ОПОРНАЯ ШАЙБА РАБОЧЕГО КОЛЕСА СТУПЕНИ ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Техническое решение относится к насосостроению, а именно к износостойким опорным шайбам рабочих колес многоступенчатых центробежных насосов, выполняемым из антифрикционных композиционных материалов, и может быть использовано при создании погружных скважинных электроцентробежных насосов для добычи нефти (ЭЦН), в частности, высокодебитных насосов и насосов, предназначенных для работы в скважинах с высоким содержанием газа и/или механических примесей в пластовой жидкости.
В скважинах с высоким содержанием мехпримесей большой процент выходов из строя ЭЦН связан с ускоренным износом поверхностей трения насоса, в частности, опорных шайб рабочих колес, которые помимо функции осевой опоры выполняют функцию уплотнения между рабочим колесом и направляющим аппаратом, что накладывает существенные ограничения на выбор материалов для изготовления таких шайб. Наиболее интенсивно износ опорных шайб происходит в высокодебитных насосных установках, где высокие осевые нагрузки на опорные шайбы сочетаются с повышенной линейной скоростью вращения. В настоящее время большинство серийных ЭЦН комплектуются опорными шайбами из текстолита или композиционного материала "карбонит" и аналогичных ему (см., в частности, RU 2215206 С1,
27.10.2003 - опорная шайба выполнена из композиционного материала с фенольной матрицей, армированной органическим волокном на основе полиоксадиазола ("оксалон")), которые не обеспечивают требуемой износостойкости опорных шайб при высоких осевых нагрузках и в сложных условиях эксплуатации.
Для повышения надежности высокодебитных ЭЦН и насосов, эксплуатируемых в скважинах с высоким содержанием газа и механических примесей, опорные шайбы рабочих колес выполняют из высокопрочных материалов, обеспечивающих требуемую прочность и износостойкость, например из карбида вольфрама (см. US 4678399 А, 07.07.1987, US 6899517 A, 31.05.2005 и др.), силицированного графита (см., в частности, RU 9905 U1, 16.05.1999) и т.п.Общим недостатком таких шайб является высокая себестоимость, что ограничивает возможность их массового применения.
Известно также применение в конструкциях ЭЦН опорных шайб из армированного стекловолокном полимера (см. RU 2274774 С2, 20.04.2006) или фторопласта (см. RU 2234620 С1, 20.08.2004) с антифрикционным наполнителем (графит или дисульфид молибдена). Общим недостатком таких шайб является низкая теплопроводность и недостаточно высокая нагрузочная способность. Кроме того, опорные шайбы из полимерных материалов имеют коэффициент линейного расширения существенно меньше, чем у серийных нирезистовых рабочих колес и, за исключением случаев использования таких шайб с полимерными рабочими колесами, указанная разница в тепловом расширении деталей может привести к потере надежности фиксации шайбы
и ее разрушению.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является опорная шайба рабочего колеса ступени погружного центробежного насоса для добычи нефти, описанная в авторском свидетельстве SU 1634835 А1, 15.03.1991, которая включает в себя, расположенные один над другим кольцевой несущий элемент, предназначенный для установки шайбы в соответствующем кольцевом пазе рабочего колеса, и кольцевой контактный элемент, предназначенный для взаимодействия с ответной поверхностью трения направляющего аппарата ступени. Несущий элемент выполнен из резины, а контактный элемент из текстолита.
Основными недостатками прототипа являются упомянутые выше низкая нагрузочная способность, недостаточная износостойкость в сложных условиях эксплуатации и малая теплопроводность такой опорной шайбы, что приводит к ее перегреву и выходу из строя.
Таким образом, задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, состоит в создании опорной шайбы рабочего колеса для высокодебитных скважинных центробежных насосов, а также насосов, предназначенных для работы в условиях высокого содержания газа и механических примесей в пластовой жидкости.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели, заключается в обеспечении высокой нагрузочной способности, износостойкости и теплопроводность опорной шайбы, а также обеспечении ее надежной фиксации относительно рабочего колеса, при одновременном
повышении антифрикционных свойств и обеспечении работоспособности шайбы в среде, содержащей абразивные частицы, а также в режиме сухого трения.
