Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Разработка узла самоустанавливающегося плунжера со штоком для насосов высокого давления сервиса нефтегазовых скважин
НТТМ-2017-0256 | Категория II

Автор:

Гусенко Владислав Алексеевич

Научный руководитель:
Корчагина Марина Валерьевна
Организация:
Донской государственный технический университет,
Ростовская область, Ростов-на-Дону
Цель работы
Проект посвящен разработке узла самоустанавливающегося плунжера со штоком для насосов высокого давления сервиса нефтегазовых скважин.
Актуальность проекта обусловлена тем что плунжерный насос сложный механизм, требующий регулярного технического обслуживания, что приводит к большим эксплуатационным затратам. Одним из часто выходящих из строя элементов конструкции насоса, является плунжер с уплотнением в гидравлической части. Важными показателями эффективности насосов является снижение эксплуатационных затрат за счет их долговечности. На недолговечность плунжеров влияет неточность их установки в гидравлической части, которая связана с погрешностью соединения механической части с гидроблоком, малейшие отклонения приводят к преждевременному износу деталей.Целью проекта является разработка конструкции узла самоустанавливающегося плунжера со штоком. В существующих насосах задача компенсации указанных погрешностей решена не в полной мере.Предложенное конструктивное решение обеспечивает возможность компенсации неточностей изготовления и сборки за счет узла крепления. Повышает работоспособность узла самоустанавливающегося плунжера со штоком, уменьшает износ деталей плунжера, снижает напряжения штока, что в целом увеличивает надежность и долговечность, за счет чего снижаются эксплуатационные затраты, тем самым улучшаются показатели эффективности насосов высокого давления сервиса нефтегазовых скважин
Обзор предметной области
В существующих насосах в мире проблема решена не в полной мере. Например в насосах осуществляются соединения плунжера со штоком посредством:
А) Тяги; Б) Хомута.
А) Соединения с помощью тяги (стяжного стержня, шомпола) снижают радиальные нагрузки на плунжер и обеспечивают возможность компенсировать несоосность межу плунжером в гидроблоке и приводной части.
Недостатками соединений с помощью тяги являются следующее: возможность повреждения резьбовой пары, наличие деформации тяги. Указанные дефекты приводят к снижению долговечности плунжера, и соответственно преждевременному выходу из строя насоса
Б)Шток приводной части соединён с плунжером насоса посредством хомута.
К недостаткам соединения с помощью хомута относится беззазорное соединение между плунжером и штоком без возможности изменения их расположения относительно друг друга в процессе сборки, а так же отсутствие компенсации в случае несоосности штока приводной и гидравлической части, как в радиальном, так и угловом направлении. Это приводит к возможности преждевременного износа деталей, вследствие чего появляется необходимость в дополнительной химико-термической обработке.
Для устранения отмеченных выше недостатков существующих плунжерных насосов высокого давления сервиса нефтегазовых скважин предлагается конструкция узла самоустанавливающегося плунжера со штоком.
Описание результатов проекта
Основная часть работы посвящена разработке узла самоустанавливающегося плунжера со штоком, оптимизации его формы и размеров сопрягаемых элементов, а также геометрическому расчету перемещения гильзы плунжера для насосов высокого давления сервиса нефтегазовых скважин, спроектированного по патенту № 2016102010/06 - самоустанавливающийся сборный плунжер. В работе представлено описание указанной конструкции узла самоустанавливающегося плунжера со штоком, показаны ее преимущества по сравнению с существующими насосами. Поставленная задача выполнена, на основе анализа напряженно-деформированного состояния деталей узла при рабочем давлении насоса 105 МПа. Проведенные расчеты показали, что сопрягаемые детали узла крепления плунжера со штоком насоса самоустанавливающегося плунжера отвечают прочностным условиям контактных и нормальных напряжений. Одновременно выполнена проверка соответствия выбранного сечения гильзы плунжера условиям ее работы в пределах упругих деформаций. Узел позволяет компенсировать несоосоность между плунжером и штоком за счет – соответствующего перемещения гильзы г совместно с торцевой крышкой и шайбой относительно задней крышки. Геометрический расчет показал, что поперечное перемещение в допустимы пределах и при значении допустимого угла, компенсируется перемещением гильзы плунжера, которое не превышает предельных значений. Это подтверждает что конструкция самоустанавливающегося сборочного плунжера исключает опасности, вызванные неправильной сборкой насоса, изготовления посадочных отверстий в блоках корпусов насоса.
А также был проведен проверочный прочностной расчет узла самоустанавливающегося плунжера со штоком, анализ результатов которого показал, что при заданных расчетных нагрузках эквивалентные напряжения, возникающие в элементах конструкции, не превышают предела текучести применяемых материалов, т.е. необходимая прочность обеспечивается, а максимальные прогибы, возникающие от нагрузок, не превосходят допустимый предел.Особенностью конструкции плунжера является, с присоединение к штоку приводной части насоса посредством узла крепления, включающего жестко прикрепленный к задней крышке плунжера фланец с отверстием, винт, ввинченный в шток, содержащий со стороны, обращенной к фланцу 7, полость в форме усеченного конуса с резьбовым отверстием на его дне. Одновременно наружная поверхность фланца, обращенная к штоку, содержит сферический участок, сопряженный с конической частью полости штока, а отверстие фланца является коническим. При этом, головка винта выполнена сферической, сопряженной с конической поверхностью в отверстии фланца.
