ТЕМА№13 БУРОВЫЕ НАСОСЫ.
13.1 Назначение и основные требования.
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.
Исходя из назначения и условий эксплуатации, к буровым насосам предъявляют следующие основные требования:
подача насоса должна быть регулируемой в пределах, обеспечивающих эффективную промывку скважины;
мощность насоса должна быть достаточной для промывки скважины и привода забойных гидравлических двигателей;
скорость промывочной жидкости на выходе из насоса должна быть равномерной для устранения инерционных нагрузок и пульсаций давления, вызывающих осложнения в бурении, дополнительные энергетические затраты и усталостные разрушения;
насосы должны быть приспособлены для работы с абразиво- и маслосодержащими коррозионно-активными промывочными растворами различной плотности;
узлы и детали, контактирующие с промывочным раствором, должны обладать достаточной долговечностью и быть приспособленными к удобной и быстрой замене при выходе из строя;
крупногабаритные узлы и детали должны быть снабжены устройствами для надежного захвата и перемещения при ремонте и техническом обслуживании;
узлы и детали приводной части должны быть защищены от промывочного раствора и доступны для осмотра и технического обслуживания;
насосы должны быть приспособлены к транспортировке в собранном виде на далекие и близкие расстояния и перемещению волоком в пределах буровой;
конструкция насосов должна допускать правое и левое расположение двигателем насосного агрегата;
надежность и долговечность насосов должны сочетаться с их экономичностью и безопасностью эксплуатации.
Технические условия на изготовление буровых насосов регламентируются I'ОСТом.
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 опытно-конструкторских работ, а также новейших достижений в насосостроении и смежных областях науки и техники буровые насосы непрерывно совершенствуются: повышаются надежность и долговечность их, снижается масса и сокращаются материальные и трудовые затраты на их изготовление, эксплуатацию и ремонт. Это обусловило широкую номенклатуру моделей и модификаций буровых насосов, используемых в отечественной и зарубежной практике бурения эксплуатационных и разведочных
13.2 Устройство буровых насосов.
Рабочие органы буровых насосов преимущественно выполняются в виде поршней. Наиболее распространены двухпоршневые насосы двухстороннего действия, на смену которым в последние годы приходят трехпоршневые насосы одностороннего действия. В насосах двухстороннего действия жидкость, перемещается в поршневой и штоковой полостях и за один двойной ход поршня совершаются два цикла всасывания и нагнетания. При одностороннем действии жидкость перемещается в поршневой полости рабочей камеры и за один двойной ход совершаются один цикл всасывания и нагнетания.
В буровых насосах используются самодействующие пружинные клапаны тарельчатой конструкции. Всасывающие и нагнетательные клапаны взаимозаменяемы. 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, пальцевого либо коленчатого вала. Прямодействующие, насосы, ведущее звено которых имеет возвратно-поступательное движение, в современных отечественных буровых установках не используются.
Ведущий вал приводится от трансмиссионного вала насоса посредством цилиндрической зубчатой пары. Промывочная жидкость перемещается по одноступенчатой и однопоточной схеме, через общую приемную линию и один отвод. Подача насоса 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.
Поршневые насосы одностороннего действия характеризуются повышенной частотой и укороченной длиной хода поршней. Вследствие этого уменьшаются их габариты и масса по сравнению с двухпоршневыми насосами двустороннего действия. К другим преимуществам насосов одностороннего действия следует отнести отсутствие уплотнений штока, снижение необходимой степени редукции зубчатой передачи, сокращение числа клапанов насоса и манжет поршня.
Трехпоршневой буровой насос одностороннего действия (рис. 13.1) отличается от двухпоршневого насоса одностороннего действия конструкцией одноименных узлов и деталей.
Трансмиссионный вал 7 (рис.13.2) устанавливается на спаренных конических подшипниках 6, предназначаемых для работы при особо тяжелых нагрузках. Коренной вал состоит из трех литых эксцентриков 2, 10, 13, жестко связанных с прямым валом 5, вращающимся на подшипниках 4, установленных в стакане 3. Равномерное угловое смещение эксцентриков способствует их взаимному уравновешиванию и устраняет вредное влияние дисбаланса на работу коренных подшипников вала.
