КОМПЕНСАТОР ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО МАСЛОЗАПОЛНЕННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
COMPENSATOR FOR HYDRAULIC PROTECTION OF SUBMERSIBLE OIL-FILLED ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к устройствам гидравлической защиты погружных маслозаполненных электродвигателей, предназначенных для привода насосных агрегатов, используемых в нефтяной промышленности для подъема пластовой жидкости из скважин.
Устройство гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя является ответственным узлом, определяющим его надежность в процессе эксплуатации, и предназначено для уравновешивания давления внутри электродвигателя с давлением окружающей среды, оно предотвращает проникновение пластовой жидкости в полость электродвигателя, компенсирует изменения объема заполняющего масла при изменении его температуры и компенсирует утечки масла из полости электродвигателя через уплотнение.
В настоящее время известно довольно большое количество устройств гидравлической защиты для погружного маслозаполненного электродвигателя, описанных в технической литературе (см. Международный транслятор «Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти». М.: Нефть и газ, 1999, с. 364-376), в патентах на изобретение: RU 2234785 С2, опубл. 31.10.2002; RU 2099604 С1, опубл. 20.12.1997; RU 2119222 С1, опубл. 20.09.1998; RU 2194349 С1, опубл. 23.11.2001; RU 2219640 С2, опубл. 14.06.2000.
В основном используется два варианта устройств гидравлической защиты для погружного маслозаполненного электродвигателя: однокорпусное устройство, состоящее только из одного протекторного узла, и двухкорпусное, включающее протектор и компенсатор. В известных двухкорпусных устройствах для гидравлической защиты маслозаполненного электродвигателя протектор размещен над электродвигателем, а компенсатор расположен в нижней части электродвигателя (см., например, RU 2234785 С2, опубл. 31.10.2002, Фиг. 1).
Наиболее близким к предлагаемому является компенсатор для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, содержащий корпус, головку с каналами для прохождения масла, эластичную диафрагму, герметично укрепленную на опоре в головке и центральном теле, и основание. В головке размещен перепускной клапан, который служит для сообщения и для разобщения каналов, соединяющих внутренние полости электродвигателя и компенсатора (RU 2119222 С1, Н02К 5/12, опубл. 20.09.1998). Достоинством этого устройства является возможность использования большого объема масла, имеющегося в компенсаторе, для возмещения утечек масла в электродвигателе в процессе работы и для компенсации изменения объема масла, обусловленного температурными колебаниями во время работы и остановок электродвигателя.
Недостатком этого устройства является ограничения по использованию, связанные с возможностью установки компенсатора только под электродвигателем, и низкая ремонтопригодность. Кроме того, известная конструкция недостаточно надежно защищает внутреннюю полость погружного электродвигателя от попадания пластовой жидкости и не полностью компенсирует термические изменения объема масла во время передачи крутящего момента к насосному агрегату, что приводит к снижению срока службы электродвигателя. К тому же компенсатор не обладает быстродействием, поэтому плохо защищен от воздействия гидравлического удара во время его эксплуатации и при спуске в скважину.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка компенсатора для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, входящего в состав насосного агрегата перевернутого типа, предназначенного для эксплуатации в лифте НКТ, преимущественно с малым диаметром.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в повышении надежности и быстродействия срабатывания компенсатора для предотвращения воздействия гидравлического удара, что обеспечивает увеличение срока службы погружного маслозаполненного электродвигателя, а также в высокой ремонтопригодности.
Указанный технический результат достигается тем, что компенсатор для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, включающий в себя корпус, головку, опору с герметично установленной на ней диафрагмой и основание, согласно изобретению размещен выше электродвигателя и выполнен с центральным каналом, через который протянуты три изолированных токопроводящих провода, закрепленных в колодках штепсельных наконечников, размещенных в головке и основании, при этом выше диафрагмы дополнительно установлен ниппель, в котором расположен обратный клапан, предназначенный для сброса давления, а нижняя часть основания и верхняя часть головки изготовлены с обеспечением возможности бесфланцевого соединения.
