Файл: Совершенствование тарельчатых клапанов буровых поршневых насосов.doc

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 26.10.2023

Просмотров: 89

Скачиваний: 5

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

8 выбуренной породы и утяжелителя различной формы и размеров (от микрон до миллиметров), а в ряде случаев также нефть, кислоты, щелочи, различные химические реагенты, растворенный газ. Ранее выполненными исследованиями установлено, что с увеличением плотности и вязкости перекачиваемой жидкости ухудшается всасывающая способность и снижается объемная подача насосов, а при повышенном газосодержании увеличивается неравномерность подачи. Наличие абразивных частиц в рабочей жидкости отрицательно сказывается на долговечности узлов и деталей насосов, для которых также характерны циклические нагрузки от давления перекачиваемой среды. Работа буровых насосов характеризуется изменением условий в широком диапазоне.Для буровых насосов определяющим является тот факт, что условия их работы зависят от принятой технологии бурения и, как правило, не могут быть изменены с целью увеличения долговечности узлов и деталей.Опыт эксплуатации буровых установок показывает, что на буровые насосы приходится существенная доля отказов и затрат времени на ремонтные работы, составляющие до 50% срока их службы. При этом наибольшее количество отказов приходится на детали гидравлической части.Исследованию работы, конструированию и расчету буровых насосов посвящены труды Аббасова Г.Г., Айрапетова Л.С, Бабаева С.Г., Валитова М.З., Верзилина О.И., Газарова Р.Е., Гороновича Л.Н., Даутова Т.М., Ильского А.Л., Иткиса М.Я., Караева М.А., Литвинова В.М., Ловчева СВ., Мкртычана Я.С., Николича А.С, Пындака В.И., Шаяхметова В.З. и др. По результатам исследований выполнены усовершенствования узлов и деталей гидравлической части насосов. Несмотря на улучшение конструктивно-технических параметров, их надежность продолжает оставаться низкой.В таблице 1 приведены результаты статистической обработки информации о наработке деталей гидравлической части буровых насосов, полученной в ранее выполненных работах по исследованию буровых поршневых насосов.9Таблица 1 - Результаты статистической обработки информации о наработке деталей буровых насосов

