14.3 Пневмокомпенсатори

Пневмокомпенсатори служать для вирівнювання пульсацій тиску, які викликаються коливаннями подачі рідини через нерівномірну швидкість поршнів в насосах.

Пневмокомпенсатор являє собою закриту посудину, яка заповнена стисненим повітрям або азотом. При подачі рідини об'єм газу в ній зменшується і в результаті цього початковий тиск газу зростає до робочого тиску насоса. При роботі насоса об'єм газу в пневмокомпенсаторі періодично змінюється в межах зміни подачі насоса за один подвійний хід.

Коливання тиску газу характеризуються коефіцієнтом нерівномірності тиску, значення якого при ізотермічній зміні стану газу визначаються із виразу

(14.1)

де — зміна об'єму газу внаслідок нерівномірної подачі насоса за один подвійний хід;

— середній тиск газу при роботі насоса;

— об'єм газу при початковому тиску;

— тиск газу, який закачується попередньо, приймається за початковий.

При роботі насоса початковий об'єм газу у пневмокомпенсаторі змінюється зворотно пропорційно тиску:

де і — об'єми газу при періодичній зміні робочого тиску від до ;

— середній об'єм газу при роботі насоса;

— середній робочий тиск насоса.

Зміна об'єму газу в пневмокомпенсаторі

де — зміна подачі насоса за один подвійний хід.

Відношення в процесі роботи насоса в заданому режимі залишається змінною величиною. З цього випливає, що, згідно формули (14.1), нерівномірність тиску пневмокомпенсатора можна регулювати тиском закачуючого газу, що визначає енергоємність пневмокомпенсатора: .

Залежно від граничних відхилень, що визначаються потужністю і подачею насоса, початковий тиск в пневмокомпенсаторі встановлюється в діапазоні: 0,25 , де і — граничний тиск відповідно при мінімальній (найменшому діаметрі змінних втулок) і максимальній (найбільшому діаметрі змінних втулок) подачі.

Тиск в пневмокомпенсаторі стабілізується в міру наближення початкового тиску газу до робочого тиску насоса. При цьому досягається максимально можливе вирівнювання пульсацій тиску і швидкості рідини, що нагнітається в бурильну колону.

Для запобігання газу від утічок і розчинення в прокачуваній рідині пневмокомпенсатори оснащуються розподілювачем діафрагмового або поршневого типу.

Діафрагмовий компенсатор (рис. 14.15), що широко використовується у вітчизняній та зарубіжній практиці буріння, складається з товстостінного сферичного корпуса 9, кришки 5, штуцера 2, та еластичної діафрагми 7. Корпус виготовляється з сталевого литва і після механічної обробки має гладку внутрішню поверхню. Для отакелажування при монтажі і ремонті корпус оснащується провушинами. При однаковій енергоємності сферична форма його у порівнянні з циліндричною надає пневмокомпенсатору компактність, при цьому маса його зменшується.

Діафрагма 7, яка відокремлює верхню газову порожнину від рідини, яка поступає через штуцер, має сферичну форму з горловиною, яка ущільнена в розточках корпуса і кришки 5. Кришка затягується шпильками, які загвинчені в корпус. Діафрагма виготовляється з прогумованої тканини і при повній розрядці пневмокомпенсатора плавно прилягає до внутрішньої його поверхні. Утворення складок і деформування діафрагми при цьому небажані внаслідок можливої втрати еластичності, особливо в умовах низької температури.

Отвір Б пневмокомпенсатора перекривається конусним потовщенням діафрагми. Металічна шайба 8 і диск 6 з прогумованої тканини усувають можливість витискання діафрагми в отвір штуцера 2 і сприяє щільному приляганню конуса діафрагми до штуцера при витісненні рідини з пневмокомпенсатора під час зупинок насоса. На кришці встановлений кутовий вентиль 3 для зарядки пневмокомпенсатора стиснутим газом. Пневмокомпенсатори заряджаються повітрям, яке нагнітається компресором високого тиску або азотом, який доставляється в балонах.

