Проектирование бурового насоса

метки: Насос, Буровая, Трехпоршневой, Поршневой, Классификация, Часть, Поршень, Буровой

буровой насос шток клапан Насосно-циркуляционный комплекс буровой установки выполняет следующие функции:

• нагнетание бурового раствора в бурильную колонну для циркуляции в скважине в процессе бурения, промывки и ликвидации аварий в количестве, обеспечивающим эффективную очистку забоя и долота от выбуренной породы, и получение скорости подъема раствора в затрубном пространстве, достаточной для выноса этой породы на поверхность;

• подвод к долоту гидравлической мощности, обеспечивающей высокую скорость истечения раствора (до 180 м/с) из его насадок для частичного разрушения породы и очистки забоя от выбуренных ее частиц;
• подвод энергии к гидравлическому забойному двигателю;
• очистка бурового раствора от выбуренной породы и газов, поддержание и регулирование заданных его параметров;
• приготовление нового бурового раствора;
• хранение запасного бурового раствора в количестве нескольких объемов скважины и поддержание его свойств при остановках циркуляции.

Буровые насосы предназначены для нагнетания в скважину промывочной жидкости с целью очистки забоя и ствола от выбуренной породы (шлама) и выноса ее на дневную поверхность; охлаждения и смазки долота; создания гидромониторного эффекта при бурении струйными долотами; приведения в действие забойных гидравлических двигателей.

С ростом глубины бурения значительно увеличиваются и мощности буровых насосов. Освоены и намечаются к производству новые модели буровых насосов, отвечающие возросшим требованиям бурения. На основе накопленного опыта, научно — исследовательских и конструкторских работ, а также новейших достижений в насосостроении буровые насосы непрерывно совершенствуются: повышается надежность и долговечность, снижается масса и сокращаются материальные и трудовые затраты на их изготовление, эксплуатацию и ремонт.

Обусловило широкую номенклатуру моделей и модификаций, используемых в отечественной и зарубежной практике бурения эксплуатационных и разведочных скважин.

В зависимости от назначения, типа буровой установки и способа бурения, выбирают насос с определенными параметрами. [ 1 ]

1 Анализ условий работы и конструктивного исполнения насоса

1.1 Анализ условий работы насоса Буровые насосы являются основными потребителями энергии. В настоящее время имеются буровые насосы мощностью от 30 до 2000 кВт. Для каждого класса буровой установки насос должен иметь определенные мощность, подачу и давление.

Назначение и устройство буровых машин и механизмов

... бурового раствора, химических реагентов и воды. 2.3. Способы монтажа, демонтажа, транспортировки бурового оборудования Каждая буровая установка характеризуется схемами транспортирования, монтажа и монтажно-транспортной базой. Установки для бурения ... заполнения скважины начинается монтаж буровой установки, заключающийся в установке и соединении блоков и узлов буровой установки и окончательном монтаже ...

Насосы устанавливаются на расстоянии до 100 метров от устья скважины. Они работают при температуре воздуха ±50 °С, температура перекачиваемого раствора изменяется от -1 до +80°С. Насос должен обладать способностью самовсасывания и при нормальных условиях работать с подпорным центробежным насосом, создающим давление до 0,4 МПа.

Буровой насос должен быть приспособлен для ступенчатого изменения подачи в процессе бурения в 2 — 3 раза. Вместе с тем, он должен обладать способностью кратковременно развивать необходимое давление для продавки частиц выбуренной породы, осевших в затрубном пространстве, трубах или при образовании сальников во время остановки бурения.

Время работы насоса колеблется от 30 минут до 200 часов и более в зависимости от длительности работы долота. Продолжительность периодических технологических остановок может составлять 3−5 минут для наращивания бурильной колонны и 10 часов и более для спуска и подъема долота с больших глубин или для спуска обсадных труб.

Насос должен быть удобным в эксплуатации, допускать быструю смену быстроизнашивающихся деталей поршней, штоков, цилиндровых втулок, сальников, клапанов и др. Долговечность его без капитального ремонта должна составлять 10 000 часов.

Масса, габаритные размеры и конструкция насоса должны допускать его транспортировку при помощи промысловых средств в пределах промысла, а иногда и на расстояние до 100 километров, для этого насосы снабжаются жесткой рамой — салазками.

Надежность и долговечность насосов должна сочетаться с их экономичностью и безопасностью эксплуатации. [ 1 ]

1.2 Анализ конструктивного исполнения насоса Для вращательного бурения с непрерывной циркуляцией бурового раствора применялись поршневые насосы с различными структурными схемами: прямо-действующие (паровые двухстороннего действия двухпоршневые); приводные (двухстороннего действия двухи трех поршневые; одностороннего действия с тремя, пятью и шестью поршнями и цилиндрами; последовательного действия двухпоршневые).

В настоящее время широко применяются приводные поршневые насосы различных конструкций. На смену паровым прямодействующим насосам пришли двухпоршневые насосы двухстороннего действия и трехпоршневые насосы одностороннего действия. Несмотря на более сложную конструкцию, чем у прямо-действующих паровых насосов, и большую неравномерность подачи, эти насосы более экономичны и получили широкое распространение в буровых установках. Многопоршневые насосы не распространены вследствие сложности эксплуатации, необходимости расхода большого количества быстроизнашивающихся деталей и затрат времени на их смену.

Попытки применения трехпоршневых насосов двухстороннего действия, у которых подача намного равномернее, чем у двухпоршневых, не дали удовлетворительных результатов. С появлением более совершенных диафрагменных компенсаторов, обеспечивающих высокую равномерность подачи, эти насосы потеряли свое преимущество.

