Модернизация клапанной группы УНБ-600-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

4 УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ КЛАПАННАЯ ГРУППА

Известны буровые поршневые насосы, гидравлическая часть которых содержит две клапанные группы напорную и всасывающую, состоящие из седла, запорного органа - клапана и предназначенные для обеспечения процессов нагнетания и всасывания.
При работе таких насосов на двухфазных средах типа "жидкость - твердый компонент" - в виде кварцевого песка мелкого помола и специального порошка-пропандта происходит интенсивное разрушение кольцевых посадочных поверхностей седла, клапана и разрушение упругого резинового диска.
Наиболее близким техническим устройством к изобретению является клапан насоса по SU 541044, кл. F 04 В 21/02, F 16 К 15/10, 30.12.1976, бюл. 48 (автор И. Д. Ливак), который показан рисунок 3.7 (сохранена нумерация автора). Клапан состоит из запорного органа 1 и седла 2, имеющих кольцевые конические посадочные поверхности 5 и 6. На запорном органе установлен упругий диск-манжета (номер позиции отсутствует). На нижнем торце 3 запорного органа и на верхнем торце 4 седла выполнены кольцевые выступы 7 и 8, образующие вместе со щелью демпфирующую полость 9.
По мнению автора, главной причиной разрушения кольцевых посадочных поверхностей запорного органа и седла и разрушения упругого диска-манжеты являются удары запорного органа о седло. Основной целью рассматриваемого
технического решения является "повышение надежности и долговечности клапанов путем мягкой посадки запорного элемента на седло", что обеспечивается выполнением указанных выше кольцевых выступов 7 и 8 и образованием демпферной полости 9.
Однако анализ реальной картины состояния указанных выше элементов - кольцевых посадочных поверхностей запорного органа клапана, седла и упругого диска на буровых насосах показывает, что их разрушение происходит вследствие действия других причин.
Прежде всего следует отметить, что конструктивно уплотняющую поверхность упругого диска выполняют так, чтобы она выступала за контур конической уплотняющей поверхности запорного органа - клапана. В противном случае упругий диск не может выполнять функции элемента уплотнения.
Во время роботы насоса при подъеме клапана и при его опускании наименьший зазор щели образуется между уплотнительной
поверхностью седла и поверхностью упругого диска клапана. При этом пщ«пк, где hK - величина подъема клапана. Такое сужение щели начинает работать как дросселирующий элемент, для которого характерны высокие скорости истечения. В результате воздействия высокоскоростных струй жидкости, содержащей твердый компонент, происходит интенсивное разрушение рабочей
поверхности упругого диска и отдельных участков уплотнительных поверхностей клапана и седла.
Одновременно с указанным при опускании клапана до момента полного перекрытия зазора между упругим диском и уплотнительной поверхностью седла в щель между клапаном и седлом проникают твердые частицы, имеющие размеры, меньшие зазора на входном участке щели. Так как твердые частицы не могут пройти через сужение щели в районе упругого диска, они задерживаются и защемляются между клапаном и седлом. В результате клапанная группа насоса теряет уплотнительные свойства и выходит из строя. По данным эксплуатации ресурс таких клапанных групп буровых насосов не превышает 10-15 часов, после чего следует ремонт бурового насоса и замена клапанных групп на новые.
Известное техническое устройство не предназначено для устранения причин разрушения, рассмотренных выше устранения высокоскоростных струй жидкости в районе уплотняющей поверхности упругого диска и устранения защемления твердых круглых частиц в щели между седлом и клапаном.
Совокупность всех признаков известного устройства направлена только на устранение ударов запорного органа о седло. Более того, наличие верхнего кольцевого выступа 8 ухудшает условия работы упругого диска, так как образование дроссельного сужения щели и появление высокоскоростных струй жидкости наступает ранее и при больших значениях подъема клапана, чем для существующих клапанных групп. При этом раньше начинается заполнение щели между седлом и клапаном твердыми частицами, так как их не пропускает образовавшееся сужение щели.
