Модернизация бурового насоса УНБ-600.Курсовая работа. Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Общий вид трехпоршневого насоса одностороннего действия с литой станиной показан на рис. 1.3, а на рис. 1.4 – его продольный разрез.
Практика эксплуатации показывает, что можно обойтись без пневматиче-ского компенсатора для насоса с тремя цилиндрами одностороннего дей-ствия приводной мощностью до 100 л. с. Для крупных буровых насосов это-го типа требуется пневматический компенсатор меньшего объема, чем для насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия, однако в целях унифи-кации применяется такой же обычно объемом 80 л. Величина избытка пода-чи за один оборот здесь меньше, так как угловая скорость коренного вала обычно в 2 - 2,5 раза больше, чем у насосов с двумя цилиндрами двусторон-него действия, а объем цилиндров соответственно меньше. Уменьшение ам-плитуды колебаний давления нагнетания снижает максимум напряжений в напорном буровом рукаве, контактных давлений в уплотнении вертлюга, ко-лебаний давления промывочной жидкости в колонне бурильных труб.
На крупных насосах большой мощности с тремя цилиндрами односто-роннего действия применяется поршень, представляющий собой половину обычного поршня двустороннего действия с облегченным поршневым кольцом на обратной стороне.
Поршневое кольцо, обращенное в сторону насосной камеры, нагруже-но при нагнетательном ходе поршня перепадом давления, равным давлению нагнетания. На другом поршневом кольце уменьшенного сечения перепад давления не превышает одной атмосферы. Это кольцо защищает рабочую камеру насоса от подсасывания атмосферного воздуха при всасывающем ходе поршня.
Поршень работает в сменной цилиндровой втулке. Уплотнение штока в цилиндре одностороннего действия отсутствует. Шток поршня извлекается, как правило, вместе с поршнем.
Опыт использования насосов с тремя цилиндрами одностороннего действия в длительной эксплуатации показал, что для достижения оптималь-ной продолжительности безотказной работы в тяжелых условиях рекоменду-ется применять насосы при возможно низкой частоте ходов поршня 80 - 90 об/мин, т. е. существенно меньшей, чем максимальная паспортная частота, и с поршнями наибольшего диаметра. При этом следует избегать превышения допустимой нагрузки по штоку и перегрузки двигателей.
В горизонтальной компоновке насоса вредное пространство сокра-щается, если ось клапана горизонтальна, а нагнетательного - вертикальна.

1.1.5 Насосы с двумя цилиндрами последовательного дей-ствия

Степень неравномерности подачи насосов, почти такая же, как у трехли-нейных насосов с цилиндрами двустороннего действия, но число циклов нагружения поршневых колец, а соответственно и абразивное изнашивание с одновременным усталостным вырыванием резины в уплотняемом зазоре ускоряется.
Число циклов работы клапанов в единицу времени в этих насосах, повы-шено, соответственно ускоряется и их изнашивание. Подача насоса с двумя цилиндрами последовательного действия меньше на 25%, чем у насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия с одинаковым объемом цилиндра и при одинаковом числе
двойных ходов поршня в минуту.

1.1.6 Насосы с четырьмя цилиндрами одностороннего дей-ствия

Преимущество в компактности насоса V-образным расположением ци-линдров (по типу поршневых авиационных двигателей) и в повышении быстроходности насоса. Цель - снижение веса на единицу гидравлической мощности насоса. Быстроходный плунжерный насос с четырьмя V-образно расположенными цилиндрами одностороннего действия не нашел промыш-ленного применения ввиду интенсивного изнашивания его сменных деталей гидравлической части (плунжерной пары и клапанного узла), а также в связи с усложнением насосной установки, в которую обязательно входит центро-бежный подпорный насос.
 В настоящее время наиболее распространенными являются буровые насосы трехпоршневые одностороннего действия и двухпоршневые двухсто-роннего действия. Характеристики таких насосов показаны в таблице 1.1
Поршень бурового насоса не только обеспечивает уплотнение и длительную службу, но и быструю смену его при изменении диаметра втулки или при из-носе.