Для улучшения равномерности подачи делались попытки использовать многоплунжерные насосы, однако при перекачке бурового раствора они также не дали удовлетворительных результатов, так как плунжеры и сальники плохо работали на буровом растворе при высоких давлениях, а смена их весьма сложна.

Попытка замены в шестиплунжерном оппозитном насосе одностороннего действия плунжеров на поршни оказалось более эффективной. Преимущества этого насоса — относительно высокая равномерность подачи (колебания мгновенной подачи — 15%), возможность легкой смены поршней, клапанов, втулок и отсутствие сальников штоков. Однако необходимо иметь на буровой два насоса с таким же, как у трехи двухпоршне^ых насосов двойного действия, числом двигателей явилось причиной того, что эти насосы не получили распространения.

Рабочие органы буровых насосов преимущественно выполнены в виде поршней. Наиболее распространены двухпоршневые насосы двухстороннего действия, на смену которым в последнее время приходят трехпоршневые насосы одностороннего действия. В насосах двухстороннего действия жидкость перемещается в поршневой и штоковой полостях и за один оборот совершается два цикла всасывания — нагнетания. При одностороннем действии жидкость перемещается в поршневой полости рабочей камеры и за один двойной ход совершается один цикл всасывания — нагнетания. В буровых насосах используются самодействующие пружинные клапаны тарельчатой конструкции. Оси поршней параллельны и располагаются в горизонтальной плоскости по одну сторону от привода насоса. Ведущее звено буровых насосов, сообщающее движение поршням, выполняется в виде вращающегося эксцентрикового кривошипного вала.

Промывочная жидкость перемещается по одноступенчатой и однопоточной схеме, через общую приемную линию и один отвод. Подача изменяется с помощью сменных цилиндровых втулок, либо изменением числа ходов насоса.

Пульсации давления, вызываемые неравномерной скоростью поршней, снижаются до практически приемлемого уровня при помощи пневматических компенсаторов. В буровых насосных агрегатах используются преимущественно электродвигатели и дизели, вращение которых передается трансмиссионному валу насоса клиноременной либо цепной передачей.

Эффективность различных структурных схем насосов должна определяться простотой конструкции, ее технологичностью, числом быстроизнашивающихся деталей, вероятностью безотказной работы, массой, к.п.д. и т. д.

Трехпоршневои насос одностороннего действия выполняется по одной схеме, представленной на рисунке 1. Основные параметры трехпоршневых насосов одностороннего действия представлены в таблице 1.

Для оценки преимуществ и недостатков насосов составлены таблицы числа быстроизнашивающихся деталей насрса и других параметров, на основе которых принимается решение о конструктивной схеме насоса. Сравнительная характеристика насосов приведена в таблице 2 и таблице 3. Из этих таблиц видно, что наибольшими преимуществами обладают трехпоршневые насосы одностороннего действия. По сравнению с двухпоршневыми насосами двухстороннего действия трехпоршневои насос одностороннего действия обеспечивает почти в 2 раза меньшую неравномерность подачи и в сочетании с диафрагменным компенсатором пульсации дает лучшие, весьма высокие результаты. Такие трехпоршневые насосы имеют лучшее соотношение числа сменных быстроизнашивающихся деталей.

Возможность быстрой смены поршней и втулок со значительной меньшей массой, чем у двухпоршневых, делает эти насосы более удобными в эксплуатации, а меньшая в 1,5 — 2 раза масса обеспечивает лучшую их монтажеспособ-ность и транспортабельность, что очень важно, особенно для мощных насосов. [1]

Таблица 1 — Характеристика и основные параметры трехпоршневых насосов одностороннего действия

		УНБТ-950	9-Р-100	1-Р-130
Параметры	НБТ-600		(США)	(США)
Мощность, кВт:
полезная
приводная
Число двойных ходов
в 1 мин.	Б
Длина хода поршня, м	0,25	0,3	0,235	0,305
Подача насоса, л/с:
наибольшая	42,9	46,0	34,9	48,7
наименьшая	19,1	28,8	18,1	28,0
Давление
нагнетания, МПа:
наименьшее	11,3	19,0	19,6	22,4
наибольшее	25,0	32,0	38,0	39,0
Диаметр цилиндровых втулок, м: ;
наибольший	0,18	0,18	0,158	0,184
наименьший	0,12	0,14	0,114	0,140
Диаметр штока, мм
Нагрузка на шток, кН
Диаметр клапана, мм

Таблица 2 — Сравнительная характеристика буровых поршневых насосов с различными структурными схемами Таблица 3 — Число быстроизнашивающихся деталей гидравлической части буровых насосов различных типов

			Последова;
	Двухстороннего	Одностороннего	тельного
Детали	действия	действия	действия
	Число поршней
Втулки цилиндров
Манжеты поршня
Клапаны
Штоки
Сальники штоков

1 — компенсатор; 2, 3 — коллекторы выходной и входной; 4, 5 — клапаны всасывающий и нагнетательный; 6 — поршень; 7 — шток; 8 — ползун; 9 — шатун; 10 — вал коренной; 11 — вал трансмиссионный; 12 — шкив Рисунок 1 — Принципиальная схема трехпоршневого насоса одностороннего действия

2 Конструирование насоса Приводные насосы состоят из двух основных частей — гидравлической и трансмиссионной (приводной).

Конструкции этих насосов довольно разнообразны, но отдельные элементы выполняются однотипно. Например, трансмиссионная часть трехпоршневого насоса отличается от таковой двухпоршневого тем, что коренной вал в первом случае имеет три эксцентрика или кривошипа, а во втором два.

