Рабочее колесо скважинного многоступенчатого центробежного насоса для добычи нефти и способ его изготовления

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и насосостроению, а именно к конструкциям и способам изготовления рабочих колес погружных многоступенчатых центробежных насосов, предназначенных для эксплуатации в сложных условиях, в частности, в коррозионно-износостойком исполнении. Рабочее колесо выполнено с кольцевым пазом, в котором размещена опорная шайба. На поверхность рабочего колеса и наружную поверхность опорной шайбы нанесено покрытие из антифрикционного полимерного материала, обеспечивающего защиту от коррозии и солеотложений. Покрытие нанесено в виде непрерывного слоя, чтобы обеспечить защиту всех поверхностей опорной шайбы от доступа пластовой жидкости. Изобретения направлены на повышение надежности и долговечности насоса за счет повышения триботехнических характеристик узла трения рабочего колеса и стойкости опорной шайбы к разбуханию в среде пластовой жидкости без увеличения твердости материала шайбы при одновременном обеспечении стойкости рабочего колеса и опорной шайбы к коррозии и солеотложению. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и насосостроению, а именно к конструкциям и способам изготовления рабочих колес погружных многоступенчатых центробежных насосов, предназначенных для эксплуатации в сложных условиях, изобретения могут быть использованы, в частности, при изготовлении скважинных электроцентробежных насосов в коррозионно-износостойком исполнении.

Известно рабочее колесо скважинного многоступенчатого центробежного насоса для добычи нефти и способ его изготовления, описанное в патентах US 6012900 А, 11.01.2000 и US 6565257 A, 20.05.2003, включающее в себя ступицу, ведущий и ведомый диски, а также размещенные между ними лопасти, при этом на поверхности трения элементов рабочего колеса наносят покрытие из антифрикционного полимерного материала (смесь политетрафторэтилена (ПТФЭ или PTFE), полиэфир-эфир-кетона (ПЭЭК или PEEK) и графитовый наполнитель). Конструкция этого рабочего колеса отличается простотой и технологичностью, однако при работе в условиях абразивной среды частицы, попадающие на поверхность материала, не проникают внутрь, как происходит при использовании опорных шайб в узлах трения рабочего колеса, а задерживаются на поверхности, способствуя повышенному износу ответной детали.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения в отношении устройства является рабочее колесо скважинного многоступенчатого центробежного насоса для добычи нефти, описанное в патенте RU 2274774 С2, 2006.04.20, включающее в себя ступицу, ведущий и ведомый диски, а также размещенные между ними лопасти, при этом ведущий и ведомый диски выполнены с кольцевым пазом, в котором размещена опорная шайба из полимерного материала на основе полиамида с наполнителем из стекловолокна, минеральных веществ (мел, слюда, тальк, диоксид кремния), фторопласта, а также дисульфида молибдена или графита, который имеет значительные преимущества в отношении скорости износа, водопоглощения и теплостойкости по сравнению с обычными опорными шайбами из текстолита и карбонита.

Основными недостатками прототипа является относительно высокая стоимость опорной шайбы, а также возможность повреждения поверхности ответной детали частицами мехпримесей, задерживающимися на поверхности опорной шайбы, твердость поверхности которой меньше, чем у материала рабочего колеса, но существенно выше твердости карбонитовой или текстолитовой шайбы.

Кроме того, описанное в прототипе рабочее колесо с опорной шайбой предназначено для использования в узлах трения, работающих в сложных условиях, но при этом не обеспечена защита рабочего колеса от коррозии, отложения солей, парафинов и пр.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения в отношении способа является способ изготовления рабочего колеса скважинного многоступенчатого центробежного насоса для добычи нефти, описанный в патенте на полезную модель RU 52128 U1, 2006.03.10, заключающийся в том, что на поверхности ступицы, ведущего и ведомого диска, а также лопастей рабочего колеса наносят покрытие, обеспечивающее защиту поверхности от коррозии и солеотложений. При этом на операцию запрессовки опорных шайб поступают рабочие колеса с уже нанесенным защитным покрытием, это требует увеличения размеров проточки под шайбу с учетом толщины защитного покрытия, что сопряжено с конструктивными проблемами для рабочих колес малодебитных насосов. Кроме того, возникает необходимость организации производства рабочих колес в двух исполнениях - с увеличенной и обычной проточкой.

Таким образом, задача, на решение которой направлены заявленные изобретения, состоит в разработке конструкции и способа изготовления рабочего колеса скважинного электроцентробежного насоса в коррозионно-износостойком исполнении.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленного устройства, заключается в повышении надежности и долговечности центробежного насоса для добычи нефти при работе в сложных условиях за счет повышения триботехнических характеристик узла трения рабочего колеса и стойкости опорной шайбы к разбуханию в среде пластовой жидкости без увеличения твердости материала шайбы при одновременном обеспечении стойкости рабочего колеса и опорной шайбы к коррозии и солеотложениям.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленного способа, заключается в обеспечении стойкости рабочего колеса и опорной шайбы к коррозии и солеотложению при одновременном повышении триботехнических характеристик узла трения рабочего колеса и стойкости опорной шайбы к разбуханию в среде пластовой жидкости без существенного усложнения технологии изготовления, а также без повышения требований к материалу опорной шайбы.

