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

Переход от поршней 1 к плунжерам 6 связан с тем, что не удается сконструировать поршень достаточно малого диаметра, который может иметь плунжер при том же давлении нагнетания. Этим приемом решается задача создания более высокого давле­ ния нагнетания плунжерным насосом, чем возможно на поршневом насосе данной мощности.

В поршневом насосе существует предел конструктивно осущест­ вимого уменьшения диаметра съемного поршня, который может •быть установлен на штоке данного диаметра, необходимого для передачи расчетного усилия по штоку. Дальнейшее повышение давления нагнетания и уменьшение диаметра поршня не может быть достигнуто, так как необходимый для этого поршень малого диаметра с его металлической арматурой, эластичными уплотнительными кольцами и крепежной гайкой не размещается в узком

кольцевом пространстве между уменьшенным внут­ ренним диаметром цилин­ дровой втулки и штоком. Поэтому в размерном ряде насосов возрастающей мощ­ ности одновременно увели­ чиваются диаметр штока, усилие по штоку, минималь­ ный диаметр поршня и наи­ большее давление нагнета­ ния, т. е. поршневой насос высокого давления нагнета­ ния вместе с тем должен быть и большой мощности.

диалы-ю установленные на­ садки 4, закрепленные на штоках 5 и соединенные от­ верстиями со штуцером 2 и трубкой, по которой под­ водится вода в направлении,

указанном стрелкой. По затемненному коричневому цвету от­ водимой воды можно определить момент нарастающей утечки промывочного раствора в какой-либо одной или нескольких

20

цилиндро-поршиевых парах и своевременно заменить изношенный поршень, прежде чем будет повреждена цилиндровая втулка.

В плунжерном варианте сборки насоса охлаждающую и сма­ зывающую жидкость удобно подвести через неподвижное уплот­ нение.

При исследовании теплового режима цнлиндро-поршневой пары

резины ограничивалось этой величиной, то уменьшить отрицатель­

Последние результаты измерения свидетельствуют, однако, о том, что в тонком поверхностном слое поршня температура резины может подниматься, например, до 190° С при температуре нагне­ таемой промывочной жидкости 50° С и давлении нагнетания 175 кгс/см2

Рис. 6. Поршневые буровые насосы с охлаждением цилиндро-поршневоп пары.

21

не может компенсировать двукратного увеличения чнсла деталей. Так, если в обычном насосе изнашивается 100 поршней, то в насосе фирмы «Вирт» 2-100-0,8=160 поршней, т. е. в 1,6 раза больше.

В насосе с раздвоенными цилиндрами через крышки цилинд­

Другое предложение фирмы «Вирт», направленное на снижение напряженности теплового режима на поверхности трения цилинд- ро-поршневой пары, заключается в применении охлаждения со­ ставной цилиндровой втулки обычного насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия (рис. 6,в). Охлаждающая вода поступает через штуцер 10 в нижней части гидравлической коробки, омы­ вает снаружи внутреннюю цилиндровую втулку 12 и отводится через верхний штуцер 14.

Замена составной цилиндровой втулки — одновременно ее вну­ тренней части 12, наружной 11, скрепляющих и уплотнительных деталей — производится после демонтажа цилиндровой крышки 7, а поршня 9 с его штоком 13 — после извлечения винтового за­ твора 8.

По изменению цвета отводимой воды можно уловить момент появления утечки в уплотнении цилиндровой втулки, чтобы быстро принять меры по устранению неисправности, не давая ей вызы­ вать серьезное повреждение корпусных деталей. В поршневых на­ сосах с тремя цилиндрами одностороннего действия дает эффект интенсивное обмывание втулок цилиндров жидкостью с антиизносными добавками.

Наиболее распространенным на практике остается насос без водяной рубашки с двумя цилиндрами двустороннего действия, в которых работают поршни двустороннего действия.

Насосы с тремя цилиндрами двустороннего действия

У насоса с тремя цилиндрами двустороннего действия криво­ шипы установлены с угловым сдвигом по направлению вращения коренного вала на 120° (рис. 7, а). Суммарную кривую подачи жидкости тремя цилиндрами получают сложением ординат трех смещенных относительно друг друга вдоль оси абсцисс на 120° диаграмм а, Ь, с подачи отдельно взятых цилиндров двустороннего действия (рис. 7,6).

22

Ускорение промывочной жидкости во всасывающей трубе насо­ са с тремя цилиндрами двустороннего действия меньше, чем при двух цилиндрах.

