Розрахунок вала насоса

 

Практика експлуатації ЕВН показала, що найбільш

 

правильно розраховувати вали виходячи із умов їх нормальної роботи при максимальній потужності насоса, не враховуючи аварійних навантажень при заклинюванні вала.

Навантаження

При нормальній роботі вал насоса піддається дії:

- крутного моменту;

- осьового стискаючого навантаження на верхній торець вала;

- радіального навантаження на шліцеву муфту.

Найбільші навантаження прикладені до вала в його нижній частині.

Крутний момент обумовлюється споживаною насосом потужністю і частотою обертів вала.

Осьове навантаження враховують при перевірці стійкості вала, (при перевірці на міцність вала ним нехтують).

Радіальне навантаження на вал викликане не співвісним розміщенням валів насоса і протектора у зібраному агрегаті і неточністю виготовлення шліцевого з’єднання.

Визначення розмірів вала

- визначають орієнтовно розміри вала за внутрішнім діаметром шліців без врахування концентрації напружень і згинання вала:

, (8.10)

, (8.11)

де - крутний момент, який виникає при запуску насоса, причому = (1,4 - 1,7) Тн.

Тн - номінальний крутний момент.

Для визначення Тн використовують відому формулу

Тн = . (8.12)

Вал працює більшу частину часу при постійних навантаженнях, тому допустиме напруження на кручення приймають виходячи із запасу міцності , яке беруть 1,8 – 2,2, напруження на розтяг, рівного [s]р =

де sи границя міцності матеріалу вала.

 

[t]кр= (0,5 – 0,6)[s]р , (8.13)

За діаметром вибирають розмір стандартного шліцьового з’єднання так, щоб внутрішній діаметр шліців був рівний або більший розрахункового. За допомогою шліців з’єднують вали відцентрового насоса і протектора, а також секції між собою.

Вали ЕВН виготовляють протягуванням із прутків сталі 03Х14Н7В, (sи = 930 МПа, = 785 МПа).

Заготовки для валів – прутки діаметром 17, 20, 22, 25, 28, 30 мм.

Сучасні методи виготовлення дозволяють забезпечити високу точність і взаємозамінність шліцьових деталей. В заглибних відцентрових насосах застосовують прямобічне шліцеве з’єднання із центруванням по зовнішньому діаметру, так як ставляться підвищені вимоги до точності спряження валів насоса і привода.

Максимальні дотичні напруження при крученні розраховують для нижнього шліцевого кінця вала:

t = Тмакс ¤ Wр , (8.14)

де Wр моментопору шліцевого кінця вала.

Для передачі крутного моменту T на робочі колеса насоса використовують шпонкове з’єднання. На валу фрезерують загальну шпоночку канавку, в яку закладають чистотягнуті прутки із латуні або сталі (для

високонапірних насосів). В робочих колесах виготовляють шпонковий паз. Розміри шпонок вибирають із розрахунку на зминання по бокових гранях шпонки під дією колової сили Ft, яка передається робочому колесу

(8.15)

де h - висота шпонки;

t - глибина паза на валу;

l – довжина посадочної частини робочого колеса;

d – діаметр вала.

 

Контрольні запитання

 

1оУ якому порядку проводиться розрахунок корпусу насоса?

2 Чому навантаження на направляючі апарати під час роботи не рівномірні по висоті насоса?

3 Із якого матеріалу виготовляють корпус і вал насоса?

4оЯкі навантаження діють на вал насоса під час роботи?

5 Вкажіть послідовність розрахунку вала насоса на міцність.

6 Запишіть формулу для орієнтовного визначення діаметра вала насоса.

7 Запишіть формулу для визначення максимального дотичного напруження при крученні вала насоса.

8 Поясніть, як проводиться передача крутного моменту на робочі колеса насоса.

9 ВПЛИВ ГАЗУ НА РОБОТУ НАСОСНОЇ УСТАНОВКИ

 

Стабільна робота УЕВН здійснюється при вмісті вільного газу на вході в насос (за технічними умовами) від 5 до 25 % залежно від типорозміру насоса. При збільшенні кількості вільного газу відбувається погіршення роботи насоса. Газована рідина в деяких випадках, якщо середовище тонкодисперсне і наявність вільного газу не перевищує допустимого, може позитивно впливати на роботу насоса, оскільки відбувається зменшення густини і в'язкості відкачуваної суміші. Але, найчастіше, відбувається часткове або повне замикання каналів робочих коліс в насосі при великому вмісті газу, яке призводить до зменшення подачі насоса, зниження наробітку насоса до відмови. В деяких випадках може відбуватися вихід з ладу заглибного електродвигуна через погане його охолодження за рахунок відсутності потоку рідини.