Гидравлические части отличаются числом цилиндров, поршней, клапанов и их расположением. Существенным отличием гидравлической части трехпоршневого насоса от двухпоршневого является то, что этот насос не имеет камеры со штоком и уплотняющего сальника, что не только упрощает его конструкцию, но и исключает износ штока и облегчает эксплуатацию, так как не надо подтягивать и менять сальники и изношенные штоки.

На рисунке 2 показан трехпоршневой насос одностороннего действия с литой станиной.

2.1 Трансмиссионная часть насоса Трансмиссионная часть бурового насоса — это устройство, которое преобразует вращательное движение ведущего трансмиссионного вала в возвратно-поступательное движение поршней и снижающее частоту вращения коренного вала.

Трансмиссионная часть буровых насосов смонтирована в литой или сварной станине и состоит из коренного вала в сборе с зубчатым колесом, трансмиссионного вала с шестерней и шкивом или звездочкой, шатунов, ползунов и промежуточных штоков.

1 — камера насосная; 2 — поршень; 3 — клапан всасывающий; 4 — клапан нагнетательный; 5 — труба всасывающая; 6 компенсатор; 7 — ползун; 8 — вал трансмиссионный; 9 — вал коренной; 10 — крышка Рисунок 2 — Схема двухпоршневого насоса двухстороннего действия с литой станиной Конструктивная схема трехпоршневых и двухпоршневых насосов определяет их ширину и массу.

При небольшой мощности бурового насоса (200 — 300 кВт) схема его трансмиссионной части не имеет большого значения, так как небольшая масса не влияет на его монтажеспособность. Для насосов больших мощностей масса не только увеличивает их стоимость, но и снижает монтажеспособность, поэтому для мощных насосов необходимо выбирать схему, обеспечивающую их минимальную массу.

Трансмиссионная часть трехпоршневого насоса представлена на рисунке 3. Коренной вал состоит из трех частей, соединенных сваркой. Он смонтирован в корпусе на двухрядных конических роликоподшипниках, а шатун — на двухрядных сферических роликоподшипниках. Такой монтаж позволяет некоторую самоустановку шатуна при перекосе осей пальца головки шатуна и коренного вала. Эксцентрики с шатунами расположены на равных расстояниях по осям цилиндров.

Мотылевые головки шатунов неразъемные, смонтированы на подшипниках качения, которые фиксируются от осевых перемещений полукольцами, укрепленными на болтах.

В насосах небольшой мощности передача между трансмиссионными и коренными валами осуществляется иногда многорядной цепью. При большой неравномерности подачи насоса цепные передачи работают хуже зубчатых, поэтому подобная конструкция может применяться при высококачественных цепях, рассчитанных с большим запасом прочности и выносливости.

Головки шатунов смонтированы на осях на роликоподшипниках с длинными цилиндрическими роликами. Ползуны и их накладки цилиндрические.

1 — вал трансмиссионный; 2 — корпус; 3 — вал коленчатый; 4 — передача зубчатая; 5 — эксцентрики; 6 — шкив Рисунок 3 — Кинематическая схема приводной части двухцилиндрового насоса

2.2 Конструирование элементов трансмиссионной части насоса Станина является основной и наиболее сложной и дорогой деталью насоса. Она представляет собой металлический коробчатый корпус, в котором размещены все механизмы трансмиссионной части. К станине присоединяется на шпильках гидравлическая часть насоса.

Станины изготавливаются литыми из стали 35Л или высокопрочных чугунов либо сварными из стального листа и профильного проката. Преимущество стальной сварной станины по сравнению со стальной литой или чугунной заключается в том, что при одинаковой прочности первая может иметь меньшие толщину стенок и массу. Для облегчения мощных насосов в настоящее время применяют сварные станины, для менее мощных — литые из высокопрочных чугунов. Сварные станины более сложны и трудоемки в изготовлении.

Сварная станина трехпоршневого насоса со всеми комплектующими показана на рисунке 4. Она выполнена из стальных листов и точечных и штампованных элементов. Крышки станины не связаны с крышками подшипников валов, что уменьшает массу насоса.

Внутренняя полость станины должна быть закрыта и сообщаться с атмосферой через фильтр, находящийся в сапуне, установленном в верхней части. Приводная часть от гидравлической изолируется сальником промежуточного штока, расположенном в разделяющей стенке корпуса.

В корпусе насоса для отвода тепла необходимо предусматривать масляную ванну, вместимость которой зависит от мощности насоса (из расчета 0,3 — 0,4 л/кВт).

Станина имеет указатель уровня, заправочную горловину, сливное отверстие, трубку, отводящую масло от сливного отверстия, и змеевик для охлаждения масла летом и подогрева его зимой в районах с холодным климатом.

При конструировании станины следует стремится наряду с прочностью обеспечить удобство монтажа всех элементов, их осмотра, регулировки и ремонта, необходимо предусмотреть простые формы деталей, удобство механической обработки и точность размеров станины.

Зубчатая передача предназначена для снижения частоты вращения трансмиссионного вала и передачи вращения и мощности коренному валу.

Для снижения частоты вращения двигателей, приводящих буровые насосы, между двигателем и коренным валом насоса ставят передачи, редуцирующие частоту вращения в 5 — 20 раз. Обычно ее разбивают на две или три ступени. Первую (клиноременную) передачу предусматривают между двигателем и трансмиссионным валом насоса, а при больших мощностях — многорядную цепную. Передаточное отношение их выбирают в пределах U=2 — 3,5.