Более тщательный анализ работы известного устройства показывает, что на начальном этапе демпфирования должны одновременно прикрываться дроссельные сужения на входном и на. выходном участках щели между седлом и клапаном. В этом случае твердые частицы, попавшие в щель полностью защемляются, а за счет динамического (ударного) повышения давления в щели возможно прямое механическое разрушение (разрыв) уплотняющей поверхности упругого диска как менее прочного элемента.
Цель изобретения - устранение возможности разрушения рабочей поверхности упругого диска клапана воздействием высокоскоростных струй жидкости и уменьшение интенсивности разрушения уплотняющих поверхностей седла и клапана за счет устранения защемления крупных твердых
частиц между ними.
Указанная цель достигается тем, что на клапане ниже конической уплотняющей поверхности выполняют цилиндрический поясок-плунжер высотой Зч-5 мм, имеющий в нижней части острую отсечную кромку, а верхнюю часть седла клапана обрабатывают с высокой точностью для обеспечения гарантированного диаметрального зазора между цилиндрическим пояском клапана и отверстием седла в пределах δ<0,2 мм.
Высота цилиндрического пояска-плунжера 3-5 мм определяется из двух противоположных требований: с одной стороны - технологические трудности точной обработки цилиндрической поверхности высотой менее 3-х мм, и с другой -необходимостью ограничения максимальной высоты подъема клапана hKmax , которая определяется соотношением
hKmax =hщmax +hn (4.1)
где hщmax - максимальная высота подъема клапана, необходимая для пропускания определенного расхода жидкости;
hn - высота цилиндрического пояска.
По имеющимся литературным данным
hKmax <15-18 мм.
Величина диаметрального зазора 5 между цилиндрическим пояском и отверстием седла определяется из условия исключения защемления клапана при деформации тарелки, нагруженной максимальным перепадом давления.
По принципу работы пара "цилиндрический поясок - отверстие седла" является элементом запорного органа золотникового типа.
На рисунке 4.1 показана упрощенная конструктивная схема предлагаемой клапанной группы бурового поршневого насоса, где обозначено:
1- седло;
2- клапан;
3- резиновый диск 4;
4- рабочая (уплотняющая) поверхность резинового диска;
5- уплотняющая поверхность клапана;
6- уплотняющая поверхность седла;
7- цилиндрический поясок-плунжер;
8- острая отсечная кромка пояска;
9- специально обработанный (точный) участок отверстия седла;
hK - высота подъема клапана;
hщщ - высота щели в районе резинового диска.
Работа предлагаемого устройства показана на рисунке 4.1. При подъеме клапана 2 течение жидкости по щели между уплотняющими поверхностями 5 и 6 седла и клапана начинается только после появления зазора h K между отсечной кромкой 8 цилиндрического пояска 7 и поверхностью 6 седла. При полностью открытой щели в районе упругого диска за счет поворота потока под действием отсечной кромки 8 пояска клапана струи жидкости двигаются вдоль конической уплотнительной поверхности 6 седла, смывая твердые частицы, и проходят район упругого диска 3 при меньших скоростях, чем скорость жидкости в районе отсечной кромки 8.
Аналогичное явление происходит при опускании клапана 2 на седло 1. В начальный момент начинает уменьшаться высота h K между отсечной кромкой 8 цилиндрического пояска 7 и поверхностью 6 седла при сохранении достаточно большой высоты щели hщ между уплотнительными коническими поверхностями 5 и 6 седла и клапана, 4 и 6 седла и упругого диска. При этом hЩ>hК. По мере уменьшения высоты h K, образованной кромкой цилиндрического пояска, размер твердых частиц, которые могут проникнуть в щель между седлом и клапаном резко снижается, а попавшие в щель - смываются струями жидкости. При подходе отсечной кромки цилиндрического пояска к положению нулевой высоты (hK>0) движение жидкости по щели между уплотнительными коническими поверхностями 5 и 6 седла и клапана практически прекращается за счет того, что акустическая проводимость щели между пояском и седлом при неустановившемся движении жидкости становится равной нулю.
В результате окончательная посадка клапана на седло происходит при отсутствии потока жидкости по щели между ними и при отсутствии твердых частиц в щели.
Таким образом, в результате введения в конструкцию клапанной группы бурового поршневого насоса новых элементов цилиндрического пояска определенной высоты, имеющего в нижней части острую отсечную кромку, и выполнения определенного зазора между цилиндрическим пояском и отверстием седла, обеспечивается уменьшение интенсивности разрушения упругого уплотнительного элемента клапана и исключается защемления крупных твердых частиц в щели между клапаном и седлом, что приводит к увеличению ресурса клапанной группы.