Опорная шайба рабочего колеса ступени погружного центробежного насоса для добычи нефти, обеспечивающая достижение указанного выше технического результата, включает в себя расположенные один над другим кольцевой несущий элемент, предназначенный для установки шайбы в соответствующем кольцевом пазу рабочего колеса, и кольцевой контактный элемент, предназначенный для взаимодействия с ответной поверхностью трения направляющего аппарата ступени. При этом в отличии от прототипа несущий элемент выполнен из металлического материала, а контактный элемент включает в себя пористый слой, образованный частицами металлического порошкового материала, припеченными к соответствующей поверхности несущего элемента, и наружный слой, сформированный из антифрикционного композиционного материала на полимерной основе, при этом поры упомянутого пористого слоя заполнены указанным антифрикционным композиционным материалом.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, прочность металлического материала несущего элемента больше или равна прочности металлического порошкового материала контактного элемента и превышает прочность антифрикционного композиционного материала контактного элемента.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, теплопроводность
металлического материала несущего элемента и металлического порошкового материала контактного элемента превышает теплопроводность антифрикционного композиционного материала
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, коэффициент теплового расширения металлического материала несущего элемента, по меньшей мере, приближенно соответствует коэффициенту теплового расширения материала рабочего колеса.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, несущий элемент выполнен из омедненной углеродистой стали.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, металлический порошковый материал представляет собой порошковую оловянистую или оловянисто-цинковую бронзу.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, композиционный материал выполнен на основе политетрафторэтилена или полиэфирэфиркетона или полиоксиметилена или полиимида или полиамидимида или полибензоимидозола или полифенилсульфида.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, композиционный материал содержит антифрикционный наполнитель.
При этом, в частном случае реализации полезной модели, антифрикционный наполнитель представляет собой порошок дисульфида или диселенида молибдена или вольфрама или титана или их смесь.
При этом, в частном случае реализации полезной модели, антифрикционный наполнитель представляет собой порошковую твердую смазку.
При этом, в частном случае реализации полезной модели, антифрикционный наполнитель представляет собой графит.
При этом, в частном случае реализации полезной модели, композиционный материал содержит износостойкий и/или упрочняющий наполнитель.
При этом, в частном случае реализации полезной модели, износостойкий наполнитель представляет собой тонкодисперсный порошок высокопрочного карбида или нитрида или карбонитрида титана или вольфрама или молибдена или кремния
При этом, в частном случае реализации полезной модели, износостойкий наполнитель представляет собой тонкодисперсный порошок окисла алюминия или кремния или их смесь.
При этом, в частном случае реализации полезной модели, упрочняющий наполнитель представляет собой волокна углерода и/или стеклоуглерода и/или ситалла.
Выполнение шайбы в виде металлополимерного изделия, состоящего из двух элементов, каждый из которых выполняет собственную функцию, позволяет обеспечить сочетание высокой конструктивной прочности и теплопроводности металла с антифрикционными свойствами полимера.
Наличие металлической (стальной) основы обеспечивает высокую теплопроводность шайбы и существенное повышение нагрузочной способности, а также повышение надежности фиксации шайбы в соответствующем кольцевом пазу рабочего колеса, т.к. стальной несущий элемент имеет больший коэффициент теплового расширения, чем у полимерного контактного элемента
(в предпочтительном варианте осуществления коэффициенты теплового расширения несущего элемента шайбы и рабочего колеса должны быть близки друг к другу). Кроме того, наличие жесткого несущего элемента существенно облегчает извлечение шайбы для ее замены в процессе ремонта насоса.
Выполнение контактной части шайбы в виде бронзового слоя, пропитанного антифрикционным композиционным материалом, обеспечивает хорошую теплопроводность и высокие антифрикционные свойства шайбы в сочетании с высокой нагрузочной способностью, т.к. пористый слой порошкового металлического материала образует прочную матрицу, заполненную антифрикционным композитом. При этом композит при необходимости может выполнять роль твердой смазки, позволяя сохранять работоспособность шайбы в условиях сухого трения, возникающих при использовании насоса в скважинах с высоким содержанием газа в перекачиваемой среде.
Внешний композиционный слой контактного элемента обеспечивает хорошую прирабатываемость опорной шайбы и, соответственно, эффективное уплотнение напорной полости насоса, повышение надежности и долговечности самой шайбы и рабочего колеса в целом, а также позволяет использовать заявленные шайбы в насосах, предназначенных для скважин с высоким содержанием мехпримесей в пластовой жидкости (т.е. в условиях высокого содержания абразива в смазывающей среде), так как частицы мехпримесей проникая в композиционный материал, не разрушают контактный элемент опорной шайбы или ответную поверхность трения направляющего аппарата.
Возможность осуществления полезной модели, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием опорной шайбы рабочего колеса ступени погружного центробежного насоса для добычи нефти, выполненной в соответствии с настоящей полезной моделью.
Описание сопровождается графическими материалами, на которых изображено следующее.
На Фиг.1 - опорная шайба.
На Фиг.2 - сечение А-А по Фиг.1.
На Фиг.3 - график зависимости износостойкости опорной шайбы из карбонита и заявленной опорной шайбы из металлополимерного материала от осевой нагрузки.
