Изучение конструкции погружного центробежного насоса
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 Лабораторная работа №1 1.Изучение конструкции погружного центробежного насоса Эксплуатация скважин установками погружных центробежных насосов (УЭЦН) является в настоящее время основным способом добычи нефти в России. Данными установками извлекается на поверхность около двух третей от общей годовой добычи нефти в нашей стране. Электроцентробежные скважинные насосы (ЭЦН) относятся к классу динамических лопастных насосов, характеризующихся большими подачами и меньшими напорами по сравнению с объемными насосами. Диапазон подач скважинных электроцентробежных насосов — от 10 до 1000 м 3 /сутки и более, напор — до 3500 м. В области подач свыше 80 м 3 /сут ЭЦН имеет самый высокий КПД среди всех механизированных способов добычи нефти. В интервале подач от 50 до 300 м 3 /сут КПД насоса превышает 40 %. Назначение электроцентробежных скважинных насосов – отбор из скважины нефти с содержанием воды до 99%, содержанием механических примесей до 0,01% (0,1 г/л) твердостью до 5 баллов по Моосу; сероводорода до 0,001%, содержанием газа до 25%. В коррозионностойком исполнении содержание сероводорода может быть до 0,125% (до 1,25 г/л). В износостойком исполнении содержание мехпримесей – до 0,5 г/л. Допустимый темп набора кривизны ствола скважины — до 20 на 10 м. Угол отклонения оси ствола скважины от вертикали – до 400. Достоинством ЭЦН являются большие возможности по автоматизации работы и дистанционного контроля состояния по сравнению со штанговыми установками. Кроме того ЭЦН меньше подвержены влиянию кривизны скважины. Недостатками электроцентробежных насосов является ухудшение работы в условиях коррозионно-агрессивной среды, при выносе песка, в условиях высокой температуры и высокого газового фактора, снижение параметров
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 работы с увеличением вязкости жидкости (при вязкости более 200 сП эксплуатация ЭЦН становится невозможной). Основными производителями погружных центробежных насосов в России являются Альметьевский насосный завод (АО «АЛНАС»), Лебедянский машиностроительный завод (АО «ЛЕМАЗ»), московский завод «Борец». Интересные разработки предлагаются и другими организациями, например, пермским заводом АО «Новомет», изготавливающим методом порошковой металлургии оригинальные ступени погружных центробежных насосов. УЭЦН в России изготавливаются в соответствии с техническими условиями ТУ, за рубежом – в соответствии требованиями API. Наиболее известные зарубежные производители установок ЭЦН – компания «REDA», «Centrilift», «ODI» и «ESP» (CША). В последние годы большую активность проявляют также изготовители УЭЦН из Китайской Народной Республики (фирма Temtext). В данных методических указаниях приводятся основные конструктивные схемы УЭЦН, особенности их устройства и принципа действия. Для самостоятельной проверки полученных знаний в конце методических указаний приводится перечень контрольных вопросов. Цель данной лабораторной работы – изучение конструкции погружного центробежного насоса. 1.1. Теоретические сведения Общая схема установки погружного электроцентробежного насоса На сегодняшний день предложено большое число различных схем и модификаций установок ЭЦН. На рисунке 1.1 приведена одна из схем оборудования добывающей скважины установкой погружного центробежного электронасоса.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 Рисунок 1.1 — Схема установки погружного центробежного насоса в скважине На схеме обозначены: компенсатор 1, погружной электродвигатель (ПЭД) 2, протектор 3, приёмная сетка 4 с газосепаратором 5, насос 6, ловильная головка 7, обратный клапан насосный 8, спускной клапан 9, колонна насосно- компрессорных труб (НКТ) 10, колено 11, выкидная линия 12, обратный клапан устьевой 13, манометры 14 и 16, устьевая арматура 15, кабельная линия 17, соединительный вентиляционный ящик 18, станция управления 19, трансформатор 20, динамический уровень жидкости в скважине 21, пояса 22 для крепления кабельной линии к НКТ и насосному агрегату и эксплуатационная колонна скважины 23. При работе установки насос 6 откачивает жидкость из скважины на поверхность по насосно-компрессорным трубам 10. Насос 6 приводится в действие погружным электродвигателем 2, электроэнергия к которому подводится с поверхности по кабелю 17. Охлаждение двигателя 2 производится потоком скважинной продукции.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 Наземное электрооборудование – станция управления 19 с трансформатором 20 – предназначено для преобразования напряжения промысловой электросети до величины, обеспечивающей оптимальное напряжение на входе в электродвигатель 2 с учётом потерь в кабеле 17, а также для управления работой погружной установки и её защиты при аномальных режимах. Допустимое по отечественным техническим условиям максимальное содержание свободного газа на входе в насос составляет 25%. При наличии газосепаратора на приёме ЭЦН допустимое газосодержание увеличивается до 55%. Зарубежные фирмы-производители УЭЦН рекомендуют применять газосепараторы во всех случаях, когда входное газосодержание составляет более 10 %. Конструкции основных узлов и деталей насоса Основными элементами любого центробежного насоса являются рабочие колеса, вал, корпус, радиальные и осевые опоры (подшипники), уплотнения, предупреждающие внутренние и внешние утечки жидкости. Электроцентробежные скважинные насосы – многоступенчатые. Рабочие колеса располагаются последовательно на валу. Каждое колесо имеет направляющий аппарат, в котором преобразуется скоростная энергия жидкости в энергию давления с последующим направлением ее в следующее за ним колесо. Колесо и направляющий аппарат образуют ступень насоса. В многоступенчатых насосах с последовательным расположением колес предусматриваются узлы для разгрузки осевых сил. Ступени насоса Насосная ступень является основным рабочим органом скважинного центробежного насоса, посредством которой передается энергия от насоса жидкости. Ступень состоит (рис. 2.2) из рабочего колеса 3 и направляющего аппарата 1.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 Рисунок1.2 — Ступень ЭЦН 1 – направляющий аппарат; 2,4 – кольцевые безлопаточные камеры; 3 – рабочее колесо; 5 – нижняя опорная шайба; 6 – защитная втулка; 7 – верхняя опорная шайба; 8 — вал Напор одной ступени составляет от 3 до 7 м водяного столба. Небольшая величина напора определяется малой величиной внешнего диаметра рабочего колеса, ограниченного внутренним диаметром обсадной колонны. Требуемые значения напора в насосе достигаются последовательной установкой рабочих колес и направляющих аппаратов. Ступени размещаются в расточке цилиндрического корпуса каждой секции. В одной секции может размещаться от 39 до 200 ступеней (максимальное количество ступеней в насосах достигает 550 штук). Для возможности сборки ЭЦН с таким количеством ступеней и разгрузки вала от осевой силы применяется плавающее рабочее колесо. Такое колесо не фиксируется на валу в осевом направлении, а свободно перемещается в промежутке, ограниченном опорными поверхностями направляющих аппаратов. От проворота колесо удерживает призматическая шпонка. Индивидуальная осевая опора каждой ступени состоит из опорного бурта направляющего аппарата предыдущей ступени и антифрикционной износостойкой (текстолитовой) шайбы, запрессованной в расточку рабочего
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 колеса (позиция 5, рисунок 1.2). Эта опора (пята) одновременно является передним уплотнением колеса, снижающим внутренние утечки в насосе. На режимах, примерно на 10% превышающих подачу, соответствующую нулевой осевой силе, рабочее колесо может «всплыть» — переместиться вверх. Для обеспечения для колеса надежного упора предусматривают верхнюю осевую опору. На верхней индивидуальной опоре рабочее колесо может работать и при кратковременных пусковых режимах. Верхняя опора состоит из опорного бурта на направляющем аппарате и шайбы, запрессованной в расточку рабочего колеса (позиция 7, рисунок 1.2). Основные элементы ступени насоса могут иметь различное конструктивное исполнение. В соответствии с этим, ступени и, собственно, насосы классифицируют следующим образом. 1. По конструкции лопастного аппарата рабочего колеса: с цилиндрическими (радиальными) лопастями (рисунок 1.3, а) и с наклонно- цилиндрическими (радиально-осевыми) лопастями (рисунок 1.3, б). В ступенях с радиальными направляющими лопастями переводные каналы расположены радиально. Гидравлически они более совершенны, но номинальная подача ограничивается до 125 м 3 /сут в насосах с наружным диаметром 86 и 92 мм и до 160 м 3 /сут в насосах с наружным диаметром 103 мм и 114 мм. У рабочих колес с наклонно-цилиндрическими лопастями, лопатки входят в область поворота из осевого направления в радиальное, что приводит к наклонному расположению их входной кромки по отношению к оси насоса. Значение коэффициента быстроходности таких колес находится на крайней правой границе быстроходных насосов, приближаясь к диагональным насосам. Подача в таких ступенях выше. 2. По конструкции проточных каналов направляющего аппарата ступени могут быть с радиальными и «осевыми» проточными каналами.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 Конструкции ступеней с радиальным и осевым направляющими аппаратами представлены на рисунке 1.3 а, б. Рисунок 1.3 — Ступень с рабочим колесом и направляющим аппаратом (а) радиальной конструкции и (б) радиально-осевой конструкции 1 – направляющий аппарат; 2 – рабочее колесо; 3 – обойма (корпус) направляющего аппарата; 4 – опорные шайбы; 5 – вал; 6 – шпонка Радиальные направляющие аппараты имеют радиальное расположение проточных каналов. Ступень с такими направляющими аппаратами гидравлически более совершенная, имеет более простую геометрию, удобна в производстве, но имеет малую подачу (20…40 м 3 /сут). Ступень с «осевым» направляющим аппаратом названа условно, так в ней расположение каналов, преобразующих кинетическую энергию потока в потенциальную, приближается к осевому. Ступень с осевым направляющим аппаратом обеспечивает большую подачу (40…1000 м 3 /сут), более простую геометрию и получила массовое применение при изготовлении отечественных конструкций погружных насосов, практически вытеснив «радиальную» ступень, которая в настоящее время уже не производится. 2. По способу установки рабочих колес на валу: ступени с плавающими рабочими колесами; ступени с жесткозакрепленными колесами (применяются в зарубежных конструкциях). 3. По способу разгрузки от осевых сил: ступени с рабочими колесами, неразгруженными от осевой силы (рисунки 2.1, 2.2);
