Усовершенствование клапанной группы УНБ-600. Курсовая работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

2 НАЗНАЧЕНИЕ, КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БУРОВОГО
НАСОСА

2.1 Назначение

Буровые насосы предназначены для нагнетания в скважину промывочной жидкости с целью очистки забоя и ствола от выбуренной породы (шлама) и выноса её на дневную поверхность, охлаждения и марки долота; создание гидромониторного эффекта при бурении струйными долотами; приведение в действие забойных гидравлических двигателей.
Насос буровой двухпоршневой УНБ-600, предназначен для подачи промывочной жидкости в скважину в процессе бурения скважин до 5000 метров. Насос производит подачу промывочной жидкости через колонну промывочных труб на забой скважины для придания вращения турбобуру с долотом и его охлаждения, а также выноса разрушенной породы с промывочной жидкостью. В качестве промывочной жидкости могут быть применены вода или глинистый раствор с наличием нефти, щёлочи, соды и других компонентов. При бурении для обеспечения надёжной и долговечной работы узлов и деталей насоса необходимо обеспечить высокую степень очитки промывочной жидкости от разрушенной породы.

2.2 Основные требования

К буровым насосам предъявляются следующие требования:
-подача насоса должна быть достаточной для промывки скважины и привода забойных гидравлических двигателей;
-скорость промывочной жидкости на выходе из насоса должна быть равномерной для устранения инерционных нагрузок и пульсации давления, вызывающих осложнения в бурении, дополнительные энергетические затраты и усталостные разрушения;
-насосы должны быть приспособлены для работы с абразиво- и маслосодержащими коррозионно-активными растворами различной плотности;
-узлы и детали, контактирующие с промывочным раствором, должны обладать достаточной долговечностью и быть приспособленными к удобной и быстрой замене при выходе из строя;
-крупногабаритные узлы и детали должны быть снабжены устройствами для надёжного захвата и перемещения при ремонте и техническом обслуживании;
-узлы и детали приводной части должны быть защищены от промывочного раствора и доступны для осмотра и технического обслуживания;
-насос должен быть приспособлен к транспортировке в собранном виде на далёкие и близкие расстояния и перемещению волоком в пределах буровой;
-конструкция насоса должна допускать правое и левое расположение двигателя насосного агрегата;
-надёжность и долговечность насоса должна сочетаться с его экономичностью и безопасностью эксплуатации [2].

2.3 Технические данные и характеристики

Мощность, к Вт 600
Полезная мощность, к Вт, не менее 475
Длина хода поршня, мм 400
Диаметр штока поршня, мм 70
Максимальное число двойных ходов поршня, с"1 (ходов/мин), 1,083 (65)
Максимальная частота вращения
трансмиссионного вала, с"1 (об/мин) 5,33 (320)
Давление на входе при работе насосом, МПа
(кгс/ см2) для бурового насоса 0,02(0,2)
Тип передачи цилиндрическая косозубая
Передаточное число (123/25) 4,92
Тип клапана тарельчатый
Размеры посадочного конуса диаметр, мм 196±0,2
гидрокоробки: конусность 1:6
Размеры посадочного конца диаметр 175
трансмиссионного вала, мм: длина 407
Число клиновых ремней Е ГОСТ 1284.-80 16
Предохранительный клапан мембранный
Пневмокомпенсатор ПК-70-250 с разделительной диафрагмой
Объем газовой камеры, дм3 70
Наибольшее допустимое начальное давление
воздуха, МПа (кгс/см2) 9,0(90,0) Максимальное рабочее давление жидкости, МПа (кгс/см2) 25,0(250)
Масса, со шкивом 0 1400, кг, не более 25250
Температура перекачиваемой жидкости, °С, не более +80

Таблица2.1 - Величины, соответствующие рабочей части характеристики
насоса

Диаметр цилиндровой втулки,
мм Идеальная подача, не менее, м /ч
(л/с) Предельное давление, не менее, Мпа (кгс/см2) Диаметр отверстия кольца предохранительного клапана, мм
200 184(51,9) 10,0(100) 58,9H11
190 164(45,7) 11,5(115) 48,2H11
180 151(42) 12,5(125) 43,0H11
170 130(36) 14,5(145) 35,4H11
160 113(31,5) 16,5(165) 30,1H11
150 99(27,5) 19,0(190) 25,3H11
140 84(23,3) 22,5(225) 20,7H11
130 71(19,7) 25,0(250) 19,3H11

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.