Размещено на http://www.allbest.ru/

ІФНТУНГ, 76019, м.Івано-Франківськ,вул.Карпатська, 15, тел.4-80-00,е-mail: au@ifdtng.if.ua

КОМПЛЕКСНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПО КРАТНОМУ ПІДВИЩЕННЮ МІЖРЕМОНТНОГО ПЕРІОДУ РОБОТИ еЛЕКТРОВІДЦЕНТРОВИХ НАСОСІВ

О.Л.Жидецька., М.О. Жидовцев

Рассматривается комплексный подход к решению проблемы повышения износостойкости ступеней рабочих органов установки электроцентробежных насосов для добычи нефти, заключающийся в рациональном подборе материала как самих рабочих органов, так и пар трения с учетом усовершенствования технологии их получения. Приводятся результаты выполненных исследований

The complex method of approach to the solution of wear and tear of electric centrifugal oil pumps is presented. This method is based on the rational choosing of materials for worked elements of equipment both with the couples of friction. The modernization of technology processes for the manufacturing of pump's worked elements both with the couples of friction is assumed. The results of investigations are given

При експлуатації нафтових родовищ механізованим способом основний об'єм видобутку нафти припадає на установки електровідцентрових насосів (ЕВН), які при середніх і великих відборах свердловинної рідини (100-150м³/добу і більше) є найбільш економічним і найменш трудоємним за обслуговуванням видом обладнання для видобутку нафти. В той же час при експлуатації ЕВН мають місце багаточисельні відмови і аварії у зв'язку з чим міжремонтний період їх роботи порівняно невисокий. Так, за даними бувшого міністерства нафтової промисловості (МНП) СРСР він складав у 1992 р. в середньому 248 діб. По Україні в кінці 90-х років він складав 324 доби, в тому числі на нафтопромислах НГВУ “Чернігівнафтогаз” -358 діб, “Полтаванафтогаз” - 150 діб, “Долина-нафтогаз” - 150 діб, “Бориславнафтогаз” - 130 діб, а на нафтопромислах Азербайджану та Комі - не більше 60 діб. При цьому, чим менший міжремонтний період роботи, тим більша кількість ремонтів ЕВН.

За даними МНП щорічно в СРСР проводилося біля 175 тис. ремонтів. Аналіз аварійності установок ЕВН по АНК “Башнафта” за 1995-1997 р.р. показав, що 155 підйомів насосів з 269 (тобто 57,6%) відбулося з причини зносу робочих органів до непридатності. Сюди включались “польоти” з причин обриву кабелю. Відрив насосів по НКТ мав місце в 97 свердловинах, що склало 36%, а обриви по кріпленню мали місце в 105 свердловинах - 39%.

Вивчення природи відмов установок ЕВН на протязі 2000-2001 років по Богданівському, Гнідинцівському, Леляківському та Талалаївсь-кому родовищах НГВУ “Чернігівнафтогаз” показало, що зношення робочих органів ЕВН є причиною відмов більш ніж у 50% випадків [1].

Якщо врахувати, що вартість заміни (підйом та спуск) ЕВН на новий, або ремонту наприкінці 90-х років складав 1200-1800 грн., то стає очевидною актуальність досліджень з підвищення зносостійкості робочих органів ЕВН в різноманітних умовах їх експлуатації.

В роботі розглядаються шляхи вирішення проблеми кратного підвищення зносостійкості робочих органів ЕВН, що дасть змогу відповідно збільшити міжремонтний період роботи.

Вирішення цієї проблеми стратегічно полягає у використанні для виготовлення елементів ступені (робочі органи, радіальна та торцеві опори) зносостійких матеріалів при допустимій вартості виробів з них.

Тактично вирішення цієї проблеми може проводитись різними шляхами: зносостійкість електровідцентровий насос термічний

Конструктивними - шляхом розробки конструкції з рівностійкими елементами ступені та підбором для робочих органів і пар тертя зносостійких матеріалів;

Технологічними - шляхом викорис-тання сучасних технологій одержання елементів ступені (литвом, мехобробкою, корозієвою індустрією);

Експлуатаційними - шляхом застосу-вання різних рішень зі зниження агресивності рідин, що видобуваються (вміст механічних домішок, газовий фактор, обводненість тощо) зниженням вібрацій при роботі ЕВН і т.д.