Рис.13.1. Буровой поршневой насос одностороннего действия:
всасывающий коллектор; 2- всасывающей клапан; 3- крышка клапанной коробки; 4- нагнетательный клапан; 5- нагнетательный коллектор; 6- цилиндровая втулка; 7- шток; 8- быстросъемный хомут; 9- контршток; 10- ползун; 11- шатун;12- станина насоса; 13- трансмиссионный вал; 14- коренной вал; 15- компенсатор.
Р
ис.13.2.
Трансмиссионная часть трехпоршневого
бурового насоса.
Вращение коренному
валу передается цилиндрической зубчатой
передачей, состоящей из шестерни 8
и зубчатого
венца 11 с косыми либо шевронными зубьями,
закрепленного на литом боде 12.
Губчатая
передача смещена относительно продольной
оси
насоса и располагается между средним
13
и
крайним 10
эксцентриками.
Мотылевые шейки шатунов 14
соединяются
с эксцентриками
посредством роликовых подшипников 1,
закрепленных
кольцевыми
секторами 9.
Малая шейка шатуна с валиком ползуна соединяется игольчатым подшипником. Благодаря меньшей длине хода поршня диаметр эксцентриков и длина шатуна насосов одностороннего действия меньше, чем насосов двустороннего действия. Подвижные детали и узлы приводного блока смазываются с помощью масляного насоса и окунанием в масляную ванну.
Гидрокоробки насосов одностороннего действия различаются взаимным положением всасывающего 1 и нагнетательного 2 клапанов. Несоосное расположение клапанов (рис. 13.3 а) обеспечивает удобство смены всасывающего клапана, но при этом увеличивается объем мертвого пространства рабочей камеры насоса, занимаемый жидкостью в конце хода нагнетания. При соосном расположении клапанов (13.3 б) объем мертвого пространства уменьшается, однако затрудняется смена всасывающего клапана.
Рис.13.3. Гидравлическая часть насоса одностороннего действия с различными клапанными коробками.
Рис. 13.4. Поршень трехпоршневого бурового насоса одностороннего действия.
Подобно насосам двустороннего действия гидрокоробки крепятся к станине насоса и связаны между собой приемным б нагнетательным 3 коллекторами. Цилиндровые втулки 4 насосов одностороннего действия отличаются меньшей длиной и массой и имеют гладкую наружную поверхность (рис. 13.3 а) либо снабжены наружным кольцевым буртиком (рис. 13.3 б). Значительная часть цилиндровой втулки выносится из гидрокоробки в сторону приводного блока. В результате этого уменьшаются габариты гидрокоробок и длина штока. Простая конструкция узлов крепления и уплотнения цилиндровых втулок способствует сокращению продолжительности ремонтных работ, связанных с их заменой. Одностороннее действие насоса позволяет упростить конструкцию поршня 5.
ВНИИнефтемашем разработан поршень (рис. 13.4) для насосов одностороннего действия, который состоит из стального сердечника 1, шайбы 3 и привулканизованных к сердечнику наружной уплотняющей манжеты 4 и внутреннего уплотнения 2, герметизирующего неподвижный цилиндрический стык между поршнем и штоком. Поверхность манжеты 4 имеет дугообразные выступы, которые способствуют проникновению смазочно-охлаждающей жидкости в зону контакта манжеты с цилиндровой втулкой при всасывании. Под давлением нагнетания манжета уплотняется и в образовавшихся на ее поверхности впадинах удерживается часть смазки, в результате этого снижается износ поршня и цилиндровой втулки. При остановках выступы на поверхности противодействуют прилипанию манжеты к рабочей поверхности цилиндра, нагреваемой в процессе работы насоса. Шайба 3 сохраняет прочность соединения манжеты с сердечником при нагреве от трения цилиндропоршневой пары.