На Фиг.4 - график зависимости коэффициента трения опорной шайбы из карбонита и заявленной опорной шайбы из металлополимерного материала от осевой нагрузки
На Фиг.5 - график зависимости коэффициента трения опорной шайбы из карбонита и заявленной опорной шайбы из металлополимерного материала от осевой нагрузки (сухое трение)
Опорная шайба 1 представляет собой кольцевую пластину из металлополимерного материала, включающего в себя основу 2, выполненную из омедненной углеродистой стали с припеченным к ней подслоем 3 из порошковых частиц оловянистой или оловянисто-цинковой бронзы, размером 0,1-0,2 мм, образующих на поверхности несущего элемента пористую матрицу,
поры 4 которой пропитаны антифрикционным полимерным материалом следующего состава: 60% фторопласта - основа и 40% дисульфида молибдена -антифрикционный наполнитель, а также поверхностного подслоя 5 из указанного полимерного материала.
Стальная основа 2 образует кольцевой несущий элемент, предназначенный для установки шайбы в соответствующем кольцевом пазу рабочего колеса, толщина которого соответствует глубине кольцевого паза рабочего колеса. Подслой из пропитанных порошковых частиц и поверхностный подслой образуют кольцевой контактный элемент 6, предназначенный для взаимодействия с ответной поверхностью трения направляющего аппарата ступени. Общая толщина контактного элемента может составлять от 0,5 до 1 мм.
Из указанного металлополимерного материала изготовили опорные шайбы рабочих колес с наружным диаметром 55 мм и внутренним диаметром 36 мм, которые затем были испытаны с целью определения триботехнических характеристик пары трения «металлополимер - нирезист», их сравнения с параметрами известной пары трения «карбонит - нирезист», а также определения влияния триботехнических характеристик пары трения «металлополимер - нирезист» на гидродинамические показатели ступеней ЭЦН.
Определение триботехнических характеристик пар трения проводилось на машине трения УМТ-1 (режимы испытаний: частота вращения - 2500 об/мин, осевая нагрузка - 60, 120, 240Н, смазочная среда - «Литол 24» с добавкой двуокиси алюминия). При тех же осевых нагрузках и частоте вращения испытания проводились в условиях сухого трения (без смазки). Время
испытания каждой пары трения со смазкой 2 часа, в условиях сухого трения - до прихвата. В процессе испытаний замерялись: крутящий момент на валу и температура в зоне трения. По результатам испытаний определялись коэффициент трения и величина износа материалов испытуемой пары трения. Определение влияния триботехнических характеристик пары трения «металлополимерн - нирезист» на гидродинамические показатели ступеней проводилось на установке испытания ступеней ЭЦН.
Результаты проведенных испытаний представлены на Фиг.3-5.
Из графика на Фиг.3 видно, что износостойкость заявленных опорных шайб из металлополимерного материала, при нагрузках более 60 Н, выше, чем у серийно используемых опорных шайб из карбонита. При этом в процессе испытаний было установлено, что износостойкость ответной детали пары трения, выполненной из нирезиста, в интервале нагрузок от 60 до 120 Н, при использовании опорных шайб из металлополимера и карбонита, примерно одинакова, в интервале нагрузок от 620 до 180 Н износ нирезиста при трении по карбониту превышает аналогичный показатель в паре с металлополимером, а при нагрузках более 180 Н пара трения «нирезист - карбонит» практически неработоспособна.
Из представленных на Фиг.4 и 5 зависимостей видно, что пара трения «металлополимер - нирезист» имеет более низкий коэффициент трения, чем пара «карбонит - нирезист» и, в отличие от последней, практически не меняет своих характеристик, в условиях сухого трения, т.е. полностью работоспособна в указанных условиях.
3
В результате сравнительных гидродинамических испытаний рабочих колес ЭЦН (5-я габаритная группа, расчетная подача 125 м/сут) с металлополимерными и с карбонитовыми опорными шайбами установлено, что при использовании металлополимерных опорных шайб КПД ступени, при номинальном расходе, на 2~4% выше, чем при использовании опорных шайб из карбонита. Повышение КПД ступени происходит за счет снижения мощности на валу из-за более низкого коэффициента трения пары «металлополимер - нирезист» по сравнению с парой трения «карбонит - нирезист» (0,1 и 0,15 соответственно).
Таким образом заявленная опорная шайба по износостойкости и нагрузочной способности превосходит серийно применяемые опорные шайбы из карбонита, при этом заявленная шайба имеет меньший коэффициент трения практически во сем диапазоне нагрузок и сохраняет работоспособность в условиях сухого трения.