Семыкин Д.С. МТМ-20-01. Отчет по НИР. Отчет по дисциплине Научноисследовательская работа Темы Исследование рабочего процесса диафрагменного насоса с погружным электродвигателем и механической трансмиссией для добычи нефти
 Скачать 1.84 Mb.
|
|
Материал шара Материал седла Нержавеющая закаленная сталь Нержавеющая закаленная сталь Нержавеющая закаленная сталь Спеченный металлопорошок Нержавеющая закаленная сталь Твердый сплав (карбид вольфрама) 34 Нержавеющая закаленная сталь Нержавеющая закаленная сталь с кольцом из твердого сплава (карбид вольфрама) Твердый сплав (карбид вольфрама) Твердый сплав (карбид вольфрама) Металлокерамика Нержавеющая закаленная сталь с кольцом из твердого сплава (карбид вольфрама) Стеллит (сплав кобальта, никеля и хрома) Стеллит (сплав кобальта, никеля и хрома) Материал исполнения клапанной пары играет одну из важнейших ролей, так как соотношение твердостей материала седла и материала шара влияют на скорость изнашивания контактирующих поверхностей клапана. На сегодняшний день наиболее распространенными материалами для изготовления шариков и сёдел в нефтяной промышленности России является твердый сплав (карбид вольфрама) [7]. В таблице 3.1.2 размещены основные неполадки, которые могут возникать в гидравлической части диафрагменного насоса при его работе и возможные варианты их решения: Таблица 3.1.2 – Проблемы гидравлической части диафрагменного насоса Проблема Возникающие неполадки Причина возникновения Вариант решения Выход из строя диафрагмы: отверстия в диафрагме - Утечка жидкости - Низкий расход - Повышенный износ - Перекачка несовместимой жидкости - Восстановление насоса - Проверка совместимости перекачиваемой жидкости Наличие металлической стружки в шаровом клапане Проблема с герметичностью клапана Содержание металлических включений в жидкости Фильтрация жидкости Износ седла клапана - Падение производительн ости насоса - Проблема с герметичностью клапана Перекачка абразивных жидкостей - Замена клапана - Рассмотрение других материалов для изготовленияклап ана 35 Засорение продуктом: блокирование отложениями насосных камер - Отсутствие потока - Заклинивание насоса Неправильная эксплуатация насоса Проведение профилактически х мероприятий 3.2 Неблагоприятные факторы приводной части и корпуса насоса Приводная часть насоса в меньше степени подвержена отказам, ввиду герметично изолированной и заполненной маслом системы. Но все же при высоких мощностях работы и при высоких передаточных отношениях редуктора в трансмиссии могут возникать серьёзные нагрузки, которые в свою очередь могут привести к преждевременному выходу из строя оборудования. Работу любой зубчатой пары в редукторе сопровождает целый ряд характерных вибраций, которые обусловлены усилиями, сопровождающими передачу вращающегося момента через зону зубозацепления. Вибрации зубчатых пар в наибольшей мере вызываются динамическими ударами, связанными с переходом передаваемой нагрузки с «зуба на зуб». Кроме того, в процессе работы каждой пары зубьев возникают и другие динамические усилия, обусловленные как «обкатыванием» зубьев, так и проскальзыванием рабочих поверхностей зубьев относительно друг друга [16]. Возможные дефекты приводной части диафрагменного насоса представлены в таблице 3.2.1 Таблица 3.2.1 – Возможные дефекты приводной части диафрагменного насоса [17] Неисправность Причина Необычные неравномерные шумы при работе 1. Посторонние предметы в масле 2. Повреждена рабочая поверхность зубьев колеса и/или шестерни Равномерный повышенный уровень шума при работе 1. Недостаточное количество масла 2. Нарушение регулировки подшипников 3. Подшипник вышел из строя 36 Пробивание масла из корпуса трансмиссии 1. Масла залито больше нормы 2. Засорены каналы для прохода масла Перегрев подшипников 1. Недостаточный объём масла или его повышенная вязкость 2. Перетянуты регулировочные крышки подшипников 3. Частота вращения входного вала превышает допустимую 4. Повреждена рабочая поверхность колец подшипников и/или шариков При включении привода валы редуктора не вращаются 1. Масло загустело 2. Недостаточная мощность двигателя 3. Отсутствует и/или повреждено шлицевое