Данные промысловых наблюдений показывают, что долговечность и ремонтопригодность трехпоршневых буровых насосов выше, чем двухпоршневых.
Таблица 13.1 Техническая характеристика буровых насосов.
Параметры |
БрН-1 |
НВТ-600 |
У8-6МА2 |
У8-7МА2 |
УНБТ-800 |
УНБТ- 950 |
УНБТ-1180 |
Мощность насоса, кВт |
365 |
600 |
585 |
850 |
800 |
950 |
1180 |
Полезная мощность насоса, кВт |
330 |
540 |
500 |
710 |
720 |
855 |
1060 |
Число поршней |
2 |
3 |
2 |
2 |
3 |
3 |
3 |
Число рабочих камер цилиндра |
2 |
1 |
2 |
2 |
1 |
1 |
1 |
Максимальное число двойных |
72 |
135 |
66 |
66 |
135 |
125 |
125 |
ходов поршня в 1 мни |
|
|
|
|
|
|
|
Ход поршня, мы |
300 |
250 |
400 |
400 |
250 |
290 |
290 |
Внутренний диаметр цилиндровых |
|
|
|
|
|
|
|
втулок, мм: |
|
|
|
|
|
|
|
наибольший |
180 |
180 |
200 |
200 |
180 |
180 |
180 |
наименьший |
130 |
120 |
130 |
140 |
130 |
140 |
140 |
Подача, л/с: |
|
|
|
|
|
|
|
наибольшая |
34,8 |
42,9 |
50,9 |
50,9 |
41,4 |
46 |
46 |
наименьшая |
16.4 |
19.1 |
18,9 |
22,7 |
22,4 |
28,8 |
28,6 |
Давление на выходе из насоса, МПа: |
|
|
|
|
|
|
|
наименьшее |
9.8 |
11,3 |
9,6 |
14,2 |
17 |
19 |
24 |
наибольшее |
20 |
25 |
25 |
32 |
32 |
32 |
40 |
Диаметр штока поршня, мм Максимальная частота вращения трансмиссионного вала, об/мин Передаточное число зубчатой пары
|
65 |
65 |
80 |
80 |
70 |
60 |
60 |
330 |
425 |
325 |
337 |
412 |
566 |
566 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4,15 |
3,15 |
4,92 |
5.11 |
3.05 |
4,53 |
4.53 |
|
Диаметр проходного отверстия |
145 |
145 |
145 |
145 |
135 |
145 |
145 |
седла клапана, мм |
|
|
|
|
|
|
|
Диаметр проходного отверстия кол- |
|
|
|
|
|
|
|
лектора, мм: |
|
|
|
|
|
|
|
всасывающего |
200 |
200 |
275 |
275 |
230 |
230 |
230 |
нагнетательного |
95 |
95 |
109 |
125 |
100 |
100 |
100 |
Габариты насоса, мм: |
|
|
|
|
|
|
|
длина |
4160 |
4460 |
5000 |
5340 |
4470 |
5550 |
5550 |
ширина |
2430 |
2720 |
3000 |
3340 |
2980 |
3250 |
5400 |
высота |
2710 |
1640 |
3240 |
3400 |
2200 |
3250 |
3400 |
Масса насоса со шкивом, т |
13,2 |
19 |
27,7 |
37,3 |
22,4 |
22.7 |
23,5 |
Показатели надежности насосов
Вид насоса двухпоршневой дву- Трехпоршневой стороннего действия одностороннего действия
(У8-6МА2;,У8-7МА2) (УНТБ-950)
Средняя наработка насоса на отказ, ч 11,5 18,0
Среднее время восстановления, ч 2,5 0,7 Относительные ресурсы:
поршня 1 1
цилиндровой втулки 1,8 2,4
нагнетательного клапана 3,2 4,5
всасывающего клапана .... 3,2 4,5
штока с уплотнением 1.5 —
Коэффициент готовности 0,93 0,97
Стоимость 1 ч работы насоса по затратам
на сменные детали, руб. ... 3,4 1,7
В табл. 13.1 приведена техническая характеристика отечественных буровых насосов.