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 ступени, разгруженные от осевой силы с помощью разгрузочной камеры со стороны заднего (основного) диска (рисунок 1.4). Камера выполняется с помощью щелевого уплотнения и сквозных отверстий в основном диске. Этот метод используется в ступенях с наклонно- цилиндрическими лопастями. ступени, разгруженные от осевой силы выполнением радиальных импеллеров на внешней стороне заднего диска (рисунок 1.5). Радиальные импеллеры на заднем диске снижают действующее на него давление и используются в основном в цилиндрических колесах. Колеса, в этом случае, называют центробежно-вихревыми. Центробежно-вихревые колеса были разработаны и выпускаются фирмой «Новомет». Для их изготовления используется метод порошковой металлургии. Использование центробежно-вихревых колес имеет ряд преимуществ: на 15…20% увеличивается напор ступени; насос можно использовать для поднятия жидкости с повышенным содержанием газа (до 35% по объему). Ступени с разгруженными рабочими колесами имеют повышенный ресурс работы индивидуальной нижней опоры рабочего колеса. Но они имеют сложную технологию и повышенную трудоемкость изготовления. Кроме того, в процессе работы может произойти функциональный отказ способа разгрузки использованием разгрузочной камеры при засорении разгрузочных отверстий и при износе верхнего уплотнения рабочего колеса.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 Рисунок 1.4 — Конструкция ступеней с разгруженным рабочим колесом 1- корпус; 2 – направляющий аппарат; 3 – рабочее колесо Рисунок 1.5 — Ступени центробежно-вихревого насоса фирмы «Новомет» 1 – вал; 2 – шпонка; 3 – рабочее колесо; 4 – радиальная лопатка; 5 – направляющий аппарат; 6 – нижняя опорная шайба; 7 – верхняя опорная шайба; 8 – корпус насоса 4. По созданию опоры для колес плавающего типа ступени могут быть одноопорной конструкции и двухопорной конструкции. Ступени одноопорной конструкции имеют одну индивидуальную нижнюю опору – пяту — со стороны переднего диска. Двухопорные ступени имеют дополнительную осевую опору через текстолитовое запрессованное кольцо на ступице рабочего колеса на входе и торцевой буртик направляющего аппарата (рисунок 1.6). Дополнительная опора усиливает осевую опору и межступенное уплотнение ступеней.
Рисунок 1.6 — Двухопорная ступень центробежного насоса 1 – рабочее колесо; 2 – направляющий аппарат; 3 – дополнительное кольцо переднего диска; 4 – основное кольцо переднего диска; 5 – кольцо заднего диска
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 Преимуществами двухопорной конструкции является повышенный ресурс основной нижней опоры ступени, более надежная изоляция вала от абразивной и коррозионно-агрессивной протекающей жидкости, увеличенный ресурс работы и большая жесткость вала насоса из-за увеличенных осевых длин межступенных уплотнений, служащих в ЭЦН также радиальными подшипниками. Недостатком двухопорных ступеней является увеличение трудоемкости в изготовлении. 4. По исполнению ступени могут быть: обычного исполнения (ЭЦН); износостойкого (ЭЦНИ); коррозионностойкого (ЭЦНК). Ступени в насосах разных исполнений отличаются друг от друга материалами рабочих органов, пар трения и некоторыми конструктивными элементами. Ступени в коррозионностойком и износостойком исполнении имеют в конструкции, как правило, две индивидуальные нижние опоры и удлиненную ступицу со стороны заднего диска, закрывающую промежуток вала между колесами от износа (рисунок 1.6). В обычном исполнении для изготовления рабочих колес и направляющих аппаратов используется, в основном, модифицированный чугун, в паре трения верхней и нижней основной опоры – текстолит-чугун, дополнительной опоры – текстолит-чугун или резина-чугун. В коррозионностойком исполнении колеса и направляющие аппараты могут изготавливать из чугуна типа «нирезист». Повышенной изностойкости – из износостойкого чугуна, пара трения в нижнем основном подшипнике – резина-силицированный графит, дополнительной опоры – резина-чугун, верхнего подшипника – текстолит-чугун. Чугунные колеса также могут быть заменены пластмассовыми из полиамидной смолы или углепластика, стойких против износа свободным абразивом и не набухающих в
К вопросу о выборе материала ступеней электроцентробежного насоса для осложненных условий эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»
УСТАНОВКА ЭЛЕКТРОПРИВОДНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА / ELECTRIC CENTRIFUGAL PUMP STATION / ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ / DURABILITY / НИКЕЛЕВЫЙ ЧУГУН (НИРЕЗИСТ) / NICKEL IRON (NI-RESIST) / НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ / STAINLESS STEEL / АБРАЗИВНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИМЕСИ / ABRASIVE MECHANICAL IMPURITIES / ПРОППАНТ / PROPPANT
Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Деговцов А.В., Соколов Н.Н., Ивановский А.В.
Вопрос износостойкости скважинного насосного оборудования весьма актуален. Например, в ООО «РН-Пурнефтегаз» отказы установки электроприводного центробежного насоса (УЭЦН) по причине коррозионно-эрозионного износа составляют около 40 %. На износостойкость УЭЦН существенное влияние оказывает конструкция ее рабочих узлов. От конструкции зависит наличие или отсутствие зон завихрения потока, застойных зон, зон максимальной скорости течения жидкости с механическими примесями. Также на износостойкость оборудования очень сильное влияние оказывает правильный выбор материалов. Для ответа на вопрос о возможности применения той или иной конструкции ЭЦН и разных конструкционных материалов при наличии абразивных частиц необходимо проводить испытания натурных образцов. Целью представленной работы было определение возможности использования ступеней, выполненных из нержавеющей стали , для условий добычи нефти, осложненных выносом механических примесей. Для решения этого вопроса были проведены исследования по определению износостойкости ступеней погружных центробежных насосов, выполненных из никелевого чугуна (нирезиста) и нержавеющей стали . Для испытаний были использованы ступени, выполненные по технологии литья в землю из нирезиста, и штампосварные ступени из нержавеющей стали . Испытания ступеней насоса проводились в два этапа: испытания, в ходе которых снимались комплексные характеристики, и испытания на модельной жидкости, в которых в качестве абразивных частиц использовались кварцевый песок и проппант (5 г кварцевого песка 100 Mesh + 5 г проппанта 16/20). В процессе испытаний на износ определялись изменение массы сборки ступеней и скорость (интенсивность) износа. Анализ результатов испытаний ступеней ЭЦН, выполненных по различным технологиям, показал следующее. Относительная износостойкость ступеней, выполненных методом «штамповка + сварка» из нержавеющей стали , выше, чем износостойкость ступеней, выполненных методом литья из никелевого чугуна (нирезиста). Скорость износа штампосварных ступеней составила 0,091 и 0,108 г/ч (для рабочих колес и направляющих аппаратов, соответственно); скорость износа ступеней из нирезиста составила 0,21 и 0,225 г/ч (для рабочих колес и направляющих аппаратов, соответственно). Двухопорные ступени ЭЦН, выполненные по технологии «штамповка + сварка» из нержавеющей стали , обладают высокой износостойкостью и могут быть рекомендованы для работы в скважинах, осложненных выносом абразивных механических примесей с концентрацией до 1 г на 1 л пластовой жидкости. Износ деталей ступеней из нирезиста создает значительно большие вибрационные нагрузки, чем аналогичный износ ступеней из нержавеющей стали . Перспективность применения ступеней из стали вместо нирезиста для условий добычи нефти со значительным содержанием механических примесей делает необходимым включение в единые технические требования дополнений в части использования материалов для изготовления ЭЦН.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Деговцов А.В., Соколов Н.Н., Ивановский А.В.