Вторую передачу встраивают непосредственно в насос между трансмиссионным и коренным валами. В этой передаче применяют цилиндрические зубчатые колеса — косозубые с углов наклона 6−10° или шевронные с эвольвентным зацеплением или зацеплением Новикова. В насосах небольшой мощности иногда применяют многорядные роликовые цепи или прямозубые зубчатые колеса. Передаточное отношение этой пары выбирают в пределах 2,5 — 5,5, модуль зубчатой передачи 8−14 мм. Зубчатые венцы изготавливают из легированных хромонике-левых сталей типа 40ХН или 38ХМ, шестерни — из сталей 40ХН, 38ХНЗМФА и других марок с поверхностной закалкой зуба ТВЧ до твердости 54−57 HRC.

Для косозубых передач на трансмиссионных и коренных валах устанавливают подшипники, воспринимающие осевые нагрузки. При шевронных, прямозубых и цепных передачах осевые нагрузки не возникают, но один из валов должен обязательно допускать свободное осевое перемещение. Лучше это осуществлять на трансмиссионном валу, как на менее нагруженном и жестко не связанном с другими элементами насоса.

Трансмиссионный вал буровых насосов большой мощности имеет обычно двухопорную, реже четырехопорную конструкцию. На валу устанавливают один или два приводных шкива. При одном шкиве подшипник противоположного конца вала практически очень мало нагружен.

В некоторых случаях при монтаже буровой установки требуется размещать приводной шкив слева или справа от насоса или устанавливать два шкива, для чего трансмиссионные валы изготавливаются с двумя консольными концами. Иногда применяют одноконсольные валы, чтобы уменьшить габариты насоса.

Шестерня и вал представляют собой либо откованную за одно целое деталь, или отдельные детали, соединяемые с натягом и шпонками.

Кривошипно-шатунный механизм — один из ответственных элементов буро вого насоса. Его конструкция должна быть не только надежной и прочной, но и долговечной, простой в изготовлении, сборке и разборке в заводских условиях; эта часть насоса должна быть настолько надежной, чтобы не требовалось ее ре монта в полевых условиях.

Кривошипно-шатунный механизм состоит из коренного вала с зубчатым колесом и шатунами, ползунов и штоков ползуна.

Коренной вал изготовляют кованным (коленчатый и кривошипный) и литым (эксцентриковый и пальцевый).

Коленчатые валы в крупных современных насосах не применяются.

Эта сборка состоит из вала, на который насажены эксцентрики или кривошипы и зубчатое колесо. В трехпоршневом насосе кривошипы смещают на 120° друг относительно друга. На мотылевых шейках кривошипов монтируют головки шатунов на сдвоенных конических или сферических роликоподшипниках, закрытых крышкой.

Коренной вал монтируют на двух опорах, состоящих из двух сдвоенных конических или сферических роликоподшипников. В настоящее время чаще применяют коренные эксцентриковые валы, обеспечивающие большую долговечность подшипника шатуна и позволяющие изготовлять насосы меньшей ширины.

Корпус коренного вала отливают из стали марки 35Л или из легированных высокопрочных чугунов с добавкой никеля, хрома, ванадия и других металлов. Зубчатый венец крепится на болтах или посадке с натягом.

Большой диаметр пальцевых коренных валов позволяет запрессовать пальцы в отверстия, расточенные в его корпусе. Оси и пальцы изготавливают из стали марки ЗОХГС. Мотылевые головки шатунов выполняют аналогично головкам шатунов кривошипных коренных валов. Отсутствие опор на концах вала позволяет осматривать мотылевые и коренные подшипники через боковые люки станины.

В опорах коренного вала применяют подшипники качения роликовые двухрядные конические, сферические, игольчатые и однорядные конические и цилиндрические.

Для коренного вала рекомендуются двухрядные конические роликоподшипники. Которые наилучшим образом соответствуют конструкции, так как вал небольшую длину и значительный диаметр. Мотылевые подшипники также следует выбирать их числа двухрядных конических роликоподшипников, обеспечивающих восприятие радиальных и осевых усилий и компактность конструкции.

На коренной вал насоса действует толчкообразные нагрузки, поэтому подшипники качения монтируются на нем с предварительным натягом.

Для восприятия осевой нагрузки, создаваемой косозубыми колесами, на трансмиссионном валу иногда используют двухрядные конические роликоподшипники, устанавливаемые на конце, противоположном шкиву. Вблизи шкива устанавливают подшипник с цилиндрическими роликами, воспринимающий только радиальную нагрузку и допускающий осевое смещение. Сферические подшипники устанавливают при длинных валах и больших их прогибах.

На пальцы ползуна в мощных насосах применят однорядные и двухрядные игольчатые роликоподшипники, которые воспринимают большую нагрузку. Для удобства демонтажа подшипников в конструкциях должна предусматриваться возможность захвата каждого кольца подшипника съемником, для чего кольцо должно выступать над поверхностью бурта или заплечика, в который оно упирается. Необходимо также достаточно свободное пространство между выступающим кольцом подшипника и находящимися на валу деталями.

Подшипники скольжения применяют в головках шатунов насосов малых и средних мощностей.

Шатуны буровых насосов изготавливают коваными или литыми из сталей марок 30 или 40 с целой или разъемной мотылевой головкой. Тело шатуна выполняют двутаврового или круглого сечения для уменьшения массы и обеспечения требуемой продольной жесткости.

Ползуны в буровых насосах применяют для того, чтобы направить шток поршня и освободить его от действия тангенциальных усилий кривошипа. Малую головку шатуна не связывают непосредственно с поршнем, а применяют промежуточные элементы — ползуны «штоки ползуны. Отношение длины ползуна к его диаметру принимается равным 0,9 — 1,2 [https:// , 7].

Для предохранения от износа направляющей в станине устанавливают накладки. Чтобы обеспечить нормальную работу, зазор между направляющими накладками ползуна и станины должен быть 0,2 — 0,5 мм.