Рисунок 14.15 — Сферичний компенсатор

Тиск газу контролюється манометром 4, оснащений вентилем. Манометр вмикається з допомогою вентиля перед запуском насоса для контролю початкового тиску в пневмокамері. При роботі насоса вентиль закривається, тому манометр запобігається від передчасних поломок, які викликає пульсуючий тиск в пневмокамері. З насоса рідина поступає в пневмокомпенсатор через штуцер 2, який затягнутий шпильками 10, які одночасно служать для кріплення пневмокомпенсатора до фланця 1 нагнітального колектора насоса.

Довговічність діафрагми залежить від об'ємів газу і рідини при роботі насоса, які визначаються відношенням початкового і робочого тисків в пневмокомпенсаторі. При порівняно невеликих початкових тисках площина перегину під дією робочих тисків зміщується до верхніх перерізів корпуса, які мають в порівнянні з середнім перерізом меншу площу. В результаті цього збільшується згин і амплітуда напружень у деформованих перерізах діафрагми, які викликають зниження строку її служби. При більших початкових тисках площина перегину зміщується вниз і виникає небезпечність пошкодження діафрагми від співудару з днищем корпуса. Для усунення цього вимагається своєчасне регулювання початкового тиску.

В бурових насосах використовуються діафрагмові пневмокомпенсатори ПК-70-250 і ПК-70-320, геометричні об'єми яких рівні 70 дм³, а граничні тиски відповідно 25 і 32 МПа.

Поршневий пневмокомпенсатор (рис. 14.16.) встановлюється на фланцях 1 і складається з циліндричного пустотілого корпуса 3, втулки 12 і поршня 13. Корпус приєднується до нагнітального колектора 2 через проміжний фланцевий патрубок 17 і закривається кришкою 10. Втулка 12 з допомогою зовнішнього бортика кріпиться в кільцевих проточках спряжених торців корпуса і патрубка 17. Між втулкою і корпусом утворюється кільцева порожнина В, яка сполучена з надпоршневою порожниною Е втулки. Порожнини В і Е служать для закачування газу і герметизуються гумовими кільцями 11, що запобігають газ від зовнішніх утічок через стики в з'єднаннях корпуса з кришкою 10 і патрубком 17.

Поршень 13 переміщується вздовж втулки і відділяє газову порожнину пневмокомпенсатора від рідини, що поступає в підпоршневу порожнину Д втулки 12 через буферний пристрій. Останній служить для пом'якшення ударів поршня і складається з штуцера 14 з центральним і боковими прохідними отворами, гумового амортизатора 15 і металічного кільця 18, що утримуються в робочому положенні обоймою 16. Розподільчий кран 6, броньований шланг 4 і вентиль 9 служать для заповнення пневмокомпенсатора газом, початковий тиск якого контролюється манометром 5.

Рисунок 14.16 — Пневматичний поршневий компенсатор

Конструктивна ємність поршневого пневмокомпенсатора, обмежена практично прийнятними розмірами поршня і втулки, складає 15 дм. Для більш ефективного гасіння пульсацій на нагнітальному колекторі 2 бурових насосів встановлюють три або чотири паралельно працюючих поршневих пневмокомпенсатора. Роз'ємні деталі його закріпляються різьбовими шпильками. При спрацьовуванні запобіжного клапана 7 рідина напрямляється по патрубку 8 в приймальні ємності насоса.

Поршневі пневмокомпенсатори менш чутливі до перепадів тиску в нагнітальній лінії, так як довговічність поршня не залежить від його положення в циліндровій втулці. По даних порівняльних випробувань, термін служби поршнів більший ніж в діафрагм. Енергоємність поршневих пневмокомпенсаторів, що визначає степінь нерівномірності тиску, підвищується за рахунок більш високих початкових тисків і числа пневмокомпенсаторів, що легко об’єднуються в одну групу. Вказані переваги поршневих пневмокомпенсаторів мають важливе значення при бурінні глибоких свердловин і тисках промивної рідини, що змінюються в широкому діапазоні.

Недолік поршневих пневмокомпенсаторів — наявність сил тертя між поршнем і циліндровою втулкою, що викликає зношення поверхонь, що труться і втрату тиску. При значній масі і великих прискореннях поршня можливі його коливання в пружній газовій порожнині, які здатні викликати втомні руйнування вузлів і деталей пневмокомпенсатора. До недоліків слід також віднести можливість утічки газу із-за промерзання манжет при тривалих зупинках насоса в зимовий час.