О влиянии концентрации абразивных частиц на наработку электроцентробежных насосов с рабочими ступенями из материала нирезист тип 1 на месторождениях ОАО «НК «Роснефть»
О перспективах использования радиально стабилизированных компрессионных электроцентробежных насосов для повышения эффективности эксплуатации скважин пластов группы АВ Самотлорского месторождения
Комплексное изучение эффективности применения электроцентробежных насосов с колесами из полимерных композиционных материалов на примере АО «РН-Няганьнефтегаз»
Новый метод изготовления рабочих органов погружных центробежных насосов из аустенитного чугуна с шаровидным графитом
Расчет скорости гидроабразивного износа межступенчатых уплотнений нефтяного насоса
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
ON SELECTION OF ELECTRIC CENTRIFUGAL PUMP STAGES MATERIAL FOR COMPLICATED CONDITIONS OF OPERATION
Issue of downhole pumping equipment durability is very relevant. For example, in RN-Purneftegas LLC the failures of electric centrifugal pump station (ECPS) due to corrosion-erosion wear are about 40 %. The durability of ECPS is significantly affected by the design of its assembly units. The design affects the presence or absence of turbulence flow zones, dead zones, zones of maximum flow velocity with mechanical impurities. The equipment durability is also very strongly influenced by the correct selection of materials. To answer the question about the possibility of using any design of ECPS and various construction materials in the presence of abrasive particles it is necessary to perform tests of specimens. The purpose of the given article was to determine the possibility of using the stages made of stainless steel , for the conditions of oil production complicated by removal of mechanical impurities. To address this issue, studies were performed to determine the durability of stages of submersible centrifugal pumps made of nickel iron (Ni-resist) and stainless steel . Stages made by casting technology into the ground, made of Ni-Resist and stamp-welded stainless steel stages were used for tests. Test pump stages were tested in two phases: tests that were taken with the complete specifications and test of model liquid where abrasive particles of quartz sand and proppant (5 g of silica sand 100 Mesh + 5 g 16/20 of proppant ) were used. During wear test, the weight change of stage assembly and wear speed (intensity) were determined. Analysis of test results of ECPS stages performed by different technologies showed the following. Relative durability of stages made by the «stamping + welding» of stainless steel is higher than the durability of stages made by casting of a nickel iron (Ni-Resist). Wear rate of the stamp-welded stages was 0.091 and 0.108 g / hour (for impellers and guide vanes, respectively); wear rate of Ni-Resist stages was 0.225 and 0.21 g / hour (for the impellers and guide vanes, respectively). Two-bearing ECPS stages made by «stamping + welding» of stainless steels are highly durable and can be recommended for use in wells complicated by the removal of abrasive solids at a concentration of 1 g per 1 l of reservoir fluid. The wear of stages parts made of Ni-Resist creates a greatly exacerbated vibration loads than similar wear of stages made of stainless steel . The prospect of application of stages made of steel instead of Ni-Resist in conditions for oil production with a high content of mechanical impurities makes it necessary to include the amendments of the use of materials for the ECP manufacture in the common technical requirements.
Текст научной работы на тему «К вопросу о выборе материала ступеней электроцентробежного насоса для осложненных условий эксплуатации»
А.В. Деговцов1, e-mail: degovtsov.aleksey@yandex.ru; Н.Н. Соколов1, А.В. Ивановский1
1 Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина (Москва, Россия).
К вопросу о выборе материала ступеней электроцентробежного насоса для осложненных условий эксплуатации
Вопрос износостойкости скважинного насосного оборудования весьма актуален. Например, в ООО «РН-Пурнефте-газ» отказы установки электроприводного центробежного насоса (УЭЦН) по причине коррозионно-эрозионного износа составляют около 40 %.
На износостойкость УЭЦН существенное влияние оказывает конструкция ее рабочих узлов. От конструкции зависит наличие или отсутствие зон завихрения потока, застойных зон, зон максимальной скорости течения жидкости с механическими примесями. Также на износостойкость оборудования очень сильное влияние оказывает правильный выбор материалов. Для ответа на вопрос о возможности применения той или иной конструкции ЭЦН и разных конструкционных материалов при наличии абразивных частиц необходимо проводить испытания натурных образцов. Целью представленной работы было определение возможности использования ступеней, выполненных из нержавеющей стали, для условий добычи нефти, осложненных выносом механических примесей. Для решения этого вопроса были проведены исследования по определению износостойкости ступеней погружных центробежных насосов, выполненных из никелевого чугуна (нирезиста) и нержавеющей стали. Для испытаний были использованы ступени, выполненные по технологии литья в землю из нирезиста, и штампо-сварные ступени из нержавеющей стали.
Испытания ступеней насоса проводились в два этапа: испытания, в ходе которых снимались комплексные характеристики, и испытания на модельной жидкости, в которых в качестве абразивных частиц использовались кварцевый песок и проппант (5 г кварцевого песка 100 Mesh + 5 г проппанта 16/20).
В процессе испытаний на износ определялись изменение массы сборки ступеней и скорость (интенсивность) износа. Анализ результатов испытаний ступеней ЭЦН, выполненных по различным технологиям, показал следующее. Относительная износостойкость ступеней, выполненных методом «штамповка + сварка» из нержавеющей стали, выше, чем износостойкость ступеней, выполненных методом литья из никелевого чугуна (нирезиста). Скорость износа штампосварных ступеней составила 0,091 и 0,108 г/ч (для рабочих колес и направляющих аппаратов, соответственно); скорость износа ступеней из нирезиста составила 0,21 и 0,225 г/ч (для рабочих колес и направляющих аппаратов, соответственно). Двухопорные ступени ЭЦН, выполненные по технологии «штамповка + сварка» из нержавеющей стали, обладают высокой износостойкостью и могут быть рекомендованы для работы в скважинах, осложненных выносом абразивных механических примесей с концентрацией до 1 г на 1 л пластовой жидкости. Износ деталей ступеней из нирезиста создает значительно большие вибрационные нагрузки, чем аналогичный износ ступеней из нержавеющей стали. Перспективность применения ступеней из стали вместо нирезиста для условий добычи нефти со значительным содержанием механических примесей делает необходимым включение в единые технические требования дополнений в части использования материалов для изготовления ЭЦН.
Ключевые слова: установка электроприводного центробежного насоса, износостойкость, никелевый чугун (нирезист), нержавеющая сталь, абразивные механические примеси, проппант.
A.V. Degovtsov1, e-mail: degovtsov.aleksey@yandex.ru; N.N. Sokolov1, А.V. Ivanovskiy1
1 Gubkin Russian State Oil and Gas University (National Research University) (Moscow, Russia).
On Selection Of Electric Centrifugal Pump Stages Material For Complicated Conditions Of Operation
Issue of downhole pumping equipment durability is very relevant. For example, in RN-Purneftegas LLC the failures of electric centrifugal pump station (ECPS) due to corrosion-erosion wear are about 40 %.
№ 11 ноябрь 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
The durability of ECPS is significantly affected by the design of its assembly units. The design affects the presence or absence of turbulence flow zones, dead zones, zones of maximum flow velocity with mechanical impurities. The equipment durability is also very strongly influenced by the correct selection of materials. To answer the question about the possibility of using any design of ECPS and various construction materials in the presence of abrasive particles it is necessary to perform tests of specimens. The purpose of the given article was to determine the possibility of using the stages made of stainless steel, for the conditions of oil production complicated by removal of mechanical impurities. To address this issue, studies were performed to determine the durability of stages of submersible centrifugal pumps made of nickel iron (Ni-resist) and stainless steel.
Stages made by casting technology into the ground, made of Ni-Resist and stamp-welded stainless steel stages were used for tests.
Test pump stages were tested in two phases: tests that were taken with the complete specifications and test of model liquid where abrasive particles of quartz sand and proppant (5 g of silica sand 100 Mesh + 5 g 16/20 of proppant) were used. During wear test, the weight change of stage assembly and wear speed (intensity) were determined. Analysis of test results of ECPS stages performed by different technologies showed the following. Relative durability of stages made by the «stamping + welding» of stainless steel is higher than the durability of stages made by casting of a nickel iron (Ni-Resist). Wear rate of the stamp-welded stages was 0.091 and 0.108 g / hour (for impellers and guide vanes, respectively); wear rate of Ni-Resist stages was 0.225 and 0.21 g / hour (for the impellers and guide vanes, respectively). Two-bearing ECPS stages made by «stamping + welding» of stainless steels are highly durable and can be recommended for use in wells complicated by the removal of abrasive solids at a concentration of 1 g per 1 l of reservoir fluid. The wear of stages parts made of Ni-Resist creates a greatly exacerbated vibration loads than similar wear of stages made of stainless steel. The prospect of application of stages made of steel instead of Ni-Resist in conditions for oil production with a high content of mechanical impurities makes it necessary to include the amendments of the use of materials for the ECP manufacture in the common technical requirements.
Keywords: electric centrifugal pump station, durability, nickel iron (Ni-Resist), stainless steel, abrasive mechanical impurities, proppant.