В передней части корпуса ползуна имеется резьбовое отверстие, в которое ввинчивается шток ползуна, соединяемый далее резьбой или хомутами со штоком поршня. Все резьбовые соединения штока при помощи контргаек фиксируются от самоотвинчивания.

Приводной клиноременный шкив или цепное колесо устанавливают на консоли трансмиссионного вала. Шкивы обычно изготавливают из чугуна и имеют 8−20 канавок для клиновых ремней узкого профиля УВ или нормальных профилей Г, Д и Е. Они крепятся на валу на конусной или цилиндрической посадке и шпонке; для облегчения демонтажа шкива ступица его выполняется разрезной со стяжными болтами.

Смазка зубчатой передачи и всех трущихся элементов трансмиссии насоса осуществляется либо централизовано под давлением масляным насосом, либо разбрызгиванием или погружением зубчатого колеса в масляную ванну на глубину 0,75 высоты зуба.

Подшипники качения в этом случае смазываются жидким маслом, которое попадает в подшипниковые камеры в результате разбрызгивания или поступает самотеком по специальным каналам из коробок или полостей станины, в которое оно собирается скребком с поверхности зубчатого колеса или шестерни.

В ряде случаев подшипники качения располагают в изолированных камерах и смазывают их консистентной смазкой. В крупных современных насосах смазка подается автоматически только при помощи масляных насосов.

Для смазки сальника штока ползуна масло к нему часто подводится со специального масляного насоса.

Штоки поршня и зеркала цилиндров обмываются водой, маслом или их смесью, подаваемой другим насосом, приводимым индивидуальным электродвигателем или клиновым ремнем от трансмиссионного вала, который вместе с резервуаром и подводящими и отводящими трубами образуют замкнутую смазочную систему. Это устройство можно устанавливать в виде отдельного смазочного агрегата или встраивать в буровой насос.

Целесообразно применение смазочно-охлаждающих устройств, так как охлаждение и смазка значительно повышает срок службы деталей. Использование масла вместо воды для обмывки штоков увеличивает срок службы их в несколько раз.

2.3 Гидравлическая часть насоса В гидравлической части бурового насоса происходит передача энергии через трансмиссию, штоки и поршни к жидкости и перемещение ее из входной линии в выходную. Структурная часть гидравлической части может быть выполнена весьма разнообразна.

Преимуществом гидравлической части насосов одностороннего действия является то, что поршень находится в контакте с буровым раствором только с одной стороны, что позволяет при ходе нагнетания обмывать зеркало цилиндра для удаления абразивных частиц, охлаждать и смазывать его. При износе уплотнения поршня нет перетока жидкости из одной камеры насоса в другую, как в насосах двухстороннего действия. Износ уплотнения поршня виден по утечке раствора наружу. Отсутствие второй камеры со штоком исключает применение сальника штока и его износ. Шток поршня работает только на сжатие, что упрощает конструкцию.

Конструктивно гидравлические части буровых насосов выполняют весьма разнообразно. Он различаются расположением и конструкцией клапанных, поршневых и цилиндро-втулочных устройств.

До настоящего времени выпускались трехпоршневые насосы с гидравлическими коробками трех типов. Наиболее удачна была конструкция гидравлической коробки с разноосным ступенчатым расположением всасывающего и нагнетательного клапанов с раздельными крышками, обеспечивающими независимые установку и извлечение клапанов и демонтаж цилиндровой втулки в сторону трансмиссионной части насоса. Элементы гидравлической части насоса одностороннего действия представлены на рисунке 4.

Второй тип — гидравлическая коробка, имеющая вертикальное расположение всасывающего и нагнетательного клапанов, установленных на одной оси. Нагнетательный клапан, расположенный сверху, извлекают через клапанную крышку, а всасывающий клапан, расположенный внизу, вынимают через лобовую крышку цилиндра. В насосах с такой гидравлической коробкой цилиндровую втулку можно извлечь через лобовую крышку и в сторону трансмиссионной части.

Третий тип — гидравлическая коробка с разноосным ступенчатым расположением клапанов и независимым извлечением клапанов и цилиндровых втулок через лобовую крышку. Коробка такой конструкции не получила распространения в виду сложности конструкции.

2.4 Конструирование элементов гидравлической части насоса Основные элементы гидравлической части бурового насоса — гидравлическая коробка, входной выходной коллекторы, цилиндровые втулки, поршни, штоки и клапаны.

Гидравлическая коробка может быть изготовлена из стали литой, кованой или сварной из отдельных элементов. Литая гидравлическая коробка насоса изображена на рисунке 5. Преимущество такой коробки — простота изготовления, малая масса при больших давлениях.

1 — гидравлическая кованая коробка; 2, 4 — выходной и входной коллекторы; 3, 5 — крышка и стакан 4 -клапанной коробки Рисунок 4 — Элементы гидравлической части трехцилиндрового насоса одностороннего действия Цилиндровая втулка буровых насосов является одной из наиболее ответственных сменных деталей насоса. Для каждого насоса предусматривается комплект втулок, отличающихся внутренними диаметрами, что позволяет ступенчато регулировать подачу насоса. Для изменения подачи в насосах с нерегулируемым приводом применяют втулки четырех, пяти и более промежуточных диаметров.

В крайних положениях кромки поршня не должны доходить до торцов цилиндрической втулки на 20 — 25 мм, чтобы было гарантировано расположение поршня внутри цилиндровой втулки с учетом ее возможных смещений при эксплуатации в связи со сменой или подтяжкой уплотнения.