Найбільш продуктивним є комплексне вирішення проблеми із врахуванням всіх перерахованих вище шляхів.

Конструктивно ступінь робочих органів установок ЕВН (рис.1) складається з робочого колеса 2, направляючого апарата 3, захисної втулки вала 4, а також нижньої 5 та верхньої 1 опорних шайб.

Традиційно робочі органи 2, 3 виготовляються із сірого чавуну з феритною основою твердістю 140-160 HRB.

Рисунок 1- Ступінь ЕВН

Безумовною перевагою чавунів є високі ливарні властивості, стійкість та можливість одержання відливок в земляних формах.

Технологія виготовлення робочих органів ступені насоса включає в себе литво, механічну обробку торцьових і посадочних поверхонь та термічну (нормалізація-відпуск) обробку на твердість 140-160 HRB, що наперед визначає їх низьку зносостійкість. При цьому не виключається заключна операція шліфування посадочних поверхонь (R_z 80) в робочому колесі і направляючому апараті. Робочі поверхні (каналів) робочих коліс механічно не обробляються і їх стан визначається чистотою, що одержується при литві.

Відомо, що стан поверхонь і геометрія проточних каналів робочого колеса і направляючого апарата суттєво впливають на характеристику ступені. Спеціальні дослідження, проведені ОКБ БН, показали, що характеристика ступені, в якої поверхні проточних каналів оброблені механічним способом, як правило вище, ніж у вилитої необробленої ступені. Причому, зі збільшенням шорсткості значно знижується тиск і к.к.д. ступені.

При застосуванні легованих чавунів, до яких відноситься високолегований аустенітний чавун-нірезит, вимоги до земляних форм через підвищену температуру розливки ще більш високі, а вміст в хімічному складі великої кількості хрому, нікелю, ванадію призводить до високої ціни виробу. Сірий модифікований чавун для робочих органів ЕВН, який застосовується всіма заводами Росії та Татарії (Альметьєвський завод заглибних електронасосів, Московський компресорний завод “Борець”, Лебедянський машинобудівний завод) забезпечує низьку їх зносостійкість.

Радіальна та торцеві опори серійно виготовляються також з матеріалів низької зносостійкості, захисна втулка вала - з корозійностійкої латуні Л63, а шайби торцевих опор - з текстоліту. Як бачимо, підбір матеріалів деталей ступені не передбачає високу їх стійкість, що підтверджує актуальність питання підвищення зносостійкості елементів ЕВН.

Результати аналізу свідчать, що на сьогодні найкращий результат може бути отримано при раціональному підборі матеріалу як самих робочих органів, так і пар тертя ступені з врахуванням вдосконалення технологій їх одержання [2].

Так, проведені дослідження на зносостійкість пари тертя “направляючий апарат - захисна втулка вала” показали, що для серійного виробництва представляють інтерес пара тертя “модифікований чавун - композит ПН55Т45”, яка в 10,4 рази більш зносостійка, ніж серійна пара “сірий чавун - латунь”, та пари “модифікований чавун - композит ЛО-90-1” і “модифікований чавун - композит ПК70Н2Д2”, які приблизно в 3-5 разів більш зносостійкі в порівнянні з серійною парою, що приблизно дорівнює стійкості робочих органів.

Проведені дослідження на зносостійкість матеріалу пари тертя “направляючий апарат-опорна шайба” показав, що в серійних робочих органах слід використовувати шайби виготовлені з композиту ПК70Н2Д2, який хоча менш зносостійкий (6,2%) по відношенню до шайб, виготовлених з матеріалів на базі бронзи (4,2%) і міді (5,0%), однак в 10 разів дешевший [3].

Результати досліджень на зносостійкість пари тертя “модифікований чавун - модифікований чавун”, яка володіє удвічі більшою зносостійкістю, ніж серійна пара “сірий чавун - текстоліт”, вказують на можливість створення безопорної конструкції ступені із одного матеріалу.

Дослідження в цьому напрямку виконані під керівництвом професора Жидовцева М.О.

