книги из ГПНТБ / Николич А.С. Поршневые буровые насосы

структивных элементов насоса, затратой времени на вытеснение жидкости из-под опускающегося на седло клапана, после полной посадки которого может начаться подъем другого клапана в той же насосной камере.

Горизонтальные участки кривых 6 и 7 определяют в масштабе записи время пребывания клапанов в закрытом состоянии. Тангенс угла между горизонталью и касательной к кривой подъема кла­ пана в какой-либо точке представляет собой скорость движения

Рис. 54. Характерные кривые движения клапана.

клапана в данный момент времени. Величина скорости и ускорения определяются графически путем обработки осциллограмм. Наи­ больший интерес представляет легко осуществляемое определение величины скорости движения клапана в момент посадки.

нормальный подъем клапана насоса с длиной хода 356 мм и цилиндровой втулкой диаметром 140 мм при удельном весе про­ мывочного раствора у=\,2 г/см3 (кривая ) ) , а также при более тяжелом (кривая 2) и высоковязком (кривая 3) промывочном растворе. При установке цилиндровой втулки большего диаметра (190 мм) высота подъема тарелки клапана увеличивается, но кри­ вая сохраняет нормальный вид.

152

70(штоковая камера).

При чрезмерно большой высоте всасывания, нарушениях не­

разрывности потока во всасывающей системе происходят нару­

ного клапана не происходит благодаря тому, что он пропускает жидкость под высоким давлением, при котором сжатый газ не занимает значительного объема (до 1%), не выделяется из рас­ твора. Выделение паров или расширение и выделение из промы­ вочного раствора газа могут вызывать также шум во всасывающем клапане.

На начальном участке кривой подъем клапана происходит с наибольшей скоростью, вызванной тем, что клапан начинает подниматься не в тот момент, когда поршень находится в мерт­ вой точке, а существенно позднее, когда скорость поршня приобретает значительную величину. Видно, что высота подъема нагнетательного клапана больше, чем всасывающего, импульс, вы­ зывающий подъем которого, слабее.

Естественно, что рассмотренные нарушения в работе клапанов изложенными теоретическими выводами не учитываются. Поэтому перед освоением промышленного производства нового насоса

'быть легким, чтобы точнее следовать движению жидкости, отры­ ваться от седла, подниматься над седлом и опускаться на него так, как это продиктовано состоянием потока жидкости в соот­ ветствующий момент.

Легкий клапан — хороший расходомер, с достаточной точ­ ностью показывающий величиной своего подъема скорость жидко­ сти в седле клапана или величину подачи жидкости из насосной камеры.

Относительно тяжелый клапан не точно повторяет изменения скорости потока, нарушается необходимое соответствие' между движением жидкости в седле клапана п движением тарелки, что лриводит к нарушениям нормальной игры клапанов.

Механически приводимые в движение клапаны не получили распространения, так как сама жидкость наилучшим образом

153

управляет клапаном в соответствии с режимом работы насоса. Небольшие нарушения этого соответствия вызывают поломки ме­ ханизмов, приводящих в действие клапаны.

Одной из причин, требующих применения пружины для созда­ ния нагрузки на клапан, является необходимость деформировать, эластичное уплотнительное кольцо, выступающее в свободном состоянии над металлической поверхностью посадочного пояска, и закрыть полностью клапан прежде, чем в насосной камере воз­

архимедовой силы, недостаточен, чтобы уничтожить зазор, который

гая седла своим металлическим посадочным пояском. При этом клапан приподнят на 0,5—1,5 мм и нарастающее давление жидко­ сти прихлопывает клапан, ударяющийся о седло. Тарелка, поса­

в стенке насосной камеры показало, что клапан, лишенный пру­ жинной нагрузки, несколько раз подпрыгивает над седлом перед окончательным закрытием. В результате возникающего запазды­ вания посадки клапана часть жидкости из насосной камеры теряется, перетекая во всасывающий коллектор. Окончательно клапан закрывается при отрицательном перепаде давления, уско­ рении его движения и значительной скорости движения поршня. Поэтому без пружинной нагрузки применять клапаны нецелесо­ образно.

