13.4 Предохранительные клапаны.

Предохранительные клапаны предназначены для ограничения повышения, давления жидкости сверх установленной величины с целью предотвращения аварий в насосном агрегате и нагнетательной линии от перегрузок, а также обеспечения безопасности работ. Предохранительные клапаны действуют эпизодически, например при образовании пробок, ошибочном пуске насоса при закрытых задвижках и в других подобных случаях, вызывающих чрезмерное увеличение давления насосов. Поршневые насосы почти не снижают подачу жидкости при возрастании сопротивлений в нагнетательной линии. Поэтому в поршневом насосе для безопасного выхода промывочной жидкости в случаях превышения предельного давления обязательно должен быть предохранительный клапан.

Рис.13.7 Предохранительный клапан.

В буровых насосах используются предохранительные клапаны диафрагменного (пластинчатого) типа (рис. 13.7), рабочая часть которых представляет собой герметично закрепленную по наружному контуру пластину 9, воспринимающую давление промывочной жидкости. При повышении давления сверх заданного значения диафрагма срезается кромками зажимного калиброванного кольца 11. В буровых насосах используются диафрагмы из листовой латуни марки Л62 толщиной 0,4—0,5 мм и наружным диаметром 88±0,5 мм.

Диаметр отверстия зажимного кольца определяется из условия

откуда

d = ,

где d — диаметр отверстия кольца, закрываемого пластиной, мм; .s — толщина пластины, мм; — предел прочности на срез материала пластины. МПа; р — предельное давление, МПа.

Согласно опытным данным, установлено, что среднестатистическое значение предела прочности на срез пластин из латуни Л62 составляет 2,3 МПа.

Корпус 4 снабжен фланцем для крепления предохранительного клапана к нагнетательному коллектору бурового насоса. Стыкуемые фланцы уплотняются резиновой прокладкой, затягиваемой шпильками либо болтами. Диафрагма 9 устанавливается в расточке корпуса между резиновой прокладкой 10 и калиброванным кольцом 11. С помощью резьбового нажимного стакана 3, упорной 7 и перфорированной 8 втулок кольцо 11 плотно прижимается к диафрагме. Упорная втулка, снабженная манжетным уплотнителем 5 и ручкой 2, предохраняется от проворота дюбелей 6. При срабатывании клапана промывочная жидкость через срезанную диафрагму и втулку 8 направляется в патрубок 1 и далее по трубопроводу поступает в приемную емкость.

13.5 Принцип действия поршневого насоса.

Насос одностороннего действия работает следующим образом (рис. 13.8 а). Через трансмиссию 1 от двигателя вращение передается коренному валу с кривошипами 2, на которых смонтированы шатуны 3, соединенные с ползунами 4. Кривошипно-шатунный механизм преобразует вращательное движение коренного вала в возвратно-поступательное ползуна 4, штока 5 и поршня 6. Поршень движется в цилиндре 7, в нижней части которого расположен всасывающий 10, а в верхней нагнетательный 8 клапаны. Полость всасывающего клапана через трубопровод соединена с приемным резервуаром, наполненным раствором, а нагнетательного — с напорной линией.

При движении поршня вправо в рабочей камере 9 создается разряжение (рис. 13.8, б), в результате которого возникает разница давления под и над клапаном, последний открывается и в камеру засасывается раствор. В этот период нагнетательный клапан закрыт под действием разности давлений над и под клапаном, так как в нагнетательном трубопроводе давление выше, чем в рабочей камере.

При ходе поршня влево и камере повышается давление, всасывающий клапан закрывается. Как только давление внутри камеры станет выше давления во всасывающем трубопроводе, нагнетательный клапан откроется, так как давление в камере будет выше давления в нагнетательном трубопроводе. Происходит выталкивание жидкости из камеры. Затем цикл повторяется.

Нетрудно заметить, что скорость поршня во время хода меняется от нуля в мертвой точке до максимума. Наибольшую скорость поршень имеет, когда кривошип перпендикулярен к шатуну. Поскольку нагнетание жидкости происходит за счет вытеснения ее из рабочей камеры поршнем, очевидно, количество жидкости, вытесняемой в единицу времени — подача насоса,— будет изменяться по тому же закону, что и скорость поршня, как показано на графике (рис. 13.8, в). Если обозначить ход поршня через S, его площадь через F, то объем жидкости V_ц, вытесненной из камеры при ходе влево,

V_ц= F S (13.2)

Идеальная подача одной камеры поршневого насоса (в м³/с)

Q^’_ни= V_цn/60, (13.3)

где n-число двойных ходов коренного вала в 1мин.

Рис 13.8. Схема работы поршневого

насоса одностороннего действия.

Рис 13.9. Схема работы поршневого насоса двухстороннего действия: а- схема движения поршня; б и в- диаграммы всасывания и подачи.

Для многопоршневого насоса одностороннего действия идеальная подача (в м³/с)

Q_ни=KFSn/60 (13.4)

K- число камер насоса.

Площадь поршня (в м²)

F=

D- диаметр поршня, м.

Тогда

(13.5)

Насосом двухстороннего действия называется такой насос, в котором в каждом цилиндре имеются две рабочие камеры 5 и 8 (рис. 13.9) передняя 8, как у насоса одностороннего действия, и задняя 5, расположенная за поршнем 6. Объем этой камеры меньше, чем передней, так как в ней расположен шток 2 поршня, занимающий часть ее объема. Она также имеет всасывающий 1 и нагнетательный 4 клапаны, а шток 2 уплотнен сальником 3.

Если поршень движется вправо, то в левой (передней) полости создается разряжение, в результате которого всасывающий клапан 1 открывается и камера заполняется раствором, а из правой камеры (задней) жидкость в это время вытесняется в нагнетательный коллектор 7 движущимся поршнем 6. Всасывающий клапан 1 в ней закрыт, так как давление в этой камере выше, чем во всасывающем трубопроводе 9, а нагнетательный клапан 4 открыт. Очевидно, подача из задней камеры такого насоса будет меньше, чем насоса одностороннего действия:

(13.6)

где площадь сечения штока, м; d- диаметр штока, м.

Для многопоршневого насоса двухстороннего действия

или

(13.7)

Действительная подача насоса всегда меньше идеальной вследствие того, что происходят утечки через еще незакрытые клапаны, неплотности клапанов и поршней, в связи со сжимаемостью нагнетаемой жидкости, содержанием в ней газа, состоянием пар цилиндр — поршень, клапанов и т. д.

Фактическая подача может быть определена для каждого отдельного случая при конкретных условиях работы насоса по формуле

(13.8)

где Q_ни - идеальная подача с учетом фактического числа ходов поршней в 1 мин; - коэффициент объемной подачи.

Учитывая основные условия, влияющие на объемную подачу, можно вычислить коэффициент объемной подачи из выражения

(13.9)

где R_г—коэффициент, зависящий от конструктивного исполнения гидравлической части насоса, который выбирается в зависимости от диаметра поршня D:

D, мм	180	170	160	150	140	130	120
kг	2,886	3,114	3,387	3,716	4,118	4,617	5,245

—коэффициент сжимаемости жидкости, для воды = 47,5х10⁵ МПа^-1, для бурового раствора = 40*10 ^-5 МПа ^-1; ДГ — доля газа в жидкости до ее поступления к подпорному насосу или до входа в буровой насос (если отсутствует подпорный); р_н и р_п— абсолютное давление на выходе бурового и подпорного насосов, МПа; р₀— атмосферное давление, МПа.