Вопрос износостойкости скважинного насосного оборудования всегда имел важное значение, а в связи с повсеместной интенсификацией добычи нефти его актуальность только возросла. Интенсификация добычи нефти требует повышения депрессии на пласт; это приводит к разрушению скелета пласта и увеличению выноса механических примесей вместе с пластовой жидкостью, что приводит к выходу оборудования из строя. Например, в ООО «РН-Пурнефтегаз» отказ УЭЦН по причине коррозионно-эрозионного износа составляет около 40 % [1]. На износостойкость УЭЦН существенное влияние оказывает конструкция его рабочих узлов.
На сегодняшний день оборудование для эксплуатации скважин выпускается на основе единых технических требований (ЕТТ) компаний, в частности ЕТТ 6-й редакции компании «Роснефть».
Для скважин, осложненных выносом механических примесей, этими ЕТТ предусмотрен один тип материала для изготовления ступеней ЭЦН — никелевый чугун (нирезист). Ступени из нире-зиста выполняются с помощью литья с последующей сложной механической обработкой. Стоимость таких ступеней велика, а износостойкость не всегда удовлетворяет нефтяников, в связи с чем продолжаются работы по созданию новых конструкций ступеней ЭЦН и подбору оптимальных технологий и материалов для их изготовления. Для решения вопроса о возможности использования ступеней для условий добычи нефти, осложненных выносом механических примесей, изготовленных не из нирезиста, в лаборатории сква-жинных насосных установок кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени (НИУ) И.М. Губкина были
Рис. 1. Распределение отказов УЭЦН по причинам, связанным с осложняющими факторами [1]
Fig. 1. ECPS failures distribution for causes related to the complicating factors [1]
Ссылка для цитирования (for citation):
Деговцов А.В., Соколов Н.Н., Ивановский А.В. К вопросу о выборе материала ступеней электроцентробежного насоса для осложненных условий эксплуатации // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 11. С. 88-91.
Degovtsov A.V., Sokolov N.N., Ivanovskiy A.V. On Selection Of Electric Centrifugal Pump Stages Material For Complicated Conditions Of Operation (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2016. No. 11, P. 88-91.
Рис. 2. Направляющие аппараты и рабочие колеса ступеней из Рис. 3. Направляющие аппараты и рабочие колеса ступеней из
никелевого чугуна (нирезиста) нержавеющей стали
Fig. 2. Guide vanes and impellers of stages made of nickel iron (Ni-Resist) Fig. 3. Guide vanes and impellers of stages made of stainless steel
проведены соответствующие исследования.
Испытаниям были подвергнуты ступени, выполненные из нирезиста (по технологии литья в землю) (рис. 2) и из нержавеющей стали (штампосвар-ная конструкция) (рис. 3), имеющие одинаковые номинальные значения по подаче.
Задачей сравнительных испытаний двух однотипных изделий является определение и сравнение скорости износа при равных условиях эксплуатации. Помимо этого задачей настоящей работы было установление влияния износа ступеней на характеристику и сравнение комплексных характеристик ступеней ЭЦН 5-го габарита среднего дебита (100 м3/сут). Испытания проводились на стенде, схема которого представлена на рис. 4, в два этапа: 1) испытания, в ходе которых снимались комплексные характеристики, и 2) испытания на модельной жидкости, содержащей определенное количество механических примесей. Испытания по получению комплексной характеристики проводились по методике, указанной в ГОСТ 6134-87 [2]. Количество уровней расходов жидкости (подачи насоса) составляло не менее 8. Испытания начинались при полностью закрытой задвижке на
нагнетательном патрубке 7 (рис. 4) и проводились до режима «полностью открытая задвижка». Количество повторов экспериментов для построения осредненной комплексной характеристики выбиралось равным трем для каждой серии. Анализ полученных комплексных характеристик показал, что они практически полностью совпа-
дают с паспортными для ступеней типа 10.1ЭЦНД5-100 и ЭЦНАИ-5-100, соответственно, что подтверждает требуемую для проведения испытаний точность лабораторного стенда. При испытаниях на износ стенд работал на модельной жидкости, которая состояла из технической воды и механических примесей.
Рис. 4. Схема стенда для испытания ступеней ЭЦН:
1 — приводной вал; 2 — подшипник вала; 3 — уплотнительный узел вала; 4 — входной патрубок; 5 — рабочее колесо; 6 — направляющие аппараты; 7 — нагнетательный патрубок; 8 — расходомер; 9 — манометры; 10 — узел опоры рабочего колеса на направляющий аппарат Fig. 4. Diagram of test bench for ECPS stages:
1 — drive shaft; 2 — shaft bearing; 3 — shaft seal assembly; 4 — inlet; 5 — impeller; 6 — guide vanes; 7 — discharge nozzle; 8 — flowmeter; 9 — pressure gauges; 10 — impeller bearing assembly on the guide vanes
№ 11 ноябрь 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
Массы рабочих колес и направляющих аппаратов до и после испытаний на износ Weights of impeller and guide vanes before and after the wear test
Материал сборки Assembly material Масса до износа, г Weight before wear, g Масса после износа, г Weight after wear, g Потеря массы,г Weight loss, g Потеря массы, % Weight loss, % Скорость износа, г/ч Wear rate, g/h
Чугун РК 171,3 168,8 2,5 1,46 0,210
Cast iron НА 281,4 278,7 2,7 0,96 0,225
Сталь РК 106,3 105,2 1,1 1,03 0,091
Steel НА 256,9 255,6 1,3 0,51 0,108
В качестве абразивных частиц использовались кварцевый песок и проппант, размер их гранул и концентрация в модельной жидкости определялись методикой испытаний: концентрация составила 10 г/л (5 г кварцевого песка 100 Mesh + 5 г проппанта 16/20). Время работы ступеней в модельной жидкости составляло 6 часов при частоте вращения вала стенда 2910 об/мин. После окончания времени работы на модельной жидкости последняя сливалась, стенд промывался чистой водой и проводились работы по построению комплексной характеристики ступеней.
В процессе испытаний на износ определялось изменение массы сборки ступеней. Результаты испытаний должны были дать ответ на вопрос о пригодности ступеней, выполненных из нержавеющей стали с помощью штампосварных технологий, для работы в осложненных выносом механических примесей условиях, т. е. о возможности использования таких ступеней в качестве износостойкого оборудования. Скорость (интенсивность) износа определялась как отношение потери массы ступени ЭЦН за время испытаний на износ (табл.) и времени испытаний, которое составляло 12 часов. Сравнительная износостойкость определялась сравнением скорости износа ступеней из нержавеющей стали и из нирезиста.
АНАЛИЗ КОМПЛЕКСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТУПЕНЕЙ ЭЦН, ВЫПОЛНЕННЫХ ПО РАЗЛИЧНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ, ПОКАЗАЛ:
1) гидродинамические характеристики ступеней мало меняются после гидроабразивного износа рабочих колес и направляющих аппаратов; наблюдается даже некоторое улучшение характеристик (увеличение КПД и напора на 4-5 %), что связано с уменьшением шероховатости поверхности рабочих каналов рабочих колес и направляющих аппаратов;
2) незначительное изменение гидродинамических характеристик изношенных ступеней сопровождается очень значительным изменением виброскорости при работе сборок ступеней; расчетные показатели дополнительной радиальной нагрузки, возникающей за счет увеличения зазора в паре «втулка рабочего колеса — расточка направляющего аппарата» в 0,5 мм, составляют 4,5 Н на ступень из нержавеющей стали и 7,7 Н — для ступени из нирезиста. Для секции из 200 ступеней дополнительная радиальная нагрузка составит 0,9-1,53 кН, что может привести к аварийной ситуации.
ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЙ СДЕЛАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ ВЫВОДЫ:
• износостойкость ступеней, выполненных методом «штамповка + сварка» из
нержавеющей стали, выше, чем износостойкость ступеней, выполненных методом литья из никелевого чугуна (нирезиста). Скорость износа штампосварных ступеней составила 0,091 и 0,108 г/ч для рабочих колес и направляющих аппаратов, соответственно; скорость износа ступеней из нирезиста составила 0,21 и 0,225 г/ч для рабочих колес и направляющих аппаратов, соответственно;
• двухопорные ступени ЭЦН, выполненные по технологии «штамповка + сварка» из нержавеющей стали, обладают высокой износостойкостью и могут быть рекомендованы для работы в скважинах, осложненных выносом абразивных механических примесей с концентрацией до 1 г на 1 л пластовой жидкости;
• износ деталей ступеней из нирезиста создает значительно большие вибрационные нагрузки, чем аналогичный износ ступеней из нержавеющей стали;
• перспективность применения ступеней из стали вместо нирезиста для условий добычи нефти со значительным содержанием механических примесей делает необходимым включение в единые технические требования дополнений в части использования материалов для изготовления ЭЦН.
1. Курочкин М.С. Анализ работы и мониторинг осложненного фонда скважин, оборудованных УЭЦН, в ООО «РН-Пурнефтегаз» // Инженерная практика. 2013. № 12. С. 26.
