ПАРА ТРЕНИЯ В СТУПЕНИ ПОГРУЖНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использовано в узлах трения, работающих в сложных условиях, например, при создании погружных центробежных насосов для добычи нефти, в частности износостойких погружных насосов, предназначенных для работы в скважинах с высоким содержанием механических примесей в пластовой жидкости, в условиях повышенной температуры и давления.
Известна пара трения ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса (патент RU №2215206, F16C 33/24), содержащая первую деталь, поверхностная часть которой со стороны второй детали выполнена из композиционного материала, представляющего собой монолитную структуру, состоящую из термореактивного полимерного связующего, твердосмазочного наполнителя - графита и, по крайней мере, одного слоя полиэфирного волокнистого наполнителя в виде полиоксадиазольных волокон. Поверхностная часть второй детали со стороны первой детали выполнена из сплава железа, содержащего свободный углерод.
Известная пара работает в жестких условиях погружения (давлении 50 МПа, температуре 250°С) с низким коэффициентом трения (около 0,10). Такой технический результат проявляется только в том случае, если полиоксадиазольная составляющая композиционного материала взаимодействует с металлами, содержащими не менее 1 мас.% свободного углерода, такими как чугун типа нирезист или высокопрочный чугун с шаровидным графитом.
Практическое расширение использования металлического порошка для изготовления рабочих органов насоса, в которых отсутствует свободный углерод, а также пониженное содержание свободного углерода в некоторых марках чугуна типа нирезист, ограничивает применение известного изобретения.
Кроме того, при работе электрического центробежного насоса уничтожение и вымывание низкоадгезионного слоя полимерной составляющей композита абразивом (песком), присутствующим в пластовой жидкости, приводит к быстрому истиранию
поверхностного слоя из полиаксизольных волокон и снижению износостойкости известной пары трения.
Наиболее близкой по технической сущности, принятой за прототип, является пара трения погружного многоступенчатого центробежного насоса (пат. RU №2274769, F04D 13/10, F04D 29/02). В известной паре трения одна деталь выполнена из металла, другая - из пластмассы, состоящей из следующих компонентов: стеклонаполнитель 10-50 мас.%, минеральное вещество до 15 мас.%, фторопласт до 10 мас.%, дисульфид молибдена до 20 мас.%, графит до 20 мас.%, термопластичный материал остальное.
Данная пара трения работает с постоянным коэффициентом трения. Пластмассовая деталь имеет однородную структуру, позволяющую применять деталь в паре с ответными деталями из различных металлов. Использование в качестве антифрикционного наполнителя графита и дисульфида молибдена, делает возможным применение известной пары трения для пластовых жидкостей, как с большим содержанием воды, так и с большим содержанием нефти.
Недостатком известной пары является ее неработоспособность при температуре более 90° и давлении более 150 атм., так как пластмассовая деталь размягчается из-за текучести термопластичного связующего и армирующего стеклонаполнителя.
Целью полезной модели является расширение области применения пары трения, снижение себестоимости.
Пара трения в ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, согласно изобретению, состоит из двух деталей, одна из которых выполнена из композиционного материала, содержащего армирующий наполнитель, антифрикционный наполнитель из графита и дисульфида молибдена, термореактивное связующее, при этом, в качестве армирующего наполнителя использован хлопчатобумажный наполнитель, и в состав композиционного материала входит: армирующий хлопчатобумажный наполнитель (55-85) мас.%, антифрикционный наполнитель из графита (2-7) мас.%, дисульфида молибдена (2-5) мас.%, термореактивное связующее остальное.
В частном случае реализации полезной модели армирующий хлопчатобумажный наполнитель представляет собой миткаль.
В частном случае реализации полезной модели армирующий хлопчатобумажный наполнитель представляет собой бязь.
В частом случае реализации полезной модели армирующий хлопчатобумажный наполнитель представляет собой шифон.
В частном случае реализации полезной модели термореактивное связующее представляет собой фенолформальдегидную или эпоксидную смолу.
Пара трения, одна из деталей которой выполнена из композиционного материала, содержащего армирующий хлопчатобумажный наполнитель, антифрикционный наполнитель из графита и дисульфида молибдена, термореактивное связующее, отличается универсальным применением вследствие реализации эффекта фрикционного переноса и внедрения антифрикционной составляющей композита на участки ответной поверхности трения в широком диапазоне температур и давлений различных по составу пластовых жидкостей, а также в широком диапазоне металлов, применяемых для изготовления ответной детали.