При одинаковой величине ускорения и, следовательно, всасы­ вающей способности трехцилиндровый насос может быть быстро­ ходнее и поэтому легче двухцилиндрового, но интенсивность изна­ шивания сменных деталей при этом увеличивается.

три мотылевых подшипника требуют много времени на свое об­ служивание, регулирование и замену изнашиваемых деталей. За­ труднен доступ к всасывающему клапану штоковой камеры сред­ него цилиндра. При изготовлении трехцилиндрового насоса труд­

деталей трехцилиндрового насоса больше, чем у двухцилиндрового. Поэтому поршневой буровой насос с тремя цилиндрами двусторон­ него действия сейчас не применяется.

23

Наибольшая приводная мощность насосов этого типа 1250 л. с , наибольшее давление нагнетания 250 кгс/см2 . Трудно ожидать по­ явления каких-либо причин для возобновления их производства.

Насосы с тремя цилиндрами одностороннего действия

Буровой насос с тремя цилиндрами одностороннего действия при высоком давлении нагнетания и большой гидравлической мощ­ ности относительно невелик по размерам и весу, так как частота ходов его поршня обычно в 2,5 раза выше, чем у насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия. Основные параметры изго­ товляемых насосов данного вида приведены в табл. 1. Например, фирмой «Нэшнл» (США) в 1968 г. выпущен поршневой буровой насос 10Р-130 приводной мощностью 1300 л. с. с наибольшим дав­ лением нагнетания 360 кгс/см2 , весом 18 000 кг, что на 7 т меньше веса насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия, анало­ гичного по гидравлической характеристике. Число двойных ходов поршня «=150 в мин. Благодаря меньшим, чем у бурового насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия, габаритам и весу, удешевляется транспортирование. Структурная схема поршневого

ложенными в один ряд цилиндрами 2 более компактна, подводя­ щие жидкость патрубки 3 короче, а гидравлические и инерционные сопротивления в них меньше, чем у насоса с двумя цилиндрами двустороннего действия. Три эксцентрика 4, установленные на ко­ ренном валу с угловым смещением относительно друг друга по на­ правлению вращения на 120°, статически взаимно уравновешены. При применяемых размерах деталей и скоростях вращения нет не­ обходимости в динамическом уравновешивании и установке проти­ вовесов. Суммарная кривая 5 (см. рис. 8, г) подачи жидкости цилиндрами насоса представляет собой сумму ординат трех сме­

одностороннего действия приводной мощностью до 100 л. с. Для крупных буровых насосов этого типа требуется пневматический компенсатор меньшего объема, чем для насоса с двумя цилиндра­ ми двустороннего действия, однако в целях унификации приме­

вала обычно в 2—2,5 раза больше, чем у насосов с двумя цилинд­ рами двустороннего действия, а объем цилиндров соответственно меньше. Уменьшение амплитуды колебаний давления нагнетания

24

снижает максимум напряжений в напорном буровом рукаве, кон­ тактных давлений в уплотнении вертлюга, колебаний давления промывочной жидкости в

Поршневое кольцо, обра­ щенное в сторону насосной камеры, нагружено при на­ гнетательном ходе поршня перепадом давления, рав­ ным давлению нагнетания. На другом поршневом коль­ це уменьшенного сечения перепад давления не превы­ шает одной атмосферы. Это кольцо защищает рабочую камеру насоса от подсасы­ вания атмосферного воз­ духа при всасывающем ходе поршня.

д

Рис. 8. Буровые насосы с тремя цилиндрами одностороннего действия, л'—схема поршневого насоса; б—схема плунжерного насоса, работающего бесштоковой камерой; в — схема плунжерного насоса, работающего штоковой камерой; г — диаграмма

подачи жидкости из цилиндров; д — вид поршневого насоса в продольном разрезе.

25

Поршень работает в сменной цилиндровой втулке (рис. 8, д). Уплотнение штока в цилиндре одностороннего действия отсутст­ вует. Шток поршня извлекается, как правило, вместе с поршнем.

Длина хода поршня 254 мм. Наибольшее давление в приемном коллекторе 17,5 кгс/см2 . Пробное давление нагнетательной части 700 кгс/см2 , приемного коллектора 35,0 кгс/см2 . Диаметр всасываю­ щего отверстия 203,2 мм, нагнетательного отверстия 101,6 мм. Емкость масляной ванны 72 дм3 . Длина насоса 4200 мм, ширина 2380 мм, высота 2270 мм.