 В современных буровых насосах используются разнообразные кон-струкции поршней, различающиеся устройством манжет, способом их креп-ления к сердечнику, посадкой его на шток.
 Цельный поршень бурового насоса (см. рис. 1.5, а) состоит из стально-го сердечника и привулканизированных к нему с двух сторон резиновых манжет с губами самоуплотняющейся конструкции. Манжеты разделены между собой буртом стального сердечника, воспринимающего действие дав-ления и сил трения со стороны резины.
Сердечник поршня имеет фигурные проточки для увеличения прочно-сти соединения резины с металлом. Для увеличения поверхности соединения резины с металлом на сердечнике имеются фигурные проточки, а для увели-чения прочности соединения металла с резиной поверхность сердечника пе-ред вулканизацией латунируют и покрывают слоем лейконата и клея (например, клей хемлак, хемосил 211 или хемосил 220). Прочность соедине-ния металла с резиной 10-15 МПа. Недостатком поршней такой конструкции является необходимость их смены при износе резиновой части. Не редко в его выступающем бурте делают параллельные оси детали сквозного отвер-стия, необходимые для заливки резиной второй половины поршня при его изготовлении.
 Сердечник изготовляют из углеродистой стали. Его поверхности в ме-стах, соприкасающихся с резиной, латунируются или покрываются специ-альным клеем. Манжеты изготавливают из синтетической маслонефтестойкой резины с твердостью по прибору ТИР 75-86(ГОСТ 8752-89) для рабочих давлений до 20 МПа. Для более высоких давлений манжета поршня выпол-няется комбинированной. Уплотняющая часть изготовляется из резины с твердостью по прибору ТИР 75-86, а тыльная часть – из более жесткой рези-ны твердостью по ТИР 92-96, армированной тканью для уменьшения выдав-ливания резины в зазор между фланцем сердечника и зеркалом цилиндра.
 Увеличение диаметра уплотняющей передней части губы манжет поршня относительно диаметра отверстия втулки создает предварительный натяг, обеспечивающий правильное положение его самоуплотняющейся манжеты. Под действием давления жидкости резина поршневой манжеты еще плотнее прижимается к рабочей поверхности цилиндровой втулки, создавая надежное уплотнение. Наружный диаметр “губы” манжеты в свободном со-стоянии должен быть на 2-3 мм больше внутреннего диаметра втулки; длина конической части “губы” манжеты составляет 25-27 мм при общей длине поршня 135-150 мм.
Рисунок 1.5 - Поршни насосов:
1 – ступица; 2 – манжета поршня; 3 – кольцо манжеты; 4 – шайба; 5 – запор-ное кольцо; 6 – контрольная проточка.
Тыльную часть поршня делают несколько меньшего диаметра, чем диаметр отверстия цилиндра, но больше диаметра фланца сердечника. При давлении раствора на поршень резина деформируется, и диаметр этой части увеличивается. Износ тыльной части манжеты поршня, циклически вдавлива-емой в уплотнительный зазор, зависит от его величины, твердости резины и давления. Так, если вследствие износа зазор между фланцем и зеркалом ци-линдра достиг 0.75 мм, то при давлении 10 МПа манжету следует заменять, а при давлении 18 МПа ее уже надо менять при зазоре 0.25 мм. Поршни име-ют различную конструкцию.
 Разборный поршень (см. рис. 1.5, б) состоит из металлического сер-дечника, двух или трех эластичных манжет прочно свулканизированных или склеенных между собой частей: уплотняющей, изготовленной из поли-уретана или маслостойкой резины групп 1-5, и основы – резиноткани 45 или пластмассы типа полиамид ПА-12-10 или полиамид П-66, двух стальных шайб и двух пружинных колец. Отверстие в сердечнике для посадки на шток выполнено коническим. На цилиндрической поверхности сердечника с обоих краев имеются канавки для размещения в них пружинных колец. Поршни такого типа широко применяются за рубежом. Их преимуществом является возможность смены манжет без снятия сердечника со штока.
