Гидравлический узел плунжерного насоса

Полезная модель относится к гидравлическим машинам объемного вытеснения, а именно к многоцилиндровым жидкостным гидравлическим блокам плунжерных насосов, содержащих по меньшей мере три рабочие камеры плунжера.
На нефтяных месторождениях гидравлический узел плунжерного или насоса предназначен для работы с перерывами в целях выполнения таких скважинных операций, как кислотная обработка, гидравлический разрыв пласта, глушение скважины и др., при повышенном давлении до 138 МПа. Гидравлический узел может содержать минимум три отверстия плунжера, каждое отверстие плунжера может быть пересечено всасывающим и нагнетательным отверстием клапана напротив, которого в корпусе установлена заглушка, приемный коллектор, связанный с рабочей камерой через всасывающий клапан и нагнетательный коллектор.
Из уровня техники известен плунжерный насос, содержащий корпус с рабочей камерой, с одной стороны которой расположен всасывающий, а с другой - соосный ему нагнетательный клапан, перпендикулярный оси рабочей камеры плунжер, напротив которого в корпусе установлена заглушка, приемный коллектор, связанный с рабочей камерой через всасывающий клапан, и нагнетательный коллектор, связанный с рабочей камерой через нагнетательный клапан, корпус выполнен в виде блока, в котором выполнены расточки под, по крайней мере, три рабочие камеры и под их плунжеры, причем все рабочие камеры соединены с общим приемным коллектором, выполненным в виде снабженного патрубками участка трубы, и общим нагнетательным коллектором, выполненным в виде расточки в корпусе, которая с одной стороны снабжена выходным патрубком, а с другой - закрыта заглушкой (см. RU 114346 U1, опубл. 20.03.2012).
Недостатком известной конструкции является то, что оси каждого отверстия плунжера пересекаются с общей осью отверстий всасывающего и нагнетательного клапанов, а в местах перекрестия цилиндров образованы острые углы.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков, т.е. увеличение надежности заявленной полезной модели.
Технический результат полезной модели заключается в снижении критических напряжений и уменьшении гидравлического сопротивления и вредного воздействия кавитации.
1
пл
пл
1
2
пл
2
Технический результат достигается тем, что гидравлический узел многоплунжерного насоса содержит монолитный корпус с рабочими камерами, установленные с возможностью перемещения в соответствующих рабочих камерах плунжеры, всасывающие и нагнетательные клапаны, приемный и нагнетательный коллекторы, выходной патрубок, заглушки и уплотнительные элементы, рабочие камеры всасывающих и нагнетательных клапанов выполнены в монолитном корпусе соосно друг напротив друга, при этом их продольные оси перпендикулярны продольным осям рабочих камер плунжеров, причем оси рабочих камер плунжеров и оси рабочих камер всасывающих и нагнетательных клапанов смещены друг относительно друга, вершины углов в местах сопряжения стенок рабочих камер плунжеров и стенок рабочих камер всасывающих и нагнетательных клапанов скруглены, при этом величина смещения равна k*D, где D - это диаметр отверстия рабочей камеры плунжера, k - коэффициент смещения, а радиус скругления вершин углов в местах сопряжения стенок рабочих камер плунжеров и стенок рабочих камер всасывающих и нагнетательных клапанов равен k*D, где k - коэффициент скругления.
Каждый указанный признак, а вместе они достаточны для достижения указанного технического результата.
Выполнение заявленного гидравлического узла многоплунжерного насоса со смещенными осями рабочих камер плунжеров и рабочих камер всасывающего и нагнетательного клапанов приводит к уменьшению критических напряжений, а скругление сопряжений стенок рабочих камер плунжеров и стенок рабочих камер всасывающих и нагнетательных клапанов при смещении их осей приводит к уменьшению гидравлического сопротивления и вредного воздействия кавитации.
Также на повышение надежности влияют выполнение уплотнительных элементов в виде торцевых уплотнений, соединение плунжеров посредством хомутов с предохранительными механически сминающимися толкателями с наличием на противоположной стороне защитных заглушек с торцевыми уплотнениями.
Также на повышение надежности направлено выполнение нагнетательного коллектора в виде расточки в корпусе, которая с одной стороны снабжена выходным патрубком с торцевым уплотнением, а с другой - закрыта заглушкой с торцевым уплотнением. При этом исполнения по концам нагнетательного коллектора могут быть разные, например, концы могут быть снабжены выходными патрубками с торцевыми уплотнениями и др.
