Оглавление
Введение…………………………………………………………………………...6
Разработка требований, определяющих потребительское качество пары трения плунжера-цилиндра штангового насоса
Свойства, определяющие потребительское качество пары трения плунжера-цилиндра штангового насоса
Свойства, показатели свойств и нормы на них, определяющие способность пары трения плунжера-цилиндра выполнять свое назначение
Функции пары трения плунжера-цилиндра и свойства, обеспечивающие выполнение этих функций
Классификация внешних воздействий на пару трения плунжера-цилиндра штангового насоса
Выявление интенсивности каждого вида воздействия на пару трения плунжера-цилиндра
Нормативный срок службы
Показатели требуемых свойств пары трения плунжера-цилиндра, обеспечивающие способность выполнять свое назначение и нормы на них
Выводы..………………………………………………………………………….36
Список литературы………………………………………………………………37
Приложение………………………………………………………………………38
Введение
Цель работы – выбор материала плунжера скважинного штангового насоса, обеспечивающего выполнение функций детали в заданных условиях применения в течение установленного срока службы.
В данной работе применен процессный
подход, основанный на иерархическом принципе соподчинения. Выбор материала
плунжера определяется требуемыми показателями свойств детали, обеспечивающими
работоспособность плунжера в заданных условиях применения в течение
установленного срока службы. Свойства плунжера определяются свойствами пары
трения штангового насоса.
1. Разработка требований, определяющих потребительское качество пары трения плунжера-цилиндра штангового насоса
1.1. Свойства, определяющие потребительское качество пары трения плунжера-цилиндра штангового насоса
![]() |
Рис.1.1 Комплекс свойств пары трения плунжера-цилиндра штангового насоса, определяющих ее потребительское качество
1.2. Свойства, показатели свойств и нормы на них, определяющие способность пары трения плунжера-цилиндра штангового насоса выполнять свое назначение
1.2.1. Функции пары трения плунжера-цилиндра штангового насоса и свойства, обеспечивающие выполнение этих функций
Пара трения штангового насоса состоит из плунжера и цилиндра рис.1. Функции пары трения – откачка скважинной жидкости (изменение рабочего объема цилиндра), восприятие силовых воздействий. Цилиндр крепится к колоне насосно-компрессорных труб, плунжер – к колонне штанг с помощью штока, совершает возвратно-поступательное движение. К плунжеру снизу крепится нагнетательный клапан, к цилиндру – узел всасывающего клапана.
Таблица 1.1 Функции, определяющие способность пары трения плунжера-цилиндра штангового насоса выполнять свое назначение и свойства, определяющие ее
№ |
Требуемые свойства |
Функции пары трения |
|
Откачка жидкости (изменение рабочего объема цилиндра) |
Восприятие силовых воздействий |
||
1 |
Несущая способность |
+ |
|
2 |
Герметичность |
+ |
Рис. 1.2 Штанговый насос
1.2.2. Классификация внешних воздействий на пару трения плунжера-цилиндра штангового насоса
Внешние воздействия на пару трения в процессе эксплуатации можно разделить на 4 группы: механические, тепловые, износ, физико-химические.
Механические воздействия
В процессе работы пара трения подвергается действию следующих механических нагрузок:
1) Плунжер:
- при ходе вверх: нагрузка от столба жидкости (статическая), сила трения в паре плунжер-цилиндр, вибрационная нагрузка (динамическая);
- при ходе вниз: сила трения в паре плунжер-цилиндр, вибрационная нагрузка.
2) Цилиндр:
- при всасывании: сила трения в паре плунжер-цилиндр;
- при нагнетании: нагрузка от столба жидкости (статическая), сила трения в паре плунжер-цилиндр.
Тепловые воздействия
Пара трения подвергается тепловому воздействию со стороны откачиваемой жидкости.
Износ
Пара трения работает в условиях коррозионно-абразивного изнашивания (содержание механических примесей в откачиваемой жидкости – 100 мг/л).
Физико-химические воздействия
Пара трения подвергается химической коррозии (наличие растворенного в воде СО2), электрохимической коррозии (наличие в пластовой воде хлоридов, гидрокарбонатов). Решающий фактор коррозионно-механического изнашивания – абразивное изнашивание.