Наружная часть втулок изготавливается цилиндрической с упорным буртом для ее фиксации от осевых перемещений или гладкой снаружи. В насосах одностороннего действия гладкая снаружи втулка от осевых перемещений фиксируется торцом со стороны штока поршня или различными фиксирующими устройствами. Размеры цилиндровых втулок нормализованы. В зависимости от конструкции упорный бурт располагается в различных частях по длине втулки.

Для уменьшения износа внутреннюю поверхность втулки тщательно шлифуют и хонингуют. Шероховатость поверхности 0,25.

В настоящее время для насосов, работающих при высоких давлениях (более 20 МПа), цилиндровые втулки выпускают «двухслойными», т. е. внутренняя часть изготавливается центробежным литьем из высокохромистых отбеленных чугу-нов марки 260X28.

В настоящее время для насосов, работающих при высоких давлениях (более20 МПа), цилиндровые втулки выпускают «двухслойными», т. е. внутренняя часть изготавливается центробежным литьем из высокохромистых отбеленных чугунов марки 260X28.

Рисунок 5 — Литая гидравлическая коробка насоса Крепление и уплотнение втулки в гидравлической коробки должно обеспечивать:

• неподвижность втулки;
• герметичность посадки в расточке гидравлической коробки, исключающую возможность протока раствора между наружной ее поверхностью и корпусом;
• герметичность при многократной смене втулок;
• сигнализацию о появлении утечки раствора.

Сложность этого узла состоит в том, что необходимо уплотнять и закреплять два элемента — крышку цилиндров и втулку одновременно.

При ходе нагнетания между движущимся поршнем и втулкой возникают силы трения, стремящиеся вытолкнуть втулку в направлении движения поршня, однако при этом в камере повышается давление жидкости, стремящееся вытолкнуть втулку в обратном направлении с силой, равной произведению этого давления на площадь сечения тела втулки.

В насосах одностороннего действия это усилие прижимает упорный торец втулки к торцу расточки гидравлической коробки под цилиндр или к фиксатору, поэтому уплотняющий элемент располагают со стороны жидкости. Поршень бурового насоса не только обеспечивают уплотнение и длительную службу, но и быструю смену его при изменении диаметра втулки или при износе. Он состоит из стального стержня и одной или двух съемных или привулканизированных к нему манжет.

Увеличение диаметра уплотняющей передней части («губы») манжет поршня относительно диаметра отверстия втулки создает предварительный натяг, обеспечивающий правильное действие его самоуплотняющейся манжеты. Под давлением жидкости резина поршневой манжеты еще плотнее прижимается к рабочей поверхности цилиндровой втулки, создавая надежное уплотнение. Наружный диаметр «губы» манжеты в свободном состоянии 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.

Поршни имеют различную конструкцию. Опорная часть поршня насоса одностороннего действия — резинотканевая с подкладкой из полиуретана или резины. Конструкция обеспечивает большую стойкость манжеты и ее легкую смену при ремонтах. Внутренняя часть уплотняется сжатием торца манжеты шайбой. Поршень со стороны штока иногда имеет дополнительную манжету для очистки цилиндра.

Шток бурового насоса, присоединяемый к ползуну и поршню, служит для передачи мощности от приводной части к гидравлической.

В насосах одностороннего действия штоки изготавливают из среднеуглеродистых сталей без упрочнения поверхностей, так как он не изнашивается сальником.

Штоки ползунов изготавливают из углеродистых сталей 40, 40Х и других без упрочняющей термической обработки.

Элементы сборных штоков буровых насосов большой мощности соединяют на конических резьбах, что позволяет быстро свинчивать и развинчивать соединения при сменах поршня. Резьба имеет цилиндрическую часть, на которую навинчивается контргайка.

Размеры штоков и резьб выбирают по данным их расчета на прочность.

Клапаны насосов предназначены для периодического открытия и закрытия всасывающих и нагнетательных отверстий цилиндров. В буровых поршневых насосах применяют самоподъемные клапаны тарельчатого типа, т. е. с одной выходной щелью.

Клапан состоит из седла, тарели с направляющим штоком, уплотнения, элементов крепления и пружины. Уплотняющая поверхность коническая с углом наклона 30 — 60 °C.

При прокачке буровых растворов, содержащих абразивные частицы, особенно при прокачке утяжеленных растворов, срок службы клапанов сильно сокращается, в ряде случаев вместо 300 — 500 часов составляет 20 — 30 часов. Поэтому конструкция клапанов, клапанных коробок и их крышек должна допускать быструю их смену, ремонт и осмотр. Для удобства эксплуатации и изготовления всасывающие и нагнетательные клапаны выполняются взаимозаменяемыми.

Клапаны должны обеспечивать безударную посадку на седло при переменных режимах работы и иметь минимальные гидравлические потери. Он должен иметь надежное направление, обеспечивающее точную посадку на седло одновременно по всей поверхности посадочного пояска. Тарель должна быть возможно легкой, а посадочный конический поясок узким. В насосах, работающих при давлениях более 20 МПа, на тарель клапана действуют большие силы (300 -400 кН), в результате чего на посадочном пояске возникают высокие удельные нагрузки, приводящие к его быстрому износу. В этих случаях лучше применять клапан, в котором предусмотрена его посадка одновременно как на уплотняющий поясок, так и на нижнюю плоскость поверхности тарели и на ребра седла.

В насосах с небольшими нагрузками на клапан, одновременную посадку клапана на седло и ребра не осуществляют, чтобы упростить изготовление. Наиболее ответственным элементом, определяющим долговечность клапана, является конструкция уплотняющего кольца и посадочных поверхностей седла и тарели. Формы узла сопряжения этих трех элементов должны так сочетаться с твердостью уплотняющего кольца и давлением, чтобы не вызывать чрезмерных деформаций и износа какого — либо из его элементов под действием переменных циклических нагрузок.