Выполнение монолитного корпуса из углеродистой или нержавеющей стали позволяет создать достаточно прочный корпус, что в целом положительно влияет на надежность заявленного гидравлического узла.
Использование в гидравлических узлах предохранительных заглушек, которые рассчитаны на максимальной давление, предотвращает от избыточного давления за счет среза дна крышек и увода давления наружу, при превышении давления в рабочей камере корпуса гидравлического узла, тем самым предохраняет корпус гидравлического узла от превышения напряжений, что делает насосный продукт надежными и предсказуемыми и увеличивает срок службы.
Использование в гидравлических узлах предохранительных толкателей от избыточного давления за счет смятия корпуса толкателя по оси цилиндра при превышении давления в рабочей камере корпуса гидравлического узла, тем самым предохраняет корпус гидравлического узла от превышения напряжений.
Использование в запорных элементах торцевых уплотнений, по отношению к радиальным, уменьшает время на замену или техническое обслуживание гидравлического узла. т.е. для замены заглушек, выходных патрубков с радиальным уплотнением нужно приложить усилие с помощью приспособления (например, обратный молоток), а для замены заглушек, выходных патрубков с торцевым уплотнением замена осуществляется вручную без приспособлений, что ведем к уменьшению времени.
В работе плунжерного насоса при высоком давлении текучей среды 138 МПа, максимальное давление, механическое напряжение может возникать в пределах определенной рабочей камеры корпуса гидравлического узла, поскольку плунжер движется продольно в направлении рабочей камеры сжимая текучую среду в ней, при этом одна из других рабочих камер работает в режиме выпуска, при очень низком давлении, а другая рабочая камера только начинает сжатие текучей среды в ней, гидравлическое давление постепенно увеличивается, пока оно не будет достаточно, чтобы открыть нагнетательный клапан и, таким образом, текучая среда оказывается в нагнетательном коллекторе, т.е. возникает циклическое давление, которое вызывает усталостные трещины в пересечении рабочих камер клапанов и плунжеров в корпусе гидравлического узла.
Циклическое давление: Давление, изменяющееся относительно среднего давления в большую и меньшую сторону с заданной частотой и амплитудой.
Чтобы проиллюстрировать, как было спрогнозировано смещение внутрь боковых рабочих камер использовалась программа Компас 3D с приложением АРМ FEM (анализ напряжений методом конечных элементов), для уменьшения общего количества напряжений в гидравлическом блоке.
пл
1
пл
1
Было обнаружено с помощью программы Компас 3D с приложением АРМ FEM (анализа напряжений методом конечных элементов), что в корпусе гидравлического узла области наибольшего напряжения возникают на пересечении каждого отверстия плунжера с отверстиями для всасывающего и нагнетательного клапана, что может привести к сокращению срока службы гидравлического узла, а уменьшить напряжения можно за счет смещения оси рабочей камеры всасывающего и нагнетательного клапана перпендикулярно к рабочей камере плунжера на диапазоны: оптимальный диапазон смещения выбирается от 15% до 30% от диаметра рабочей камеры плунжера (D), по формуле k*D, где k - коэффициент смещения, равный (0,15-0,3). Значения были выбраны исходя из анализа напряжений методом конечных элементов выполненных в программе Компас 3D с приложением АРМ FEM на основе которых значения являются оптимальными поскольку давление распределяется внутри камер, таким образом увеличивается срока службы гидравлического узла в эксплуатации. Эти размеры представляют собой оптимальный диапазон для многих диаметров рабочих камер плунжера, применяемых в нефтегазовой промышленности.
Из теории сопротивления материалов известно, что резкое изменение формы или площади поперечного сечения детали (наличие острых углов, выточек, канавок и т.п.) приводит к неравномерному распределению напряжений, т.е. вызывает концентрацию напряжений в такой зоне, в данном случае концентратором напряжений являются острые углы.
