УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ И КРЕПЛЕНИЯ КАБЕЛЯ К СЕКЦИИ НАСОСА Российский патент 2015 года по МПК F04D29/62 F04D13/10 

Предложенное изобретение относится к предохранительным и крепежным устройствам кабельных линий питания погружных электродвигателей, используемых в качестве приводов центробежных насосов для добычи нефти и других пластовых жидкостей.

В современной нефтяной промышленности задача крепления токоподводящего кабеля и его защиты от механических повреждений при спускоподъемных операциях решается с помощью различных устройств. Известно, например, устройство для крепления, протектолайзер, (Патент РФ 23331801, кл. F04D 29/62, опубл. 20.08.2008), содержащее цельнолитой корпус с пазом для укладки кабельного удлинителя, монтируемый на местах установки ребер насоса посредством болтового соединения с пружинной шайбой. Крепление корпуса к основанию секции насоса выполнено непосредственно болтовым соединением с пружинной шайбой и осуществлено с дополнительной опорой на фланец основания секции насоса. Такое выполнение обеспечивает фиксацию кабельного удлинителя от радиального перемещения относительно погружной установки.

Однако недостатком является то, что укладка кабельной линии в паз - трудоемкая операция, при проведении которой неизбежно механическое повреждение кабеля. Внутренняя часть протектолайзера выполнена таким образом, что внутренние стенки, образующие паз, выполнены таким образом, что мешают свободному прохождению кабеля в паз протектолайзера, что влечет за собой механические повреждения кабеля, причем в данной конструкции не предусматривается конструктива, который оказывала бы прижимное воздействие на кабель со стороны протектолайзера на кабель и на основание секции насоса, что приводит к некачественному, неплотному прижатию кабеля. Т.е. при воздействии осевой нагрузки на кабель, кабель будет перемещаться внутри паза, повреждаясь о стенки протектолайзера, т.е. функции протектолайзера не выполняются на практике. Данное устройство является ненадежным в эксплуатации. Возникает вероятность перебоя питания кабеля и остановка работы всей насосной секции. Кроме того, при демонтаже изъятие кабельной линии будет сопровождаться механическим воздействием на протектолайзер с возможным повреждением протектолайзера и кабельной линии, что усложняет демонтаж и надежность работы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является устройство (узел) крепления кабеля к элементам насосной установки (Патент N2417301, E21B 17/00, опубл. 27.04.2011), содержащей секцию насоса, включающую основание с фланцами, в основании имеется шейка, выполненная между фланцами, при этом часть верхнего фланца выполнена в виде детали прямоугольной формы (в прототипе названа опорной стенкой), имеющая сквозное отверстие под болт и верхнюю площадку - горизонтальную полку, на которую укладывается кабель, кожух (протектолайзер в описании прототипа) устанавливается поверх кабеля. Нижняя часть верхней стенки кожуха и верхняя площадка детали прямоугольной формы образуют паз для укладки кабеля.

Боковые стенки кожуха в прототипе названы двумя защитными ребрами протектолайзера, соединены верхней стенкой (дугообразной перемычкой). Боковые стенки кожуха (в описании прототипа защитные ребра) имеют посадочные места для размещения крепежных элементов, служащих для крепления кабеля посредством прижимного элемента, расположенного над горизонтальной полкой дугообразной перемычки, при этом оба защитных ребра с одного конца снабжены отверстиями под крепежный болт, причем одно из защитных ребер имеет отверстие большего диаметра и со смещенным центром. Крепежный болт снабжен эксцентриком, крепежный болт имеет крепежную гайку с шайбой, который устанавливается в отверстие большего диаметра, а торцевая и нижняя поверхности защитных ребер имеют криволинейное сопряжение, при этом нижняя поверхность защитных ребер является опорной поверхностью для контактирования с поверхностью опорной площадки основания секции насоса.