1.2.3. Выявление интенсивности каждого вида воздействия на пару трения плунжера-цилиндра штангового насоса
Механические воздействия
В процессе работы пара трения подвергается действию следующих механических нагрузок:
1) Плунжер:
- при ходе вверх: нагрузка от столба жидкости (статическая) Pж = 18468 Н, сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н, вибрационная нагрузка Pвибр = 12319 Н (динамическая);
- при ходе вниз: сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н, вибрационная нагрузка Pвибр = 12319 Н.
Суммарная нагрузка на плунжер: при ходе вверх – Pсумвв = 31479 Н, вниз – Pсумвн = 13010 Н.
2) Цилиндр:
- при всасывании: сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н;
- при нагнетании: нагрузка от столба жидкости (статическая) Pж = 18468 Н, сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н.
Тепловые воздействия
Пара трения подвергается тепловому воздействию со стороны откачиваемой жидкости (Tmax = 60 0C).
Износ
Пара трения работает в условиях коррозионно-абразивного изнашивания (содержание механических примесей в откачиваемой жидкости – 100 мг/л). Первоначальный зазор в паре плунжер-цилиндр – δнач = 0,1 мм. Максимально допустимый зазор в паре плунжер-цилиндр, соответствующий утечке жидкости через зазор, равной 25% от первоначальной подачи, – δmax = 0,4 мм. Продолжительность работы штангового насоса до наступления предельного состояния – τ = 730 сут (2 года). Интенсивность изнашивания пары плунжер-цилиндр – I = (δmax - δнач)/ τ = 0,15 мм/год.
1.2.4. Нормативный срок службы
Нормативный срок службы пары трения плунжера-цилиндра штангового насоса – 5 лет.
1.2.5. Показатели требуемых свойств пары трения плунжера-цилиндра, обеспечивающие способность выполнять свое назначение и нормы на них
1. Несущая способность.
а) Стойкость к излому. Плунжер, цилиндр должны находиться в работоспособном состоянии (недопустим излом) под действием следующих нагрузок:
1) Плунжер:
- при ходе вверх: нагрузка от столба жидкости (статическая) Pж = 18468 Н, сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н, вибрационная нагрузка Pвибр = 12319 Н (динамическая);
- при ходе вниз: сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н, вибрационная нагрузка Pвибр = 12319 Н.
2) Цилиндр:
- при ходе вверх: сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н;
- при ходе вниз: нагрузка от столба жидкости (статическая) Pж = 18468 Н, сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н.
б) Жесткость плунжера, цилиндра. Допустимое относительное изменение длины плунжера, цилиндра под действием растягивающей нагрузки – 0,1%.
2. Герметичность. Зазор в паре плунжер-цилиндр может быть не более, чем в 4 раза больше от первоначального для обеспечения подачи насоса не менее 75 % от первоначальной. В исходном состоянии зазор в паре обеспечивает утечку 2% от подачи насоса. Исходный зазор в паре – 0,1 мм.
Таблица 1.2 Требуемые свойства пары трения плунжера-цилиндра, определяющие способность пары трения выполнять свое назначение
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Несущая способность: а) Стойкость к излому - в исходном состоянии - после внешних воздействий б) Жесткость плунжера, цилиндра |
Давление жидкости при гидравлических испытаниях, МПа Рпр=1,25 Рраб Суммарная нагрузка, Рсум, Н Допустимое изменение длины, % |
16,6 31479 0,1% от длины |
2 |
Герметичность: - в исходном состоянии - после внешних воздействий - в исходном состоянии - после внешних воздействий |
Допустимая утечка в зазоре плунжер-цилиндр, q, м3/сут не более 2% от подачи насоса 75% от подачи насоса Зазор в плунжерной паре, δ, мм не более |
0,48 18 0,1 0,4 |
1.2. Показатели требуемых свойств пары трения плунжера-цилиндра штангового насоса, обеспечивающие энергоэффективность и нормы на них
Таблица 1.3 Показатель энергоэффективности пары трения плунжера-цилиндра в исходном состоянии и при различных внешних воздействиях
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Энергоэффективность: - в исходном состоянии - после внешних воздействий |
КПД, не менее |
0,8 0,5 |
1.3. Показатели требуемых свойств пары трения плунжера-цилиндра штангового насоса, обеспечивающие надежность и нормы на них
Таблица 1.4 Показатели требуемых свойств пары трения плунжера-цилиндра, определяющих ее надежность при внешних воздействиях
