МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС Российский патент 1998 года по МПК F04D1/06 F04D13/10 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при добыче нефти и других пластовых жидкостей с высоким содержанием абразивных частиц.

Известны многоступенчатые центробежные насосы, ступени которых выполнены из специального цериево-бористового чугуна с ферритной основой, а защитные втулки вала и опорные шайбы направляющих аппаратов из латуни и текстолита. (Животовский И. С. , Смойловская А.А. Лопастные насосы для абразивных гидросмесей. -М. Машиностроение, 1978, с. 77 - 90) В процессе эксплуатации насосной секции рабочие органы и опорные элементы ступеней образуют трущиеся поверхности (пары трения) из-за синусоидальных изгибов вала, вызванных воздействующими на него осевыми нагрузками. Данная ступень обладает низкой износостойкостью, так как износ диаметра трущихся поверхностей за межремонтный период эксплуатации насосного агрегата в скважине превышает 30%. Неизбежны частые подъемы секций насоса и замена изношенных деталей, что резко снижает экономичность установки в целом. Наработка на отказ 300 - 400 суток.

Известна также пара трения, один элемент которой выполнен из специального цериево-бористового чугуна с ферритной основой, а ответный из порошковой стали на основе железа. (Полезная модель N 1725, кл. F 16 C 33 /12, 1996). Пористая структура этих материалов и их низкая твердость (чугун 150 НВ, сталь 60 НВ) делает пару трения специальный чугун - порошковая сталь на основе железа нестойкой к гидрообразивному износу, который представляет собой потерю веса или объема трущихся поверхностей, происходящую под воздействием взвешенных в перекачиваемой жидкости наносов.

Абразивный износ ведет к снижению энергетических характеристик гидромашины, и увеличению потребляемой энергии, а также требует значительных затрат на ремонтные работы.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является решение по а. с. N 1710842, согласно которому многоступенчатый центробежный насос содержит рабочие колеса со ступицами и ведущими дисками, дистанционные втулки, зафиксированные между ступицами рабочих колес, направляющие аппараты с лопастями и переводными каналами и межступенные уплотнительные кольца, поверхности которых обращены к переводным каналам и профилированы.

Однако данная конструкция насоса не обеспечивает надежной защиты ступени от интенсивного износа, который растет с увеличением числа ступеней, создающим большие нагрузки на вал. Кроме того, наличие дополнительных деталей (дистанционных втулок и уплотнительных колец), требующих частой замены, резко снижает технологичность изготовления насоса и увеличивает эксплуатационные затраты.

Целью предлагаемого технического решения является повышение надежности насоса и снижение эксплуатационных затрат путем увеличения износостойкости трущихся деталей и длительности межремонтных периодов.

Для этого рабочие органы многоступенчатого центробежного насоса выполнены из перлитного или перлитно-ферритного чугуна, модифицированного редкоземельными металлами в количестве до 0,01 - 0,02% от объема чугуна и прошедшего термическую обработку путем нагрева рабочих органов объемным методом или током высокой частоты до температуры мартенситного превращения и закалки с последующим низким отпуском. Наиболее эффективно выполнение рабочих органов насоса из чугуна следующего химического состава, в% : C - 3,0 - 3,6; Mn - 0,4 - 0,6; Si - 2,7 - 3,0; Cr - 0,08 - 0,12; Cu - 0,3 - 0,4; Ce - 0,01 - 0,02; основа - остальное. Рабочие органы закалены на твердость 43-47 НRС. Материал выполнения ответных деталей пар трения должен соответствовать условию равностойкости с модифицированным и прошедшим термическую обработку чугуном. Этому условию соответствует такой материал, как порошковая конструкционная сталь, материалы с плазменным напылением. На чертеже изображена ступень многоступенчатого центробежного насоса.

Насос содержит корпус 1 с закрепленными в нем на опорных шайбах 2 направляющими аппаратами 3 и вал 4 с рабочими колесами 5, закрепленными на валу 4 между защитными втулками 6.

Наибольшему износу в процессе перекачки пластовой жидкости подвержены рабочие колеса 5 и направляющие аппараты 3. Наружные диски рабочих колес изнашиваются в результате движения взвесенесущего потока из напорной полости в область с меньшим давлением, а выходные кромки и рабочие поверхности лопастей подвержены износу вплоть до образования каверн и сквозных отверстий из-за крупных включений и наносов, твердость которых по шкале Мооса 5-5,5. Направляющие аппараты 3 изнашиваются в зонах сопряжения с корпусом 1 и защитными втулками 6 из-за синусоидальных изгибов вала и вибрации. Рабочие органы выполненные из перлитного или перлитно-ферритного чугуна, модифицированные редкоземельными металлами (иттрий, церий) и прошедшие термическую обработку до температуры мартенситного превращения и закалку с отпуском, которые работают в паре трения с защитными втулками и опорными шайбами из равностойкого к гидроабразивному износу материала, позволяют повысить износостойкость насоса и увеличить межремонтный период эксплуатации насосных установок.

Выполненные таким образом многоступенчатые центробежные насосы прошли промысловые испытания в пластовой жидкости с содержанием абразива 0,1 - 0,2% и температурой до 200^oC. Наработка на отказ ступеней насоса увеличилась в 3 раза по сравнению с серийными за счет снижения износа пар трения.

Износ диаметра трущихся поверхностей после 1 года эксплуатации составил 5 - 7%, скорость износа пар трения в относительных единицах уменьшилась в среднем в 2,5 - 3 раза.

Многоступенчатый центробежный насос может быть использован при добыче нефти и других пластовых жидкостей с высоким содержанием абразива, обуславливающим быстрый износ трущихся деталей ступени насоса. Насос содержит корпус с закрепленными в нем на опорных шайбах направляющими аппаратами и вал с рабочими колесами. Последние закреплены на валу между защитными втулками. Рабочие колеса и направляющие аппараты выполнены из перлитного или перлитно-ферритного чугуна, модифицированного редкоземельными металлами и закаленного на мартенситную структуру с последующим низким отпуском и имеющего твердость 43-47 НРС. Ответные детали пар трения выполнны из материала, соответствующего условию равностойкости материалу рабочих колес и направляющих аппаратов. Использование изобретения позволяет увеличить износостойкость трущихся деталей и дополнительность межремонтных периодов. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Многоступенчатый центробежный насос, содержащий корпус с закрепленными в нем на опорных шайбах направляющими аппаратами и вал с рабочими колесами, закрепленными на валу между защитными втулками, составляющие в процессе перекачки пластовой жидкости радиальные и торцевые пары трения, отличающийся тем, что рабочие колеса и направляющие аппараты выполнены из перлитного или перлитно-ферритного чугуна, модифицированного редкоземельными металлами и закаленного на мартенситную структуру с последующим низким отпуском и имеющего твердость 43 - 47 HRC, а ответные детали пар трения выполнены из материала, соответствующего условию равностойкости материалу рабочих колес и направляющих аппаратов. 2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что рабочие колеса и направляющие аппараты выполнены из чугуна следующего состава, мас.%:
Углерод - 3,0 - 3,6
Марганец - 0,4 - 0,6
Кремний - 2,7 - 3,0
Хром - 0,03 - 0,12
Медь - 0,3 - 0,4
Церий - 0,01 - 0,02
Основа - Остальноец