ПОРШЕНЬ БУРОВОГО НАСОСА Российский патент 1998 года по МПК F16J1/00 F04B5/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в буровых установках при перекачивании абразивосодержащих жидкостей, главным образом, при повышенных давлениях и температурах.

Известен поршень бурового насоса, включающий сердечник поршня, уплотнительные манжеты, шток и распорные втулки, изготовленный ступенчатым по внутреннему диаметру и размещаемый в цилиндровой втулке (авт. свид. N 284609 "Буровой поршневой насос", кл. F 04 B 5/00, 1970).

Известен поршень бурового насоса, содержащий корпус поршня, установленный на штоке, уплотнительные манжеты, закрепленные на корпусе поршня с помощью манжетодержателей, крепежных и фиксирующих элементов, устанавливаемый в цилиндровой втулке (авт. свид. N 324411, "Поршневой насос", кл. F 04 F 1/14, 1972 - прототип).

Недостаток конструкции известного поршня бурового насоса, работающего в условиях повышенных давлений, температур и взаимодействия с агрессивными средами, заключается в небольшом ресурсе его работы, обусловленном быстрым износом уплотнительной манжеты поршня, выполненной из формовой резины и обладающей невысокими физико-механическими свойствами, недостаточными прочностью, износостойкостью и низкой резистентностью к разрушению в условиях прямого взаимодействия с абразивосодержащими агрессивными перекачиваемыми средами. Подверженность уплотнительной манжеты поршня, выполненной из резины, резорбции интенсифицирует ее износ и, следовательно, усугубляет перечисленные недостатки конструкции известного поршня бурового насоса.

Сильное трение уплотнительной манжеты, выполненной из резины, при скольжении ее по цилиндровой втулке вызывает значительный нагрев трущихся и сопряженных с ними поверхностей деталей поршня бурового насоса. Активное действие сил трения и нагрев уплотнительной поверхности манжеты создают дополнительные предпосылки для ее интенсивного износа и разрушения.

Согласно прототипу на контактных поверхностях уплотнительной манжеты и манжетодержателя либо инвариантного конструктивного элемента ее крепления возникают, в основном, растягивающие напряжения. Поверхностный слой манжеты имеет неизбежные для любого материала микротрещины и микродефекты различных размеров и ориентации - начальные дефекты. Под действием создающихся на закрепляемой поверхности манжеты напряжений растяжения, а также под влиянием механических, тепловых и других воздействий на краях микротрещин возникают перенапряжения, распространяющиеся к вершинам микротрещин. В результате перечисленных воздействий герминативные микротрещины расклиниваются, и у вершины наиболее опасной из них начинается спонтанный катастрофический рост трещины, преобразующейся в одну магистральную трещину, вдоль которой разрастаются явления износа уплотнительной манжеты. При эксплуатации бурового насоса на поверхности контакта уплотнительной манжеты с манжетодержателем - поверхности преимущественно с растягивающими напряжениями - множество микротрещин ускоренно развивается единым фронтом, на поверхности манжеты возникает адсорбционный эффект снижения прочности, разрастаются дефекты и в местах контакта с манжетодержателем происходит дополнительный износ манжеты.

Перечисленные недостатки являются причиной небольшого ресурса работы поршня бурового насоса, обусловленного быстрым износом уплотнительной манжеты поршня.

Данным изобретением решается задача увеличения ресурса работы поршня бурового насоса путем обеспечения высокой долговечности работы уплотнительной манжеты поршня.

Достигается это тем, что уплотнительную манжету поршня выполняют из полимерного материала повышенной прочности, износостойкости и эластичности, внешнюю поверхность манжеты снабжают специальной заостренной кромкой, препятствующей попаданию абразивных частиц между трущимися поверхностями манжеты и цилиндровой втулки, а также создают на контактных поверхностях уплотнительной манжеты и манжетодержателя, при их креплении, напряжения сжатия, предотвращающие интенсификацию износа манжеты, вызываемого расклиниванием и разрастанием микротрещин и микродефектов, благодаря их смыканию под воздействием специально создаваемых напряжений сжатия.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном поршне бурового насоса, содержащем корпус поршня, установленный на штоке, уплотнительные манжеты, закрепленные на корпусе поршня с помощью манжетодержателей, крепежных и фиксирующих элементов, - уплотнительная манжета поршня бурового насоса выполнена из полиуретанового эластомера, снабжена на внешней уплотняющей поверхности абразивозачищающей кромкой и сопряжена с манжетодержателем по кольцевым, соответственно, внутренней и наружной поверхностям радиусного профиля, с величинами радиусов, удовлетворяющих соотношению, при котором на внутренней кольцевой поверхности уплотнительной манжеты создаются сжимающие напряжения.