 

9.1 Методи боротьби зі шкідливим впливом газу на роботу насосної установки

 

Відомі наступні методи боротьби з газом в свердловинах, що експлуатуються УЕВН:

- опускання насоса в зону, де тиск на прийомі забезпечує оптимальну подачу насоса і стабільну його роботу;

- застосування сепараторів різних конструкцій;

- монтаж на прийомі насоса диспергуючих пристроїв;

- примусове скидання газу із затрубного простору;

- застосування комбінованих, так званих «конусних» або «ступінчастих», насосів.

Створення на прийомі насоса тиску, рівного тиску насичення нафти газом або близького до нього. Цей метод широко поширений, оскільки простий технологічно і організаційно, але є неекономічним, оскільки для його

здійснення необхідне опускання насоса на великі глибини. Останнє пов'язане з витратами на НКТ, кабель, електроенергію і спуско-підйомні операції.

Застосування сепараторів. Метод передбачає встановлення на прийомі насоса спеціальних пристроїв, що розділюють рідину і газ, і викидання останнього в затрубний простір.

Використання диспергаторів. Застосування диспергаторів дозволяє збільшити значення об'ємного газозмісту, що допускається, на прийомі від 0,10 до 0,25 за рахунок утворення тонкодисперсної структури середовища. Диспергатори ефективні в обводнених свердловинах, що створюють в'язку емульсію, оскільки сприяють руйнуванню її структури. Диспергатор є сильним турбулізатором потоку і сприяє ефективному вирівнюванню структури газорідинної суміші. Диспергатори можуть встановлюватися як ззовні, так і всередині насоса замість декількох робочих ступеней.

Примусове скидання газу із затрубного простору. В процесі експлуатації свердловини частина газу сепарує з рідини в зоні прийому насоса в затрубний простір. Накопичуючись в ньому, газ може відтіснити рідину до прийому насоса і, потрапивши в насос, знизити його подачу або викликати аварійну роботу в режимі сухого тертя. Крім того, газ створює протитиск на пласт, зменшуючи притікання рідини.

Застосування комбінованих насосів. «Шкідливий» вплив газу зменшується, якщо на прийомі серійного насоса деяке число ступеней замінити ступенями більшої подачі. Володіючи великим об'ємом каналів, ці ступені забезпечують більше надходження на прийом газорідинної суміші. При попаданні в серійні ступені об'єм суміші зменшується за рахунок стиснення і розчинення газу в рідині, чим і досягається оптимальна подача насоса.

Застосування відцентрових газосепараторів є найнадійнішим засобом захисту ЕВН від шкідливого впливу

вільного газу. Від ефективності їх роботи багато в чому залежать параметри експлуатації і наробітку до відмови заглибного насоса в свердловині.

Для відділення газу від рідини в цих газосепараторах використовується плавучість газових бульбашок під дією гравітаційних або відцентрових сил.

Гравітаційний газосепаратор має найменший коефіцієнт сепарації, відцентровий — найбільший, а вихровий газосепаратор за коефіцієнтом сепарації займає проміжне положення.

9.2 Конструкції і принцип дії газосепараторів і диспергаторів

 

Газосепаратори виготовляються відповідно до наступних нормативних документів:

ТУ 26-06-1416-84. Модулі насосні - газосепаратори МНГ і МНГК.

ТУ 313-019-92. Модулі насосні – газосепаратори Ляпкова

МН ГСЛ.

ТУ 3381-003-00217780-98. Модулі насосні - газосепаратори МНГБ5.

За принциповою схемою ці газосепаратори є відцентровими. Вони є окремими насосними модулями, що монтуються перед пакетом ступеней нижньої секції насоса за допомогою фланцевих з'єднань. Вали секцій або модулів з'єднуються шліцьовими муфтами.

Одним з перших пристроїв був газосепаратор

П.Д. Ляпкова - відомого російського вченого. Принцип дії даного газосепаратора полягає в тому, що ротор, обертаючись з валом насоса, створює інтенсивний обертальний рух суміші в сепараторі, завдяки чому відбувається розділення суміші на рідину і газ. Газ під дією градієнта тиску, що виникає при обертанні суміші, видавлюється з кільця суміші, що обертається, у бік найменшого тиску, тобто до центру, а рідина під дією відцентрових сил відкидається до периферії внутрішньої камери газосепаратора.

