2. Пневмокомпенсаторы.

Пневмокомпенсаторы служат для выравнивания пульсаций давления, вызываемых колебаниями подачи жидкости из-за неравномерной скорости поршней в насосах.

Пневмокомпенсатор представляет собой закрытый сосуд, заполняемый сжатым воздухом либо азотом. При подаче жидкости объем газа в нем уменьшается и в результате этого начальное давление газа возрастает до рабочего давления насоса. При работе насоса объем газа в пневмокомпенсаторе периодически изменяется в пределах изменения подачи насоса за один двойной ход.

Колебание давления газа характеризуется коэффициентом неравномерности давления, значения которого при изотермическом изменении состояния газа определяются из выражения

_р = V*Р_ср / V_о*Р_о , (1)

где: V - изменение объема газа вследствие неравномерной подачи насоса за один двойной ход; Р_ср — среднее давление газа при работе насоса; V_о— объем газа при начальном давлении; Р_о — давление предварительно закачиваемого газа, принимаемое за начальное.

При работе насоса начальный объем газа в пневмокомпенсаторе изменяется обратно пропорционально давлению: V_o * Р_о = V_min * P_max ⁼ V_max P_min = V_cp * Р_cp,

где: V_min и V_max — объемы газа при периодическом изменении рабочего давления от Р_mах до Р_min;

V_cp — средний объем газа при работе насоса;

Р_ср — среднее рабочее давление насоса.

Изменение объема газа в пневмокомпенсаторе

V = V_max – V_min = q

где: q — изменение подачи насоса за один двойной ход.

Отношение V/V₀ в процессе работы насоса в заданном режиме остается постоянной величиной. Из этого следует, что, согласно формуле (1), неравномерность давления пневмокомпенсатора можно регулировать давлением закачиваемого газа, определяющим энергоемкость пневмокомпенсатора: u = V_oP_o .

В зависимости от предельных давлений, определяемых мощностью и подачей насоса, начальное давление в, пневмокомпенсаторе устанавливается в диапазоне:

0,25 Р’ < Р_о < 0,8 Р”, где Р’ и Р” — предельное давление соответственно при минимальной (наименьшем диаметре сменных втулок) и максимальной (наибольшем диаметре сменных втулок) подаче.

Для предохранения газа от утечек и растворения в прокачиваемой жидкости пневмокомпенсаторы снабжаются разделителем диафрагменного либо поршневого типа.

Диафрагменный компенсатор (рис. 4.1), 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 такелажирования 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 яри 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 д иафрагмы 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 сжа-тым газом. Пневмоком-пенсаторы 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 пневмокомпенсатора к фланцу 1 нагнетательного коллектора насоса.

Долговечность диафрагмы зависит от объемов газа и жидкости при работе насоса, определяемых отношением начального и рабочего давлений в пневмокомпенсаторе. При сравнительно небольших начальных давлениях плоскость перегиба под действием рабочих давлений смещается к верхним сечениям корпуса, имеющим по сравнению со средним сечением меньшую площадь. В результате этого увеличивается изгиб и амплитуда напряжений в деформированных сечениях диафрагмы, вызывающие снижение срока ее службы. При больших начальных давлениях плоскость перегиба смещается вниз и возникает опасность повреждения диафрагмы от соударений с днищем корпуса. Для устранения этого требуется своевременное регулирование начального давления.

В буровых насосах используются диафрагменные пневмокомпенсаторы ПК-70-250 и ПК-70-320, геометрические объемы которых равны 70 дм³, а предельные давления соответственно 25 и 32 МПа.

Поршневой пневмокомпенсатор (рис. 4.2) устанавливается на фланцах 1 и состоит из цилиндрического полого корпуса 3, втулки 12 и поршня 13. Корпус присоединяется к нагнетательному коллектору 2 через промежуточный фланцевый патрубок 17 и закрывается крышкой 10. Втулка 12 посредством наружного буртика крепится в кольцевых проточках сопрягаемых торцов корпуса и патрубка 17. Между втулкой и корпусом образуется кольцевая полость В, сообщающаяся с надпоршневой полостью Е втулки. Полости В и Е служат для закачки газа и герметизируются резиновыми кольцами 11, предохраняющими газ от наружных утечек через стыки в соединениях корпуса с крышкой 10 и патрубком 17.

Поршень 13 перемещается вдоль втулки и отделяет газовую полость пневмокомпенсатора от жидкости, поступающей в подпоршневую полость Д втулки 12 через буферное устройство.

Последнее служит для смягчения ударов поршня и состоит из штуцера 14 с центральным и боковыми проходными отверстиями, резинового амортизатора 15 и металлического кольца 18, удерживаемых в рабочем положении обоймой 16. Распределительный кран 6, бронированный шланг 4 и вентиль 9 служат для заполнения пневмокомпенсатора газом, начальное давление которого контролируется манометром 5.

Конструктивная емкость поршневого пневмокомпенсатора,

ограничиваемая практически приемлемыми размерами поршня и втулки, составляет 15 дм³. Для более эффективного гашения пульсаций на нагнетательном коллекторе 2 буровых насосов устанавливают три или четыре параллельно работающих поршневых пневмокомпенсатора. Разъемные детали его закрепляются резьбовыми шпильками. При срабатывании предохранительного клапана 7 жидкость направляется по п атрубку 8 в приемные емкости насоса.

Поршневые пневмокомпенсаторы менее чувствительны к перепадам давления в нагнетательной линии, так как долговечность поршня не зависит от его положения в цилиндровой втулке. По данным сравнительных испытаний, срок службы поршней больше, чем диафрагм. Энергоемкость поршневых пневмокомпенсаторов, определяющая степень неравномерности давления, повышается за счет более высоких начальных давлений и числа пневмокомпенсаторов, легко объединяемых в одну группу. Указанные преимущества поршневых пневмокомпенсаторов имеют важное значение при бурении глубоких скважин и давлениях промывочной жидкости, изменяющихся в широком диапазоне.

Недостаток поршневых пневмокомпенсаторов — наличие сил трения между поршнем и цилиндровой втулкой, что вызывает износ трущихся поверхностей и потерю давления. При значительной массе и больших ускорениях поршня возможны его колебания в упругой газовой полости, которые способны вызвать усталостные разрушения узлов и деталей пневмокомпенсатора. К недостаткам следует также отнести возможность утечки газа из-за промерзания манжет при длительных остановках насоса в зимнее время.