КЛАПАННЫЙ УЗЕЛ НАСОСА

Полезная модель относится к гидромашиностроению, в частности, к клапанным узлам, преимущественно, плунжерных нефтегазопромысловых насосов, предназначенных для гидроразрыва нефтегазоносных пластов, цементирования нефтегазовых скважин и кислотной обработки пластов с подачей в скважину абразивосодержащих жидких смесей и кислотных растворов.
Известен клапанный узел насоса, описанный в полезной модели РФ №1351, опубликованной в 1995 г., представляющий собой клапанный узел насоса, установленный в полости гидроблока насоса, содержащий седло с конической посадочной поверхностью и осевым цилиндрическим направляющим отверстием, кольцеобразное периферийное эластичное уплотнение, закрепленное с внешней стороны верхней части седла, а также тарельчатый клапан с периферийным эластичным уплотнителем и направляющей крестовиной, контактирующей со стенками осевого цилиндрического отверстия седла, причем периферийный эластичный уплотнитель тарельчатого клапана контактирует с кольцеобразным периферийным эластичным уплотнением седла, а тарельчатый клапан и направляющая крестовина соединены между собой шаровым шарниром.
3
Недостатком данного клапанного узла насоса является его ограниченная область применения из-за невозможности использования при нагнетании насосом абразивосодержащих жидкостей, а также при высоких давлениях нагнетания насоса. Это объясняется тем, что, уплотняющая часть клапанного узла, имеющая контактирование между собой двух эластичных уплотнений (на седле и на тарели) на части общей поверхности контактирования седла и тарели, имеет определенный ресурс работы в абразивосодержащей рабочей жидкости. Так при закачивании смеси (абразивосодержащей рабочей жидкости), содержащей фракцию проппанта марки 20÷40 (искусственного керамического песка сферической формы диаметром 2 мм) и концентрацией более 800 кг/м уплотняющая часть клапанного узла не справляется с функцией герметизации в полном объеме из-за малой упорной площади контакта, вследствие чего из-за высокого давления между седлом и клапаном происходит протекание смеси содержащей абразивный материал, что приводит к сильному износу металлических частей опорной поверхности клапанного узла. То же самое можно сказать и в отношении другой контактной пары описанного клапана, а именно двух относительно подвижных деталей - шара направляющей крестовины и фиксатора в виде разрезного витка кольцевой пружины, также работающих в абразивной среде ограниченное время. Вышеуказанный ресурс работы измеряется часами, что делает насос и насосную установку неработоспособными из-за выхода из строя различных деталей. В полевых условиях можно произвести замену только уплотнения на тарели, все остальные замены требуют время и необходимое дополнительное оборудование для полной разборки корпуса насоса, что приведет к значительным временным и материальным затратам на ремонт оборудования.
Следующим недостатком данного клапанного узла насоса является ограничение его применения по давлению нагнетания рабочей жидкости насосом, т.к. при принятом диаметре тарельчатого клапана и принятой конусности посадочной поверхности седла клапанного узла перепад диаметров конической части седла невелик и при повышенных давлениях нагнетания, достигающих 150 МПа, седло давлением рабочей жидкости вдавливается в гнездо гидроблока, что приводит к схватыванию материалов седла и гидроблока (холодная сварка) и затрудняет извлечение седла, сопровождающееся деформацией или поломкой съемника седла. Также имеют место случаи продавливания седел вместе с тарельчатыми клапанами через гнездо гидроблока, что приводит к аварийной ситуации на нефтепромысле, описанной выше.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является клапанный узел насоса, описанный в патенте России №2240461. Клапанный узел насоса, установленный в полости гидроблока насоса, содержит седло с конической рабочей посадочной поверхностью и осевым цилиндрическим направляющим отверстием, кольцеобразное периферийное эластичное уплотнение, закрепленное с внешней стороны верхней части седла, а также тарельчатый клапан с периферийным эластичным уплотнителем и направляющей крестовиной, контактирующей со стенкой осевого цилиндрического отверстия седла, причем периферийный эластичный уплотнитель тарельчатого клапана контактирует с кольцеобразным эластичным уплотнением седла. Контакт уплотняемой поверхности тарельчатого клапана с уплотняемой поверхностью седла происходит через периферийный эластичный уплотнитель и кольцеобразное периферийное эластичное уплотнение. Тарельчатый клапан и направляющая крестовина соединены между собой шаровым шарниром, который со стороны направляющей крестовины снабжен кольцевым эластичным фиксатором, выполненным, например, из литьевого свулканизированного полиуретана, радиальная толщина которого в месте одновременного его контакта с поверхностями шара шарового шарнира и тарельчатого клапана больше, чем на выходе из тарельчатого клапана, а форма эластичного фиксатора повторяет формы сопрягаемых с ним поверхностей тарельчатого клапана и направляющей крестовины. Седло ниже кольцеобразного периферийного эластичного уплотнения может быть снабжено периферийным кольцевым выступом прямоугольного сечения, наружный диаметр которого больше наружного диаметра конической рабочей посадочной поверхности седла, при этом в средней части конической рабочей поверхности может быть выполнена кольцевая канавка с установленным в ней кольцевым эластичным уплотнителем, дополнительно герметизирующим седло в полости гидроблока, коническая рабочая посадочная поверхность седла, вместе с кольцевым уплотнителем, может быть покрыта тонкостенной эластомерной оболочкой, например, из полиэтилена.