2
2
Было обнаружено с помощью программы Компас 3D с приложением АРМ FEM (анализа напряжений методом конечных элементов), что в корпусе гидравлического узла области наибольшего напряжения возникают в пересечении рабочих камер плунжера, всасывающего и нагнетательного клапана образующие острые углы, что может привести к сокращению срока службы гидравлического узла. Отрицательные факторы уменьшаются за счет радиуса скругления углов на диапазоны: оптимальный диапазон радиусов с крушения выбирается от 5% до 20% от диаметра рабочей камеры плунжера (Dпл), по формуле k*Dпл, где k - коэффициент скругления, равный (0,05-0,2). Значения были выбраны исходя из анализа напряжений методом конечных элементов выполнены в программе Компас 3D с приложением АРМ FEM на основе которых значения являются оптимальными поскольку исключены концентраторы напряжений, таким образом увеличивается срока службы гидравлического узла в эксплуатации. Эти величины представляют собой оптимальный диапазон для многих диаметров рабочих камер плунжера, применяемых в нефтегазовой промышленности.
Из теории материаловедения известно, что мартенсит твердая форма структуры стали. Мартенситная сталь составляет основу многих марок стали, в которых требуется высокие механические характеристики изделия, что ведет к увеличению сопротивления материала упругой деформации, пластической деформации и (или) разрушению в поверхностном слое со стороны более твердого и не получающего остаточной деформации внедряемого тела. Корпус гидравлической части подвергается термообработке (ТО), который при контролируемых режимах охлаждения гарантирует присутствие отпущенной мартенситной составляющей особенно в поверхностном слое. Так как поверхностный слой внутренних полостей корпуса работает на истирание, то полученная структура является оптимальной для длительной эксплуатации дорогостоящего узла. Данный процесс контролируется замерами твердости HRC 35…43. Эти величины твердости представляют собой оптимальный диапазон для корпусов гидравлических узлов, применяемых в нефтегазовой промышленности.
Из работы плунжерного насоса с тремя плунжерами и более периодически происходят превышения давления максимального давления гидравлического узла, поскольку плунжер движется продольно в направлении рабочей камеры корпуса гидравлического узла сжимая текучую среду в ней, гидравлическое давление постепенно увеличивается, пока оно не будет достаточно, чтобы открыть нагнетательный клапан и, таким образом, текучая среда оказывается в нагнетательной линии, но периодически бывает превышение давления в нагнетательной трубе (возможная причина при гидроразрыве пласта (ТРИ), преждевременное экранирование трещины закупоривание нагнетательной линии проппантом), т.е. ведет за собой превышение напряжений и образование трещин, что может привести к непригодности гидравлического узла.
Заявленная полезная модель иллюстрируется следующими фигурами.
Па фиг. 1А показан вариант осуществления трехплунжерного гидравлического узла. На фиг. 1Б показан вид в разрезе компоновки гидравлического узла. На фиг. 1 В и 1Д показаны разрезы корпуса гидравлического узла без компоновки со смещением боковых рабочих камер плунжера, всасывающего и нагнетательного клапана. На фиг. 1Г показан разрез корпуса гидравлического узла без компоновки с радиусом скругления в пересечениях рабочих камер плунжера, всасывающего и нагнетательного клапанов. На фиг. 1Е показан увеличенный вид в разрезе торцевых уплотнений.
На фиг. 2 показана схема, известной полезной модели, боковой рабочей камеры корпуса гидравлического узла трехплунжерного насоса в разрезе, без смещения осей рабочих камер всасывающего и нагнетательного клапана по отношению к оси рабочей камере плунжера, без радиуса скругления в пересечении рабочих камер плунжера, всасывающего и нагнетательного клапана, для того чтобы показать, где возникло максимальное напряжение равное σ 876 МПа при статическом давлении 138 МПа, которые были созданы в программе Компас 3D с приложением АРМ FEM. На фиг. 2 области напряжения представлены в цвете в соответствии, показанным рядом на фиг. 2.
На фиг. 3 показана схема боковой рабочей камеры корпуса гидравлического узла трехплунжерного насоса в разрезе со смещением осей в сторону центра на 20% от диаметра рабочей камеры плунжера, рабочих камер всасывающего и нагнетательного клапанов по отношению к оси рабочей камере плунжера, без радиуса скругления в пересечении рабочих камер плунжера, всасывающего и нагнетательного клапана, чтобы показать разницу в напряжении с фиг. 2, где возникло максимальное напряжение равное σ 745МПа при статическом давлении 138 МПа, которые были созданы в программе Компас 3D с приложением АРМ FEM. На фиг. 3 области напряжения представлены в цвете в соответствии, показанным рядом на фиг. 3. Результаты показывают, что напряжения при смещении 20% дает уменьшения напряжения в рабочей камере на 17,5% по отношению к фиг. 2, что может существенно увеличить срок службы корпуса гидравлической части.
