ПОРШЕНЬ БУРОВОГО НАСОСА Российский патент 2004 года по МПК F04B53/14 F16J1/00 

Изобретение относится к нефтепромысловой технике, в частности к насосам для перекачки буровых растворов.

Известен поршень, состоящий из осесимметричной металлоарматуры с центральным отверстием и проточками на наружной части, со средним разделительным фланцем, имеющим в основании аксиальные отверстия, с уплотнительными элементами, прикрепленными, например, вулканизацией по обе стороны от разделительного фланца (SU №158492 А, F 16 J 1/04, 1963 г.).

Недостаток известного поршня заключается в том, что эластичная резина при высоких давлениях рабочей среды при возвратно-поступательных перемещениях поршня вытекает в зазор между фланцем металлоарматуры и цилиндром, вытягивается, вырывается, что в дальнейшем приводит к протечке и разрушению поршня высоконапорной струей абразивосодержащей жидкости. На зеркале цилиндра происходит химическое и механическое осаждения микроабразивных частиц, к которым могут прикрепляться и относительно крупные частицы, при этом образуются абразивно-активные объемные наросты, хорошо прикрепленные к зеркалу цилиндра. Эластичные элементы манжет не в состоянии очистить зеркало цилиндра, которое в данном случае является источником их объемного абразивного износа наряду с абразивными частицами, взвешенными в жидкости. Подверженность уплотнительной манжеты поршня, выполненной из резины, резорбции интенсифицирует ее износ. При страгивании поршня со стороны давления среды возникают значительные растягивающие напряжения в эластичном материале за счет опережающего движения части манжеты, удаленной от зеркала цилиндра, и необходимости создания значительных напряжений для преодоления сил трения покоя в зоне контакта манжеты с цилиндром. Увеличение жесткости материала уплотнения снижает его герметизирующие способности, но снижает и растягивающие напряжения. Растягивающие напряжения приводят к разрушению уплотнения за счет образования микротрещин, попадания туда абразива и в дальнейшем катастрофического адсорбционнного снижения прочности материала уплотнения.

Известен поршень, состоящий из осесимметричной металлоарматуры с центральным отверстием и проточками на наружной части, со средним разделительным фланцем, имеющим в основании аксиальные отверстия, с уплотнительными элементами, прикрепленными, например, вулканизацией по обе стороны от разделительного фланца, в который с боковых сторон фланца введены опорные поршневые кольца (RU 2030660, F 16 J 1/00, 10.03.1995 г.).

Данный поршень имеет преимущество перед описанным выше аналогом, т.к. поршневые кольца ограничивают возможность выдавливания в зазор между фланцем и цилиндром эластичного материала уплотнительного элемента.

Однако конструкция поршневых колец сложна в изготовлении, и конструкция поршня не может противостоять его абразивному износу.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является повышение надежности и ресурса работы поршня при высоких давлениях при перекачке абразивосодержащих сред.

Поставленная задача достигается тем, что в поршне бурового насоса, состоящего из осесимметричной металлоарматуры с центральным отверстием и проточками на наружной части, со средним разделительным фланцем, имеющим наружный диаметр меньший, чем внутренний диаметр цилиндра, а в основании аксиальные отверстия, с монолитным уплотнительным элементом, имеющим передние конические и тыльные цилиндрические уплотнительные поверхности, прикрепленным, например, вулканизацией по обе стороны от разделительного фланца, участки уплотнительного элемента со стороны передних конических и тыльных цилиндрических участков, со стороны боковых поверхностей и над разделительным фланцем выполнены с более высокой твердостью и прочностью путем введения жестких в тангенциальном направлении, проницаемых для материала уплотнительного элемента армирующих элементов, обладающих адгезией и монолитно связанных с материалом уплотнительного элемента, а на наружной цилиндрической поверхности фланца выполнены дополнительные проточки, а над ним размещена часть монолитного уплотнительного элемента.

Сущность изобретения заключается в введении жестких армирующих элементов, монолитно связанных с материалом уплотнительного элемента, расположенных непосредственно в зоне трения и выполненных проницаемыми для материала уплотнительного элемента.

Жесткие проницаемые армирующие элементы могут быть выполнены упругими в радиальном направлении и расположены вдоль передней конической и тыльной цилиндрической уплотнительных поверхностей.

Жесткие проницаемые армирующие элементы могут быть выполнены переменной жесткости и твердости, причем наибольшая жесткость и твердость выполнена на передней рабочей кромке и со стороны торцов разделительного фланца.

