2) Двухцилиндровые буровые насосы двойного действия. Основные технические параметры. Конструкция гидравлической части. Неисправности в процессе эксплуатации.

Ответ:

Буровой насос УНБ-600 (У86МА2) предназначен для подачи промывочной жидкости на забой при бурении скважин глубиной до 5000 м. При роторном бурении промывочная жидкость подается буровой насосом УНБ-600 через колонну бурильных труб на забой скважин для охлаждения и выноса разрушенной долотом горной породы, а также для передачи энергии потока турбобуру и связанному с ним долоту. В качестве промывочной жидкости применяется вода или глинистый раствор с наличием нефти, щелочи, соды и других компонентов.

Унб-600 – двухцилиндровый насос двойного действия. предназначен для подачи промывочной жидкости на забой при бурении скважин глубиной до 5000 м.

При роторном бурении насос УНБ 600 подает промывочную жидкость через колонну бурильных труб на забой скважин для охлаждения и выноса разрушенной долотом горной породы, а также для передачи энергии потока турбобуру и связанному с ним долоту. В качестве промывочной жидкости применяется вода или глинистый раствор с наличием нефти, щелочи, соды и других компонентов.

В Гидравлические блоки буровых насосов состоят из корпусных и сменных деталей. К корпусным деталям относятся гидрокоробки и их крышки, приемный и нагнетательный коллекторы, к смен­ным цилиндровые втулки и поршни, седло и тарель клапана, уплотнения неподвижных и подвижных соединений.

В двухпоршневом насосе гидравлический блок (рисунок 1) состоит из двух гидрокоробок 2, которые скрепляются со стани­ной 6 приводного блока шпильками 7. Сопряженные поверхности гидрокоробок и станины прилегают друг к другу без зазоров.

Гидроблоки представляют собой отливки из углеродистой стали с горизонтальными расточками для цилиндровой втулки 12 и вер­тикальными гнездами для нагнетательных клапанов 5. Через об­щую надклапанную полость 4 прокачиваемая жидкость из порш­невой и штоковой камер цилиндра направляется в нагнетатель­ный коллектор. Толщина стенок 30-40 мм, что необходимо для создания прочности и герметичности гидрокоробки. Конструктив­ные формы обеспечивают технологичность изготовления, удобство монтажа, осмотра и регулировки деталей и узлов насоса, разме­щенных в гидрокоробке. В двухпоршневых насосах различают левую и правую гидрокоробки, имеющие зеркально отображен­ные конструктивные формы.

Приемный 1 и нагнетательный 3 коллекторы имеют литую либо сварно-литую стальную конструкцию. Для снижения гид­равлических потерь и износа коллекторы имеют плавные пере­ходы, а диаметры проходных отверстий обеспечивают скорость потока жидкости до 6 м/с. На нагнетательный коллектор устанав­ливают предохранительный клапан, пневматический компенсатор и присоединяют нагнетательный патрубок манифольда. Прием­ный коллектор с всасывающими клапанами присоединяется к бо­ковым приливам гидрокоробки.

Шток бурового насоса состоит из двух частей: поршневой (собственно шток) и ползунной (надставка штока). На одном конце порш­невого штока имеется наружная резьба для соединения со штоком 10 ползуна и закрепления контргайкой 8. Противоположный конец снабжен конусом с буртиком для посадки поршня 13 и резьбой для затяжки конусного соединения с целью предотвращения утечек между стыкуемыми поверхностями. Конусное соединение облегчает разборку поршней при их замене.

Для соединения поршневой и ползунной частей штока исполь­зуется специальная цилиндроконическая либо метрическая резьба. Цилиндрический участок этой резьбы служит для стопорения со­единяемых штоков контрагайками. За присоединительной резьбой имеются шести - либо четырехгранники под гаечный ключ для за­винчивания и отвинчивания соединений штоков. Поршневой шток контактирует с промывочной жидкостью и подвергается абразив­ному износу, в результате чего имеет ограниченный срок службы. Ползунная часть штока изолируется от промывочной жидкости диском-отражателем 9 и из маслобензостойкой резины.

