Совершенствование конструкции плунжерного насоса 14Т агрегата УНБ-400. Курсовая работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

В данном курсовом проекте произведен анализ существующих насосов, оценка их энергетических характеристик и основные параметры отказов и износов деталей плунжерных насосов. На основании расчета и выбора основных рабочих параметров насоса и предложена конструкция, основные детали и узлы которой рассчитаны на прочность, а также дано описание правил монтажа и эксплуатации.
В дипломном проекте на основании существующих способов повышения надежности и долговечности плунжерных насосов предложена усовершенствованная конструкция узла «шток-плунжер» с компенсатором биения оси шток, что увеличивает долговечность и производительность насоса.
В технологической части проекта разработана технология изготовления сварного соединения наливной линии насосного агрегата.
Выполнен расчет экономического обоснования эффективности внедрения новой конструкции.
Разработаны мероприятия по охране труда, охране природы и гражданской обороны.
К проекту прилагаются спецификации соответствующих листов графической части.

1.4 Совершенствование конструкции плунжерного насоса

Основными нормативными документами, которые определяют номенклатуру показателей надежности продукции машиностроения, в частности нефте-промыслового оборудования, являются ГОСТы. Наиболее точно определяет номенклатуру нормируемых показателей надежности ГОСТ 27.003-83, в котором рекомендуется нормировать следующие показатели надежности для изделий группы II вида 1 - восстанавливаемые изделия: показатели безотказности - средняя наработка на отказ (наработка на отказ) или параметр потока отказов; показатели долговечности - средний ресурс или гамма процентный ресурс,
средний срок службы или гамма процентный срок службы; показатели ремонтопригодности - среднее время восстановления работоспособного состояния или вероятность восстановления работоспособного состояния; показатели сохраняемости средний срок сохраняемости или гамма процентный срок сохраняемости. Допускается взамен единичных показателей задавать коэффициент готовности или удельное суммарное время восстановления работоспособного состояния.

Насосная установка относится к изделиям восстанавливаемым, работает на отказ и до достижения предельного состояния (до капитального ремонта или списания), режим работы установки циклически нерегулярный. Невыполнение заданных функций в заданном объеме (объем одной операции) при произвольном моменте начала режима работы является последствием отказа.
В общем случае отказом насосной установки является выход из строя (отказ) ресурсных систем (автошасси, силового привода, насоса, водоподающего блока), которые при водят к потере работоспособности насосной установки - функциональный отказ или снижению подачи насоса высокого давления и насоса водоподающего блока ниже допустимой - параметрический отказ. Функциональный отказ может проявиться во время движения насосной установки к месту проведения работы и обусловлен отказами элементов; ав-тошасси. Во время проведения работ на скважине появление функционального отказа связано с элементами насосного оборудования установки. Затраты времени на устранение функционального отказа больше допускаемого резерва по расчету операции. Например, при цементировании любой отказ, связанный сзатратами времени более 10-15 минут, является функциональным. Появление функционального отказа компенсируется резервированием насосных установок.
Большинство операций, при которых используются насосные установки, направлено на закачивание жидкости в скважину. Основным параметром такой системы, определяющей эффективность ее функционирования, является подача жидкости в единицу времени при определенном давлении. Поэтому работоспо-собность системы при выполнении основной функции характеризуется надежно-стью основного блока, а точнее, надежностью его гидросистемы, работающей при высоком давлений в абразивной и химически активной средах.
Основной насосный блок представляет собой сложную комбинированную систему, которую условно можно разделить на две подсистемы: механическую и гидравлическую, имеющие связанную структуру с независимым формированием показателей надежности для каждой из них.

Основной параметр механической подсистемы - передаваемая мощность, а изменение ее на различных элементах подсистемы характеризуется КПД. Основное требование к надежности этой подсистемы - долговечность.
Основным входным параметром гидравлической подсистемы является подача в единицу времени при соответствующем давлении. В связи с работой этой подсистемы в жестких условиях высокие требования предъявляются к ее безопасности.
Исследования, приведенные в источнике [I], показывают, что наиболее надежными являются насосы с плунжерными одностороннего действия гид-равлическими цилиндрами.
Гидравлическая часть насоса формирует подачу, а манифольд и прочее оборудование теряют работоспособность независимо от конструкции гидравлической части насоса. Их работоспособность зависит от давления в скважине, подачи, состава и свойств жидкости т.е. от выходных параметров гидравлической части и входных параметров скважины.
Гидравлическая часть насосу обычно состоит из нескольких (2-3) оди-наковых по конструкции цилиндров. Каждый цилиндр имеет аналогичные узлы и детали, которые можно рассматривать как комбинированную структуру, со-стоящую из элементов со связанной структурой и с независимым формированием показателей надежности. Такими элементами с независимыми отказами является цилиндропоршневая (плунжерная) пара, клапанный узел, уплотнение штока, уплотнения крышек и деталей клапанной коробки. Нарушение герметичности любого из указанных элементов ведет к отказу его и всей гидросистемы.
Гидравлическая подсистема основного насосного блока цементировочного агрегата отличается значительно меньшей надежностью, чем механическая. Отдельные ее узлы и детали (поршень, уплотнение штока, уплотнение клапана) имеют среднюю наработку на отказ 20 - 50 часов. Как правило, работоспособность гидросистемы восстанавливают непосредственно