12 Величина максимальных усилий, передаваемых на корпус насоса, колеблется в пределах от 3 до 30 кН. Естественно, действие таких усилий с частотой от 30 до 90 кГц вызывает преждевременное усталостное разрушение элементов насоса.Для уменьшения величины усилий, передаваемых на корпус насоса при посадке тарели на седло, предлагается установить между седлом и корпусом насоса специальный упругий элемент из эластичного материала. Данный элемент с одной стороны должен работать как пружина, уменьшая величину передаваемых на корпус насоса усилий, и выполнять роль виброизолятора, а в нем будет происходить демпфирование колебаний. Схема моделирования работы клапана при наличии упругого элемента между седлом и корпусом насоса представлена на рисунке 3. 1 - тарель; 2 - седло; 3 - эластичный элемент Рисунок 3 - Расчетная схема для моделирования работы клапанас эластичным элементом12 Величина максимальных усилий, передаваемых на корпус насоса, колеблется в пределах от 3 до 30 кН. Естественно, действие таких усилий с частотой от 30 до 90 кГц вызывает преждевременное усталостное разрушение элементов насоса.Для уменьшения величины усилий, передаваемых на корпус насоса при посадке тарели на седло, предлагается установить между седлом и корпусом насоса специальный упругий элемент из эластичного материала. Данный элемент с одной стороны должен работать как пружина, уменьшая величину передаваемых на корпус насоса усилий, и выполнять роль виброизолятора, а в нем будет происходить демпфирование колебаний. Схема моделирования работы клапана при наличии упругого элемента между седлом и корпусом насоса представлена на рисунке 3. 1 - тарель; 2 - седло; 3 - эластичный элемент Рисунок 3 - Расчетная схема для моделирования работы клапанас эластичным элементом13 Дифференциальные уравнения движения для данного случая следующие:/», • х[« -с,«(*, - х2) -// • (*; - л-;)(л-/», fw,) ^2 -"(с./п)-(х2 -xJ+Ci-fa-xJ-juix^-xd+M'ixl-x'j) (2)(/?2 • w, /(р, / р.,) + п • т]) • я? = -(с, /(и2 • (£, / £3))) • х3 + (с[ і п) • (х2 - х3) - м, ■ *5 + // • (х2 - *;), где рл ръплотности материалов тарели и эластичного элемента соответственно;/7 = с2/с,; и2 =/3 /А .На рисунке 4 приведены зависимости усилий, передаваемых на корпус насоса при ударной посадке тарели клапана, от времени при различныхзначениях отношения Е, / £3 (рх I р3 -10; ^о =1 Л'с; /Ь " W ■ к# ■с' л ),полученные численным решением системы дифференциальных уравнений (2). Cs-X, l»:-E,'£:>.H2000 t rtІ/, 11500 \!I f I GOO500-500 ад^оЛ! 0.0005 mi 0.0015 0.00201, сA/ft-io; (w,£,£j).H10O0» ,, . * 600 400 200|| soo£;/£, = so> .200C#>5ШЇ0 0,0015" 0,0020 (, С ЛЛ; (МгЕ: Я;) H6О0І -•СГЛ; (»,£, 'f;! H 500 \ '4001 •' 300 j 200 100$/E,= 10Q0.005' (,0015 0,0020 !'cT400300 200J00A^/£3=150Ot0005 O.OfclO "0.0015 0,01)101, С Рисунок 4 - Зависимости усилий, передаваемых на корпус насоса,от временипри различных значениях отношения Ех I Е} max s 14 На рисунке 5 приведены значения максимальных усилий Ft передаваемых на корпус насоса, и их частот /' в зависимости от свойств материалов клапана и виброизолятора (Е] I Ег).') г_н «) А Гц 4000 -, 3S0D •300Э2000 \ гш і 2000 V; \ 1SO0: V ш; V 100С \ 1000 ' ч » ч. ••——* 100 3500 ЗООО 4» 2S00 о 1O0 20C 300 400 500 R» J^/£3 ° » » l50 20° 2W зсо зьс £J/£3p,/>, = 10; /л = 10000 ff-c/jif, K, = I л-г/с; /?2=4 Рисунок 5 - Зависимость максимальных усилий fj1Klx, передаваемых на корпус насоса, и их частот колебаний /' от свойств материалов клапана ивиброизолятора (ех/ £3 )Решение системы дифференциальных уравнений (2) показшто, что наличие упругого элемента между седлом клапана и корпусом насоса позволяет на порядок уменьшить величину передаваемых усилий и частоту колебаний. Как видно из рисунка 5, что при отношении £,/£3>100 максимальные усилия i'max, передаваемые на корпус насоса, достаточно резкоуменьшаются.В третьей главе приводятся технические решения посовершенствованию конструкции клапанов буровых поршневых насосов. В процессе разработки новых конструкций при расчете геометрических и рабочих параметров клапанов использовались методики, приведенные в ранее выполненных работах Л.С. Айрапетова, М.А. Караева, Я.С. Мкртычан и других авторов. В качестве исходного показателя для расчета размеров клапанов принималось максимальное значение средней скорости рабочей жидкости в щели. Данный параметр позволяет объективно оценить15 количество жидкости, протекающей через клапан за рабочий цикл. Исходя из этой величины, рассчитывалась площадь проходного сечения клапана, высота подъема тарели, диаметр гидравлической коробки бурового насоса. Далее рассчитывали давление в клапане, определяли нагрузку на терель и выбирали пружину.Согласно полученным теоретическим данным для обеспечения герметичности при посадке тарели клапана на седло разработана конструкция клапана (пат. РФ № 41825 на полезную модель), схема и отдельные элементы которой показаны на рисунках 6 и 7.Клапан содержит седло 1, тарель 2, уплотнительиое кольцо 3. прижимную втулку 4. упорную гайку 5 и крестовину 6. При этом тарель клапана снабжена хвостовиком 7 и ограничителем подъема 8. Рисунок 6 - Схема конструкции клапана бурового насоса (Патент РФ №41825) 1   2   3   4   5

21Продолжение таблицы 2


005049055

На правах рукописи



АБДЮКОВ А РИМА ЯВДАТОВНА

Совершенствование тарельчатых клапанов буровых поршневых насосов

Специальность 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы»

(нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

31 ЯНВ 2013

Уфа-2013

Работа выполнена на кафедре «Нефтегазопромысловое оборудование» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Багаутдинов Наиль Явдатович

Бажайкин Станислав Георгиевич

доктор технических наук, профессор, ГУП «ИПТЭР», заместитель генерального директора


Ведущая организация

Тимашев Эдуард Олегович

кандидат технических наук, ООО «СамараНИШнефть», заместитель генерального директора

«ТатНИПИнефть» ОАО «Татнефть» им.В.Д.Шапшна

Защита состоится «15» февраля 2013 года в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Автореферат разослан у» января 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

.*'

^ ■*

/S* Ризванов Риф Гарифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Достижение высокого уровня добычи нефти и газа на современном этапе реализуется увеличением глубины бурящихся скважин и созданием новых сырьевых баз в отдаленных и труднодоступных регионах. Особое место в процессе бурения, ремонта и освоения скважин занимают буровые и нефтепромысловые насосы. Они являются не только основными потребителями энергии, но и центральным звеном в функциональной схеме буровой установки, которое должно сохранять работоспособность в процессе всего срока проводки ствола скважины. Выход из строя буровых насосов приводит к потери циркуляции промывочной жидкости, что является причиной возникновения аварий и осложнений, ликвидация которых связана с большими материальными и временными затратами,

Усложнение технологии бурения нефтяных и газовых скважин и их капитального ремонта способствовало существенному увеличению рабочих параметров насосов, в первую очередь давления нагнетания. Это предопределило потребность в буровых насосах мощностью до 1000 кВт при давлении на выходе свыше 50 МПа.