Составная конструкция штока позволяет сохранить его ползунную часть при замене изношенного поршневого штока. Для уда­ления абразива и снижения износа поршневой шток омывается и одновременно охлаждается проточной водой либо маслом, на­гнетаемым масляным насосом.

Шероховатость поверхностей штока должна быть не более R_a=1,25 мкм в ползунной части и не более R_a= 0,32 мкм в штоковой части. Для насосов мощностью 190-1180 кВт поверхность трения штока поршня подвергается хромированию. Твердость по­верхности штока должна быть не менее НRС 50 в ползунной части и НRС 60 в поршневой части. Глубина упрочненного слоя в слу­чае термообработки токами высокой частоты не менее 1,5 мм. Штоки изготовляют из сталей марок 40Х; 40ХН; 38ХШЮН; 12ХН4; 20ХНЗА.

Важное значение для повышения срока службы бурового на­соса имеет соосность сочленяемых деталей. Предельное отклоне­ние оси штока от оси поверхности посадки поршня и резьбы контргайки не должно превышать 0,15 мм. В этих же пределах должно быть отклонение осей штока и резьбы ползуна.

Цилиндровые втулки, неподвижно установленные в горизон­тальных расточках гидрокоробки, являются наиболее крупной по габаритам и металлоемкости сменной деталью буровых насосов. Конструктивное исполнение, длина, наружные и внутренние диа­метры их регламентируются отраслевыми стандартами. Цилинд­ровые втулки изготовляют из высокоуглеродистых и легирован­ных сталей. За рубежом их выполняют из хромистых чугунов и керамики. Внутренняя поверхность цилиндровых втулок упрочня­ется закалкой с нагревом токами высокой частоты, борированием, хромированием и другими химико-термическими методами.

Рисунок 2 - Узел крепления и уплотнения цилиндровой втулки

Наружная поверхность цилиндровых втулок - гладкая либо с кольцевым буртиком. В зависимости от формы изменяется спо­соб крепления и уплотнения их в гидрокоробке. Цилиндровая втулка 11, показанная на рисунке 2а, имеет гладкую наружную поверхность. В расточке гидрокоробки она крепится посредством распорных стаканов 12 и 7, снабженных окнами для прохода прокачиваемой жидкости. В наружный торец стакана 7 упира­ется крышка 4 поршневой полости гидрокоробки. Неподвижность втулки обеспечивается осевым натягом, создаваемым при за­тяжке шпилек 2, крепящих крышку к гидрокоробке.

Для уплотнения цилиндровой втулки в канавку гидрокоробки устанавливают манжеты 10, разделенные промежуточной метал­лической втулкой 9. Осевая затяжка уплотнений создается грундбуксой 5 и дистанционной втулкой 8 и регулируется болтами 3, ввинченными в крышку 4. Манжеты 6, расположенные между грундбуксой и дистанционной втулкой, служат для уплотнения крышки 4. При смене цилиндровой втулки и манжет крышка 4 выпрессовываётся с помощью болтов 1.

На рисунке 6 б цилиндровая втулка 10 наружным кольцевым буртиком упирается в заточку гндрокоробки, поэтому для креп­ления втулки используется один распорный стакан 11, располо­женный со стороны поршневой полости гидрокоробки. Осевая за­тяжка цилиндровой втулки регулируется гайкой 1, ввернутой во фланцевую втулку 14, которая шпильками 15 крепится к гидро­коробке. Усилие затяжки передается цилиндровой втулке посред­ством крышки 2, упорного кольца 5 и стакана 11.

Цилиндровая втулка уплотняется манжетами 6 и 8, которые устанавливаются между распорными кольцами 9 и разделяются промежуточной втулкой 7. Осевая затяжка уплотнений регули­руется винтом 3, ввинченным в крышку 2. Усилие затяжки пере­дается манжетом посредством втулки 12, в днище которой име­ются отверстия с перемычками, входящими в продольные пазы стакана 11. Поэтому обеспечиваются их относительная подвиж­ность и раздельная затяжка цилиндровой втулки и уплотнении.

