Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса и способ ее изготовления


 


Владельцы патента RU 2570277:

Открытое акционерное общество "Бугульминский электронасосный завод" (RU)

Группа изобретений относится к машиностроению и может быть использована в установках погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти. Рабочее колесо и направляющий аппарат ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса выполнены литьем из чугуна следующего состава, масс.%: углерода - 3,2-3,9; кремния - 0,2-1,0; марганца - 0,5-0,8; хрома - 0,1-0,5; меди - 0,8-1,5; алюминия - 1,7-4,0; титана - 0,0-0,2; фосфора - не более 0,2; серы - не более 0,02; железо - остальное, а поверхности рабочего колеса и направляющего аппарата содержат азотированный низкотемпературным азотированием слой толщиной от 50 мкм до 300 мкм. Группа изобретений направлена на повышение надежности насоса, снижение его себестоимости и увеличение межремонтного периода. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в установках погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти.

Известна ступень, используемая в погружных электроцентробежых насосах, включающая направляющий аппарат и рабочее колесо, выполненные из лигированного чугуна нирезиста (Вихман Р.Г., Филиппов В.Н. Погружные центробежные износостойкие насосы для добычи нефти / Экспресс-информация: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, №6, 1989). Недостатком данной ступени является высокая стоимость и недостаточная износостойкость в пластовых жидкостях с высоким содержанием абразивных частиц.

Известна ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса и способ ее изготовления, где деталь выполняют из литой чугунной заготовки и подвергают упрочняющей обработке с целью повышения ее износостойкости (см. патент РФ №2116515, F04D 1/06, 27.07.1998).

Недостатком данной ступени является то, что упрочняющая обработка, заключающаяся в закалке заготовки из перлитного или перлитно-ферритного чугуна, модифицированного редкоземельными металлами, на мартенситную структуру с последующим низким отпуском, не обеспечивает комплексного повышения надежности и долговечности ступени за счет повышения защиты от солеотложения, коррозионной и абразивной износостойкости и обеспечения высоких эксплуатационных и технических характеристик погружного центробежного насоса.

Известен скважинный электроцентробежный насосный агрегат для добычи нефти, содержащий рабочее колесо и направляющий аппарат ступени насоса. (Заявка на изобретение 2004126782/2 от 08.09.2004 г.).

Недостатком рабочего колеса и направляющего аппарата ступени насоса данной полезной модели является то, что пары трения рабочее колесо - направляющий аппарат и графит в его составе при работе с пластовыми жидкостями с высокой массовой концентрацией твердых частиц обладает повышенной склонностью к задиру, что приводит к малым значениям нагрузок заклинивания пары рабочее колесо - направляющий аппарат. Это может привести к разрушению ступеней, шлицевых соединений валов, слому вала и снижению надежности насосной установки.

Задачей группы изобретений является повышение надежности погружного многоступенчатого центробежного насоса, снижение его себестоимости и повышение межремонтного периода.

Технический результат достигается тем, что ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, содержащая рабочее колесо и направляющий аппарат, выполненные литьем из чугуна следующего состава, масс.%: углерода - 3,2-3,9; кремния - 0,2-1,0; марганца - 0,5-0,8; хрома - 0,1-0,5; меди - 0,8-1,5; алюминия - 1,7-4.0; титана - 0,0-0,2; фосфора - не более 0,2; серы - не более 0,02; железо - остальное, а поверхности рабочего колеса и направляющего аппарата содержат азотированный низкотемпературным азотированием слой толщиной от 50 до 300 мкм.

Способ изготовления рабочего колеса и направляющего аппарата ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, обеспечивающий решение приведенного выше задачи, включает ввод алюминия под поверхность расплава при температуре 1400-1470°C, последующий нагрев до температуры разлива и модифицирование в этом промежутке времени сплава введением лигатур с получением следующего состава, масс.%:

углерода - 3,2-3,9

кремния - 0,2-1,0

марганца - 0,5-0,8

хрома - 0,1-0,5

меди - 0,8-1,5

алюминия - 1,7-4,0

титана - 0,0-0,2

фосфора - не более 0,2

серы - не более 0,02

железо - остальное,

заливку расплава в литейную форму, выбивку отливки и обрубку литников отливок, термическую обработку отливок с нагревом до температуры 550-600°C с охлаждением на воздухе, механическую обработку отливок до окончательных размеров рабочего колеса и направляющих аппаратов, а низкотемпературное антикоррозионное азотирование их поверхностей осуществляют при температуре не более 600°C.

