КЛАПАННЫЙ УЗЕЛ ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ СКВАЖИН

Полезная модель относится к оборудованию для освоения и ремонта нефтяных и газовых скважин, а именно к плунжерным насосным установкам для обслуживания скважин (кислотная обработка, разрыв пласта, заглушение и т.д.), работающим в тяжелых условиях (агрессивная среда, высокая концентрация твердых частиц, высокое давление), а именно к конструкции клапанных узлов таких насосов.
В силу технологических особенностей при работе на скважинах прерывание операции до ее полного завершения недопустимо, поэтому плунжерные насосы для обслуживания скважин (далее плунжерные насосы) должны отвечать повышенным требованиям по надежности. Одним из наиболее ответственных и изнашиваемых узлов таких насосов являются клапанные узлы.
Известны клапанные узлы фирмы WIER SPM, используемые в насосных агрегатах TWS-2000 и др. модификаций (см. Каталог WIER SPM).
В соответствии с данным каталогом (копии необходимых страниц прилагаются) клапанные узлы плунжерных насосов включают клапан с кольцевой канавкой под уплотнение в шапке и конической рабочей поверхностью в нижней части шапки клапана, седло клапана с конической рабочей поверхностью, выполненной в головке седла, и кольцевое уплотнение, при этом площадь контакта между конической посадочной поверхностью седла и кольцевым уплотнением составляет не более 50% от общей площади контакта.
В клапанном узле отношение высоты головки седла к общей высоте головки и шапки клапана составляет не более 0,34.
Уплотнения выполняют из эластомеров под торговыми марками Buna и Viton, не относящимися к материалам с высокими упругими свойствами (см. Руководство по обслуживанию, копия прилагается). При этом если принять площадь контакта за 50%, то отношение наружного диаметра кольцевого уплотнения к его посадочному диаметру не превышает 1,25.
Клапаны и седла изготавливают из легированной стали (http://www.uralremdetal.ru/stati/spm/), при этом угол наклона образующей посадочных поверхностей клапана и седла к плоскости, перпендикулярной оси клапанного узла, составляет 30°.
Указанная конструкция, выбранная в качестве прототипа, характеризуется недостаточными прочностными характеристиками элементов клапанного узла. В результате периодического воздействия значительных ударных нагрузок сравнительно быстро уплотнение разрушается и не обеспечивает необходимого демпфирования удара, в результате жесткого контакта металла клапана по металлу седла поверхности контакта разрушаются и клапан выходит из строя.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно повышение ресурса работы клапанного узла.
Указанная задача решается за счет того, что в клапанном узле плунжерного насоса, включающем клапан с кольцевой канавкой под уплотнение в шапке и конической рабочей поверхностью в нижней части шапки клапана, седло клапана с конической рабочей поверхностью, выполненной в головке седла, и кольцевое уплотнение, согласно предлагаемому техническому решению, площадь контакта (пятна контакта) между конической рабочей поверхностью седла и кольцевым уплотнением составляет 65-68% от общей площади контакта.
В клапанном узле плунжерного насоса, согласно полезной модели, коническая поверхность контакта между седлом и клапаном с уплотнением расположена под углом 25-28° к плоскости, перпендикулярной оси клапанного узла.
В клапанном узле плунжерного насоса отношение высоты головки седла к общей высоте головки и шапки клапана составляет не более 0, 26.
Указанная задача решается также за счет того, что легированная сталь клапана клапанного узла насоса, согласно полезной модели, включает хром, никель, при этом содержание хрома составляет от 1,3 до 1,7 массовых %, а содержание никеля - от 3,9 до 4,4 массовых %.
Указанная задача решается также за счет того, что легированная сталь седла клапанного узла насоса, согласно полезной модели, включает хром, никель, при этом содержание хрома составляет от 1,2 до 1,7 массовых %, а содержание никеля - от 3,15 до 3,65 массовых %.
Указанная задача решается также за счет того, что в уплотнении клапанного узла плунжерного насоса, выполненного в виде кольца из эластомерного материала, согласно полезной модели, в качестве эластомерного материала использован материал с высокими упругими свойствами, например Ecopur или Indeflex (Уникспур).