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Безотказность |
Средняя наработка до отказа, сут Средняя наработка на отказ, сут |
730 548 |
2 |
Долговечность |
Срок службы, лет Доремонтный ресурс Межремонтный ресурс |
5 730 548 |
3 |
Ремонтопригодность |
Среднее время восстановления, ч Средняя трудоемкость восстановления, чел*ч |
72 72 |
4 |
Сохраняемость |
Средний срок сохраняемости, лет |
2 |
1.4. Показатели требуемых свойств пары трения плунжера-цилиндра штангового насоса, обеспечивающие технологичность и нормы на них
Таблица 1.5 Показатели технологичности пары трения
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Технологичность |
Трудоемкость изготовления Трудоемкость ремонта |
80 чел*ч 72 чел*ч |
2. Разработка требований, определяющих потребительское качество плунжера
2.1. Свойства, определяющие потребительское качество плунжера
![]() |
Рис.2.1 Комплекс свойств плунжера, определяющих его потребительское качество
2.2. Свойства, показатели свойств, определяющие способность плунжера выполнять свое назначение и нормы на них
2.2.1. Функции плунжера и свойства, обеспечивающие выполнение этих функций
Плунжер является рабочим органом скважинного штангового насоса. Функции плунжера – всасывание откачиваемой жидкости при ходе вверх, нагнетание жидкости при ходе вниз, восприятие силовых воздействий. Плунжер крепится к колонне штанг с помощью штока, совершает возвратно-поступательное движение. Снизу к плунжеру крепятся узел нагнетательного клапана и шток гидроусилителя. При ходе плунжера вверх поднимается тарель всасывающего клапана под действием сил трения тарели о шток гидроусилителя, и откачиваемая жидкость под действием разности давления в цилиндре насоса и давления на приеме насоса заполняет цилиндр насоса. При ходе вниз – всасывающий клапан закрывается, открывается нагнетательный клапан. Жидкость нагнетается по колонне НКТ.
Таблица 2.1 Функции, которые должен выполнять плунжер в штанговом насосе
№ |
Требуемые свойства |
Функции плунжера |
|
Откачка жидкости |
Восприятие силовых воздействий |
||
1 |
Несущая способность |
+ |
|
2 |
Герметичность |
+ |
2.2.2. Классификация внешних воздействий на плунжер
Внешние воздействия на плунжер в процессе эксплуатации можно разделить на 4 группы: механические, тепловые, износ, физико-химические.
Механические воздействия
В процессе работы плунжер подвергается действию следующих механических нагрузок:
- при ходе вверх: нагрузка от столба жидкости (статическая), сила трения в паре плунжер-цилиндр, вибрационная нагрузка (динамическая);
- при ходе вниз: сила трения в паре плунжер-цилиндр, вибрационная нагрузка.
Тепловые воздействия
Плунжер подвергается тепловому воздействию со стороны откачиваемой жидкости.
Износ
Плунжер работает в условиях коррозионно-абразивного изнашивания (содержание механических примесей в откачиваемой жидкости – 100 мг/л).
Физико-химические воздействия
Плунжер подвергается химической коррозии (наличие растворенного в воде СО2), электрохимической коррозии (наличие в пластовой воде хлоридов, гидрокарбонатов). Решающий фактор коррозионно-механического изнашивания – абразивное изнашивание.
2.2.3. Выявление интенсивности каждого вида воздействия на плунжер
Механические воздействия
В процессе работы плунжер подвергается действию следующих механических нагрузок:
- при ходе вверх: нагрузка от столба жидкости (статическая) Pж = 18468 Н, сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н, вибрационная нагрузка Pвибр = 12319 Н (динамическая);
- при ходе вниз: сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н, вибрационная нагрузка Pвибр = 12319 Н.
Суммарная нагрузка на плунжер: при ходе вверх – Pсум = 31479 Н, вниз – Pсум = 13010 Н.
Тепловые воздействия
Плунжер подвергается тепловому воздействию со стороны откачиваемой жидкости (Tmax = 60 0C).
Износ
Плунжер работает в условиях коррозионно-абразивного изнашивания (содержание механических примесей в откачиваемой жидкости – 100 мг/л). Первоначальный диаметр плунжера – dнач = 45 мм. Минимально допустимый диаметр плунжера, соответствующий утечке жидкости через зазор, равной 25% от первоначальной подачи, – dмин = 44,8 мм. Продолжительность работы штангового насоса до наступления предельного состояния – τ = 730 сут (2 года). Интенсивность изнашивания покрытия плунжера – Iп = (dнач - dмин)/ τ = 0,1 мм/год.