На чертеже представлены рабочее колесо и направляющий аппарат ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса.

Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса состоит из рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2. Рабочие колеса 1 состоят из верхнего основного диска 3 с верхней осевой опорой 4, ступицы 5, нижнего покрывного диска 6 с нижней осевой опорой 7, лопастей 8, закрепленных между верхним диском 3 и нижним диском 6. Ступицы 5 рабочих колес 1 скреплены с валом 9 насоса посредством шпонок 10. Направляющий аппарат 2 содержит лопаточный покрывной диск 11 с опорной поверхностью 12, ступицу 13, цилиндрическую обойму 14 с кольцеобразной стенкой 15, лопатки 16, опорный бурт 17.

Для повышения износокоррозионностойкости ступеней и насоса в целом и снижения удельной осевой нагрузки на рабочее колесо 1 и на направляющий аппарат 2 верхний диск 3 колеса может иметь со стороны пазухи 18 осевую опору 19, которая имеет возможность опираться на осевую опору 20 ступицы 13 направляющего аппарата 2, образуя пару трения.

Погружной многоступенчатый центробежный насос работает следующим образом.

В процессе работы насоса вследствие вращения расположенных на валу 9 и скрепленных посредством ступиц 5 рабочих колес 1 относительно неподвижных направляющих аппаратов 2 перекачиваемая жидкость поступает в основание (условно не показано) секции насоса, проходит через основание и направляется в ступени насоса. Перекачиваемая жидкость поступает в тракты между лопастями 8 вращающегося рабочего колеса 1 и движется от его центра к периферии. При этом рабочее колесо 1 создает напор перекачиваемой жидкости как за счет циркуляционных сил, так и за счет кориолисовых сил. Далее жидкость поступает в каналы направляющего аппарата 2, в которых осуществляется разворот и направление потока на рабочее колесо следующей ступени. Проходя через ступени насосов, головку (условно не показано) секции насоса, перекачиваемая жидкость продолжает движение вверх.

При прохождении пластовой жидкости с содержанием твердых частиц в трактах между лопастями рабочего колеса и направляющего аппарата происходит механическое и коррозионное изнашивание в зонах прохождения пластовой жидкости каналов рабочих колес и направляющих аппаратов. С увеличением содержания химически агрессивных компонентов в пластовой жидкости увеличивается коррозионное и механическое изнашивание ступеней и насоса в целом. Причем рабочие колеса и направляющие аппараты особенно интенсивному износу подвергаются при совместном воздействии на них при работе насоса среды с повышенным содержанием механических примесей и агрессивных компонентов пластовой жидкости.

Способ изготовления рабочего колеса и направляющего аппарата ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, включающий ввод алюминия под поверхность расплава при температуре 1400-1470°C, последующий нагрев до температуры разлива и модифицирование в этом промежутке времени сплава введением лигатур с получением следующего состава, масс.%: углерода - 3,2-3,9, кремния - 0,2-1,0, марганца - 0,5-0,8, хрома - 0,1-0,5, меди - 0,8-1,5, алюминия - 1,7-4,0, титана - 0,0-0,2, фосфора - не более 0,2, серы - не более 0,02, железо - остальное, заливку расплава в литейную форму, выбивку отливки и обрубку литников отливок, термическую обработку отливок с нагревом до температуры 550-600°C с охлаждением на воздухе, механическую обработку отливок до окончательных размеров рабочего колеса и направляющего аппарата и низкотемпературное азотирование их поверхностей на глубину 50-300 мкм при температуре не более 600°C.