 Недостаточная прочность замкового соединения разборных поршней нередко приводит к самопроизвольной разборке поршня и к вынужденной остановке насоса.

Буровой насос горизонтального типа, поршневой двухцилиндровый двойно-го действия состоит: из гидравлической и приводной частей, смонтирован-ных на общей раме.
 Гидравлическая часть насоса состоит из двух литых стальных гидрав-лических коробок, соединенных между собой снизу приемной коробкой, а сверху корпусом блоком воздушных колпаков.
 Приемная коробка сварно – литой конструкции, на ней для смягчения гидравлических ударов, возникающих во время работы насоса, установлен воздушный колпак. При движении поршней в цилиндрах происходит одно-временно нагнетание и всасывание жидкости. За двойной ход поршня (впе-ред и назад) в каждой гидравлической коробке происходит два всасывания и два нагнетания. В верхних клапанных коробках установлено по два нагнета-тельных, а в нижних по два всасывающих клапана.
 В гнезда гидравлических коробок запрессовываются седла клапанов.
 Для большей герметичности соединения между конусом седла и гнез-дом гидрокоробки устанавливается резиновое уплотнительное кольцо.
 Для повышения работоспособности рабочие поверхности седла с це-лью получения высокой твердости подвергаются объемной закалке, а поса-дочная конусная поверхность тарелки клапана подвергается поверхностной закалке.
 Клапан насоса, приводимый в действие давлением текущей среды, со-держит корпус, с которым соединен резьбовой фиксатор уплотнения. Фикса-тор, взаимодействуя с корпусом клапана, ограничивает круглое гнездо уплотнения. Фиксатор удерживает в гнезде эластомерный уплотнительный элемент, уплотнительная поверхность конической формы которого взаимо-действует с конической поверхностью клапанного седла. К уплотнительному элементу прикреплен антивытеснительный элемент, выполненный из неме-таллического материала, твердость которого выше чем твердость эластомер-ного материала. Антивытеснительный элемент также имеет форму усеченно-го конуса с уплотнительной поверхностью одинаковой протяженности с ко-нической уплотнительной поверхностью уплотнительного элемента. Антивы-теснительный элемент расположен за эластомерным уплотнительным элемен-том по направлению потока. В месте пересечения антивытеснительного эле-мента с уплотнительной поверхностью эластомерного уплотнительного эле-мента образована периферийная круглая упругая губка. Упругая губка от-жимается наружу в радиальном направлении под действием давления теку-чей среды и обеспечивает уплотнительный контакт с коническим клапанным седлом. Антивытеснительный элемент является конструктивной опорой эла-стомерного уплотнительного элемента и практически полностью предотвра-щает его выдавливание.
 Своей верхней частью клапан установлен во втулке, которая вставлена в крышку клапана и служит направлением для тарелки клапана.
Для увеличения износостойкости и уменьшения шума втулка изготав-ливается из резины.
 Пружина обеспечивает быстрый возврат тарелки клапана в гнездо и смягчает удар клапана о крышку.
 В нагнетательных клапанах пружины предварительно сжаты до разме-ра 105 мм.
 Во всасывающих клапанах пружины сжаты до размера 115 мм.
 Это сделано с целью облегчения подъема всасывающих клапанов во время работы насоса.
 Крышка клапана уплотняется за счет резиновой манжеты. Сверху на крышку устанавливается упорный винт с упорной резьбой, благодаря чему осуществляется жесткая и герметичная камера для клапана.
 В случае износа уплотнительной манжеты через специальное отвер-стие, сделанное ниже упорной резьбы, раствор вытечет на наружную по-верхность гидравлической коробки и тем самым предупредит о неисправно-сти.