Использование гайки 1 и винта 3 вместо шпилек 2 и болтов 3, как показано на рисунке 6 а, позволяет более равномерно и бы­стро затягивать цилиндровую втулку и ее уплотнения. Для уплот­нения поршневой полости гидрокоробки кроме манжета 4 имеется дополнительная манжета 13, используемая для уплотнения зазора между крышкой 2 и винтом 3. Уплотнение цилиндровой втулки контролируется по появлению утечек прокачиваемой жидкости че­рез дренажные отверстия в гидрокоробке, сообщающиеся с коль­цевыми выточками втулки 7.

Для уплотнения штока (рисунок 3а) используются шеврон­ные манжеты, собираемые в пакет. Число манжет в уплотнительном пакете обычно не превышает четырех и выбирается с учетом давления насоса, диаметра штока, а также конструктивных раз­меров уплотнительного узла. Манжеты 12 надеваются с натягом на шток 14 и втулку 1, служащую одновременно опорой цилинд­ровой втулки. Для этого втулка 1 снабжена фланцем и устанав­ливается в гидрокоробку с внутренней стороны ее горизонтальной расточки. Благодаря плотной посадке и упругости манжет обес­печивается герметичность соединения при низких давлениях в штоковой полости насоса.

Для улучшения начального контакта с уплотняемыми поверх­ностями манжеты помещаются между фасонными опорными 13 и распорным 10 кольцами (манжетодержателями), изготовленными соответственно из резины и капрона. Скосы манжет поджимаются к уплотняемой поверхности конической частью распорного кольца 10. Опорное кольцо 13 сажается с минимальными радиальными зазорами (0,05-0,08 мм) для предохранения манжеты от затя­гивания в зазор. Затяжка манжет регулируется гайкой 7, навин­ченной на втулку 1. Усилие затяжки передается манжетам по­средством грундбуксы 6 и нажимных капроновых втулок 9. Непо­движное соединение втулки 1 и гидрокоробки 8 герметизируется манжетным уплотнением, состоящим из распорного кольца 2, манжеты 3 и опорного кольца 4. Затяжка уплотнения осуществля­ется нажимной втулкой 11 и гайкой 5.

Рисунок 3 - Уплотнение штока

Уплотнение штока, показанное на рисунке 3 б, используется в гидрокоробках с односторонней торцовой опорой цилиндровойвтулки. В рассматриваемой конструкции втулка 1 используется лишь в качестве корпуса манжетных уплотнений и отличается тем, что для соединении с гидрокоробкой снабжается наружным фланцем. Манжета 7 и уплотнение штока 6 затягивается с по­мощью грундбуксы 4 и накидной гайки 5. Неподвижное соедине­ние фланцевой втулки и гидрокоробки герметизируется манжетой 2, затяжка которой регулируется крепежными шпильками 3. Ука­занные конструктивные отличия позволяют облегчить смену изно­шенных уплотнений штока.

Всасывающий и нагнетательный клапаны бурового насоса взаимозаменяемы и состоят (рисунке 4) - из седла 1 тарели 4, образующих вместе с пружиной 11, крышкой 5 и упорным вин­том 9 клапанную коробку.

Седла клапанов штампуются из хромокремнистой или хроми­стой стали, закаленной на твердость НRС 50-56. В гидрокоробке 15 растачиваются гнезда для посадки седел. Стыкуемые поверх­ности гнезда и седла клапана имеют конусность 1:5, обеспечи­вающую разборку соединения при замене изношенных седел. Для надежного уплотнения стыка посадочные пояски седел и их гнезд в гидрокоробке обрабатываются по 2-му классу точности и имеют шероховатость не более R_a=1,25 мкм.Наружную поверхность седла клапана и внутреннюю поверх­ность гнезда в гидрокоробке контролируют парными калибрами. Прилегание указанных поверхностей к калибру при контроле на краску с толщиной слоя до 5 мкм должно быть по сплошному кольцу шириной не менее 20 % длины образующей седла клапана. Нарушение этих требований приводит к промывке стыкуемых по­верхностей прокачиваемой жидкостью и выводу из строя седла клапана и дорогостоящей гидрокоробки. К недостаткам рассма­триваемого соединения типа металл по металлу относятся труд­ности разборки, возможность повреждения посадочных поверхно­стей при выпрессовке седел; склонность к контактной коррозии и понижение усталостной прочности соединяемых деталей вслед­ствие концентрации напряжений.

