ЦНС-300 с модернизированным подшипниковым узлом-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

РЕФЕРАТ

Целью моего дипломного проекта является разработка наземного насоса ЦНС-300 с модернизированным подшипниковым узлом.
В дипломном проекте произведен анализ существующих конструкций отечественных и зарубежных центробежных насосов.
Основными причинами влияющими на отказ насосов ЦНС-300 является износ колец разгрузки, следствие чего приводит к выходу из строя щелевых уплотнений и снижению производительности насоса. Износ подшипников и износ посадочных гнезд в кронштейнах увеличивает вибрацию насоса, что приводит к преждевременному выходу насоса из строя.
Дипломный проект состоит из пояснительной записки и графической части.
Пояснительная записка включает в себя три раздела: техническая, экономическая часть и раздел безопасности и экологичности проекта. В технической части проводится обзор применяемого оборудования, описание конструкции и принципа работы центробежного насоса ЦНС 180-1900, необходимые расчеты надежности конструкций. Раздел безопасности и экологичности проекта рассматривает вопросы охраны труда и окружающей среды. Экономическая часть раскрывает оценку экономической эффективности внедрения разработанной конструкции.
Пояснительная записка объемом 89 машинописных листа формата А4, содержит 35 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 19 наименований.
Графическая часть состоит из графического материала объемом в количестве 10 листов чертежей, выполненных на формате А1.

2. ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОЙ РАЗРАБОТКИ

2.1. Выбор прототипа

По результатам проведенного анализа конструкций отечественных и зарубежных насосов для перекачки нефти, за прототип принят насос ЦНС 300 производства Ясногорского машиностроительного завода, г. Ясногорск Тульской области, как хорошо зарекомендовавший себя в работе и как одна из моделей массового применения в регионе.

2.2. Описание базовой конструкции насоса

Насосы центробежные многоступенчатые секционные ЦНС 300-120...600 предназначены для перекачивания обводненной газонасыщенной и товарной нефти с температурой от 274o К (1o С) до 318o К (45o С) в системах внутрипромыслового сбора, подготовки и транспорта нефти.
Допускается перекачивание нефти с температурой до 333 oК (60o С) при условии применения системы принудительного охлаждения подшипников.
Перекачиваемая нефть должна соответствовать физико-химическим характеристикам приведенным в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Физико-химические характеристики нефти

Физико-химические характеристики нефти Единица
измерения Показатели
Плотность кг/м3 700-1050
Кинематическая вязкость м2/с 1,5·10-4
Водородный показатель рН 7-8,5
Давление насыщенных паров, не более ГПа 665
Содержание газа (объемное), не более % 3
Содержание парафина, не более % 20
Содержание механических примесей с размером твердых частиц до 0,2 мм и микротвердостью 1,47 Гпа, не более % 0,2
Обводненность, не более % 90

Агрегаты могут применяться для перекачивания воды с водородным показателем рН=7-8,5; с массовой долей механических примесей не более 0,2%; размером твердых частиц не более 0,2 мм и плотностью не более 1500 кг/м3.



Давление на входе в насос 0,05-0,6 МПа (0,5-6 кг/см2).
Основные параметры насоса соответствующие номинальному режиму работы на воде с температурой 20o С, плотностью 997 кг/м3 и при барометрическом давлении 1013 Гпа (760 мм рт. ст.) должны соответствовать указанным в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Основные параметры насоса

Обозначение
насоса Подача,
м3/ч Напор,
м Частота
вращения,
об/мин Допускаемый
кавитацион-ный запас, м не более Мощность насоса,
кВт
ЦНС 300-120 300 120 1475 6 140
ЦНС 300-180 300 180 1475 6 210
ЦНС 300-240 300 240 1475 6 280
ЦНС 300-300 300 300 1475 6 350
ЦНС 300-360 300 360 1475 6 420
ЦНС 300-420 300 420 1475 6 490
ЦНС 300-480 300 480 1475 6 560
ЦНС 300-540 300 540 1475 6 630
ЦНС 300-600 300 600 1475 6 700

Насос (рис. 2.1.) состоит из корпуса и ротора. К корпусу относится крышка всасывания 5, крышка нагнетания 6, корпуса направляющих аппаратов 1, с направляющими аппаратами 21 и кронштейны 7 и 8. Корпуса направляющих аппаратов и крышки стягиваются стяжными болтами 35 или 34 с гайками 57 или 58. Стыки корпусов направляющих аппаратов уплотняются резиновыми кольцами выполненными из маслостойкой и бензостойкой резины.
Ротор насоса состоит из вала 9, на котором установлены рабочие колеса 20, 22, кольцо 11, рубашка вала 19, втулка дистанционная 12, кольца регулировочные 36 и диск разгрузки 14. Все эти детали стягиваются на валу гайкой ротора 15.
Опорами ротора служат два радиальных сферических подшипника 59, которые устанавливаются в кронштейнах 7 и 8 по скользящей посадке, позволяющей перемещаться ротору в осевом направлении на величину «разбега» ротора.
Подшипниковые камеры уплотняются манжетами 2, установленными в крышках 33 и отбойными кольцами 39 с наружной стороны крышек. Кронштейн 8 с наружной стороны закрыт глухой крышкой 30.
Места выхода вала ротора из корпуса уплотняются сальниковой набивкой 60. Кольца сальниковой набивки устанавливаются на валу с относительным смещением на 120o и поджимаются втулкой сальника 18.