Надо учитывать, что пластические материалы и резины при всестороннем сжатии жидкостью почти не меняют своего объема, но легко меняют форму и заполняют свободное пространство под действием сил, создаваемых разностью давлений.

Если тарель клапана садится на седло раньше, чем уплотняющее кольцо, то раствор, прорываясь в щель клапана, быстро размывает металлические посадочные поверхности. Если же уплотняющее кольцо садится на седло раньше тарели, то под действием давления пластичный материал будет вдавлен в щель и его уплотняющая кромка быстро разрушится. Величина щели между тарелью и седлом зависит от размера зерен твердых частиц прокачиваемого раствора. Поэтому в настоящее время уплотняющие кольца для высоких давлений делают большого сечения со скругленными краями из жестких пластмасс типа полиуретана или синтетических резин, иногда армированных тканью.

Конструкция сопряжения уплотняющего элемента представлена на рисунке 6.

Крышка клапанной коробки служит не только для того, чтобы закрывать отверстия клапанной коробки, но и центрировать верхнюю втулку штока клапана и обеспечивать легкий доступ и быструю смену клапана. Конструкция крышки клапанной коробки представлена на рисунке 7.

1 — седло; 2 — тарелка; 3 — кольцо уплотняющее; 4 — диск нажимной; р — давление; Do — диаметр отверстия седла; dh — диаметр седла наружный Рисунок 6 — Конструкция сопряжения уплотняющего элемента

1 — гидравлическая коробка; 2 — втулка; 3 — гайка; 4 — поршень; 5,6 — кольцо уплотнительное; 7 — клапан; 8 — пружина; 9 — втулка; 10 — уплотнение; 11 — шток Рисунок 7 — Конструкция крышки клапанной коробки

3. Расчет основних параметров насоса

4. Выбор базовой модели насоса В качестве базовой модели выбираем трехпоршневой насос одностороннего действия УНБТ — 950. Параметры базового насоса представлены в таблице 4.

Таблица 4 — Параметры насоса У8−6МА2

Параметры	Насос У8−6МА2
Мощность, кВт: Полезная Приводная
Число двойных ходов поршня
Длина хода поршня, м	0,4
Подача, л/с: Наибольшая Наименьшая	50,9 18,9
Давление нагнетания, МПа: Наименьшее Наибольшее	14,2 32,0
Масса насоса со шкивом, кН

5. Определение основных размеров приводной и гидравлической частей насоса

6. Мероприятия по повышению надежности работы насоса Способы повышения надежности оборудования подразделяют на три группы: конструктивные, технологические и эксплуатационные. В результате анализа причин отказа деталей и узлов буровых насосов можно выделить направления повышения надежности работы насоса:

• сформулировать понятие отказа проектируемой системы. При этом влияющих существенным является выбор количества изделий (узлов, деталей), на надежность;
• составляются расчетные таблицы, в которые заносятся сведения об изделиях (деталях), входящих в систему, их надежности;

• построить графики зависимостей показателей надежности от времени. На основании графиков делается сравнение надежности отдельных узлов и деталей системы; а также различных вариантов структурных схем и изделий.

Как известно, буровой насос обладает некоторыми деталями, которые имеют небольшую долговечность вследствие абразивного износа. К таким деталям относится гидро — поршневая пара. Для улучшения работы насоса и повышения долговечности предлагается изобретение, улучшающее работу цилиндро-поршневой пары. Предложенное изобретение относится к уплотнительным устройствам. Уплотнение состоит из опорного и защитного колец. Опорное кольцо выполнено с перемычкой на внутренней ступени. Защитное кольцо выполнено разрезным со сплошным разрезом.

Уплотнение в поршне привулканизировано к опорной части резиновой манжеты передней и внутренней поверхностями защитного кольца.

Поршень работает следующим образом. При такте нагнетания импульс давления передается через эластичную манжету на внутреннюю поверхность защитного кольца, которое, деформируясь в радиальном направлении, деформирует опорное кольцо. При возникновении в цилиндре — поршневой паре зазора между зеркалом втулки и наружной цилиндрической поверхностью кольца в результате износа рабочих поверхностей пары, перемычка разрушается и кольца, опорное и защитное, упруго деформируются до соприкосновения с зеркалом втулки, перекрывая зазор и предотвращая выдавливание в него опорной части эластичной манжеты, при этом острые кромки перемычки, удаленные от зеркала втулки, не повреждают зеркала втулки. В связи с тем, что перемычка имеет уменьшенное сечение, разрушение происходит при значительно меньших зазорах в паре. Особенно часто выходят из строя, элементы гидравлической части насоса изза того, что также подвержены воздействию факторов износа. Рассмотрим пример с уплотнением штоков насоса. Уплотнения штоков насосов разделяют на нажимные и самоуплотняющиеся. Остановимся на самоуплотняющихся сальниках как наиболее современных и эффективных разработках. Самоуплотняющиеся сальники штоков используют в современных буровых насосах, рассчитанных на давление 20 — 40 МПа. В этих сальниках осуществляется самоуплотнение и не требуется больших усилий для поджатая; они обладают способностью компенсировать износ манжет и штока. При любом давлении поджатие сальника к штоку не может быть произвольно большим, как в случае нажимного сальника. При уменьшении давления на уплотняемых поверхностях обеспечивается удлинение срока службы манжет и штока. Начальное обжатие штока должно быть достаточным для уплотнения камеры при всасывании. Для предохранения манжетного уплотнения от скручивания служит металлическая втулка. Самоуплотняющийся сальник снабжается устройством для смазки. Для уменьшения износа сальник и шток должны обмываться чистой водой или смесью машинного масла с дизельным топливом. Обычно в насосе предусматривается трубка, непрерывно подающая на шток вблизи сальника струю воды. Чтобы уплотнить штоки (при низких давлениях), применяют резинотканевые кольца, при высоких давлениях — различные комбинированные уплотнения, состоящие из резиновых колец с металлическим каркасом.

