Проблема исследования прочностных характеристик и разработки конструкции фланцевого соединения электропогружных насосов с повышенной надежностью

Экспериментально определена наилучшая схема подвода газа к турбине, используемой в составе конвертированных авиационных и в нетрадиционных схемах перспективных ГТД. На модели исследованы радиальный и тангенциальный подводы воздуха к турбине через распределяющий по окружности тороидальный и улиточный каналы. Установлено, что при тангенциальном подводе коэффициент восстановле-

ния полного давления «улиточного» канала на 0,5% больше по сравнению с «тороидальным» каналом. При тангенциальном подводе воздуха коэффициент восстановления полного давления больше, чем при радиальном на 1,0%. Таким образом, установлено, что наилучшей является схема с тангенциальным подводом газа к турбине с использованием улиточного канала.

Библиографический список

1. Скибин В. А., Солонин В. И. Работы ведущих авиадвига-телестроительных компаний по созданию перспективных авиационных двигателей (аналитический обзор). М.: ЦИАМ, 2004. 424 с.

2. Гоголев И.Г., Дроконов А.М. Аэродинамические характеристики ступеней и патрубков тепловых турбин. Брянск: Брянское областное изд-во «Грани», 1995. 258 а

3. Телионис Д.П. Отрывные и безотрывные нестационарные пограничные слои. Обзор // Теоретические основы инженерных расчётов. 1979. №1. С. 142-161.

4. Симпсон Р.Л. Обзор некоторых явлений, возникающих при отрыве турбулентного потока // Теоретические основы инженерных расчётов. 1981. №4. С. 131-149.

5. Чжен П. Отрывные течения. М.: «Мир», 1972. Т.1. 300 а

6. Строн Р.К., Клайн С.Дж. Метод расчёта плоских и осесим-метричных диффузоров, основанный на определении запаса по отрыву // Теоретические основы инженерных расчётов. 1983. №1. С. 115-121.

7. Хокенсон Г. Расчёт оптимальных диффузоров обратным методом и его экспериментальное подтверждение // Теоретические основы инженерных расчётов. 1979. №4. С. 186191.

8. Харша П.Т., Глассман Х.Н. Анализ турбулентного безотрывного течения в дозвуковых диффузорах // Теоретические основы инженерных расчётов. 1976. №2. С. 287-289.

9. Экспериментальное исследование двухступенчатого турбинного отсека с переходным патрубком между ступенями / И.Г.Гоголев [и др.] // Теплоэнергетика. 1984. №7. С. 62-64.

10. Шерстюк А.Н., Соколов А.И., Чижов В.В. и др. Исследование аэродинамики переходных патрубков прямоточных ГТУ на базе турбореактивных двигателей // Теплоэнергетика. 1980. №3. С. 38-40.

11. Довжик С.А., Морозов А.И. Исследование кольцевых диффузоров осевых турбомашин // Промышленная аэродинамика. М.: Оборонгиз, 1961. №20.

УДК 621

ПРОБЛЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКЦИИ ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОГРУЖНЫХ НАСОСОВ С ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ

О.В.Репецкий1, Фан Ван Туан2

байкальский государственный университет экономики и права, 664015, г. Иркутск, ул. Ленина, 11. 2Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены аварийные статистики электропогружных насосов по нефтегазовой технике и выявлены случаи, связанные с фланцевыми соединениями. Приведены задачи исследования прочностных характеристик и разработки конструкции фланцевого соединения электропогружных насосов методом конечных элементов. Ил.4. Табл. 2. Библиогр. 10.

Ключевые слова: резьбовые соединения; фланцевые соединения; метод конечных элементов.

THE PROBLEM TO STUDY STRENGTH CHARACTERISTICS AND THE DEVELOPMENT OF THE FLANGED JOINT CONSTRUCTION OF ELECTROLOADING PUMPS WITH IMPROVED RELIABILITY O.V^petsky, Phan Van Tuan

Baikal State University of Economics and Law 11 Lenin St., Irkutsk, 664015. Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

The authors present emergency statistics of electroloading pumps in oil-and-gas machinery and detect accidents connected with flange joints. The authors show the tasks of strength characteristics study and the development of flange joint construction of electroloading pumps by the finite element method. 4 figures. 2 tables. 10 sources.

Key words: threaded joints; flanged joints; finite element method.

1Репецкий Олег Владимирович, доктор технических наук, профессор.

Rеpetsky Oleg Vladimirovich, Doctor of Technical Sciences, Professor.

