при дальнейшем осевом сжатии пакета силой Fo выступ В не отгибает в радиальном направлении, так как его удерживает наружное плечо верхней манжеты.
2. Прямоугольная полость Π верхней манжеты имеет такую же длину как и прямоугольный выступ В нижней манжеты, поэтому имеется потенциальная возможность полного входа выступа В в полость Π при осевом сжатии пакета и при условии износа слоя С поверхности манжеты, контактирующей с поверхностью штока.
3. Возможно исполнение манжеты без наружного плеча (вариант 2), Фиг. 3, в этом случае прямоугольный выступ В контактирует с поверхностью корпуса поз. 3
4. Возможно исполнение манжеты из двух частей (вариант 3), Фиг. 4, в этом случае нижняя часть поз. 2 имеет внутреннее плечо и впадину, а верхняя часть поз. 1 имеет выступ.
Пакет манжет большого ресурса эксплуатации работает следующим образом:
При незначительном поджатии пакета (Фиг. 2, 3, 4) усилием Fo=5÷8 кг нажимной гайкой (не показана) выступы В манжет пакета входят на величину Δ в полости П, поверхность выступа В, расположенная под углом α давит на внутреннее плечо верхней манжеты в точке К результирующей силой F, в результате происходит прижатие внутреннего плеча верхней манжеты к поверхности полированного штока. По мере износа поверхности манжеты, контактирующей с поверхностью полированного штока на величину слоя С, выступ В нижней манжеты при дальнейшем осевом поджатии силой Fo все дальше входит в полость Π верхней манжеты. В нижней части выступа В имеется плоскость У, расположенная под углом β, которая дополнительно прижимает изношенное внутреннее плечо манжеты к плоскости полированного штока поз. 5 перед полным входом выступа В в полость П. Таким образом внутреннее плечо манжеты может изнашиваться на величину слоя С, тем самым многократно увеличивая ресурс эксплуатации манжет. Так как герметичность в области контакта внутреннего плеча манжет большого ресурса эксплуатации с поверхностью полированного штока наступает без необходимости осевого сжатия пакета манжет с большой силой, а лишь с незначительным поджатием силой Fo=5-8 кг, то в данном случае сила трения минимальна и не приводит к перегреву в области контакта манжет с поверхностью штока и ускоренному износу поверхности манжет. Полости Π Фиг. 3, 4 могут заполняться при установке манжет жидкой смазкой, которая при движении штока через отверстия О попадает на поверхность штока для его смазывания и снижения силы трения.
Опытно-промышленные испытания манжет большого ресурса эксплуатации на нефтяных скважинах на протяжении 190 суток показали, что выступы В вошли в полости Π на 1/3 длины полости П, что свидетельствует о большом ресурсе эксплуатации (до 570 суток), тогда как манжеты по ГОСТ 22704-77 требуют замены через 10-20 суток, герметичность обеспечивается при незначительной величине силы осевого поджатия, нагревания поверхности штока не наблюдается даже при сухом трении (при отсутствии скважинной жидкости на устье скважины), что свидетельствует о минимальной силе трения в области контакта уплотнительной поверхности манжет с поверхностью полированного штока и, как следствие, - минимального износа уплотняющей поверхности манжеты.
Источники информации: ГОСТ 22704-77 «Уплотнения шевронные резино-тканевые для гидравлических устройств»