Більше 10 років тому запущений в серійне виробництво сепаратор 1МНГ5 до ЕВН п’ятої розмірної групи. Він успішно працював в широкому діапазоні зміни умов експлуатації. Проте сепаратор мав складну конструкцію, велику масу, був схильний до абразивного зношення і обривання по корпусу сепаратора. Крім того, в умовах високого газовмісту на багатьох режимах спостерігався істотний вплив газу на роботу ЕВН, обладнаних 1МНГ5.

Тому виникла необхідність створення нового типу сепаратора. Ученими ДАНГ ім. І. М. Губкіна був запропонований новий тип сепарації, на основі якого фахівці АТ «Лебедянський машинобудівний завод» розробили конструкцію модуля насосного газосепаратора МН-ГСЛ5 (рис. 9.1) до заглибних насосів групи 5. Маса нового сепаратора виявилася приблизно в 2 рази меншою, ніж у 1МНГ5, зокрема, - за рахунок спрощення конструкції. Крім того, в МН-ГСЛ5 передбачений захист внутрішньої поверхні корпусу від абразивного зносу. Новий газосепаратор дозволяє стабільно працювати насосу до 80 % вмісту газу. З метою порівняння сепараторів за ефективністю газовідділення були проведені спеціальні стендові випробування.

Газосепаратор типу МН(К) - ГСЛ складається з трубного корпусу 1 з головкою 2, основи 3 з приймальною сіткою і вала 4 з розташованими на ньому робочими органами. У головці виконано дві групи перехресних каналів 5, 6 для газу і рідини і встановлена втулка радіального підшипника 7. В основі розміщені закрита сіткою порожнина з каналами 8 для прийому газорідинної суміші, підп'ятник 9 і втулка 10 радіального підшипника. На валу розміщені п'ята 11, шнек 12, осьове робоче колесо 13 з суперкавітуючим профілем лопатей, сепаратори 14 і втулки радіальних підшипників 15. У корпусі розміщені напрямна решітка і гільзи. Газосепаратор працює таким чином: газорідинна суміш (ГРС) потрапляє

через сітку і отвори вхідного модуля на шнек і далі до робочих органів газосепаратора. За рахунок отриманого напору ГРС потрапляє в камеру сепаратора, обладнану радіальними ребрами, де під дією відцентрових сил газ відділяється від рідини. Далі рідина з периферії камери сепаратора потрапляє по каналах перехідника на прийом насоса, а газ через похилі отвори відводиться в затрубний простір.

Конструкція газосепаратора типу МН(К) - ГСЛ представлена на рис. 9.1.

ВАТ «Борець» пропонує газосепаратори двох типів:

- модульні (моделі МНГБ5, МНГБ5А, 1МНГБ52);

- вбудовані в нижню секцію насоса.

Рисунок 9.1 - Газосепаратор типу МН(К)-ГСЛ

 

Газосепаратори ВАТ «Борець» мають головку оригінальної конструкції, яка розділяє потоки газу і рідини і підвищує ефективність роботи газосепаратора. Всі типи газосепараторів забезпечені захисною гільзою, що оберігає корпус газосепаратора від гідроабразивного зношення. Завдяки цьому підвищується ресурс роботи обладнання, зменшується ймовірність аварій. Газосепаратори 1МНГБ5 і 1МНГБ52 не мають осьової опори вала, що спрощує їх конструкцію. Модель 1МНГБ52 призначена для використання на свердловинах з підвищеним газовим фактором. Газосепаратор має здвоєну конструкцію, що дозволяє зменшити загальну довжину насосної установки в порівнянні з установкою, укомплектованою двома газосепараторами.

Осьові опори валів моделей МНГБ5 і МНГБ5А можуть бути виконані з наступних матеріалів: «бельтінг-сталь» - для звичайних умов експлуатації; «кераміка - кераміка» - для ускладнених умов експлуатації.

Розширена номенклатура газосепараторів дозволяє підібрати найбільш ефективний з них залежно від умов експлуатації.