Жесткие проницаемые армирующие элементы могут быть выполнены по форме в виде пары усеченных полых конусов, переходящих в полый цилиндр L-расположенной части полого цилиндра, расположенного над цилиндрической поверхностью разделительного фланца.

Жесткие проницаемые армирующие элементы прикреплены радиально расположенными частями к торцам разделительного фланца.

Жесткие проницаемые армирующие элементы могут быть выполнены из объемного проволочного проницаемого материала.

Жесткие проницаемые армирующие элементы выполнены с разрезами на участке полого усеченного конуса, причем сумма наибольших ширин разрезов определяется с учетом зависимости:

∑Ci≥π (D-d),

где Ci - наибольшие ширины разрезов (i=1, 2, 3...) в плоскости, перпендикулярной оси поршня, мм;

D - наибольший диаметр уплотнительного элемента поршня перед сборкой, мм;

d - диаметр цилиндрической части уплотнительного элемента или отверстия цилиндровой втулки, мм.

Жесткие проницаемые армирующие элементы могут быть выполнены из антифрикционного материала, обладающего хорошими адгезионными свойствами по отношению к материалу уплотнительного элемента, например, из медесодержащего сплава.

Жесткие проницаемые армирующие элементы выполнены из комбинации различных проволок с различными свойствами, одни из которых выполнены из антифрикционного материала, обладающего хорошими адгезионными свойствами по отношению к материалу уплотнительного элемента, другие - из высокотеплопроводного материала, а третьи - из высокопрочного материала.

Жесткие проницаемые армирующие элементы могут быть выполнены из стали и покрыты антифрикционным материалом, обладающим хорошими адгезионными свойствами по отношению к материалу уплотнительного элемента, например, из медесодержащего сплава.

Жесткие проницаемые армирующие элементы и металлоарматура со стороны уплотнительного элемента могут быть дополнительно покрыты веществом, повышающим адгезионные свойства по отношению к материалу уплотнительного элемента, например, “Хемасилом”.

Кроме того, все проточки имеют округления по вершинам и впадинам.

Жесткие проницаемые армирующие элементы могут быть выполнены из объемного упругого в радиальном направлении проволочного проницаемого материала.

На фиг.1 показана конструкция поршня бурового насоса; на фиг.2 - вид А на фиг.1 (материал уплотнительного элемента условно не показан).

Поршень бурового насоса (фиг.1) состоит из осесимметричного корпуса 1 металлоарматуры с центральным отверстием 2 и проточками 3 на наружной части 4. Корпус 1 выполнен со средним разделительным фланцем 5, имеющим наружный диаметр d₁ меньший, чем наружный диаметр цилиндрической части поршня d (или внутренний диаметр цилиндра), а в его основании выполнены аксиальные отверстия 6 для прохода материала уплотнительного элемента 7, который выполнен монолитным. Уплотнительный элемент 7, имеющий наружные передние конические 8 и тыльные цилиндрические 9 уплотнительные поверхности, прикреплен, например, вулканизацией к корпусу 1 по обе стороны от и над разделительным фланцем 5. В уплотнительный элемент 7 введены жесткие в тангенциальном направлении (в радиальном направлении они могут быть и упругими) проницаемые для материала уплотнительного элемента 7 армирующие элементы 10, 11, обладающие адгезией и монолитно связанные с материалом уплотнительного элемента 7, расположенные вдоль уплотнительной поверхности и со стороны торцов 12 фланца 5, наружная часть которых совпадает с наружной уплотнительной поверхностью уплотнительного элемента 7. Жесткие в тангенциальном направлении проницаемые армирующие элементы 10 могут быть выполнены упругими в радиальном направлении (например, из металлорезины) и обеспечивать постоянное поджатие их к зеркалу цилиндра. На наружной цилиндрической поверхности 13 фланца 5 выполнены дополнительные проточки 14, над которыми размещена часть материала монолитного уплотнительного элемента 7. Жесткие проницаемые армирующие элементы 10, 11 могут быть выполнены переменной жесткости (плотности), причем наибольшая жесткость выполнена на передней рабочей кромке 15 и на радиально расположенной части 16 со стороны торцов 12 разделительного фланца 5. Жесткие проницаемые армирующие элементы 10 могут быть выполнены по форме в виде пары усеченных полых конусов 17, переходящих в полый цилиндр 18, L-образной формы в сечении с аксиальными отверстиями 19 на радиально расположенной части 16, а армирующие элементы 11 в виде полого цилиндра, расположенного над цилиндрической поверхностью 13 разделительного фланца 5. Жесткие проницаемые армирующие элементы 10 могут быть прикреплены радиально расположенными частями 16 к торцам 12 разделительного фланца 5, например, сваркой, механическим креплением и т.д. Жесткие проницаемые армирующие элементы 10, 11 могут быть выполнены из объемного проволочного, проницаемого материала. Жесткие проницаемые армирующие элементы 10 выполнены с разрезами 20 прямоугольной или клиновой формы (фиг.2) на участке полого усеченного конуса 17 на длину "В", причем сумма наибольших ширин разрезов 20 определяется с учетом зависимости:

