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 превышении 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 по всем вариантам 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 в виде армирующего элемента тарельчатой формы в теле клапана из материала с прочностными характеристиками, превышающими прочностные характеристики основного полимерного материала клапана; армирующий элемент тарельчатой формы может быть расположен в верхней части клапана; армирующий элемент тарельчатой формы может содержать осевой элемент со сквозным отверстием, в котором расположена предохранительная мембрана; рабочая поверхность может быть выполнена сферической.
За счет того что тело клапана выполнено из полимерного материала с армированием виде армирующего элемента тарельчатой формы в теле клапана (по п. 2 в верхней части тела клапана) из материала с прочностными характеристиками, превышающими прочностные характеристики основного полимерного материала клапана, обеспечивается 70-100% контакт с поверхностью седла, герметичность запора, масса такого клапана в разы ниже аналогов, что значительно уменьшает инерцию изделия и 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, а нижняя направляющая часть клапана, также выполненная из полимерного материала, не деформирует седло и не разбивает корпус, обеспечивая плавность работы и предотвращая преждевременный износ. В совокупности перечисленные признаки обеспечивают повышение ресурса работы и надежности работы клапана плунжерного насоса и плунжерного насоса в целом. Клапан с предохранительной мембраной, разрывное усилие которой составляет предельно допустимое давление, установленный во всасывающий коллектор насоса, позволяет предотвратить поломку дорогостоящего оборудования при превышении расчетного давления.
Заявляемое техническое решение обладает новизной, отличаясь от прототипа перечисленными выше признаками, и обеспечивает достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Заявителю не известны технические решения, обладающие указанными во всех вариантах отличительными признаками, позволяющими в совокупности обеспечить достижение заданного технического результата, поэтому он считает, что заявляемый клапан плунжерного насоса для обслуживания скважин соответствует критерию «изобретательский уровень».
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 сверхвысоких 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 - клапан со сферической рабочей поверхностью;
- фиг. 3 - схема клапана в разрезе;
- фиг. 4 - схема клапана в разрезе;
- фиг. 5 - простой разрез клапана;
- фиг. 6 - простой разрез клапана;
- фиг. 7 - аксонометрическая проекция клапана с седлом;
- фиг. 8 - аксонометрическая проекция клапана с седлом в корпусе.
Клапан 1 плунжерного насоса для обслуживания скважин выполнен из полимерного материала с армированием в виде армирующего элемента 6 тарельчатой формы в теле клапана из материала с прочностными характеристиками, превышающими прочностные характеристики основного полимерного материала клапана, например твердые пластмассы (полимеры), стали, сплавы и т.д. Армирующий элемент 6 тарельчатой формы, воспринимающий нагрузку, может быть расположен как в теле полимерного материала, в сердцевине клапана, так и по п. 2 в верхней части тела клапана. Большая площадь контакта полимерного материала клапана 1 с армирующим элементом 6 тарельчатой формы образует две неразрывные фазы клапана 1, дополняющие друг друга. В качестве материала для изготовления устройства могут применяться любые полимерные материалы, например эластомеры, резины, силиконы и др. Вид полимера, а также материал армирующего элемента 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 1 содержит нижнюю направляющую часть клапана (хвостовик) 5, которая направляет и центрирует клапан 1 в седле 4 или корпусе, в зависимости от конструкции насоса. Армирующий элемент 6 тарельчатой формы может содержать осевой элемент 7 со сквозным отверстием 8, в котором расположена предохранительная мембрана 9. Разрывное усилие предохранительной мембраны 9 является предельно допустимым давлением для 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 разрежение 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.