Корпус направляющего аппарата, аппарат направляющий, колесо рабочее, кольца уплотняющие 24, 25 в своей совокупности образуют секцию насоса.
Работа насоса основана на взаимодействии лопаток вращающегося рабочего колеса и перекачиваемой жидкости.
Вращаясь, рабочее колесо сообщает круговое движение жидкости, находящейся между лопаток. Вследствие возникающей центробежной силы жидкость от центра колеса перемещается к внешнему выходу.
Выйдя из первого рабочего колеса, жидкость поступает в каналы направляющего аппарата и затем во второе колесо, с давлением, созданным первой ступенью, из второй ступени жидкость поступает с удвоенным давлением в третье рабочее колесо и т.д.
Вышедшая из последнего рабочего колеса жидкость через направляющий аппарат на выдаче поступает в крышку нагнетания, а из нее в напорный трубопровод.
Во время работы насоса, вследствие давления жидкости на неравные по площади боковые поверхности рабочих колес, возникает осевое усилие, которое стремиться сместить ротор насоса в сторону всасывания.
Для уравновешивания осевого усилия в насосе применяется гидравлическая пята, состоящая из диска разгрузки 14, втулки разгрузки 13, втулки дистанционной 12, колец разгрузки 16 и 17.
Жидкость из полости за последней ступенью проходит через кольцевой зазор между втулкой разгрузки и дистанционной втулкой, давит на диск разгрузки с усилием, равным по величине сумме усилий, действующей на рабочее колесо, но направленную в сторону нагнетания. Таким образом, ротор насоса оказывается автоматически уравновешенным.
Выходящая из разгрузочной камеры жидкость частично проходит между гайкой вала и набивкой, охлаждая ее, остальная по трубке разгрузки подводится в камеру всасывания или на приемный патрубок насоса.

2.3. Анализ основных неисправностей и причин отказов

Анализ основных неисправностей и причин отказов насосов ЦНС 300 был произведен на основании данных, взятых в ремонтном цехе No4 НЦБПО АО «Юганскнефтегаз» и экспертных оценок механиков, обслуживающих насосные агрегаты на промыслах.
Опрос экспертов показал, что основными причинами влияющими на отказ насосов является износ колец разгрузки, следствие чего приводит к выходу из строя щелевых уплотнений и снижению производительности насоса. Износ подшипников и износ посадочных гнезд в кронштейнах увеличивает вибрацию насоса, что приводит к преждевременному выходу их из строя. Истирание рабочих поверхностей рубашки вала и гайки ротора приводит к невозможности обеспечить необходимую герметичность насоса. Если гайку ротора можно заменить при проведении ППР, то рубашку вала можно менять только при проведении капитального ремонта, что также влияет на срок службы насоса.
На основании анализа работы, можно сделать вывод, что быстро изнашиваемыми деталями насосов ЦНС-300, влияющие на общую наработку насосов до отказа, являются: детали ротора, узла разгрузки и подшипниковые узлы. А именно: кольца разгрузки; рубашка вала; гайка ротора; втулка сальниковая; подшипники; кронштейн задний; кронштейн передний.
Так как невозможно устранить причины вызывающие быстрое изнашивание данных видов деталей, такие как: загазованность перекачиваемой сырой нефти, условия трения сальниковых уплотнений и т.д., - мною, в данной дипломной работе, предлагается вариант модернизации опорно-уплотнительного узла, исключающей в своей конструкции наиболее слабые узлы и детали насоса.