Для защиты обратного клапана от воздействия пластовой жидкости между ниппелем и головкой компенсатора может быть расположена лабиринтная камера, заполненная маслом.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 предоставлен общий вид устройства для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, содержащего заявляемый компенсатор, которое входит в состав насосного агрегата перевернутого типа, предназначенного для эксплуатации в НКТ, на фиг. 2 - поперечный разрез компенсатора.
Устройство гидравлической защиты (Фиг. 1) содержит компенсатор 1, расположенный между электродвигателем 2 и муфтой грузонесущей 3, закрепленной на кабеле грузонесущем 4, и протектор 5, расположенный между электродвигателем 2 и модулем выкидным 6 насосного агрегата 7.
Компенсатор (Фиг 2) состоит из сборного корпуса 8, по концам которого установлены головка 9 и основание 10, ниже головки 9 последовательно расположены лабиринтная камера 11, ниппель 12 и эластичная диафрагма 13, герметично закрепленная на нижней опоре 14. Вдоль оси компенсатора на всю его длину сформирован центральный герметичный канал 15, проходящий через внутренние полости головки 9, верхней опоры 16 и нижних опор 14, а также через центральные отверстия ниппеля 12 и основания 10.
Лабиринтная камера 11, расположенная между ниппелем 12 и головкой 9, имеет верхнюю опору 16, корпус лабиринта 17, трубку 18, вставленную в головку 9 и гидравлически сообщенную с затрубным пространством (пластовой жидкостью) при помощи канала 19, соединенного с резьбовым отверстием 20, которое перекрывается транспортировочной пробкой 21. Корпус лабиринта 17 разделяет лабиринтную камеру 11 на залабиринтную полость 22 и внутрилабиринтную полость 23. В головке 9 выполнен гидравлический канал 24 для прохождения масла, связывающий лабиринтную камеру 11 с отверстием 25, предназначенным для удаления воздуха при заполнении маслом полостей гидравлической защиты и электродвигателя во время монтажа перед спуском в скважину. В отверстии 25 установлена пробка 26.
Вокруг диафрагмы 13 образована диафрагменная камера 27, ограниченная сверху ниппелем 12, снизу - основанием 10, а с боковых сторон - внутренней стенкой корпуса 8 и наружной поверхностью опоры 14, в которой выполнены отверстия 28, связывающие центральный герметичный канал 15 с внутридиафрагменной полостью 29. Диафрагма 13 разделяет диафрагменную камеру 27 на внутридиафрагменную полость 29 и задиафрагменную полость 30, последняя соединена с внутрилабиринтной полостью 23 с помощью гидравлического канала 31, проходящего в ниппеле 12 вдоль центрального герметичного канала 15. В нижней части ниппеля 12 внутри гидравлического канала 32 установлен обратный клапан сброса давления 33. В верхней части канал 32 связан для удаления воздуха с затрубным пространством через резьбовое отверстие 34, перекрываемое пробкой 35, и с центральным герметичным каналом 15 через отверстие 36.
Внутри центрального герметичного канала 15 протянуты три жилы изолированного токопроводящего провода 37, на очищенных от изоляции концах которых выполнена резьба. Верхние концы очищенных жил токопроводящего провода 37 заведены в отверстия колодки штепсельных наконечников 40, установленной в головке 9, и закреплены там при помощи резьбового соединения с гильзами 38. Нижние концы очищенных жил токопроводящего провода 37 заведены в отверстия колодки штепсельных наконечников 41, установленной в основании 10, и закреплены там при помощи резьбового соединения со штепсельными наконечниками 39.
Для герметичного соединения с муфтой грузонесущей 3 головка 9 выполнена со специальным бесфланцевым соединением, включающим внутреннюю полость с посадочным буртом 42 и закладными элементами 43. Основание 10 также выполнено со специальным бесфланцевым соединением, имеющим наружное резиновое кольцо 44 для герметичного соединения с электродвигателем 2 и углубления 45 на наружной поверхности для посадки закладных элементов 43.