2Фан Ван Туан, аспирант, тел: 89246038966, e-mail: doctor_tuanphv@yahoo.com

Phan Van Tuan, postgraduate student, тел: 89246038966, e-mail: doctor_tuanphv@yahoo.com

Фланцевые соединения (ФС) широко используются в технике. Мы встречаем ФС на машинах, поездах, механических приводах электропогружных насосов и.т.д. ФС часто являются ответственными узлами, определяющими прочность и надёжность всей конструкции.

Согласно статистике по нефтегазовой технике, только в 1996 году в Западно - Сибирском регионе произошло 374 аварии с установками электроцентробежных насосов (УЭЦН). Аварии происходили как при работе установок, так и при выполнении спуско-подъемных операций (СПО), что значительно ухудшает технико-экономические показатели работы вследствие вывода оборудования из ремонтно-оборотного фонда, перевода скважин в бездействующий фонд и значительных затрат на ликвидацию аварий и подъем оборудования. Ежегодные затраты на ликвидацию аварий оцениваются более чем в 100 млрд. рублей [9]. Количество расчленений по ФС секций ЭЦН составляет около 50% всех расчленений по узлам УЭЦН. В то же время значительно увеличилось количество аварий по корпусам ЭЦН и газосепараторов, узлам погружных электродвигателей (ПЭД) и гидрозащит. Увеличилось количество расчленений по соединению ловильной головки, что частично обусловлено некачественным изготовлением противополет-ных приспособлений.

При рассмотрении состояния работавших в скважине аварийных ЭЦН (при расчленении по УЭЦН) выявлено, что 90% секций от числа рассмотренных имеют полную выработку радиальных подшипников и защитных втулок вала либо близкую к полной. При тестировании таких секций на стенде обнаружена сильная вибрация. Таким образом, основными факторами, вызывающими усталостное разрушение деталей, является воздействие знакопеременных нагрузок от работающего насоса вследствие аномального износа рабочих органов и возникновения вибрации.

По результатам расследования сделан вывод о том, что 15% аварий не связано с вибрационными нагрузками (обрыв при СПО, коррозия и др.), в остальных 85% случаев данные воздействия имели место в той или иной степени.

Средняя наработка при авариях по узлам УЭЦН [9] для работавших установок составила для новых УЭЦН 426 суток, для отремонтированных - 234 суток. Таким образом, качество ремонта УЭЦН недостаточное, т.к.

аварии с отремонтированным оборудованием происходят почти в 2 раза чаще, чем с новым. В табл. 1 представлено распределение количества аварий с новыми и прошедшими ремонт УЭЦН [9]. Аварии с насосно-компрессорными трубами (НКТ) из расследованных случаев связаны с усталостным разрушением тела ниппеля под воздействием нагрузок от работающего насосного агрегата. Кроме того, причинами аварий с НКТ являются использование некачественных резьб, нарушение СПО, коррозия НКТ, а также невыполнение мероприятий по замене нижних НКТ и патрубков при ремонте.

Таблица 1

Распределение количества аварий с новыми и

Место обрыва Всего аварий, % УЭЦН, %

новые после ремонта

НКТ 23 10/43% 13 / 57

УЭЦН 66 18 / 27 48 / 73

Всего 89 28 / 31 61 / 69

Смонтировано всего за год 100 51 49

Согласно статистике [4], в промежутке с 01.01 2004 по 01.07 2005 г. количество отказов погружных насосов в ОАО СНГДУ-2 составило 90 случаев. Наибольшее количество аварий происходит в соединениях узлов (26/90 - табл. 2). Эта проблема ещё раз утверждается в [8]: количесто аварий со сломом болтовых соединений составляет 29% от обшего количества аварий за рассматриваемый период. Статистика показала, что аварии носят более интенсивный характер в начальный стодневный период эксплуатации УЭЦН (рис. 2), когда предельного износа оборудования не наступает. Это свидетельствует о том, что аварийные отказы к износу отдельных узлов оборудования прямого отношения не имеют и осмотр мест обрывов также подтверждает причинно-следственную связь усталости и разрушений.

Таким образом, на основании статистики состояния аварийности ясно, что:

1. Аварии УЭЦН происходят часто и затраты на их ликвидацию существенные.

2. Наибольшее количество аварий УЭЦН происходит в соединениях узлов (ФС).

Болт

Гайка

Шайба пружинная

Фланцевое соединение электропогружных насосов и расчетная схема

Рис. 1. Резьбовое фланцевое соединение

3. Аварийность определяется основными факторами:

^ недостаточное качество ремонта УЭЦН; ^ использование некачественных резьб; ^ возникновение вибрации; ^ износ радиальных пар трения рабочих ступеней и подшипников ЭЦН абразивными частицами, что вызывает значительную вибрацию и приводит к разрушению деталей, включая фланцевые соединения; ^ коррозия НКТ; ^ усталость материала детали.

Н ар аб о т к а до ав арии, су 1

п П

П , 1-1

0-100 1 01- 201- 301- 40'- 501- 601- 701- 8С1- 901- 1001- " IIСИ 200 300 400 503 ООО 700 ООО 900 1СОО 1100

Рис 2. Распределение количества аварий в зависимости от наработки УЭЦН до отказа

Распределение аварий [4]

Таблица 2

Отворот ловильной головки 1

Расчленение НКТ по резьбе 17

Отворот основания компенсатора 4

Слом по корпусу компенсатора 5

Отворот основания ПЭД 2

Слом верхнего фланца ПЭД 1

Слом по корпусу протектора 6

Слом по корпусу приемного модуля 10

Слом по корпусу газосепаратора 6

Отворот основания ЭЦН 1

Слом нижней шейки ЭЦН 6

Слом по корпусу ЭЦН 4

Слом головки ЭЦН 1

Расчленение соединений секций ЭЦН 26

Согласно данным статистики и анализа, проблема исследования прочностных характеристик и разработки конструкции ФС электропогружных насосов с повышенной надежностью является актуальной.

В [1, 5, 7] представлен подробный анализ расчета резьбовых соединений (РС) и ФС аналитическим методом на простых моделях. Основной принцип этого анализа состоит в применении простых приближённых моделей и формировании систем аналитических уравнений, что приводит к погрешностям. Более точное решение можно получить применением численных методов анализа, например, метода конечных элементов.

Применение метода конечных элементов для анализа прочностных характеристик ФС дано в [9], но с упрощённой моделью: комплекс гайка-болт-ФС яв-

ляется одной деталью и контактная задача не рассматривалась (рис. 3).

Рис. 3. Конечноэлементная модель ловильной головки

В [3, 6] дан анализ контактных жесткостей деталей машин. Учет контактного взаимодействия позволяет повысить точность расчетов при анализе прочностных характеристик конструкции.

Исходя из перечисленных факторов будет разработана математическая модель на основе метода конечных элементов для анализа прочностных характеристик корпусов и фланцевых соединений электроцентробежных погружных насосов (рис. 4). Данные модели позволят провести следующие исследования: анализ распределения нагрузки и напряжений в резьбовых соединениях, прочность РС при статических нагрузках (прочность гайки, болта и комплекс гайки -болта решением контактной задачи), прочность РС при переменных нагрузках, прочность ФС, собственные колебания ФС, собственные колебания РС, оценка степени износа и критерий отбраковки ФС, прочность ФС, когда были ошибки сборки или изготовления.

Рис.4. Конечноэлементная модель резьбового соединения

Результаты исследования позволят выполнить анализ влияния внутреннего давления, веса пакета ступеней, силы затяжки фланцевого соединения, вибрационных нагрузок насоса и других факторов на статические и динамические перемещения отдельной ловильной головки и системы «ловильная головка -головка», входящих в насос. Это основы разработки новых конструкций ФС с повышенной надежностью.

1. Биргер И.А, Иосилевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. М.: Машиностроение, 1990. 365 с.

2. Геча В.Я. Колебания резьбовых соединений с собственной частотой, обусловленной контактной жесткостью стыка// Вестник машиностроения. 2008. N12. С. 23-25.

3. Иванов А.С. Контактная жесткость неподвижных соединений деталей машин: дис. ... докт. техн. наук. М., 2006. 245 с.

4. Ишмурзин А.А. Зависимость аварийных отказов установок погружных центробежных насосов от времени работы в скважине // Нефтегазовое дело. 2006, http://www.neftegaz.ru/science/view/207

5. Клячкин Н.Л., Антонов И.С. Прикладные задачи исследования и расчета резьбовых соединений / под ред. Г. Е. Протасова. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1992. 144 с.

Библиографический список

6. Левина З.М, Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. М.: Машиностроение, 1971. 263 с.

7. Клячкин Н.Л. Исследование, конструирование и расчет резьбовых соединений: динамика и прочность резьбовых соединений. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1988. 106 с.

8. Пономарев Р.Н. Аварийные отказы оборудования УЭЦН и разработка мероприятий по их устранению.: дис. ... канд. техн. наук. Уфа, 2006. 136 с.

9. Репецкий О.В, Мухамадеев К.Г. Разработка конструкции и технология изготовления фланцевого соединения электропогружных насосов с повышенной надежностью: научный отчет. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1998. 41с.

10. Richard H. Galagher. Finite Element Analysis. Prentice-hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey 1975.-428 p.