Добавление в состав чугуна легирующих элементов алюминия, титана, хрома, в указанных выше пропорциях, где каждый из перечисленных химических элементов занимает свою нишу в кристаллической решетке железа, при азотировании увеличивает скорость азотирования в глубину детали и значительно повышает твердость азотированного слоя. Заливку расплава в литейную форму проводят через литниковую чашу. После остывания из формы извлекают отливку, отделяют литниковую систему, удаляют облой и проводят термическую обработку отливок с нагревом до температуры 550-600°C. После термообработки производится механическая обработка деталей ступени в соответствии с размерами чертежа. Готовые рабочие колеса и направляющие аппараты ступени поступают на участок низкотемпературного азотирования. При азотировании происходит процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя рабочих колес и направляющих аппаратов азотом при нагреве в азотосодержащей среде. При этом происходит повышение твердости поверхности изделия, выносливости и износостойкости, стойкости к кавитационным воздействиям, повышение коррозионной стойкости в водосодержащих средах, в атмосфере, в кислотных и щелочных средах. Процесс низкотемпературного азотирования проводят, в основном, в газовых средах - смеси азота и аммиака, диссоциированного аммиака. Для активации процесса в насыщенную среду вводится кислород или воздух. Также для ускорения процесса насыщения азотом поверхностей деталей ступени азотонасыщенные среды дополняются углерод-насыщенными средами, т.е. кроме диссоциированного аммиака присутствуют природный газ, светильный газ, эндогаз, пары спирта или керосина. Температура процесса азотирования не превышает 600°C и как правило составляет 540-600°C. Нагрев до 600°C не вызывает структурных и геометрических изменений в деталях ступеней, изготовленных вышеуказанным способом. Вышеуказанный способ изготовления рабочих колес и направляющих аппаратов ступеней погружного многоступенчатого центробежного насоса придает деталям ступени высокую поверхностную твердость и прочность, не изменяющуюся при нагреве до 400-450°C.

Данный способ изготовления не требует значительных энергетических и материальных затрат. Низкотемпературное азотирование может проводиться в печах для газового азотирования с использованием установок управления газонапуском.

Величины износа ступеней из чугуна, изготовленного вышеуказанным способом, и нирезиста, наиболее часто используемого в настоящее время сплава для коррозионно-износостойких погружных многоступенчатых центробежных насосов, приведены в таблице 1.

Таблица 1
№ п/п Ступень Исходная масса образцов, г Масса образцов после 40 час испытаний, г Величина масссового износа, г Величина износа, %
1 Ступень, изготовленная из чугуна заявленным способом 119,776 119,615 0,152 0,1269
2 Ступень, изготовленная из чугуна нирезист 153,397 153,198 0,199 0,1297

Из таблицы следует, что величины износа практически одинаковы, у ступени из нирезиста износ даже несколько больше, чем у ступени, изготовленной из чугуна заявленным способом.

Максимальная глубина азотирования 300 мкм с максимальным содержанием титана выполняется для наиболее сложных условий работы: для работы в пластовых жидкостях с повышенным содержанием твердых частиц с высокой твердостью массовая концентрация твердых частиц до 1,0 г/л и более с твердостью до 7 баллов по шкале Маосса, и с высокой частотой вращения колес, частотой вращения колес до 15000 об/мин. Легирующие добавки хрома (0,1-0,5)%, алюминия (1,7-4,0)%, титана (0,0-0,2)% являются нитридообразующими, в поверхностном слое при низкотемпературном азотировании чугуна с приведенным выше составом и способом они образуют на глубине до 300 мкм высокотвердые химические соединения: нитриды хрома, нитриды алюминия и нитриды титана, в результате чего твердость чугуна после азотирования повышается примерно в 2 раза относительно исходной до азотирования и достигает до HV, равной 850-1000 кг/мм2, также резко повысилась коррозионная стойкость поверхностного слоя за счет повышения плотности поверхностного слоя детали, что затрудняет доступ кислорода и других агрессивных элементов к элементам чугуна. Приведенный выше чугун с низкотемпературным азотированием обладает твердостью поверхностного слоя на глубине до 300 мкм в 2-2,5 раза большей, чем наиболее часто применяемый для этих условий легированный чугун нирезист, коррозионной стойкостью не уступает нирезисту, по цене дешевле примерно в два раза.

