Нове покоління плунжерних насосів високого тиску виробництва ВАТ «Іжнефтемаш»

Р. Є. Газаров,
генеральний конструктор
ВАТ «ВНІІнефтемаш»

У складі спеціалізованих мобільних комплексів нафтогазопромислового обладнання для цементування і кислотної обробки свердловин, гідравлічного розриву пластів, гідропіскоструминної перфорації, глушіння і інших робіт застосовуються пересувні нафтогазопромислові установки з насосами високого тиску, що працюють в складних умовах з абразівосодержащіх, швидкотвердеющими, корозійними та іншими агресивними рідкими середовищами. Від надійності цих установок і перш за все насосів багато в чому залежить якість проведення перерахованих технологічних операцій і, як наслідок, ефективність подальшої експлуатації нафтових і газових свердловин.

Застосовувані в даний час серійні поршневі і плунжерні насоси I, II і III поколінь (табл. 1) не в повній мірі відповідають зростаючим вимогам проведення згаданих відповідальних операцій. Ці насоси відрізняються недостатньою довговічністю і надійністю, збільшеними массогабарітамі, високою питомою матеріаломісткістю (відношення маси до корисної потужності насоса), значною нерівномірністю подачі, низьким ККД. і вузьким діапазоном основних робочих параметрів. Відносно нові малогабаритні швидкохідні насоси IV покоління [1, 2], як правило, працюють з підприєм, наприклад, при гідравлічному розриві пластів, не завжди відповідають технологічним вимогам проведення тампонажних робіт в процесі цементування свердловин. У зв'язку з цим на основі тривалих дослідно-експериментальних досліджень в стендових і промислових умовах [3-5] ВАТ «ВНІІнефтемаш» розробило, а ВАТ «Іжнефтемаш» освоїло виробництво ряду уніфікованих трехплунжерних насосів V покоління (табл. 2). Ці насоси можуть поставлятися в модифікаціях від двох до п'яти відповідно до числа типорозмірів плунжеров. Модифікації насосів крім параметрів в основному відрізняються діаметрами плунжеров і сполученими з ними штатними деталями, в тому числі гідроблоків, виконаними з різними діаметрами расточек під пакети ущільнень плунжеров, а також типорозмірами клапанних вузлів, циліндрових і клапанних кришок.

Таблиця 1

Показники Покоління нефтегазопромислових насосів (дата видачі) I (1950-1960 рр.) II (1961-1970 рр.) III (1971-1985 рр.) IV (1986-2000 рр.) V (2001-201О рр.) Тип Двопоршневий ,
двосторонньої дії Трехплунжерний, односторонньої дії Шифр ​​Т-50 ( НБ-32 )
9Т (НПЦ-32)
9ТМ ( НЦ-320 )
9МГр ( НБ-125 ) НП-100
5НК-500
(ЗНП-32-50, СИН-32)
4Р-700
(СІН-31) НБ-160
14Т1
14Т2
14ТЗ
Н-630 НП-60
НП-160
НП-200
Н-200К
НП-400К
НП-1000К НТП-75К
НТП-175к
НТП-300К
НТП-500К
НТП-800К
НТП -1600
НТП-2000 Потужність, кВт (к. С.) 36-118
(50-160) 73-463
(100-630) 118-463
(160-6301) 36-735
(50-1000) 55-1470
(75-2000) Найбільший тиск, МПа 16-40 16-70 25-70 2,5-105 2,5-140 Механічний ККД,% 70 80 85 88 90 Середнє напрацювання на відмову, год 40 80 120 160 200 Питома матеріаломісткість кг / кВт (кг / л. с.) 22,5-21,5
(16,5-15,8) 21,5-6,5
(15,8-4,8) 20,0-5,0
(14,7-3,7) 18,0-4,0
(13,2-2,9) 14,0-3,0
(10,3-2,2) Примітки.