Рабочее колесо скважинного многоступенчатого центробежного насоса для добычи нефти, обеспечивающее достижение указанного выше технического результата, включает в себя ступицу, ведущий и ведомый диски, а также размещенные между ними лопасти. Ведущий и/или ведомый диск выполнен с кольцевым пазом, в котором размещена опорная шайба рабочего колеса, выполненная из материала, твердость поверхности которого меньше твердости поверхности материала рабочего колеса. При этом в отличие от прототипа на поверхность рабочего колеса, а также на наружную поверхность опорной шайбы нанесено покрытие из антифрикционного полимерного материала, обеспечивающего защиту поверхности рабочего колеса и опорной шайбы от коррозии и солеотложений, при этом покрытие нанесено таким образом, чтобы обеспечить защиту всех поверхностей опорной шайбы от доступа пластовой жидкости.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения покрытие на наружной поверхности опорной шайбы и прилегающих участках соответствующего диска нанесено в виде непрерывного слоя.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения покрытие выполнено из полимерного материала на основе полиэфир-эфир-кетона.

При этом опорная шайба выполнена из термостойкого материал на основе полиимида.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения покрытие выполнено из материала на основе фторполимера.

При этом фторполимер представляет собой полифениленсульфид.

При этом опорная шайба выполнена из карбонита.

Способ изготовления рабочего колеса скважинного многоступенчатого центробежного насоса для добычи нефти, обеспечивающий достижение указанного выше технического результата, заключается в том, что на поверхность рабочего колеса наносят покрытие, обеспечивающее защиту от коррозии и солеотложений. При этом в отличие от прототипа предварительно размещают опорную шайбу рабочего колеса в соответствующем кольцевом пазу ведущего и/или ведомого диска, а затем наносят покрытие на поверхность рабочего колеса и наружную поверхность опорной шайбы таким образом, чтобы обеспечить защиту всех поверхностей опорной шайбы от доступа пластовой жидкости, при этом покрытие выполнено из антифрикционного материала.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения покрытие одновременно наносят на поверхность рабочего колеса и наружную поверхность опорной шайбы с образованием на наружной поверхности опорной шайбы и прилегающих частях соответствующего диска непрерывного слоя покрытия.

Защитное покрытие, изолирующее опорную шайбу от перекачиваемой жидкости, препятствует влагопоглощению и разбуханию материала опорной шайбы (например, влагопоглощение карбонита - 2%, а используемого в качестве покрытия материала на основе полиэфир-эфир-кетона - 0,06%) и, соответственно, ускоренному износу опорной шайбы и ухудшению условий работы узла трения.

Хорошие трибологические свойства материала покрытия, в качестве которого используется антифрикционный (подшипниковый) материал, позволяют уменьшить трение в местах контакта с опорами аппарата направляющего, а следовательно, уменьшить нагрев и увеличить срок службы шайб. Покрытие позволяет предотвратить солеотложения на поверхности шайб, которые также имеют абразивные свойства. Кроме того, при нанесении покрытия на карбонитовую или аналогичную ей шайбу, имеющую волокнисто-ячеистую структуру, сохраняется свойство шайбы поглощать абразивные частицы при их попадании в зону контакта шайбы и опоры направляющего аппарата.

Таким образом, наличие защитного покрытия обеспечивает высокие антифрикционные свойства и износостойкость шайбы, а также стойкость к коррозии, отложениям и разбуханию в среде пластовой жидкости, что обеспечивается не свойствами материала шайбы, а свойствами покрытия. Это позволяет использовать относительно недорогие серийные карбонитовые и даже текстолитовые шайбы. В случае применения покрытия из материала на основе полиэфир-эфир-кетона, который наносится при высоких температурах, следует использовать шайбы из термостойкого полимерного материала, например на основе полиимидов.

Запрессовка шайб до нанесения защитного покрытия позволяет не вносить изменений в операцию механической обработки рабочего колеса, т.е. не возникает необходимости изменения размера кольцевого паза с учетом толщины покрытия, как это требуется при нанесении покрытия «под шайбу». При этом для получения нужных свойств поверхности рабочего колеса (защита от коррозии и отложений) и упомянутых выше свойств опорной шайбы (снижение разбухания и пр.) не требуется проводить отдельных процессов, т.к. требуемые свойства каждого из этих элементов обеспечиваются при нанесении покрытия.

Возможность осуществления изобретений, охарактеризованных приведенными выше совокупностями признаков, подтверждается описанием конструкции и процесса изготовления рабочего колеса скважинного многоступенчатого центробежного насоса для добычи нефти, сопровождаемым графическими материалами, на которых изображено следующее:

на Фиг.1 изображено рабочее колесо в сборе с опорными шайбами;

на Фиг.2 изображен увеличенный в масштабе 5:1 фрагмент А на Фиг.1.