после отказа. В этом случае наблюдается случайный сложный поток отказов; основной характеристикой которого является параметр потока отказов.
Параметр простого потока отказов в общем случае является функцией времени, но чем больше рассматриваемый отрезок времени, тем ближе параметр потока отказов к постоянной величине, являющейся обратной среднему ресурсу.
Для гидросистемы установки при существующей системе ремонта следует ожидать простейшего потока отказов, т.е. потока ординарного, стационарного, без
последствий, причем, чем меньше интенсивность отказов детали (чем выше на-работка на отказ), тем меньше влияние этой детали на вероятность безотказной работы системы. Следовательно, наибольшее влияние на безотказность установки оказывает работоспособность изнашивающихся деталей и узлов гидросистемы.
В процессе эксплуатации часто детали заменяются комплектно: две втул-ки, два штока, несколько клапанов. Замена проводится с учётом стоимости детали, числа их в насосе и наличия на складе. Чем дороже и дефицитнее деталь и чем больше их в насосе, тем меньше вероятность одновременной замены не-скольких деталей. Комплектная замена наиболее эффективна при замене деталей, имеющих малую стоимость, таких, как поршень, уплотнение штока, уплотнение клапана. Указанная стратегия ремонта позволяет увеличить вероятность безотказной работы в течение 6 часов соответственно с 0,7 до 0,9 (наработка на отказ с 18 до 60 часов).
Все факторы, от которых зависят показатели надежности гидросистемы насосной установки, разделены на две основные группы: неуправляемые (внеш-ние) и управляемые (внутренние). Комплекс неуправляемых факторов включает в себя внешние воздействия, связанные с характером выполняемой работы (давление перекачиваемой жидкости; физико-химические свойства пе-рекачиваемой жидкости: плотность, природа и содержание в ней твердойфазы и

нефтепродуктов; температура перекачиваемой жидкости, коррозион-ное воздействие перекачиваемой жидкости и внешней среды; интенсивность эксплуатации установки). Воздействие этих факторов воспринимается ма-шиной, обусловливает различные виды изнашивания и приводит к отказам установки.
Комплекс управляемых факторов включает эксплуатационные свойства изделия, реализованные в процессе производства и эксплуатации (конст-руктивные факторы: конструкция, материалы, покрытия; технологические факторы изготовления изделия; эксплуатационные факторы: обслуживание диагностика). Путем изменения этих факторов можно замедлять процессы
изнашивания и тем самым увеличивать время безотказной работы установки.
Для таких деталей и узлов гидросистемы насосной установки, как втулки, поршни, штоки и др. элементы, имеющие нормальное распределение, целе-сообразно повышать долговечность путем стабилизации технологических про-цессов и улучшения сопротивляемости изнашиванию. Для остальных деталей и узлов, имеющих отличное от нормального распределение средней наработки на отказ, необходимо повышать долговечность путем снижения напряжений, применения новых материалов, разработки новой конструкции и др. [1]

1.5 Цель и задачи проектирования

Как уже было отмечено, большинство операций, при которых используются насосные установки, направлено на закачивание жидкости в скважину. Основным параметром такой системы, определяющей эффективность ее функционирования, является подача жидкости в единицу времени при определенном давлении. Поэтому, работоспособность системы при выполнении основной функции характеризуется надежностью основного блока, а точнее, надежностью его гидросистемы, работающей при высоком давлений в абразивной и химически активной средах. Гидравлическая подсистема плунжерного насоса цементировочного агрегата отличается значительно

меньшей надежностью, чем механическая. Отдельные ее узлы и детали (поршень, уплотнение штока, уплотнение клапана) имеют среднюю наработку на отказ 20-50 часов.
Одним из наиболее часто встречающихся отказов плунжерного насоса

является износ плунжерной пары. Кроме собственно абразивности перекачиваемой жидкости, скорости ее движения и давления к такому отказу приводит еще и биение оси шатуна. Отсутствие компенсации биения оси шатуна в соединении плунжеров и шатунов, сопрягаемых по сферическим поверхностям, влечет за собой повышенный износ с появлением стука не только упомянутых выше по-верхностей, но и самого плунжера и втулки. Все это приводит к снижение производительности плунжерного насоса, а в конечном итоге выходу его из строя.
Для повышения надежности работы, производительности плунжерный насос должен быть модернизирован путем компенсации биения оси штока. Для достижения этой цели в проекте необходимо решить следующие задачи:
- разработать принципиальную схему конструкции компенсации биения оси штока;
- произвести технологический и конструкционный расчеты основных узлов изделия;
- разработать основную техническую документацию для изготовления модернизированной конструкции;
- рассчитать экономическую эффективность модернизированного плун-жерного насоса.