книги / Поршневые буровые насосы

Следовательно, нормальная сила, прижимающая зерно к зеркалу,

Таким образом, нормальная сила, с которой отдельное зерно прижато к поверхности зеркала цилиндра, при определенных условиях пропорциональна напряжениям всестороннего сжатия, действующим в резине. От нормальной силы зависит величина касательной составляющей усилия царапания, резания или передеформирования материала цилиндровой втулки элементарным резцом или индентором, роль которого играют ребра и вершины зерна абразива, контактирующие с поверхностью зеркала.

Величина касательной составляющей усилия взаимодействия зерна с поверхностью зеркала цилиндровой втулки, как правило, недостаточна для того, чтобы выступающее ребро или заострен­ ную вершину зерна абразива переместить или повернуть вместе с зерном в его жесткой оправе, образованной массой поршневой резины, окружающей большую часть поверхности зерна, плотно охватывающей, сжимающей и прочно удерживающей каждое зерно. Условно считая абразивное зерно шаром, нетрудно подсчи­ тать отношение момента сил трения, удерживающих шар от пово­ рота в охватывающей его резине, к моменту сил, стремящихся повернуть шар. Если принять равными между собой коэффициен­ ты трения материала шара по резине и по стали, то это отношение равно 4, так как

щадь проекции шара на поверхность зеркала; [imo — коэффициент трения материала шара по стали.

Для реальных условий рассматриваемое отношение больше 4, так как отклонения формы зерна от шара создают дополнительный момент сопротивления повороту зерна в резине.

Величина полученного отношения Му/Мп> 4 показывает физи­ ческую возможность при определенных условиях прочного за­ крепления зерен абразива в резине работающего поршня.

Наблюдения, проведенные в условиях эксплуатации буровых насосов при нагнетании абразивосодержащей промывочной жид­ кости, подтверждают, что фактически происходит прочное закреп­

ление в резине как отдельных зерен, так и их скоплений, особенни у разделительного фланца поршня.

Зерна 6 (см. рис. 32), скопившиеся в непосредственной бли­ зости от фланца 7 металлоарматуры поршня в круговой канавке, опоясывающей поршень, по своим размерам превышающие ве­ личину уплотняемого зазора Д и поэтому не проникающие в зазор между фланцем поршня и цилиндровой втулкой, также прижи­ маются к зеркалу цилиндровой втулки силой, пропорциональной напряжениям всестороннего сжатия, действующим в резине. Дав­ ление жидкости в пространстве между зернами и в зазоре А равно

р0<1 кгс/см2.

Следовательно, можно различать по степени активности взаи­ модействия с уплотняемой деталью закрепленные в резине зерна: а) нейтральные уравновешенные в резине; б) прижатые к зеркалу односторонней силой, равной произведению давления в резине на площадь проекции зерна на поверхность трения; в) частично уравновешенные, прижатые к зеркалу силой, равной произведению давления в резине на часть площади проекции зерна на поверх­ ность трения; г) перемещающиеся в зазоре между поршнем и ци­ линдровой втулкой абразивные зерна мелкой фракции.

Зерна наибольшей твердости и наибольшего размера, прижа­ тые односторонним давлением к цилиндровой втулке с макси­ мальным нормальным усилием, вследствие чего тангенциальная составляющая сил взаимодействия с сопряженной твердой де­ талью увеличивается, вызывают максимальное изнашивание ци­ линдровой втулки.

При малых размерах абразивных зерен, близких к толщине граничной смазочной прослойки, зерна перемещаются между трущимися деталями и интенсивность изнашивания снижается. Изнашиванию абразивной прослойкой подвергаются одновременно обе детали трущейся пары — втулка и поршень.

Промывочный раствор содержит взвешенные частицы различ­ ной природы, твердость которых (см. рис. 31, б) может быть больше или меньше твердости поверхности уплотняемой детали

(кривая /).

Показатели твердости некоторых горных пород, минералов и конструкционных материалов, выраженные для удобства сопостав­ ления в одинаковых абсолютных единицах, приведены в табл. 7.

Абсолютная шкала твердости позволяет определить не только, какой материал тверже другого, но и во сколько раз, так как она пропорциональна. Ввиду того что для измерения изменяющейся в широких пределах твердости сталей используются различные приборы и твердость указывается в разных единицах, в табл. 8 помещен перевод чисел твердости употребительных шкал в еди­ ницы абсолютной шкалы.

Абсолютной шкале соответствует в наиболее полной мере микротвердость по М. М. Хрущову (ГОСТ 9450—60), а также твердость по Виккерсу. Число твердости по шкале Мооса (зпаче-

мывочной жидкости повышает износостойкость цилиндровой втул­ ки в 5 раз (cmax/ci=5), если цилиндровая втулка работает в паре с исправным поршнем

Точно так же замена гематитового утяжелителя твердостью 1010 кгс/мм2 на магнетитовый твердостью 610 кгс/мм2 повышает срок службы цилиндровой втулки твердостью HRC 50 (525 кгс/мм2)

быть изнашивания цилиндровых втулок. Однако полностью пред­ отвратить изнашивание не представляется возможным из-за со­ держания в промывочном растворе кроме барита мелкой фракции более твердых абразивных зерен выбуренной породы (например, кварца соответствующей твердости), удаление которых весьма сложно. Кроме того, абразивное изнашивание поршневой резины происходит и о прослойку барита.