2.2.4. Нормативный срок службы
Нормативный срок службы плунжера – 5 лет.
2.2.5. Показатели требуемых свойств плунжера, обеспечивающие способность выполнять свое назначение и нормы на них
1. Несущая способность.
а) Стойкость к излому. Плунжер должен находиться в работоспособном состоянии (недопустим излом плунжера) под действием следующих нагрузок:
- при ходе вверх: нагрузка от столба жидкости (статическая) Pж = 18468 Н, сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н, вибрационная нагрузка Pвибр = 12319 Н (динамическая);
- при ходе вниз: сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н, вибрационная нагрузка Pвибр = 12319 Н.
б) Жесткость. Допустимое относительное изменение длины плунжера под действием растягивающей нагрузки – 0,1%.
2. Герметичность. Изменение диаметра плунжера не более 0,1 мм/год.
Таблица 2.2 Требуемые свойства плунжера, определяющие способность плунжера выполнять свое назначение
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Несущая способность: а) Стойкость к излому - в исходном состоянии - после внешних воздействий б) Жесткость |
Давление жидкости при гидравлических испытаниях, МПа Рпр=1,25 Рраб Суммарная нагрузка, Рсум, Н Допустимое изменение длины, % |
16,6 31479 0,1% от длины |
2 |
Герметичность |
Изменение диаметра плунжера, Δdпл, мм/год не более |
0,1 |
2.2. Показатели требуемых свойств плунжера, обеспечивающие энергоэффективность и нормы на них
Таблица 2.3 Показатель энергоэффективности плунжера в исходном состоянии и при различных внешних воздействиях
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Энергоэффективность: - в исходном состоянии - после внешних воздействий |
КПД, не менее |
0,8 0,5 |
2.3. Показатели требуемых свойств плунжера, обеспечивающие надежность и нормы на них
Таблица 2.4 Показатели требуемых свойств плунжера, определяющих его надежность при внешних воздействиях
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Безотказность |
Средняя наработка до отказа, сут Средняя наработка на отказ, сут |
730 548 |
2 |
Долговечность |
Срок службы, лет Средний доремонтный ресурс Средний межремонтный ресурс |
5 730 548 |
3 |
Ремонтопригодность |
Среднее время восстановления, ч Средняя трудоемкость восстановления, чел*ч |
48 48 |
4 |
Сохраняемость |
Средний срок сохраняемости, лет |
2 |
2.4. Показатели требуемых свойств плунжера, обеспечивающие технологичность и нормы на них
Таблица 2.5 Показатели технологичности плунжера
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Технологичность |
Трудоемкость изготовления Трудоемкость ремонта |
88 чел*ч 80 чел*ч |
Ввиду высокой стоимости материала, обеспечивающего стойкостью к коррозионно-механическому изнашиванию, плунжер целесообразно изготовлять в 2 слоя: сердцевина и покрытие. Сердцевина обеспечивает несущую способность, покрытие – стойкость к коррозионно-абразивному изнашиванию.
3. Разработка требований, определяющих потребительское качество покрытия и сердцевины плунжера
3.1. Свойства, определяющие потребительское качество покрытия и сердцевины плунжера штангового насоса
![]() |
Рис.3.1 Комплекс свойств покрытия плунжера штангового насоса, определяющих его потребительское качество
![]() |
Рис.3.2 Комплекс свойств сердцевины плунжера штангового насоса, определяющих ее потребительское качество
3.2. Свойства, показатели свойств, определяющие способность покрытия и сердцевины плунжера выполнять свое назначение и нормы на них
3.2.1. Функции покрытия и сердцевины плунжера и свойства, обеспечивающие выполнение этих функций
Функция покрытия - защита сердцевины плунжера от воздействий эксплуатационной среды.
Таблица 3.1 Функции, которые должно выполнять покрытие плунжера
№ |
Требуемые свойства |
Функции покрытия |
Защита сердцевины от воздействий эксплуатационной среды |
||
1 |
Стойкость к коррозионно-абразивному изнашиванию |
+ |
2 |
Исходная толщина покрытия |
+ |
Функция сердцевины плунжера - восприятие силовых воздействий.