Существенность отличий конструкции заключается в следующем:
а) форма и размеры деталей узла крепления обеспечивают сферическое движение фланца 7 плунжера относительно центра сферической головки винта 8 и соответственно взаимное сферическое движение плунжера и штока;
б) возможность выполнения конических поверхностей у штока 6 и фланца 7 с разными углами конусности расширяет технологические возможности, как при их изготовлении, так и сборке;
в) регулирующая прокладка 9 позволяет компенсировать неточности при изготовлении деталей узла крепления, обеспечивая взаимное сферическое движение плунжера и штока, и упрощает процесс сборки
В заключительной главе работы были сформулированы и изложены экономические преимущества от использования конструкции узла самоустанавливающегося плунжера со штоком для насосов высокого давления сервиса нефтегазовых скважин.
Описание применимости
Важными показателями эффективности насосов является снижение эксплуатационных затрат за счет их долговечности. На недолговечность плунжеров влияет неточность их установки в гидравлической части, которая связана с погрешностью соединения механической части с гидроблоком.
В существующих насосах задача компенсации указанных погрешностей решена не в полной мере. Проектируемая конструкция обеспечивает повышенный ресурс плунжера за счет обеспечения его самоустановливаемости и компенсации в результате этого осевых, радиальных и угловых неточностей в соединение со штоком.
Конструктивные методы повышения долговечности деталей машин, связанных с созданием рациональной конструкции. Предложенное конструктивное решение обеспечивает возможность компенсации неточностей изготовления и сборки деталей за счет узла крепления. А также повышает работоспособность узла, уменьшает износ деталей плунжера, снижает напряжения штока, что в целом увеличивает надежность и долговечность насоса высокого давления сервиса нефтегазовых скважин.
К технологическим методам повышения долговечности деталей машин относятся мероприятия по улучшению свойств материалов, применяемых в данной конструкции. Материалы для деталей узла крепления плунжера и штока. Материал плунжера, чашки и задней крышки принимаем 40ХН, штока 20ХН2М Дальнейшее повышение долговечности деталей машин при их изготовлении осуществляется путем применения различных методов термической и химико-термической обработки, а также покрытий термообработка: Улучшение +Закалка +ТВЧ Твердость 53...60 HRC. Материал штока термообработка: Улучшение+Цементация конической рабочей части +Закалка. Твердость 57...64НRC
Долговечность деталей определяется главным образом их прочностью, жесткостью и износостойкостью Конструкция проектируемого узла в целом работоспособна и может применяться в насосах высокого давления сервиса нефтегазовых скважин.
Дальнейшее развитие проекта
Насосы будут отличаться долговечностью быстротой обслуживания и ремонта. Так возможность выполнения конических поверхностей у штока и фланца с разными углами конусности расширяет технологические возможности, как при их изготовлении, так и сборке. Регулирующая прокладка позволяет компенсировать неточности при изготовлении деталей узла крепления, и упрощает процесс сборки. К примеру, замена плунжеров с уплотнительными элементами 30–40 минут. Интересны сравнительные данные, полученные по результатам эксплуатации буровых насосных установок с плунжерными насосами, связанные с материальными затратами на замену быстроизнашиваемых частей. В плунжерном насосе это плунжеры, пакеты уплотнений, клапаны. По данным независимых организаций БК «Евразия», «Анега-Бурение», «Башнефть-Геострой» затраты на бурение 1м составляют: при использовании трехплунжерных насосов СИН61 и СИН63 –82,56 - 200,24 руб.[6] С внедрением конструкции узла самоустанавливающегося плунжера со штоком, разница в затратах на 1м проходки возможно составит меньшее значении в пользу плунжерных насосов с конструкцией узла, а повышение стойкости сменных деталей позволяет бурить ствол протяженностью 1000-1500м без замены плунжеров, т.е. без остановки процесса бурения. У плунжерных насосов стойкость плунжеров при бурении составляет от 500 до 1000 моточасов, пакетов уплотнений и клапанов от 350 до 700 моточасов, в зависимости от режимов работы насоса и плотности буровых растворов. В нашем случае, у плунжерных насосах с конструкцией узла, стойкость плунжеров и пакетами уплотнений может составлять разницу в 1,5¬2 раза моточасов, что касаемо клапанов значение моточасов остается без измен Выводы. Таким образом, из всего вышесказанного следует, что плунжерные насосы с конструкцией узла самоустанавливающегося плунжера со штоком: -расширяют технологические возможности нефтегазодобывающего оборудования, работают при давлениях до 105 МПа с различными, в т.ч. агрессивными средами; -увеличивают ресурс работы техники; -упрощают эксплуатацию и обслуживание оборудования; -имеют большую удельную гидравлическую мощность и надежность. В итоге, увеличивается надежность и долговечность, вследствие чего снижаются эксплуатационные затраты, тем самым улучшаются показатели эффективности насосов высокого давления сервиса нефтегазовых скважин.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