Механическое уплотнение плунжера скважинного штангового насоса

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для уплотнения плунжера, в частности в скважинных насосах, предназначенных для перекачивания различного рода жидких сред, в том числе при добыче нефти и конденсата из скважин.
Известно механическое уплотнение, содержащее пару прижатых друг к другу уплотнительных колец, в которых внутренняя поверхность выполнена с эксцентриситетом к их наружной цилиндрической поверхности, равным или больше величины радиальных перемещений сопряженной с кольцами поверхности герметизируемого вала, при этом оси внутренней поверхности уплотнительных колец расположены с противоположных сторон относительно оси наружной цилиндрической поверхности уплотнительных колец, а снаружи уплотнительные кольца посредством охватывающей уплотнительные кольца и выполненной из упругого материала обоймы подпружинены относительно охватывающего уплотнительные кольца корпуса механического уплотнения и через уплотнительные кольца пропущен герметизируемый механическим уплотнением вал (см. авторское свидетельство SU №1488642, кл. F16J 15/26, опубл. 23.06.1989).
Однако при перекачке абразивосодержащих жидкостей, например бурового раствора, за счет протока жидкости через щелевой зазор совместно с самопритиркой эксцентричных колец и компенсацией износа будет наблюдаться более интенсивное разрушение поверхностей щелевого зазора за счет эрозионного износа.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является механическое уплотнение плунжера скважинного штангового насоса, содержащее пару притертых и прижатых друг к другу уплотнительных колец, в которых внутренняя поверхность выполнена с эксцентриситетом к их наружной цилиндрической поверхности, при этом оси внутренней поверхности уплотнительных колец расположены с противоположных сторон относительно оси наружной цилиндрической поверхности уплотнительных колец, а снаружи уплотнительные кольца подпружинены относительно охватывающего уплотнительные кольца корпуса скважинного штангового насоса, плунжер которого пропущен через уплотнительные кольца (см. авторское свидетельство SU №391315, кл. F16J 15/26, опубл. 25.07.1973).
Однако данное механическое уплотнение имеет относительно большие утечки через уплотнение, особенно в начальный период работы механического уплотнения.
Технической проблемой, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является устранение указанных выше недостатков.
Технический результат заключается в том, что достигается увеличение герметизирующей способности механического уплотнения при одновременном увеличении наработки на отказ за счет увеличения гидравлического сопротивления, создаваемого зазорами между внутренней поверхностью уплотнительных колец и наружной уплотняемой цилиндрической поверхностью плунжера и уменьшения удельного давления внутренней поверхностью уплотнительных колец на наружную цилиндрическую поверхность уплотняемого плунжера.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что механическое уплотнение плунжера скважинного штангового насоса содержит пару притертых и прижатых друг к другу уплотнительных колец, в которых внутренняя поверхность выполнена с эксцентриситетом к их наружной цилиндрической поверхности, при этом оси внутренней поверхности уплотнительных колец расположены с противоположных сторон относительно оси наружной цилиндрической поверхности уплотнительных колец, а снаружи уплотнительные кольца подпружинены относительно охватывающего уплотнительные кольца корпуса скважинного штангового насоса, плунжер которого пропущен через уплотнительные кольца, при этом уплотнительные кольца выполнены из твердых износостойких материалов, толщина уплотнительных колец составляет от 0,3 до 1,0 диаметра плунжера, величина эксцентриситета внутренних поверхностей уплотнительных колец в 5-10 раз больше величины среднего зазора между внутренней поверхностью уплотнительных колец и наружной поверхностью плунжера, уплотнительные кольца подпружинены относительно корпуса скважинного штангового насоса посредством, по крайней мере двух выполненных из упругого материала колец, установленных в выполненных на наружной цилиндрической поверхности уплотнительных колец углублениях.
Предпочтительно кольца из упругого материала выполнены с круглым поперечным сечением.