направляющим устройством в крупных насосах не применяются

б) клапаны с уплотнительным кольцом, закрепленным на седле (рис. 55, г).

3. По типу оребрения седла: а) без ребер (рис. 55, а); б) с одно­ стоечным нижним направлением в седле (рис. 55, г); в) с ребрами

154

Рис. 55. Типичные конструкции клапанов.

Нижний направляющий шток чаще, чем крестовина, приме­ няется в современных насосах, так как точнее центрирует тарелку в седле вследствие того, что зазор 8i меньше зазора 62. Кресто­ вина выполняется так, чтобы ее направляющие перья не достн-

155

156

неоднократно подтягивают при помощи длинного рычага, чтобы предупредить или устранить качку.

Подвижность крышки, нарушающая точность центровки кла­ пана, вызывая изнашивание уплотнения крышки и сопряженной поверхности корпуса клапанной коробки, нежелательна. Для фиксации винтового затвора крышки в затянутом положении при­ меняют, например, эксцентриковый стопор (рис. 56, а) .

Более сложное, но надежное и удобное устройство у составной крышки с гидравлическим стопорением (рис. 56,6). Небольшим ручным насосом высокого давления нагнетают масло через гибкий шланг, штуцер и сверленые каналы в пространство Е, после чегокачка крышки прекращается.

Для извлечения седел применяют гидравлические съемники. Съемник прочно закрепляют на месте крышки клапанной коробки. При диаметре гнезда в клапанной коробке 200 мм усилие выпрессовки седла достигает 80—90 тс. Выпрессовка седла гидравли­ ческим страгиваиием (см. рис. 6, в) требует давления подводимогомасла 600 кгс/см2 . Для этого применяется ручной насос, закреп­ ляемый в удобном месте и обслуживающим все приспособления для гидравлического стопорения, страгивания или запрессовки.. Ручной насос соединяют с соответствующим штуцером при помощи гибкого шланга, имеющего диаметр прохода до 5 мм. Седлосрывается со звуком выстрела и может вылететь из клапанной коробки, если ее отверстие не закрыто крышкой или корпусом съемника.

Изнашивание клапанов

Износ клапанов обнаруживается на следующих участках: 1) направляющих поверхностях; 2) опорных посадочных поверх­ ностях; 3) в уплотнительных устройствах.

Направляющие клапана изнашиваются в результате игры кла­

седла прямолинейные углубления, направленные вдоль образую­ щей и совпадающие с положением перьев крестовины при отсут­ ствии вращения седла.

Часто наблюдается одностороннее изнашивание направляющих штоков и втулок в результате постоянного прижима тарелки в определенном направлении действующими на нее гидравлическими силами. Перекос тарелки в седле вызывает ее неточную посадку. •Появляются щели на посадочной поверхности между тарелкой и седлом закрытого клапана. Ускоряется повреждение уплотнения,

157

выдавливаемого в образовавшийся зазор. Нарушение плотности закрытого клапана сопровождается гидроабразивной эрозией со­ пряженных поверхностей тарелки и седла закрытого клапана, 'быстрым его разрушением.

Изнашивание посадочных поверхностей тарелки и седла при

вов, попадающих между твердыми опорными поверхностями седла и тарелки при закрытии клапана. В момент раздробления зерен в металлических деталях в местах контакта с зерном возникают •максимальные напряжения, значительно превышающие предельные удельные давления, принимаемые в расчет в предположении сплошного контакта сопряженных посадочных поверхностей, не­ возможного в условиях работы насоса на абразнвосодержащем промывочном растворе. Многократное повторение циклов посадки тарелки на седло и слияние отдельных очагов разрушения вызы­ вают сплошное изнашивание поверхностных слоев металла. При этом нарушается относительное положение тарелки п седла, та­ релка опускается ниже, увеличивается деформация уплотнения, вызывающая усталостные повреждения резины и последующее нарушение плотности.