1. У дужках наведені шифри аналогів насосів, освоєних заводами Росії.
2. Насоси I-III поколінь є морально застарілими; на насоси III покоління отримані а.с. СРСР 253308, 325407, 537194, 712580, 836423, на насоси IV і V поколінь а.с. СРСР №537194, 712580, 836423, 1046629, 1059248, 1237848, 1312245, 1332093, 1336661, 1350381, +1498940,1603113, крім того, на насоси V покоління отримані патенти РФ 2002030, 2041359, свид. РФ одна тисяча триста п'ятьдесят одна.

На рис. 1 показаний трехплунжерний насос НТП-800 - горизонтальний, односторонньої дії (базова модифікація). Він складається з гідравлічної і приводний частин, а також систем їх примусової мастила. Тдравліческая частина насоса кріпиться до приводний за допомогою восьми стяжних шпильок і включає: клапанну коробку (гідроблок), в гніздах якої встановлені взаємозамінні усмоктувальні і нагнітальні клапанні вузли з пружинами стиснення; натискні втулки з центральним шестигранним отвором для кріплення циліндрових і клапанних кришок з манжетні ущільнювачами; збірні плунжери і штоки; універсальні ущільнювальні пакети плунжеров і натискні гвинти. Клапанні вузли типу КПНШ включають сідло, затвор і пружину стиснення. Затвор клапана з зафіксованим на ньому за допомогою замкового сполучення гумовим ущільненням має нижню напрямок у вигляді чотирьох ріжків, шарнірно закріплених до тарелі. Сідло, зафіксоване в конічному отворі гидроблока, має встановлене в зовнішній кільцевій канавці еластичне ущільнення. Як показали багаторічні дослідження і промиеловие випробування, клапанні вузли такого типу відрізняються довговічністю, а головне збільшують коефіцієнт подачі насосів до 7% за рахунок поліпшеного гідродинаміки затворів невеликої маси з безрізьбовим кріпленням ущільнюючих манжет і специфічної конфігурації нижніх поверхонь затворів, що зменшують кути запізнювання відкриття і закриття клапанів .

Збірний плунжер з довжиною ходу 200 мм включає гільзу, в яку з торців встановлюються передня заглушка з ущільненням і задня шайба, стягують тягою зі штоком через центральний отвір в шайбі за допомогою нарізного отвору в заглушці. Така конструкція забезпечує підвищений ресурс плунжера за рахунок самоустановки гільзи і зниження радіальних навантажень на неї в результаті компенсації несоосности між расточкой в ​​гідроблоків і штоком, сполученим з крейцкопфом приводний частини насоса. Робоча поверхня плунжера має поліровану поверхню і зміцнена нанесеним плазмовим способом порошковим зносостійким і корозійностійким покриттям високої твердості.

Ущільнювальний пакет плунжера поджимается натискним гвинтом і має змінну жорсткість, що забезпечується установкою ущільнювальних манжет з матеріалів різної твердості (гумових, гумовотканинних, метало-пластових і поліамідних). Твердість манжет підвищується в напрямку до опорної втулки (грундбуксе), що забезпечує підвищену герметизирующую здатність і довговічність ущільнювального пакета в цілому.

У нижній частині гидроблока через фланці на шпильках кріпиться приймальний колектор, який має в передній частині відведення з швидко з'єднанням. Отвори з пробками, розташованими під всмоктуючими клапанними вузлами, забезпечують за допомогою спеціального пристосування повний злив рідини з циліндрів насоса після його зупинки. У верхній частині гидроблока на рівні верхньої кромки сідел клапанів знаходиться колектор насоса, що з'єднує всі нагнітальні клапанні камери. Нагнітальний колектор має вихідні отвори на лівому і правому торцях гидроблока, до яких кріпляться за допомогою шпильок і гайок нагнітальний маніфольд і запобіжний клапан насосної установки. У верхньому торці фланця гидроблока розташовані штуцери для подачі мастила на поверхні, що труться плунжеров.