∑Ci≥π (D-d),

где Ci - наибольшие ширины разрезов в плоскости, перпендикулярной оси поршня, мм;

D - наибольший диаметр уплотнительного элемента поршня (по передней рабочей кромке 15 в недеформированном положении) перед сборкой, мм;

d - диаметр цилиндрической части 9 уплотнительного элемента 7 или отверстия цилиндровой втулки, мм.

Жесткие проницаемые армирующие элементы 10, 11 могут быть выполнены из антифрикционного материала, обладающего хорошими адгезионными свойствами по отношению к материалу уплотнительного элемента, например, из медесодержащего сплава (медь, латунь, бронза, алюминиевые сплавы или из стали), и покрыты антифрикционным материалом, обладающим хорошими адгезионными свойствами по отношению к материалу уплотнительного элемента, например, из медесодержащего сплава. Жесткие армирующие проницаемые элементы 10, 11 и корпус 1 металлоарматуры со стороны уплотнительного элемента 7 могут быть дополнительно покрыты веществом, повышающим адгезионные свойства по отношению к материалу уплотнительного элемента 7, например, “Хемасилом”.

Проточки 3, дополнительные проточки 14 могут иметь округления по вершинам и впадинам.

При изготовлении поршня корпус 1 и жесткие армирующие проницаемые элементы 10, 11 закладываются в пресс-форму и заливаются формовочным эластичным материалом под давлением, который хорошо проникает в поры, каналы, щели проницаемого материала.

Поршень работает следующим образом. При сборке коническая часть 17 деформируется и становится цилиндрической, т.к. упруго сжимается эластичный материал уплотнительного элемента 7 и упругий в радиальном направлении жесткий армирующий проницаемый элемент 10 - усеченный конус. Для небольших значений D разрезы 20 не выполняют. Для больших значений D выполняют разрезы 20, которые при сжатии жесткого проницаемого армирующего элемента 10 уменьшаются до нуля Ci→0. При этом в зоне контакта уплотнительного элемента 7 с зеркалом цилиндра создаются достаточные для герметизации контактные давления. За счет введения жестких армирующих проницаемых элементов 10, 11 твердость и жесткость в зоне трения уплотнительного элемента 7 значительно выше. Повышенная жесткость и твердость на передней рабочей кромке 15 уплотнительного элемента 7 улучшает очистительную способность для зеркала цилиндра. Более низкая твердость и жесткость на части поверхности трения между передней кромкой 15 и радиально расположенной частью 16 обеспечивает высокую уплотнительную способность поршня. Повышенная жесткость и твердость на радиально расположенной части 16 уплотнительного элемента 7 обеспечивает защиту от выдавливания в зазор сопряжения "поршень - цилиндр" эластичного материала и выполняет функцию опорного элемента. Отверстия 19 в жестком армирующем элементе 10 служат для проникновения в пространство над фланцем 5 эластичного материала при изготовлении и передают рабочее давление при работе через эластичный материал.

Таким образом, при работе поршня по зеркалу цилиндра перемещается жесткий проницаемый (пористый) армирующий элемент, "пропитанный" эластичным материалом, который герметизирует зазор сопряжения "поршень - цилиндр" и работает как "ерш" по очистке зеркала цилиндра от налипших абразивных частиц. Учитывая более высокую прочность и износостойкость металла по сравнению с эластомерами в условии абразивного износа, жесткие проницаемые армирующие элементы 10, 11 уменьшают общий износ уплотнительного элемента 7 и повышают срок его службы. Особенно следует отметить улучшение работы поршня в момент его страгивания (при прилипании уплотнения), жесткие проницаемые армирующие элементы 10, 11 перераспределяют напряжения растяжения на всю длину поверхности трения уплотнительного элемента, не создавая опасных напряжений растяжения, вызывающих разрушение материала уплотнения. Прикрепление жестких проницаемых армирующих элементов 10 радиальными частями 16 к торцам 12 разделительного фланца 5 корпуса 1, например, сваркой создает очень жесткий каркас с корпусом 1, что осложняет отрыв эластичного материала от металлоарматуры в месте прикрепления к торцам 12 фланца 5 в момент страгивания (часто и имеет место) и повышает долговечность поршня.