Рабочее колесо 1 скважинного многоступенчатого центробежного насоса для добычи нефти включает в себя ступицу 2, ведущий 3 и ведомый 4 диски, а также размещенные между ними лопасти 5. Диски 3 и 4 выполнены с кольцевыми пазами 6, в которые запрессовывают опорные шайбы 7, выполненные, например, из композиционного материала типа карбонит (см., в частности, патент RU 2215206 С1, 2003.10.27), представляющего собой монолитную волокнисто-ячеистую структуру, состоящую из термореактивного полимерного связующего, нескольких слоев синтетического полотна и антифрикционного наполнителя (порошок дисульфида молибдена или графит и т.п.).

После сборки на рабочее колесо и наружную поверхность запрессованных в него шайб 7 наносят покрытие 8 методом распыления или трибостатическим методом. На наружной поверхности опорной шайбы и прилегающих частях соответствующего диска рабочего колеса образуется непрерывный слой покрытия, герметизирующий опорную шайбу от доступа пластовой жидкости (см. Фиг.2), при этом на посадочных поверхностях шайбы и кольцевого паза покрытие образуется.

В качестве покрытия используют полимерный антифрикционный материал, обеспечивающий защиту поверхности рабочего колеса и опорной шайбы от коррозии и солеотложений. Например, фторполимерый материал на основе полифениленсульфида (ПФС или PPS), в частности, продаваемый под торговой маркой Фортрон и др. Это покрытие обеспечивает эффективную защиту от солеотложений и коррозии, оно хорошо подходит для рабочих колес, предназначенных для эксплуатации в скважинах с низким абразивом, но высокими солеотложениями. Может быть использовано также покрытие на основе полиэфир-эфир-кетона (например, Ketron HPV и др.), максимальная температура эксплуатации которого существенно выше, чем у фторполимеров, кроме того, это покрытие отличается повышенными антифрикционными свойствами и износостойкостью и предназначено для наиболее тяжелых условий эксплуатации. При использовании покрытия на основе ПЭЭК опорная шайба должна быть выполнена из термостойкого материала, например на основе полиимида, так как оно наносится при температуре около 400°С.

Предпочтительным является выполнение не только рабочих колес, но и направляющих аппаратов ступеней насоса с описанным покрытием, что позволяет обеспечить высокую коррозионную и износостойкость насоса в целом.

1. Рабочее колесо скважинного многоступенчатого центробежного насоса для добычи нефти, включающее в себя ступицу, ведущий и ведомый диски, а также размещенные между ними лопасти, при этом ведущий и/или ведомый диск выполнен с кольцевым пазом, в котором размещена опорная шайба рабочего колеса, выполненная из материала, твердость поверхности которого меньше твердости поверхности материала рабочего колеса, отличающееся тем, что на поверхность рабочего колеса, а также на наружную поверхность опорной шайбы нанесено покрытие из антифрикционного полимерного материала, обеспечивающего защиту поверхности рабочего колеса и опорной шайбы от коррозии и солеотложений, при этом покрытие нанесено таким образом, чтобы обеспечить защиту всех поверхностей опорной шайбы от доступа пластовой жидкости.

2. Рабочее колесо по п.1, отличающееся тем, что покрытие на наружной поверхности опорной шайбы и прилегающих участках соответствующего диска нанесено в виде непрерывного слоя.

3. Рабочее колесо по п.1, отличающееся тем, что покрытие выполнено из полимерного материала на основе полиэфир-эфир-кетона.

4. Рабочее колесо по п.3, отличающееся тем, что опорная шайба выполнена из термостойкого материал на основе полиимида.

5. Рабочее колесо по п.1, отличающееся тем, что покрытие выполнено из материала на основе фторполимера.

6. Рабочее колесо по п.5, отличающееся тем, что фторполимер представляет собой полифениленсульфид.

7. Рабочее колесо по п.5, отличающееся тем, что опорная шайба выполнена из карбонита.

8. Способ изготовления рабочего колеса скважинного многоступенчатого центробежного насоса для добычи нефти, заключающийся в том, что на поверхность рабочего колеса наносят покрытие, обеспечивающее защиту от коррозии и солеотложений, отличающийся тем, что предварительно размещают опорную шайбу рабочего колеса в соответствующем кольцевом пазу ведущего и/или ведомого диска рабочего колеса, а затем наносят покрытие на поверхность рабочего колеса и наружную поверхность опорной шайбы таким образом, чтобы обеспечить защиту всех поверхностей опорной шайбы от доступа пластовой жидкости, при этом покрытие выполнено из антифрикционного материала.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что покрытие одновременно наносят на поверхность рабочего колеса и наружную поверхность опорной шайбы с образованием на наружной поверхности опорной шайбы и прилегающих частях соответствующего диска непрерывного слоя покрытия.