Клапанная группа бурового поршневого насоса

 

Изобретение относится к гидромашиностроению и предназначено для использования в поршневых насосах, применяющихся при бурении и при эксплуатации нефтяных скважин. Клапанная группа бурового поршневого насоса состоит из седла с конической уплотняющей поверхностью и клапана с упругим диском. На клапане ниже уплотняющей конической поверхности выполнен цилиндрический поясок-плунжер высотой 3-5 мм. Цилиндрический поясок имеет в нижней части острую отсечную кромку. Верхняя часть отверстия седла обработана с высокой точностью для обеспечения гарантированного диаметрального зазора между цилиндрическим пояском и отверстием седла в пределах δ≤0,2 мм. Изобретение направлено на увеличение ресурса работы насоса с двухфазной средой за счет защиты от разрушения упругого диска клапана воздействием высокоскоростных струй жидкости и снижения интенсивности разрушения уплотнительных конических поверхностей седла и клапана. 2 ил.

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в буровых поршневых насосах, применяющихся при бурении и при эксплуатации нефтяных скважин.

Известны буровые поршневые насосы, гидравлическая часть которых содержит две клапанные группы - напорную и всасывающую, состоящие из седла, запорного органа - клапана и предназначенные для обеспечения процессов нагнетания и всасывания.

При работе таких насосов на двухфазных средах типа "жидкость - твердый компонент" - в виде кварцевого песка мелкого помола и специального порошка-пропандта происходит интенсивное разрушение кольцевых посадочных поверхностей седла, клапана и разрушение упругого резинового диска.

Наиболее близким техническим устройством к изобретению является клапан насоса по SU 541044, кл. F 04 B 21/02, F 16 К 15/10, 30.12.1976, бюл. 48 (автор И. Д. Ливак), который показан на фиг.1 (сохранена нумерация автора). Клапан состоит из запорного органа 1 и седла 2, имеющих кольцевые конические посадочные поверхности 5 и 6. На запорном органе установлен упругий диск-манжета (номер позиции отсутствует). На нижнем торце 3 запорного органа и на верхнем торце 4 седла выполнены кольцевые выступы 7 и 8, образующие вместе со щелью демпфирующую полость 9.

По мнению автора, главной причиной разрушения кольцевых посадочных поверхностей запорного органа и седла и разрушения упругого диска-манжеты являются удары запорного органа о седло.

Основной целью рассматриваемого технического решения является "повышение надежности и долговечности клапанов путем мягкой посадки запорного элемента на седло", что обеспечивается выполнением указанных выше кольцевых выступов 7 и 8 и образованием демпферной полости 9.

Однако анализ реальной картины состояния указанных выше элементов - кольцевых посадочных поверхностей запорного органа - клапана, седла и упругого диска на буровых насосах показывает, что их разрушение происходит вследствие действия других причин.

Прежде всего следует отметить, что конструктивно уплотняющую поверхность упругого диска выполняют так, чтобы она выступала за контур конической уплотняющей поверхности запорного органа - клапана. В противном случае упругий диск не может выполнять функции элемента уплотнения.

Во время роботы насоса при подъеме клапана и при его опускании наименьший зазор щели h_щ образуется между уплотнительной поверхностью седла и поверхностью упругого диска клапана. При этом h_щ<, где h_к - величина подъема клапана. Такое сужение щели начинает работать как дросселирующий элемент, для которого характерны высокие скорости истечения. В результате воздействия высокоскоростных струй жидкости, содержащей твердый компонент, происходит интенсивное разрушение рабочей поверхности упругого диска и отдельных участков уплотнительных поверхностей клапана и седла.

Одновременно с указанным при опускании клапана до момента полного перекрытия зазора между упругим диском и уплотнительной поверхностью седла в щель между клапаном и седлом проникают твердые частицы, имеющие размеры, меньшие зазора на входном участке щели. Так как твердые частицы не могут пройти через сужение щели в районе упругого диска, они задерживаются и защемляются между клапаном и седлом. В результате клапанная группа насоса теряет уплотнительные свойства и выходит из строя. По данным эксплуатации ресурс таких клапанных групп буровых насосов не превышает 10-15 часов, после чего следует ремонт бурового насоса и замена клапанных групп на новые.

Известное техническое устройство не предназначено для устранения причин разрушения, рассмотренных выше - устранения высокоскоростных струй жидкости в районе уплотняющей поверхности упругого диска и устранения защемления твердых круглых частиц в щели между седлом и клапаном.

Совокупность всех признаков известного устройства направлена только на устранение ударов запорного органа о седло. Более того, наличие верхнего кольцевого выступа 8 ухудшает условия работы упругого диска, так как образование дроссельного сужения щели и появление высокоскоростных струй жидкости наступает ранее и при больших значениях подъема клапана, чем для существующих клапанных групп. При этом раньше начинается заполнение щели между седлом и клапаном твердыми частицами, так как их не пропускает образовавшееся сужение щели.

Более тщательный анализ работы известного устройства показывает, что на начальном этапе демпфирования должны одновременно прикрываться дроссельные сужения на входном и на выходном участках щели между седлом и клапаном. В этом случае твердые частицы, попавшие в щель полностью защемляются, а за счет динамического (ударного) повышения давления в щели возможно прямое механическое разрушение (разрыв) уплотняющей поверхности упругого диска как менее прочного элемента.