Таблица 3.2 Функции, которые должна выполнять сердцевина плунжера
№ |
Требуемые свойства |
Функции плунжера |
Восприятие силовых воздействий |
||
1 |
Несущая способность |
+ |
3.2.2. Классификация внешних воздействий на покрытие и сердцевину плунжера
Внешние воздействия на покрытие плунжера в процессе эксплуатации можно разделить на 3 группы: тепловые, износ, физико-химические.
Тепловые воздействия
Покрытие подвергается тепловому воздействию со стороны откачиваемой жидкости.
Износ
Покрытие работает в условиях коррозионно-абразивного изнашивания (содержание механических примесей в откачиваемой жидкости – 100 мг/л).
Физико-химические воздействия
Покрытие подвергается химической коррозии (наличие растворенного в воде СО2), электрохимической коррозии (наличие в пластовой воде хлоридов, гидрокарбонатов). Решающий фактор коррозионно-механического изнашивания – абразивное изнашивание.
Внешние воздействия на сердцевину плунжера в процессе эксплуатации можно разделить на 2 группы: механические, тепловые.
Механические воздействия
В процессе работы сердцевина плунжера подвергается действию следующих механических нагрузок:
- при ходе вверх: нагрузка от столба жидкости (статическая), сила трения в паре плунжер-цилиндр, вибрационная нагрузка (динамическая);
- при ходе вниз: сила трения в паре плунжер-цилиндр, вибрационная нагрузка.
Тепловые воздействия
Сердцевина плунжера подвергается тепловому воздействию со стороны откачиваемой жидкости.
Внешние воздействия на сердцевину плунжера в процессе эксплуатации можно разделить на 2 группы: механические, тепловые.
Механические воздействия
В процессе работы сердцевина плунжера подвергается действию следующих механических нагрузок:
- при ходе вверх: нагрузка от столба жидкости (статическая), сила трения в паре плунжер-цилиндр, вибрационная нагрузка (динамическая);
- при ходе вниз: сила трения в паре плунжер-цилиндр, вибрационная нагрузка.
3.2.4. Выявление интенсивности каждого вида воздействия на покрытие и сердцевину плунжера
3.2.4.1. Выявление интенсивности каждого вида воздействия на покрытие плунжера
Тепловые воздействия
Покрытие подвергается тепловому воздействию со стороны откачиваемой жидкости (Tmax = 60 0C).
Износ
Покрытие работает в условиях коррозионно-абразивного изнашивания (содержание механических примесей в откачиваемой жидкости – 100 мг/л). Первоначальный диаметр плунжера – dнач = 45 мм. Минимально допустимый диаметр плунжера, соответствующий утечке жидкости через зазор, равной 25% от первоначальной подачи, – dмин = 44,8 мм. Продолжительность работы штангового насоса до наступления предельного состояния – τ = 730 сут (2 года). Интенсивность изнашивания покрытия плунжера – Iп = (dнач - dмин)/ τ = 0,1 мм/год.
3.2.4.2. Выявление интенсивности каждого вида воздействия на сердцевину плунжера
Механические воздействия
В процессе работы сердцевина плунжера подвергается действию следующих механических нагрузок:
- при ходе вверх: нагрузка от столба жидкости (статическая) Pж = 18468 Н, сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н, вибрационная нагрузка Pвибр = 12319 Н (динамическая);
- при ходе вниз: сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н, вибрационная нагрузка Pвибр = 12319 Н.
Суммарная нагрузка на плунжер: при ходе вверх – Pсум = 31479 Н, вниз – Pсум = 13010 Н.
Тепловые воздействия
Сердцевина плунжера подвергается тепловому воздействию со стороны откачиваемой жидкости (Tmax = 60 0C).
3.2.5. Нормативный срок службы
Нормативный срок службы покрытия плунжера – 5 лет.
Нормативный срок службы сердцевины плунжера – 5 лет.