Модулі насосні - диспергатори МНДБ5 (виробництва ВАТ «Борець») призначені для подрібнення газових включень в пластовій рідині, підготовки однорідної газорідинної суміші і подачі її на вхід насоса. Диспергатори МНДБ5 встановлюються на вході насоса замість вхідного модуля. Максимальний допустимий вміст вільного газу на вході в диспергатор при максимальній подачі – 55 % за об'ємом. При проходженні потоку газорідинної суміші через диспергатор підвищується її однорідність і ступінь подрібнення газових включень, завдяки чому покращується робота відцентрового насоса: зменшується його вібрація і пульсація потоку в насосно-компресорних трубах, забезпечується робота із заданим ККД. За насосом в НКТ з перекачувальної рідини виділяється вільний газ, який, розширюючись, здійснює додаткову роботу по підйому рідини зі свердловини. В цілому, застосування диспергатора сприяє покращенню умов роботи насоса, підвищенню стабільності його характеристик і збільшенню економічності всієї установки заглибного відцентрового насоса.

У місці підвішування насоса в зборі з диспергатором, протектором, електродвигуном і компенсатором кривизна стовбура свердловини не більше 3' на 10 м і кут відхилення свердловини від вертикалі не більше 40°.

Крім вказаних вище, ВАТ «Борець» випускає модулі газосепаратори-диспергатори МНГДБ5, призначені для зниження вмісту газу в пластовій рідині і її перетворення в

Умови експлуатації

Водневий показник…………………..................6,0 - 8,5 рН

Концентрація твердих частинок

у пластовій рідині ........................................................0,5 г/л

Мікротвердість частинок за шкалою

Мооса.............................................................не більше 7 балів

Максимальний вміст вільного газу…............не більше 55 %

на вході в диспергатор

по об'єму

Допустимий темп набору кривизни стовбура

свердловини.................... …............….........не більше 2° на 10 м

 

однорідну газорідинну суміш перед подачею в насос. Газосепаратор-диспергатор МНГДБ5 встановлюється на вході насоса замість вхідного модуля. Максимальний допустимий вміст вільного газу на вході в газосепаратор-диспергатор при максимальній подачі — 68 % по об'єму.

Газосепаратор-диспергатор розділяє рідину пласта на дві фази: рідинну і газову. Газ виділяється в затрубний простір, а пластова рідина перетворюється в однорідну газорідинну суміш і подається на вхід насоса.

9.3 Газосепаратори фірми Сentrilift

 

Залежно від газовмісту на прийомі насоса фірма рекомендує і поставляє газосепаратори гравітаційного типу — для газозмісту до 10 % і газосепаратори відцентрові (при великих значеннях газовмісту).

Відцентровий газосепаратор складається з ротора гвинтового типу, направляючого апарату, камери сепарації у вигляді циліндрового барабана з радіальними лопатями і зовнішнім бандажем, камери відведення вільного газу в затрубний простір і відведення газовмісної суміші в першу ступінь відведення (рис. 9.2) .

За даними фірми відцентровий газосепаратор забезпечує

 

відділення до 90 % вільного газу.

За результатами досліджень фірми виявлено, що наявність зовнішнього бандажа у радіальних лопаток циліндрового барабана підвищує коефіцієнт сепарації вільного газу і оберігає корпус газосепаратора від абразивного і ерозійного зносу у відкачуваній рідині.

 

 

1-основа; 2-втулка підшипника; 3-ротор гвинтового типу; 4-вал; 5-направляючий апарат; 6-осьове робоче колесо; 7-сепараційна камера; 8-корпус; 9-перехідник; 10-корпус підшипника; 11-головка

Рисунок 9.2 - Відцентровий газосепаратор фірми Centrilift

 

9.4 Газосепаратори і диспергатори фірми REDA

 

Для відкачування зі свердловин нафтової продукції, що являє собою ГРС, установками заглибних відцентрових насосів фірма REDA пропонує різні конструкції пристроїв, основними з яких є:

1) відцентрові газосепаратори;

2) вихрові газосепаратори;

3) сепаратори з протитечією (гравітаційний);

4) конічна схема насоса;

5) диспергатори.

Для випадків з великим газовим вмістом (60 %) на прийомі фірма пропонує відцентрові (рис. 9.3) і вихрові

(рис. 9.4) газосепаратори. За даними фірми, відцентровий газосепаратор видаляє з ГРС до 90 % вільного газу .

Слід відзначити високий напір, що розвивається відцентровим сепаратором фірми REDA, і незначний вплив величини газового змісту на напірну характеристику газосепаратора.

 

Рисунок 9.3 - Відцентровий газосепаратор фірми REDA

 

Рисунок 9.4 - Вихровий газосепаратор фірми REDA

Вихровий газосепаратор VGS (Vortex Gas Separator) володіє високою сепараційною характеристикою за рахунок створення після робочого колеса вільної проточної частини достатнього поперечного перерізу і протяжності. Газосепаратор відрізняється підвищеною надійністю завдяки зниженню вібрації за рахунок встановлення трьох зносостійких керамічних радіальних підшипників і зменшенню відстані між ними. Зниження вібрації газосепаратора досягається також за рахунок зменшення маси еталей, що обертаються, розмаху лопатевого ротора і зниження споживаної потужності.