Западногерманская фирма «Вирт» объявила о выпуске насоса

К. п. д. насоса 0,9. Объемный коэффициент при работе с подпо­ ром 100%.

Опыт использования насосов с тремя цилиндрами односторон­ него действия в длительной эксплуатации1 показал, что для дости­ жения оптимальной продолжительности безотказной работы в тя­ желых условиях рекомендуется применять насосы при возможно

1 H a r t R. В. Triplex Pump Practices Improve Drilling — DCW April 15, 1970, 32nd EXPOSITION — IN-PRINT, p. 55.

26

ния 4 работают на чистой воде, находящейся в камере 2. Тарель­ чатые клапаны 5 и 7 с резиновым уплотнительным диском рабо­ тают на промывочном растворе, проходящем через камеру 6.

Вертикальный геологоразведочный бескрейцкопфный буровой насос (рис. 9,6) марки БЗ/10 предназначен для легких геологораз­ ведочных установок. При приводной мощности 5,6 л. с , давлении нагнетания 10 кгс/см2 , подаче 3,3 дм3 /с, числе ходов плунжера 300 в минуту вес насоса равен 185 кг. Для удобства транспорти­ рования он легко расчленяется на 3 части.

лишь незначительного давления нагнетания, прижимающего ре­ зину к плунжеру.

Например, при диаметре плунжера Z? = 80 мм, длине металло-

10% давления нагнетания, равного 10 кгс/см2 . Поэтому дополни­

ную 200 ч и вполне достаточную для успешного применения насоса на практике.

В горизонтальной компоновке насоса вредное пространство со­ кращается, если ось клапана горизонтальна, а нагнетательного — вертикальна.

Эффективность структурной схемы, изображенной на рис. 8,6, изучалась в геофизическом бурении. Были проведены промышлен­ ные испытания партии из 5 насосов марки Б7/40 приводной мощ­

следующие средние показатели работы: общий метраж пробурен­ ных с применением каждого насоса скважин составил 25 931 м при глубине скважин 27,5 м; время работы насоса с полной на­

28

уплотнений (в промывочной жидкости содержалось значительное количество раздробленной мелкой гальки).

Повышенный срок службы плунжерной пары достигнут приме­ нением метода компенсации изнашивания. Для этого использова­ лась возможность подтягивания эластичного уплотнения плунжера при появлении чрезмерной утечки нагнетаемой жидкости. В эта­ лонном насосе с двумя цилиндрами двустороннего действия пор­ шень, работающий в цилиндровой втулке, регулированию не под­ дается, чем объясняется значительно большее изнашивание порш­ ней, получавших гидроабразивные эрозионные повреждения после потери уплотняющей способности неконтролируемых поршневых колец. Резино-металлические уплотнения плунжеров подтягива­ лись со стороны средника, соединяющего гидравлическую ш при­

шток, что требует дополнительного обслуживания. Этой ценой до­ стигается некоторое улучшение всасывающей способности насоса, так как ускорение жидкости при всасывании штоковой камерой Е приблизительно в 1,5 раза меньше, чем при всасывании бесштоковой камерой С. Это хорошо видно на диаграмме подачи (см. рис. 8,г). Тангенс угла ai наклона касательной к кривой подачи в точке 60°, характеризующий наибольшую величину ускорения в начале вса­ сывания бесштоковой камерой, больше в 1,5 раза, чем тангенс угла Gi2 в точке 240°, соответствующий максимальной величине уско­ рения плунжера в начальный момент всасывающего хода в што­ ковой камере.

Преимущества малого веса насоса чаще всего проявляются в специфических условиях геологоразведочной службы, например при применении насоса на моноблочной легкой буровой установке со всем оборудованием, монтируемым на одной автомашине.

Увеличение числа двойных ходов поршня в 1 мин вызывает пропорциональное увеличение изнашивания клапанов. Поэтому с уменьшением числа клапанов в насосе с тремя цилиндрами одно­ стороннего действия в отношении 6/8 = 3/4 происходит увеличениерасхода клапанов в 2x3/4=1,5 раза по сравнению с насосом, име­ ющим два цилиндра двустороннего действия и работающим при вдвое меньшем числе двойных ходов поршня в 1 мин. Изменить

цилиндрической передаче». 1969, Станкин. Диссертация. По данным автора в бу­ ровых насосах 6 = 3 мк (1966).

29