УСТЬЕВОЙ САЛЬНИК
WELLHEAD STUFFING BOX

Изобретение относится к нефтедобывающему оборудованию, в частности к сальнику устьевому, и может быть использовано для герметизации штока штангового насоса.
Известен сальник устьевой, который состоит из корпуса, неподвижного уплотнительного узла с нажимным кольцом, крышки с упором, взаимодействующим с нажимным кольцом (см. кн.: Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа», Москва, Издательский дом Альянс, 2010, с. 147, рис. 5.16).
Недостатками данной конструкции являются недостаточная долговечность работы уплотнительного узла и возможность утечки нефти при нарушении герметичности уплотнительного узла.
Известен также устьевой сальник, содержащий корпус, верхний рабочий и нижний аварийный уплотнительные узлы с нажимными кольцами, установленные с возможностью образования между ними масляной полости, крышку с направляющей втулкой и упором, взаимодействующим с нажимным кольцом рабочего уплотнительного узла (см. Пат. РФ №2205307, МКП F16J 15/18, 2003 г.).
Недостатками данной конструкции являются возможность утечки нефти при нарушении герметичности рабочего или резервного уплотнительного узла, необходимость ручного переключения на резервный или аварийный уплотнительные узлы при нарушении герметичности рабочего уплотнительного узла. Кроме того, установка и демонтаж уплотнительного узла характеризуются значительной трудоемкостью в связи с разборной конструкцией узла.
Известен устьевой сальник, содержащий корпус, верхний неподвижный рабочий и нижний резервный уплотнительные узлы, включающие размещенные в стаканах с центральным осевым отверстием уплотнительные элементы, нажимные кольца с упором, нижний уплотнительный узел установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения между упором корпуса и верхним уплотнительным узлом с образованием камеры переменного объема, снабженной в верхней ее части обратным клапаном и пробкой, установленные в радиальных отверстиях корпуса, корпус снабжен крышкой, установленной с возможностью взаимодействия с нажимным кольцом верхнего уплотнительного узла (см. патент РФ №2669313, МПК Е21В 33/02, опуб. 10.10.2018, бюл. №28), который принят за прототип.
Недостатками данной конструкции являются интенсивный износ уплотнительных элементов и возможность утечек нефти вследствие постоянного осевого их поджатия независимо от износа и давления запираемой среды. Кроме того, поджатие уплотнительных элементов верхнего уплотнительного узла регулируется из условия обеспечения герметичности без контроля контактного давления в уплотняемой паре.
Целью предлагаемого технического решения является повышение ресурса уплотнительных узлов устьевого сальника.
Указанная задача достигается тем, что в устьевом сальнике, содержащем корпус, верхний неподвижный рабочий и нижний резервный уплотнительные узлы, включающие размещенные в стаканах с центральным осевым отверстием уплотнительные элементы, нажимные кольца с упором, нижний уплотнительный узел установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения между упором корпуса и верхним уплотнительным узлом с образованием камеры переменного объема, снабженной в верхней ее части обратным клапаном и пробкой, размещенные в радиальных отверстиях корпуса, корпус снабжен крышкой, установленной с возможностью взаимодействия с нажимным кольцом верхнего уплотнительного узла, согласно техническому решению, корпус ниже радиальных отверстий снабжен верхним упором, а верхний и нижний уплотнительные узлы - подпружиненными относительно стаканов дистанционными втулками, взаимодействующими с нажимными дисками и установленные с возможностью взаимодействия соответственно с крышкой и верхним упором корпуса при верхнем положении нижнего уплотнительного узла.
Дистанционная втулка верхнего уплотнительного узла подпружинена относительно нажимного кольца.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом.
На фиг. 1 показана схема предлагаемого устьевого сальника (продольный разрез);
на фиг. 2 - вариант исполнения устьевого сальника;
на фиг. 3 - вариант исполнения устьевого сальника с контролируемым усилием поджатия уплотнительных элементов.
