ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Описание к листку № 51-187-99

В некоторых отраслях промышленности и, прежде всего, в нефтегазовой актуальной является проблема повышения надежности и долговечности поршневой группы буровых и цементированных насосов. Подобные насосы работают на растворах с абразивными включениями, а цементировочные - при высоком давлении (до 70 МПа и более). Поэтому в экстремальных условиях срок службы поршней насосов исчисляется десятками часов. Для замены поршней без остановки оборудования приходится содержать резервные дорогостоящие насосы и прокладывать обводные грромоздкие коммуникации. Серийные поршни буровых и цементировочных комплексов - это неразъемное соединенные между собой металлическая основа и резиновая часть с уплотняющей кромкой. Разрушение (выкрашивание) кромки влечет за собой замену всего поршня.

Разработан и апробирован сборный поршень с оригинальным манжетным уплотнением. Поршень включает стальное опорное основание 1, соединенное со штоком 2 поршня. В состав манжетного уплотнения входят (рис. а, б): пакет специальных М-образных рабочих манжет 3, глухая (нажимная) манжета 4, нажимное 5 и опорное 6 кольца. Манжеты и нажимное кольцо изготавливаются из резиноткани, а опорное кольцо - преимущественно из бронзы. Количество рабочих манжет 3 зависит от давления рабочей среды. Для давлений до 40 МПа достаточно иметь не более трех рабочих манжет. Уплотнения работоспособны при таких рабочих средах, как минеральные масла, специальные гидрожидкости на водно-гликолевой основе, техническая вода, смазочно-охлаждающие жидкости, буровые и цементные растворы, сжатый воздух, пар, загрязненные жидкости и газы, в т.ч. с твердыми (абразивными) частицами. Рабочий диапазон давлений для нового уплотнения: 0-70 МПа (пробное давление 105 МПа) при температуре от -40 до +100°С. Рабочая манжета (рис. в) имеет центральный выступ и два пружинистых язычка, наружная кромка язычков образована уплотняющей и опорной поверхностями, на тыльной стороне манжеты выполнен паз. Конструкция нажимной манжеты аналогична, но не имеет паза. Эффективность манжетного уплотнения в широком диапазоне давлений обеспечивается следующими факторами:

большой податливостью манжет вследствие «слабых» перемычек между центральным выступом и пружинистыми язычками;

повышенной жесткостью пакета по оси центральных выступов, передающих нагрузку, при сохранении податливости по бокам;

наличием у пружинистых язычков двух рабочих поверхностей, что обеспечивает не только надежное уплотнение, но и очищенное от загрязнения уплотняемых поверхностей цилиндра;

оптимальным соотношением между размерами манжеты в свободном (рис. в) и в деформированном состояниях.

Число рабочих манжет в пакете зависит не только от давления, но и от величины предварительного поджатия манжет гайками. При давлении 70 МПа поджатие составляет 0,5-1,5 мм, при этом пакет состоит из 5-6 манжет. При давлениях 16-20 МПа достаточно иметь одну-две рабочие манжеты, а предварительного поджатия пакета не требуется. Особенность уплотнения с М-образными манжетами - стабильная и небольшая сила трения между уплотняющими поверхностями манжет и цилиндра, в т.ч. при холостом ходе. Это объясняется незначительным поджатием манжет, высокой приспособляемостью к внешним нагрузкам, ограниченной первоначальной деформацией в поперечном направлении. Отмеченные обстоятельства, а также самоочищение цилиндра от абразива, наличие в резиноткани манжет графитной пропитки, самозащищенность рабочих кромок манжет способствуют повышению надежности и долговечности уплотнения, снижению энергозатрат и тепловыделения при работе насоса.

Проводили длительные ресурсные испытания поршней бурового насоса со специальными М-образными манжетами. Для этих целей был создан специальный стенд (а.с. № 1285238 СССР). Испытания проводили при давлении рабочей среды до 25 МПа, в качестве рабочей среды использовали буровой раствор и техническую воду. Последний вариант испытаний является неблагоприятным для поршней, поскольку буровой раствор содержит маслянистые (смазывающие) вещества, а вода не является смазкой, вследствие чего коэффициент трения возрастает в несколько раз. Проводили также испытания новых поршней в составе бурового насоса НБТ-600 при бурении скважины установкой БУ 2500ЭП. По сравнению с серийными поршнями НБТ-600 технический ресурс этих поршней возрастает в 12-20 раз. Наиболее нагруженным и уязвимым элементом уплотнения является глухая (нажимная) манжета 4. Износ этой манжеты существенно снижается, если нажимное кольцо 5 изготавливать из того же податливого материала, что и материал манжет - резиноткани, а не бронзы, что имело место на первом этапе испытаний. При повреждении одной манжеты герметичность уплотнения не нарушается. При недопустимом износе всего пакета производится замена не поршня, а только манжет. При заказе поршня следует указывать диаметры штока d и цилиндра d, давление среды, а также конусность конца штока.