Стосовно другого шляху вирішення вказаної вище проблеми, то початі в 1991 році дослідження з підвищення зносостійкості робочих органів ЕВН призвели до розробки спільно з Саратовським інститутом механізації сільського господарства (академік РАН Анікін А.А.) сірого чавуну модифікованого рідкоземельними металами (церієм або ітрієм) з перлітною основою (перліту 70-80%, ферриту 20-30%), який: володіє добрими ливарними властивостями; добре піддається механічній обробці; сприятливий до термообробки; має вартість близьку до вартості чавуну, що використовується сьогодні серійно для виготовлення робочих органів ЕВН [4], а також для розробки нової технології виготовлення робочих органів [5]. Остання включає:

Литво сірого чавуну з модифікуванням всередині форми рідкоземельними металами (церій, ітрій) в кількості 0,1-0,2% (від об'єму чавуну);

Механічну обробку литих заготовок, які мають твердість 150-170 HRB з допусками, що компенсують зміни розмірів деталей при їх термічній обробці;

Термічну обробку деталей - гартування в масло на твердість 43-47 HRС та низький відпуск.

В результаті готові вироби після термічної обробки із застосуванням прохідних печей з пульсуючим подом та захисною атмосферою мають твердість 43-47 HRC зі структурою дрібноголковий та голковий мартенсит, що переходить в сорбітну структуру, яка володіє високою зносостійкістю. При цьому розміри деталей вкладаються, як правило, в поле допусків, передбачених робочим кресленням на вироби і, в основному, не потребують додаткової механічної обробки в загартованому стані. Важливою обставиною нової технології є те, що вона, як показали зносові промислові дослідження, забезпечує підвищення стійкості готових виробів в 2-3 рази порівняно з серійною технологією та практично повністю вкладається в технологічний цикл робіт, що застосовуються сьогодні при серійному виготовленні робочих органів ЕВН на заводах.

В той же час нова технологія вимагає застосування та виконання робіт з термічної обробки виробів після їх механічної обробки за суворо фіксованими технологіями.

Так, результати дослідження впливу методу термічної обробки на зміну розмірів виливків з сірого модифікованого церієм чавуну показали, що:

метод отримання заготовок (точне литво за моделями, що виплавляються і випалююються) не впливає на середнє значення приросту їх розмірів при термообробці в камерній печі;

зменшення розмірів виливок призводить до зменшення приросту їх розмірів при термообробці;

на зміну приросту розмірів виливок при їх термообробці суттєво впливає склад чавуну. Зменшення вуглецю з 3,8% до 3,55%, марганцю з 0,6% до 0,5% та кремнію з 2,7% до 2,4% призводить до збільшення приросту розмірів приблизно удвічі.

найбільша стабільність приросту розмірів виливок спостерігається при термообробці в вакуумних печах, однак при цьому виникають труднощі пов'язані з забрудненням печі маслом.

Експериментальні дослідження впливу термічної обробки на зміну розмірів виливки з сірого модифікованого чавуну показали, що збільшення розмірів деталі в результаті термообробки складає в середньому 0,34-0,35% і коливається від 0,28 мм (для 80мм) до 0,055 (для 17мм). Останнє дозволяє при механічній обробці відразу ж задавати розміри деталі з врахуванням компенсації зміни розмірів при термообробці, тобто враховувати цю зміну мінусовим допуском, рівним 0,34% від розміру деталі.

В результаті обробки експериментальних даних отримані емпіричні залежності приросту розмірів виливок робочих органів ЕВН від їх номінальних значень при різних методах термообробки, які дають змогу розрахувати необхідну величину від'ємного допуску на механічну обробку виливків до їх термообробки [6].

Приріст розміру виливки при її термічній обробці залежить від вмісту перліту в чавуні. Чим більший відсоток перліту в чавуні, тим більший відсоток приросту його розміру. Ступінь впливу перліту на цей показник може бути врахований якщо скористатися наступною формулою:

=60+l(Х-60) К, (1)

де: 60 - приріст розміру деталі при 60 % перліту, рівному, згідно дослідів, 0.22мм; l- приріст розміру деталі при 100 % перліту, рівному 0.006мм; Х - дійсний відсоток вмісту перліту; К - узгоджений коефіцієнт, рівний згідно дослідів 1.25 -1.3.