соединение на валах редуктора и/или привода а) б) Рисунок 3.2.1 – Дефекты зубчатых колес и шестерен: а) излом зубьев из- за воздействия динамических ударов; б) абразивный износ а) б) Рисунок 3.2.2 – Дефекты подшипников качения: а) выкрашивание поверхности кольца подшипника; б) трещина кольца подшипника Также стоит отметить, что в результате работы диафрагменной насосной установки в осложненных условиях (высокий абразивный износ, коррозионно- 37 активная среда) возможны образование дефектов в корпусных деталях насоса (Рисунок 3.2.3). Рисунок 3.2.3 – Коррозия корпуса насоса 38 4 Критерии отказов и предельных состояний скважинного диафрагменного насоса Отказом является состояние системы, при котором оборудование не может выполнять предназначенные функции и поддерживать заданный уровень производительности. Критерий отказа – признак или совокупность признаков нарушения работоспособного состояния объекта, установленные в документации [18]. Типичными критериями отказов оборудования могут быть: • Прекращение выполнения изделием заданных функций; снижение качества функционирования (производительности, мощности, точности, чувствительности и других параметров) за пределы допустимого уровня; • Искажение информации (неправильные решения) на выходе изделий, имеющих и своем составе ЭВМ или другие устройства дискретной техники, из-за сбоев (отказов сбойного характера); • Внешние проявления, свидетельствующие о наступлении или предпосылках наступления неработоспособного состояния (шум, стук в механических частях изделий, вибрация, перегрев, выделение химических веществ и т. п.). В отношении диафрагменных насосов были сформулированы следующие критерии отказов [19]: • Снижение подачи, при отсутствии свободного газа на приёме насоса, на 15-20% от значения, установленного при сдаче (запуске) насоса в эксплуатацию [20]; • Разрушение фланцево-болтовых соединений корпусов и падение насоса на забой; • Снижение изоляции системы «кабель-электродвигатель» до значения 0,2 кОм [20]; • Отсутствие вращения вала; 39 • Превышение уровня вибрации диафрагменного насоса, выше установленного нормативной документацией значения. Превышение параметра вибрации устанавливается исходя из его мощности, конструкции, и условий работы. Ввиду редкого применения диафрагменных насосов и отсутствия информации по данному вопросу, превышение уровня вибрации на 50 % (определенно экспертно) от номинального значения характеризует отказ насоса. Основные критерии отказов скважинных диафрагменных насосов и их причины представлены на рисунке 4.1 Рисунок 4.1 – Основные критерии отказов скважинных диафрагменных насосов и их причины [21] Предельным состоянием объекта является состояние, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно [18]. Критерий предельного состояния – признак или совокупность признаков предельного состояния объекта, установленные нормативно- технической и (или) конструкторской (проектной) документацией [18]. На детали и узлы диафрагменного насоса распространяются следующие критерии предельных состояний: • Износ или коррозия 50 % деталей насоса или его корпуса; 40 • Выход из строя плунжерной пары, эксцентрикового привода или кривошипно-шатунного механизма насоса; Выход из строя редуктора приводной части насоса. 41 5 Стратегия эксплуатации и ремонта скважинного диафрагменного насоса, структура ремонтного цикла, содержание операций текущего, и капитального ремонтов Для установок электроприводных диафрагменных насосов экономически целесообразно применять стратегию технического обслуживания и ремонта после отказа, так как для насосных установок с небольшой величиной дебита невыгодно применять другую стратегию. Это связано с тем, что стоимость вызова бригады КРС для поднятия установки перекроет всю экономическую выгоду от применения данного типа насосных установок. Стратегия ТОР после отказа состоит в том, что нефтепромысловое оборудование и их составные части ремонтируют по потребности после возникновения отказа, поломки в случайные моменты времени. Трудоемкость восстановления в этом случае тоже величина случайная. Для данной стратегии технического обслуживания и ремонта