2. ГОСТ 6134-87. Насосы динамические. Методы испытаний (с изм. № 1, 2).
1. Kurochkin M.S. Analysis of operation and monitoring of complicated wells stock equipped with ECP, in RN-Purneftegas LLC. Inzhenernaia praktika = Engineering Practice, 2013, No. 12, P. 26. (In Russian)
2. GOST 6134-87 Dynamic pumps. Test methods (with rev. No. 1, 2). (In Russian)
Ступени центробежных насосов для добычи нефти с открытыми рабочими колесами из алюминиевых сплавов с защитным керамико-полимерным покрытием Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»
Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Ивановский В. Н., Сазонов Ю. А., Сабиров А. А., Соколов Н. Н., Донской Ю. А.
Наука и/или Жизнь
Проблема солеотложения – общие принципы и особенности конкретных решений
О некоторых перспективных путях развития УЭЦН
К вопросу о выборе материала ступеней электроцентробежного насоса для осложненных условий эксплуатации
Комплексное изучение эффективности применения электроцентробежных насосов с колесами из полимерных композиционных материалов на примере АО «РН-Няганьнефтегаз»
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «Ступени центробежных насосов для добычи нефти с открытыми рабочими колесами из алюминиевых сплавов с защитным керамико-полимерным покрытием»
в.н. ивановский, ю.А. Сазонов, А.А. Сабиров, н.н. Соколов, ю.А. донской,
РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
А£. Шатров, в.н. кокарев, н.и. монастырский, МIKROLAT Ltd.
Рецензент — в.н. Сызранцев, д.т.н., проф., зав.кафедрой Тюменского государственного технического нефтегазового университета
ступени центробежных насосов для добычи нефти с открытыми рабочими колесами из алюминиевых сплавов с защитным керамико-полимерным покрытием
Интенсификация добычи нефти сопровождается снижением забойных давлений, увеличением требуемых напоров и температуры откачиваемой жидкости, ростом доли свободного газа на приеме, выносом механических примесей из пласта. Кроме того, высокая обводненность и минерализованность пластовой жидкости повышает ее коррозионную активность и ведет к образованию со-леотложений на скважинном оборудовании. Характерное для Западной Сибири распределение отказов по УЭЦН представлено на рис.1.
В таких осложненных условиях погружные электроприводные центробежные насосы (ЭЦН) часто работают неудовлетворительно.
Основные элементы насоса — ступени, которые традиционно изготавливаются из никелесодержащего чугуна (нирезиста) или серого модифицированного чугуна, подвергаются интенсивной химической и электрохимической коррозии, механическому изнашиванию и кавитации. Это приводит к повышению вибрации в установках ЭЦН и, как следствие, к возможности аварии за счет обрыва
соединительных узлов УЭЦН или колонны НКТ.
Преждевременный выход из строя ЭЦН и дополнительные ремонты скважин ведут к снижению добычи нефти, дополнительным затратам на проведение ремонтных работ, а в итоге — к ухудшению технико-экономических показателей нефтегазодобывающих предприятий. Осложненные условия эксплуатации ЭЦН требуют применения новых эффективных конструкций ступеней и новых материалов с повышенными износостойкими и антикоррозионными характеристиками, с пониженной адгезией к выпадающим из пластовой жидкости солям, с возможностью откачки пластового флюида с большим содержанием свободного газа.
В данной статье приводятся результаты стендовых испытаний ступеней ЭЦН новой конструкции из новых материалов и сравнения их эффективности со стандартными ступенями из наиболее часто применяемых металлов.
Новые ступени созданы при удачном сочетании двух инноваций: новой конструкции компактной ступени с открытым колесом, разработанной Ю.А.Сазоновым и испытанной на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности (МОНиГП) РГУ нефти и газа им. Губкина, и нового материала, представляющего собой деформируемый алюминиевый сплав с защитным керамико-полимерным по-
■ ЗАСОРЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИМИ ПРИМЕСЯМИ СУБЪЕКТИВНЫЕ ПРИЧИНЫ
Рис. 1. Причины отказов электроприводных центробежных насосов на одном из месторождений Западной Сибири
сплошные линии — характеристики ступени ЭЦНМ5-80; пунктирные линии — характеристики ступени ЭЦН05-80 (открытое рабочее колесо)
Рис. 2. Комплексная характеристика ступеней стандартной и с открытым рабочим колесом (перекачиваемая жидкость — вода)
крытием, разработанным компанией МIKROLAT.
В ходе выполнения научных исследований на кафедре МОНиГП была проведена модернизация теории лопастных насосов. Разработаны новые компьютерные программы для решения прямых и обратных задач теории лопастных насосов. С помощью новых инструментов для расчета насосов удалось преодолеть ряд логических противоречий, имеющихся в старой теории. При этом открылись дополнительные возможности для разработки новых насосов. Подготовленные методические разработки могут быть использованы как для скважинных вертикальных насосов, так и для различных горизонтальных насосов, включая стационарные и передвижные насосы. С опорой на модернизированную теорию разработаны новые технические решения по повышению напора и мощности различных лопастных машин, с одновременным снижением массы и размеров этих машин. Ряд технических решений нацелен на снижение цены и упрощение технологии изготовления отдельных деталей,с обеспечением высокой надежности машины в целом.
КОНСТРУКЦИЯ НОВЫХ СТУПЕНЕЙ ЭЦН И ЕЕ ПРЕИМУЩЕСТВА
Компактная ступень многоступенчатого ЭЦН состоит из открытого рабочего колеса и направляющего аппарата сборной конструкции.
Ступени с открытыми колесами имеют хорошие гидродинамические характеристики, достаточно высокий напор и КПД (рис.2), к тому же такие ступени обладают повышенной напорностью за счет малой монтажной высоты.
На кафедре МОН и ГП РГУ нефти и газа им. Губкина проведен комплекс работ по исследованию влияния геометрических параметров на энергетические характеристики ступеней ЭЦН с колесами открытого типа.
В результате теоретических и стендовых исследований были получены характеристики некоторых ступеней с колесами открытого типа и специальными направляющими аппаратами. При этом напорность ступени была увеличена в 2-3 раза.
При определении энергетической эффективности разработанных ступеней
было установлено, что КПД открытых колес несколько уступает этому показателю у стандартных ступеней ЭЦН при перекачке маловязких продуктов(вода) без свободного газа. Однако при работе на жидкости с вязкостью, соответствующей вязкости нефти, а также при
работе на газожидкостных смесях ступени с открытыми рабочими колесами (НЦ5А-250) не уступают по энергетическим показателям стандартным ступеням ЭЦН (рис.3).
Применение новых ступеней в составе ЭЦН позволяет значительно сократить
Рис. 3. Энергетические характеристики различных ступеней ЭЦН при работе на воде(графики с точками) и вязкой жидкости(графики без точек). Вязкость модельной жидкости в 100 раз больше вязкости воды
длину погружного насосного агрегата и отказаться в ряде случаев от достаточно сложных, но снижающих надежность и создающих технологические проблемы устройств типа газосепаратора и дис-пергатора.
Уменьшение монтажной высоты в новых ступенях, наряду с заменой чугуна на легкие алюминиевые сплавы с защитным покрытием, позволяют в 1,5-2 раза снизить массу ротора насосного агрегата. Это приводит к улучшению динамических характеристик ЭЦН, существенному снижению вибраций и нагрузок на подшипники, уменьшению их износа. Снижение массы ротора и его динамического дисбаланса делает возможным значительное увеличение частоты вращения и снижает проблемы при применении быстроходных вентильных двигателей. Это может привести к существенному увеличению добычных возможностей ЭЦН.
Открытые рабочие колеса и направляющие аппараты сборной конструкции имеют простые геометрические формы и высокую технологичность изготовления, где может быть применена штамповка или высокоточная механоо-
бработка на высокопроизводительном оборудовании. Шероховатость поверхности рабочих гидравлических каналов деталей ступеней уменьшается в 3-4 раза по сравнению с шероховатостью каналов закрытых рабочих колес и направляющих аппаратов, изготовленных методом литья.
При этом себестоимость изготовления новых ступеней даже при применении достаточно дорогих алюминиевых сплавов на 20-25% ниже себестоимости изготовления стандартных ступеней из нирезиста.
МАТЕРИАЛ НОВЫХ СТУПЕНЕЙ И ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВА
Детали новых ступеней могут изготавливаться из легких и прочных деформируемых алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы легко обрабатываются механически на скоростях резания, в 4-5 раз превышающих скорости резания при обработке чугунов и сталей. Сложные по конфигурации детали могут легко и быстро обрабатываться на высокоскоростных прецизионных станках с ЧПУ с высокой точностью и
низкой шероховатостью поверхности. Причем механообработка деталей ведется в окончательные размеры, т.к. при последующем оксидировании поверхности размеры не изменяются (керамическое покрытие растет вглубь металла). Легкие, точно обработанные детали практически не требуют балансировки.