Приводная частина насоса включає зварену безраз'емную станину, в якій змонтовані поздовжньо розташовані шатунно-крейцкопфні групи і поперечно встановлений корінний (колінчастий) вал з трьома ексцентрично розташованими шийками. Станина включає зовнішні бічні (боковини) і внутрішні стінки, з'єднані поперечними вертикальними (лобовий, внутрішньої і задньої) перегородками, верхні і нижні горизонтальні плити, а також днище. У лобовій перегородці станини є розточування, в яких монтуються корпуси з розміщеними в них ущільненнями штоків, а також різьбові отвори під стяжні шпильки кріплення гидроблока. До верхньої і нижньої горизонтальним плитам болтами кріпляться напрямні крейцкопфів. Права і ліва боковини в передній частині додатково з'єднані між собою трубчастими колекторами, в яких приварені штуцери, приєднані за допомогою трубопроводів до штуцерів, укрученим в верхні і нижні направляючі крейцкопфів. Колектори, трубопроводи та штуцери служать для примусової подачі мастила під тиском на верхні і нижні направляючі крейцкопфів.

Шатуннокрейцкопфние групи включають сталеві литі крейцкопф і ковані шатуни, в малі головки яких запресовані антифрикційні втулки, що охоплюють пальці крейцкопфів. У великих голівках шатунів розміщені антифрикційні полувкладиші роз'ємних підшипників ковзання, що охоплюють шийки кривошипів колінчастого вала. Великі головки шатунів з'єднані з кришками болтами-стяжками, в шатунах виконані осьові мастильні канали для подачі мастила в підшипники малих головок.

Корінний вал - колінчастого типу, чотириколісні; його опорами служать підшипники кочення. По осі кривошипів корінного вала є отвори для підведення по радіальних каналах мастила на поверхні, що труться шийок кривошипів. На глухому торці корінного вала виконано центральний отвір, в яке введений патрубок вертлюга з манжетним ущільненням для примусового введення мастила в корінний вал.

Картер станини заповнений маслом. З нього за допомогою насосного агрегату, що входить в комплект насосної установки, масло подається під тиском по трубопроводах на робочі поверхні шийок корінного вала і полувкладишей, на поверхні ковзання малих головок шатунів і напрямних накладок крейцкопфів. Рівень масла в картері станини повинен знаходитися між закритими склом двома контрольними отворами, виконаними на боковині станини насоса.

Система змащення насоса забезпечує примусову роздільну мастило рухомих вузлів приводний і гідравлічної частин насоса. Система змащення приводний частини включає приймальний сітчастий фільтр грубої очистки, масляний фільтр тонкого очищення, манометри, запобіжний клапан, приймальний і нагнітальний трубопроводи, змонтовані на станині і кришці корінного підшипника насоса. Приймальний сітчастий фільтр угвинчений внизу картера приводний частини насоса, а масляний фільтр за допомогою полухомутов і плити встановлений збоку насоса. Приймальна лінія, пов'язана з прийомним фільтром, має фланець для приєднання до масляного насосного агрегату, службовцю для нагнітання масла. Нагнітальний трубопровід, також забезпечений приєднувальних фланцем, через фільтр тонкого очищення забезпечує доставку масла одночасно в колектори для змащення верхніх і нижніх направляючих крейцкопфів, а через вертлюг - в корінний вал для змащення головок шатунів. Під тиском, створюваним насосним агрегатом, масло з картера насоса високого тиску підводиться до його вузлів тертя і стікає назад в картер. Тиск в лінії нагнітання обмежується за допомогою запобіжного клапана, який при перевищенні тиску понад встановлений відкривається і перепускає частину масла через лінію дренажу в картер. Система змащення оснащена двома манометрами для контролю тиску масла і стану фільтра тонкого очищення.

Система змащення плунжеров включає масляний бак, установлюваний, наприклад, над насосом; закріплений на кришці підшипника приводний частини шестерінчастий насос з приводом через мультиплікатор від корінного вала; запобіжний клапан; колектор зі зворотним клапаном і голчастими кранами вентильного типу; всмоктуючий і нагнітальні трубопроводи, змонтовані на приводний і гідравлічної частинах насоса. Колектор розподіляє мастило на плунжери, витрата якої регулюється голчастими кранами. При перевищенні тиску в системі вище допустимого частина мастила перепускается в масляний бак.

