УПЛОТНЕНИЕ ЦИЛИНДРОПЛУНЖЕРНОЙ ПАРЫ
CYLINDER-PLUNGER PAIR SEAL

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано при уплотнении плунжеров, штоков, в частности, в глубинных штанговых насосах.
Известно уплотнение по а.с. №1.4888642, кл F16J 15/26, содержащее установленные в корпусе, в упругой обойме, притертые друг к другу кольца с эксцентричными отверстиями. Эксцентриситет отверстия каждого кольца относительно наружной, сопряженной с обоймой его поверхности равен или превышает величину радиального перемещения к поверхности вала под кольцами.
Однако уплотнительное кольцо с эксцентриситетом, при его поджиме к уплотняемой поверхности упругой обоймой, контактирует с ней в одной точке с образованием переменного радиального зазора по периметру кольца.
Кроме того, усилие поджима кольца к уплотняемой поверхности напрямую зависит от упругих свойств материала обоймы.
Следует учесть тот фактор, что притертые друг к другу кольца, воспринимающие к тому же гидростатическое давление столба пластовой жидкости, не имеют никакой возможности переместиться друг относительно друга из-за высокого коэффициента трения, за счет упругого взаимодействия с резиновой обоймой.
6
Известно уплотнение цилиндроплунжерной пары (см. пат. РФ №2.132.988, МПК F16J 15/26, опубл. 10.07.1999).
Уплотнение включает расположенные на корпусе один за другим кольцевые элементы с возможностью их взаимодействия с сопряженной поверхностью цилиндра. Каждый кольцевой элемент внутри имеет кольцевую проточку, полость которой гидравлически связана с внутренней полостью плунжера.
Недостатком известного уплотнения является то, что при использовании плунжера в штанговых насосах на достаточно большой глубине внутрь кольцевых элементов подается высокое избыточное давление пластовой жидкости из осевого канала плунжера.
Каждый кольцевой элемент поджимается к уплотняемой поверхности с одинаковым усилием, т.е. износ кольцевых элементов будет одинаков. Материал неметаллических кольцевых элементов должен обладать достаточной прочностью, которая в некоторых случаях может быть превзойдена, в случае установки на глубине, где гидростатическое давление может превосходить допустимые значения.
Для надежной герметизации кольцевого зазора между кольцевым элементом уплотнения и цилиндром необходимо, чтобы контактные давления превосходили, по своему значению, гидростатическое давление в столбе пластовой жидкости в осевом канале плунжера, хотя бы на 10-15%.
Существование высоких контактных давлений в уплотнении приводит к увеличению износа как уплотнения цилиндра, так и плунжера.
6
Известно уплотнение плунжера (см. пат. РФ. №2062377, МПК F16J 15/56, опубл. 20.06.1996 г.), содержащее разрезные уплотнительные кольца, установленные на упругой обойме с натягом, в виде пакета пружинных колец, контактирующих с тарированным пружинным элементом. Боковые поверхности колец сопряжены криволинейными поверхностями с соседними кольцами по внутренним поверхностям с образованием между ними полостей, объем которых больше объема вытесняемого материала упругой обоймы.
Недостатком конструкции является следующее. Как и в предыдущей конструкции, имеет место упругое взаимодействие обоймы с уплотнительными кольцами из металла, выполненными разрезными.
Разъемы соседних сопрягаемых колец установлены со смещением 90°.
Упругий поджим пакета разрезных колец пружинным элементом и материалом обоймы к поверхности цилиндра напрямую зависит только от их упругих свойств и не может создавать существенных радиальных нагрузок на разрезные кольца, чтобы расширять их до контакта с поверхностью цилиндра, по мере износа. Наличие кольцевого технологического зазора в месте контакта соседних разрезных колец, гидравлически связанных друг с другом через разъемы, образует переток пластовой жидкости из полости высокого давления над уплотнением.
При этом имеет место передача осевой сжимающей нагрузки на материал упругой обоймы, что не может обеспечить надежный контакт с разрезным кольцом. Следует отметить, что наибольшие сжимающие нагрузки материал упругой обоймы будет иметь со стороны восприятия высокого давления, т.е. поджим разрезных колец к уплотняемой поверхности будет неравномерным.
При наличии нескольких уплотнительных узлов, следующих друг за другом, второй и третий уплотнительные узлы будут находиться под меньшим перепадом давления, и контактные напряжения будут меньше.
Известно механическое уплотнение плунжера (см. «Поршневые и плунжерные насосы для добычи нефти». Б.С.Захаров, ОАО «ВНИИОЭНГ». Москва, 2002 г. с.24-26), принятое авторами за прототип.