Выполнение жестких проницаемых армирующих элементов 10, 11 из объемного проволочного, проницаемого материала позволяет обеспечить хорошее проникновение в поры, щели, каналы эластичного материала уплотнения для обеспечения монолитности и неразрывности поршня. Это позволяет локально в зоне трения поршня с цилиндром создать твердую, прочную поверхность, которая обладает к тому же и хорошей герметизирующей способностью, так как промежутки внутри жестких проницаемых армирующих элементов заполнены эластичным материалом уплотнительного элемента. Промыть такую поверхность абразивной струей затруднительно, т.к. необходимо произвести разрушение прочного материала каркаса жестких проницаемых армирующих элементов 10, 11.

Данная конструкция поршня позволяет применять в своей основе эластичный материал не высокой твердости, который обладает высокой герметизирующей способностью, обеспечивает передачу давления среды на материал в зоне трения поршня с цилиндром в силу квазитекучести эластичных материалов. Выполнение жестких проницаемых армирующих элементов 10, 11 из антифрикционных материалов позволяет снизить коэффициент трения в зоне трения поршня с цилиндром и улучшить его работоспособность.

Медесодержащие сплавы достаточно антифрикционные по отношению к стали, чугуну, при этом они обладают хорошей адгезионной способностью к резине при спекании с ней и обеспечивают прочность сцепления. То же самое относится и к материалам стальным, но имеющим покрытия из медесодержащих сплавов, при этом стальной материал может значительно превосходить по прочности материал медесодержащего сплава, при этом возрастает и прочность на разрыв уплотнительного элемента 7 поршня. Жесткие проницаемые армирующие элементы 10, 11 и корпус 1 металлоарматуры со стороны уплотнительного элемента 7 могут быть дополнительно покрыты веществом, повышающим адгезионные свойства по отношению к материалу уплотнительного элемента 7, например, “Хемасилом”, который образует дополнительные химические связи с материалом уплотнительного элемента 7. Следует обратить внимание на то, что проточки 3 и дополнительные проточки 14 имеют округления по вершинам и впадинам. Это снижает концентрацию опасных напряжений в эластичном материале и исключает создание очагов разрушения в местах контакта с концентратором напряжения, что также повышает ресурс работы уплотнительных элементов 7. Следует обратить внимание на то, что использование металлических, жестких проницаемых элементов 10, 11 (особенно из алюминия и его сплавов, затем медь и ее сплавы) позволяет отвести тепло из зоны трения по зеркалу цилиндра в глубь материала уплотнительного элемента 7 и даже к корпусу 1 металлоарматуры (когда элементы 10, 11 жестко прикреплены или соприкасаются с ним), что очень важно при больших давлениях среды, когда из-за значительных сил трения сильно нагревается в контактной зоне уплотнительный материал, что является одной из причин его разрушения в результате теплового разложения.

Жесткие проницаемые армирующие элементы 10, 11 могут быть выполнены из комбинации различных проволок, полимерных нитей с различными свойствами, одни из которых выполнены из антифрикционною материала (медесодержащие сплавы), обладающего хорошими адгезионными свойствами по отношению к материалу уплотнительного элемента, другие - из высокотеплопроводного материала (алюминийсодержащие сплавы), обеспечивают интенсивный отвод тепла из зоны трения, а третьи - из высокопрочного материала (сталь, нейлон, лавсан), обеспечивают общую прочность и износостойкость уплотнения.

Данная конструкция поршня обеспечивает повышение долговечности в условиях работы при высоких давлениях с абразивосодержащими жидкостями и может быть использована в уплотнениях, работающих в условии высоких давлений рабочих сред и абразивного износа в различных отраслях промышленности.