3.2.5. Показатели требуемых свойств покрытия и сердцевины плунжера, обеспечивающие способность выполнять свое назначение и нормы на них
Таблица 3.3 Требуемые свойства покрытия плунжера, определяющие способность покрытия плунжера выполнять свое назначение
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Стойкость к коррозионно-абразивному изнашиванию |
Скорость изменения толщины покрытия, Δ, мм/год не более |
0,05 |
2 |
Исходная толщина покрытия |
Исходная толщина, δп, мм |
0,1 |
Таблица 3.4 Требуемые свойства сердцевины плунжера, определяющие способность сердцевины плунжера выполнять свое назначение
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Несущая способность: а) Стойкость к излому - в исходном состоянии - после внешних воздействий б) Жесткость |
Давление жидкости при гидравлических испытаниях, МПа Рпр=1,25 Рраб Суммарная нагрузка, Рсум, Н Допустимое изменение длины, % |
16,6 31479 0,1% от длины |
3.3. Показатели требуемых свойств покрытия плунжера, обеспечивающие энергоэффективность и нормы на них
Таблица 3.5 Показатель энергоэффективности покрытия плунжера в исходном состоянии и при различных внешних воздействиях
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Энергоэффективность: - в исходном состоянии - после внешних воздействий |
КПД, не менее |
0,8 0,5 |
3.4. Показатели требуемых свойств покрытия и сердцевины плунжера, обеспечивающие надежность и нормы на них
Таблица 3.6 Показатели требуемых свойств покрытия плунжера, определяющих ее надежность при внешних воздействиях
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Безотказность |
Средняя наработка до отказа, сут Средняя наработка на отказ, сут |
730 548 |
2 |
Долговечность |
Срок службы, лет Средний доремонтный ресурс Средний межремонтный ресурс |
5 730 548 |
3 |
Ремонтопригодность |
Среднее время восстановления, ч Средняя трудоемкость восстановления, чел*ч |
48 48 |
4 |
Сохраняемость |
Средний срок сохраняемости, лет |
2 |
Таблица 3.7 Показатели требуемых свойств сердцевины плунжера, определяющих ее надежность при внешних воздействиях
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Безотказность |
Средняя наработка до отказа, сут Средняя наработка на отказ, сут |
730 548 |
2 |
Долговечность |
Срок службы, лет Средний доремонтный ресурс Средний межремонтный ресурс |
5 730 548 |
3 |
Ремонтопригодность |
Среднее время восстановления, ч Средняя трудоемкость восстановления, чел*ч |
8 8 |
4 |
Сохраняемость |
Средний срок сохраняемости, лет |
2 |
3.5. Показатели требуемых свойств покрытия и сердцевины плунжера, обеспечивающие технологичность и нормы на них
Таблица 3.8 Показатели технологичности покрытия плунжера
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Технологичность |
Трудоемкость изготовления Трудоемкость ремонта |
80 чел*ч 80 чел*ч |
Таблица 3.9 Показатели технологичности сердцевины плунжера
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Технологичность |
Трудоемкость изготовления Трудоемкость ремонта |
8 чел*ч 8 чел*ч |
4. Разработка требований, определяющих потребительское качество материала покрытия и сердцевины плунжера
4.1. Свойства, определяющие потребительское качество материала покрытия и сердцевины плунжера штангового насоса
![]() |
|||||||
![]() |
|||||||
![]() |
|||||||
![]() |
|||||||
Рис.4.1 Комплекс свойств материала покрытия плунжера штангового насоса, определяющих его потребительское качество
![]() |
Рис.4.2 Комплекс свойств материала сердцевины плунжера штангового насоса, определяющих его потребительское качество
4.2. Свойства, показатели свойств, определяющие способность материала покрытия и сердцевины плунжера выполнять свое назначение и нормы на них
4.2.1. Функции материала покрытия и сердцевины плунжера и свойства, обеспечивающие выполнение этих функций
Функции материала покрытия - сопротивление коррозионно-абразивному изнашиванию, тепловым воздействиям.
Таблица 4.1 Функции, которые должен выполнять материал покрытия плунжера
№ |
Требуемые свойства |
Функции материала покрытия |
|
Сопротивление коррозионно-абразивному изнашиванию |
Сопротивление тепловым воздействиям |
||
1 |
Стойкость к коррозионно-абразивному изнашиванию |
+ |
|
2 |
Пористость |
+ |
|
3 |
Стойкость к тепловым воздействиям |
+ |
|
4 |
Прочность сцепления с основным материалом |
+ |
Функция материала сердцевины – сопротивление силовым, тепловым воздействиям,
Таблица 4.2 Функции, которые должен выполнять материал сердцевины плунжера
№ |
Требуемые свойства |
Функции материала сердцевины |
|
Сопротивление силовым воздействиям |
Сопротивление тепловым воздействиям |
||
1 |
Прочность |
+ |
|
2 |
Деформационные свойства |
+ |
|
3 |
Стойкость к тепловым воздействиям |
+ |
4.2.2. Классификация внешних воздействий на покрытие и сердцевину плунжера
Внешние воздействия на материал покрытия плунжера в процессе эксплуатации можно разделить на 3 группы: тепловые, износ, физико-химические.