2.4. Патентная проработка

Патентный поиск проводился на глубину 20 лет по разделам: торцовые уплотнения и опоры валов центробежных насосов.
В результате патентного поиска обнаружены авторские свидетельства и патенты, в описании которых приводятся технические решения аналогичные вариантам модернизации данного дипломного проекта. Одно из этих технических решений положено в основу предлагаемой модернизации.
На основании исследования недостатков насосов марки ЦНС была выбрана патентная разработка А.С. No22149 F16J 15/00 по заявке No4852252/29 от 16.09.90 г. на изобретение в области опорно-уплотнительных узлов под авторством Касаткина А.П. Обладателем является индивидуальное семейное предприятие «Эконда». [9]
Известен также уплотнительный узел, содержащий корпус насоса с приемным и выходным патрубком, опирающийся на концевые опоры вала, торцевое уплотнение. [13]
Недостатком известного устройства является низкая надежность при работе в агрессивных средах.
Известно устройство опорно-уплотнительного узла насоса, содержащего корпус насоса с приемным и выходным патрубками, вал, опирающийся на концевые выносные опоры, находящиеся в масле или консистентной смазке, концевые уплотнения вращающегося вала в виде торцевого уплотнения, включающего корпус, вращающиеся и невращающиеся контактные кольца пары трения, поджатые друг к другу поджимными упругими элементами, карманы утечек для обеспечения приема жидкости и отвода ее в безнапорную емкость (Майер Э., Торцовые уплотнения, М., Машиностроение, 1978, стр. 259).
Недостатком известного устройства является низкая надежность элементов конструкции узла за счет малого предела прочности материала силицированного графита при растяжении, изгибе и низкой ударной вязкости, из которого выполнены опоры подшипников скольжения и кольца пары трения.
2.5. Описание модернизации

Опорно-уплотнительный узел имеет две опоры, которые размещены в крышке всасывания 19 и крышке нагнетания 7 (рис. 2.2.) и представляют из себя подшипники скольжения. Внутренние обоймы подшипников фиксируются на валу фиксаторами 40 и поджимаются с рабочей стороны монтажной гайкой 21 и металлическим кольцом 39, а с другой стороны только металлическими кольцами 39. Внутренняя обойма подшипников выполнена со срезами торцевых поверхностей под углом 45o в форме усеченного конуса, металлические кольца 39 и гайка 21 выполнены с ответной, упомянутым торцевым поверхностям внутренней обоймы, поверхностью. Наружные обоймы подшипников 42 расположены во втулках 35 и 23 по напряженной посадке с обязательным подогревом втулок. Наружная обойма подшипников имеет два продольных канала для прохода рабочей жидкости, которые выполнены по внутреннему диаметру обоймы. Рабочая жидкость, проходя через подшипники, по каналам, охлаждает их и образует устойчивую жидкостную пленку. По трубопроводу рабочая жидкость из разгрузочной камеры поступает на торцевое уплотнение 44.
Концевое уплотнение вращающегося вала расположено последовательно за опорой и выполнено в виде плавающего торцового уплотнения. Аксиально-подвижная втулка 29 с удлиненной юбкой расположена в корпусе 24 торцевого уплотнения. Втулка удерживается от проворота фиксаторами 25. Корпус 24 выполнен со ступенчатой внутренней расточкой, в которой расположена пружина 33, выполняющая функцию подвижного упругого элемента. Пружина поджата торцом подвижной регулировочной гайки 26. На вал также устанавливается гладкая рубашка 22 с упорным гнездом, в котором закреплено вращающееся контактное кольцо 44 пары трения. Гладкая рубашка 22 зафиксирована на валу гайкой 32. Корпус поджат поджимным фланцем 28. Вокруг вращающегося вала для защиты от агрессивной среды установлена защитная втулка. Поджимной фланец 28 стягивается шпильками.
Все детали опорно-уплотнительного узла герметизируются от утечек рабочей жидкости маслобензостойкими резиновыми кольцами.
Подшипники и контактные кольца пары трения 44 выполнены из силицированного графита.
Поджимная пружина выполнена с большим ходом и расположена со стороны торцевой юбки. Ход аксиально-подвижной втулки 9-12 мм, что позволяет предохранить пару трения торцового уплотнения 44 от перегрузок при возможном аварийном износе колец разгрузки.
Применение в насосах современных высокопрочных и износостойких материалов СГ-П, СГ-Т (силицированного графита) позволило создать вариант экологически чистого насоса, работающего без пропуска жидкости через трущуюся контактную пару торцевого уплотнения. Физико-химические показатели силицированного графита приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3. Физико-химические показатели силицированного графита

Свойства Ед.
изм. Марка графита
  СГ-Т СГ-П
Плотность, не менее 
2300 2200
Предел прочности, не менее
- при сжатии
- при изгибе
- при растяжении 

294,2
88,2
39,2 
411,9
98,1
49,0
Ударная вязкость 
2,75 3,98
Модуль упругости 
0,93 1,24
Коэффициент теплопроводности 
73 112
Коэффициент термического расширения при (20-1000oС) 
4,6 4,2
Коэффициент трения  0,05 0,04

Силицированный графит также имеет высокую стойкость к воздействию агрессивных сред.
Подшипники из СГ-П и торцовое уплотнение допускают кратковременную работу насоса на газо-жидкостной смеси, но это недопустимо для системы гидроразгрузки насоса. С появлением газожидкостной смеси в полости насоса нарушается баланс осевых сил ротора и гидропяты. Диски гидропяты начинают работать на прямом контакте трения – без жидкостного зазора, что приводит к их быстрому износу и аварийному выходу из строя насоса.