Отличительными признаками предложенного поршня бурового насоса от прототипа являются выполнение уплотнительной манжеты поршня из полиуретанового эластомера, оснащение внешней уплотняющей поверхности манжеты абразивозачищающей кромкой и сопряжение манжеты и манжетодержателя друг с другом по кольцевым радиусного профиля внутренней поверхности манжеты с наружной поверхностью манжетодержателя, с величинами радиусов профиля сопрягаемых поверхностей, регламентируемыми соотношением: 0,95 ≤ (r₁/r₂) < 1, где r₁ - радиус профиля внутренней кольцевой поверхности уплотнительной манжеты, мм; r₂ - радиус профиля наружной кольцевой поверхности манжетодержателя, мм.

Указанные признаки конструкции поршня бурового насоса необходимы и достаточны во всех случаях выполнения устройства с достижением вышеуказанного технического результата.

На фиг.1 показан общий вид описываемого поршня бурового насоса; на фиг.2 - профили сопрягаемых поверхностей уплотнительной манжеты и манжетодержателя.

Поршень бурового насоса содержит корпус 1 поршня, установленный на штоке 2, уплотнительные манжеты 3, закрепленные на корпусе поршня с помощью манжетодержателей 4. Манжетодержатели соединены с корпусом поршня посредством крепежных болтов 5. Самопроизвольный поворот крепежных болтов предотвращается фиксирующими элементами 6. Поршень бурового насоса размещен в цилиндровой втулке 7.

Уплотнительная манжета на своей внешней уплотняющей периферийной поверхности, взаимодействующей с поверхностью цилиндровой втулки, снабжена абразивозачищающей заостренной кромкой 8. Передняя поверхность (ПП) уплотнительной манжеты, формирующая абразивозачищающую кромку, расположена в плоскости, перпендикулярной оси поршня бурового насоса. Задняя поверхность (ЗП) уплотнительной манжеты, также формирующая абразивозачищающую кромку, представляет собой коническую поверхность с образующей конуса, расположенной под углом 15-20^o к образующей цилиндра цилиндровой втулки. Задняя поверхность формирует положительный задний угол уплотнительной манжеты. Для усиления абразивозачищающего эффекта передняя поверхность уплотнительной манжеты может выполняться так же, как и задняя поверхность, - конической с положительным передним углом 10-15^o. Пересечение передней и задней поверхностей образуют абразивозачищающую кромку с углом заострения рабочих поверхностей - углом между передней и задней поверхностями, назначаемым в пределах 55-75^o.

Уплотнительная манжета поршня выполнена из полиуретанового эластомера, обладающего, по сравнению с манжетами резиновыми, резинотканевыми и резинометаллическими, более высокими физико-механическими свойствами, большей прочностью, износостойкостью, высокой резистентностью к разрушению в условиях повышенных давлений, температур и прямого взаимодействия с абразивосодержащими агрессивными перекачиваемыми средами. Манжета из полиуретанового эластомера не поглощает перекачиваемую среду, не проявляет признаков рассасывания, как это имеет место при использовании резиновых, резинотканевых и резинометаллических уплотнительных манжет. Скольжение манжеты из полиуретанового эластомера, имеющего небольшой коэффициент трения, по цилиндровой втулке бурового насоса не влечет возникновения больших сил трения, нагрева и разрушения манжеты, как это имеет место при ее выполнении из резины и других вышеперечисленных традиционных материалов.

Поверхность сопряжения манжеты 3 с манжетодержателем 4 представляет собой кольцевую внутреннюю поверхность (канавку) радиусного профиля - внутреннюю тороидальную поверхность. Поверхность сопряжения манжетодержателя 4 с манжетой 3 представляет собой ответную кольцевую наружную поверхность (выступ) радиусного профиля - наружную тороидальную поверхность. Радиус r₁ профиля внутренней кольцевой поверхности уплотнительной манжеты меньше радиуса r₂ профиля наружной кольцевой поверхности манжетодержателя. Величины этих радиусов находятся в соотношении 0,95≤(r₁/ r₂)<1.