На поверхностях деталей из алюминиевого сплава создается защитное покрытие, состоящее из керамического слоя, пропитанного фторполимером. Керамическое покрытие создается методом плазменного электролитического оксидирования (ПЭО)третьего поколения, разработанного компанией МIKROLAT. От известных технологий оксидирования алюминиевых сплавов (анодно-искрового или микродугово-го) новая технология ПЭО отличается более высокой производительностью процесса (в 2-3 раза) и более высоким качеством керамического покрытия («гладкостью» и полным отсутствием внешнего дефектного слоя). Керамическое покрытие толщиной 40-70 мкм формируется на поверхности алюминиевых деталей за 15-25 мин.,
В данной книге рассмотрены общие вопросы эксплуатации оборудования, связанные с эффективностью его использования и поддержанием надежности. Изложены основы диагностирования технического состояния оборудования, организации его технического обслуживания и ремонта, технологические процессы ремонта оборудования, способы восстановления сопряжений и поверхностей деталей, технологические методы, применяемые для восстановления поверхностей и неразъемных соединений ремонтируемых деталей. Рассмотрена специфика монтажа и технической эксплуатации оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи.
По вопросам приобретения данной книги обращаться в редакцию журнала «Территория «Нефтегаз»
В.Н.Протасов, Б.З. Султанов, С.В. Кривенков «ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАжИН
+ 7 (495) 787-85-29, 441-00-34
что приемлемо для серийного производства. Никаких дополнительных финишных операций по удалению внешнего дефектного слоя не требуется. Технология ПЭО проста и экологически безопасна.
Керамическое покрытие состоит из композиции различных по твердости кристаллических модификаций оксидов. Фазы, имеющие высокую твердость ^ 1400-1500) и обеспечивающие высокую стойкость к абразивному износу, располагаются в матрице из менее твердых фаз ^ 600-800). Такая структура придает относительную пластичность керамическому покрытию и исключает случаи хрупкого разрушения. Благодаря высокой адгезии ПЭО-покрытия к металлу-основе, оно успешно выдерживает вибрации, ударные и термоциклические нагрузки, кавитацию.
Высокая теплостойкость керамического ПЭО-покрытия обеспечивает теплозащиту металлу-основе, препятствуя термическому разупрочнению алюминиевого сплава при повышенных температурах.
Пропитывание микропористой структуры ПЭО-покрытий фторполимером усиливает защитные свойства покрытий. Само керамическое ПЭО-покрытие химически инертно к агрессивным средам и не проводит тока. Но при спекании полимер «сшивает» керамический слой по продольным и поперечным микропорам, образуя монолитное композиционное покрытие, которое приобретает недостижимые ранее абразивно-эрозионную и коррозионную стойкость, усталостную прочность.
При эксплуатации керамическое ПЭО-покрытие воспринимает механические нагрузки, сопротивляясь изнашиванию и процарапыванию. Фторполимер же защищает керамическое покрытие и сплав-основу от воздействия агрессивных сред и выполняет функцию антифрикционной смазки.
Гладкая поверхность, покрытая полимером, обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление потоку жидкости, соприкасающейся с этой поверхностью, и препятствует осаждению на ней минеральных солей.
Низкая шероховатость (Ка 0,32-
0,64 мкм) и присутствие фторполимера на трущихся поверхностях деталей сту-
Рис.4. Машина для исследования износа рабочих колес или направляющих аппаратов при вращении
пеней обеспечивают низкий коэффициент трения, что гарантирует стабильную работу трибоконтактов.
СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ НОВЫХ СТУПЕНЕЙ ЭЦН
Испытания новых ступеней проводились по следующей методике.
Сборка ступеней испытывалась на стенде фирмы «Новомет-Пермь» с частотой вращения ротора насоса в 2970 об/мин. на воде для получения комплексной характеристики. Затем стенд переводился на работу с модельной жидкостью, содержащей 1% проппанта, при этом также строилась комплексная характеристика. Работа на модельной жидкости с проппантом должна была проводиться до тех пор, пока напорная или энергетическая характеристика не станет отличаться от первоначальной более, чем на 5%. Такая методика была испробована ранее для определения сравнительной износостойкости ступеней, выполненных из серого и никелевого чугуна (нирезиста). За три рабочих дня испытаний ступени из серого чугуна
снизили напорную характеристику на 12%, а ступени из нирезиста — на 8%. Однако новые ступени из алюминиевого сплава с защитным керамикополимерным покрытием за три рабочих дня испытаний не изменили ни напорной, ни энергетической характеристики.
Поэтому после испытаний новых ступеней в модельной жидкости их элементы прошли испытание на стандартном стенде для определения износостойкости (рис.4).
Испытания проводились при контакте вращающихся рабочих колес и неподвижного стандартного пробного круга. Осевая нагрузка на рабочее колесо практически соответствовала среднему значению нагрузок при работе центробежного насоса в левой части рабочей зоны характеристики и составляла 4 Н. Частота вращения при испытании была принята равной 150 об/мин. для устранения повышенного нагрева зоны контакта.
В результате испытаний определялась скорость износа как при сухом контак-
те, так и при постоянной подаче воды в зону контакта.
Анализ показал, что скорость износа рабочих колес из нирезиста (АО «АЛНАС») в 6,8 раза выше, чем аналогичный показатель для рабочих колес из деформируемого алюминиевого сплава с ПЭО-покрытием, пропитанным фторполимером.
Средняя скорость износа при подаче воды в зону контакта составила:
• рабочие колеса из алюминиевого сплава с защитным покрытием ЭЦНО5-80-0,017 г/час.;
• рабочие колеса АО «АЛНАС» ЭЦНА5-80-0,17 г/час.
Необходимо отметить, что при испытании в аналогичных условиях ступеней того же АО «АЛНАС», выполненных из серого модифицированного чугуна, средняя скорость износа при подаче воды в зону контакта составила
Для определения коррозионной стойкости деталей ступеней ЭЦН из алюминиевого сплава с защитным керамикополимерным покрытием применялась стандартная процедура по методике, приведенной в стандарте ANSI\NACE ТМ0177-96 N21221.
В результате испытаний по указанной методике в течение 24 час. (для тонкопленочных покрытий толщиной до 250 мкм) изменений в массе деталей, внешнем виде и микротвердости поверхности не обнаружено, что дает основание говорить о высокой коррозионной стойкости данного материала.
Результаты, полученные в ходе лабораторных и стендовых испытаний, позволили сделать следующие выводы.
1. Рабочее колесо открытого типа для ступеней ЭЦН, выполненное из алюми-
ниевого сплава с защитным керамикополимерным покрытием, имеет массу в 2,8 раза меньше массы аналогичного стального колеса и в 4,3 раза меньше массы стандартного рабочего колеса, изготовленного из нирезиста.
Низкий вес и малая монтажная высота алюминиевых ступеней с открытым колесом позволяют в 1,5-2 раза снизить массу ротора насоса, уменьшить его динамический дисбаланс и вибрации во время работы.
Увеличение частоты вращения ротора с открытым рабочим колесом из алюминиевого сплава с 3000 до 6000 об/мин. не приводило к повышению вибрационной скорости. Аналогичное увеличение частоты вращения стандартной ступени из нирезиста приводило к увеличению вибрационной скорости в 1,8 раза. Увеличение частоты вращения ротора насоса позволит существенно повысить подачу и напор ЭЦН.
2. Ступени с открытыми рабочими колесами имеют более высокую напорность, чем стандартные ступени ЭЦН.
3. КПД ступеней с открытыми рабочими колесами из алюминиевого сплава с защитным покрытием имеет следующие значения:
• при работе на воде — на 4-6% ниже, чем КПД стандартных ступеней ЭЦН;
• при работе на вязкой модельной жидкости (вязкость по воде равна 100 единиц) практически не отличается от КПД стандартных ступеней ЭЦН;
• при работе на модельной газожидкостной смеси (при содержании свободного газа свыше 6% ) превышает КПД стандартных ступеней ЭЦН.
Это дает возможность во многих случаях отказаться от применения в составе ЭЦН газосепараторов и диспергаторов.
4. Применение защитного керамикополимерного покрытия толщиной
40-70 мкм на деталях из алюминиевого сплава значительно увеличивает из-носо- и коррозионную стойкость ступеней ЭЦН и ресурса их работы при перекачивании абразивосодержащей и коррозионно-активной жидкости.
5. Гладкая поверхность защитного керамико-полимерного покрытия (Ra 0,32-0,64 мкм) позволяет снизить гидравлическое сопротивление проточных каналов (шероховатость поверхности проточных каналов в отлитых деталях из нирезиста Ra 2,5-9,0 мкм) и уменьшить трение в трибопарах скольжения, а также исключить отложение солей на поверхности.
6. Технологичность конструкции новой ступени и легкость механообработки алюминиевого сплава позволяют упростить массовое изготовление деталей.
7. Себестоимость изготовления новых ступеней минимум на 20-25% ниже себестоимости изготовления стандартных ступеней из нирезиста. Все это делает новые алюминиевые ступени с открытым колесом оптимальными по критерию «стоимость-эффективность».
