СПОСОБ ГИДРОАБРАЗИВНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПОГРУЖНЫХ НАСОСОВ И СТЕНД ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF HYDROABRASIVE TESTS OF IMMERSIBLE PUMPS AND STAND FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к области гидродинамики, в частности к стендовому оборудованию для моделирования гидроабразивного износа насосов, и может быть использовано для испытания нефтяных погружных насосов.
Известен способ испытания насосов, включающий подачу жидкости с механическими примесями на вход насоса, перекачку жидкости при различных режимах работы насоса с поддержанием постоянной концентрации примесей (авторское свидетельство №1071802 SU, кл. F04B 51/00, опубл. 15.10.1982).
Известен также способ гидроабразивных испытаний погружных насосов [Яременко О.В. Испытания насосов: Справочное пособие. М., Машиностроение, 1976, с.208], включающий подачу абразивного материала в испытуемый насос вместе с рабочей жидкостью и измерение изменения массы деталей насоса до и после испытаний. Испытания проводят в условиях, имитирующих работу насоса в скважине, то есть при частоте вращения вала, не превышающей номинального значения [там же, с.141]. Способ позволяет исследовать износ проточной части ступеней центробежного насоса.
Недостатком данных способов является продолжительность проведения испытаний, особенно для насосов малых радиальных размеров. По данным [Gulich J.F. Centrifugal Pumps, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008, 2010, с.872; Животовский Л.С., Смойловская Л.А. Лопастные насосы для абразивных гидросмесей. - М.: Машиностроение, 1978, с.56], главным фактором, определяющим износ, является скорость движения перекачиваемой жидкости с механическими примесями, которая зависит от окружной скорости вращения вала насоса. Поскольку радиус рабочих колес погружных насосов сравнительно мал (от 37 до 75 мм) [Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение. Энциклопедический справочник. Пермь: ООО «Пресс-Мастер», 2007, с.74-75], то скорость гидроабразивного износа ступеней в процессе эксплуатации невысока вследствие низкой окружной скорости и невысоких скоростей движения жидкости.
В качестве прототипа выбран способ гидроабразивных испытаний погружных насосов, при котором насос с электродвигателем размещают в подвешенном состоянии, абразивный материал подают с рабочей жидкостью из узла подвода во вращающийся насос (авт., св. №328263 СССР, F04D 1/00, 1972).
Недостатком способа является низкая скорость износа погружного насоса из-за работы в относительно мягких условиях и, как следствие, длительное время проведения испытаний на износ.
Увеличить окружную скорость вращения рабочего колеса можно за счет увеличения частоты вращения вала испытываемого насоса относительно номинальной 2910 об/мин. Проведение испытаний при повышенной частоте вращения вала насоса позволит повысить скорость гидроабразивного износа проточных каналов насоса, что, в конечном итоге, сократит время проведения испытаний.
Известен испытательный стенд для исследования износа проточной части центробежного насоса, включающий приводной механизм в виде электродвигателя, модель проточной полости насоса, размещенные в ней образцы испытуемых материалов, и узел подачи абразивной смеси в камеру (патент РФ №2011011, кл. F04B 51/00, 15.04.1994).
Недостатком данного стенда является относительно низкая достоверность результатов испытания на износ и ограниченные возможности. Это обусловлено тем, что испытанию подвергаются образцы материалов, размещенные в проточной полости насоса, и не исследуется износ радиальных и осевых пар трения ступеней насоса, а также износ всех частей внутренних проточных полостей рабочего колеса и направляющего аппарата.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является стенд для гидроабразивных испытаний погружных насосов, включающий приводной механизм в виде электродвигателя, узел подвода жидкости, камеру с элементом крепления рабочего колеса, имитирующую корпус насоса и подсоединенную к баку, узел подачи абразивного материала, соединительные трубопроводы и систему измерительных датчиков (патент РФ №2371694, МПК G01M 13/00, опубл. 20.11.2007). Испытуемый насос состоит из одного рабочего колеса и двух направляющих аппаратов. Элемент для крепления рабочего колеса выполнен в виде вала переменной жесткости, кинематически связанного с валом электродвигателя и имитирующего вал погружного насоса. Камера снабжена крышкой с отверстием переменного сечения для регулирования расхода рабочей жидкости. Этот стенд предназначен для исследования износа радиальных и осевых пар трения в одной рабочей ступени центробежного насоса.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности моделирования гидроабразивного износа межступенчатых уплотнений и длительное время проведения испытаний на гидроабразивный износ межлопастных проточных каналов направляющих аппаратов и рабочих колес.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в ускорении гидроабразивных испытаний на износ погружных насосов, а также повышении достоверности результатов.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе гидроабразивных испытаний погружных насосов, при котором насос с электродвигателем размещают в подвешенном состоянии, абразивный материала подают с рабочей жидкостью из узла подвода во вращающийся насос, согласно изобретению, испытания проводят при частоте вращения насоса, превышающей его номинальную частоту, а узел подвода и испытываемый насос размещают в подвешенном состоянии посредством гибких элементов.