3
Недостатком данного клапанного узла насоса является его ограниченная область применения из-за невозможности использования при нагнетании насосом абразивосодержащих жидкостей, а также при высоких давлениях нагнетания насоса. Это объясняется тем, что, уплотняющая часть клапанного узла, имеющая контактирование между собой двух эластичных уплотнений (на седле и на тарели) на части общей поверхности контактирования седла и тарели, имеет определенный ресурс работы в абразивосодержащей рабочей жидкости. Так при закачивании смеси (абразивосодержащей рабочей жидкости), содержащей фракцию проппанта марки 20÷40 (искусственного керамического песка сферической формы диаметром 2 мм) и концентрацией более 800 кг/м уплотняющая часть клапанного узла не справляется с функцией герметизации в полном объеме из-за малой упорной площади контакта, вследствие чего из-за высокого давления между седлом и клапаном происходит протекание смеси содержащей абразивный материал, что приводит к сильному износу металлических частей опорной поверхности клапанного узла. То же самое можно сказать и в отношении другой контактной пары описанного клапана, а именно двух относительно подвижных деталей - шара направляющей крестовины и фиксатора в виде разрезного витка кольцевой пружины, также работающих в абразивной среде ограниченное время. Вышеуказанный ресурс работы измеряется часами, что делает насос и насосную установку неработоспособными из-за выхода из строя различных деталей. В полевых условиях можно произвести замену только уплотнения на тарели, все остальные замены требуют время и необходимое дополнительное оборудование для полной разборки корпуса насоса, что приведет к значительным временным и материальным затратам на ремонт оборудования.
Предложенное техническое решение направлено на упрощение конструкции клапанного узла, повышение его ресурса и надежности, расширение диапазона его применения, повышение подачи кпд насоса, снижение трудоемкости ремонтных работ (при извлечении седел и восстановлении гидроблоков), а также обеспечение безопасности при эксплуатации насосных установок.
Указанный технический результат достигается тем, что клапанный узел насоса, установленный в корпусе гидроблока насоса, содержащий седло с конической рабочей посадочной поверхностью и осевым цилиндрическим направляющим отверстием, тарельчатый клапан с периферийным эластичным уплотнителем и с непосредственным контактом с опорной поверхностью седла, соединенный с направляющей крестовиной, контактирующей со стенкой осевого цилиндрического отверстия седла, и выполненный, по крайней мере, с одним кольцевым зубцом на уплотняемой поверхности, ближе к наружному диаметру, согласно полезной модели, тарельчатый клапан и направляющая крестовина соединены между собой неподвижно, тарельчатый клапан выполнен с контактом своей уплотняемой поверхностью с уплотняемой поверхностью седла через периферийный эластичный уплотнитель, седло выполнено с диаметром осевого цилиндрического направляющего отверстия D=83,0 мм, тарельчатый клапан выполнен с диаметром внутреннего края опорной поверхности Dво=0,988D мм, с диаметром наружного края опорной поверхности Dно=1,18D мм, с рабочим диаметром Dp=1,55D мм и рабочей высотой Hp=0,399D мм, с наружными диаметрами, соответствующими внутренним диаметрам периферийного эластичного уплотнителя максимальному Dmax=1,18D мм и минимальному Dmin=1,036D мм, при этом опорная поверхность контактирования меньше чем уплотняемая поверхность контактирования седла не более чем в полтора раза, площадь поперечного сечения периферийного эластичного уплотнителя увеличена, но не более чем в два раза, кроме того кольцевые зубцы выполнены по количеству не менее 5, тарельчатый клапан и направляющая крестовина могут быть соединены между собой неподвижно сваркой трением.