Недостатком является то, что весь прижимной элемент выполнен в виде узкой металлической полоски (верхней стенки кожуха). При воздействии сторонних сил на кабель, в месте крепления верхней стенки - перемычки прижимного элемента возникает концентрация напряжения. Т.е. вся нагрузка идет на малую площадь части прижимного элемента, опоясывающего кабель, равную площади перемычки, удерживающей кабель, что приводит к повреждению или обрыву кабеля в этом месте. Это снижает надежность работы устройства. Недостатком является также то, что в прототипе нет защиты от механических фронтальных воздействий, т.к. перемычка не защищает кабель на протяжении всей длины основания секции насоса в связи с тем, что выполнена в виде узкой металлической полоски.

Недостатком является то, что прототип состоит из трех составных элементов: боковых стенок - в описании прототипа представлены как защитные ребра в виде двух отдельных деталей, соединенных между собой перемычкой с помощью болтовых соединений. Известно, что каждый сборочный узел является концентратором напряжений и несет в себе риск присутствия заводского брака, что отрицательно сказывается на надежности работы прототипа.

Недостатком является то, что при затягивании болта гайкой происходит только прижатие боковых стенок (защитных ребер) к детали прямоугольной формы (опорной стенке), но не происходит прижатия верхней стенки (дугообразной перемычки) к кабелю и прижатия кабеля к верхней площадке детали прямоугольной формы. В прототипе имеются два отверстия: одно выполнено круглой формы под резьбу болта, а второе отверстие имеет больший диаметр для фиксации в нем стержня болта с эксцентриком, выполненного у головки болта. Эксцентрик имеет конфигурацию большего отверстия и устанавливается в большее отверстие, что исключает прокручивание болта при затягивании (т.е. функцией эксцентрика болта является фиксация болта в одном положении в наибольшем отверстии ребра протектолайзера).

В прототипе достаточно трудоемкая операция прижатия кабеля - двумя болтами, причем поочередно, а весь монтаж - тремя болтами.

Задачей изобретения является повышение надежности работы устройства защиты и крепления кабеля к секции насоса (далее - устройства) с одновременным упрощением устройства и конструкции насосной секции в целом. Задача решается за счет технического результата - обеспечения надежной фиксации кабеля при минимальных габаритах и массе устройства.

Поставленная задача решается предлагаемым изобретением за счет того, что в устройстве защиты и крепления кабеля к секции насоса, содержащем основание, в котором имеется шейка, выполненная между фланцами, при этом часть верхнего фланца выполнена в виде детали прямоугольной формы, имеющей сквозное отверстие под болт и верхнюю площадку, на которую укладывается кабель, кожух установлен поверх кабеля и имеет боковые стенки, снабженные отверстиями, при этом нижняя часть верхней стенки кожуха и верхняя площадка образуют паз под кабель, болт, согласно изобретению кожух выполнен цельным, верхняя стенка кожуха имеет длину от верхнего до нижнего фланца, по всей длине кожуха выполнены ребра жесткости, переходящие в боковые стенки кожуха, выполненные ступенчатыми, боковые стенки снабжены с одной стороны отверстием продолговатой формы, с другой стороны - отверстием большего диаметра каплевидной формы, сужающимся к основанию, болт имеет конусную часть, расширяющуюся к головке болта, с возможностью фиксации в отверстии каплевидной формы.

В прототипе кожух состоит из трех составных элементов: боковых стенок, соединенных между собой перемычкой, а в предлагаемом устройстве кожух является цельным, т.е. не имеет сборочных элементов. Отсутствие составных элементов и мест соединений деталей в предлагаемом кожухе минимизирует возможность брака устройства крепления, чем достигается скорость монтажа, исключение минимизации возникновения ошибки при монтаже, что увеличивает надежность конструкции и, соответственно, надежность работы устройства.