Устройство состоит из разъемного корпуса, в котором размещено механическое уплотнение, состоящее из двух элементов, каждый из которых включает по одной резиновой обойме, охватывающей пакет уплотнительных колец, плотно прижатых по торцу друг к другу, при свинчивании элементов разъемного корпуса.
Уплотнительные кольца выполнены с эксцентриситетом внутреннего диаметра относительно наружного.
При взаимодействии упругой резиновой обоймы с уплотнительными кольцами происходит поджим последних к уплотняемой поверхности плунжера в одной точке. Усилие поджима напрямую зависит только от свойств материала обоймы.
При этом проблематично обеспечить взаимное перемещение уплотнительных колец к уплотняемой поверхности плунжера за счет существования высоких контактных напряжений в месте их взаимодействия друг с другом.
5
Анализ технических решений, проведенный по материалам патентной и научно - технической литературы, показал, что известно механическое уплотнение (см. пат. РФ. №2025629, МПК F16J 15/28, опубл. 30.12.1994 г.), состоящее из притертых и поджатых к плунжеру упругой обоймой жестких колец с эксцентричными отверстиями. Несколько пар колец повернуты друг относительно друга с делением окружности цилиндра на равные части продольными плоскостями, проходящими через эксцентриситет колец каждой пары. На внутренних цилиндрических поверхностях, в зоне их максимальной ширины, выполнены продольные пазы. Между стенками цилиндра и набором колец образуется сложная лабиринтная щель, обладающая большим гидравлическим сопротивлением потоку уплотняемой жидкости, при резком изменении направления движения. Тем самым реализован принцип деления давления по высоте пакета жестких колец.
Известна конструкция плунжера штангового насоса (см. «Глубинно-насосный способ добычи нефти», Ковалев Н.И., Черников B.C., Чесноков Г.И. Изд-во «Роснефть-Ставропольнефтегаз», Нефтекумск, 2001 г. с.31).
Плунжер имеет на наружной поверхности винтовой спиральный канал, который выполняет роль гидравлического сопротивления при перетекании пластовой жидкости.
Известен скважинный штанговый насос (см. а.с. СССР №901625. БИ №4), в котором реализована конструкция разрезных уплотнительных колец, прилегающих к стенкам канавки плунжера.
Известно уплотнение полого штока (см. а.с. СССР №764446, МКл2. F16J 15/44. Заявл. 05.04.78). Уплотнение выполнено в виде пакета стальных колец-обойм, в расточках, обращенных к поверхности плунжера, установлены уплотнительные кольца. Расточки, в стальных кольцах-обоймах, связаны последовательно друг с другом калиброванными перепускными отверстиями. При перетекании через них пластовой жидкости происходит падение давления на каждом отверстии с поддержанием расчетного перепада давления на каждом уплотнительном кольце и его поджим к уплотняемой поверхности плунжера.
В устройстве реализован принцип деления, давления между уплотнительными кольцами.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, сводится к следующему:
- повышение надежности герметизации плунжера за счет обеспечения передачи давления пластовой жидкости через упругий элемент на уплотнительное кольцо;
- возможность контролируемого перетока пластовой жидкости из камеры высокого давления в полость под уплотнением с распределением давления между уплотнительными кольцами элементов;
- возможность передачи осевого усилия от перепада давления на каждом уплотнительном элементе на корпус уплотнения.
Технический результат достигается тем, что уплотнение цилиндроплунжерной пары содержит разъемный корпус с уплотнительными элементами в виде разрезных уплотнительных колец, охваченных упругой обоймой, связанной с диафрагмой. Разъемный корпус снабжен резьбой на внутренней поверхности, диафрагма снабжена наружной резьбой, кольцевой проточкой и поперечными пазами на торце, а упругая обойма снабжена внутренним кольцевым выступом и установлена на диафрагме с возможностью охвата разрезных уплотнительных колец. Каждый уплотнительный элемент связан резьбой на диафрагме с внутренней резьбой разъемного корпуса и установлен с образованием между ними технологического зазора.
Существенным отличием предложенного технического решения является то, что каждый уплотнительный элемент, с уплотнительным кольцом, не находится в торцовом контакте с соседними. Каждый уплотнительный элемент жестко связан с корпусом посредством резьбового соединения. Формирование спирального гидравлического канала, в месте механической связи уплотнительного элемента с корпусом, позволяет обеспечить расчетный перепад давления на нем при перетекании пластовой жидкости из полости высокого давления в полость под уплотнением и обеспечить поджим разрезных уплотнительных колец на каждом элементе к уплотняемой поверхности плунжера с заданным усилием, принятым из условия сохранности уплотнения длительное время.
