О надежности валов УЭЦН и выборе материалов для их изготовления

Условия эксплуатации установок центробежных электронасосов (УЭЦН) в нефтяных скважинах предъявляют жесткие требования к материалам, из которых изготовлены их детали, в частности вал насоса. Аналитические исследования показывают, что с его ненадежностью при эксплуатации связано более 40 % выходов из строя всего агрегата [1]. Вал насоса подвергается длительному воздействию крутящего момента, в том числе импульсного характера, в агрессивной среде с температурой более 80 °С. Основным материалом для валов УЭЦН более 20 лет является нержавеющая сталь 03Х14Н7В. Анализ причин выхода из строя валов показывает, что их недостаточная надежность, особенно в скважинах глубиной более 2000 м, обусловлена прежде всего неточностью выбора диаметра и недостаточно высокими эксплуатационными характеристиками стали 03Х14Н7В в данных условиях. При статическом расчете на прочность вала конструкторы пользуются известной зависимостью диаметра от предела текучести при кручении (как предельно допустимого напряжения) и крутящего момента с введением коэффициента запаса прочности для учета усталости металла. Точность расчета зависит от правильности определения и использования этих параметров и степени неопределенности запаса прочности.

При выборе материала для валов предпочтение отдают стали с более высоким пределом выносливости по справочным данным, в лучшем случае - по результатам испытаний стандартной агрессивной среде. Реальная рабочая среда значительно отличается от стандартной многокомпонентностью - концентрацией в водном растворе солей, ионов хлора, растворенного сероводорода, кислорода, величиной рН, наличием нефтепродуктов, на разных месторождениях указанные характеристики различны [2]. Поэтому введение коэффициента запаса прочности для учета влияния усталости металла и агрессивности рабочей среды не позволяет правильно выбрать диаметр и материал вала, так как малый запас прочности может привести к недостаточной надежности вала при эксплуатации и преждевременному разрушению от коррозионной усталости или импульсной перегрузки, излишний запас - к снижению экономических характеристик насоса, поскольку увеличение диаметра на 8-10 % снижает к.п.д. насоса на 4-6 % [3].

Надежность работы вала можно повысить, если при расчете и испытаниях материала учитывать максимально приближенные к эксплуатационным условия. На основании этого при изготовлении валов для ремонтных баз ОАО «НК «Роснефть» - Пурнефтегаз» и ОАО «Ноябрьскнефтегаз» была разработана методика определения допустимого диаметра вала в любом сечении и подбора материала для его изготовления с целью обеспечения надежной работы насоса. Исходили из того, что воздействие нагрузки на вал можно условно разделить на два этапа:

- установившийся режим работы насоса, когда вал работает только в условиях коррозионной усталости при кручении;

- работа при импульсных перегрузках.

На первом этапе надежность работы материала вала предлагается оценивать по его пределу выносливости, определенному на образцах при кручении на базе 107 циклов в температурно-коррозионных условиях рабочей жидкости. Данный параметр значительно зависит от многочисленных характеристик агрессивности рабочей жидкости. Поэтому до накопления необходимых справочных материалов для соблюдения условий моделирования рабочих условий усталостные испытания следует проводить в рабочей жидкости того месторождения, для которого предназначен насос. Предел выносливости значительно меньше предела текучести материала, и в упругой области он является напряжением, ниже которого не образуются очаги повреждаемости. В связи с отмеченным минимальный диаметр вала, определенный при расчете на прочность по пределу выносливости материала как по предельно допустимому напряжению, обеспечивает надежность вала на первом этапе работы и не требует необоснованных запасов прочности.

На первом этапе - при установившемся режиме работы насоса действующий крутящий момент соответствует максимальной мощности насоса и рассчитывается в зависимости от напора, подачи рабочей жидкости и сил трения в насосе’

На втором этапе вал работает на скручивание и его диаметр предлагается определять по предельно допустимому напряжению, в качестве которого выбран предел текучести материала, определенный при испытании на кручение, точнее, величина 0,9 тт, так как вал должен работать в упругой области напряжений, а предел текучести соответствует началу пластической деформации, равной 0,3 %. Импульсный расчетный крутящий момент должен быть, по крайней мере, не ниже пускового момента насоса

Учитывая, что импульсные перегрузки возникают не только при пуске, но и при засорении рабочей жидкости частицами горных пород, размыве пласта и других подобных воздействиях, которые могут быть преодолены за счет избыточного момента сил упругости вала, импульсный крутящий момент рассчитывается по формуле

Диаметр вала определяется по соответствующим для каждого этапа работы допускаемым напряжениям и крутящему моменту. При этом для установления допустимого диаметра выточек или среднего диаметра шлицев должна быть сделана поправка на коэффициент чувствительности к концентрации напряжений в зависимости от радиуса закруглений в выточках и шлицах и прочности материала вала. Из двух минимальных диаметров, полученных для усталостного нагружения при установившемся режиме работы насоса и для кручения при импульсной перегрузке крутящего момента, выбирается больший и проверяется коэффициент запаса прочности по отношению допускаемых напряжений к расчетным для каждого этапа. При этом выбранные допускаемые напряжения должны превышать расчетные любом сечении вала.

Другие материалы

Экономический и природно-ресурсный потенциал Японии и его использование
Современная Япония - высокоразвитое в промышленном и научно-техническом отношении государство, один из трех мировых центров империалистического соперничества. Особенности экономического развития этой страны, ее достижения в передовых отраслях научно- ...

Главные историко-культурные центры мира
Свет человеческого разума, пробившийся сквозь тьму 50 веков, дошел до нас в великих руинах - безмолвных свидетелях былого величия ушедших цивилизаций. Трудно себе представить, как много на самом деле знали наши далекие предки. Свое пониман ...