В уплотнении, согласно полезной модели, отношение наружного диаметра кольца к посадочному диаметру находится в пределах от 1,30 до 1,35.
Таким образом, за счет использования в качестве материала уплотнения эластомеров с высокими упругими свойствами, за счет увеличения разницы между наружным и посадочным диаметрами кольцевого уплотнения (увеличение ширины кольца), при соответствующем изменении формы и размеров канавки под него в клапане, а также в результате уменьшения угла конусности рабочих поверхностей удалось значительно увеличить площадь контакта между уплотнением и седлом и создать более благоприятное распределения нагрузки по линии контакта седло-клапан.
Это, в свою очередь, обеспечило повышение срока службы, как самого уплотнения, так и клапанного узла в целом. Изготовление клапана и седла из легированной стали указанного состава позволило повысить их прочностные характеристики и снизить износ рабочих поверхностей.
Кроме того, за счет уменьшения высоты головки седла удалось обеспечить увеличение хода клапана и, как следствие, улучшить динамические характеристики подаваемого в скважину потока жидкости, снизить потери на трение, что в свою очередь также положительно сказалось на повышении износостойкости клапанного узла.
Проведенные патентные исследования показали, что заявляемая разработка соответствует критерию «новизна». Заявляемая конструкция также соответствует критерию «промышленная применимость».
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлен клапанный узел в сборе в закрытом положении клапана.
Заявляемый клапанный узел плунжерного насоса включает клапан 1 с уплотнением 2 и седло 3.
Клапан 1 включает шапку и направляющий хвостовик В шапке клапана 1 выполнена канавка для размещения уплотнения 2. Рабочая поверхность клапана 1в нижней части шапки, предназначенная для контакта с рабочей поверхностью седла 3, выполнена конической, причем угол между этой поверхностью и плоскостью перпендикулярной оси клапанного узла находится в пределах от 25-28°. Клапан выполнен из легированной стали, включающей хром, никель, при этом содержание хрома составляет от 1,3 до 1,7 массовых %, а содержание никеля - от 3,9 до 4,4 массовых %.
Уплотнение 2 имеет форму кольца, при этом отношение наружного диаметра кольца к посадочному диаметру находится в пределах от 1,30 до 1,35. Уплотнение 2 выполнено из материала с высокими характеристиками упругости, например из эластомеров Ecopur или Indeflex (Уникспур).
Седло 3 выполнено из легированной стали, которая включает хром, никель, при этом содержание хрома составляет от 1,2 до 1,7 массовых %, а содержание никеля - от 3,15 до 3,65 массовых %.
В клапанном узле плунжерного насоса отношение высоты головки седла 3 к общей высоте головки седла 3 и шапки клапана 1 составляет не более 0,26. Такое соотношение, достигнутое за счет уменьшения высоты головки села клапана по сравнению с прототипом на 7,5 мм позволяет увеличить ход клапана 1 от примерно 21,7 мм в прототипе до 25…27 мм в заявляемом устройстве.
Угол между образующей конической посадочной поверхности седла 3 и плоскостью перпендикулярной оси клапанного узла находится в пределах от 25-28°, это также меньше соответствующего угла в прототипе, составляющего 30°.
Работа узла осуществляется следующим образом:
Клапанная узел относится к системе распределения потока рабочей жидкости плунжерного насоса, которая состоит из всасывающего и нагнетательного самодействующих клапанов. Конструкция обоих клапанных групп одинакова. При возвратно-поступательном движении плунжера на цикле заполнения объем рабочей камеры увеличивается и в ней устанавливается давление меньшее, чем перед всасывающим клапаном. Под действием разности давлений клапан 1 поднимается до упора в крышку (на чертеже обозначена «крышка») и камера заполняется жидкостью из всасывающей линии. При уменьшении объема камеры (на цикле вытеснения), когда плунжер совершает рабочий ход, давление в камере повышается, всасывающий клапан закрывается и, когда давление в рабочей камере превысит давление в напорной линии, нагнетательный клапан 1 поднимается и жидкость вытесняется в напорную линию.