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

Модернизация системы смазки и охлаждения штоков бурового насоса УНБ-600-Курсовая работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин
1.5 Конструкции буровых насосов.

В настоящее время буровые установки комплектуются насосами двух типов: двухцилиндровыми двойного действия или трехцилиндровыми простого (од-ностороннего) действия. Однотипные насосы не имеют различий в принципи-альных схемах. Они отличаются параметрами технической характеристики и конструктивным исполнением отдельных узлов.
Все буровые насосы имеют гидравлическую и приводную части, смонтиро-ванные на общей раме-салазках. Гидравлическая часть поршневого насоса со-стоит из литой или кованной гидрокоробки с двумя или тремя параллельно расположенными в горизонтальной плоскости цилиндрами, в которых уста-новлены втулки с поршнями. Двухцилиндровые насосы двойного действия имеют четыре всасывающих и четыре нагнетательных клапанных узла. В трехцилиндровых насосах одностороннего действия установлены три всасы-вающих и три нагнетательных клапана. В каждом насосе имеется одна прием-ная (всасывающая) коробка и один нагнетательный тройник. Гидравлическая и приводная части обычно соединяются шпильками.
Различие насосов состоит в размерах и конфигурации клапанных коробок, способах их расположения, конструкции клапанных крышек, конструкции ци-линдровых крышек, способах крепления цилиндровых втулок и т.д. Клапаны и гнезда различных насосов также имеют конструктивные различия.
В трехцилиндровом насосе одностороннего действия со стороны штока нет уплотняющего сальника, что не только упрощает конструкцию, но и значи-тельно облегчает эксплуатацию. Отпадает необходимость периодически подтя-гивать сальник и менять изношенный шток. Важная особенность этой кон-струкции заключается в том, что со стороны штока открыто зеркало цилиндра и это позволяет его интенсивно охлаждать и смазывать с него абразивные ча-стицы бурового раствора.

1.5.1 Рассмотрим приводную часть бурового насоса.

Приводная часть бурового насоса выполняет функции преобразования вра-щательного движения ведущего шкива в возвратно поступательное крейцкоп-фов и передачи поршням энергии, получаемой от силового привода. Кроме то-го, трансмиссия насоса снижает частоту вращения коренного вала. Приводная часть насоса состоит из литой или сварной станины. В которой смонтированы трансмиссионный вал с одной или двумя шестернями и приводным шкивом, коренной вал в сборе с одним или двумя зубчатыми колесами, шатуны и крейцкопфы с контрштоками.
В современных конструкциях буровых насосов обычно применяется одна косозубая или шевронная передача. Это уменьшает ширину и массу насоса. Использование эксцентриков на коренном валу вместо кривошипов также уменьшает габариты и массу насоса. При такой конструкции уменьшается дли-на трансмиссионного вала и даже трехцилиндровые насосы можно устанавли-вать на двух подшипниковых опорах. В результате усовершенствования кон-струкции приводной части масса и габариты двухцилиндровых насосов двой-ного действия мощностью 800 – 1200 кВт несколько меньше, чем насосов ста-рых конструкций. Масса трехцилиндрового насоса одностороннего действия мощностью 1200 кВт в 2 раза меньше массы двухцилиндрового насоса такой же мощности (см. Таб.1).
Станина насоса представляет собой коробчатый корпус, в котором распо-ложена приводная часть. Станины отливаются из стали марки 35Л или высо-копрочных чугунов. Для насосов большой мощности изготовляют сварные или литосварные станины, имеющие меньшую массу по сравнению с литыми. Внутренняя полость станины используется как масляная ванна вместимостью 0,3л на 1кВт приводной мощности. Она плотно закрывается крышкой, в верх-ней части которой установлен сапун. Ванна имеет указатель уровня масла, за-правочную горловину и сливное отверстие. Для изоляции приводной части от гидравлической в разделяющей стенке монтируется сальник контрштока.
Передачи предназначены для снижения частоты вращения коренного вала в 10 – 20 раз. Первичные двигатели привода буровых насосов обычно имеют частоту вращения 700-1500 об/мин. Передача бывает двух ступенчатой. Обыч-но между двигателем и трансмиссионным валом насоса имеется клиноременная передача с передаточным числом 2-3,5. Применяют от 9 до 20 клиновых рем-ней типов Д или Г. Шкивы для клиноременной передачи изготавливают из чу-гунного литья и сажают на консоли трансмиссионного вала по цилиндрической или конической поверхности на шпонке. Для снижения габаритов этой ступени передачи были попытки использования многорядных цепных передач, но они оказались безуспешными вследствие низкой долговечности цепей.