За счет того, что в клапанном узле насоса, тарельчатый клапан и направляющая крестовина соединены между собой неподвижно, тарельчатый клапан выполнен с контактом своей уплотняемой поверхностью с уплотняемой поверхностью седла через периферийный эластичный уплотнитель, седло выполнено с диаметром осевого цилиндрического направляющего отверстия D=83,0 мм, тарельчатый клапан выполнен с диаметром внутреннего края опорной поверхности Dво=0,988D мм, с диаметром наружного края опорной поверхности Dно=1,18D мм, с рабочим диаметром Dp=1,55D мм и рабочей высотой Hp=0,399D мм, с наружными диаметрами, соответствующими внутренним диаметрам периферийного эластичного уплотнителя максимальному Dmax=1,18D мм и минимальному Dmin=1,036D мм, при этом опорная поверхность контактирования меньше чем уплотняемая поверхность контактирования седла не более чем в полтора раза, площадь поперечного сечения периферийного эластичного уплотнителя увеличена, но не более чем в два раза, кроме того кольцевые зубцы выполнены по количеству не менее 5, тарельчатый клапан и направляющая крестовина могут быть соединены между собой неподвижно сваркой трением, упрощается конструкция клапанного узла, повышается его ресурс и надежность, расширяется диапазон его применения, повышается подача кпд насоса, снижается трудоемкость ремонтных работ (при извлечении седел и восстановлении гидроблоков), а также обеспечивается безопасность при эксплуатации насосных установок, одним словом расширяются его эксплуатационные возможности.
Таким образом, совокупность заявляемых признаков позволяет значительно расширить эксплуатационные возможности заявляемого клапанного узла насоса.
Заявляемый клапанный узел насоса обладает новизной, отличаясь от прототипа перечисленными выше признаками, и обеспечивает достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Полезная модель может найти широкое применение в области гидромашиностроения, в частности, у клапанных узлов, преимущественно, плунжерных нефтегазопромысловых насосов, предназначенных для гидроразрыва нефтегазоносных пластов, цементирования нефтегазовых скважин и кислотной обработки пластов с подачей в скважину абразивосодержащих жидких смесей и кислотных растворов.
Сущность предлагаемого клапанного узла насоса поясняется чертежами, где представлены:
на фиг.1 - общий вид спереди в разрезе;
Клапанный узел насоса, установленный в корпусе 1 гидроблока насоса, содержит седло 2 с конической рабочей посадочной поверхностью 3 и осевым цилиндрическим направляющим отверстием 4, тарельчатый клапан 5 с периферийным эластичным уплотнителем 6, соединенный с направляющей крестовиной 7, контактирующей со стенкой осевого цилиндрического отверстия 4 седла 2. Тарельчатый клапан 5 и направляющая крестовина 7 соединены между собой неподвижно, в примере исполнения сваркой трением. Седло 2 в верхней части выполнено с периферийным кольцевым выступом 8, наружный диаметр которого больше наибольшего наружного диаметра конической рабочей поверхности 3 седла 2. В средней части конической рабочей поверхности 3 может быть выполнена кольцевая канавка с установленным в ней кольцевым эластичным уплотнителем 9, дополнительно герметизирующим седло 2 в корпусе 1 гидроблока.
Тарельчатый клапан 5 и седло 2 имеют общие поверхности контактирования: опорную поверхность 10 седла 2 и опорную поверхность 11 тарельчатого клапана 5. Уплотняемая поверхность 12 седла 2 в свою очередь контактирует с уплотняющей поверхностью 13 периферийного эластичного уплотнителя 6. Уплотняемая поверхность 14 тарельчатого клапана 5 в свою очередь контактирует с уплотняющей поверхностью 15 периферийного эластичного уплотнителя 6.
Уплотняемая поверхность 14 тарельчатого клапана 5 и уплотняющая поверхность 15 периферийного эластичного уплотнителя 6 имеют сложную форму (по форме верхней части периферийного эластичного уплотнителя).