 Внутри гидравлических коробок вставлены сменные цилиндровые втулки, диаметр которых выбирается в зависимости от требуемых величин давления и производительности насоса. Наружные размеры всех втулок одинаковы. С целью повышения сроков службы втулок внутренняя поверх-ность их подвергается термической обработке.
 Все цилиндровые втулки изготавливаются из стали 20, внутренняя по-верхность их цементируется и закаливается до максимально возможной твердости (HRC 52).
 Цилиндровая втулка уплотняется по наружному диаметру уплотнени-ями поджимного типа, состоящими из резиновых колец и колец из поли-амидной смолы. Между двумя комплектами уплотнений цилиндровой втулки установлено распорное кольцо. Распорное кольцо имеет внутреннюю и наружную канавки радиальные отверстия. В гидравлической коробке имеет-ся сквозное отверстие, расположенное против канавок распорного кольца.
 В случае износа уплотнения через это отверстие в гидравлической ко-робке раствор должен вытекать на наружную поверхность, и тем самым об-служивающий персонал будет предупрежден о неисправности, которую необходимо заменить путем замены испорченного уплотнения на новое.
 Стопорение цилиндровых втулок производится при помощи стакана и крышки путем завертывания гаек. Уплотнение цилиндровой крышки произ-водится при помощи самоуплотняющихся манжет.
 Внутри цилиндровой втулки перемещается поршень самоуплотняюще-гося типа. Он состоит из уплотнительной манжеты и металлического сердеч-ника, имеющего центральный бурт и расположенные по обе стороны бурта на цилиндрических выступах сердечника кольцевые канавки. Манжета имеет опорную часть, привулканизированную к бурту и участкам цилиндрических выступов, включающим канавки, и уплотнительную часть, привулканизиро-ванную к концевым участкам цилиндрических выступов и примыкающую к опорной части. Опорная и уплотнительная части манжеты выполнены из ре-зины разной твердости, причем опорная часть манжеты выполнена из рези-ны большей твердости, чем уплотнительная часть.
 Поршень напрессовывается на конический хвостовик поршневого што-ка, закрепляется гайкой и контргайкой.
 Поршневой шток уплотняется комплектом уплотнений штока, которое состоит из стального корпуса, в который неподвижно установлена монолит-ная втулка – манжета, упирающаяся одной стороной в конический участок корпуса и поджимается с другой стороны фланцем с двумя шпильками. Втулка – манжета представляет собой резино-металлическую деталь, в кото-рой на общем стальном сердечнике объединены манжета, смазочная камера и опорная втулка.
 Манжета изготовляется из маслотеплостойкой резины, сердечник из углеродистой стали.
 Для увеличения сцепления резины с металлом на внутренней цилин-дрической поверхности сердечника выполнена винтовая нарезка. В задней части сердечника предусмотрен бурт с наружной резьбой, используемый для наворачивания съемника. Торцовая часть манжеты, герметизирующая зазор по штоку и корпусу, имеет снаружи сферическую поверхность, переходящую в коническую, а внутри – сферическую поверхность, выполненную с натягом в 2.5 мм относительно штока. Остальная часть манжеты имеет форму цилин-дра, причем относительно штока она расположена с зазором около 0.3 – 0.8 мм на сторону. Наименьший диаметр внутреннего бурта сердечника на 3 мм больше диаметра штока. Для предотвращения подсоса воздуха из атмосфе-ры в гидроцилиндр во время хода всасывания при задней стороне втулки-манжеты предусмотрена самоуплотняющаяся резиновая губа, а на наружной поверхности сердечника в канавке установлено самоуплотняющееся кольцо круглого сечения. Рассматриваемая конструкция уплотнения относится к числу регулируемых. Губа манжеты подтягивается при перемещении детали вдоль оси, что необходимо, поскольку появление утечки перекачиваемой жидкости при износе манжеты и штока приводит к резкому сокращения сро-ка службы узла. Недостаток данной конструкции – требуется специальное приспособление для извлечения манжеты.
