СТЕНДОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА МЕХАНИЧЕСКОГО ИЗНОСА ВНУТРИСКВАЖИННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Полезная модель относится к стендовым машинам, используемым в нефтедобыче, и в частности, предназначена для исследования износостойкости натурных образцов в соответствующих условиях трения внутрискважинного оборудования.
Известен стенд для испытания подшипников, воспринимающих осевое усилие, содержащий испытательную камеру, включающую корпус, крышки, вал с торцовыми уплотнениями на концах, электродвигатель, устройство для измерения момента трения и контрольно-измерительные приборы. Концы вала выходят за пределы крышек испытательной камеры. Шток гидроцилиндра соединен с одним из концов вала через муфту с упорным подшипником качения, а другой конец вала через эластичную муфту поочередно соединяется с устройством для измерения момента трения и с электродвигателем. Стенд снабжен гравитационным насосом, на шток которого подвешен набор гирь, и ручным насосом с емкостью, гидравлически соединенным с гравитационным насосом и через вентили с гидроцилиндром (Патент РФ №2213337, опубл. 27.09.2003).
Стенд позволяет проводить ресурсную обкатку узлов упорного подшипника и не позволяет исследовать механический износ поверхности взаимно трущихся узлов с различной конфигурацией.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по технической сущности является машина для испытания на трение при скольжении, которая состоит из подвижной плиты, совершающей горизонтально возвратно-поступательное движение при помощи привода. На плиту кладут испытуемый образец, соприкасающийся с ней своей плоской стороной или каретку с тремя шаровыми ножками из испытуемого материала, которые нагружаются гирями. Образец или каретка, увлекаемые силой трения, растягивают тарированную пружину, деформация которой позволяет определить величину силы трения. (Справочник машиностроителя, 6 - том, Изд-во «Машиностроение», М., 1964 г, стр.27, фиг.61 - прототип).
Данная машина имеет ограничение по задаваемым прижимным усилиям (нагрузке) и не позволяет провести испытание трущихся поверхности натурных образцов различной конфигурации. Кроме этого, машина определяет только силу трения скольжения между образцом и плитой, а не величину износа испытуемых образцов зависимости от
прижимной силы при трении их поверхностей, а также в ней отсутствует возможность моделировать среду скольжения для проведения исследований в условиях, приближенных к условиям эксплуатации испытуемых образцов.
Сущность использования технического решения заключается в следующем.
В последние годы доля использования насосно-компрессорных труб (НКТ) с полимерным покрытием, а также труб, как обсадных, так и НКТ из стеклопластикового материала в нефтедобыче неуклонно увеличивается, и применение этих труб в наклонно-направленных скважинах требует исследования натурных образцов труб в условиях, максимально приближенных к условиям эксплуатации скважин. В связи с этим, исследование прочностных характеристик, интенсивности механического износа полимерного покрытия НКТ при контакте со штанговыми скребками-центраторами, а также износа стеклопластиковых труб в искривленных скважинах дает возможность прогнозировать надежность, допустимые эксплуатационные ресурсы этих труб и создать технологический регламент по их применению.
Техническая задача полезной модели заключается в расширении функциональной возможности стендовой установки за счет моделирования процесса трении при скольжении в условиях скважинной среды и определения интенсивности износа поверхностей натурных образцов внутрискважинного оборудования с высокими значениями прижимных усилий, имеющими место в наклонно-направленных скважинах.
Поставленная задача достигается тем, что в стендовой установке для исследования процесса механического износа внутрискважинного оборудования, содержащей станину, привод, включающий кривошипно-шатунный механизм, редуктор и электродвигатель, направляющий ползун с шатунами, прижимное устройство с верхним испытуемым образцом и рабочую платформу для размещения нижнего исследуемого образца, приспособление для измерения силы взаимного прижатия трущихся поверхностей, согласно полезной модели прижимное устройство установлено в каретке с возможностью совместного перемещения на роликах по швеллеру рабочей платформы, а камера прижимного устройства выполнена в виде цилиндра, жестко соединенного с кареткой, в которой размещен направляющий поршень со стаканом и съемным захватным элементом, предназначенными, соответственно, для размещения датчика нагрузки под опорным винтом каретки и для прижатия и удержания верхнего испытуемого фигурного образца, соединенного с шатуном-тягой направляющего ползуна, совершающим возвратно-поступательное движение от кривошипно-шатунного механизма, причем нижний исследуемый образец отрезка трубы выполнен в виде продольного сегмента,
закрепленного на рабочей платформе между двумя опорами, герметизирующими торцы образца трубы для заполнения его жидкостью, при этом одна из опор установлена на плите стационарно, а другая - съемная. В качестве приспособления для измерения силы прижатия, создаваемой опорным винтом прижимного устройства, использован датчик нагрузки и блок регистрации с индикацией текущей силы прижатия.
