САМОУПЛОТНЯЮЩИЙСЯ ПАКЕТ АСИММЕТРИЧНЫХ ШЕВРОННЫХ МАНЖЕТ
SELF-PACKING PACKAGE FOR ASYMMETRIC CHEVRON COLLARS

Изобретение «Самоуплотняющийся пакет асимметричных шевронных манжет» относится к уплотнительной технике и может быть использовано для уплотнения движущихся с большой осевой скоростью (от 0,3 до 3 м/с) длинных (свыше 2000 мм) полированных штоков, в частности, для установки в устьевые сальники при добыче нефти с помощью штанговых глубинных насосов (ШГН).
Одной из главных причин остановки непрерывного процесса добычи нефти с помощью штанговых глубинных насосов является преждевременный выход из строя сменных уплотнений из-за повышенной силы трения в зоне контакта уплотнений с поверхностью полированного штока и потеря герметичности устьевого сальника, приводящая к разливам нефти на устье скважины и загрязнению окружающей среды. Повышенная сила трения возникает из-за неконтролируемого усилия сжатия пакета уплотнений в осевом направлении, в результате работа силы трения преобразуется в тепло, температура в зоне контакта уплотняющих кромок манжет с поверхностью штока повышается, что приводит к перегреву уплотнений и преждевременному выходу из строя, особенно в период «сухого трения» при отсутствии жидкости в устьевом сальнике.
Известно резино-тканевое шевронное многорядное уплотнение, применяемое для установки в устьевые сальники, состоящее из шевронных манжет, опорного и нажимного колец по ГОСТ 22704-77, выбранное в качестве прототипа.
Недостатком данного устройства является невозможность обеспечения герметичности в области контакта уплотняющих кромок манжет с поверхностью полированного штока без осевого сжатия, поэтому многорядные уплотнения по ГОСТ 22704-77 эффективно уплотняют полированный шток только при осевом сжатии уплотнений с большим неконтролируемым усилием F (Фиг.1), способствующим росту величины силы трения в сальниковом узле, преждевременному выходу из строя уплотнений, преждевременному износу поверхности дорогостоящего полированного штока, повышенному расходу электроэнергии при работе станка-качалки. Нажимную гайку устьевого сальника (см. Бухаленко Е.И., Абдуллаев Ю.Г. «Монтаж, обслуживание, ремонт нефтепромыслового оборудования». М.: «Недра», 1985 г., с.42-45) операторы добычи нефти затягивают с помощью воротка с крутящим моментом М=20÷30 кг⋅м, в этом случае усилие F=М/t€, где € - угол подъема витков резьбы, для резьбы М76х3, применяемой в устьевых сальниках в нажимной гайке угол подъема витков равен 2°15'', t€=0,03947, усилие F=30/0,03947=760 кг, шевронные манжеты такой силой раздавливаются, прижимаясь к поверхности штока, и создают высокую силу трения. К недостаткам конструкции манжеты относится симметричность внутреннего и наружного плеча манжеты в сечении Фиг.1, так как при осевом сжатии пакета шевронных манжет по ГОСТ 22704-77 происходит смыкание поверхностей внутренних и наружных плеч соседних манжет, чем ограничивается дальнейшее поджатие внутренних плеч манжет к штоку, то есть поджатие является одноразовым.
Изобретение направлено на обеспечение герметичности в области контакта уплотняющих кромок шевронных манжет с поверхностью полированного штока в сочетании с минимальной силой трения за счет самоуплотняющего эффекта взаимодействующих между собой асимметричных шевронных манжет.
Технический результат достигается тем, что контактирующие между собой нижняя и верхняя манжеты имеют разные углы наклона поверхностей, которые воздействуют друг на друга в осевом направлении и плечи манжеты (внутреннее и наружное) асимметричны.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг.1 - сечение многорядного шевронного уплотнения по ГОСТ 22704-77.
Фиг.2 - сечение самоуплотняющегося пакета асимметричных шевронных манжет.
Самоуплотняющийся пакет асимметричных шевронных манжет устанавливается с натягом в корпус (поз.1) Фиг.2, опирается на опорную втулку (поз.3) и состоит минимум из двух манжет (на Фиг.2 показан пакет из трех манжет), сверху пакета имеется нажимная втулка (поз.4). Максимальное количество манжет не ограничено, но для рабочей камеры устьевого сальника достаточно восьми манжет, это заключение было получено опытным путем в результате опытно-промышленных испытаний на нефтяных скважинах, оборудованных штанговыми глубинными насосами на предприятиях: ОАО «Лукойл», ОАО «Роснефть», ОАО «Татнефть», ОАО «Сургутнефтегаз», ООО «Русснефть».
Асимметричные манжеты имеют следующие параметры:
1. Угол плоскости внутреннего плеча нижней манжеты β меньше угла плоскости внутреннего плеча верхней манжеты α, поэтому при воздействии нижней манжеты на верхнюю в точке К Фиг.2 происходит поджатие уплотняющей кромки внутреннего плеча верхней манжеты к поверхности штока (поз.2). В частности, для этого типоразмера асимметричных шевронных манжет оптимальным соотношением является: α=55°, β=45°.
2. Угол плоскости наружного плеча манжеты в верхней части γ=65°, поэтому при сжатии пакета наружные плечи манжеты не соприкасаются и ничто не препятствует воздействию нижней манжеты на верхнюю в точке К в течение длительного времени работы пакета.
Самоуплотняющий эффект возникает в пакете асимметричных шевронных манжет следующим образом.
При незначительном поджатии пакета (Фиг.2) усилием F min=2÷3 кг нажимной гайки (не показана) от усилия руки (без использования воротков) нижняя манжета, опираясь своими плечами на опорную втулку (поз.3,) поджимается к поверхности штока (поз.2), в зоне контакта Т возникает сила трения, увлекающая при движении штока нижнюю манжету, которая воздействует в точке К на внутреннее плечо верхней манжеты, мгновенно сдвигает все верхние манжеты и каждая верхняя манжета, воздействуя на точку К, поджимает уплотняющую кромку следующей верхней манжеты к поверхности штока. Назначение верхней нажимной втулки (поз.4) - ограничить перемещение пакета манжет вслед за движущимся штоком.
Так как герметичность в области контакта уплотняющих кромок внутреннего плеча асимметричных шевронных манжет с поверхностью штока наступает без необходимости осевого сжатия пакета манжет с большой силой, а только за счет силы трения материала манжеты о поверхность полированного штока, то в данном случае сила трения минимальна и определяется коэффициентом трения, в частности коэффициентом трения полиуретана по полированной стали, являющимся одним из самых низких среди материалов, применяемых для изготовления шевронных манжет. Опытно-промышленные испытания на протяжении 150 суток показали, что герметичность при давлении скважинной жидкости 1÷2 МПа обеспечивается при свободно вращающейся (не зажатой) нажимной гайке устьевого сальника только за счет самоуплотнения пакета асимметричных шевронных манжет. Нагревания поверхности штока не наблюдается даже при сухом трении (при отсутствии скважинной жидкости на устье скважины), что свидетельствует о минимальной силе трения в области контакта уплотнительных кромок манжет с поверхностью штока.
Между наружными плечами нижней и верхней манжеты за счет разности углов образуются кольцевые полости А, заполняемые при сборке пакета жидкой смазкой, которая служит для смазывания поверхностей манжет для лучшего скольжения по контактирующим поверхностям.
Источники информации
1. ГОСТ 22704-77.