При сборке поршня бурового насоса боковые стороны кольцевой канавки манжеты 3 и кольцевого выступа манжетодержателя 4 входят в контакт по всему кольцевому периметру канавки и выступа. При этом, благодаря разным по величине радиусам канавки r₁ и выступа r₂, образуются внеконтактные поверхности (ВП) манжеты и манжетодержателя, ограниченные точками 9 и 10. Следующее в процессе сборки поджатие манжеты 3 манжетодержателем 4, посредством крепежных болтов 5, вызывает сближение внеконтактных поверхностей, ограниченных общими точками 9 и 10 манжеты и манжетодержателя. Точки 9 и 10 на манжетодержателе и прилегающие к ним прямые участки манжетодержателя начинают, на фоне общей упругой деформации манжеты, сдвигать ответные точки 9 и 10, принадлежащие манжете, в направлении А и Б, вызывая на радиусной поверхности манжеты преимущественно напряжения сжатия.

Эффект достижения напряжений сжатия обеспечивается благодаря тому, что радиус профиля сопрягаемой поверхности манжетодержателя больше радиуса профиля сопрягаемой поверхности манжеты. Вследствие этого внеконтактная, в процессе сборки, поверхность манжеты, расположенная между точками 9 и 10, упруго деформируясь под давлением манжетодержателя, подвергается поверхностным напряжениям сжатия.

Поверхностный слой материала манжеты между точками 9 и 10, по которому осуществляется ее зажатие, имеет неизбежные для любого материала латентные микротрещины и микродефекты различных размеров и ориентации, включения, неоднородности и несовершенства структуры, т.е. начальные дефекты. Под действием создаваемого на закрепляемой поверхности манжеты напряжения, преимущественно напряжения сжатия, микротрещины и микродефекты смыкаются. В таком сомкнутом состоянии микротрещины и микродефекты манжеты оказываются запертыми вследствие дальнейшего поджатия манжетодержателя, при котором радиусные профили сопрягаемых деталей вступают в полный контакт, с последующим (при завершении сборочных операций поршня) увеличением степени поджатия манжетодержателя.

Воздействие на уплотнительную манжету, закрепленную описанным образом, циклических нагрузок и коррозионной среды не вызывает спонтанного роста микротрещин и микродефектов, их развитие замедляется, благодаря чему износ манжеты в контактных зонах ее зажатия манжетодержателем уменьшается.

Поршень бурового насоса работает следующим образом. При перемещении корпуса 1 поршня штоком 2 абразивозачищающая кромка 8, находящаяся на внешней уплотняющей поверхности манжеты 3, зачищает поверхность цилиндровой втулки 7 от оседающих абразивных частиц, содержащихся в перекачиваемой жидкости. Каждый раз при перемещении поршня одна из манжет 3, находящаяся под давлением, перемещается по поверхности, которая предварительно очищена другой манжетой 3, находящейся в сливной полости цилиндровой втулки 1.

Для реституции и повышения герметичности уплотнения манжеты 3 при износе трущихся поверхностей осуществляют дополнительное сжатие манжеты с помощью манжетодержателей 4 и крепежных болтов 5. После этого крепежные болты 5 стопорятся от самопроизвольного поворота фиксирующими элементами 6.

Применение в поршне бурового насоса манжеты, выполненной из полиуретанового эластомера, обеспечивает ее высокие эксплуатационные свойства: высокую прочность, хорошую эластичность, высокое сопротивление истиранию, многократным деформациям и раздиранию, стойкость к действиям растворителей.

Оснащение манжеты поршня бурового насоса абразивозачищающей кромкой, взаимодействующей с поверхностью цилиндровой втулки, позволяет избежать попадания оседающих абразивных частиц на трущиеся поверхности манжеты и цилиндровой втулки и предотвратить, таким образом, преждевременный их износ.

