Full Text

Введение В настоящее время широко применяются технологии интенсификации добычи нефти, одним из видов которых является гидроразрыв пласта, сопровождающийся выносом механических примесей в добываемую жидкость. Однако при этом наблюдается износ межступенчатых уплотнений, приводящий к увеличению утечек через уплотнения и падению напора насоса. Так, были проведены абразивные стендовые испытания нефтяного насоса ЭЦН5А-320 в течение 8 ч при содержании абразивных частиц 1 % об. Зазор в межступенчатом уплотнении увеличился в 6 раз. Падение напора на номинальной подаче (рис. 1), составило ~30 %. В тех же испытаниях, но при замене уплотнения на износостойкое, падение напора составило только 7 %. Следовательно, утечки через уплотнение являются одним из главных факторов, определяющих надежность нефтяных насосов. Исследования работы погружных нефтяных насосов при перекачке абразивных примесей только начинаются [1–3]. Основное внимание при проектировании погружного насоса уделяется расположению и износостойкости подшипников [4, 5]. При этом вопрос износа межступенчатых уплотнений в данных работах практически не рассматривается. Общие методы по определению надежности погружного оборудования на основе экспериментальных данных об износе приводятся в [6]. Известна методика расчета скорости гидроабразивного износа уплотнений для центробежных насосов [7], но она не учитывает изменение размера зазоров в уплотнении при износе, а соответственно, и изменения скорости износа уплотнения во времени. Скорость износа уплотнений различных типов ступеней (радиальные, диагональные) варьируется достаточно сильно, так как отличаются и размеры уплотнений, и перепад давления на них. Проводить абразивные испытания всех типов Рис. 1. Изменение расходно-напорной характеристики ступени ЭЦН5А-320 при износе межступенчатых уплотнений: ––––– – до абразивных испытаний; – – – – – после испытаний уплотнений при всех рабочих режимах дорого и долго, поэтому необходима методика расчета скорости их износа при заданных условиях. В [7] была предложена полуэмпирическая методика расчета гидроабразивного износа уплотнений поверхностных насосов. Целью данной работы являлась адаптация методики расчета скорости гидроабразивного износа межступенчатых уплотнений для нефтяных погружных насосов путем введения зависимости скорости износа от изменения размеров зазоров и подбор эмпирических коэффициентов скорости износа для уплотнений. Модель износа уплотнений Обозначим ширину зазора в уплотнении между рабочим колесом и направляющим аппаратом через s, а скорость его износа – ds/dt. Величина ds/dt зависит от следующих параметров: – физических свойств твердых частиц: объемной концентрации c, плотности rs, диаметра ds и твердости Hs [8]; – свойств жидкости: кинематической вязкости n, плотности r и скорости w движения жидкости [9, 10] относительно стенок уплотнения между рабочим колесом и направляющим аппаратом; – геометрических размеров уплотнения: ширины S, длины L, радиуса кольцевого зазора R и твердости металла насоса HMe [7, 8]. Следовательно, . (1) Из аргументов функции (1) можно составить следующие безразмерные комбинации: sw/n, c, s/L, , , . Согласно p – теореме теории подобия [11] из (1) получаем следующую зависимость, где функция F безразмерных аргументов умножается на скорость, чтобы совпадали размерности левой и правой частей: (2) Скорость износа ds/dt должна быть пропорциональна энергии, переносимой абразивными частицами в единицу времени, т.е. потоку энергии, или произведению кинетической энергии частицы на ее скорость. Поэтому можно предположить, что разложение функции F в ряд Тейлора по первому аргументу начинается с квадратичного члена. Раскладывая F по второму аргументу, получаем (3) Согласно [12, 13] коэффициент K увеличивается скачком в 10 раз, если , так как происходит заклинивание частиц в зазоре. Уплотнение образуется двумя стенками: неподвижной стенкой направляющего аппарата и вращающейся с угловой скоростью w стенкой рабочего колеса. Скорость w движения жидкости в уплотнении относительно неподвижной стенки направляющего аппарата равна сумме скорости осевого течения cт и перпендикулярной ей средней скорости вращения жидкости за счет движения стенки рабочего колеса, примерно равной wR/2, т.е. , (4) где R – радиус уплотнения. Пусть p1 – давление на входе в уплотнение, p2 – на выходе, тогда , (5) где – потери давления из-за локальных сопротивлений на входе и выходе из уплотнения, для прямоугольных кромок канала [14], , ; , ; Δp – потери на трение согласно [15] , (6) где d – гидравлический диаметр канала, ; S – площадь его сечения; P – периметр. У нас , , т.е. , поэтому из (5) и (6) следует (7) где ΔH – напор ступени, откуда с учетом (4) получим неявную зависимость w(s): (8) Итак, износ уплотнения описывается дифференциальным уравнением (9) (10) где w(s) находится как решение алгебраического уравнения (8). Эмпирическая оценка коэффициента K Подбор коэффициента K производился на основе испытаний ступеней погружного насоса в абразивной среде. В эксперименте заданы следующие условия: – ступень ЭЦН5А – 320, – частота вращения, n = 4500 об/мин, – подача жидкости – 500 м3/сут, – напор, развиваемый одной ступенью, ΔH = 10,52 м, – с = 10 кг/м3, при этом абразивные частицы полностью состоят из кварцевого песка с острыми гранями; – радиус уплотнения, R = 0,0268 м, – длина уплотнения, L = 0,006 м, – ρs = 2200 кг/м3; – размер абразивных частиц 0,5–1,0 мм, по гранулометрическому анализу большая часть частиц имеет размер ds = 0,6 мм; – начальный размер зазора в уплотнении, s0 = 0,175 мм; – размер зазора после 2 ч испытаний, s2 = 0,7 мм; – размер зазора после 8 ч испытаний, s8 = 1,0 мм. Экспериментальная зависимость размера зазора приведена на рис. 2 (сплошная линия). Расчетная зависимость – штриховая линия (после подбора коэффициента K ~ 12). На рис. 3 представлена зависимость скорости износа от размера зазора, скач- Рис. 2. Износ уплотнения ступени в ходе абразивных испытаний: ––– – экспериментальные данные; – – – – расчетные данные Рис. 3. Зависимость скорости износа от размера зазора кообразное изменение скорости износа соответствует зазору, в котором перестают застревать частицы (также соответствует точке перегиба на рис. 2). Заключение Полученная методика расчета скорости гидроабразивного износа позволяет без проведения многочисленных экспериментов сравнить надежность работы погружных нефтяных насосов в различных режимах, к примеру, при работе на разных подачах или на разных частотах. Особенно полезна такая методика при проектировании новых ступеней, так как позволит рассчитать необходимые параметры межступенчатых уплотнений исходя из ожидаемых параметров работы насоса.

About the authors

Viktor Georgievich Ostrovskij

Author for correspondence.
Email: ostrov_13@mail.com
614065, Perm, Shosse Kosmonavtov, 395

research engineer, Novomet-Perm JSC

Sergej Nikolaevich Pesherenko

Email: psn@novomet.ru
614065, Perm, Shosse Kosmonavtov, 395

doctor of physical and mathematical sciences, head of Engineering and Technology Center, Novomet-Perm JSC

References

Statistics

Views

Abstract - 291

PDF (Russian) - 63

Refbacks

• There are currently no refbacks.