Время плунжерных насосов
10 Январь 2011 г.Время плунжерных насосов
Время плунжерных насосов
Голдобин В. А., генеральный директор завода «Синергия»
В последнее время наметилась тенденция замены морально устаревших поршневых насосов на более современные плунжерные насосы. В этой статье сравниваются конструктивные особенности и технологические возможности самого распространенного поршневого насоса 9Т и самого распространенного плунжерного насоса СИН32.
Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений немыслима без перекачки тех или иных жидкостей под высоким давлением.
В России традиционно применяют для этих целей поршневые насосы, в основном разработанные еще в 30-40 годах прошлого столетия.
На первый взгляд, им нет альтернативы. Это отработанные десятилетиями конструкции, знакомые всем нефтяникам и газовикам.
В то же время, несмотря на кажущуюся простоту и привлекательность поршневых насосов, при их эксплуатации и использовании все чаще возникают вопросы, решить которые поршневые насосы просто не в состоянии. Так, например, при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений требуется закачивать в скважины технологические жидкости под давлением 70-100 МПа и выше. А поршневые насосы, в силу своих конструктивных особенностей, не могут создавать давление выше 30-40 МПа.
Для наглядности сравним два насоса: самый распространенный поршневой 9Т и самый распространенный плунжерный СИН32.
У поршневого насоса уплотнение между поршнем и цилиндром осуществляется только одной кромкой самого поршня, которая не обеспечивает герметичность при работе на высоких давлениях.
Для работы на высоких давлениях необходимо увеличить количество уплотнительных элементов, а значит, и количество уплотняющих кромок. Чем больше давление - тем больше уплотнительных элементов необходимо установить.
Эта задача давно и успешно решена на плунжерном насосе, где уплотнение плунжера осуществляется пакетом уплотнительных элементов, а высокое давление создается без особых усилий.
Ресурс работы поршня с одной уплотняющей кромкой, естественно, значительно ниже, чем у пакета уплотнений плунжера с несколькими уплотнительными кромками.
В поршневом насосе подвести смазку на рабочие поверхности поршня и цилиндра практически невозможно, что приводит к их быстрому износу.
Сами поршни, используемые в насосах, резиновые, а резина далеко не лучший, особенно при работе в агрессивных средах, материал.
В отличие от поршневого в плунжерном насосе подвести смазку к неподвижному пакету уплотнений не представляет никакого труда, что значительно увеличивает ресурс их работы. При этом конструкция уплотнений плунжерного насоса позволяет применять самые современные полимерные и композиционные материалы, обладающие высокой стойкостью при работе в агрессивных средах и имеющие значительно больший ресурс работы по сравнению с резиной.
Всем известно, что чем больше частота вращения вала насоса (больше число двойных ходов в мин.), тем меньше габариты и вес самого насоса при той же самой гидравлической мощности. Все поршневые насосы тихоходны в силу того, что резиновый поршень движется в цилиндровой втулке без смазки и, естественно, скорость перемещения его невелика. При увеличении скорости перемещения резиновый поршень быстро нагревается и оплавляется.
В плунжерных же насосах пакет уплотнений смазывается и это позволяет ему безболезненно перемещаться с гораздо большей скоростью, поэтому плунжерные насосы, по сравнению с поршневыми той же мощности имеют меньшие габариты и вес, т.е. имеют большую удельную мощность.
Слабое место любого насоса - это узлы уплотнений движущихся частей, требующих постоянного внимания и периодической замены изношенных деталей, а значит и остановки насоса.
В плунжерном насосе такой узел один - это уплотнение плунжера, в процессе эксплуатации которого требуется периодическая замена недорогого пакета уплотнительных элементов и гораздо реже самого плунжера.
Уплотнение тяги плунжеров (уплотнение корпуса) в современных конструкциях плунжерных насосов разработки Завода Синергия заменено на неподвижное уплотнение путем введения в конструкцию гофрированного чехла оригинальной конструкции.
В поршневом насосе таких узлов три:
во-первых - это уплотнение поршня, движущегося во втулке, к тому же без смазки в агрессивных или абразивосодержащих жидкостях, в процессе эксплуатации которого требуется частая замена поршней и втулок. Следует отметить, что у поршня две кромки и выход из строя любой из них ведет к остановке насоса;
во-вторых - это уплотнение штока, в процессе эксплуатации которого требуется периодическая замена уплотнительных элементов и самого штока;
в-третьих - это уплотнение корпуса, в процессе эксплуатации которого также требуется замена уплотнительных элементов.
Сравнивая насосы 9Т и СИН32, следует обратить внимание на характер пульсаций давления в напорной магистрали.
В этом случае для гашения таких сильных пульсаций давления приходится применять мощные гасители пульсаций - демпферы.
В плунжерном насосе, хотя и имеются пульсации, но они незначительны и, в ряде случаев, можно вообще обойтись без гасителей пульсаций давления.
Поршневой насос 9Т имеет встроенный червячный редуктор.