Созданы и прошли успешные стендовые испытания новые высокоэффективные ступени ЭЦН компактной конструкции с открытым рабочим колесом, изготовленные из алюминиевого сплава с защитным керамико-полимерным покрытием.
ЭЦН, оснащенный новыми ступенями, способен длительное время работать в осложненных условиях эксплуатации при перекачивании коррозионноактивных жидкостей с высоким выносом механических примесей, высокой температурой и высокой долей свободного газа на приеме насоса.
Таблица 1. Показатели изменения массы рабочих колес и времени испытаний (при подаче воды в зону контакта)
№ П/П МАТЕРИАЛ КОЛЕСА ТИП СТУПЕНИ МАССА РАБОЧЕГО КОЛЕСА ДО ИСПЫТАНИЯ, Г МАССА РАБОЧЕГО КОЛЕСА ПОСЛЕ ИСПЫТАНИЯ, Г ВРЕМЯ ИСПЫТАНИЯ, ЧАС
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
1 Алюминиевый сплав с покрытием ЭЦН05-80 42,17 42,15 1,50
2 То же ЭЦН05-80 42,25 42,21 1,50
3 То же ЭЦН05-80 42,43 42,42 1,50
4 Чугун никелевый (типа «нирезист») ЭЦНМ5-80 172,40 172,13 1,50
5 То же ЭЦНМ5-80 170,б1 170,37 1,50
б То же ЭЦНМ5-80 1б8,92 1б8,б5 1,50
Микропроцессорные устройства РЗА сданы межведомственной комиссии, рекомендованы РАО «ЕЭС России■> и ОАО «ФСК ЕЭС» к применению на энергообъекта*.
Все устройства сертифицированы, выпускаются серийно и полностью соответствуют требованиям энергетиков.
Научно-производственное предприятие «ЭКРА» предлагает:
• РЗА СТАНЦИОИНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
• РЗА ПОДСТАНЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ 6 — 750 кВ
• Р Е ГИ СТРАТО РЫ СОБЫТИЙ И АВАРИЙНЫЕ ОСЦИ Л Л ОГРАФЫ
• СРЕДСТВА ОРГАНИЗАЦИИ АСУ ТП
• НИЗКОВОЛЬТНЫЕ КОМПЛЕКТНЫЕ УСТРОЙСТВА
• СИСТЕМЫ ПЛАВНОГО ПУСКА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
1 Энергия не исчезает и не появляется вновь.
| а переходит из одной формы в другую.
| Энергия опыта, знаний и смелы* решений преобразуется В особую форму ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ
электрооборудования от повреждений для надежной и стабильной работы энергосистем.
428003, Чувашская Республика,
г. Чебоксары, пр. И. Яковлева, 3 Тел./факс: (3352) 220-110 (многоканальный),
204-361, 399-929, 610-035
Е-таіІ: ekra@ekra.ru, www.ekra.nt
НПП «ЭКРА» является предприятием полного цикла и осуществляет:
— РАЗРАБОТКУ. ПРОИЗВОДСТВО И КОМПЛЕКСНУЮ ПОСТАВКУ ОБОРУДОВАНИЯ
— НАЛАДКУ, ГАРАНТИЙНОЕ И ПОСТГАРАНТИЙНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ
Центробежный насос (ЭЦН)
Погружной многоступенчатый центробежный насос представляет собой набор большого числа ступеней — рабочих колес и направляющих аппаратов, заключенных в стальной корпус в виде трубы. Рабочие колеса и направляющие аппараты собираются на одном валу, который поддерживается осевой опорой.
Направляющие аппараты, представляющие собой единый пакет, опираются на основание и закреплены от проворота в корпусе верхним подшипником.
Рабочие колеса посажены на вал при помощи шпонки, которая входит в паз вала и в паз каждого колеса. Такая конструкция позволяет передать вращение от вала к рабочим колесам. [рабочее колесо]
Различают следующие схемы сборки насосов:
-с «плавающим» типом рабочих колес,
-«компрессионная» сборка,
-«пакетная» сборка.
НАСОСЫ С «ПЛАВАЮЩИМ ТИПОМ» РАБОЧИХ КОЛЕС.
В насосах такой конструкции, рабочие колеса не фиксированы на валу и могут перемещаться вдоль вала между двумя направляющими аппаратами, то есть «плавать». Вал, который не несет на себе нагрузку от колес, подвешивается на осевой опоре. При работе насоса, каждое рабочее колесо, опирается нижним диском на кольцевой бурт направляющего аппарата.
Для уменьшения силы трения в нижний диск рабочего колеса запрессована опорная шайба из износостойкого материала (текстолит, карбонит и т.п.). Учитывая, что на некоторых режимах работы насоса (например, пусковой режим) рабочее колесо может «всплыть», т.е. переместиться до опорного бурта верхнего направляющего аппарата, в верхний диск колеса также запрессовывается опорная шайба. Таким образом, осевое усилие от каждого рабочего колеса (собственный вес колеса, перепад давления между верхней и нижней частью колеса и т.д.) передается на соответствующий направляющий аппарат, и далее воспринимается корпусом насоса.
Осевое усилие от вала насоса (собственный вес вала, давление на верхний торец вала, осевое усилие от прихваченных к валу колес и т.д.) воспринимается осевой опорой вала. Осевая опора состоит из пяты и подпятника, каждая из которых представляет собой, установленную в металлическую обойму, шайбу из бельтинга, силицированного графита или керамики.
Пята через шпонку посажена на вал и удерживается в осевом направлении посредством дистанционного и стопорного кольца. Подпятник опирается на верхний подшипник, а за счет паза входящего в отверстие верхнего подшипника, удерживается от проворота. Осевая сила от вала передается пятой через стопорное и дистанционное кольцо подпятнику. При работе насоса, жидкость из верхнего подшипника, по зазору между втулкой и подпятником, поступает к центральной части пяты. При вращении пяты жидкость по канавкам нагнетается в зазор между плоскими частями подпятника и пяты. Таким образом, подпятник скользит по слою жидкости.
Основным недостатком такой конструкции является подверженность осевой опоры воздействию механических примесей. Поэтому в настоящее время заводы-изготовители погружного оборудования выпускают насосы без осевой опоры вала в секциях. В таких насосах восприятие осевого усилия от вала осуществляется: пятой протектора гидрозащиты, осевой опорой специального входного модуля или осевой опорой газосепаратора.
Поперечные (радиальные) усилия, возникающие при работе насоса, воспринимают радиальные подшипники. В каждой секции насоса обычного исполнения вал вращается в двух подшипниках — верхнем и нижнем. Для предотвращения изгиба и сохранения прямолинейности вала в насосах износостойкого исполнения устанавливаются промежуточные радиальные подшипники.
В усовершенствованных конструкциях насосов радиальные подшипники размещают в направляющих аппаратах, что позволяет отказаться от установки промежуточных подшипников и сэкономить полезное пространство для дополнительных ступеней.
«КОМПРЕССИОННАЯ» СБОРКА НАСОСА.
В таких насосах за счет точной подгонки высоты ступиц рабочих колес, обеспечивается их соприкосновение друг с другом. Такая «гребенка» колес фиксируется на валу. Таким образом, осевое усилие от каждого рабочего колеса передается на вал. Для восприятия такой осевой нагрузки требуется усиленная осевая опора, разместить которую в насосе не представляется возможным. Поэтому вся осевая нагрузка от вала насоса передается на пяту гидрозащиты.
Преимущества «компрессионной» сборки: применение в условиях повышенного содержания механических примесей в добываемой продукции; разгрузка дисков рабочих колес от осевой нагрузки (в некоторых случаях опорные шайбы рабочих колес могут отсутствовать).
Недостатком «компрессионной» сборки является сложность монтажа. Так как для того чтобы рабочие колеса не соприкасались с направляющими аппаратами, при монтаже насоса осуществляется подгонка зазора в рабочих ступенях за счет установки специальных калиброванных пластин между валами в шлицевых муфтах.
«ПАКЕТНАЯ» СБОРКА НАСОСА.
В таких насосах несколько рабочих колес и направляющих аппаратов (от 3 до 10 пар) собираются в пакеты, при этом высота ступиц рабочих колес подобрана таким образом, чтобы между колесами был небольшой зазор. Особенностью такой сборки является способность насоса, точнее, отдельных его элементов, менять свои функции в зависимости от режимов работы, параметров перекачиваемой среды и интенсивности износа. Рабочие колеса, изначально установленные «плавающими», по мере износа опорных шайб начинают передавать свою осевую нагрузку на нижние колеса, образуя «гребенку», характерную для компрессионных ступеней. В результате весь пакет начинает передавать суммарную осевую нагрузку на специальную осевую опору, установленную в нижней части каждого пакета. В этом положении нагрузка с опорных шайб колес снимается, и их износ практически прекращается, при этом протечки мевду ступенями минимальны, поскольку зазоры в уплотнениях близки к нулю.