Таблиця 2

Показники Шифр ​​плунжерного насоса НТП-800 НТП-630 НТП-500 НТП-300 НТП-175 НТП-75 Найбільша потужність, кВт (к. С.):
споживана
корисна (при 90% -ної механічної і 100% -ної об'ємною ефективності)
588 (800)

529 (720)

463 (630)

417 (567)

368 (500)

330 (450)

220 (300)

198 (270)

128 (175)

116 (158)

55 (75)

50 (68)

Найбільший тиск, МПа 80 70 70 70 50 5 Найбільша ідеальна подача, м3 / год (дм3 / с) 182 (50,8) 182 (50,8) 182 (50,8) 166 (46,1) 124 (34, 5) 72 (20,0) Ідеальна подача при тиску 32 МПа, м3 / год (дм3 / с) 60,4 (16,8) 47,5 (13,2) 37,9 (10,5) 22,6 (6,3) 12,9 (3,6) - Діаметр плунжера, мм 100; 110; 125; 140 100; 110; 125; 140 100; 110; 125; 140 90; 100; 110; 125; 140 90; 100; 110; 125; 140 110; 125 Найбільше зусилля на плунжер, кН 628 549 549 493 318 47,5 Габарити, мм:
довжина
ширина
висота
1935
1000
860
1935
1000
860
1935
1000
860
1 905
960
860
1770
960
810
1150
700
685 Середній ресурс до капітального ремонту, год 2000 2500 3000 3500 4000 тисячі Маса, кг 2550 2550 2550 2500 2050 620 питома матеріаломісткість, кг / кВт (кг / л. С.) 4,8 (3,5) 6,1 (4 , 5) 7,7 (5,7) 12,6 (9,3) 17,6 (13,0) 12,4 (9,1)

При роботі насоса НТП-800 колінчастий вал отримує обертання від приводу, наприклад, дизельного силового агрегату типу СА-800, і передає рух шатунам, що призводить в зворотно-поступальний рух крейцкопф, від яких рух через шток передається плунжера. При ході плунжера назад перекачується рідке середовище надходить через всмоктуючий колектор і відкриті усмоктувальні клапани в робочу порожнину гидроблока. При ході плунжера вперед ця рідина при закритих всмоктуючих клапанах витісняється ними з робочої порожнини гидроблока через відкриті нагнітальні клапани в нагнітальний колектор.

Насоси НТП-630 і НТП-500 (див. Табл. 2) за конструктивним виконанням аналогічні насосу НТП-800, а насос НТП-300 оснащений навісним редуктором з передавальним числом 4,5. В якості приводу цих насосів можуть використовуватися або палубні силові агрегати типу СА, змонтовані на рамах-салазкахнефтегазо-промислових установок, або тягові силові агрегати типу ЯМЗ автошасі нефтегазопромислових установок.

Мал.2. Насос трехплунжерний НТП-175:

а - зовнішній вигляд;
б - поздовжній розріз;
7 - гідроблок;
2 - кришка;
3 - втулка нажимная;
4 - вузол клапанний;
5 - пакет ущільнювальний;
6 - плунжер в зборі;
7 - ущільнення штока;
8 - шток;
9 - система мастила;
10 - редуктор вбудований;
11 - станина;
12 - покажчик рівня масла;
13 - вал ексцентриковий (корінної);
14 - вал трансмісійний;
15 - шатун;
16 - крейцкопф;
17 - накладканаправляющая;
18 - гвинт нажімной;
19 - колектор

насос НТП-175 (Рис. 2) на відміну від насосів описаної групи має гідравлічну частину, яка кріпиться задній привалочной площиною до лобової площині предкрейцкопфной камери станини за допомогою шпильок, вкручених в тіло клапанної коробки. Тут використовуються універсальні клапанні вузли типу ВПП спрощеної конструкції з жорстко закріпленим до тарелі затвора нижнім напрямком, натискні втулки з бічними отворами для кріплення циліндрових і клапанних кришок з манжетні ущільнювачами, збірні плунжери з довжиною ходу 160 мм і ін. Клапанні вузли типу ВПП, як і раніше описані типу КПНШ, можуть використовуватися в вітчизняних та зарубіжних поршневих і плунжерних насосах, шифри яких наведені в табл. 3.