3.3 Патентная проработка

За прошедшие годы, в течение которых проводилась эксплуатация буровых насосов, стали известны причины разрушения и выхода из строя клапанных узлов. Соответственно были предложены конструктивные решения, устраняющие некоторые негативные факторы при работе клапанного узла, которые приводили к его разрушению.
Так, например, была предложена конструкция клапана поршневого насоса Я.С. Мкртычаном (авторское свидетельство № 503040, бюллетень №6, 15.02.76). Известны клапаны с эластичным уплотнением и кольцевой щелью между седлом и запорным элементом, образованной до посадки на седло. Целью изобретения является повышение срока службы клапана за счет устранения выдавливания уплотнителя в уплотняемую кольцевую щель между седлом и запорным элементом ( рисунок 3.4).

Рисунок 3.4- Клапан с упругой шайбой
Это достигается тем, что между поверхностями эластичного уплотнителя с одной стороны и запорного элемента и седла с другой установлена упругая шайба, повторяющая форму уплотнителя.
Клапан состоит из седла 1, запорного элемента 2, на котором закреплен эластичный уплотнитель 3 с помощи гайки 4. Эластичный уплотнитель имеет форму сечения, близкую к каплевидной, и образует с ответными поверхностями седла 1 и запорного элемента 2 кольцевую камеру 5. Между поверхностями эластичного уплотнителя 3 с одной стороны и седла 1и запорного элемента 2-е другой установлена упругая шайба 6, повторяющая форму уплотнителя 3. Сопряженные конические поверхности седла и запорного элемента образуют уплотняемый зазор 7.
При закрытии клапана вначале эластичный уплотнитель 3, а затем шайба 6 касаются седла 1, после чего происходит смыкание опорных горизонтальных поверхностей запорного элемента 2 и седла, образующих по коническим поверхностям гарантированный зазор 7 в виде кольцевой щели.
В связи с тем, что модуль упругости шайбы 6 значительно выше, чем у материала уплотнителя 3, то после ее касания седла 1 деформация уплотнителя резко снижается, а выдавливание его в кольцевую щель 7 исключается.
Известно, клапанный узел имеет коническое седло, установленное в конической расточке корпуса, и подпружиненную тарелку клапана с неподвижно закрепленным на ней уплотнительным элементом. Однако в таком узле при закрытии клапана под действием давления нагнетания возникают значительные напряжения на поверхности расточки корпуса и в седле.
Поэтому СВ. Ловчев предложил изобретение, позволяющее снизить эти напряжения (авторское свидетельство № 566957, бюллетень № 28, 30.07.77). В предлагаемом клапанном узле уплотнительный элемент поджат пружиной и выполнен подвижным относительно внешней цилиндрической поверхности тарелки, на которой установлены ограничители его движения, а в расточке корпуса размещен амортизатор для взаимодействия с торцом тарелки.