«Пакетная» сборка обладает всеми преимуществами «компрессионной» сборки и лишена её главного недостатка — не требует подгонки при монтаже, что существенно уменьшает время монтажа и возможность ошибок монтажника.
Каждая ступень насоса состоит из рабочего колеса и направляющего аппарата.
Рабочее колесо состоит из двух дисков — нижнего, в виде кольца с отверстием большого диаметра в центре, и верхнего — сплошного диска со ступицей, через которую проходит вал. Между дисками, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопасти, плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса.
Направляющий аппарат состоит из диффузора, в виде стакана с отверстием большого диаметра в центре, и диска с отверстием, диаметр которого чуть больше диаметра втулки рабочего колеса. [направляющий аппарат] Между диффузором и диском, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопатки, изогнутые в ту же сторону, что и лопатки рабочего колеса.
В зависимости от условий работы рабочие колеса и направляющие аппараты изготавливают из различных материалов различными методами:
— рабочие органы из модифицированного серого чугуна и чугуна типа «нирезист» изготавливают литьем;
— рабочие органы из специального «порошка» — спеканием;
— рабочие органы из полимерных материалов — штамповкой.
Каждая ступень развивает напор от 3 до 7 метров водяного столба.
При увеличении количества ступеней напор будет равен сумме напоров развиваемых каждой ступенью в отдельности, подача же насоса при этом останется неизменной, т.е. такой, какую обеспечивает одна ступень. Подача насоса зависит от размера и конфигурации ступеней.
Существуют два типа ступеней: ступени с цилиндрическими лопатками (применяются в насосах с низкой подачей — до 250 м!/сут) и ступени с наклонноцилиндрическими лопатками (применяются в насосах с подачей свыше 250 м3/сут).
Учитывая глубину, с которой приходится поднимать жидкость, а также противодавление, которое необходимо преодолеть насосу при транспортировке жидкости до ДНС, в насосе приходится устанавливать большое количество ступеней (до 650 штук). При размещении такого количества ступеней в одном корпусе его длина достигала бы 20 м, что затрудняло бы его изготовление, транспортировку и монтаж на скважине. Поэтому высоконапорные насосы составляются из нескольких секций (модулей), длиной не более 6 м (примерно 120-200 ступеней).
Дня соединения секций насоса используются следующие типы соединений:
— соединение «фланец-фланец»;
— соединение «фланец-корпус»;
— соединение «фланец-корпус» с дополнительным подшипником.
Соединение «фланец-корпус» обеспечивает более высокую прочность межсекционного соединения по сравнению с соединением «фланец-фланец» (уменьшение концентраторов напряжения, увеличенная толщина стенки головки, уменьшающая абразивный износ межсекционного соединения).
Соединение «фланец-корпус» с дополнительным подшипником (в головке секции встроен подшипник) способствует снижению уровня вибрации насоса.
Входной модуль.
Прием и подвод скважинной жидкости в насос осуществляется через входной модуль. Входной модуль состоит из корпуса с отверстиями для прохода пластовой жидкости, вала с защитными втулками и приемной сетки, которая обеспечивает грубую очистку входящей жидкости от механических примесей. Верхняя часть входного модуля присоединяется к секции насоса, а нижняя часть к протектору. С целью уменьшения количества соединений, заводы-изготовители в настоящее время выпускают погружное оборудование со встроенным входным модулем. Входной модуль встраивается: в нижнюю секцию насоса или в протектор гидрозащиты.
При добыче пластовой жидкости с высоким содержанием механических примесей, для предупреждения попадания их в рабочие органы насоса, применяют шламоуловители или входные фильтры.
Входной фильтр устанавливается между гидрозащитой и нижней насосной секцией.
Задержание механических примесей осуществляется при прохождении загрязненной пластовой жидкости через установленные внутри фильтра фильтрующие элементы.
Шламоуловитель работает в составе погружной установки в качестве дополнительной модуль-секции, устанавливаемой между входным модулем и нижней секцией насоса. Улавливание и осаждение механических примесей осуществляется с помощью специальных улавливающих аппаратов.
Валы секций насоса соединяются между собой шлицевыми муфтами. Для этой цели на концах валов имеются шлицы (зубья) и впадины (пазы), радиально расположенные на поверхности.
Принцип работы центробежного насоса.
Работа насоса основана на взаимодействии лопаток вращающегося рабочего колеса и перекачиваемой жидкости. Вращаясь, рабочее колесо сообщает круговое движение жидкости, находящейся между лопатками. Вследствие возникающей центробежной силы жидкость от центра колеса перемещается к внешнему выходу, а освободившееся пространство вновь заполняется жидкостью, поступающей под действием создаваемого разрежения. Из рабочего колеса жидкость забрасывается в направляющий аппарат, который по своим каналам направляет жидкость к центральной части следующего колеса. Вследствие такого принудительного отклонения потока жидкости, на внутренних стенках направляющего аппарата создается давление. Таким образом, скоростная энергия преобразуется в энергию давления.
Техническая характеристика насосов.
Основными параметрами насоса являются подача и напор. Под подачей понимают объем жидкости, который перекачивает насос за определенный промежуток времени (О, м3/сут). Напор — это максимальная высота, на которую насос может поднять жидкость (Н, м), или давление, которое способен преодолеть насос, выраженное в метрах столба жидкости.
В зависимости от условий эксплуатации центробежные насосы имеют переменные подачи и напоры. Графическая зависимость напора, потребляемой мощности и к.п.д. от подачи при постоянном числе оборотов называется характеристикой центробежного насоса. Обычно характеристики насосов устанавливают опытным путем (испытание водой />=1000 кг/м3): при постоянном числе оборотов насоса изменяют степень открытия задвижки, установленной на выходе из насоса, замеряют подачу (О), напор (Н) и мощность (И), далее по этим данным вычисляют КПД насоса <ц). Найденные таким путем зависимости изображают графически в прямоугольной системе координат, как правило, для 100 ступеней.
Основной характеристикой насоса считается зависимость напора от его подачи Н(О). По характеру кривой видно, что насос способен поднять столб жидкости на максимальную высоту (Н^, но при этом он будет работать вхолостую ((2=0) и наоборот — насос способен перекачать максимальный объем жидкости (0„„) при отсутствии противодавления (Н=0).
Поскольку полезная работа насоса пропорциональна произведению подачи на напор, то для этих двух крайних режимов работы насоса полезная работа будет равна нулю, а следовательно и КПД будет равен нулю. При определенном соотношении () и Я, к.п.д. достигает максимального значения, равного примерно 50%. Подача и напор, соответствующие максимальному к.п.д., называются оптимальным режимом работы насоса. Зависимость г(0) около своего максимума уменьшается плавно (3 — 5%), поэтому вполне допустима работа ЭЦН при режимах, отличающихся от оптимального в ту и другую сторону на некоторую величину. Область возможных режимов работы насоса называется рабочей частью или рабочей зоной.
Кривая N(0) характеризует зависимость потребляемой насосом мощности от подачи. Стендовые испытания различных насосов показали, что как правило, потребляемая насосом мощность снижается при уменьшении подачи.
Подбор насоса по существу сводится к выбору такого типоразмера ЭЦН, чтобы он, будучи спущен в скважину, осуществлял максимально допустимый отбор жидкости с заданной глубины и работал при этом, на режимах приближенных к максимальному КПД.
УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
ЭЦН (К) (И) — XX — XXX — хххх
1 2 3 4 5 6
1 — Электроцентробежный насос
2 — Насос в коррозионостойком исполнении
3 — Насос в износостойком исполнении
4 — Габаритная группа насоса
5 — Номинальная подача насоса (м3/сут)
6 — Номинальный напор (м]
Габаритная группа насоса 5 5А 6 6А
Минимально допустимый внутренний диаметр эксплуатационной колонны, мм 123,7 130 144,3 148
Наружный диаметр корпуса насоса, мм 92 103 114 123
Пример обозначения электроцентробежного насоса с наружным диаметром корпуса 92 мм, номинальной подачей 80 м 3/сут и номинальным напором 1200 м, выполненного в износостойком исполнении:
ЭЦН (И) — 5 — 80 — 1200
Большое количество свободного газа, попадающего в скважину непосредственно из пласта либо выделяющегося из нефти, затрудняет эксплуатацию скважин погружными центробежными насосами. При попадании газа в центробежный насос, в каналах рабочего колеса и направляющего аппарата возникают вихревые газовые «мешки», заполненные газожидкостной смесью пониженной плотности. С одной стороны, скопление газа стесняет проходное сечение канала, уменьшая подачу, а с другой стороны, препятствует нормальному закручиванию потока на выходе из рабочего колеса, что приводит к снижению напора колеса.
Вихревые области по мере накопления содержащегося в них газа увеличиваются и занимают все большую и большую часть канала. Когда такой «мешок» распространяется на всю ширину канала, образуется газовая пробка и происходит прекращение подачи насоса («срыв подачи»).
Допустимая величина газосодержания на входе в насос колеблется (в зависимости от типоразмера насоса) в пределах 5-25% от объема добываемой продукции.