Выполнение верхней части кожуха длиною от верхнего до нижнего фланца предохраняет кабельный удлинитель от прямых (фронтальных) механических повреждений при спускоподъемных операциях по всей длине основания насосной секции и обеспечивает прижатие кабельного удлинителя к верхней площадке детали прямоугольной формы на всей ее длине, что оказывает надежное и безопасное прижатие, удержание кабеля, исключая механические повреждения устройством даже при действии сторонних сил на кабель или на всю колонну в целом, при спускоподъемных операциях. В отличие от прототипа, в котором возникает концентрация напряжения на малую площадь, т.к. прижимной элемент выполнен в виде узкой металлической полоски, в предлагаемом изобретении напряжение распределяется на всю длину кожуха, т.е. от верхнего до нижнего фланца, что исключает концентрацию напряжения в одном узком месте, сохраняя кабель. Это приводит к повышению надежности работы устройства.

Выполнение ребер жесткости по всей длине кожуха, переходящих в боковые стороны кожуха, увеличивает предел прочности кожуха при изгибе, т.е. обеспечивают поперечную жесткость данной конструкции. Боковые стенки выполнены ступенчатыми с целью увеличения размеров боковых стенок, то есть поперечного сечения кожуха, что также увеличивает жесткость кожуха, что приводит к повышению надежности работы устройства.

Ребра жесткости и боковые стенки кожуха предотвращают перемещение кабеля в радиальном направлении и служат защитой для кабельного удлинителя от механических боковых и фронтальных воздействий на протяжении всей длины основания секции насосов, что приводит к повышению надежности работы устройства. А прототип же защищает кабель только от боковых механических повреждений.

В отличие от прототипа (в котором перемычка узкая, площадь ее прижатия к кабелю мала), в предлагаемом изобретении осуществляется надежная фиксация кабеля к основанию по сравнению с прототипом, т.к. обеспечена максимально возможная площадь прижатия, что повышает надежность работы устройства.

В предлагаемом изобретении одним болтом осуществляется прижим боковых стенок кожуха к детали прямоугольной формы, а также прижатие верхней стенки кожуха к кабелю и к верхней площадке детали прямоугольной формы. В прототипе это делается с помощью трех болтов, что влечет за собой увеличение габаритов самого устройства, что уменьшает просвет сечения колонны НКТ. Увеличивается и масса устройства (узла) в прототипе. Предлагаемое устройство позволяет увеличить просвет сечения колонны НКТ по сравнению с прототипом за счет меньших габаритов устройства, что обеспечивает надежность работы устройства и, следовательно, безопасный спуск и поднятие колонны НКТ.

В прототипе достаточно сложная и трудоемкая операция прижатия кабеля - двумя болтами, причем поочередно.

В предлагаемом изобретении устанавливается и затягивается одновременно одним болтом, чем обеспечивается упрощение монтажа устройства с одновременным повышением надежности работы устройства.

В предлагаемом изобретении деталь прямоугольной формы со сквозным отверстием служит посадочным местом, при фиксации устройства болтом через сквозное отверстие.

При затягивании болта гайкой в прототипе происходит только прижатие боковых стенок (защитных ребер) к детали прямоугольной формы (опорной стенке). В прототипе имеются два отверстия, оси указанных отверстий смещены относительно друг друга, одно выполнено круглой формы под резьбу болта, а второе отверстие имеет больший диаметр для фиксации в нем стержня болта с эксцентриком, выполненного у головки болта. Эксцентрик имеет конфигурацию большего отверстия и устанавливается в отверстие большего диаметра, что исключает прокручивания болта при затягивании. В предлагаемом изобретении крепление кожуха устройства осуществляется принципиально по-другому. В прототипе эксцентрик болта устанавливается и фиксируется только в боковых стенках кожуха (протектолайзера), т.е. его роль ограничивается фиксацией и удержанием болта в стенке протектолайзера. Конусная часть болта предлагаемого изобретения выполнена так, что радиус сквозного отверстия детали прямоугольной формы больше радиуса основной части болта с резьбой, но меньше радиуса сечения конусной части болта у головки болта. Конусная часть входит через каплевидное отверстие в сквозное отверстие детали прямоугольной формы, затягиваясь гайкой с другой боковой стороны кожуха, при этом и происходит затягивание боковых стенок кожуха при одновременном опускании всего кожуха на кабель. При вращательном движении гайки с шайбой болт совершает поступательное движение. При этом кожух совершает движение в плоскости, перпендикулярной оси болта. Это обеспечивает прижатие кожухом кабеля к прямоугольной детали основания насосной секции. Это приводит к повышению надежности работы устройства с одновременным упрощением устройства и конструкции насосной секции в целом.