Во внутренней расточке седла установлена крестовина 13 с резиновой втулкой 14 для нижнего направляющего штока та­рели. Крестовина не воспринимает осевой нагрузки от тарели и удерживается в седле пружинным кольцом 12. Седло снабжено внутренним конусом для посадки тарели. Уплотнение клапана обеспечивается резиновой манжетой 3. Манжета выступает относительно внутреннего посадочного конуса седла, в связи, с чем улучшается герметизация клапана, смягчаются удары при его работе, что способствует повышению срока службы седла и тарели клапана. Металлическая обойма 2 предохраняет манжету от развала.

Рисунок 4 - Клапанная коробка Рисунок 5

Седла и тарели клапана имеют угол конуса 45° либо 60°, ше­роховатость поверхности посадочных поясков не грубее R_a= 1,25 мкм и твердость не менее НRС 48-50. Клапанное отвер­стие гидрокоробки закрывается крышкой 8, снабженной ручкой. Крышка герметизируется манжетой 7, установленной в расточке гидрокоробки. Уплотнение затягивается упорным винтом 9, на­вернутым на фланец 10 гидрокоробки. Герметичность уплотнения контролируется по появлению утечек через контрольное отверстие а в гидрокоробке. В случае повреждения резьбы фланец заме­няют новым и поэтому сохраняется более дорогая гидрокоробка.

Винт 9 снабжен упорной резьбой крупного шага, обычно при­меняемой при больших односторонних осевых нагрузках. Дно крышки имеет прилив, в расточке которого установлена резино­вая втулка 6 для верхнего направляющего штока тарели. Витая пружина 11, установленная между крышкой и тарелью, обеспе­чивает нормально закрытое положение клапана и своевременную посадку тарели при работе насоса. Начальная (установочная) на­грузка пружины примерно в 10 раз превышает вес тарели кла­пана.

Высота подъема клапана зависит от плотности и газонасы­щенности промывочной жидкости, от подачи насоса и ограничивается глубиной расточки для верхнего направляющего штока 5 тарели в крышке клапана.

В буровых насосах используются клапанные устройства, от­личающиеся от рассмотренных конструкцией седел, тарелей и уплотняющих элементов. На рисунке 5 показан клапан, в кото­ром уплотнительное резиновое кольцо 2 установлено на тарели 1 и закреплено гайкой 3. Тарель садится на крестовину 5, выпол­ненную за одно целое с седлом 4. Соединение седла и крестовины в единую деталь позволяет значительно увеличить проходное от­верстие клапана и благодаря этому снизить гидравлические со­противления и улучшить условия всасывания и нагнетания про­мывочной жидкости.

Важный резерв повышения долговечности и экономичности клапанов буровых насосов - выбор наиболее эффективных мате­риалов и способов упрочнения деталей, входящих в клапанный узел. ВНИИнефтемаш рекомендует седла клапанов изготовлять из сталей марок 38ХС либо 40Х, а тарели из стали марки 40Х взамен более дорогих и дефицитных хромоникелемолибденовых сталей. Установлено, что по сравнению с объемной закалкой бо­лее эффективно упрочнение поверхностей седла и тарели поверх­ностной закалкой токами высокой частоты. Уплотнение и направ­ляющие втулки клапанов изготовляют из маслобензиностойкой резины ИРП 1293.

Поршень плотно перекрывает отверстие цилиндровой втулки и, перемещаясь по направлению ее оси, сообщает прокачиваемой жидкости избыточное давление. Поршни буровых насосов имеют резинометаллическую конструкцию (рисунок 6) и состоят из стального сердечника 1 и резиновых самоуплотняющихся ман­жет 2. Две манжеты с воротниками, направленными в противо­положные стороны, обеспечивают двустороннее уплотнение поршня в цилиндровой втулке. Сердечники снабжены конусным (а, в, г, д) либо цилиндрическим (б, е) отверстием для соедине­ния поршня со штоком. Наружная часть сердечника имеет коль­цевые канавки и выступы, обеспечивающие прочное соединение с привулканизированными резиновыми манжетами.