На фиг.1 представлен общий вид стендовой установки (при испытании трущихся поверхностей металлической муфты НКТ и стеклопластиковой обсадной трубы); на фиг.2 - разрез прижимного устройства и каретки с исследуемыми образцами по линии А-А на фиг.1.
Стендовая установка состоит из станины 1, кривошипно-шатунного механизма станка-качалки 2 с электродвигателем 3, редуктора 4 и направляющего ползуна 5 с шарнирным шатуном 6 и тягой 7, каретки 8 со специальными роликами 9, установленными на швеллере 10 рабочей платформы 11. Каретка 8 снабжена прижимным устройством, камера 12 которого выполнена в виде цилиндра и жестко соединена с каркасом каретки 8. В камере 12 размещен направляющий поршень 13 со стаканом 14 и захватным элементом 15, предназначенными, соответственно, для размещения датчика нагрузки 16 под опорным винтом 17 каретки 8 и для прижатия и удержания испытуемого верхнего образца 18. Захватный элемент 15 выполнен съемным и, в зависимости от конфигурации верхнего образца, имеет соответствующую форму. Датчик нагрузки 16 при помощи кобеля соединен с блоком регистрации 19, который в режиме реального времени записывает графическое и цифровое значение силы прижатия. На рабочей платформе 11 устанавливается исследуемый образец разрезанного вдоль оси отрезка трубы 20, открытой полостью вверх, который закрепляется между опорами 21 и 22, выполненными в виде заглушек с уплотнителями (не показаны), из которых опора 21 выполнена стационарной, а опора 22 - съемной, с регулируемым винтом 23 и каналом для слива жидкости (не показан) из отрезка трубы 21. Внутренняя полость исследуемого отрезка трубы 21 заполняется жидкостью для создания среды скольжения (водой с различной минерализацией и коррозионной активностью, маслом и т.д.). Верхний испытуемый образец 18 в зависимости от вида исследования может иметь форму как муфты (см. фиг.2), соединяющей два патрубка, так и любой другой образец, например, штанговые скребки-центраторы, которые соединяются с тягой 7 при помощи шарнирного хомута 24. Стендовая установка работает следующим образом.
Испытуемый образец отрезка трубы 20 (стеклопластиковая, или НКТ с внутренним полимерным покрытием), разрезанного вдоль оси, открытой полостью вверх
устанавливается на платформе 11 между упорами 21 и 22. Во внутренней части трубы 20 устанавливается верхний образец 18 (муфта НКТ или штанговые скребки-центраторы и т.д.) путем подсоединения его к хомуту 24 тяги 7. Захватный элемент 15 верхним концом вставляется в поршень 13, а нижним концом прижимает верхний образец 18. Далее в нижний образец 20 наливается необходимая жидкость, моделирующая среду скольжения. После запуска привода стендовой установки за счет тяги 7 направляющего ползуна 5 каретка 8 с прижимным устройством и верхним образцом 18 совершает горизонтально возвратно-поступательное движение. Таким образом моделируется процесс истирания поверхности исследуемых образцов 18 и 20 при заданных прижимных усилиях и протяженности контакта трущихся поверхностей, определяемой по количеству ходов. Прижимная сила на трущихся поверхностях контролируется блоком регистрации 19, и в период испытания сохраняется постоянной путем периодического заворота упорного винта 17 каретки 8. Величина износа внутренней поверхности образца труб 20 определяется с помощью индикатора «ИЧ» (микрометр) со специально изготовленным основанием, позволяющим измерить глубину износа поверхности в местах истирания.
По полученной величине глубины износа покрытия определяется интенсивность изнашивания испытуемых образцов по формуле:
h
I=δ/L,
где δ - глубина износа, мм; L - протяженность контакта трущихся поверхностей, м.
В зависимости от постановки задачи по изучению процесса износа при взаимном трении поверхностей внутрискважинного оборудования, изготовленных из различных материалов, в качестве верхнего образца используются фигурные элементы и трубы меньшего диаметра, а нижнего - трубы большого диаметра.
На основе полученных результатов по механическому износу материалов испытуемых образцов даются рекомендации по выбору материала полиамидных штанговых скребков-центраторов и их конструктивному изменению, а также определяются допустимые эксплуатационные ресурсы НКТ с полимерным покрытием, труб из стеклопластика и создаются технологические регламенты по их применению.