А в прототипе при вращательном движении гайки не происходит опускание протектолайзера на кабель и его прижатие к верхней площадке детали прямоугольной формы. В прототипе по бокам от горизонтальной полки перемычки выполнены два углубления, в которых выполнены два крепежных отверстия специально для крепления кабеля посредством скобы и двух крепежных элементов, болтов или винтов. Таким образом, в прототипе не происходит прижатие кабеля к детали прямоугольной формы, выполненной в верхней части основания секции насоса путем завинчивания гайки с шайбой на болте, имеющем эксцентрик.

В предлагаемом изобретении крепление устройства к основанию осуществляется следующим образом: болт продевается через каплевидное отверстие боковой стенки кожуха, через сквозное отверстие детали прямоугольной формы в основании секции насоса, через продолговатое отверстие второй боковой стенки кожуха. В отличие от прототипа оси указанных отверстий не смещены относительно друг друга. Болт имеет основную часть с резьбой и конусную часть, расширяющуюся к головке болта. При этом гайка, проходя по резьбе, вытягивает в свою сторону болт через продолговатое отверстие и подтягивает с другой стороны кожуха расширяющуюся конусную часть к головке болта к каплевидному отверстию. Узкая часть каплевидного отверстия равна диаметру основной части болта и выполнена расширяющейся по направлению к кабельному удлинителю. При прохождении конусной части через каплевидное отверстие, конусная часть болта при затягивании гайкой, увеличиваясь в сечении каплевидного отверстия, стремится занять наибольший радиус, что приводит к опусканию кожуха к кабелю и плотному прижатию кабеля к верхней площадке детали прямоугольной формы.

Продолговатое отверстие выполнено одним радиусом с параллельными направляющими с целью вертикального хождения в нем болта вдоль параллельных направляющих.

Каплевидное отверстие выполнено разными радиусами, соединенными между собой конусными направляющими с целью перемещения в нем конусной части болта по конусным направляющим от меньшего радиуса каплевидного отверстия к большему. Повреждение кабеля исключено за счет плавной регулировки прижатия кабеля. Затягивание гайки дает возможность плавной регулировки прижатия кабеля с точностью до микрон. На каждый токопроводящий элемент кабеля нанесена изоляция, поверх которой наносится свинец при использовании кабеля при более высоких температурах. Если кабель выполнен с использованием свинца, то он тяжелее и требует более плотного прижатия по сравнению с кабелем, не имеющим свинца. Таким образом, плавная регулировка прижатия кабеля приводит к расширению технологических возможностей.

Гайка устанавливается с шайбой. Шайба, выполненная пружинной, служит для предотвращения раскручивания гайки под воздействием вибрации и внешних воздействий. Для крепления используется болт.

В предлагаемом изобретении облегчается защитное устройство до минимальной массы, то есть габариты уменьшаются до минимально возможных. Габариты и вес предлагаемого устройства позволяют установить дополнительное оборудование, например, телеметрическое, электротеплоизоляционное и т.п., на данном участке, не выходя за габариты секции насоса, что также приводит к расширению технологических возможностей. Прототип же имеет большие габариты, он гораздо объемнее, что снижает возможность установления дополнительного оборудования.