В поршнях с механическим соединением манжет (рисунок 6, в, г, д) сердечники имеют более простую форму. Манжеты 2 наде­ваются на ступицу сердечника 1 и закрепляются металлическими шайбами 4 и разрезными пружинными кольцами 5. Для облег­чения сборки манжет ступицы имеют заходные фаски. В некото­рых конструкциях (рисунке 6 в, д, е) затылочная часть резино­вой манжеты упирается в износостойкую и более жесткую пласт­массовую прокладку 3.

Рисунок 6 - Поршни буровых насосов двухстороннего действия

Диафрагменный компенсатор (рисунок 7), широко исполь­зуемый в отечественной и зарубежной практике бурения, состоит из толстостенного сферического корпуса 9, крышки 5, штуцера 2 и эластичной диафрагмы 7. Корпус изготовляется из стального литья и после механической обработки имеет гладкую внутрен­нюю поверхность. Для захвата при монтаже и ремонте корпус снабжается проушинами. При одинаковой энергоемкости сферическая форма его по сравнению с цилиндрической придает пневмокомпенсатору компактность, при этом масса его меньше.

Диафрагма 7, отделяющая, верхнюю газовую полость от жид­кости, поступающей через штуцер, имеет сферическую форму с горловиной, уплотняемой в проточках корпуса и крышки 5. Крышка затягивается шпильками, ввернутыми в корпус. Диа­фрагма изготовляется из прорезиненной ткани и при полной раз­рядке пневмокомпенсатора плавно прилегает к внутренней его поверхности. Образование складок и деформирование диафрагмы при этом нежелательны вследствие возможной потери эластич­ности, особенно в условиях низкой температуры.

Отверстие Б пневмокомпенсатора перекрывается конусным утолщением диафрагмы. Металлическая шайба 8 и диск 6 из прорезиненной ткани устраняют возможность выдавливания диа­фрагмы в отверстие штуцера 2 и способствуют плотному приле­ганию конуса диафрагмы к штуцеру при вытеснении жидкости из пневмокомпенсатора во время остановок насоса. На крышке уста­новлен угловой вентиль 3 для зарядки пневмокомпенсатора сжа­тым газом. Пневмокомпенсаторы заряжаются воздухом, нагнетаемым компрессором высокого давления либо азотом, доставляемым в баллонах.

Давление газа контролируется манометром 4, снабженным вентилем. Манометр включается с помощью вентиля перед пуском насоса для контроля начального давления в пневмокамере. При работе насоса вентиль закрывается, поэтому манометр пре­дохраняется от преждевременных поломок, вызываемых пульсацией давления в пневмокамере. Из насоса жидкость поступает в пневмокомпенсатор через штуцер 2, затягиваемый шпильками 10, которые одновременно служат для крепления пневмокомпен-сатора к фланцу 1 нагнетательного коллектора насоса.

В буровых насосах применяются пневмокомпенсаторы с объёмом 70 литров

Рисунок 7 - Сферический компенсатор

Возможные неисправности	Причины
Насос при пуске не подаёт жидкость	Закрыта задвижка на всасывании, большая высоста всасывания, подсос воздуха через неплотности на всасывающей линии.
Уменьшилась производительность насоса	Подсосы воздуха, неисправность клапанов, неправильная установка стаканов клапанов,
Уменьшение давления	Неисправность деталей клапанного узла, засорение фильтра на всасывании, износ поршней, негерметичность уплотнений штока
Стуки в гидравлической части	Ослабление посадки поршней на штоках, ослабление крепления цилиндровой втулки, ослабление соединение штока и контрштока, поломка пружин клапанов, наличие воздуха в рабочих камерах
Появление жидкости через контрольные отверстия гидрокоробок	Промыв конусных поверхностей сёдел, нарушены уплотнения цилиндровых втулок
Резкие перепады давления на нагнетании	Низкое давление или отсутствие давления газа в пневмокомпенсаторе, разрыв диафрагмы
Чрезмерный нагрев крейцкопфного узла	Слабое поступление масла на трущиеся поверхности, установка насоса с уклоном, большая вязкость масла
Повышенный нагрев подшипников приводной части	Недостаток смазки, неправильная регулировка подшипников или их износ и загрязнённость
Биение приводного шкива	Ослабление посадки шкива
Удары в приводной части	Ослабление крепления конусных пальцев крейцкопфов, износ шатунных или коренных подшипников