Пара трения в ступени погружного центробежного насоса

Изобретение может быть использовано при создании износостойких погружных центробежных насосов для добычи нефти из скважин. Пара трения содержит одну деталь, которая выполнена из металла (направляющий аппарат), и вторую - из композиционного полимерного материала, состоящего из термопластичного связующего материала и наполнителя (антифрикционную шайбу). Наполнитель включает стекловолокно, минеральные вещества, твердосмазочные наполнители из фторопласта, дисульфида молибдена или графита. Вторая деталь выполнена из композиционного полимерного материала, дополнительно содержащего фторорганические поверхностно-активные вещества, представляющие собой производные изобутана с фторсодержащими органическими заместителями. Фторорганические поверхностно-активные вещества образуют защитные слои на контактной поверхности, способствуя работе в режиме безрасходной смазки. Процесс образования защитных слоев происходит с поглощением тепла из зоны контакта. Шайба установлена в сквозной расточке покрывного диска рабочего колеса в контакте с металлическим диском, размещенным между дисками рабочего колеса из полимерного материала и жестко соединенным с ними для дополнительного отвода тепла. Изобретение направлено на повышение износоустойчивости пары. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при создании погружных центробежных насосов для добычи нефти, в частности износостойких погружных насосов, предназначенных для работы в скважинах с осложненными условиями эксплуатации,

Создание повышенных депрессий при эксплуатации залежей и форсированный отбор жидкости характеризуется ростом обводненности скважинной продукции, увеличением вибрации, пескопроявлением, кавитацией, увеличением интенсивности накопления продуктов коррозии, увеличением интенсивности отложения солей и минералов, сопровождается повышенными нагрузками и вибрациями и, соответственно, повышенным износом и коррозией деталей насоса.

Для повышения износо- и коррозионной стойкости ступени насоса важное значение имеет совершенствование осевой опоры рабочее колесо - направляющий аппарат, являющейся парой трения в ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса и, соответственно, подвергающейся повышенному износу при форсированных режимах отбора жидкости.

Для снижения износа осевой опоры ступени насоса между нижней опорной поверхностью рабочего колеса и опорной поверхностью направляющего аппарата устанавливают антифрикционную шайбу, образующую с опорной поверхностью направляющего аппарата пару трения.

Наибольший эффект получен при использовании антифрикционных шайб из самосмазывающихся композиционных полимерных материалов. Известны антифрикционные композиционные полимерные материалы, состоящие из термореактивного полимерного связующего, волокнистых и твердосмазочных наполнителей, например патент РФ №2137790, 20.09.1999, патент РФ №2215206, 27.10.2003. Недостатком данных технических решений является повышенная жесткость композиционного полимерного материала, что приводит к неэффективной притирке контактируемых поверхностей, сколам и разрушению конструкции антифрикционной шайбы.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является пара трения в ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, описанная в патенте РФ №2274774, 20.04.2006. Одна деталь известной пары трения - направляющий аппарат - выполнена из металла, а вторая - антифрикционная шайба - выполнена из композиционного полимерного материала, состоящего из термопластичного связующего материала и наполнителя, включающего стекловолокно, минеральные вещества, твердосмазочные наполнители из фторопласта, дисульфида молибдена или графита. Композиционный полимерный материал имеет монолитную структуру с равномерным распределением наполнителя в связующем, что позволяет, по мере износа, сохранять на поверхности шайбы твердосмазочные наполнители, повышая ее износостойкость.

Основным недостатком этого технического решения является то, что при значительных нагрузках и скоростях скольжения в зоне трения может происходить локальный разогрев композиционного полимерного материала шайбы. Это связано с его низкой теплопроводностью, вследствие чего происходит плохой отток тепла от трущихся поверхностей. При выполнении рабочего колеса в ступени насоса из композиционного полимерного материала от антифрикционной шайбы, установленной в расточку покрывного диска рабочего колеса, практически не происходит отвода тепла, что приводит к разогреву антифрикционной шайбы до температуры ее размягчения и деструкции.

Задачей изобретения является повышение износостойкости пары трения в ступени погружного центробежного насоса.

Технический результат достигается тем, что в паре трения ступени погружного центробежного насоса, одна деталь которой выполнена из металла, а вторая из композиционного полимерного материала, состоящего из термопластичного связующего материала и наполнителя, включающего стекловолокно, минеральные вещества, твердосмазочные наполнители из фторопласта, дисульфида молибдена или графита, согласно изобретению композиционный полимерный материал дополнительно содержит фторорганические поверхностно-активные вещества, представляющие собой производные изобутана с фторсодержащими органическими заместителями.

Преимущественно, деталь, выполненная из композиционного полимерного материала, выполнена в виде антифрикционной шайбы, установленной в сквозной расточке покрывного диска рабочего колеса с возможностью контакта с металлическим диском, расположенным между основным и покрывным дисками рабочего колеса, выполненными из композиционного полимерного материала, и жестко соединенным с ними.