Тепловые воздействия
Материал покрытия подвергается тепловому воздействию со стороны откачиваемой жидкости.
Износ
Материал покрытия работает в условиях коррозионно-абразивного изнашивания (содержание механических примесей в откачиваемой жидкости – 100 мг/л).
Физико-химические воздействия
Материал покрытия подвергается химической коррозии (наличие растворенного в воде СО2), электрохимической коррозии (наличие в пластовой воде хлоридов, гидрокарбонатов). Решающий фактор коррозионно-механического изнашивания – абразивное изнашивание.
Внешние воздействия на материал сердцевины плунжера в процессе эксплуатации можно разделить на 2 группы: механические, тепловые.
Механические воздействия
В процессе работы материал сердцевины плунжера подвергается действию следующих механических нагрузок:
- при ходе вверх: нагрузка от столба жидкости (статическая), сила трения в паре плунжер-цилиндр, вибрационная нагрузка (динамическая);
- при ходе вниз: сила трения в паре плунжер-цилиндр, вибрационная нагрузка.
Тепловые воздействия
Материал сердцевины плунжера подвергается тепловому воздействию со стороны откачиваемой жидкости.
4.2.3. Выявление интенсивности каждого вида воздействия на материал покрытия и сердцевины плунжера
4.2.3.1. Выявление интенсивности каждого вида воздействия на материал покрытия плунжера
Тепловые воздействия
Материал покрытия подвергается тепловому воздействию со стороны откачиваемой жидкости (Tmax = 60 0C).
Износ
Материал покрытия работает в условиях коррозионно-абразивного изнашивания (содержание механических примесей в откачиваемой жидкости – 100 мг/л). Интенсивность изнашивания материала покрытия плунжера – I = 0,1 мм/год.
4.2.3.2. Выявление интенсивности каждого вида воздействия на материал сердцевины плунжера
Механические воздействия
В процессе работы материал сердцевины плунжера подвергается действию следующих механических нагрузок:
- при ходе вверх: нагрузка от столба жидкости (статическая) Pж = 18468 Н, сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н, вибрационная нагрузка Pвибр = 12319 Н (динамическая);
- при ходе вниз: сила трения в паре плунжер-цилиндр Pпл-ц = 690 Н, вибрационная нагрузка Pвибр = 12319 Н.
Суммарная нагрузка на материал сердцевины плунжер: при ходе вверх – Pсум = 31479 Н, вниз – Pсум = 13010 Н.
Напряжения, возникающие в материале сердцевины плунжера: при ходе вверх – σвверх = 50 МПа, вниз – σвниз = 21 МПа.
Тепловые воздействия
Материал сердцевины плунжера подвергается тепловому воздействию со стороны откачиваемой жидкости (Tmax = 60 0C).
4.2.4. Нормативный срок службы
Нормативный срок службы материала покрытия плунжера – 5 лет.
Нормативный срок службы материала сердцевины плунжера – 5 лет.
4.2.5. Показатели требуемых свойств материала покрытия и сердцевины плунжера, обеспечивающие способность выполнять свое назначение и нормы на них
Таблица 4.3 Показатели требуемых свойств материала покрытия плунжера
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Стойкость к коррозионно-абразивному изнашиванию |
Интенсивность коррозионно-абразивного изнашивания, I, мм/год |
0,1 |
2 |
Пористость |
Количество сквозных пор, не более |
3 на 1 см2 поверхности |
3 |
Прочность сцепления с основным материалом |
Предельное напряжение σсц, МПа |
300 |
4 |
Стойкость к тепловым воздействиям |
Максимальная температура Тmax, 0С |
60 |
Таблица 4.4 Показатели требуемых свойств материала сердцевины плунжера
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Прочность |
Предел текучести, σт, МПа, не менее |
65 |
2 |
Деформационные свойства |
Модуль упругости, Е, Па, не менее |
4,2*1010 |
3 |
Стойкость к тепловым воздействиям |
Максимальная температура Тmax, 0С |
60 |
4.3. Показатели требуемых свойств материала покрытия и сердцевины плунжера, обеспечивающие технологичность и нормы на них
Таблица 4.5 Показатели требуемых свойств материала покрытия плунжера, определяющих его технологичность
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Технологичность |
Максимальная скорость резания Vp, м/мин |
130 |
Таблица 4.6 Показатели требуемых свойств материала сердцевины плунжера, определяющих его технологичность
№ |
Требуемые свойства |
Показатели свойств |
Нормы на показатели |
1 |
Технологичность |
Максимальная скорость резания Vp, м/мин |
130 |
5. Выбор материала сердцевины и покрытия плунжера
Правильный выбор материла покрытия и сердцевины плунжера по справочным данным невозможен. Необходимо проведение лабораторных испытаний для моделирования внешних воздействий эксплуатационной среды.
