Модернизация гидравлической части бурового насоса НБ-32-Курсовая работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Уплотнения штока относят к числу сменных деталей гидравлической части буровых насосов. На уплотнения одновременно действуют:
- циклические нагрузки от давления перекачивающей среды, изменяюще-гося за каждый двойной ход поршня насоса от 0 до максимума;
- скорость относительного перемещения деталей устройства, изменяюще-гося в пределах каждого хода от нуля до 2м/с;
- перекачиваемые жидкости с температурой до +80 С0, содержащие в ряде случаев нефть, кислоты, щелочи и различные химические реагенты, твердые абразивные частицы.
В столь сложных условиях обеспечение бесперебойной длительной работы суровых насосов является сложной научно-технической задачей.
Уплотнения штоков насосов двухстороннего действия разделяются на нажимные и самоуплотняющиеся. Нажимные уплотнения затягивают осевым усилием для создания давления на поверхности между штоком и набивкой больше давления жидкости. Кольца набивки уплотнения могут быть разрезны-ми и неразрезными. Последние менее удобны при смене. Технический уровень и тенденции развития уплотнения штока представлены в таблице 1.3.

1.4 Основные пути повышения надежности и долговечности узлов
гидравлической части бурового насоса

Как уже было отмечено в пункте 1.2.3. детали гидравлической части насо-сов
подвергаются сразу нескольким видам изнашивания. Повышение надежности и увеличение долговечности деталей гидравлической части позволяет сократить непроизводительное время простоев бурового оборудования, снизить затраты на ремонтное оборудование и уменьшить расход запасных частей.
Изучение закономерностей изнашивания сменных деталей гидравлической ча-сти позволило разработать классификацию основных видов их изнашивания и дать общие рекомендации по повышению долговечности уплотнительных устройств в следующих направлениях, представленных в таблице 1.4:
- Изменение внешних параметров воздействия, характеризующих режим работы узла уплотнения. К числу параметров следует отнести величину и ха-рактер изменения давления, частому изменению давления, величину и характер изменения скорости относительного перемещения, род и параметры перекачи-вающей среды, такие, как температура, вязкость, абразивность, агрессивность и др.
- Изменение параметров процессов, протекающих в деталях устройств и в сопряжениях. К таким параметрам следует отнести ранее установленные обоб-щенные параметры: температуру на поверхности трения, удельную силу тре-ния, контактное давление и др.
- Изменение сопротивляемости деталей уплотнительных устройств воздей-ствием, характеризующим внешними и обобщенными параметрами.
Следует отметить, что каждое из этих направлений может быть реализова-но не только одним из известных способов, но и их сочетанием, и не может рас-сматриваться как независимое. Безусловно, между ними возможно наличие определённой взаимосвязи.
В соответствии с указанными направлениями на основании ранее прове-денных исследований разработаны следующие общие рекомендации.
По первому направлению целесообразно изыскание средств снижения ве-личины перепада давления на уплотнения и частоты его изменения, снижения абразивности и агрессивности перекачиваемых сред, а так же улучшение их смазывающих свойств.
По второму направлению важным является снижение напряжений, особен-но в эластичных деталях уплотнительных устройств, а так же температуры и трения. Весьма эффективными могут оказаться способы защиты поверхностей трения от воздействия абразива, способы выравнивания износа деталей в раз-ных сечениях, а также средства, способствующие повышению «маслоёмкости» трущихся поверхностей и теплоотдачи.
По третьему направлению перспективными следует считать средства, направленные на совершенствование конструктивных форм деталей, изыскание оптимального сочетания размеров деталей и их сопряжений, улучшение свойств материалов, особенно в поверхностных слоях.


1.5 Выводы

Исходя из анализа конструкций и кинематических схем буровых насосов за базовый вариант принимаем двухпоршневой насос двухстороннего действия типа НБ-32.
Проведенный анализ основных причин выхода из строя основных деталей показал, что чаще всего выходит из строя детали гидравлической части: порш-ни, клапаны, уплотнения. Это объясняется тем, что эти детали подвергаются сразу нескольким видам изнашивания.
Для увеличения долговечности гидравлической части бурового насоса произведены патентные исследования. На основе которых предлагается приме-нить уплотнения штока с упроченной рабочей поверхностью. Определены ос-новные пути повышения надежности и долговечности узлов гидравлической части бурового насоса.