Фторорганические поверхностно-активные вещества в композиционном полимерном материале шайбы способствуют более равномерному и более плотному распределению частиц наполнителя на контактирующей поверхности и в объеме. Дополнительно на контактной поверхности антифрикционной шайбы создаются многослойные защитные слои за счет большого уплотнения пространственной структуры полярными группами фторорганических поверхностно-активных веществ с ярко выраженным синергетическим эффектом. В процессе контактной поверхностной деструкции композиционного полимерного материала осуществляется отрыв от поверхности только энергетически более слабых несимметричных молекул. Это дает возможность полностью развернуться симметричным молекулам фторорганических поверхностно-активных веществ. То есть осуществляется режим безрасходной смазки. Одновременно снижается температура трения за счет перевода части энергии, обычно переходящей в тепло, в энергию для разворачивания симметричных молекул производных изобутана с фторсодержащими органическими заместителями на поверхности контакта.

Кроме того, фторорганические поверхностно-активные вещества обладают высокой проникающей способностью, заполняют все микропоры, микрокапилляры и микротрещины, снижают газопроницаемость материала. В результате предотвращается его старение.

Контакт антифрикционной шайбы из композиционного полимерного материала с металлическим диском, расположенным между основным и покрывным дисками рабочего колеса и жестко соединенным с ними, обеспечивает дополнительный теплоотвод от шайбы через теплопроводный металлический диск, омываемый перекачиваемой средой.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса.

Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса содержит направляющий аппарат 1, выполненный, например, из чугуна типа "нирезист", рабочее колесо 2, выполненное из композиционного полимерного материала. Рабочее колесо 2 установлено в направляющем аппарате 1 и опирается на опорный бурт 3 через антифрикционную шайбу 4, запрессованную в сквозную расточку, выполненную в покрывном диске рабочего колеса 2. Антифрикционная шайба 4 установлена с возможностью контакта с выступом металлического диска 5, расположенного между основным и покрывным дисками рабочего колеса 2 и жестко соединенного с ними. Основной и покрывной диски рабочего колеса 2 выполнены из композиционного полимерного материала, включающего фторорганические вещества в виде производных изобутана с фторсодержащими органическими заместителями.

Антифрикционная шайба 4 выполнена из композиционного полимерного материала, имеющего монолитную структуру, состоящую из термопластичного связующего материала, например полиамида с наполнителем. В состав наполнителя входит стекловолокно 20-50%, минеральные вещества до 10%, твердосмазочные наполнители в виде фторопласта до 7%, дисульфида молибдена 1,5-15% или графита 1,5-15%. Дополнительно в состав композиционного полимерного материала входят фторорганические поверхностно-активные вещества, представляющие собой производные изобутана с фторсодержащими органическими заместителями в количестве 0,1-1,0 мас.ч.

Технология изготовления антифрикционной износостойкой шайбы включает смешивание полиамида с наполнителем и фторорганическими поверхностно-активными веществами и последующее прессование при нагреве изделия с заданными геометрической формой и размерами.

При работе насоса рабочее колесо 2 ступени приводится во вращение относительно направляющего аппарата 1. При этом между наружной поверхностью шайбы 4 и поверхностью опорного бурта 3 образуется пара трения чугун типа «нирезист» и, например, полиамидный композит с фторорганическими поверхностно-активными веществами. Данная пара трения работает с постоянным коэффициентом трения за счет однородной структуры полиамидного композита. Благодаря фторорганическим поверхностно-активным веществам осуществляется режим безрасходной смазки. Одновременно снижается температура трения в зоне контакта за счет перевода части энергии, обычно переходящей в тепло, в энергию для разворачивания симметричных молекул модификатора на поверхности контакта.

Кроме того, тепло от шайбы 4 отводится через металлический диск 5, расположенный между дисками рабочего колеса 2 и омываемый перекачиваемой средой.

Пара трения отличается повышенной износостойкостью за счет улучшенного теплоотвода из зоны контакта, что позволяет повысить ресурс работы насоса в скважинах с осложненными условиями эксплуатации.

1. Пара трения в ступени погружного центробежного насоса, одна деталь которой выполнена из металла, а вторая - из композиционного полимерного материала, состоящего из термопластичного связующего материала и наполнителя, включающего стекловолокно, минеральные вещества, твердосмазочные наполнители из фторопласта, дисульфида молибдена или графита, отличающаяся тем, что вторая деталь выполнена из композиционного полимерного материала, дополнительно содержащего фторорганические поверхностно-активные вещества, представляющие собой производные изобутана с фторсодержащими органическими заместителями.

2. Пара трения в ступени погружного центробежного насоса по п.1, отличающаяся тем, что деталь, выполненная из композиционного полимерного материала, выполнена в виде антифрикционной шайбы, установленной в сквозной расточке покрывного диска рабочего колеса с возможностью контакта с металлическим диском, расположенным между основным и покрывным дисками рабочего колеса, выполненными из композиционного полимерного материала, и жестко соединенным с ними.