На фиг. 4 показана схема боковой рабочей камеры корпуса гидравлического узла трехплунжерного насоса в разрезе со смещением осей в сторону центра на 20% от диаметра рабочей камеры плунжера, рабочих камер всасывающего и нагнетательного клапанов по отношению к оси рабочей камере плунжера, а в пересечении рабочих камер плунжера, всасывающего и нагнетательного клапана, острые углы скруглены на 15% от диаметра рабочей камеры плунжера, для того чтобы показать, где возникло максимальное напряжение равное σ 690 МПа при статическом давлении 138 МПа, которые были созданы в программе Компас 3D с приложением АРМ КЕМ. На фиг. 4 области напряжения представлены в цвете в соответствии, показанным рядом на фиг. 4. Результаты показывают, что напряжения при смещении 20% и радиусе 15% в пересечении дает уменьшения напряжения в рабочей камере на 27% по отношению к фиг. 2, что может существенно увеличить срок службы корпуса гидравлической части.
На фиг. 5 показан сравнительный график напряжений, возникающий в боковой рабочей камере корпуса гидравлического узла трехплунжерного насоса, рабочих камер плунжера, всасывающего и нагнетательного клапана со смещением осей в сторону центра на 0%, 15%, 30% от диаметра рабочей камеры плунжера, рабочих камер всасывающего и нагнетательного клапана по отношению к оси рабочей камеры плунжера, без радиуса скругления в пересечении рабочих камер плунжера, всасывающего и нагнетательного клапана.
График фиг. 5 показывает, что с увеличением смещения осей рабочих камер всасывающего и нагнетательного клапанов по отношению к оси рабочей камере плунжера происходит уменьшение напряжений, а максимальное смещение определяет минимально допустимую расчетную толщину стенки между рабочими камерами при данном давлении.
На фиг. 6, 7 показан сравнительный график напряжений, возникающий в боковой рабочей камере корпуса гидравлического узла трехплунжерного насоса, рабочих камер плунжера, всасывающего и нагнетательного клапана со смещением осей в сторону центра на 0%, 15%, 30% от диаметра рабочей части плунжера, рабочих камер всасывающего и нагнетательного клапанов по отношению к оси рабочей камере плунжера, с радиусом скругления 0%, 5%, 15% от диаметра рабочей камеры плунжера, в пересечении рабочих камер плунжера, всасывающего и нагнетательного клапана.
Графики фиг. 6, 7 показывают, что с увеличением радиуса скругления в пересечении рабочих камер плунжера, всасывающего и нагнетательного клапана напряжение падает, а максимальный радиус скругления зависит от характера сопряжений поверхностей конструкции.
Гидравлический узел 1 содержит корпус 2, всасывающие клапана 3, нагнетательные клапана 4, плунжеры 5, хомуты 6, предохранительные толкатели 7, предохранительные заглушки 8, заглушки 9, торцевые уплотнения 10, приемный коллектор 11, выходной патрубок 12, заглушку 13. Корпус 2 выполнен в виде блока, изготовленный из углеродистой или нержавеющей стали, подвергнутый термообработке твердостью HRC 35…43, рабочие камеры всасывающих и нагнетательных клапанов и плунжеров выполнены в виде расточки. Оси рабочих камер 14 всасывающих клапанов и рабочих камер 15 нагнетательных клапанов смещены по отношению к осям рабочих камер 16 плунжера, а в пересечении камер имеются скругления 17. Нагнетательный коллектор 18 выполнен в виде расточки в корпусе и соединен с рабочими камерами нагнетательных клапанов 15. Нагнетательный коллектор 18 с одной стороны снабжен выходным патрубком 12 с торцевым уплотнением 10, а с другой стороны - закрыт заглушкой 13 с торцевым уплотнением 10, также по концам возможен вариант с выходными фланцами 12. Напротив рабочих камер 15 нагнетательных клапанов расположены заглушки 9 с торцевыми уплотнениями 10. Плунжеры 5 соединены через хомут 6 с предохранительными толкателями 7, напротив стоят предохранительные заглушки 8 с торцевыми уплотнениями 10. Приемный коллектор 11 выполнен в виде единого участка трубы.