Цель изобретения - устранение возможности разрушения рабочей поверхности упругого диска клапана воздействием высокоскоростных струй жидкости и уменьшение интенсивности разрушения уплотняющих поверхностей седла и клапана за счет устранения защемления крупных твердых частиц между ними.

Указанная цель достигается тем, что на клапане ниже конической уплотняющей поверхности выполняют цилиндрический поясок-плунжер высотой 3÷5 мм, имеющий в нижней части острую отсечную кромку, а верхнюю часть седла клапана обрабатывают с высокой точностью для обеспечения гарантированного диаметрального зазора между цилиндрическим пояском клапана и отверстием седла в пределах δ≤0,2 мм.

Высота цилиндрического пояска-плунжера 3÷5 мм определяется из двух противоположных требований: с одной стороны - технологические трудности точной обработки цилиндрической поверхности высотой менее 3-х мм, и с другой - необходимостью ограничения максимальной высоты подъема клапана h_{к max}, которая определяется соотношением h_{к mах}=h_{щ mах}+h_n, где h_{щ max} - максимальная высота подъема клапана, необходимая для пропускания определенного расхода жидкости; h_n - высота цилиндрического пояска.

По имеющимся литературным данным /2/ h_{к max}≤15÷18 мм.

Величина диаметрального зазора δ между цилиндрическим пояском и отверстием седла определяется из условия исключения защемления клапана при деформации тарелки, нагруженной максимальным перепадом давления.

По принципу работы пара "цилиндрический поясок - отверстие седла" является элементом запорного органа золотникового типа.

На фиг.2 показана упрощенная конструктивная схема предлагаемой клапанной группы бурового поршневого насоса, где обозначено: 1 - седло; 2 - клапан; 3 - резиновый диск 4; 4 - рабочая (уплотняющая) поверхность резинового диска; 5 - уплотняющая поверхность клапана; 6 - уплотняющая поверхность седла;
7 - цилиндрический поясок-плунжер;
8 - острая отсечная кромка пояска;
9 - специально обработанный (точный) участок отверстия седла;
h_к - высота подъема клапана;
h_щ - высота щели в районе резинового диска.

Работа предлагаемого устройства показана на фиг.2. При подъеме клапана 2 течение жидкости по щели между уплотняющими поверхностями 5 и 6 седла и клапана начинается только после появления зазора h_к между отсечной кромкой 8 цилиндрического пояска 7 и поверхностью 6 седла. При полностью открытой щели в районе упругого диска за счет поворота потока под действием отсечной кромки 8 пояска клапана струи жидкости двигаются вдоль конической уплотнительной поверхности 6 седла, смывая твердые частицы, и проходят район упругого диска 3 при меньших скоростях, чем скорость жидкости в районе отсечной кромки 8.

Аналогичное явление происходит при опускании клапана 2 на седло 1. В начальный момент начинает уменьшаться высота h_к между отсечной кромкой 8 цилиндрического пояска 7 и поверхностью 6 седла при сохранении достаточно большой высоты щели h_щ между уплотнительными коническими поверхностями 5 и 6 седла и клапана, 4 и 6 седла и упругого диска. При этом h_щ>h_к. По мере уменьшения высоты h_к, образованной кромкой цилиндрического пояска, размер твердых частиц, которые могут проникнуть в щель между седлом и клапаном резко снижается, а попавшие в щель - смываются струями жидкости. При подходе отсечной кромки цилиндрического пояска к положению нулевой высоты (h_к-->0) движение жидкости по щели между уплотнительными коническими поверхностями 5 и 6 седла и клапана практически прекращается за счет того, что акустическая проводимость щели между пояском и седлом при неустановившемся движении жидкости становится равной нулю. Отмеченное можно подтвердить зависимостью между динамическим расходом q_v и давлением Δр /3/

где S_щ - площадь щели между пояском и отверстием седла;
а - скорость звука в жидкости;
ρ - плотность среды.

В результате окончательная посадка клапана на седло происходит при отсутствии потока жидкости по щели между ними и при отсутствии твердых частиц в щели.

Таким образом, в результате введения в конструкцию клапанной группы бурового поршневого насоса новых элементов - цилиндрического пояска определенной высоты, имеющего в нижней части острую отсечную кромку, и выполнения определенного зазора между цилиндрическим пояском и отверстием седла, обеспечивается уменьшение интенсивности разрушения упругого уплотнительного элемента клапана и исключается защемления крупных твердых частиц в щели между клапаном и седлом, что приводит к увеличению ресурса клапанной группы.

Формула изобретения

Клапанная группа бурового поршневого насоса, состоящая из седла с конической уплотняющей поверхностью и клапана с упругим диском, отличающаяся тем, что на клапане ниже уплотняющей конической поверхности выполнен цилиндрический поясок-плунжер высотой 3÷5 мм, имеющий в нижней части острую отсечную кромку, а верхняя часть отверстия седла обработана с высокой точностью для обеспечения гарантированного диаметрального зазора между цилиндрическим пояском и отверстием седла в пределах δ≤0,2 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2