1.6 Разработка конструкций основных узлов гидравлической части буро-вого насоса

В выбранном варианте бурового насоса предложен поршень монолитной
конструкции.
Поршни, применяемые в буровых насосах, отличаются друг от друга главным образом формой и материалом уплотнительных элементов, а также способом их закрепления на металлическом сердечнике.
Поршень, изображенный на рисунке 1.12 в данном насосе выполнен моно-литным с развитой поверхностью сердечника 1 и привулканизированными к нему манжетами 2 из нефтебензостойкой резины.
Для увеличения надежности и для повышения долговечности предлагается усовершенствованная конструкция поршня, представленная на рисунке 1.13. Поршень с комбинированными и сменными уплотняющимися манжетами. Сер-дечник 1 имеет более простую форму. Манжеты 2 надеваются на ступицу сердечника и закрепляются металлическими шайбами 4 и разрезными пружин-ными кольцами 5. Для облегчения сборки манжет ступицы имеют заходные фаски. Затылочная часть резиновой манжеты упирается в износостойкую и бо-лее жесткую пластмассовую прокладку 3.
В одних конструкциях резиновая манжета в опорной части армирована пластмассой, в других – резино–кордом. Анализ указанных конструкций поршней и результатов их испытания показал, что наличие корда или пласт-массового кольца в опорной части поршневых манжет способствует увеличе-нию их ресурса.
Преимуществом предложенного поршня является возможность смены манжет без снятия сердечника со штока, к тому же поршень работает в 2,5 ра-за дольше.
В серийно выпускаемых насосах НБ-32 часто выходит из строя клапанная группа, представленная на рисунке 1.14а, которая состоит из клапана, сердеч-ника, уплотнения, пружины, крепежных деталей.
В случае поломки пружины тарель клапана как правило переворачивает-ся. Направляющие расположенные снизу не удерживают тарель в нужном по-ложении. Обломки пружины, таким образом, попадают в камеру рабочего ци-линдра, эти обломки в свою очередь, приводят к нарушению цилиндро-поршневой пары. Предотвратить попадание обломков пружины в камеру ра-бочего цилиндра возможно при условии, что тарель клапана не сможет пере-вернуться. Для этого достаточно ввести в клапанную группу верхнюю направ-ляющую, которая сможет удерживать тарель. Предлагаемая конструкция пред-ставлена на рисунке 1.14б.
1.7 Повышение надежности насосов путем выравнивания давления

Снижение неравномерности давления, создаваемого насосам, применением компенсаторов различных конструкций благотворно отражается на повышении долговечности всех изнашивающихся деталей насоса как гидравлической, так и приводной частей. Снижение пиковых нагрузок в различных узлах, в том чис-ле и в уплотнениях, обеспечивает повышение долговечности. Известно, что циклическое изменение нагрузок часто является основным фактором, способ-ствующим разрушению, причем разрушение наступает при более низких напряжениях, чем в статистических условиях приложения нагрузок. Поэтому снижение пиковых нагрузок, возникающих при гидравлических ударах в гид-росистеме насос – скважина, особенно, при работе нескольких насосов, способ-ствует повышению долговечности деталей.
При снижении неравномерности давления на выкиде насосов следует в первую очередь ожидать увеличения долговечности сменных деталей гидрав-лической части, включая как металлические детали, так и уплотнители подвиж-ных соединений, которые работают в особенно тяжелых условиях воздействия гидравлических нагрузок, связанных с высокой неравномерностью давления, и являются быстроизнашивающимися деталями, требующими значительного по-вышения долговечности.

1.7.1 Неравномерность подачи

При работе поршневых насосов жидкость в нагнетательный трубопровод подается неравномерно, что приводит к пульсации давления перекачиваемой жидкости. Неравномерность подачи жидкости и вызываемая ею пульсация дав-ления в трубопроводе вызывают расстройства нагнетательной линии и различ-ные неполадки [14]. Особенно это опасно для буровых насосов высокого дав-ления, цементировочных агрегатов и агрегатов для гидроразрыва пласта, по-скольку повреждения и нарушения нормальной работы насосов и трубопрово-дов вследствие больших колебаний давления жидкости и вибрации трубопро-водов могут произойти в ответственные моменты проведения операций.
Неравномерность σ, подачи поршневого насоса оценивается коэффициен-том неравномерности подачи, который дает возможность определить колеба-ние в долях средней величины подачи σ,
( 1 )
где Qтmax – максимальная мгновенные теоретические подачи;
Qтmin – минимальная мгновенные теоретические подачи;
Qт ср – средняя теоретическая подача, принимаемая постоянной за время од-
ного оборота кривошипного вала.
График подачи двухпоршневого насоса двухстороннего действия пред-ставлен на рисунке 1.15.
Поршневые насосы перекачивают жидкость, которая может считаться не-сжимаемой. Упругость гидравлической части насоса, подводящего и напорного трубопроводов также не обеспечивают устранения неравномерности давления. Поэтому в насосных установках для понижения амплитуды колебания давления применяют специальные колпаки или компенсаторы неравномерности подачи.
Воздушным колпаком принято называть заполненный воздухом под атмо-сферным давлением сосуд, устанавливаемый на всасывающей или нагнетатель-ной линии поршневого насоса. В последнее время конструкция предусматрива-ет возможность закачки в колпаки предварительно сжатого до некоторого дав-ления газа, воздуха или азота и удержания газа во время остановки насоса. Та-кие устройства получили наименование пневматических компенсаторов нерав-номерности подачи [10, 11], или гасителей пульсации давления.
В результате установки воздушных колпаков или пневматических компен-саторов выравнивается подача и скорость течения жидкости в трубопроводе, уменьшается колебание давления и снижается диапазон изменения напряжений в деталях гидросистемы и, следовательно, повышаются число циклов нагруже-ния деталей до поломки и надежность насоса.