Способ повышения износостойкости пары трения линейного погружного электродвигателя
METHOD FOR INCREASING THE WEAR RESISTANCE OF A FRICTION PAIR OF A LINEAR SUBMERSIBLE ELECTRIC ENGINE

Заявленное изобретение относится к отрасли машиностроения, в частности, к конструкции линейных электропогружных насосных установок, и может быть использована в конструкции линейного электродвигателя на постоянных магнитах.
Погружные насосные установки с приводом от линейного электродвигателя являются одним из перспективных технических решений для развития технологий связанных с добычей углеводородов на малодебитном фонде скважин и альтернативой штанговым глубинным насосам (ШГН).
Благодаря энергоэффективности, расширенным возможностям управления и автоматизации, удобству эксплуатации и ремонту погружные насосные установки имеют ряд преимуществ перед ШГН.
Одним из основных направлений развития технологии погружных насосных установок с приводом от линейного электродвигателя является защита элементов конструкции от износа и продление срока эксплуатации в сложных условиях глубоких нефтяных скважин.
Износ и срок службы погружных линейных электродвигателей непосредственно связан с надежностью изнашиваемых элементов, в частности пары трения сформированной направляющей трубой статора и подвижной частью электродвигателя (слайдера). Детальное описание конструкции известных линейных электродвигателей раскрыто в патентах RU 2615775 от 24.12.2015; RU 2615775 от 28.02.2017; RU 182645 от 13.02.2018; RU 183876 от 26.03.2018; US 10934819 B2.
Еще одним аспектом данного изобретения является обеспечение оптимальной работы электромагнитной системы линейного электродвигателя при минимальном износе элементов конструкции.
Из уровня техники известен патент на изобретение CN 101532488 A от 24.04.2009 в котором описана многофункциональная линейная направляющая втулка скольжения, на внутренней стенке которой предусмотрено множество равномерно распределенных осевых дренажных каналов. Указанная направляющая втулка скольжения изготовлена из нержавеющей стали, а внутренняя стенка покрыта слоем износостойкого и коррозионностойкого материала такого как карбид вольфрама, карбид титана, карбид циркония.
К недостаткам описанного техническое решения, можно отнести наличие дренажных каналов, неравномерный износ которых может привести к снижению срока службы пары трения. Также в изобретении не раскрыты особенности ответного элементы пары трения (слайдера) и электромагнитные характеристики элементов конструкции, что не позволяет в полной мере оценить преимущества запатентованного технического решения.
Из патента на изобретение JP 4944706 B2 от 24.08.2007 согласно которому поверхности пары трения покрывают углеродной (алмазной) пленкой обеспечивая одинаковую твердость трущихся деталей. Твердая пленка формируется на основе из хромомолибденовой стали и нитридном слое, в котором нитрид железа диффундирует и проникает в поверхностную область основы посредством обработки радикальным азотированием. Толщина азотированного слоя составляет 50 мкм или меньше, шероховатость поверхности, а твердость по Виккерсу находится в диапазоне от Hv 500 до 1000, между твердой пленкой и нитридным слоем. Формируется с промежуточной пленкой из нитрида хрома или нитрида титана, и твердая пленка представляет собой первую пленку, изготовленную из алмазоподобного углерода, по существу, не содержащую водорода.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести возможное влияние компонентов запатентованного покрытия на работу электромагнитной системы линейного электродвигателя.
Также из патента на полезную модель RU 186213 от 05.05.2018 известна пара трения линейного погружного электродвигателя на постоянных магнитах, которая сформирована внутренней поверхностью направляющей трубы статора электродвигателя, концентраторами магнитного поля и защитными втулками магнитов подвижной части электродвигателя, при этом твердость направляющей трубы выше твердости концентраторов магнитного поля подвижной части электродвигателя.
Известное техническое решения взято в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения.
Техническая проблема, на решения которой направлено заявленное изобретение заключается в создании износостойкой пары трения линейного электродвигателя погружной насосной установки с оптимальными параметрами электромагнитной системы.
Технический результат, достигнутый от реализации изобретения, заключается в повышение износостойкости элементов пары трения при обеспечении эффективного функционирования электромагнитной системы погружной насосной установки.
Сущность заявленного изобретения заключаются в том, что пару трения погружного линейного электродвигателя формируют внутренней поверхностью направляющей трубы статора электродвигателя, концентраторами магнитного поля  и защитными втулками магнитов подвижной части электродвигателя. Твердость направляющей трубы устанавливают выше твердости концентраторов магнитного поля подвижной части электродвигателя. Направляющую трубу статора с концентраторами магнитного поля выполняют из материалов твердостью по площади контакта не ниже 50 (hrc), при этом, твердость концентраторов магнитного поля составляет 0,7-0,9 от твердости поверхности направляющей трубы, при этом концентраторы магнитного поля выполняют из материала с нелинейной магнитной проницаемостью, а относительная магнитная проницаемость материала направляющей трубы статора составляет не более 1.01. Направляющую трубу и концентраторы магнитного поля выполняют из коррозионностойкой стали. Заданную твердость поверхности трения направляющей трубы и концентраторов магнитного поля формируют путем поверхностного химико-термического упрочнения. В одном из вариантов реализации изобретения заданную твердость поверхности трения концентраторов магнитного поля формируют путем закалки элементов по всему сечению элемента.