Выполнение таким образом ступеней насоса позволяет повысить надежность погружного многоступенчатого центробежного насоса, снизить ее себестоимость и повысить межремонтный период.

1. Ступень погружного многоступенчатого центробежного насоса, содержащая рабочее колесо и направляющий аппарат, выполненные литьем из чугуна следующего состава, масс.%:
углерода - 3,2-3,9
кремния - 0,2-1,0
марганца - 0,5-0,8
хрома - 0,1-0,5
меди - 0,8-1,5
алюминия - 1,7-4,0
титана - 0,0-0,2
фосфора - не более 0,2
серы - не более 0,02
железо - остальное, а поверхности рабочего колеса и направляющего аппарата содержат азотированный низкотемпературным азотированием слой толщиной от 50 до 300 мкм.

2. Способ изготовления рабочего колеса и направляющего аппарата ступени погружного многоступенчатого центробежного насоса, включающий ввод алюминия под поверхность расплава при температуре 1400-1470°C, последующий нагрев до температуры разлива и модифицирование в этом промежутке времени сплава введением лигатур с получением следующего состава, масс.%:
углерода - 3,2-3,9
кремния - 0,2-1,0
марганца - 0,5-0,8
хрома - 0,1-0,5
меди - 0,8-1,5
алюминия - 1,7-4,0
титана - 0,0-0,2
фосфора - не более 0,2
серы - не более
0,02 железо - остальное,
заливку расплава в литейную форму, выбивку отливки и обрубку литников отливок, термическую обработку отливок с нагревом до температуры 550-600°C с охлаждением на воздухе, механическую обработку отливок до окончательных размеров рабочего колеса и направляющего аппарата и низкотемпературное азотирование их поверхностей на глубину 50-300 мкм.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что низкотемпературное азотирование поверхностей рабочего колеса и направляющего аппарата осуществляют при температуре не более 600°C.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в насосных агрегатах в нефте- и газотрубопроводах, теплоэнергетике, двигателе- и турбостроении, химической промышленности.

Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым погружным насосам для откачки пластовой жидкости из скважин. Насос содержит вал, по крайней мере, одну ступень с направляющим аппаратом и рабочим колесом.

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в погружных центробежных высокоскоростных скважинных насосах для добычи нефти из скважин с высоким содержанием солей, свободного газа и механических примесей.

Группа изобретений относится к устройствам и способам для создания истираемых выступов в установке, содержащей вращающуюся и неподвижную части. Неподвижная часть (48) имеет участок с гладкой поверхностью.
Группа изобретений относится к композитным центробежным рабочим колесам для турбомашин. Центробежная крыльчатка для турбомашины содержит аэродинамические лопатки, каждая из которых имеет внутренние стенки, с которыми соединен тканевый элемент.

Изобретение относится к герметичным электронасосным агрегатам (ЭНА) для систем терморегулирования космических аппаратов. Корпусы электродвигателя и насоса ЭНА из алюминиевого сплава герметично соединены и разделены цилиндрической немагнитной экранирующей оболочкой из титанового сплава.

Изобретение относится к центробежному насосу (1), который может перекачивать жидкость с большими объемными расходами свыше 20 м3/с. Насос содержит рабочее колесо (3), установленное с возможностью вращения вокруг оси и направления жидкости к бетонной спиральной камере (4), расположенной вокруг рабочего колеса (3).

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в погружных многоступенчатых центробежных скважинных насосах для добычи нефти из скважин с высоким содержанием солей, свободного газа и механических примесей.

Изобретение относится к устройству центробежного компрессора и способу его изготовления. Центробежный компрессор включает по меньшей мере одну ступень для разделения жидкой и газовой фазы, содержащую входную направляющую лопатку, расположенную в кожухе рабочего колеса, и направляющий аппарат, имеющий прямой раструб с выходным изогнутым участком.