Увеличение объемов добычи нефти и газа требует соответственно и повышения затрат на изготовление оборудования, его ремонт и техническое обслуживание. Одним из резервов роста производительности, снижения затрат на эксплуатацию оборудования является повышение его долговечности. Особое значение имеет обеспечение необходимого уровня работоспособности буровых насосов, так как от них во многом зависит качество проведения технологических операций, а значит и эффективность последующей эксплуатации нефтяных и газовых скважин. В среднем третья часть отказов буровой установки приходится на долю буровых насосов.

Работоспособность буровых поршневых насосов в основном определяют сменные детали гидравлической части; поршни, цилиндровые

4

втулки, клапаны, уплотнения. Использование абразивосодержащих и агрессивных рабочих сред при высоком давлении снижает и без того крайне низкий технический ресурс деталей гидравлической части насосов. В экстремальных условиях эксплуатации срок службы деталей гидравлической части иногда составляет десятки часов. Замена быстроизнашивающихся деталей требует наличия резервного насоса, значительных материальных и трудовых затрат с применением тяжелого ручного труда в экологически неблагоприятных условиях. Обеспечение требуемой долговечности узлов и деталей гидравлической части является одной из основных задач при проектировании насосов.

Одним из важных элементов гидравлической части насосов являются клапаны. Их функционирование во многом определяет степень совершенства конструкции насоса (высоту всасывания, величину объемного КПД и коэффициент подачи), динамику работы насосного агрегата (неравномерность крутящего момента на валах). Согласно нормативных требований, совершенствование конструкции и эффективность функционирования буровых насосов в основном сводится к ограничению механических и гидравлических потерь в насосе. Поэтому дальнейшие исследования в направлении поиска новых конструкторских и технологических решений, направленных на увеличение ресурса клапанов, представляются перспективными и актуальными, что позволит повысить технико-экономические показатели работы буровых насосов и процесса бурения в целом.

Цель диссертационной работы

Повышение эффективности эксплуатации буровых поршневых насосов совершенствованием конструкции тарельчатых клапанов путем уменьшения динамических нагрузок при ударной посадке тарели на седло.

Основные задачи исследований

1
Анализ условий эксплуатации буровых поршневых насосов и причин их отказов.

5

  1. Оценка эффективности работы клапанов буровых поршневых насосов и анализ их износа.

  2. Аналитические исследования динамики клапанов буровых поршневых насосов.

  3. Экспериментальные исследования вибрации клапанов буровых поршневых насосов.

  4. Разработка конструкции клапана бурового насоса с элементами виброзащиты.

Методы решения поставленных задач

Поставленные задачи решались путём экспериментальных и аналитических исследований с использованием апробированных методик. Обработка результатов проводилась с использованием современных математических методов, вычислительной техники.

Научная новизна работы

  1. Статистическим анализом характерных отказов буровых поршневых насосов установлено, что одной из причин низкого ресурса клапанов является их низкочастотная вибрация, возникающая при ударной посадке запорного элемента и обусловленная режимом работы насоса.

  2. Выполнено аналитическое решение научной задачи, связанной с разработкой и исследованием математической модели клапанной коробки поршневого насоса как динамической системы с линейными коэффициентами демпфирования при продольных колебаниях в процессе передачи усилий от тарели клапана к седлу и корпусу насоса.

  3. Аналитически установлена гиперболическая зависимость усилий в клапанной системе, возникающих при посадке тарели на седло, от модуля упругости уплотнительного эластомера.

4 Предложен алгоритм подбора эластомера клапана бурового насоса с
точки зрения исключения вероятности появления резонансных колебаний в
насосе, возникающих при ударной посадке тарели на седло клапана.

6

Основные защищаемые положения


  1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований динамики тарельчатых клапанов буровых поршневых насосов.

  2. Рекомендации по выбору материала эластичного элемента для виброизоляции клапанов.

3 Технические решения, направленные на уменьшение усилий,
передающихся от клапана корпусу насоса.

Практическая ценность работы

  1. Разработан экспериментальный стенд для исследований вибрации клапанов буровых поршневых насосов.

  2. Разработаны конструкции тарельчатых клапанов для буровых поршневых насосов, уменьшающие величину максимальных ударных усилий при посадке тарели на седло.

  3. Разработано учебно-методическое пособие по изучению динамики клапанов бурового поршневого насоса 9МГр, используемое в учебном процессе Филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Октябрьский при выполнении лабораторных работ по курсу «Техника и технология бурения нефтегазовых скважин» для студентов специальности 130602 «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов».

Апробация работы Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Межвузовских научно-технических конференциях «Проблемы нефтедобычи Волго-Уральского региона» (г. Уфа, 2000 г.) и «Нефть и газ- 2001: проблемы добычи, транспорта и переработки» (г.Уфа, 2001 г.), Международной научно-практической конференции «Нефтегазовые горизонты» (г. Москва, 2011 г.), научных семинарах кафедры нефтепромысловых машин и оборудования Октябрьского филиала и кафедры нефтегазопромыслового оборудования Уфимского государственного нефтяного технического университета.

7

Публикации по теме диссертации

Основное содержание диссертации опубликовано в 17 печатных трудах,

Смотрите также файлы