Выполнение поверхностей сопряжения манжеты и манжетодержателя по кольцевым, соответственно, внутренней и наружной поверхностям радиусного профиля, с величинами радиусов, удовлетворяющих предлагаемому соотношению: 0,95 ≤(r₁/r₂)<1, создает напряжения сжатия на сопрягаемой радиусной поверхности манжеты. Благодаря этому микротрещины и микродефекты на закрепляемой поверхности манжеты смыкаются, их самопроизвольный рост прекращается, и, следовательно, износ манжеты в контактных зонах ее зажатия замедляется.

Достижение описанного положительного эффекта обеспечивается указанным соотношением радиусов сопрягаемых поверхностей r₁ манжеты и r₂ манжетодержателя. Отношение r₁/r₂, согласно предлагаемой зависимости, не должно становиться равным единице, при котором будет иметь место недопустимое равенство радиусов r₁ и r₂. Радиус r₂ не должен принимать значений больших, чем радиус r₁ так как в этом случае больший радиус r₂ манжетодержателя будет растягивать сопрягаемую поверхность манжеты меньшего радиуса r₁. При этом вместо напряжений сжатия, смыкающих микротрещины и микродефекты, на поверхности манжеты будут возникать обратные явления, приводящие к расклиниванию микротрещин и микродефектов. При упомянутом недопустимом равенстве радиусов сопрягаемых поверхностей r₁ манжеты и r₂ манжетодержателя также не создается на сопрягаемой поверхности манжеты напряжений сжатия и не достигается требуемый положительный эффект смыкания микротрещин и микродефектов. Кроме того, отношение r₁/r₂ не должно принимать значений, меньших 0,95, так как в этом случае радиус профиля сопрягаемой поверхности манжетодержателя недопустимо превысит радиус профиля сопрягаемой поверхности манжеты. Упругих свойств материала манжеты в этом случае окажется недостаточно - податливость материала манжеты опередит возможность создания на сопрягаемой ее поверхности напряжений сжатия; под давлением манжетодержателя сопрягаемая поверхность манжеты разойдется раньше, чем на ней удастся, опережающим образом, создать и зафиксировать напряжения сжатия. Перечисленными причинами обусловлен выбор указанного диапазона соотношений радиусов сопрягаемых поверхностей r₁ манжеты и r₂ манжетодержателя.

Использование предложенных поршней буровых насосов осуществлено на нефтедобывающих предприятиях АООТ "ЛУКойл -Когалымнефтегаз". Уплотнительные манжеты поршней выполнялись из полиуретана марки Адипрен L - 167 на основе простых полиэфиров и представляли собой монолитные кольца описанной оригинальной геометрии. Практика использования поршней буровых насосов показала, что фактическая их наработка на отказ составила 700 и более часов; это в 2-3 раза превышает аналогичный показатель поршней буровых насосов традиционных известных конструкций.

Использование: изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано в буровых установках при перекачивании абразивосодержащих жидкостей, главным образом при повышенных давлениях и температурах. Сущность изобретения: уплотнительная манжета поршня бурового насоса выполнена из полиуретанового эластомера, снабжена абразивозачищающей кромкой на внешней уплотняющей поверхности и сопряжена с манжетодержателем по кольцевым, соответственно, внутренней и наружной поверхностям радиусного профиля, с величинами радиусов, удовлетворяющими соотношению: 0,95 ≤ (r₁/r₂) < 1, где r₁ - радиус профиля внутренней кольцевой поверхности уплотнительной манжеты, мм; r₂ - радиус профиля наружной кольцевой поверхности манжетодержателя, мм. 2 ил.

Поршень бурового насоса, содержащий корпус поршня, установленный на штоке, уплотнительные манжеты, закрепленные на корпусе поршня с помощью манжетодержателей, крепежных и фиксирующих элементов, отличающийся тем, что уплотнительная манжета поршня бурового насоса выполнена из полиуретанового эластомера, снабжена абразивозачищающей кромкой на внешней уплотняющей поверхности и сопряжена с манжетодержателем по кольцевым соответственно внутренней и наружной поверхностям радиусного профиля, с величинами радиусов, удовлетворяющими соотношению
0,95 ≤ r₁/r₂ < 1,
где r₁ - радиус профиля внутренней кольцевой поверхности уплотнительной манжеты, мм;
r₂ - радиус профиля наружной кольцевой поверхности манжетодержателя, мм.