Устьевой сальник содержит корпус 1 (фиг. 1), в котором соосно установлены верхний (рабочий) 2 и нижний (резервный или аварийный) 3 уплотнительные узлы. Нижний уплотнительный узел 3 установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения между упорами 4 и 5 корпуса с образованием камеры 6 переменного объема между уплотнительными узлами 2 и 3. Упоры 4 и 5 выполнены, например, в виде цилиндрического выступа и разрезного пружинного кольца, установленного в кольцевой канавке (на фиг. не указана).
Верхний уплотнительный узел 2 установлен неподвижно в корпусе 1 и взаимодействует с упором 7.
Уплотнительные узлы 2 и 3 содержат установленные в корпусах 8 и 9, выполненных в виде стакана с центральным сквозным отверстием (на фиг. не указаны) ответно полированному штоку 10, уплотнительные элементы 11 и 12. Узлы 2 и 3 снабжены верхними нажимными кольцами 13 и 14 и упорами 15 и 16, установленными с возможностью предварительного поджатия уплотнительных элементов 11 и 12. Уплотнительные элементы 11 верхнего уплотнительного узла 2 выполнены, например, в виде сальниковой набивки, а уплотнительные элементы 12 нижнего узла 3 - в виде манжет. Упоры 15 и 16 выполнены, например, в виде разрезных пружинных колец, установленных в кольцевых канавках (на фиг. не указаны).
Верхний уплотнительный узел зафиксирован неподвижно крышкой 17 посредством дистанционной втулки 18 с возможностью его взаимодействия с нажимным кольцом 13 и с образованием гарантированного осевого зазора (на фиг. не указан) между торцом крышки 17 и корпусом 1, и соединен с корпусом 1 резьбовым соединением. Крышка 17 может снабжаться пыльником (на фиг. не указан) для зачистки полированного шока 10 при его перемещении вниз.
Нижний уплотнительный узел 3 снабжен дистанционной втулкой 19, взаимодействующей с нажимным кольцом 14 и с возможностью взаимодействия с упором 5 корпуса 1.
Уплотнительные узлы 2 и 3 снабжены, например, уплотнительными кольцами 20 и 21 для герметизации зазора между ними и корпусом 1.
В корпусе 1 между упорами 5 и 7 выполнены, как минимум, два сквозных радиальных отверстия (на фиг. не указаны), снабженные обратным клапаном 22 и пробкой 23. Камера 6 также может быть снабжена, например, манометром 24 или датчиком давления (на фиг. не показан).
Корпус 1 снизу соединяется с колонной насосно-компрессорных труб (на фиг. не показана) с образованием полости 25, а шток 10 - с приводом (на фиг. не показан).
Камера 6 переменного объема заполняется смазкой.
Уплотнительные узлы 2 и 3 (фиг. 2) могут быть снабжены пружинами 26 и 27, установленными между дистанционными втулками 18, 19 и корпусами 8, 9 уплотнительных узлов 2 и 3. Усилие пружин 26 и 27 меньше усилия от давления поднимаемой нефти, действующей снизу на уплотнительные узлы 2 и 3. Усилие от давления среды, действующее на уплотнительные узлы, определяется по следующей формуле
где D, d - наружный диаметр корпуса уплотнительного узла и диаметр полированного штока;
р - давление пластовой среды.
При оснащении узлов 2 и 3 пружинами 26 и 27 часть усилия от давления среды компенсируется пружинами 26 и 27, предотвращая интенсивный износ уплотнительных элементов 11 и 12.
Верхний уплотнительный узел 2 (фиг. 3) может быть снабжен пружиной 28, размещенной между дистанционной втулкой 18 и нажимным кольцом 13.
Монтаж и работа сальника устьевого осуществляется следующим образом.
При сборке уплотнительного узла 2 усилие поджатия уплотнительных элементов 11 устанавливается на минимальном уровне. Усилие поджатия уплотнительных элементов 12 узла 3 выбирается из условия обеспечения герметичности при отсутствии перепада давления под и над уплотнительным узлом 3.