Группа изобретений относится к двигателям погружных насосов. Двигатель 10 погружного насоса содержит вал 18, металлическую втулку и роторную секцию 20, соединенные с валом 18 для совместного с ним вращения.

Группа изобретений относится к электрическим насосным системам с погружными электрическими центробежными насосами для перекачивания сред из скважин. Система содержит центробежный насос (18), размещенный в скважине, емкость (6) моторного масла, размещенную на поверхности вне скважины, и трубопровод (2).

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.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в погружных центробежных насосах для добычи пластовой жидкости из скважин. Модульная секция погружного центробежного насоса содержит основание и головку со встроенными радиальными подшипниками, переходники с промежуточными подшипниками, фильтроэлементы.

Изобретение относится к нефтяному машиностроению, в частности к многоступенчатым погружным насосам для откачки пластовой жидкости из скважин. Насос содержит вал, по крайней мере, одну ступень с направляющим аппаратом и рабочим колесом.

Изобретение относится к области добычи углеводородов насосами различных типов с погружным электродвигателем. Cпособ обеспечивает герметичное разъемное соединение во входном модуле электрической линии погружного электродвигателя.

Группа изобретений относится к турбоустановке и способу для сообщения энергии многофазной текучей среде. Турбоустановка содержит корпус, имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие, секцию осевой ступени, содержащую по меньшей мере одну осевую ступень, секцию диагональной ступени, содержащую по меньшей мере одну диагональную ступень, проточно соединенную с секцией осевой ступени, и секцию центробежной ступени, содержащую по меньшей мере одну центробежную ступень, проточно соединенную с секцией диагональной ступени.

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и может быть применена для эксплуатации скважин. Способ включает добычу скважинного продукта электроцентробежным насосом (ЭЦН) и выполнение ремонтно-восстановительных работ с проведением спускоподъемных операций, промывки и шаблонирования скважины, декольматацию и ввод скважины в эксплуатацию.

Изобретение относится к нефтяному машиностроению и может быть использовано в погружных центробежных высокоскоростных скважинных насосах для добычи нефти из скважин с высоким содержанием солей, свободного газа и механических примесей.

Изобретение относится к нефтедобывающему электрооборудованию. Электрооборудование включает в себя установки (2) погружных электронасосов по числу скважин (1), связанные через кабель (6), и повышающий трансформатор (3) с соответствующей наземной станцией (4) управления прямого пуска, подключенной к питающей сети.

Cистема насоса с непосредственным приводом предназначена для использования при перекачивании жидкостей из глубоких скважин. В насосе с непосредственным приводом подшипники или втулки имеют оптимальный шаг, учитывая различные эксплуатационные соображения, такие как нагрузка, путь, давление и натяжение.

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована для добычи нефти посредством установок электроцентробежных насосов из глубоких и сверхглубоких скважин и большим газосодержанием. Установка электроцентробежного насоса содержит сопряженные друг с другом электроцентробежный насос и погружной электродвигатель с прилегающим к корпусу насоса электрическим кабелем и устройство тепловой защиты погружного электродвигателя в виде расположенных между корпусом насоса и электрическим кабелем опор. Опоры выполнены с возможностью фиксации положения электрического кабеля относительно корпуса насоса с зазором между корпусом насоса и кабелем и с обеспечением возможности циркуляции скважинной жидкости в зазоре между корпусом насоса и кабелем. Концы опор в местах их соприкосновения с корпусом насоса выполнены с возможностью соприкосновения малой площадью с корпусом насоса. Группа изобретений направлена на предотвращение перегрева токоввода погружного электродвигателя от теплового потока, идущего по питающему электрическому кабелю, проходящему вдоль корпуса насоса, который перегревается при перекачке электроцентробежным насосом сильно газированных жидкостей, увеличение межремонтного периода эксплуатации установки электроцентробежного насоса, повышение эффективности функционирования установки электроцентробежного насоса и сокращение потери нефти при ее добыче из глубоких и сверхглубоких скважин. 4 н. и 30 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх