КЛАПАННЫЙ УЗЕЛ ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ СКВАЖИН
VALVE UNIT OF PLUNGER PUMP FOR WELL SERVICING

Изобретение 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 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 примерно 0,34.
Уплотнения выполняют из эластомеров под торговыми марками Buna и Viton, не относящимся к материалам с высокими упругими свойствами (см. Руководство по обслуживанию). 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 и металла седла поверхности контакта разрушаются и клапан выходит из строя.
Задачей настоящего изобретения 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 изобретению 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 изобретению 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 изобретению 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 изобретению в качестве эластомерного материала использован материал с высокими упругими свойствами, например Ecopur или Indeflex (Уникспур).
В уплотнении согласно изобретению 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 распределение 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 критериям «новизна» и «изобретательский уровень». 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. При этом уплотнение имеет увеличенные по сравнению с прототипом размеры, что обеспечивает достижение увеличенной пощади контакта между рабочей поверхностью седла и кольцевым уплотнением. Указанная площадь контакта составляет 65-68% от общей площади контакта.
В прототипе, так же как и в других конструкциях, площадь контакта между конической посадочной поверхностью седла и кольцевым уплотнением не превышает 50% от общей площади контакта. При этом в результате периодического воздействия значительных ударных нагрузок сравнительно быстро разрушается уплотнение. При разрушении уплотнения снижается или совсем прекращается демпфирование удара, то есть происходит жесткий удар металла клапана по металлу седла. Поверхности контакта металлических деталей разрушаются, и клапан выходит из строя.
Проведенные испытания показали, что при увеличении площади контакта между рабочей поверхностью седла и кольцевым уплотнением уплотнение служит дольше, что позволяет повысить ресурс работы клапанного узла. Испытания клапанов с различными соотношениями площадей контактов показали, что наиболее оптимальным является вариант, когда пятно контакта между конической посадочной поверхностью седла и кольцевым уплотнением находится в пределах 65-68% от общей площади контакта.
При этом, если площадь контакта меньше 65%, происходит следующее: увеличиваются напряжения по контакту седло-уплотнение, что приводит к ускорению процесса износа уплотнения и преждевременному выходу его из строя. То есть возникают те же проблемы, что и в прототипе: снижение надежности и уменьшение ресурса работы клапанного узла.
При увеличении площади контакта более 68% увеличиваются напряжения по линии контакта седло-крышка клапана, что не удовлетворяет условию прочности по причине ограниченного предела выносливости материала клапана, происходит ускоренный износ (усталостное выкрашивание) рабочей поверхности крышки клапана. Ресурс работы клапанного узла также снижается.
Рабочая поверхность клапана 1 в 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°.
Указанные размеры угла находятся в зависимости от площади контакта (пятна контакта) между конической рабочей поверхностью седла и кольцевым уплотнением. Чем меньше угол, тем меньше площадь контакта, и наоборот. Однако площадь контакта при этом уменьшается не более чем на 5%, что несущественно. Изменение угла контакта приведет к изменению соотношения касательных и нормальных напряжений, возникающих по линии контакта седло-крышка клапана-уплотнение. В связи с этим использование угла менее 25° приведет к чрезмерному увеличению сопротивления потоку рабочей жидкости и, как следствие, повышенному износу рабочих поверхностей клапана. Использование угла более 28° приведет к увеличению касательных напряжений по линии контакта седло-клапан, что особенно неблагоприятно сказывается в месте сопряжения крышки клапана-уплотнение. При этом повышается вероятность образования зазора по месту стыка и попадания туда абразивных частиц, содержащихся в жидкости, что приводит к последующему срыву уплотнения с посадочного места (разувание клапана).
Клапан, так же как и седло клапана, 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 %.
Одновременное легирование хромом и никелем увеличивает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементированного слоя (www.mtomd.info/archives/1582). Уменьшение содержания хрома и никеля ниже заявленных массовых % приведет к снижению уровня механических свойств и, как следствие, ресурса работы изделия. Увеличение содержания хрома выше указанных пределов массовых % приведет к снижению вязкости сердцевины (www.cncexpert.ru/m120.htm), что резко снижает усталостную прочность в условиях ударных нагрузок. Увеличение содержания никеля приведет к снижению твердости цементированного слоя и усложнению процесса термической обработки в связи с повышенным количеством остаточного аустенита. Кроме того, увеличение доли никеля целесообразно по экономическим соображениям. На основании приведенных выше рассуждений и результатов проведенных испытаний было выбрано оптимальное процентное соотношение легирующих элементов, соответствующее указанному выше соотношению.
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 Ecoupr или Indeflex (Уникспур).
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.
Заявитель посчитал целесообразным увеличить рабочий ход клапана, не меняя габариты клапанного узла. Увеличение рабочего хода клапана приводит к увеличению проходного сечения для потока рабочей жидкости, что, в свою очередь, приводит к снижению гидродинамических потерь и замедляет процессы износа рабочих поверхностей клапана и седла. Увеличение рабочего хода клапана достигнуто за счет уменьшения высоты головки седла при условии обеспечения достаточной прочности. Проведенные расчеты и испытания показали, что оптимальное соотношение между увеличенным рабочим ходом и прочностными характеристиками достигаются, если высота головки клапана составляет 0,26 от общей высоты клапана и меньше. В прототипе это соотношение составляет примерно 0,34 (в описании ошибочно указано «не более»). То есть высота головки становится меньше: вместо примерно трети от общей высоты клапана (0,34) она уменьшается до 0,26 от общей высоты.
Такое соотношение, достигнутое за счет уменьшения высоты головки седла 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.
Клапанный узел относится к системе распределения потока рабочей жидкости плунжерного насоса, которая состоит из всасывающего и нагнетательного самодействующих клапанов. Конструкция обеих 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.