Данная конструкция может быть выполнена из любых марок металла, которые не поддаются воздействию агрессивных сред, что позволяет использовать устройство в любых условиях, что также приводит к расширению технологических возможностей и увеличивает количество циклов использования данного устройства, что повышает надежность устройства.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан вид сбоку на предлагаемое устройство; на фиг.2 - вид сбоку на основание секции насоса; на фиг.3 - сечение A-A на фиг.2; на фиг.4 - вид спереди на опорную стенку и шейку насосной секции; на фиг.5 - боковая стенка кожуха с продолговатым отверстием; на фиг.6 - боковая стенка кожуха с каплевидным отверстием; на фиг.7 - болт с головкой с конусной и основной частями, вид сбоку; на фиг.8 - гайка, главный вид и вид слева; на фиг.9 - шайба пружинная, главный вид и вид слева; на фиг.10 - кожух изометрия; на фиг.11 - устройство, изометрия, вид сверху; на фиг.12 - схема установки устройства на секциях насосной установки.

Устройство содержит секцию насоса 1 (фиг.1-12), включающую основание 2 (фиг.1 и 2), шейку 3 (фиг.1 и 2), фланцы 4 и 5 (фиг.1 и 2), деталь прямоугольной формы 6 (фиг.2 и 3), имеющая сквозное отверстие 7 (фиг.2 и 3) под болт 8 (фиг.7) и верхнюю площадку 9 (фиг.2, 3, 4), на которую укладывается кабель 10 (фиг.1 и 4). Поверх кабеля 10 укладывается кожух 11 (фиг.10). Кожух 11 имеет ребра жесткости 12 (фиг 4), переходящие в боковые стенки 13 и 14 и верхнюю стенку 15. Боковая стенка 13 (фиг.4 и 6) снабжена с одной стороны - отверстием продолговатой формы 16, боковая стенка с другой стороны - отверстием каплевидной формы 17 (фиг.6 и 5) Со стороны отверстия продолговатой формы 16 на болт 8 устанавливается гайка 18 (фиг.8) с шайбой 19 (фиг.9). Болт 8 имеет конусную часть 20 (фиг.7), расширяющуюся к головке болта 21 (фиг.7), и основную часть с резьбой 22 (фиг.7), а конусная часть 20 болта фиксируется на отверстии каплевидной формы 17. При этом верхняя площадка 9 образует паз 23 (фиг.4) с предлагаемым устройством 24 (фиг.11).

Устройство работает следующим образом.

Во время сборки секции погружной насосной установки 1 (фиг.1, фиг.12) осуществляется крепление устройства 24 (фиг.11) к основанию секции насоса 2 (фиг.1 и 2) следующим образом: болт 8 (фиг.7) устанавливается через каплевидное отверстие 17 (фиг.6) боковой стенки 14 (фиг.6) кожуха 11 (фиг.10), затем через сквозное отверстие 7 (фиг.2 и 3) детали прямоугольной формы 6 (фиг.2 и 3) в основании секции насоса 2(фиг.1 и 2), далее он проходит через продолговатое отверстие 16 (фиг.5) второй боковой стенки 13 (фиг.5) кожуха. Болт 8 (фиг.7) состоит из основной части с резьбой 22 (фиг.7) и конусной части 20 (фиг.7), расширяющейся к головке болта 21 (фиг.7). Гайка 18 (фиг.8) при затягивании вытягивает в свою сторону болт 8 (фиг.7) через продолговатое отверстие 16 (фиг.5) и подтягивает с другой стороны 14(фиг.6) расширяющуюся конусную часть 20 (фиг.7) к головке болта 21 (фиг.7) к каплевидному отверстию 17 (фиг.6). Узкая часть каплевидного отверстия 17 (фиг.6) равна диаметру основной части болта 22 (фиг.7) и выполнена расширяющейся по направлению к кабельному удлинителю 10 (фиг.1 и 4). При прохождении конусной части 20 (фиг 7) через каплевидное отверстие 17 (фиг 6) конусная часть болта 20 (фиг.7) при затягивании гайкой 18 (фиг.8), увеличиваясь в сечении каплевидного отверстия 17 (фиг 6), стремится занять наибольший радиус, что приводит к опусканию устройства к кабелю 10 (фиг.1 и 4) и плотному прижатию кабеля 10 (фиг.1 и 4) к верхней площадке 9 (фиг.2, 3, 4) детали прямоугольной формы.