Применение бесфланцевого соединения позволяет разместить колодки штепсельных наконечников 40, 41 в головке 9 и основании 10 соответственно без увеличения габаритных радиальных размеров установки, что особенно важно для насосных агрегатов перевернутого типа, предназначенных для эксплуатации в НКТ малого диаметра (до 55 мм). Уменьшению габаритных размеров способствует также и размещение силового токопроводящего провода 37 внутри компенсатора вдоль центрального герметичного канала 15.
Сборку компенсатора производят следующим образом.
Головку 9 (Фиг. 2) закрепляют на стенде сборки гидрозащиты, устанавливают в ее нижнее отверстие трубку лабиринта 18, а в центральное отверстие - сборочный узел лабиринта, состоящий из опоры 16, корпуса лабиринта 17 и комплекта резиновых колец, размещенных в кольцевых проточках и смазанных маслом (типа МДПН-С). После установки резиновых колец в кольцевые проточки на головке 9 наносят герметик (типа УНИГЕРМ 9) на резьбу головки 9 и навинчивают до упора корпус 8. Аналогичным образом к корпусу 8 присоединяют ниппель 12, к центральному отверстию которого с помощью уплотнительных резиновых колец прикрепляют сборочный узел диафрагмы, состоящий из нижней опоры 14 с герметично закрепленной на ней диафрагмой 13. В ниппеле 12 устанавливают обратный клапан сброса давления 33. Затем к ниппелю 12 присоединяют новую секцию корпуса 8 и привинчивают к ней основание 10. В результате получают сборку с центральным герметичным каналом 15, через который протягивают три жилы изолированного провода 37 с очищенными от изоляции концами с двух сторон и нарезанной на них резьбой.
В головке 9 устанавливают колодку токоввода 40, в отверстия которой заводят концы жил изолированного провода 37 и закрепляют при помощи резьбового соединения на них гильзы 38. В основании 10 устанавливают колодку штепсельных наконечников 41, заводят в ее отверстия нижние концы жил изолированного провода 37 и при помощи резьбового соединения соединяют их со штепсельными наконечниками 39.
Заполняют компенсатор маслом (типа МДПН-С) на стенде сборки в вертикальном положении, предварительно на основании 10, которое находится внизу, устанавливают транспортировочную пробку с резьбовым отверстием, в которое ввернут штуцер и через внутреннее отверстие которого масло поступает во внутреннюю полость компенсатора (не показано), по мере заполнения маслом устанавливают пробки 35, 26 и транспортировочную крышку на головку 9. Проводят испытание обратного клапана сброса давления 33 на давление открытия и на давление закрытия.
Собранный компенсатор 1 присоединяют на устье скважины к спускаемому заполненному маслом электродвигателю 2 (Фиг. 1), ниже которого последовательно закреплены протектор 5, модуль выкидной 6 и насосный агрегат 7 с хвостовиком.
Основание 10 с резиновым кольцом 44 вставляют в ответную деталь электродвигателя 2 для бесфланцевого соединения, раскрывают в ней закладные элементы и, совместив образовавшиеся отверстия с углублениями 45, закрывают закладные элементы и фиксируют их с помощью протектолайзера (не показано). После чего удаляют из отверстий пробки 35, 26, 21 в компенсаторе 1, подсоединяют маслонасос к отверстию с обратным клапаном в электродвигателе и прокачивают масло, которое через отверстия в колодке штепсельных наконечников 41 поступает из электродвигателя 2, в центральный канал 15, проходит через отверстие 28 в опоре 14 и заполняет внутридиафрагменную полость 29. Далее масло подходит к отверстию 36 и начинает вытекать из отверстия 34 вместе с пузырьками воздуха. Когда выделение пузырьков воздуха прекращается, отверстие 34 перекрывают, вкручивая пробку 35 с новой свинцовой шайбой, тогда масло проходит по каналу 32 к обратному клапану сброса давления 33, открывает его и, заполнив задиафрагменную полость 30, поднимается по каналу 31 во внутрилабиринтную полость 23, далее в залабиринтную полость 22 и по каналу 24 начинает вытекать из открытого отверстия 25 вместе с пузырьками воздуха. Когда выделение пузырьков воздуха прекратится, отверстие 25 перекрывают, вкручивая пробку 26 с новой свинцовой шайбой.