понятие ремонтного цикла не вводится [22]. Стратегия ТОР после отказа для диафрагменного насоса может включать 2 капитальных ремонта. Для УЭДН не принято вводить понятие «текущий ремонт», так как такие насосы работают до отказа, что связано с высокой стоимостью спуско – подъемных операций, поэтому после подъема из скважины диафрагменного насосного агрегата проводится сразу капитальный ремонт. Каждый поднятый из скважины электронасос вне зависимости от вида отказа и наработки на отказ подвергают ремонту. Допускается поузловой ремонт электронасоса (без полной разборки) при обязательном контроле состояния резинотехнических изделий [22]. Не рекомендуется нарушать комплектность сборочных единиц и деталей электронасосов при ремонте. Резьбовые соединения собирают и разбирают только при помощи ключей из специализированного комплекта инструмента и приспособлений 42 при приложении крутящего момента, указанного в нормативно-технической документации. После разборки сборочные единицы промывают и подвергают визуальному контролю: • Пружины, седло и шарик во всасывающем и нагнетательном клапанах; • Целостность проводов и токоввода в головке электронасоса; • Поверхность диафрагмы; • Состояние эксцентрикового привода или кривошипно-шатунного механизма; • Состояние элементов (валов, зубчатых колес, шестерен и подшипников) редуктора. Кроме того, контролируют сопротивление изоляции проводов токовводов в головке электронасоса, радиальный и осевой люфт обоймы эксцентрика в эксцентриковом приводе или кривошипно-шатунного механизма, радиальный и осевой люфт валов редуктора [22]. При отсутствии дефектов сборочные единицы используют повторно для сборки электронасоса. Сборочные единицы с обнаруженными дефектами направляют на полную разборку. При обнаружении дефектов отдельных элементов во время полной разборки сборочной единицы, необходимый элемент заменяется на новый. Полную разборку сборочных единиц электронасоса и их дальнейший ремонт производят в соответствии с руководством по ремонту. При сборке электронасоса сначала собирают отдельные сборочные единицы, затем из них собирается электронасос. При этом необходимо [22]: • Контролировать визуально внешний вид поверхностей и соединение резины диафрагмы. Нельзя допускать в сборку диафрагмы с дефектами на бурте и рабочих поверхностях и имеющие пузыри или отслоение резины; 43 • Проверять герметичность седла клапана в комплекте с шаром на специальном приборе из комплекта инструмента и приспособлений. Для этого седло устанавливают в прибор и прижимают его гайкой. Сжимая грушу, поднимают воду в стеклянной трубке до рабочей фаски седла, затем установливают шар на седло и отпускают грушу. Контроль осуществляют визуально по скорости снижения уровня воды в водомерном стекле прибора. При мгновенном (менее 1 с) падении уровня воды седло следует вернуть на доработку поверхности рабочей фаски; • Проверять герметичность токовводов и внутренних полостей электронасосов вакуумированием с помощью вакуум-насоса при вакуумметрическом давлении 0,10-0,05 МПа в течение 2-3 мин. Контроль остаточного давления осуществляют по вакуумметру с классом точности из ряда 0,6; 1; 1,5 и верхним пределом измерения вакуумметрического давления 0,1 МПа. Нельзя допускать падение установившегося остаточного давления. Необходимо также осуществлять проверку вакуумированием токовводов на стенде до установки в электронасос или при помощи проставки для вакуумирования токоввода и электронасосов в обвязке для заполнения маслом непосредственно перед заполнением маслом; • Контролировать герметичность мест соединения головки электронасососа с нагнетательным клапаном и с патрубком, а также патрубка с муфтой гидравлическими испытаниями. Испытания проводят выборочно при помощи спецпереводников водой давлением 17,5 МПа в течение времени, необходимого для осмотра, но не менее 10 мин. Течь через соединения не допускается; После сборки электронасос заполняют маслом. Заполнение маслом электронасоса осуществляют при помощи вакуум-насоса. 