При монтаже сальника сначала устанавливается нижний уплотнительный узел 3 с дистанционной втулкой 19 до взаимодействия с упором 4. Камера 6 до уровня пробки 23 заполняется смазкой. Далее устанавливается упор 5, верхний уплотнительный узел 2. Устанавливается крышка 17 с дистанционной втулкой 18 с обеспечением требуемого поджатия уплотнительных элементов 11. Далее через обратный клапан 22 камера 6 может дополняться смазкой. В корпус 1 вворачивается пробка 23.
При возвратно - поступательном движении полированного штока 10 в полости 25 поднимается давление добываемой среды, например, нефти. Под действием перепада давления нижний (аварийный или резервный) уплотнительный узел 3 чуть приподнимается вверх, выравнивая давления в камере 6 и полости 25. Под действием перепада давления верхний рабочий уплотнительный узел 2 приводится в рабочее состояние. Нижний уплотнительный узел 3, на который снизу и сверху действует одинаковое давление, остается в нерабочем положении. Уплотнительные элементы 12 узла 3 взаимодействуют со штоком 10 с небольшим предварительным контактным давлением, установленным из условия обеспечения их герметичности. Так как камера 6 переменного объема заполнена смазкой, износ уплотнительных элементов 11 уплотнительного узла 2 происходит с незначительной интенсивностью. При перемещении штока 10 вверх, часть смазки из камеры 6 может перетекать наружу.
С уменьшением объема смазки в камере 6 давление в ней снижается. Под действием перепада давления уплотнительный узел 3 перемещается вверх, выравнивая давления в камере 5 и полости 25. Избыточное давление в камере 6, которое фиксируется манометром 24 или датчиком давления (на фиг. не показан), указывает о том, что герметизация штока осуществляется верхним уплотнительным узлом 2.
При дальнейшем перемещении узла 3, когда дистанционная втулка 19 взаимодействует с упором 5, давление в камере 6 снижается. Под действием создавшегося перепада давления уплотнительные элементы 12 узла 3 дополнительно поджимаются дистанционной втулкой 19, увеличивая контактное давление в парах трения. Далее герметизация штока 10 осуществляется нижним резервным уплотнительным узлом 3. При этом показание манометра 24 показывает нулевое давление.
Работа устьевого сальника на фиг. 2 происходит аналогичным образом. При этом оснащение узлов 2 и 3 пружинами 26 и 27 осуществляется при условии превышения усилия давления рабочей среды, определяемой соотношением (1), требуемого усилия поджатия уплотнительных элементов 11 и 12. Часть усилия от давления среды компенсируется пружинами 26 и 27.
Работа верхнего уплотнительного узла 2 устьевого сальника на фиг. 3 осуществляется практически при постоянном усилии пожатия уплотнительных элементов 11. Кроме того, при сборке сальника возможна установка требуемого усилия поджатия уплотнительных элементов 11, например, по величине осевого перемещения крышки 17 относительно корпуса 1.
При снижении контактного давления в парах трения, например, при износе уплотнительных элементов 11 и штока 10, нажимное кольцо 13 под действием пружины 28 обеспечивает восстановление первоначального контактного давления.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет предотвратить утечки нефти через устьевой сальник при нарушении герметичности рабочего уплотнительного узла 2. При потере герметичности рабочего уплотнительного узла 2 в работу автоматически переключается резервный уплотнительный узел 3.
Имеется возможность контроля давления в камере 6 переменного объема и исправности рабочего уплотнительного узла 2. Работа в среде чистой смазки существенно повышает долговечность верхнего уплотнительного узла 2.
При оснащении между крышкой 17 и нажимным кольцом 13 уплотнительного узла 2 пружиной 28 обеспечивается возможность контроля усилия поджатия уплотнительных элементов 11 и его поддержания в процессе работы уплотнительного узла 2.