Принципово інший метод підвищення ефективності роботи ЕВН з великим газовмістом на вході в пакет ступеней реалізований фірмою REDA встановленням вузла диспергатора AGH (Advansed Gas Handling), призначеного подрібнювати (диспергувати) бульбашки вільного газу і доводити ГРС до квазігомогенного стану (рис. 9.5).

Рисунок 9.5 - Диспергатор AGH фірми REDA

 

Залежно від величини газозмісту на прийомі насоса диспергатор AGH може застосовуватися із стандартним модулем і газосепаратором.

Контрольні запитання

 

1 Які ускладнення можуть виникати при роботі УЕВН при наявності у пластовій рідині газу?

2 Назвіть основні способи і засоби захисту ЕВН від впливу вільного газу на його роботу.

3 Поясніть принцип дії газосепаратора МН-ГСЛ5.

4 В чому полягає особливість конструкцій газосепара- торів фірми РЕДА?

 

 

.

Перелік використаних та рекомендованих джерел

 

1оАбдулаев Ю.Г., Велиев Т.К., Джафаров Ш.Т. Монтаж, эксплуатация и ремонт оборудования фонтанных и нагнетательных скважин. - М.: Недра, 1989. – 246 с.

2оБеззубов А.В., Шелкалин Ю.В. Насосы для добычи нефти. - М.: Недра, 1986. – 224 с.

3 Вайсберг Г.Л., Римчук Д.В. Фонтанна безпека: Запитання. Відповіді. – Харків, 2002, - 474 с.

4оГОСТ 13846-89. Арматура фонтанная и нагнетательная. Типовые схемы и основные параметры.

5 ГОСТ 28919-91. Фланцевые соединения устьевого оборудования.

6 ГОСТ 633 – 80. Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия.

7 ДНАОП 1.1.21-1.20-03 Правила безпеки у нафтогазо-видобувній промисловості України.

8оДовідник з нафтогазової справи / За заг. ред. докторів наук В.С.Бойка, Р.М.Кондрата, Р.С.Яремійчука. - К.: Львів, 1996. – 620 с.

9оИвановский В.Н., Дарищев В.И., Сабиров А.А., Каштанов В.С., Пекин С.С. Оборудование для добычи нефти и газа: В 2 ч. – М: ГПУ Изд-во “Нефть и газ” РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. – Ч. 1 – 768 с.

10 Зайцев Ю.В., Максутов Р.А. Чубанова О.В. и др. Теория и практика газліфта. – М.: Недра, 1987. 256 с.

и др..

11 Костриба І. В., Шостаківський І.І.Випробування бурового і нафтогазопромислового обладнання. Методичні вказівки для вивчення дисципліни. – Івано-Франківськ.: Факел, 2007. – 76 с.

12 Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти: Учебное пособие для вузов. – М.:ФГУП изд «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. Губкина, 2003. – 816 с.

13оМолчанов Г.В., Молчанов А.Г. Машины и обору-дование для добычи нефти и газа. - М.: Недра, 1984. - 464 с.

14оНефтепромысловое оборудование. Справочник/ Под редакцией Е.И. Бухаленко. - М.: Недра, 1990. – 559 с.

15 Сароян А.Е., Субботин М.А. Эксплуатация колонн насосно-компрессорных труб. – М.: Недра, 1985.

16 Справочное руководство по газлифтному способу эксплуатации скважин / Под ред. Ю.В. Зайцева,

Р.А. Максутова, О.В. Чубанова и др.. – М.: Недра, 1984. – 360 с.

17 Трубы нефтяного сортамента / Под. Ред. А.Е.Сарояна. – М.: Недра, 1987. - 488 с.

18 Федорович Я.Т., Джус А.П.Машини та обладнання для видобутку нафти і газу. Практикум – Івано-Франківськ.: Факел, 2009. – 133 с.

19оЧичеров Л.Г. Нефтепромысловые машины и механизмы. - М.: Недра, 1983. -342 с.

20оЧичеров Л.Г. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования. - М.: Недра, 1987. –

416 с.

21 Шульга В.Г., Бухаленко Е.И. Устьевое оборудование нефтяных и газовых скважин. Справочная книга. – М.: Недра, 1978. – 235 с.