Наиболее совершенными и современными разработками в области уплотнения штоков являются сальники-втулки. В сальниках — втулках уплотняющий элемент состоит из резино — тканевого каркасарезиноткань 45 (ТУ38−105 406−77) с уплотняющей частью состоящей из резины групп 2 — 5 (ОСТ-26−02−1497−76).

Этот сальник имеет зигзагообразный разъем; металлическое нажимное кольцо также разъемное. Уплотняющую часть манжеты обычно изготавливают из маслонефтестойкой синтетической резины с твердостью по прибору ТИР-86−96, а нажимные грундбуксы из различных пластмасс типа полиамид ПА-12−10 или П-66. [3]

Технический уровень и тенденции развития поршней насосов представлен в таблице 7.

7. Обеспечение охраны окружающей среды при эксплуатации насоса Основные источники загрязнения окружающей среды при бурении — промывочная жидкость и реагенты, используемые для регулирования ее свойств; частицы горных пород, выносимые потоком промывочной жидкости из скважины или выбрасываемые из нее во время открытого фонтанирования; пластовые жидкости; нефть и нефтепродукты; масла, предназначенные для смазки деталей насосов; остатки тампонажных растворов.

Свести к минимуму загрязнение окружающей среды при бурении можно только путем комплексного решения задачи. Для этого необходимо для хранения промывочных жидкостей, реагентов, нефти и нефтепродуктов использовать металлические или бетонные емкости, а для сбора и временного хранения всей выбуренной породы, пластовых и буровых сточных вод, а также нефти, изливающейся из скважины при ее освоении — земляные амбары с достаточно высокой и надежной обваловкой, которая не могла бы быть разрушена ливневыми дождями. Дно и стенки земляных амбаров должны иметь хорошую гидроизоляцию, чтобы хранящиеся в ней жидкости и химреагенты не могли проникнуть в горизонты грунтовых вод и в естественные водоемы.

По окончанию бурения скважины подлежащую рекультивации территорию необходимо освободить от оставшейся в емкостях промывочной жидкости и шлама горных пород. Существуют различные пути решения этой проблемы: транспортировка оставшейся промывочной жидкости и шлама в зоны катастрофического поглощения в соседних бурящихся скважинах, если эти зоны не содержат пресные воды и не сообщаются с водными акваториями и атмосферой; сбор всего шлама и промывочной жидкости в металлические контейнеры и вывоз для захоронения в специальные хранилища; отвердение промывочной жидкости на водной основе добавками минеральных вяжущих и полимерных материалов для использования в качестве строительного материала; обезвоживание отходов подсушиванием их в земляных амбарах с последующей засыпкой плодородной землей.

Промывочные жидкости на углеводородной основе следует хранить в закрытых металлических емкостях в специальных складах, а выбуренную породу собирать в металлические емкости и перед захоронением промывать в водном растворе ПАВ с целью извлечения адсорбированных на частицах породы нефтепродуктов либо подвергать термической обработке[1].

Ильский А. Л., К. В. Спутник

А.с. 377 545 СССР, МКИ ³ FO4B1/04. Поршень объемной машины / B.C. Давыдов и др. (СССР).-№ 4 357 913/25−29; Заявлено 02.11.70; Опубл. 17.04.73; Бюл. № 28.

Г. Ф. Алексеев, А. С. Поршневые

буровой насос шток клапан

Приложение А

10 КЕМ РАСЧЕТ БУРОВОГО НАСОСА ДВУХСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ

20 PRINT «ХАФИЗОВ Н.М. МОН-01»

30 PRINT

40 PRINT «РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ»

50 PRINT TAB (11); STRING$(25,» =»)

60 DATA 04.10.05

70 READ PH, KS, W, PSI

80 PRINT «ДАВЛЕНИЕ НАГНЕТАНИЯ РН=» ;РН;» МПа»

90 PRINT

100 FOR SIGB=250 TO 500 STEP 250

110 PRINT «ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛЛА ОВ=»;8ЮВ;» МПа»

120 PRINT STRING$(47,» -«)

130 PRINT» К GMAX GMIN GA N»

140 PRINT» — МПа МПа МПа -»

150 PRINT STRTNG$(47,» -«)

160 FORK=.6 TO .81 STEP .1

170 PPB=PN* 1.33* 100 000!

180 SIGE=PPB*(((1+K ^A 2)/(1-K^A 2))+V)

190 SIGO=.35*SIGB*100 000!

200 SIGMAX=SIGE

210 SIGMIN=(.85*SIGMAX)

220 SIGA=(SIGMAX-SIGMIN)/2

230 SIGM=SIGA

240N=SIGO/((SIGA*KSIG)+(PSI*SIGN))

250 PRINT USING» ######,##» ;K, SIGMAX/1 000 000! .SIGMIN/1 000 000!, SIGA/1 000 000!, N

260 IF N>=1.3 THEN 270 ELSE 300

270 PRINT Ш1Ш» Условие выносливости выполняется N>=1.3=#,##» ;N

280 PRINT

290 GOTO 320

300 PRINT «Условие выносливости не выполняется N<1.3=#,##» ;N

310 PRINT

320 NEXT К

330 PRINT

340 STOP

350 NEXT SIGB

360 END

Приложение Б