Вторая ступень – это зубчатая передача между трансмиссионными и корен-ными валами. Ее передаточное число 4-5 и оно снижает частоту вращения ко-ренного вала с 250-600 до 60-135 об/мин. Обычно применяют цилиндрические зубчатые передачи с косыми (угол наклона зуба 6-7°) или шевронным зубом, с эвольвентным зацеплением или зацеплением Новикова. Модуль зубчатой пере-дачи – 8-14мм. Шестерни или венцы зубчатых колес изготовляют из низколе-гированных сталей марки 40ХН или 38ХМ. В качестве их термообработки применяется закалка токами высокой частоты до твердости НРС54-57. Ше-стерни изготовляют как одно целое с трансмиссионным валом или как отдель-ные детали. В последнем они соединяются с помощью горячей посадке на шпонке. Предпочтительно изготовление шестерни за одно целое с валом, так как в месте посадки шестерни при работе на валу возникают интенсивные про-цессы фреттинг-корозии, приводящие к усталостным поломкам валов.
Трансмиссионные или коренные валы с косозубыми передачами устанавли-вают на подшипники, воспринимающие осевые нагрузки. Применяют ролико-вые конические однорядные или двухрядные, сферические или цилиндрические подшипники качения, обеспечивающие долговечность не менее 10 тыс.ч.
Кривошипные коренные валы обычно изготовляют коваными, эксцентрико-вые - литыми. На кривошипном валу находится зубчатое колесо, часто с насадным зубчатым венцом. С двух сторон зубчатого колеса под углом 90° друг к другу в двухцилиндровых насосах или под углом 120° в трехцилин-дровых насосах на коренном валу посажены кривошипы. На Мотылевых шей-ках кривошипов на сдвоенных конических роликоподшипников монтируют головки шатунов. Эксцентрики коренных валов после сборки образуют остов зубчатого колеса, на котором находится зубчатый венец.
Шатуны и крейцкопфы буровых насосов изготовляют кованными или ли-тыми. Малая головка шатуна соединяется с крейцкопфом с помощью валика на подшипнике скольжения или качения. В качестве подшипника применяется втулка из оловянистой бронзы. В мощных буровых насосах используются двухрядные игольчатые роликоподшипники. Крейцкопфы необходимы для снятия радиальных усилий с резинометаллических поршней, которые возни-кают как бы при прямом соединении шатунов с поршнями. Крейцкопф имеет цилиндрическую рабочую поверхность, к которому крепятся сверху и с низу сменные чугунные накладки. Аналогичные чугунные накладки крепятся к ста-нине насоса для движения по ним крейцкопфа. Для обеспечения нормальной эксплуатации зазор между направляющими накладками станины и накладками крейцкопфа должен быть 0,2-0,5мм. По мере износа зазор компенсируется пу-тем установки под накладки прокладок из белой жести или латуни. В передней части крейцкопфа на резьбе ввинчивается контршток. Резьбовое соединение штока и контрштока стопорятся контргайками.
Зубчатые передачи и подшипники приводной части насоса смазывают раз-брызгиванием или в мощных буровых насосах специальным масляным насо-сом с цепным приводом от трансмиссионного вала.

1.5.2 Рассмотрим конструкцию гидравлической части насоса.
В гидравлической части буровой насоса происходит передача энергии от поршней и жидкости. Гидравлические части выполняются по различным схе-мам и отличаются по конструкции. Они различаются расположениями всасы-вающего и нагнетательного клапанов – несоосное в разных коробках или соос-ное в одной, а также конструкцией элементов крепления втулки, поршня и штока.
Основными элементами гидравлической части бурового насоса являются клапанная коробка, всасывающий и нагнетательный коллекторы, цилиндровые втулки, поршни, штоки и клапаны. В двухцилиндровых насосах двустороннего действия гидравлические коробки более сложны, чем в трехцилиндровых од-ностороннего действия.
Конструкция большинства элементов гидравлических частей насосов одно-стороннего и двухстороннего действия различны, кроме клапанов, их крышек, седел и манжет поршней.