Таблиця 3

Показники Тип універсального клапанного вузла в кислотостійку виконанні ВПП-40 / 105К ВПП-32 / 120К ВПП-70 / 120К КПНШ-105 / 116К (посадкові розміри відповідають клапанів по Std.7API №4) КПНШ-50 / 132К (посадкові розміри відповідають клапанів по Std.7API №5) Шифр ​​насоса 9ТМ, 9МГр, НБ-125 , НЦ-320 , НПЦ-32 15гр, ЗНП-32-50, СИН-34, СИН-46, СИН-32, НП-100, НП-160, 2НП-60К, НТП-63, НТП-75 4Р-700, Н-630 , 14Т1, 14Т2, 14ТЗ, СИН-31, СИН-43, НП-200, 5НК-500, БМ-700, НТП-175 НП-1000, НП-1000К, НТП-8 НП-400К TWS-900LW, TWS- 1300, НТП-630, НТП-500, НТП-300 , 00, НТ-400, RR-500 Найбільший тиск, МПа 40 32 70 105 50 Діаметр затвора, мм 105 120 120 116 132

У приводний частини насоса змонтовані збірний корінний вал з ексцентриками і вбудований редуктор шевронного типу з передавальним числом 5. Вісь корінного вала має шлицевую поверхню, на якій встановлені ексцентрики і зубчасті колеса. Опорні підшипники з конічними роликами вала розміщені в знімних склянках, встановлених в гнізда великих бугелів станини. На ексцентрики напресовані підшипники з циліндричними роликами, на яких зафіксовані великі головки шатунів.

Зубчасті колеса корінного вала входять в зачеплення з шестернями трансмісійного вала, який встановлений на підшипниках з циліндричними роликами, розміщених в гніздах малих бугелів станини. Глухий кінець трансмісійного вала забезпечений напівмуфтою для приводу через мультиплікатор шестерневого насоса системи мастила. Змащення тертьових поверхонь насоса комбінована: шляхом розбризкування і примусова - здійснюється шестерінчастим насосом із загальної масляної ванникартера станини. Для контролю за тиском масла система оснащена манометром.

На рис. 3 показаний насос НТП-75 для короткочасних робіт з бескрейцкопфние шатунно-ексцентриковим приводом, зварений корпус якого включає гідроблок, що всмоктує колектор і станину.

Мал.3. Насос трехплунжерний НТП-75:

а - зовнішній вигляд;
б - поздовжній розріз;
1 - гідроблок;
2 - кришка;
3 - вузол клапанний;
4 - пакет ущільнювальний;
5 - гвинт нажімной;
6 - шатунно-плунжерна група;
7 - хомут;
8 - редуктор вбудований;
9 - маслянка наливна;
10 - лапа;
11 - корпус;
12 - вал ексцентриковий;
13 - вал трансмісійний;
14 - бачок зливний;
15 - колектор

У гідроблоків Встановлені клапанні Вузли типу ВПП, спрощеної конструкції упор пружин всмоктуючіх клапанів, шатунно-плунжерні групи, ущільнювальні пакети плунжеров з нажімнімі Гвинт, ціліндрові и клапанні кришки з кільцевімі ущільнювачамі. У верхній части гидроблока розташованій нагнітальній колектор, з одного боку которого встановлен заглушка, а з Іншого - фланець для Приєднання нагнітального трубопроводу. У Нижній части гидроблока находится всмоктуючій колектор, поруч кріпіться злівній бачок, де собирается відпрацьована мастило разом з продуктами знос плунжерній парі. У станині корпусу на підшипниках з конічними роликами встановлені збірний корінний вал з ексцентриками і вбудований редуктор з косозубой передачею (передавальне число становить 6,5). Корінний вал включає циліндричну вісь зі шпонковими пазами, ексцентрики і зубчасте колесо, яке пов'язане з шестернею трансмісійного вала, встановленого на підшипники з циліндричними роликами. На ексцентрики напресовані шарикопідшипники з розташованими на них великими головками шатунів з кріпильними фланцями для приєднання рознімними хомутами до малих голівках шатунів, які перебувають всередині збірних плунжеров. Малі головки з'єднані пальцями через шарнірні підшипники ковзання з плунжерами, одночасно виконують функції крейцкопфів.