Опытами М. Ю. Саламова, Н. Г Дадашева и Г Д. Детина в промышленных условиях установлено, что замена магнетита бари­ том при желобной очистке промывочной жидкости с удельным веcoMi 1,9—2,21 IVcm3 и пРи содержании в ней не менее 3% песка увеличивает эксплуатационный срок службы цилиндровых втулок и поршней в 1,35—1,4 раза, штоков — в 1,15 раза, чем подтверж­ дается недостаточность твердости штоков и цилиндровых втулок Н = 560—610 кгс/мм2 (HRC = 52—56).

Геометрическая форма зерен, свойственная раздробленному кварцу, с острыми углами и ребрами, шероховатость поверхности граней, присущая, например, гематиту, могут существенно уси­ лить влияние абразивов, содержащихся в промывочной жидкости, па изнашивание деталей насосов.

Что касается концентрации зерен абразивов в промывочном растворе, то она при отдельных экспериментах может и че от­ разиться на сроке службы цилиндро-поршневой пары. В самом деле, достаточно попадания в каком-либо одном месте на поверх­ ность трения одного или нескольких абразивных зерен для того, чтобы износ пары произошел за то же время, что и при обильном попадании абразивов на поверхность трения во многих местах по всей окружности поршня. В США считают, что увеличение содержания песка в пределах 1—4% вызывает пропорциональное концентрации сокращение среднего срока службы деталей. Поэ­ тому необходима весьма тщательная очистка всего объема цирку­ лирующего промывочного раствора для получения ожидаемого эффекта очистки.

При сравнении износостойкости уплотнительных устройств оценка степени износа по потере веса должна быть дополнена другими показателями. Изнашивание может быть местным, при­ водящим детали в негодность без заметной потери веса. Полнее определяет эксплуатационные качества уплотнений, например, величина утечки, рост которой выше 4 л/ч, как экспериментально установлено (поршень D=150 мм) вызывает потерю работоспособ­ ности. Неравномерная твердость поверхности цилиндровой втулки является отрицательным фактором, снижающим продолжитель­ ность безотказной работы уплотняемой и уплотняющей деталей.

Область пониженной твердости на уплотняемой детали яв­ ляется источником образования лунки, вытянутой в направлении движения поршня, а затем — продольного углубления — риски, распространяющейся на всю длину хода поршня и превращаю­ щейся впоследствии в канал гидроабразивного эрозионного раз­ рушения.

Цилиндровые втулки в эксплуатации рекомендуется заменять, если их линейный износ (увеличение диаметра отверстия) нахо­ дится в пределах, указанных в табл. 9.

Суммарный путь, пройденный поршнем за срок службы цилин­ дровой втулки, определяется выражением

в см; s — длина хода поршня в см; п — число двойных ходов пор­ шня в 1 мин; t — средний ресурс цилиндровой втулки в ч.

Из формулы (28)

(30)

Приравнивая правые части выражений (29) и (30), получаем

Откуда

Например, по формуле (32) с учетом данных табл. 11 можно определить средний ресурс цилиндровой втулки на насосе с дли­ ной хода 5= 45 см при п = 60 об/мин.

Для цилиндровой втулки с твердостью зеркала Ям = 800 кге/мм2 при трении о нее резино-металлического поршня, шаржированного зернами кварца твердостью # а=1000 кге/мм2, можно принимать Стах= 6 • 10-12 см2/кгс.

Тогда средний ресурс в зависимости от давления нагнетания приобретает следующие значения

приводит к ускоренному изнашиванию работающих в ней порш­ ней, долговечность которых резко снижается с последующим увеличением диаметра цилиндра и ростом величины зазора между цилиндром и фланцем поршня в результате повышения интенсив­ ности усталостного вырывания поршневой резины в уплотняемой ею щели.

Кроме того, что снижение ресурса поршней связано с увели­ чением их расхода, необходимостью более частых остановок на­ соса для этих целей, ростом объема ремонтных работ, оно сопря­ жено также с ухудшением эксплуатационных качеств насоса, снижением его надежности, невозможностью длительной безот­ казной работы и бесперебойного выполнения его основной функ­ ции — непрерывной промывки скважины в процессе бурения, что может вызвать резкое снижение производительности буровых работ.

Поэтому после истечения оптимального расчетного среднего ресурса цилиндровой втулки рекомендуется проверить фактическое состояние детали, сопоставить размеры с данными табл. 9 и заме­ нить втулку на новую при необходимости в порядке профилакти­ ческого ремонта насоса, производимого во время очередного тех­ нологически необходимого перерыва в процессе бурения. Если размеры детали еще по тем или иным причинам не вышли за пределы нормы, то ее следует продолжать эксплуатировать.