Гидравлическая коробка служит для образования рабочих камер, и каналов, по которым жидкость разводится по рабочим камерам и отводится от них, а также для размещения и крепления клапанов и остальных элементов гидравли-ческой части.
Гидравлическая коробка может быть литой из стали, кованой и сварной из отдельных элементов. Достоинствами кованной коробки являются простота из-готовления, небольшая масса при больших давлениях насоса.
В гидравлических коробках двухцилиндровых насосов цилиндры изготов-ляют литыми вместе с клапанными коробками из качественной углеродистой стали с толщиной стенок 20-30 мм. В клапанных коробках двухцилиндровых буровых насосов нагнетательные клапаны располагаются, или над гидравличе-ским цилиндром, или с небольшим отклонением относительно его оси. Всасы-вающие клапаны находятся внизу с внешней стороны гидравлических цилин-дров. Объем рабочей камеры в конце хода нагнетания, или так называемое вредное пространство, должен быть минимальным.
Клапаны, поршни, втулки, цилиндров, сальники и штоки работают при вы-соких давлениях в среде высокоабразивной жидкости и сильно изнашиваются, поэтому эти детали не могут обеспечить срока службы в несколько тысяч ча-сов, как это требуется от бурового насоса. Эти детали изготовляют наиболее простой конструктивной формы, что обеспечивает его быструю замену.
Цилиндровые втулки буровых насосов являются наиболее ответственными сменными деталями насоса. Для каждого насоса предусматривается комплект втулок, отличающихся внутренними диаметрами, что позволяет осуществлять ступенчатое регулирование подачи насоса. Большое число промежуточных подач позволяет улучшить использование мощности буровых насосов при бу-рении.
Наружная посадочная часть втулок изготовляется цилиндрической одного диаметра с расточкой в клапанной коробке. Втулка имеет бурт для крепления и предохранения его от осевого сдвига. В зависимости от конструкции упор-ный бурт располагают в различных частях по длине втулки. Для уменьшения износа внутреннюю поверхность втулки тщательно шлифуют. Поверхностная твердость внутренней части втулки очень высокая.
Для насосов работающих при высоких давлениях (более 20 МПа), цилин-дровые втулки изготовляют «двухслойными», т.е. внутренняя часть из высо-кохромистых сталей или отбеленных чугунов типа 260×28 с содержанием хрома 27-30%, марганца до 1% и других легирующих элементов. После тер-мической обработки поверхность зеркала цилиндра имеет твердость HRC 65. наружная часть втулки изготавливается из конструкционных углеродистых сталей.
Такие втулки изготавливаются либо центробежным литьем, либо запрессо-выванием тонкостенной гильзы (толщина стенки 5.5-6 мм) во втулку из стали 65Г с толщенной стенки 10 мм не более. Некоторые зарубежные фирмы нано-сят на внутреннюю поверхность трения стальной втулки слой металлического хрома толщенной 0,6-0,7 мм.
Благодаря этим мероприятиям поверхность трения цилиндра долго сохра-няет хорошее состояние при высоких давлениях, хорошо сопротивляется кор-розии, что также влияет на долговечность поршней насоса.
Крепление и уплотнение втулки в гидравлической коробке необходимо, что-бы втулка была не подвижна, герметична. Крепление и герметичность не должны нарушатся при смене поршня. Конструкция креплений и уплотнения должны допускать быструю и легкую смену втулки и обладать необходимой долговечностью.
Сложность конструкции этого узла в насосах двойного действия заключается в том, что необходимо осуществить уплотнение крепления крышки цилиндров и втулки одновременно. В насосах одностороннего действия эта задача реша-ется проще, так как при высоком давлении внутри камеры в процессе нагнета-ния втулка выталкивается наружу с большой силой, чем сила трения поршня о втулку, действующая в противоположном направлении. Поэтому в насосах од-ностороннего действия уплотняющий элемент втулки устанавливают со сторо-ны жидкости.
В насосах двустороннего действия выталкивающая сила жидкости действует на втулку попеременно с обоих сторон. В этих насосах уплотнение втулки из-нашивается. Лучшие результаты дают конструкции с раздельным креплением и подтягиванием уплотнений крышки и втулки. В корпусе цилиндра, делается отверстие, позволяющее контролировать герметичность уплотнения.
В насосах одностороннего действия нарушение герметичности уплотнения заметно по утечке жидкости.