Устройство предназначено для использования в области нефтепромысловой техники, в частности в насосах для перекачки буровых растворов. Поршень состоит из осесимметричного корпуса металлоарматуры с центральным отверстием и проточками на наружной части. Корпус выполнен со средним разделительным фланцем, имеющим наружный диаметр d₁ меньший, чем наружный диаметр цилиндрической части поршня d, а в его основании выполнены аксиальные отверстия для прохода материала уплотнительного элемента, который выполнен монолитным. Уплотнительный элемент, имеющий передние конические и тыльные цилиндрические уплотнительные поверхности, прикреплен, например, вулканизацией к корпусу по обе стороны от и над разделительным фланцем. В уплотнительный элемент введены жесткие в тангенциальном направлении (в радиальном направлении они могут быть и упругими), проницаемые для материала уплотнительного элемента армирующие элементы, обладающие адгезией и монолитно связанные с материалом уплотнительного элемента, расположенные вдоль уплотнительной поверхности и по торцам фланца, наружная часть которых совпадает с наружной уплотнительной поверхностью уплотнительного элемента. На наружной цилиндрической поверхности фланца выполнены кольцевые проточки, а над ними размещена часть материала монолитного уплотнительного элемента. На наружной цилиндрической поверхности фланца выполнены кольцевые проточки, а над ними размещена часть материала монолитного уплотнительного элемента. Жесткие проницаемые армирующие элементы выполнены в виде пары усеченных полых конусов, переходящих в полый цилиндр L-образной формы в сечении, с аксиальными отверстиями на радиально расположенной части, и цилиндрической гильзы, расположенной над цилиндрической поверхностью разделительного фланца. Жесткие проницаемые армирующие элементы выполнены из объемного проволочного, проницаемого материала. При сборке коническая часть деформируется и становится цилиндрической. Данная конструкция поршня обеспечивает повышение долговечности в условиях работы при высоких давлениях с абразивосодержащими жидкостями и может быть использована в уплотнениях, работающих в условии высоких давлений рабочих сред и абразивного износа в различных отраслях промышленности. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Поршень бурового насоса, состоящий из осесимметричного корпуса металлоарматуры с центральным отверстием и проточками на наружной части, со средним разделительным фланцем, имеющим наружный диаметр, меньший, чем наружный диаметр цилиндрической части поршня, а в основании аксиальные отверстия, с монолитным уплотнительным элементом, имеющим передние конические и тыльные цилиндрические уплотнительные поверхности, прикрепленным, например, вулканизацией по обе стороны от торцов разделительного фланца, отличающийся тем, что участки уплотнительного элемента со стороны передних конических и тыльных цилиндрических участков, со стороны боковых поверхностей и над разделительным фланцем выполнены с более высокими твердостью и прочностью путем введения жестких в тангенциальном направлении, проницаемых для материала уплотнительного элемента армирующих элементов, обладающих адгезией и монолитно связанных с материалом уплотнительного элемента, а на наружной цилиндрической поверхности фланца выполнены кольцевые проточки, а над ним размещена часть монолитного уплотнительного элемента.2. Поршень бурового насоса по п.1, отличающийся тем, что жесткие проницаемые армирующие элементы выполнены упругими в радиальном направлении и расположены вдоль передней конической и тыльной цилиндрической уплотнительных поверхностей.3. Поршень бурового насоса по п.2, отличающийся тем, что жесткие проницаемые армирующие элементы выполнены переменных жесткости и твердости, причем наибольшие жесткость и твердость выполнены на передней рабочей кромке и со стороны торцов разделительного фланца.4. Поршень бурового насоса по п.3, отличающийся тем, что жесткие проницаемые армирующие элементы выполнены по форме в виде пары усеченных полых конусов, переходящих в полый цилиндр L-образной формы всечении, с аксиальными отверстиями на радиально расположенной части и полого цилиндра, расположенного над цилиндрической поверхностью разделительного фланца.5. Поршень бурового насоса по п.4, отличающийся тем, что жесткие проницаемые армирующие элементы прикреплены радиально расположенными частями к боковым поверхностям разделительного фланца.6. Поршень бурового насоса по п.4, отличающийся тем, что жесткие проницаемые армирующие элементы выполнены из объемного проволочного проницаемого материала.7. Поршень бурового насоса по п.4, отличающийся тем, что жесткие проницаемые армирующие элементы выполнены с разрезами на участке полого усеченного конуса, причем сумма наибольших ширин разрезов определяется с учетом зависимости.

∑C_i ≥ π(D-d),

где C_i - наибольшие ширины разрезов (i=1,2,3…) в плоскости, перпендикулярной оси поршня, мм;

D - наибольший диаметр уплотнительного элемента поршня перед сборкой, мм;

d - диаметр цилиндрической части уплотнительного элемента или отверстия цилиндровой втулки, мм.