 Для увеличения долговечности уплотнения штока осуществляется смазка и охлаждение штоков.
 Циркуляция масла обеспечивается насосом Г11 – 22 с приводом от трансмиссионного вала бурового насоса.
 Герметизация соединения гидравлической коробки с корпусом осу-ществляется самоуплотняющейся манжетой и резиновым кольцом. Поршне-вой шток завинчивается резьбовым концом и контрится гайкой. На штоке ползуна установлен резиновый отражатель, защищающий механическую часть насоса от попадания глинистого раствора.
 На корпусе насоса установлен корпус предохранительного клапана с уплотнительным кольцом круглого сечения. Внутри корпуса предохрани-тельного клапана установлены мембрана, уплотненная резиновым кольцом и зажатая винтом через кольцо и крышку, уплотненную кольцом. Материал мембраны – латунь ГОСТ 931 – 88, толщиной 0.6 мм.
 При помощи сальниковой трубы корпус предохранительного клапана соединен с приемной коробкой. Уплотнительные кольца, затянутые гайкой, уплотняют отвод корпуса.
 При превышении рабочего давления более указанного на кольце мем-брана срезается, и жидкость через отверстия в крышке устремляется по тру-бе в приемную коробку.
 Сальниковая труба имеет кожух для обогрева трубы в зимнее время. Обогрев может производиться горячим воздухом или паром, который под-водится через приваренные к кожуху штуцера.
 Пневмокомпенсатор расположенный на выходе из насоса предназначен для уменьшения колебания давления, вызываемого неравномерностью пода-чи перекачиваемой жидкости. Пневмокомпенсатор состоит из корпуса пнев-мокомпенсатора в который установлена резиновая диафрагма с завулкани-зированным металлическим сердечником и закрепленным на нем стабилиза-тором. Стабилизатор крепится к диафрагме через пружинную шайбу бол-том. В верхней части диафрагма зажимается крышкой и тем самым гермети-зируется внутренняя ее полость, которая заполняется предварительно сжа-тым или нейтральным газом до давления, определяемого по рабочему дав-лению жидкости в нагнетательной линии по графику, крышка крепится к корпусу при помощи шпилек. На крышке располагается переходник с мано-метром и вентиль, которые крепятся к крышке через фланцы и уплотняются медной прокладкой, затянутой болтами через фланцы. Между фланцем и крышкой выдерживать зазор 3 мм, который позволяет производить установ-ку вентиля и манометра. Вентиль закрыт защитным колпаком. Заполнение пневмокомпенсатора газом производится через вентиль, установленный на крышке.
Манометр, установленный на крышке, предназначен для проверки величины начального давления газа в пневмокомпенсаторе, должен иметь предел из-мерения не ниже 40 МПа.
 Между корпусом пневмокомпенсатора и тройником установлены уплотнительные резиновые кольца. Сменное седло является опорой для сер-дечника диафрагмы в момент остановки насоса. Стабилизатор предназначен для центрирования центра диафрагмы в момент опускания ее на седло при остановке насоса.
 Приводная часть насоса состоит из узлов коренного, трансмиссионного валов и шатунного механизма, установленных в литой чугунной станине.
 Для удобства установки эксцентрикового и трансмиссионного валов станина имеет разъем по валам и закрывается крышкой.
 Герметичность соединения станины с крышкой обеспечивается за счет установленного резинового жгута в специальной канавке по месту разъема.
 В нижней части станины имеется масляная ванна для смазки зубчатого зацепления и подшипников шатунов.
 Коренной вал представляет сварно-литую конструкцию, состоящую из двух эксцентриков, на которые напрессован зубчатый венец, и вала.
 Вал установлен на четырех конических роликоподшипниках ГПЗ No 7352, помещенных в стаканах. Регулировка подшипников производится при помощи прокладок. Смазка к ним подается через пружинные тавотницы.