Мастило підшипників здійснюється шприцеванием мастила через прес-маслянки, а зубчастої пари - моторним маслом з наливний маслянки (крапельниці), розташованої на корпусі над зубчастим колесом.

Розглянутий ряд насосів V покоління, створений на основі винаходів, перерахованих в табл. 1, імноголетнего досвіду розробників, за основними показниками не поступається кращим зарубіжним зразкам, а за питомою матеріаломісткості перевищує багато з них не менше ніж на 3%. Випробування цих насосів підтвердили їх підвищені довговічність і надійність. Ресурс змінних частин насосів і перш за все плунжерних пар і клапанних вузлів, які зумовлюють напрацювання на відмову будь-яких плунжерних насосів, значно вище ресурсу застосовуються. З трехплунжернимі насосами V покоління багато споживачів вперше ознайомилися на виставці «Сургутнефтегаз - 2002» (м Сургут).

В даний час ВАТ «Іжнефтемаш» освоює промислове виробництво нового багатоцільового мобільного комплексу обладнання для тампонажних робіт, підвищення нефтегазоотдачі пластів та інтенсифікації видобутку вуглеводнів при будівництві та експлуатації свердловин на тиск 80-105 МПа. До складу цих комплексів входять нові універсальні нафтогазопромислові пересувні установки типу УН, УНБ і УНЦ, оснащені насосами V покоління, нової високонадійній запірно-захисною арматурою [б], новими силовими агрегатами типу СА-800 підвищеного ресурсу, освоєння на ФГУП «КГ Трансмаш» ( м.Київ). Це забезпечує високу конкурентоспроможність комплексів, істотне зниження собівартості проведення технологічних операцій при мінімальному числі одиниць обладнання комплексів і максимальному коефіцієнті використання насосних установок; дозволяє підвищити якість, надійність і безпеку проведення таких операцій, вирішити проблему імпорто-заміщення при повному задоволенні потреби внутрішнього ринку та експортних споживачів в продукції.

список літератури

1. Газаров Р. Е. Новий комплект обладнання для гідророзриву пластів КО ГРП-105 / 50К // Конверсія в машинобудуванні. -1997. -№5. -З. 25-32.
2. Нова блокова кущова насосна станція БКНС-160х400 / 20 /, Р. Е. Газаров, В. А. Терпунов, Ю. М. Авілкін і ін. // Конверсія в машинобудуванні. -1999. -№6. -З. 77-81.
3. Газаров Р. Е., Терпуіов В. А., Мелкумян С. А. Підвищення довговічності плунжерних пар насосів пересувних нафтопромислових установок // Хімічне і нафтове машинобудування. -1990. -№8. -З. 6-8.
4. Газаров Р. Е., Гаджієв Р. І., Мелкумян С. А. До розрахунку енергетичних втрат в плунжерних парах насосів нафтопромислових установок // Хімічне і нафтове машинобудування. -1991. -№8. -З. 12-13.
5. Газаров Р. Е, Заславський Ю. В. Про передавальному механізмі плунжерних насосів нафтопромислових установок // Хімічне і нафтове машинобудування. -1994. -№11. -З. 26-28.
6. Даутов Т. М., Газаров Р. Е. Нове покоління нафтогазопромислового запірно-запобіжної арматури на тиск 40 і 70 МПа виробництва ВАТ «Іжнефтемаш» // Нафтове господарство. -2002. -№7. -З. 128-131.

Журнал «нафтопромислове обладнання», 2003 р