Исходя из вышеизложенного и анализа конструкций уплотнений плунжера можно сделать вывод, что предлагаемое изобретение, в совокупности с известными признаками, неизвестно нам из научно-технической и патентной литературы.
На основании вышеизложенного считаем, что заявляемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Конструкция уплотнения цилиндроплунжерной пары, преимущественно для герметизации плунжера штанговых насосов, поясняется чертежами, где изображено следующее:
- на фиг.1 показано в разрезе уплотнение в сборе;
- на фиг.2 - уплотнительные элементы в сборе с упругой обоймой и
уплотнительными разрезными кольцами.
Уплотнение состоит из разъемного корпуса 1, части которого соединены друг с другом посредством муфты 2.
Внутри каждой части разъемного корпуса 1 выполнена резьба 3 (см. фиг.2), в которую последовательно установлены уплотнительные элементы 4 с образованием между соседними из них технологического зазора 5 (см. фиг.2). Сам уплотнительный элемент 4 выполнен в виде диафрагмы 6 с наружной резьбой 7 и кольцевой проточкой 8 на внешней стороне, в которую введен внутренний ответный выступ 9 упругой обоймы 10, охватывающей разрезные уплотнительные кольца 11. На торце металлической втулки 6 выполнены поперечные пазы 12, для закручивания (установки) каждого уплотнительного элемента 4 в резьбу 3 одной из частей разъемного корпуса 1. После установки, внутри каждой из частей разъемного корпуса 1, уплотнительных элементов 4 последние соединяются друг с другом муфтой 2. С торцов пакеты уплотнительных элементов 4 поджаты грундбуксами 13 и 14. Поскольку уплотнительные элементы 4 установлены в разъемном корпусе 1, с образованием между ними технологического зазора 5, то осевая нагрузка, от поджатия грундбуксами 13 и 14, воспринимается крайними из них и замыкается через резьбу на тело разъемного корпуса 1. В осевой канал собранного уплотнения вводится с необходимым технологическим зазором полый плунжер 15. Грундбукса 14, обращенная в сторону посадочной муфты (на фиг.1 не показана), снабжена посадочной конусной фаской 16.
Монтаж и работа уплотнения.
Части разъемного корпуса 1 снабжаются пакетом уплотнительных элементов 4, обращенных упругими обоймами 10 вверх. Последовательно завинчивается первый уплотнительный элемент 4, путем ввода рожкового ключа в поперечные пазы 12 на торце диафрагмы 6, с передачей крутящего момента. Второй и последующие уплотнительные элементы 4 закручиваются до упора друг в друга, с отворотом в обратную сторону на ¼ оборота, для образования технологического зазора 5 (см. фиг.2).
Части разъемного корпуса 1, укомплектованные уплотнительными элементами 4, соединяются друг с другом муфтой 2.
При работе штангового насоса плунжер 15 совершает возвратно-поступательные перемещения относительно уплотнения. Разрезные уплотнительные кольца 11 поджимаются к уплотняемой поверхности плунжера 15 упругой обоймой 10. В лифтовой колонне труб, над штанговым насосом, находится столб пластовой жидкости, создающий гидростатическое давление, действующее на уплотнитель.
Под действием гидростатического давления пластовая жидкость перетекает через зазор между грундбуксой 13 и плунжером 15 к первому, считая сверху, уплотнительному элементу 4 с воздействием на материал упругой обоймы 10 и поджимом к разрезным уплотнительным кольцам 11, которые поджимаются дополнительным усилием к поверхности плунжера 15.
При этом пластовая жидкость подается через технологический зазор между витками резьбы 7, диафрагмы 6 и резьбой 3 разъемного корпуса 1 в технологический зазор 5, откуда перетекает тем же путем к последующему технологическому зазору 5 с обеспечением поджима упругой обоймой 10 разрезных уплотнительных колец 11 к поверхности плунжера 15.
При перетекании пластовой жидкости по резьбовому технологическому зазору, который обладает большим гидравлическим сопротивлением, на каждом уплотнительном элементе 4 создастся расчетный перепад давления, который определяется как соотношение:
Г
у.э
ΔP=P/n,
где ΔP - расчетный перепад давления, МПа,
Г
P - гидростатическое давление на глубине установки штангового насоса, МПа,
у.э
n - количество уплотнительных элементов, установленных в разъемном корпусе 1.