Визначимо приріст деталі при 80 % і 87 % перліту в структурі чавуну:

при 80 % П

80=[0.22+0.006(80-60)] 1.28=0.435мм, (2)

при 87 %П

87=[0.22+0.006(87-60)] 1.28=0.489мм, (3)

тобто збільшення вмісту перліту з 80 % до 87 % повинно було призвести до збільшення приросту виробу на =0.489-0.435=0.054мм. В нашому випадку приріст розміру 80 при 80 %П склав 0.269мм, а при 87 % П- 0.34мм, а повинно бути =0.269+0.054=0.323мм. Як бачимо, розбіжність незначна _р=0.34-0.323=0,017мм, що можна пояснити неточним визначенням вмісту перліту при термообробці деталей в печі з рухомим подом. Для даної плавки його не визначали, а прийняли значення визначене для плавки при проведенні дослідів. Крім того, нами було прийняте середнє значення вмісту перліту, визначене в чотирьох плавках виконаних при модифікації. Крім того, значення узгоджуючого коефіцієнта також прийняте середнім і не можна не брати до уваги вплив інших факторів, наприклад деякі розбіжності в режимах термообробки і т.д.

В зв'язку з різким (в 2-3 рази) підвищенням зносостійкості виготовлених за новою технологією робочих органів ЕВН на порядку денному гостро постало питання підвищення зносостійкості пар тертя ступені як радіальної, так і торцевої. Вище було запропоновано виготовляти захисну втулку вала не з латуні Л63, а з композиційного матеріалу типу ПК70Н2Д2, морської латуні ЛО-90-1, або з композиційного нікель-титанового порошку ПН55Т45, який наноситься на робочу поверхню втулки плазмовим напиленням.

Дослідженнями захисних втулок валу та опорних шайб з ПК70Н2Д2 (залізно-графітний порошок з вмістом до 2% нікелю та міді) при роботі насосів на свердловинах №18 і 25 Скороходи Талалаєвського родовища НГВУ “Чернігівнафтогаз” в період з вересня 1995 року по січень 1996 року встановлено, що опорні шайби з ПК70Н2Д2 забезпечили, порівняно з серійними з текстоліту, 2-3 кратне підвищення зносостійкості, тому їх доцільно впровадити в серійне виробництво.

Захисні втулки вала з матеріалу ЛО-90-1 за зносостійкістю знаходяться на рівні бронзових втулок, але вище серійних з Л63. Для досконалих кількісних оцінок на зносостійкість дослідних даних не достатньо. Однак результати відпрацювання більше 100 000 захисних втулок з ЛО-90-1 та також ПК70Н2Д2 в 1996-1997 роках на свердловинах України підтверджують, що їх зносостійкість перевищує зносостійкість серійних захисних втулок з Л63 в 1.5-1.6 рази. Переконливим підтвердженням ефективності нової технології виготовлення ступені ЕВН5-80 (робочих органів з модифікованого церієм чавуну загартованого на твердість 45-47 HRC, захисних втулок вала з плазмовим напиленням їх робочої поверхні порошком ПН55Т45; опорних шайб з композиційного матеріалу ПК70Н2Д2) є експлуатація 10 насосів ЕВН5-80, виготовлених за новою технологією Альметьєвським заводом занурювальних насосів АЗЗЕН-”АЛНАС”, які відпрацьовуються в Альметьєвському та Джалільському НГВУ АТ “Татнафта” з березня 1993 року. За станом на 1996 рік 7 дослідних насосів продовжували перебувати в роботі. Їх середнє напрацювання склало 1070 діб, а максимальне - 1227 діб. Середнє напрацювання ЕВН в НГВУ “Альметьєвськнафта” в 1995 році склало 601 добу. В травні 1996 року на Альметьєвській ЦБВО ЗЕУ комісією була проведена дефектація дослідного насоса ЕВНМ5-80-1200 з експериментальною секцією № А924515, зібраною з робочих органів, виготовлених з модифікованого церієм чавуну та загартованого на твердість 43-47 НRC, а також захисних втулок вала з плазмовим напиленням і нижніх опорних шайб з композиційного матеріалу ПК70Н2Д2. Друга секція насоса зібрана з серійних деталей. Насос, опущений в свердловину №23 НГВУ в травні 1993 року був піднятий травні 1996 року за експлуатаційними причинами пропрацювавши до підйому безперервно 1072 доби. Обстеження насоса показало, що при однакових умовах роботи нижня шайба з ПК70Н2Д2 зношується приблизно удвічі довше, ніж текстолітова. Знос захисної втулки вала з плазмовим напиленням порошком ПН55Т45 менше, ніж серійної, приблизно в 1.6-2 рази, але спостерігається дещо підвищений знос в експериментальній секції опорного пояска направляючого апарату залізографітної нижньої шайби через відмінності в їх твердості.