В ходе проведенного исследования было выявлено, что при выполнении механического уплотнения всего с двумя уплотнительными кольцами можно добиться надежной работы скважинного штангового насоса. Установлено, что существенное значение имеет сочетание выполнения толщины уплотнительных колец с величиной эксцентриситета выполнения внутренней цилиндрической поверхности по отношению к внешней цилиндрической поверхности уплотнительных колец, что одновременно с установкой уплотнительных колец, подпружиненных посредством нескольких колец из упругого материала позволяет добиться увеличения герметизирующей способности механического уплотнения при одновременном увеличении наработки на отказ за счет увеличения гидравлического сопротивления, создаваемого зазорами между внутренней поверхностью уплотнительных колец и наружной уплотняемой цилиндрической поверхностью плунжера и уменьшения удельного давления внутренней поверхностью уплотнительных колец на наружную цилиндрическую поверхность уплотняемого плунжера. Было выявлено, что увеличение толщины уплотнительных колец не только увеличивает длину щели между уплотнительными кольцами и уплотняемой поверхностью плунжера с одновременным увеличением ее гидравлического сопротивления, но также одновременно увеличивает площадь контакта при том же самом усилии прижатия уплотнительных колец к поверхности плунжера, что позволяет уменьшить величину трения между поверхностью плунжера и внутренней поверхностью уплотнительных колец при незначительном увеличении величины трения за счет увеличения толщины уплотнительных колец. Таким образом, вышеописанная конструкция позволяет добиться достижения двух взаимосвязанных между собой вышеуказанных технических результатах.
На фиг. 1 представлен продольный разрез механического уплотнения.
На фиг. 2 представлен продольный разрез одного из уплотнительных колец.
На фиг. 3 представлен разрез А-А уплотнительного кольца по фиг. 2.
Механическое уплотнение плунжера скважинного штангового насоса содержит пару притертых и прижатых друг к другу уплотнительных колец 1, в которых внутренняя поверхность выполнена с эксцентриситетом «е» к их
наружной цилиндрической поверхности.
Оси внутренней поверхности уплотнительных колец 1 расположены с противоположных сторон относительно оси наружной цилиндрической поверхности уплотнительных колец 1, а снаружи уплотнительные кольца 1 подпружинены относительно охватывающего уплотнительные кольца 1 корпуса 2 скважинного штангового насоса, плунжер 3 которого пропущен через уплотнительные кольца 1.
Уплотнительные кольца 1 выполнены из твердых износостойких материалов, толщина уплотнительных колец 1 составляет от 0,3 до 1,0 диаметра плунжера 3.
Величина эксцентриситета «е» внутренних поверхностей уплотнительных колец 1 в 5-10 раз больше величины среднего зазора между внутренней поверхностью уплотнительных колец 1 и наружной поверхностью плунжера 3.
Уплотнительные кольца 1 подпружинены относительно корпуса 2 скважинного штангового насоса посредством, по крайней мере двух выполненных из упругого материала колец 4, установленных в выполненных на наружной цилиндрической поверхности уплотнительных колец 1 углублениях.
При установке механического уплотнения скважинного штангового насоса уплотнительные кольца 1 прижимаются к уплотняемой цилиндрической поверхности плунжера 3 насоса. В местах прижатия уплотнительных колец 1 щелевой зазор равен нулю. С противоположной от точки касания стороны щелевой зазор максимальный. Однако ввиду того, что уплотнительные кольца 1 по торцам плотно прижаты друг к другу и попарно развернуты относительно одно от другого, между уплотняемой цилиндрической поверхностью плунжера 3 и внутренней поверхностью уплотнительных колец 1 образуется сложная лабиринтная щель и, следовательно, большое гидравлическое сопротивление потоку жидкости из полости высокого давления в полость низкого давления. Гидравлическое сопротивление в зазоре уплотнения возрастает также ввиду того, что поток жидкости, проходя через зазор, меняет свое направление. В процессе эксплуатации насоса размеры зазора в работающем механическом уплотнении постепенно уменьшаются за счет приработки трущихся поверхностей уплотнительных колец 1 и уплотняемой цилиндрической поверхности плунжера 3, при этом происходит автоматическое прижатие трущихся поверхностей и, следовательно, компенсация износа за счет колец 4 из упругого материала.
Таким образом достигается повышенная герметичность уплотнения с одновременным увеличением срока его службы, а, следовательно, высокая надежность работы механического уплотнения.
Полезная модель может применяться в нефтегазовой промышленности при добыче различных жидких сред из скважин с помощью скважинных штанговых насосов.