Ввиду высокой минерализации попутно добываемой воды, и наличия углекислого газа плунжер следует изготавливать из Стали 45 ГОСТ 8732 – 78 (σт = 360 МПа, σв = 610 МПа, δ =16%) с хромовым покрытием Х. тв. ГОСТ 9.301-86 толщиной не менее 0,1 мм. Выбор стали 45 обусловлен невысокими нагрузками, действующими на плунжер, отсутствием воздействия эксплуатационной среды на сердцевину плунжера. Хромовое покрытие необходимо для работы плунжера в условиях коррозионно-абразивного изнашивания для обеспечения доремонтного ресурса (2 года) пары трения. Скорость изменения диаметра плунжера – не более 0,1 мм/год.
Выводы
В данной работе выявлены свойства пары трения плунжера-цилиндра скважинного штангового насоса, обеспечивающие ее работоспособность в заданных условиях применения в течение установленного срока службы.
Перечислены основные функции, свойства пары трения плунжера-цилиндра, плунжера штангового насоса. Выявлены и систематизированы виды воздействий на пару трения, плунжер в процессе эксплуатации штангового насоса. Внешние воздействия разделены на механические, тепловые, износ, физико-химические. Проведена количественная и качественная оценка интенсивности каждого вида воздействий. Выявлены требуемые свойства материала плунжера. Выбран материал сердцевины плунжера и покрытия, соответствующий нормам на показатели свойств материала сердцевины и покрытия. В качестве материала сердцевины выбрана сталь 45 ГОСТ 8732 – 78, в качестве материала покрытия – хромовое покрытие Х. тв. ГОСТ 9.301-86.
Список литературы
1. Справочник металлиста. В 5-и т. Т.2 Под ред. А.Г. Рахштадта и В.А. Брострема. М., «Машиностроение», 1976.
2. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник. В 2-х томах/Под ред. М.А. Шлугера. – М.: Машиностроение, 1985 – Т. 1. 240 с., ил.
3. Электроосаждение металлических покрытий. Справ. Изд. Беленький М.А., Иванов А.Ф., М.: Металлургия, 1985. 288 с.
4. Мельников П.С. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении. – М.: Машиностроение, 1979. – 296 с., ил.
5. Протасов В.Н. Физико-химическая механика материалов в оборудовании и сооружениях нефтегазовой отрасли. Учебник. – М.: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина. 2011 г. - 204 с.
6. Маркин А.Н., Низамов Р.Э. СО2-коррозия нефтепромыслового оборудования. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ». – 2003. – 188 с.
7. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений. Справочник/Под ред. А.А. Герасименко. – М.: Машиностроение, 1987. – Т.1.
8. Якимов С.Б. Повышение конструкционной надежности штанговых насосов – основа увеличения межремонтного периода // Инженерная практика. - 2011. - №5. - С. 146-148.
9. Кочеков М.А. Повышение эффективности эксплуатации штанговых насосных установок в выскообводненных скважинах: дис. канд. техн. наук: 25.00.17; – Уфа, 2014. – 132 с.
10. Натиг Адил оглы Набиев. Разработка и исследование тезнических и технологических факторов, обеспечивающих повышение эксплуатационных показателей скважинных штанговых насосов: автрореф. Дис. д-ра техн. наук: 05.02.13; АГНА. – Баку, 2010. – 21 с.
11. ГОСТ 9.301-86 Единая система защиты от коррозии и старения (ЕСЗКС). Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Общие требования.
12. ГОСТ 31835-2012 Насосы скважинные штанговые. Общие технические требования.
13. Технические условия ТУ У 29.1-14331730-001:2007.
14. Specification for Subsurface Sucker Rod Pumps and Fitting. API SPECIFICATION 11AX TWELFTH EDITION, JUNE 2006.
ПРИЛОЖЕНИЕ