 Эксцентрики коренного вала смещены относительно друг друга на угол 90 и имеют эксцентриситет в 200 мм. На эти эксцентрики посажены по два конических роликоподшипника No 10079/710. Этот эксцентриситет и обеспечивает ход поршня в 400 мм. Подшипники эксцентриков смазываются тем же маслом, что и зубчатое зацепление – путем окунания в масляной ван-не.
 Коренной вал приводится во вращение при помощи косозубой шестер-ни с модулем 12, выполненной за одно целое с трансмиссионным валом.
 Трансмиссионный вал установлен на двухрядных сферических ролико-вых подшипниках No 3636, помещенных в стакан. Конструкция трансмисси-онного вала позволяет монтировать насос с правым и левым расположением привода.
 Уплотнение крышки стакана подшипников производится при помощи резинового кольца. На валу при выходе его из крышек устанавливаются се-ванитовые уплотнения и подшипник плавающего типа, имеющий зазор для теплового расширения. Консистентная смазка подается в подшипники через пружинные тавотницы.
 Шатунный механизм состоит из шатунов, крейцкопфов в сборе и надставок штока. Шатуны установлены большими головками на эксцентри-ках коренного вала. Каждый из них соединен пальцем с крейцкопфом с по-мощью подшипника скольжения (бронзовой втулки).
 Смазка бронзовой втулки производится маслом через отверстие в ма-лой головке шатуна, причем, к этим отверстиям масло подводится из масля-ной надкрейцкопфной камеры станины через отверстия в верхней полке ста-нины и в корпусе крейцкопфа.
 Крейцкопф изготавливается из стали 35Л. Сменной деталью крейцкоп-фа является накладка крейцкопфа, изготовленная из чугуна.
 Поверхности направляющих крейцкопфов смазываются автоматически самотеком масла из надкрейцкопфной камеры, куда оно подается путем раз-брызгивания от зубчатой пары. Смазка для надставки штока подводится по пазу в верхней направляющей крейцкопфа тоже самотеком.
 Для того чтобы оградить крейцкопфную камеру от внесения в неё рас-твора надставкой штока, в вертикальной стенке станины сделано специальное уплотнительное устройство, которое по мере необходимости позволяет под-жимать уплотнение или заменять его.
 В случае появления течи манжеты, расположенные в корпусе сальника, поджимаются фланцем. Поджимать надо осторожно до устранения течи, так как чрезмерная затяжка быстро выводит манжеты из строя, подтяжку произ-водить при остановленном насосе.
 Осмотр зубчатого зацепления и заливка масла в ванну производится через специальный люк. Масляные пары, образующиеся в ванне во время работы насоса, выходят в атмосферу через вентиляционный колпак.
 В масляной ванне задней стороны станины установлен маслоуказатель для контроля уровня масла. Снизу в боковой стенке станины для слива масла имеется резьбовое отверстие диаметром три дюйма. Для подогрева масла в зимнее время в ванну станины насоса может быть вмонтирован подогрева-тель. Подогреватель поставляется по требованию заказчика. Станина насоса крепится к раме восемью болтами. Для удобства транспортировки рама насоса выполнена в виде салазок.
 В целях устранения утечек масла и предохранения камеры крейцкопфа от загрязнения боковые люки перекрываются съемными крышками.

При спуске бурильной и ОК используется следующая модернизация: К рычагу кулачковой муфты крепится шток пневмоцилиндра, который приво-дится в действие из пневмолинии, запитывающийся от кранов ПКР. При от-крытии клиньев ПКР по пневмолинии цилиндр обвязанный с рычагом ку-лачковой муфты вводит в зацепление кулачковую муфту и гидротормоз включается в работу при спуске инструмента. При закрытии пневмоклиньев кулачковая муфта при помощи пневмоцилиндра выходит из зацепления и гидротормоз отключается при подъеме пустого талевого блока. На пневмо-линии от кранов ПКР до пневмоцилиндра обвязанного с кулачковой муфтой гидротормоза установлены отсекающие краны, для отключения пневмоци-линдра при подъеме инструмента.