Рисунок 3.5-Клапан с амортизатором

Клапанный узел содержит коническое седло 1 (рисунок 3.5), размещенное в конической расточке корпуса 2, тарелку 3, на внешней цилиндрической поверхности которой установлен уплотнительный элемент 4, пружину 5 с шайбой 6 и амортизатор 7 с упругими элементами.
Уплотнительный элемент 4 армирован жесткой втулкой 8 и поджат пружиной 5 через шайбу 6. При этом он выполнен подвижным относительно внешней цилиндрической поверхности тарелки 3, на которой имеются ограничители 9 и 10 его движения.
Для взаимодействия с торцом тарелки 3 амортизатор 7 размещен в расточке корпуса 2.
Усилие сжатия упругих элементов амортизатора 7 выбрано равным выталкивающему усилию, которое возникает в закрытом клапанном узле от действия давления нагнетания на тарелку 3.
При закрытии клапана подвижный подпружиненный уплотнительный элемент 4 садится на посадочный поясок седла 1, а тарелка 3 взаимодействует не с седлом 1, а с амортизатором 7,способствующим обеспечению плавного нагружения деталей клапанного узла и других деталей поршневого насоса.
Поскольку значительная часть осевой нагрузки в закрытом клапанном узле воспринимается через тарелку 3 амортизатором 7, действие силы, вдавливающей седло 1 в расточку корпуса 2, уменьшено. В результате этого напряжения в седле 1 и на поверхности конической расточки корпуса 2, возникающее под действием высоких давлений нагнетания, незначительны, и смятия, а также динамического схватывания сопряженных поверхностей указанных деталей в процессе работы не происходит.
В.В. Стукун предложил клапан поршневого насоса с демпфирующим устройством (авторское свидетельство № 1448096, бюллетень № 48, 30.12.88), которое позволяет повысить надежность и долговечность клапана путем устранения динамических нагрузок, вызванных гидравлическими ударами, возникающими при автоколебаниях запорного элемента, и ударами при его посадке на седло.


Рисунок 3.6-Клапан с демпферующим узлом

Клапан поршневого насоса, содержащий крышку 1 (рисунок 1.6) с герметичной внутренней полостью 2, клапанное седло 3, запорный элемент 4 с направляющим хвостовиком, выполненным в виде плунжера 5, два гидравлических демпфирующих устройства, каждое из которых содержит упругую камеру 6, установленную в защитном колпаке 7 с отверстиями 8, который расположен в перекачиваемой среде. Внутренняя полость упругой камеры посредством дроссельных отверстий 9 соединена с внутренней полостью 2 крышки 1, заполненной маслом и закрытой пробкой 10.
При подъеме запорного элемента 4 плунжер 5 входит в герметичную полость 2, при этом масло не успевает перетекать через дроссельные отверстия 9 в упругие камеры 6 и давление в полости 2 повышается, что вызывает торможение запорного элемента 4. При опускании запорного элемента 4 масло не успевает поступать в полость 2 из упругих камер 6, в полости 2 давление падает, что также вызывает торможение запорного элемента.
Благодаря наличию отверстий 9 в защитном колпаке 7 упругие камеры 6 находятся непосредственно в перекачиваемой среде и давление в них равно давлению перекачиваемой среды. Демпфирование происходит лишь за счет энергии, рассеиваемой при прохождении масла через дроссельные отверстия 9, и не зависит ни от давления перекачиваемой жидкости, ни от высоты подъема клапана, то есть достигается равномерная стабилизация скорости клапана и исключается возможность автоколебаний.
Другая оригинальная конструкция была предложена И.Д. Ливаком (авторское свидетельство № 709832, бюллетень № 2, 15.01.80). Целью изобретения является повышение эффективности работы клапана путем увеличения быстродействия и снижения гидравлических потерь в проточной части.
Это достигается тем, что в предлагаемом клапане (рисунок 3.7) поверхности кольцевых выступов, обращенные к посадочным поверхностям запорного элемента и седла, выполнены коническими, причем направление конусности противоположно направлению потока перекачиваемой жидкости.

Рисунок 3.7- Клапан с коническим пояском

Клапан насоса состоит из запорного элемента 1 и седла 2. На обращенных друг другу торцах 3 и 4 запорного элемента 1 и седла 2 выполнены кольцевые посадочные поверхности 5 и 6 и два выступа 7 и 8, имеющих конические поверхности 9 и 10, образующих совместно с внешним 11 и внутренним 12 диаметрами конусные щели 13 и 14, причем направление конусности противоположно направлению потока жидкости.
Посадка запорного элемента 1 на седло 2 при прохождения зоны демпфирования осуществляется с замедлением по мере приближения запорного элемента 1 к седлу 2, причем с увеличивающейся интенсивностью. Величина угла конуса поверхности 9 и 10 выбрана из условий максимального быстродействия и безударной посадки запорного элемента 1 на седло 2.