Также, согласно одному из возможных вариантов реализации изобретения защитные втулки магнитов подвижной части электродвигателя выполняют двухсоставными, где одна часть сечения защитной втулки выполнена из коррозионностойкой стали, а вторая часть из полимерной твердой смазки. При этом, возможен вариант реализации при котором вторую часть защитной втулки магнитов подвижной части формируют из фторопласта.
Согласно преимущественному варианту реализации изобретения, в ходе эксплуатации линейного электродвигателя, площадь контакта элементов пары трения насыщают компонентами твердой полимерной смазки защитной втулки.
Сущность заявленного изобретения поясняется, но не ограничивается приведенными графическим материалами:
фиг.1 - схема погружной насосной установки;
фиг.2 - фрагмент пары трения линейного электродвигателя погружной насосной установки.
Заявленное изобретение может быть реализовано в конструкции погружной насосной установки 1 (фиг.1) с приводом от линейного погружного электродвигателя 2 на постоянных магнитах. Погружная насосная установка в описанном варианте реализации изобретения может быть выполнена модульной и включает в себя, по меньшей мере, модуль плунжерного насоса 3 (одно- или двухходового), связанный с модулем линейного электродвигателя 2, модули погружной телеметрии 4, гидрокомпенсатора 5 и системы демпфирования. Наземная часть насосной установки содержит, по меньшей мере, блок управления с частотным преобразователем 6. Такое конструктивное выполнение, обеспечивает высокую ремонтопригодность и возможность адаптации оборудования под разные условия эксплуатации.
Модуль линейного электродвигателя 2 выполнен в моноблочном корпусе 7 (фиг.2), внутрь которого, установлен цилиндрический секционный статор 8, в полости секций которого установлена направляющая труба 9 для подвижной части 10 (слайдера) электродвигателя.
Подвижная часть 10, выполнена из установленных на общем основании (стержне) из немагнитного материала, набора постоянных магнитов 11 с концентраторами магнитного поля 12. Магниты 11, могут быть установлены попарно, каждая пара магнитов 11 содержит защитную втулку 13, которая полностью покрывает поверхность магнитов. Защитные втулки магнитов 11 подвижной части 10 электродвигателя, могут быть выполнены двухсоставными, где одна часть 14 сечения втулки 13 выполнена из коррозионностойкой стали, а вторая часть 15 из полимерной твердой смазки. В частности, указанная вторая часть 15 защитной втулки магнитов подвижной части, может быть выполнена из фторопласта.
Одним из наиболее ответственных элементов конструкции модуля электродвигателя является узел пары трения, сформированный из слайдера 10 и направляющей трубы 9 статора 8. К элементам пары трения предъявляются высокие требования по возможности обработки и монтажа, магнитной проницаемости, коррозионностойкости и твердости поверхностей.
Исходя из указанных требований, в паре трения формируют твердость направляющей трубы выше твердости концентраторов магнитного поля подвижной части электродвигателя.
Направляющую трубу 9 статора с концентраторами магнитного поля 12 выполняют из материалов твердостью по площади контакта не ниже 50 (hrc), при этом, твердость концентраторов магнитного поля составляет 0,7-0,9 от твердости поверхности направляющей трубы. Направляющую трубу выполняют из коррозионностойкой стали с высокой электромагнитной проницаемостью. Концентраторы магнитного поля также могут быть выполнены из коррозионностойкой стали относящейся к ферромагнетикам с нелинейной характеристикой электромагнитной проницаемости и содержанием Хрома (Cr) 17-19%. Заданную твердость поверхности трения направляющей трубы 9 и концентраторов магнитного поля 12, формируют путем поверхностного химико-термического упрочнения. Также твердость концентраторов магнитного поля может достигаться путем закалки элементов по всему сечению.
При этом магнитная проницаемость материала направляющей трубы статора является постоянной и должна составляет не более 1.01, а магнитная проницаемость концентраторов магнитного поля нелинейная, исходя из свойств ферромагнетиков применяемы в конструкции концентраторов и изменяется при изменении индукции (напряженности) магнитного поля.
Для снижения коэффициента трения защитную втулку 13 постоянных магнитов 11 выполняют двухсоставной, в ходе эксплуатации, площадь контакта элементов пары трения насыщают компонентами твердой полимерной смазки защитной втулки, путем распределения полимерного материала по поверхности трения направляющей трубы статора за счет возвратно-поступательного движения слайдера.
Согласно описанному варианту реализации изобретения, одну часть сечения защитной втулки выполняют из коррозионностойкой стали для физической защиты поверхности постоянных магнитов, а вторую часть из полимерной твердой смазки, например, из фторопласта.
Приведенное сочетание свойств материалов, по существу, позволяет сформировать пару трения стойкую к механическому износу поверхностей и удовлетворяющую требованиям обеспечения функционирования электромагнитной системы, обеспечивая силу тяги необходимую для поднятия жидкости из скважин глубиной не менее 3000 м.