Приведені відомості переконливо свідчать, що застосування нової технології виготовлення ступенів ЕВН дозволяє не менше ніж удвічі збільшити міжремонтний період експлуатації ЕВН, які піднімаються для заміни або ремонту з причини зносу ступенів робочих органів. При цьому слід зазначити, що собівартість виготовлення та зборки дослідних та серійних насосів практично однакова. Збільшення собівартості не перевищує 10-15% за рахунок: вводу модифікатора при литві; вартості нової операції термообробки робочих органів на твердість 43-47 HRC; використання композиційних матеріалів при виготовленні захисних втулок вала і опорних матеріалів. Однак скорочення підйомів для заміни або ремонту ЕВН навіть на один раз перекриє збільшення вартості виготовлення насоса в кратне число разів.

На завершення відзначимо, що виконаним комплексом робіт повністю підготовлені наукові основи для серійного впровадження нової технології виготовлення робочих органів ЕВН.

Дослідні та організаційні роботи в цьому напрямку, виконані в Україні під керівництвом професора Жидовцева М.О. у ТОВ “ГАЛС-к ЛТД”, ПП “Українська інженерна компанія” та Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу, надають можливість вже сьогодні повністю забезпечити нафтовидобувні підприємства України запасними частинами до ЕВН, виготовленими на заводах міст Києва та Ніжина. Більш як п'ятирічний досвід експлуатації ЕВН, зібраних із запчастин, виготовлених в Україні, свідчить, що ці ЕВН за якістю та стійкістю не поступаються насосам, виготовленим на серійних заводах Росії та Татарії.

Література

1. Жидецька О.Л., Зікратий С.В. Умови виникнення і аналіз поступових відмов установок ЕВН // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія.: Методи і засоби технічної діагностики.- Івано-Франківськ.- 2001. Вип.38(т.8) 20.- С. 201-209.

О.М. Перельман, В.Ю. Горохов и др. Порошковые материалы рабочих органов погружных центробежных насосов. ОНТС “Нефтяное хозяйство”. - №6, 1996. - с. 46-49.

Жидецька О.Л. Дослідження по оцінці зносостійкості робочих органів та вибору пар тертя ступеней електровідцентрових насосів для видобутку нафти./ В зб. праць XVI Міжн. міжвуз. школи-семіару "Методи i засоби тех. діагностики". - Снятин: Фірма "Прут * Принт". -1999. - С. 249-257.

Жидецька, М.О. Жидовцев, В.М. Мойсеенко. Визначення типу i складу чавуну для виготовлення зносостійких робочих органів ЕВН. // Розвідка i розробка нафтових i газових родовищ. Серія: Методи i засоби технічної діагностики.- Івано-Франківськ, 1999.-Вип.36 (т.8). - С.354-359.

Жидецька О.Л., Жидовцев М.О. Cпociб виготовлення зносостійких тонкостінних деталей із cipoгo перлітного чавуну //Розвідка i розробка нафтових i газових родовищ (Івано-Франківськ,-2002.-№4 (5).-с.

Жидецька О.Л. Вплив методу термічної обробки робочих органів ЕВН з сірого чавуну модифікованого церієм // Розвідка і розр. нафт. і газов. родов. Сер.: “Методи і засоби техн. діагностики”.- Івано-Франківськ, 2001.-Вип.38 (т.8). - С.252-255.

Размещено на Allbest.ru