Известно, что коэффициент полезного действия червячной передачи не превышает 60%, а остальные 40%, образно выражаясь, обогревают за Ваш счет «мировое пространство», к тому же сама червячная передача быстро изнашивается и требует в процессе эксплуатации постоянного ухода и частого ремонта.
В отличие от поршневого насоса 9Т в насосе СИН32 редуцирование вынесено из корпуса, что значительно упростило конструкцию и сделало ее более надежной. Редуцирование же осуществляется с помощью современного навесного планетарно-цилиндрического редуктора.
Специальный планетарно-цилиндрический редуктор с передаточным отношением 12,5 отличается от аналогов небольшими габаритами, весом и высоким коэффициентом полезного действия (95%).
С точки зрения ремонтопригодности такие редукторы, конечно, предпочтительнее встроенных в корпус насоса. Его можно легко отремонтировать или заменить, не разбирая насос.
Завод "Синергия" еще в 1992 году сделал выбор в пользу плунжерных насосов. И время подтвердило правильность этого решения.
На сегодняшний день Синергией разработана и производится вся гамма плунжерных насосов, необходимых нефтяникам и газовикам как по мощности, так и по назначению. (см. отдельную вставку)
По назначению насосы следует разделить на две группы:
К первой группе относятся легкие и мощные насосы периодического действия с подшипниками качения в кривошипно-шатунном механизме СИН32, СИН31.
Эти насосы очень хорошо себя зарекомендовали на передвижных установках (для цементирования, кислотной обработки скважин, установках для гидроразрыва пластов и т.д.), особенно при эксплуатации в районах Крайнего Севера.
Эти насосы крайне просты в обслуживании и эксплуатации, не требовательны к качеству смазочных материалов, хорошо работают при отрицательных температурах в таких условиях, где импортная техника просто не работает.
Ко второй группе относятся насосы постоянного действия с подшипниками скольжения в кривошипно-шатунном механизме и принудительной системой смазки, предназначенные для круглосуточной работы в течение длительного времени и применяются для поддержания пластового давления и буровых работах.
Надежность их такова, что при правильной эксплуатации они не требуют ремонта в течение всего срока эксплуатации, а ремонт их значительно проще и дешевле, чем у традиционных насосов с подшипниками качения. Но эта группа насосов, аналогично двигателям внутреннего сгорания, требует более квалифицированного и своевременного обслуживания.
Во вторую группу насосов входят такие насосы, как СИН46, СИН63, СИН61 и СИН71.
В отдельную группу можно выделить насосы СИН54 и СИН48, которые используются в насосных установках для проведения технологических испытаний на прочность и герметичность изделий и трубопроводов, работающих под давлением, а также для опрессовки скважин. Отличительной особенностью этих насосов является то, что они способны развивать давления от 75 до 135 МПа с необходимой безопасной скоростью подъема давления.
Все наши насосы отличает простота и быстрота обслуживания и ремонта. Так монтажные крышки и корпуса уплотнений плунжеров клапанной коробки имеют оцинкованную трапецеидальную резьбу, что позволяет быстро, без лишних усилий и проблем производить их демонтаж в связи с заменой пакетов уплотнений, клапанов, пружин и т.д.
К примеру, процесс замены клапанов занимает всего 20-30 минут, а замена плунжеров с уплотнительными элементами 30-40 минут.
Интересны сравнительные данные, полученные по результатам эксплуатации буровых насосных установок с поршневыми и плунжерными насосами, связанные с материальными затратами на замену быстроизнашиваемых частей. В поршневом насосе это поршень, цилиндровая втулка, клапана, уплотнительные элементы штока и корпуса, в плунжерном насосе это плунжеры, пакеты уплотнений, клапаны. Так по данным независимых организаций БК «Евразия», «Анега-Бурение», «Башнефть-Геострой» затраты на бурение 1м составляют:
a) при использовании поршневых насосов НБТ-235/4 и УНР-475-32ВМ – 311,5 - 375,9 руб.
b) при использовании трехплунжерных насосов СИН61 и СИН63 – 82,56 - 200,24 руб.
Таким образом, разница в затратах на 1м проходки составляет 1,5 – 4,5 раза в пользу плунжерных насосов, а повышение стойкости сменных деталей позволяет бурить ствол протяженностью 1000-1500м без замены плунжеров и седел, т.е. без останова процесса бурения. Практика показала, что стойкость плунжеров и седел при бурении составляет от 500 до 1000 моточасов, пакетов уплотнений и клапанов от 350 до 700 моточасов, в зависимости от режимов работы насоса и плотности буровых растворов.
Таким образом из всего выше сказанного следует, что плунжерные насосы по сравнению с поршневыми насосами:
-расширяют технологические возможности нефтегазодобывающего оборудования, так как работают при давлениях до 105 МПа с различными, в т.ч. агрессивными средами;
-увеличивают ресурс работы техники;
-упрощают и удешевляют эксплуатацию и обслуживание оборудования;
-имеют большую удельную гидравлическую мощность и надежность.