Тарельчатый клапан 5 выполнен с рабочим диаметром Dp=1,55D мм и рабочей высотой Hp=0,399D мм, с наружными диаметрами, соответствующими внутренним диаметрам периферийного эластичного уплотнителя 6 максимальному Dmax=1,18D мм и минимальному Dmin=1,036D мм,
Седло 2 выполнено с диаметром осевого цилиндрического направляющего отверстия 4 D=83,0 мм, тарельчатый клапан 5 выполнен с диаметром внутреннего края опорной поверхности 11 Dво=0,988D мм, с диаметром наружного края опорной поверхности 11 Dно=1,18D мм, при этом площадь контактирования опорными поверхностями 10, 11 меньше чем площадь контактирования уплотняемой и уплотняющей поверхностями 12, 13 не более чем в полтора раза.
Выполнение размеров тарельчатого клапана 5 и седла 2 по заданным величинам, приводит к увеличению площади поперечного сечения периферийного эластичного уплотнителя 6, но не более чем в два раза.
У тарельчатого клапана 5 на уплотняемой поверхности 14 ближе к наружному диаметру выполнены кольцевые зубцы 16 по количеству не менее пяти, для лучшего контакта тарельчатого клапана 5 и периферийного эластичного уплотнителя 6, для устранения диаметрального смещения тарельчатого клапана 5 относительно периферийного эластичного уплотнителя 6.
Тарельчатый клапан 5 и направляющая крестовина 7 соединены между собой неподвижно, в примере исполнения сваркой трением.
Для удержания стабильной работы тарельчатого клапана 5 необходимо жесткое соединение его с направляющей крестовиной 7. Частота работы удара тарельчатого клапана 5 о седло 2 4÷5 Гц, при этом при массе 2,5 кг тарельчатого клапана 5 и массе 0,2 кг направляющей крестовины 7 неизбежно приходит к выходу из строя их подвижное соединение, что в конечном итоге приведет к нестабильной работе тарельчатого клапана 5 из-за перекоса направляющей крестовины 7 и тарельчатого клапана 5 относительно седла 2.
Клапанный узел насоса работает следующим образом.
При ходе всасывания плунжера (на фиг.1 не показан) происходит всасывание рабочей жидкости, содержащей твердые частицы, тарельчатый клапан 5 отрывается от седла 2 и поднимается, при этом порция жидкости из всасывающей полости, расположенной ниже всасывающего тарельчатого клапана 5, перетекает в полость цилиндра насоса (в плунжерную камеру) (на фиг.1 не показаны), расположенную выше всасывающего тарельчатого клапана 5. При нагнетательном ходе плунжера последний проталкивает эту порцию в нагнетательную линию насоса, расположенную над нагнетательным тарельчатым клапаном 5, последний при этом открывается, а всасывающий клапан (на фиг.1 не показан) закрывается, отсекая всасывающую линию насоса от нагнетательной. Далее цикл повторяется.
В заявляемой полезной модели упрощается конструкция клапанного узла, повышается его ресурс и надежность, расширяется диапазон его применения, повышается подача кпд насоса, снижается трудоемкость ремонтных работ (при извлечении седел и восстановлении гидроблоков), а также обеспечивается безопасность при эксплуатации насосных установок, одним словом расширяются его эксплуатационные возможности, за счет того, что в клапанном узле насоса, тарельчатый клапан и направляющая крестовина соединены между собой неподвижно, тарельчатый клапан выполнен с контактом своей уплотняемой поверхностью с уплотняемой поверхностью седла через периферийный эластичный уплотнитель, седло выполнено с диаметром осевого цилиндрического направляющего отверстия D=83,0 мм, тарельчатый клапан выполнен с диаметром внутреннего края опорной поверхности Dво=0,988D мм, с диаметром наружного края опорной поверхности Dно=1,18D мм, с рабочим диаметром Dp=1,55D мм и рабочей высотой Hp=0,399D мм, с наружными диаметрами, соответствующими внутренним диаметрам периферийного эластичного уплотнителя максимальному Dmax=1,18D мм и минимальному Dmin=1,036D мм, при этом опорная поверхность контактирования меньше чем уплотняемая поверхность контактирования седла не более чем в полтора раза, площадь поперечного сечения периферийного эластичного уплотнителя увеличена, но не более чем в два раза, кроме того кольцевые зубцы выполнены по количеству не менее 5, тарельчатый клапан и направляющая крестовина могут быть соединены между собой неподвижно сваркой трением, упрощается конструкция клапанного узла, повышается его ресурс и надежность, расширяется диапазон его применения, повышается подача кпд насоса, снижается трудоемкость ремонтных работ (при извлечении седел и восстановлении гидроблоков), а также обеспечивается безопасность при эксплуатации насосных установок, одним словом расширяются его эксплуатационные возможности.