Уплотнительные устройства изнашиваются и от выдавливания •резины в зазор между тарелкой и седлом или других видов взаимо­ действия резины с сопряженными деталями в абразнвосодержащей среде промывочного раствора. Резина разрушается от внед­ рения в нее зерен абразива, скопления их между уплотнением и деталью, на которой оно закреплено.

Процесс изнашивания клапана протекает в три стадии: при­

его посадочных поверхностей и уплотнения происходит постепенная подготовка к заключительной стадии изнашивания. Катастрофи­ ческое изнашивание начинается после того, как появляется не­ плотность закрытого клапана, превышающая допустимый предел.

Процесс гидроабразивной эрозии протекает весьма интенсивно из-за большого давления нагнетания буровых насосов и сильно выраженных абразивных свойств промывочного раствора, содер­ жащего зерна кварца и других горных пород и минералов, твер­

158

Уплотняемый зазор, в который выдавливается поршневая ре­ зина, почти сохраняет свою величину при поступательном движе­ нии поршня вдоль осп цилиндра и изменении давления на поршневые кольца от всасывания до нагнетания. Между тарелкой и седлом закрытого клапана также всегда остается некоторый зазор.

В узле клапана при нагружении уплотнения давлением на­ гнетания частота приложения нагрузки, величина давления и скорость его нарастания совпадают с теми же показателями для

нет. Зазор между тарелкой и седлом на посадочном пояске закры­ того клапана зависит от размеров раздробленных зерен, остаю­ щихся в промывочной жидкости после гидроциклонной очистки и попадающих на посадочную поверхность, от размеров образо­ вавшихся углублений в металле в месте контакта,' а также от упругого прогиба круглой пластины, которую представляет собой тарелка. В результате изгиба тарелки под давлением жидкости увеличивается нагрузка на внутреннем контуре посадочного по­ яска, а на наружном контуре тарелка может приподняться над седлом. В остающийся зазор, величина которого несколько меньше, чем в цилиндро-поршневой паре, резина выдавливается меньше.

посадочный поясок полностью сработался, одно из четырех перьев нижней направляющей крестовины и верхний направляющий шток отломаны. Кроме того, измерением установлено, что диск клапана прогнулся. Остаточная деформация в центре составляет 1,5 мм относительно краев диска.

Изнашивание посадочного пояска (рис. 57,6) характеризуется многочисленными очагами разрушения, возникшими в результате раздробления зерен абразива, и каналами, образовавшимися в результате гидроабразивной эрозии после повреждения уплотне­ ния, т. е. так же, как и в цилиндро-поршневой паре. Каналы по форме совпадают на сопряженных деталях.

Собранные данные о расходе запасных частей (см. рис. 2, а) относятся к клапанам, изготовленным из стали 50 по ГОСТ 1050—60, седлам из стали 40Х по ГОСТ 4543—61. Термическая обработка их посадочных и направляющих поверхностей произ­ водится на глубину 3,0—3,5 мм с нагревом токами высокой час­ тоты. Твердость поверхности HRC 48—52. Тарелки лучше изго-

159-

Механические свойства стали в улучшенном состоянии

Сталь этого состава по свойствам отвечает условиям работы при многократном передеформировании на посадочной поверх­ ности.

Седло на прочность и деформацию рассчитывают на сжимаю­

Величина диаметрального зазора между направляющей кресто­ виной тарелки и отверстием седла, а также между направляющим штоком и втулкой принимается равной 1,6 мм. Допускается увеличение зазора в процессе эксплуатации до 3 мм на диаметр.

сопрягаемых конических поверхностей седла клапана и гнезда клапанной коробки проверяется парными калибрами: седло ка­ либром-кольцом, а гнездо калибром-пробкой, взаимно припасо­ ванными.

Для достижения необходимой в эксплуатации плотности по­ садки седла обязательно прилегание внутренней конической поверх­ ности гнезда клапанной коробки и наружной конической поверх­ ности седла клапана к соответствующему парному калибру по сплошном кольцу шириной не менее 20 мм, поверхности должны быть чистыми и сухими, без следов повреждений (А. С. Николич. Насосное оборудование нефтебуровых установок. М., ВНИИОЭНГ, 1968).

6 Л. С. Николич