Состав и процентное содержание компонентов композиционного материала позволяют снизить стоимость изготовления одной из деталей пары трения.
Структура хлопчатобумажного наполнителя (бязь, миткаль, шифон) за счет малой толщины нитей позволяет достичь лучшей однородности композиционного материала.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса.
Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса содержит направляющий аппарат 1 и рабочее колесо 2, выполненное из металла. Колесо может быть изготовлено из чугуна типа нирезист, стали или металлопорошка. Рабочее колесо 2 установлено в направляющем аппарате 1 и опирается на опорный бурт 3 через антифрикционную износостойкую шайбу 4, запрессованную в расточку, выполненную в нижнем диске рабочего колеса 2. Вторая антифрикционная износостойкая шайба 5, выполненная из того же материала, что и шайба 4, но имеющая меньшую толщину, запрессована в расточку, выполненную в верхнем диске рабочего колеса 2.
Антифрикционные износостойкие шайбы 4 и 5 выполнены из композиционного материала, представляющего собой монолитную структуру состоящую из армирующего хлопчатобумажного наполнителя, антифрикционного наполнителя (графит, дисульфид молибдена), термореактивного связующего.
Армирующий хлопчатобумажный наполнитель представляет собой тонкие хлопчатобумажные ткани, например, миткаль, бязь или шифон. Количество ткани в составе композиционного материала (55-85) масс.% определено минимальным количеством, необходимым для формирования армирующего каркаса, и максимальным количеством, превышение которого приводит к недостатку связующего для образования монолитной структуры. Хлопчатобумажный наполнитель обладает высокой прочностью и термостойкостью. Невысокая себестоимость хлопчатобумажного наполнителя и большое процентное содержание его в композиционном материале значительно снижают стоимость антифрикционных шайб.
Антифрикционный наполнитель состоит из графита (2-7) мас.% и дисульфида молибдена (2-5) мас.%. Процентное увеличение этих элементов в наполнителе приводит к уменьшению прочности композиционного материала, уменьшение процентного содержания снижает антифрикционные свойства композиционного материала. Присутствие графита и дисульфида молибдена обусловлено спецификой работы насоса в пластовой жидкости. Газ, присутствующий в жидкости в растворенном виде или жидком, при повышении температуры переходит в газообразное состояние, образуя эмульсию. При большем содержании нефти в эмульсии графит меньше вымывается и сохраняет необходимые антифрикционные свойства композиционного материала. При большем содержании воды в эмульсии графит вымывается, и антифрикционные свойства композиционного материала обеспечивает дисульфид молибдена.
В качестве термореактивного полимерного связующего может быть использована эпоксидная или фенолформальдегидная смола. Эти смолы обладают необходимой термостойкостью для условий погружных работ, а именно, для переработки пластовой жидкости высоких температур (около 250°) и высоких давлений (около 300 атм.).
Технология изготовления антифрикционной износостойкой шайбы из предложенного композиционного материала включает пропитку хлопчатобумажной ткани в смоле с порошкообразными антифрикционными добавками с последующим прессованием при нагреве. При этом образуется монолитная структура с антифрикционными добавками, равномерно распределенными по всей массе шайбы.
При работе насоса рабочее колесо 2 ступени приводится во вращение относительно направляющего аппарата 1, при этом между наружной поверхностью шайбы 4 и поверхностью опорного бурта 3 образуется пара трения.
Постоянство низкого коэффициента трения в условиях присутствия абразива в пластовой жидкости достигается однородностью структуры материала шайбы и не зависит от металла ответной детали - бурта 3.
На некоторых режимах работы, например во время запуска при открытой задвижке, осевые силы, действующие на рабочее колесо 2, могут быть направлены вверх, что приводит к так называемому «всплытию» рабочего колеса 2, верхний диск которого упирается в направляющий аппарат 1 расположенной выше ступени, в этом случае шайба 5 работает аналогично шайбе 4.
Таким образом, антифрикционная износостойкая шайба из предложенного композиционного материала обладает комплексом свойств, позволяющим ей работать с постоянным низким коэффициентом трения в паре с деталями из металлов широкого диапазона при переработке любых пластовых жидкостей, как при высоких, так и низких
температурах и давлениях. Низкая себестоимость материала износостойкой шайбы и универсальность ее применения делают пару трения погружных центробежных насосов более надежной и ремонтопригодной.