Далее закачка масла продолжается через внутреннее отверстие трубки лабиринта 18, по каналу 19 с последующим вытеканием из отверстия 20 до полного удаления пузырьков воздуха. Затем в отверстие 20 устанавливают манометр (не показано), снимают с головки 9 компенсатора транспортировочную крышку и продолжают закачку масло до появления масла без пузырьков воздуха в отверстии колодки токоввода 40.
Заполненный маслом компенсатор 1 соединяют с муфтой грузонесущей 3 (Фиг. 1) посредством бесфланцевого соединения, устанавливая во внутреннюю полость головки 9 с упором на посадочный бурт 42 ответную соединительную деталь муфты 3 с резиновым кольцом, предварительно раскрыв в головке 9 закладные элементы 43 и совместив их с углублениями, закладные элементы 43 закрывают и для их фиксации на наружный диаметр головки 9 устанавливают протектолайзер (не показано). После присоединения компенсатора 1 к муфте грузонесущей 3 проводят испытание на герметичность электродвигателя 2 и гидрозащиты, по завершению которого сбрасывают давление и, вывернув манометр, оставляют открытым отверстие 20. Последующий монтаж оборудования и спуск установки в скважину производится согласно руководству по эксплуатации.
Компенсатор работает следующим образом.
После запуска электродвигателя 2 масло начинает разогреваться и увеличиваться в объеме, при этом растет давление, которое передается в компенсатор 1, установленный выше электродвигателя 2, от верхней части электродвигателя сначала в отверстие колодки штепсельных наконечников 41, далее в центральный герметичный канал 15, по каналу 28 в опоре 14, в внутридиафрагменную полость 29, через отверстие 36 и по каналу 32 к обратному клапану сброса давления 33. При достижении в гидравлическом канале 32 давления, выше заданного значения, обратный клапан сброса давления 33 открывается, и масло вытекает в задиафрагменную полость 30, затем по каналу 31 поступает во внутрилабиринтную полость 23 лабиринтной камеры 11, далее в залабиринтную полость 22 и, поднимаясь по внутреннему отверстию трубки лабиринта 18 вытекает в затрубное пространство через открытое отверстие 20.
После остановки электродвигателя 2 масло остывает до температуры пластовой жидкости, его объем уменьшается, давление во внутренних полостях электродвигателя и гидравлической защиты падает, при этом в лабиринтной камере 11 (Фиг. 2) происходит следующее: объем масла, вытекшего в затрубное пространство при срабатывании обратного клапана сброса давления 33 во время работы, замещается пластовой жидкостью, которая поступает через отверстие 20 по каналу 19 во внутреннее отверстие трубки лабиринта 18 и в залабиринтную полость 22. В это время обратный клапан сброса давления 33 закрыт и канал 32 перекрыт. Выравнивание давления масла, находящегося в устройстве гидравлической защиты и в электродвигателе, с давлением пластовой жидкости, находящейся в скважине, в этот момент происходит за счет наличия протектора 5, в котором задиафрагменная полость нижней диафрагмы гидравлически сообщена с пластовой жидкостью.
Таким образом, предложенная конструкция компенсатора и схема его размещения обеспечивают надежную защиту от проникновения во внутренние полости погружного маслозаполненного электродвигателя пластовой жидкости, быстро срабатывающую компенсацию изменения объема масла с выравниванием давления, вызванного температурными колебаниями во время работы и остановок электродвигателя в составе насосного агрегата.
За счет наличия диафрагм в компенсаторе и протекторе, задиафрагменные полости которых гидравлически связаны с пластовой жидкостью, обеспечивается гашение гидравлического удара, возникающего при спуске в скважину и работе погружного маслозаполненного электродвигателя в составе насосного агрегата.
Все вышеперечисленные преимущества устройства гидравлической защиты увеличивают срок службы погружного маслозаполненного электродвигателя.