КЛАПАН ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ СКВАЖИН

Полезная модель относится к клапанным узлам плунжерных насосных установок, преимущественно для обслуживания газовых и нефтяных скважин.
В силу технологических особенностей при работе на газовых и нефтяных скважинах прерывание операции до ее полного завершения недопустимо, поэтому плунжерные насосы для обслуживания скважин должны отвечать повышенным требованиям по надежности. Клапанный узел плунжерного насоса является ключевым узлом насоса и одним из самых нагруженных узлов, подверженных износу, при превышение рабочего давления оператор не всегда успевает отреагировать, вследствие чего выходит из строя плунжер, т.е. в целом весь насос.
Известен клапанный узел плунжерного насоса для обслуживания скважин, описанный в патенте на изобретение №2442923, опубликованном 20.11.2011 г. Клапанный узел плунжерного насоса для обслуживания скважин включает клапан с кольцевой канавкой под уплотнение и конической рабочей поверхностью, седло клапана с конической рабочей поверхностью, выполненной в головке седла, и кольцевое уплотнение, площадь контакта между рабочей поверхностью седла и кольцевым уплотнением составляет 65-68% от общей площади поверхности контакта, при этом клапан выполнен из легированной стали, включающей хром с содержанием от 1,3 до 1,7 мас. % и никель с содержанием от 3,9 до 4,4 мас. %, а седло выполнено из легированной стали, включающей хром с содержанием от 1,2 до 1,7 мас. % и никель с содержанием от 3,15 до 3,65 мас. %, кроме того, кольцевое уплотнение выполнено из эластомерного материала.
Недостатками указанной конструкции является низкая эрозионная стойкость и ресурс работы клапана. Клапан работает с высокой частотой около 4-х ударов в секунду, сила удара о седло увеличивается за счет инерции массы клапана выполненного из стали, тем самым возрастает нагрузка на упругий элемент. В результате периодического воздействия значительных ударных нагрузок сравнительно быстро уплотнение разрушается и не обеспечивает необходимого демпфирования удара, в результате жесткого контакта металла клапана по металлу седла поверхности контакта разрушаются и клапанный узел выходит из строя. Кроме того, между уплотнением и поверхностью канавки клапана в процессе работы возможно попадание абразивных частиц, что также приводит к преждевременному износу уплотнения и, следовательно, отрицательно сказывается на надежности и ресурсе работы клапана. Поломка клапана приводит выходу из строя плунжерного насоса.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является клапан с уплотнением плунжерного насоса для обслуживания скважин, раскрытый в описании полезной модели №101506, опубликованной 20.01.2011 г. Клапан с уплотнением плунжерного насоса для обслуживания скважин включает клапан с кольцевой канавкой под уплотнение в крышке и кольцевое уплотнение из эластомерного материала, между уплотнением и поверхностью канавки размещен промежуточный слой из праймера, кольцевое уплотнение монолитно связано с поверхностью кольцевой канавки клапана через указанный слой праймера и выполнено литым из расплава эластомерного материала, помещенного в канавку клапана.
Данное техническое решение устраняет некоторые проблемы предыдущего, в частности попадание абразивных частиц под уплотнение, но также имеет недостатки, проявляющиеся при использовании прототипа. Недостатками указанной конструкции является низкая надежность и ресурс работы клапана по причине наличия большой инерционной массы клапана. Клапан работает с высокой частотой около 4-х ударов в секунду, сила удара о седло увеличивается за счет инерции большой массы клапана полностью выполненного из стали, тем самым возрастает нагрузка на упругий элемент. В результате периодического воздействия значительных ударных нагрузок сравнительно быстро уплотнение разрушается и не обеспечивает необходимой герметизации и необходимого демпфирования удара, в результате жесткого контакта металла клапана по металлу седла поверхности контакта разрушаются клапан и седло выходят из строя. Поломка клапанного узла приводит выходу из строя плунжерного насоса.
Заявляемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков и обеспечение долговременной работы клапанного узла плунжерного насоса.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение ресурса работы и надежности клапанного узла плунжерного насоса для обслуживания скважин.
Технический результат достигается за счет того что клапан плунжерного насоса для обслуживания скважин выполнен из полимерного материала с армированием волокнистым наполнителем и по независимым пунктам в виде свободных волокон или их производных; рабочая поверхность может быть выполнена сферической.
За счет того что по первому независимому пункту тело клапана выполнено из полимерного материала с армированием волокнистым наполнителем обеспечивается 70-100% контакт с поверхностью седла, герметичность запора, масса такого клапана в разы ниже аналогов, что значительно уменьшает ударную нагрузку как на сам клапан так и на седло. Также в результате применения существенных признаков устройства выявлены и неочевидные полезные эффекты а именно, увеличение упругой массы, способствует лучшему гашению и поглощению ударных и динамических нагрузок, нижняя направляющая часть клапана, хвостовик, так же выполненный из полимерного материала не оставляет канавок и не деформирует седло, обеспечивая плавность работы и предотвращая преждевременный износ контактных поверхностей. В совокупности перечисленные признаки (в том числе по зависимым пунктам) обеспечивают повышение ресурса работы и надежности клапанного узла плунжерного насоса для обслуживания скважин, и плунжерного насоса в целом.
Заявляемый техническое решение обладает новизной, отличаясь от прототипа перечисленными выше признаками, и обеспечивает достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Заявляемая полезная модель может найти широкое применение в любых типах и модификациях плунжерных насосов, в том числе в насосных установках для обслуживания скважин при перекачке жидкостей под давлением (гидравлический разрыв пласта, кислотная обработка скважины, при работах с колтюбинговыми установками), работающих в условиях высоких и сверх высоких давлений, в агрессивных средах и средах с абразивными частицами, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель поясняется чертежами, на которых представлены:
- Фиг. 1 - Главный вид клапана;
- Фиг. 2 - Простой разрез клапана;
- Фиг. 3 - Главный вид клапана с рабочей поверхностью сферической формы.
Клапан 1 плунжерного насоса для обслуживания скважин по первому варианту полностью выполнен из полимерного материала с армированием волокнистым наполнителем в виде свободных волокон или их производных. В качестве материала для изготовления устройства могут применяться любые полимерные материалы, например эластомеры, резины, силиконы и др. Волокнистые наполнители 2 могут быть в виде свободных волокон (в том числе коротких или нановолокон), а также их производных: армирующих волокон, нитей, сеток, тканей, применяемых в современной промышленности, из различных видов материала исходя из условий эксплуатации. Вид полимера, а так же наполнитель подбираются исходя из назначения и условий работы клапана (рабочая среда, расчетное давление, объем перекачиваемой среды, максимальный ресурс работы). Клапан содержит рабочую поверхность 3, взаимодействующую с седлом 4, которая может быть выполнена конической формы или сферической формы, для увеличения площади контакта. Клапан содержит нижнюю направляющую часть клапана (хвостовик) 5, который направляет и центрирует клапан 1 в седле 4 или корпусе, в зависимости от конструкции насоса.
Полезная модель может быть изготовлена известными способами на оборудовании промышленного предприятия. Все параметры, материалы, размеры и т.д. определяются исходя из назначения и условий работы клапана (рабочая среда, расчетное давление, объем перекачиваемой среды, максимальный ресурс работы).
Заявляемая полезная модель применяется в плунжерных насосах и в совокупности с насосом работает следующим образом. За счет поступательного движения плунжера создается разряжение в полости под ним, в эту полость засасывается жидкость из подводящего (всасывающего) трубопровода. При обратном движении поршня на всасывающем трубопроводе закрывается один клапан, предотвращающий протечку жидкости обратно, и открывается второй клапан, размещенный на нагнетательном трубопроводе, который был закрыт при всасывании. Туда вытесняется жидкость, которая находилась под поршнем, и процесс повторяется.