Причиной замены втулки цилиндра редко является увеличение

жидкости через поршневые кольца.

Срок службы втулки цилиндра необходимо вычислять точнее, исходя из сроков службы поршня, что подтверждается статистиче­ скими данными.

Совместный анализ формулы (28) и результатов исследования абразивного изнашивания цилиндро-поршневой группы буровых насосов позволяет сделать следующие выводы, используемые в теории поршневого бурового насоса.

1. Изучение промывочной жидкости, нагнетаемой в скважину при бурении, показывает, что в результате включения вибра­ ционных сит, желобов, отстойников и гидроциклонов в замкнутую систему циркуляции промывочной жидкости состав твердых зерен по размерам изменяется в направлении уменьшения концентра­ ции абразивных зерен наибольшего размера. Концентрация мел­ кой фракции абразивов увеличивается. Полное удаление абрази­ вов не достигается. Вязкость промывочной жидкости при исполь­ зовании упомянутых методов очистки от твердых включений не изменяется.

2.Ввиду многообразия горных пород и минералов, зерна ко­ торых находятся в промывочной жидкости, вследствие различного размера зерен и различного состояния их режущих ребер и гра­ ней, для непосредственного расчетного определения коэффициен­ та с, исходя из совокупности свойств твердых зерен в настоящее время нет достаточного набора данных. Для однотипных геоло­ гических условий бурения с прохождением одинаковых геологиче­ ских разрезов и пропластков пород, слагающих стенки скважины,

идля одинакового фракционного состава твердых зерен по раз­ мерам после однотипной очистки промывочной жидкости можно для пересчетов по законам подобия пользоваться величиной с, по­ лученной из наблюдений при эксплуатации насосов.

3.Учитывая, что кварц твердостью # а~Ю 00 кгс/см2 является одним из абразивных материалов, наиболее часто встречающихся

впромывочной жидкости, и что величина с существенно умень­ шается в интервале 1,5>Яа/Ям>1 или в пределах твердости ци­

линдровой втулки # м = 670—1000 кге/мм2 (HRC = 58—68), следует считать обоснованным требование к твердости трущейся поверхно­ сти цилиндровой втулки, которая с целью снижения износа должна быть возможно высокой, достигать значения HRC = 68 и более, но во всяком случае не быть ниже HRC = 60—64.

Твердость менее HRC 58 соответствует максимальному изна­ шиванию и недостаточна для поверхностей уплотняемых деталей, работающих в среде абразивосодержащей промывочной жид­ кости.

Введение в 1970 г. ГОСТ 14329—69 «Насосы поршневые буро­

вые. Технические требования», которым установлена для трущих­ ся в среде промывочной жидкости поверхностей уплотняемых де­ талей буровых насосов твердость не менее HRC = 60—64, обосновано закономерностями теории абразивного изнашивания и служит цели повышения времени непрерывной работы буровых

насосов в эксплуатации.

4. Учитывая влияние на интенсивность изнашивания разме­ ров зерен, можно для одинаковой конструкции поршней и одина­ кового фракционного состава абразивных зерен по крупности и природе считать линейный износ цилиндровых втулок прямо про­ порциональным давлению нагнетания. Поддержание в эксплуата­ ции неоправданно высокого давления нагнетания, связанного с несовершенством методов регулирования подачи, вызывает уве­ личение расхода цилиндровых втулок. Применение гибкого регу­ лирования подачи жидкости плавным изменением числа двойных ходов поршня в 1 мин и поддержание оптимального давления бо­ лее целесообразно.

5. Аналогично предыдущему для прочих равных условий можно считать линейный износ пропорциональным пройденному поршнем пути, что показывает выгодность применения поршней большего диаметра при малой скорости движения по сравнению с поршнями малого диаметра, которые для достижения той же величины по­ дачи жидкости должны перемещаться с большей скоростью и про­ ходить больший суммарный путь.

Введение в 1965 г. ГОСТ 6031—65 «Насосы поршневые буро­ вые. Основные параметры», в который включены насосы гидравли­ ческой мощностью до 1000 л. с., несмотря на то, что в промыш­ ленности применялись насосы наибольшей гидравлической мощностью лишь до 450 л. с., имеет теоретической основой выше­ приведенные положения теории изнашивания и отвечает цели уменьшения изнашивания в насосах при бурении.

Наблюдающийся в практике процесс увеличения гидравличе­ ской мощности выпускаемых насосов и переход от применения насосов малой гидравлической мощности к насосам большей гид­ равлической мощности также находит обоснование в приложении теории абразивного изнашивания к поршневым буровым на­

сосам.

Так, например, для получения одинаковой подачи после замены насоса с поршнями диаметром 100 мм более мощным насосом с поршнями диаметром 200 мм уменьшается пройденный поршнем

нально снижается линейный износ цилиндровой втулки и соответ­ ственно увеличивается ее срок службы.

Теория абразивного изнашивания металлов находит таким об­