Уплотнение пространства между втулкой и корпусом в насосах двусторон-него действия изолирует две рабочие камеры, находящиеся по обе стороны поршня. Нарушение уплотнения втулки приводят к промыванию каналов в ее бурте и корпусе гидравлической коробки в следствии перетока жидкости (под действием полного давления нагнетания) из камеры, в которой происходит нагнетание, в камеру, где происходит всасывание. Поэтому для этих насосов лучшим является независимое крепление втулки от поджимного устройства для подтягивания уплотнения.
Крышки цилиндров обычно изготовляют из литой стали с ребрами жестко-сти и крепят на шпильках к гидравлической коробке. Крышки уплотняются при помощи прокладок или манжетных сальников из резины или пластмассы. Прокладки закладываются в выточки, исключающие их выжимание под дей-ствием давления жидкости.
Поршень бурового насоса не только обеспечивает уплотнение и длительную службу, но и быструю смену его при изменении диаметра втулки или при из-носе. Для обеспечения уплотнения, удобства разборки и быстрой смене порш-ня соединение его со штоком в насосах двустороннего действия осуществляется на конической посадке.
Поршень состоит из стального сердечника и одной или двух съемных или привулканезированных к нему резиновых манжет.
Увеличение диаметра манжет поршня относительно диаметра отверстия втулки создает предварительный натяг, обеспечивающий правильное действие всякой самоуплотняющейся манжеты. Под действием давления жидкости рези-на еще плотнее прижимается к рабочей поверхности втулки, создавая надежное уплотнение.
В поршнях буровых насосов наружный диаметр манжеты в свободном со-стоянии на 2-3 мм больше внутреннего диаметра втулки, а дина конической ча-сти каждой манжеты составляет 25-27мм при общей длине поршня 135-150мм.
Поршни имеют различную конструкцию. Рис 2(а) Монолитный поршень двустороннего действия состоит из металлического сердечника и привулкане-зированных к нему с двух сторон уплотняющих манжет. Для увеличения прочности соединения резины с металлом на сердечнике имеются фигурные проточки. Недостатком конструкции таких поршней является необходимость смены всего поршня при износе резиновой ее части. В поршнях такой кон-струкции манжеты изготавливают из синтетической масло нефтестоцкой рези-ны с твердостью по Шору 80÷90.

Техническим предложением является замена электрического привода насоса системы смазки и охлаждения штоков на механический привод от трансмиссионного вала бурового насоса. Главным недостатком электрона-сосного агрегата является частый выход из строя электродвигателя, трудо-емкость его замены, также обслуживания. Необходимо постоянно следить за тем чтобы при работе он был включен, и выключен при остановке насоса.
Механический привод позволит улучшить удобство обслуживания, а также автоматически будет включаться и выключаться в зависимости от ра-боты и остановок насоса, увеличит надежность и долговечность.
Предлагается заменить штатный насос К 8/18 системы смазки и охла-ждения с частотой оборотов 2900 об/мин, на насоса ВКС 1/16, схожий по параметрам и технической характеристике, но с меньшей частотой враще-ния. В Табл. 4.1приведено сравнение показателей насосов.
Из (таб. 4.1) видно, что в первом приближении предлагаемый насос ВКС 1/16 по своим техническим характеристикам подходит для замены штатного насоса. Далее в нашем проекте ставится цель выполнить расчетную проверку соответствия рабочих параметров предлагаемого насоса требуе-мому режиму смазки и охлаждения штоков и разработать чертежи новой системы.
Цель технического предложения достигается тем, что в передаче, уста-навливаем ведущий шкив на трансмиссионном валу насоса и ведомый шкив на валу насоса системы охлаждения штоков, передачу между ними осу-ществляем гибким элементом в виде бесконечной ленты.
Из рассмотренных конструкторских предложений патентного обзора не один не отвечает требованию по решению данной задачи. Главным недо-статком конструкций являются: сложность устройства ввиду большого наличия составных звеньев, неудобностью в эксплуатации и большая трудо-емкость их сборки.
Предлагаю в качестве гибкого элемента бесконечной ленты на данный привод установить клиноременную передачу, что значительно уменьшит трудоемкость при замене, и эксплуатации.
Также необходимо будет модернизировать плиту крепления насоса и установить на ней консоль для установки натяжных винтов.