44 6 Расчет параметров безотказности элементов диафрагменного насоса Для диафрагменных насосов характерна возможность работы с флюидом с повышенным содержанием механических примесей. Это обусловлено тем, что почти все рабочие элементы насоса отделены от перекачиваемого флюида гибкой диафрагмой, кроме одного – клапанного узла. Всасывающий и нагнетательный клапаны, а также диафрагма напрямую контактируют с перекачиваемым флюидом и подвергаются износу в случае клапанной пары и усталостным нагрузкам в случае диафрагмы. 6.1 Расчет параметров безотказности клапанов диафрагменного насоса Выполним расчет скорости относительного перемещения. Ввиду сложности определения скорости перемещения потока жидкости относительно шарика, примем допущение, что шарик всегда находится в верхнем положении, а жидкость омывает его с постоянной скоростью. Расчетная схема клапанного узла представлена на рисунке 6.1.1. Рисунок 6.1.1 – Расчетная схема клапанного узла 45 Подача диафрагменного насоса: 𝑄 = 40 м 3 сут = 463 ∗ 10 −6 м 3 сек ; Площадь сечения кольцевого пространства клапана: 𝑆 = 𝜋 ∗ 𝐷 2 4 − 𝜋 ∗ d 2 4 = 𝜋 ∗ (30 ∗ 10 −3 ) 2 4 − 𝜋 ∗ (25,4 ∗ 10 −3 ) 2 4 = 75 ∗ 10 −5 мм 2 , где 𝐷 – диаметр канала клапана 𝐷 = 30 ∗ 10 −3 м; d – диаметр шарика d = 25,4 ∗ 10 −3 м [23]; Скорость относительного перемещения: 𝑉 = 𝑄 𝑆 = 463 ∗ 10 −6 75 ∗ 10 −5 ≈ 0,6 м 3 сек Время работы клапанного узла принято исходя из средней наработки до отказа шарикового клапана [7]. Значение средней интенсивности изнашивания, среднеквадратического отклонения интенсивности изнашивания и среднеквадратичного отклонения начального размера шарика клапана принято исходя из нескольких итераций расчета по определению параметров безотказности клапанного узла для получения сопоставимых с реальными условиями работы клапанного узла диафрагменного насоса. Для расчета параметров безотказности элементов диафрагменного насоса был принят нормальный закон распределения. При уменьшении диаметра шарика на 3% во время его работы при износе, произойдет отказ клапана. Соответственно при расчете параметров безотказности клапанов при износе будем использовать коэффициент диаметра шарика k = 0,03 [7]. Исходные данные для расчета представлены в таблице 6.1.1. 46 Таблица 6.1.1 – Исходные данные для расчета параметров безотказности клапанов диафрагменного насоса № Параметр Численное значение Единицы измерения 1 Диаметр шарика клапана d 25,4*10 -3 [23] м 2 Среднее значение интенсивности изнашивания J 2,5*10 -11 - 3 Скорость относительного перемещения V 0,6 м/с 4 Среднее квадратичное отклонение интенсивности изнашивания S j 4*10 -12 - 5 Среднее квадратичное отклонение начального размера S h 6,25*10 -2 [24] мкм 6 Время работы 𝑡 500 [7] суток 1. Расчет квантиля нормального распределения выполняется по формуле 6.1.1: 𝑈 р = 𝑛 − 1 √𝑛 2 𝜗 ∆ 2 + 𝜗 𝑗 2 , (6.1.1) где 𝑛 - коэффициент запаса по износу; 𝜗 𝛥 - коэффициент вариации размера детали; 𝜗 𝑗 - коэффициент вариации интенсивности изнашивания. 2. Определение коэффициент запаса по износу по формуле 6.1.2: 𝑛 = 𝑑 ∗ 𝑘 𝐽 ∙ 𝑉 ∙ 𝑡 (6.1.2) 47 𝑛 = 25,4 ∗ 10 −3 ∗ 0,03 2,5 ∗ 10 −11 ∗ 0,6 ∗ 500 ∗ 24 ∗ 3600 ≈ 1,176; 3. Найдем коэффициент вариации интенсивности изнашивания по формуле 6.1.3: 𝜗 𝑗 = 𝑆 𝑗 𝐽 (6.1.3) 𝜗 𝑗 = 4 ∗ 10 −12 2,5 ∗ 10 −11 = 0,16; 4. Найдем коэффициент вариации размера детали по формуле 6.1.4: 𝜗 𝛥 = 𝑆 ℎ 𝑑 ∗ 𝑘 (6.1.4) 𝜗 𝛥 = 6,25 ∗ 10 −8 25,4 ∗ 10 −3 ∗ 0,03 = 8,2 ∗ 10 −5 ; 5. Квантиль нормального распределения вычисляется по формуле 6.1.1: 𝑈 р = 1,176 − 1 √1,176 2 ∗ (8,2 ∗ 10 −5 ) 2 + 0,16 2 = 1,1 6. По таблице 6.1.2 нормального распределения в зависимости от полученного значения квантиля Uр находим вероятность безотказной работы клапана: Таблица 6.1.2 – Значения квантилей нормального распределения 48 Таким образом, имеем: 𝑃 клапана = 0,86; 7. Найдем среднее значение наработки на отказ по формуле 5.1.5: 𝑇 ср = 𝑑 ∗ 𝑘 𝐽 ∗ 𝑉 ∗ 86400 (6.1.5) 𝑇 ср = 25,4 ∗ 10 −3 ∗ 0,03 2,5 ∗ 10 −11 ∗ 0,6 ∗ 86400 ≈ 600 суток; 8. Для построения графиков необходимо задать среднее квадратичное отклонение S, значение которого примем равным 100. Плотность нормального распределения задается по формуле (6.1.6): 𝑓 𝑛 (𝑡) = 𝑒 −(𝑡−𝑇 𝑐𝑝 ) 2 2𝑆 𝑛 2 𝑆 𝑛 √2𝜋 (6.1.6) Все графики были выполнены с помощью пакета Mathcad 15. Рисунок 6.1.2 – Зависимость