Выбор скорости вращения вала насоса для проведения испытаний определяется свойствами материалов испытуемых насосов. Для материала Х11Н8М1,5Д20, широко используемого в производстве погружных насосов в настоящее время, и радиусах рабочего колеса в пределах 35-45 мм минимальной частотой вращения вала для ускоренных испытаний является 4500 об/мин, при которой кратно увеличивается скорость гидроабразивного разрушения материала.
Для реализации заявляемого способа разработан стенд гидроабразивных испытаний погружных насосов, содержащий приводной механизм в виде электродвигателя, кинематически соединенный с валом испытуемого насоса, бак, подсоединенный к насосу, узел подачи абразивного материала, узел подвода жидкости, соединительные трубопроводы, узел регулирования расхода, и систему измерительных датчиков, отличающийся тем, что электродвигатель, узел подвода и испытуемый насос размещены в подвешенном состоянии посредством гибких элементов, закрепленных на раме стенда.
Такое размещение позволяет имитировать режим вибрации насоса на насосно-компрессорных трубах в скважине, что сокращает время проведения испытаний.
Для моделирования работы насоса в искривленной скважине стенд может быть дополнительно снабжен узлом изгиба насосной секции.
Сущность изобретений поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид заявляемого стенда гидроабразивных испытаний погружных насосов, на фиг.2 - узел изгиба.
Стенд содержит входной трубопровод 1 для подачи рабочей жидкости в бак 2, загрузочную воронку 3 в верхней части бака для подачи абразивного материала. В качестве приводного механизма используется электродвигатель 4, вал которого кинематически соединен с валом испытуемого многоступенчатого насоса 5. В нижней части насоса 5 имеется узел подвода жидкости 6, к которому подведен гибкий трубопровод из бака 2. На выходе насоса 5 установлен узел регулирования расхода 7 с отверстием переменного сечения для установки рабочего режима насоса 5, который через гибкий трубопровод соединен с баком 2. Для контроля параметров работы стенда установлены датчик давления 8 на выходе насоса 5, датчик расхода 9 выходящей рабочей жидкости и датчики вибрации 10, распределенные по длине насоса 5. Электродвигатель 4 и соединенный с ним испытуемый насос 5 подвешены к раме 11 стенда на гибких элементах 12, прикрепленных к узлу регулирования расхода 7 (фиг.1). Такое исполнение стенда позволяет моделировать режим вибрации, который возникает при работе в скважине насоса, подвешенного на насосно-компрессорных трубах.
Стенд может быть дополнительно снабжен узлом (фиг.2), имитирующим изгиб насоса в центральной части. Узел представляет собой балку 13, установленную вдоль насоса 5 и прикрепленную к его верхней и нижней части с помощью зажимов 14, в средней части балки 13 на винте 15 расположен выдвижной ролик 16. Регулированием величины выдвижения ролика 16 с помощью винта 15 задается необходимый изгиб насоса. В таком случае возникает неравномерная нагрузка на радиальные пары трения насоса, что вызывает повышенный износ насоса.
Устройство работает следующим образом.
Собранный для испытания насос 5 (для испытания используется одна или несколько насосных секций погружного насоса) устанавливается на узел подвода 6 и при помощи муфты соединяется с приводным электродвигателем 4.
В узле регулирования расхода 7 изменяют сечение отверстия для задания требуемой подачи в стенде и соединяют его с насосом 5. При необходимости с помощью винта 15 выдвигают ролик 16, чтобы создать заданный изгиб насоса. К верхней части насоса 5 крепятся гибкие элементы 12 и соединенные насос 5, двигатель 4, узел подвода 6 и узел регулирования расхода 7 подвешиваются на них. К узлу подвода 6 и узлу регулирования расхода 7 подключаются гибкие трубопроводы для соединения с баком 2. Бак 2, система трубопроводов и полость насоса 5 заполняются рабочей жидкостью. После чего включают электродвигатель 4, работающий на частоте вращения вала, превышающей номинальное значение, и через загрузочную воронку 3 в верхней части бака 2 подают абразивный материал.
Полученная смесь, содержащая рабочую жидкость с абразивным материалом, поступает через узел подвода 6 на вход насоса 5, расположенного со стороны электродвигателя 4. Далее смесь перекачивается насосом 5 и через регулируемое отверстие в узле регулирования расхода 7 попадает в бак 2. По мере измельчения абразивных частиц в процессе перекачивания смеси в бак 2 добавляют новый абразивный материал. В процессе испытания развивается гидроабразивный износ проточных каналов насоса, а также износ пар трения ступеней и промежуточных подшипников. При проведении испытаний датчиком 8 фиксируются давление на выходе насоса 5, датчиком 9 - расход рабочей жидкости, а датчиком 10 - уровень вибрации. После остановки стенда и слива рабочей жидкости производят замеры износа взвешиванием и измерением изменения геометрических размеров деталей.
Таким образом, описанные способ и стенд для его осуществления позволяют проводить ускоренные гидроабразивные испытания насосов в среде, содержащей механические примеси, в условиях приближенным к эксплуатационным, в том числе и для искривленных скважин. Продолжительность испытаний не более 10 часов.