Продолговатое отверстие 16 (фиг.5) выполнено одним радиусом с параллельными направляющими с целью вертикального хождения в нем болта 8 (фиг.7) вдоль параллельных направляющих.

Каплевидное отверстие 17 (фиг.6) выполнено разными радиусами, соединенными между собой конусными направляющими с целью перемещения в нем конусной части болта 20 (фиг.7) по конусным направляющим от меньшего радиуса каплевидного отверстия 17 (фиг 6) к большему. Повреждение кабеля 10 (фиг.1 и 4) исключено за счет плавной регулировки прижатия кабеля 10 (фиг.1 и 4). Затягивание гайки 18 (фиг.8) дает возможность плавной регулировки прижатия кабеля 10 (фиг.1 и 4) с точностью до микрон. На каждый токопроводящий элемент кабеля нанесена изоляция, поверх которой наносится свинец при использовании кабеля при более высоких температурах. Если кабель 10 (фиг.4 и 1) выполнен с использованием свинца, то он тяжелее и требует более плотного прижатия по сравнению с кабелем 10, не имеющим свинца. Таким образом, плавная регулировка прижатия кабеля 10 приводит к расширению технологических возможностей.

Гайка 18 (фиг.8) устанавливается с шайбой 19 (фиг.9). Шайба 19, выполненная пружинной, служит для предотвращения раскручивания гайки 18 под воздействием вибрации и внешних воздействий.

Таким образом, предлагаемое устройство приводит также к сокращению времени и упрощению монтажа, демонтажа, уменьшению габаритов и числа узлов болтовых соединений в конструкции, минимизации возникновения ошибки при демонтаже устройства, исключению возможности обрыва кабеля, обеспечивая надежность работы устройства.

Габариты, вес и отсутствие составных элементов кожуха обеспечивают устройству низкую себестоимость.

Изобретение относится к предохранительным и крепежным устройствам кабельных линий питания погружных электродвигателей, используемых в качестве приводов центробежных насосов для добычи нефти и других пластовых жидкостей. Устройство содержит основание с шейкой 3 между фланцами 4, 5. Часть верхнего фланца 5 секции 1 насоса выполнена в виде детали прямоугольной формы, имеющее отверстие под болт и верхнюю площадку, на которую укладывается кабель 10. Поверх кабеля 10 установлен кожух с боковыми стенками 14, имеющими отверстия. Нижняя часть верхней стенки кожуха и верхняя площадка образуют паз под кабель 10. Кожух выполнен цельным, верхняя стенка устройства имеет длину от фланца 5 до фланца 4. По всей длине кожуха выполнены ребра жесткости, переходящие в боковые стенки 14, выполненные ступенчатыми. Стенки 14 снабжены с одной стороны отверстием продолговатой формы, с другой стороны - отверстием каплевидной формы, сужающимся к основанию. Болт имеет конусную часть, расширяющуюся к головке болта, с возможностью фиксации на отверстии каплевидной формы. Изобретение направлено на повышение надежности работы устройства с одновременным упрощением устройства и конструкции насосной секции в целом. 12 илл.

Устройство защиты и крепления кабеля к секции насоса, содержащей основание, в котором имеется шейка, выполненная между фланцами, при этом часть верхнего фланца выполнена в виде детали прямоугольной формы, имеющей сквозное отверстие под болт и верхнюю площадку, на которую укладывается кабель, кожух установлен поверх кабеля и имеет боковые стенки, снабженные отверстиями, при этом нижняя часть верхней стенки кожуха и верхняя площадка образуют паз под кабель, болт, отличающееся тем, что кожух выполнен цельным, верхняя стенка кожуха имеет длину от верхнего до нижнего фланца, по всей длине кожуха выполнены ребра жесткости, переходящие в боковые стенки кожуха, выполненные ступенчатыми, боковые стенки снабжены с одной стороны отверстием продолговатой формы, с другой стороны - отверстием большего диаметра каплевидной формы, сужающимся к основанию, болт имеет конусную часть, расширяющуюся к головке болта, с возможностью фиксации в отверстии каплевидной формы.