плотности распределения для всасывающего и нагнетательного клапана от наработки в сутках Вероятность отказов клапанов описывается по формуле (6.1.7): 𝑄(𝑡) = ∫ 𝑓(𝑡)𝑑𝑡 𝑡 0 (6.1.7) 49 Рисунок 6.1.3 – Зависимость вероятности отказа всасывающего и нагнетательного клапана от наработки в сутках Вероятность безотказной работы для всасывающего и нагнетательного клапана вычисляется по формуле (6.1.8): 𝑃(𝑡) = 1 − 𝑄(𝑡) (6.1.8) Рисунок 6.1.4 – Зависимость вероятности безотказной работы всасывающего и нагнетательного клапана от наработки в сутках 50 6.2 Расчет параметров безотказности диафрагмы насоса В процессе работы насоса диафрагма испытывает циклические нагрузки. Ввиду этого, для расчета показателей безотказности необходимо знать количество циклов, которая она проработает до отказа. Гарантийный срок службы диафрагменного насоса составляет 12 месяцев, соответственно среднюю наработку на отказ примем равную Т ср = 18 месяцев. Для построения графиков необходимо задать среднее квадратичное отклонение S, значение которого примем равным 100. Аналогично применим для построения графиков формулы 6.1.6-6.1.8. Рисунок 6.2.1 – Зависимость плотности распределения от наработки в сутках для диафрагмы Рисунок 6.2.2 – Зависимость вероятности отказа диафрагмы от наработки в сутках 51 Рисунок 6.2.3 – Зависимость вероятности безотказной работы диафрагмы от наработки в сутках 52 7 Вероятность безотказной работы диафрагменного насоса Так как всасывающий клапан, диафрагма и нагнетательный клапан в сборке насоса соединены последовательно, то отказ системы наступает в случае отказа хотя бы одного элемента, входящего в эту систему. Поэтому для безотказной работы такой системы необходимо чтобы каждый элемент (диафрагма + всасывающий клапан + нагнетательный клапан) работал безотказно. Вероятность одновременной безотказной работы всех элементов определяется по теореме умножения вероятностей: вероятность совместного появления независимых событий равна произведению вероятностей этих событий. 𝑃(𝑡) = 𝑃 1 (𝑡) ∙ 𝑃 2 (𝑡) ∙ 𝑃 3 (𝑡) (7.1) P(t) – вероятность отказа системы: всасывающий клапан + диафрагма + нагнетательный клапан; P 1 (t) – вероятность отказа всасывающего клапана; P 2 (t) – вероятность отказа диафрагмы; P 3 (t) – вероятность отказа нагнетательного клапана. График зависимости вероятности безотказной работы диафрагменного насоса от времени, выполненный в системе Mathcad 15 представлен на рисунке 7.1. Рисунок 7.1 – Вероятность безотказной работы диафрагменного насоса 53 С помощью функции трассировки графика в программе Mathcad 15 можно определить вероятности безотказной работы отдельных деталей насоса. Вероятность безотказной работы диафрагменного насоса в течение 12 месяцев по формуле (6.1) равна: 𝑃(12 мес) = 0,948. 12 месяцев – средний гарантийный срок службы диафрагменного насоса. Рисунок 7.2 – Вероятность безотказной работы насоса в течения гарантийного срока службы С помощью расчетной программы посчитаем среднюю наработку до отказа для диафрагменного насоса по формуле 7.2: Т 1ср = ∫ 𝑃(𝑡) 𝑑𝑡 ∞ 0 (6.2) получаем: Т 1ср = 500 суток. 54 8 Задание показателей надежности диафрагменного насоса Показатель надежности – количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта. Для оценки надежности объекта используются единичные и комплексные показатели. Единичные показатели: • вероятность безотказной работы; • среднюю наработка до отказа; • интенсивность отказов; • параметр потока отказов; • средний полный ресурс; • полный срок службы; • вероятность восстановления; • средний срок сохраняемости. Комплексные показатели: • коэффициент готовности; • коэффициент технического использования; • коэффициент оперативной готовности; • средние суммарные и удельные суммарные трудоемкости; • стоимость технического обслуживания и ремонта. Комплексные и единичные показатели надежности для диафрагменного насоса приведены в таблице 8.1. Скважинный диафрагменный насос является восстанавливаемым оборудованием. Для него задают четыре свойства единичных показателей надежности: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, а также комплексный показатель – коэффициент готовности. |