Про надійність валів УЕЦН і виборі матеріалів для їх виготовлення

В.Л. Александров

Умови експлуатації установок відцентрових електронасосів (УЕЦН) в нафтових свердловинах висувають жорсткі вимоги до матеріалів, з яких виготовлені їх деталі, зокрема вал насоса. Аналітичні дослідження показують, що з його ненадійністю при експлуатації пов'язано більше 40% виходів з ладу всього агрегату [1]. Вал насоса піддається тривалому впливу крутного моменту, в тому числі імпульсного характеру, в агресивному середовищі з температурою більше 80 ° С. Основним матеріалом для валів УЕЦН більше 20 років є нержавіюча сталь 03Х14Н7В. Аналіз причин виходу з ладу валів показує, що їх недостатня надійність, особливо в свердловинах глибиною понад 2000 м, обумовлена насамперед неточністю вибору діаметру і недостатньо високими експлуатаційними характеристиками стали 03Х14Н7В в даних умовах. При статичному розрахунку на міцність валу конструктори користуються відомої залежністю діаметру від межі текучості при крученні (як гранично допустимого напруги) і крутного моменту з введенням коефіцієнта запасу міцності для обліку втоми металу. Точність розрахунку залежить від правильності визначення і використання цих параметрів і ступеня невизначеності запасу міцності.

При виборі матеріалу для валів перевагу віддають сталі з більш високим межею витривалості з довідковими даними, в кращому випадку - за результатами випробувань стандартної агресивному середовищі. Реальна робоча середу значно відрізняється від стандартної багатокомпонентної - концентрацією у водному розчині солей, іонів хлору, розчиненого сірководню, кисню, величиною рН, наявністю нафтопродуктів, на різних родовищах вказані характеристики різні [2]. Тому введення коефіцієнта запасу міцності для обліку впливу втоми металу та агресивності робочого середовища не дозволяє правильно вибрати діаметр та матеріал вала, так як малий запас міцності може призвести до недостатньої надійності вала при експлуатації і передчасного руйнування від корозійної втоми або імпульсної перевантаження, зайвий запас - до зниження економічних характеристик насоса, оскільки збільшення діаметра на 8-10% знижує ККД насоса на 4-6% [3].

Надійність роботи валу можна підвищити, якщо при розрахунку і випробуваннях матеріалу враховувати максимально наближені до експлуатаційних умови. На підставі цього при виготовленні валів для ремонтних баз ВАТ «НК« Роснефть »- Пурнефтегаз» і ВАТ «Ноябрьскнафтогаз» була розроблена методика визначення допустимого діаметра вала в будь-якому перетині і підбору матеріалу для його виготовлення з метою забезпечення надійної роботи насоса. Виходили з того, що вплив навантаження на вал можна умовно розділити на два етапи:

-- сталий режим роботи насоса, коли вал працює тільки в умовах корозійної втоми при крученні;

-- робота при імпульсних перевантаженнях.

На першому етапі надійність роботи матеріалу вала пропонується оцінювати за його межі витривалості, визначеному на зразках при крученні на базі 107 циклів в температурно-корозійних умовах робочої рідини. Цей параметр значно залежить від численних характеристик агресивності робочої рідини. Тому до накопичення необхідних довідкових матеріалів для дотримання умов моделювання робочих умов втомних випробування слід проводити в робочої рідини того родовища, для якого призначений насос. Межа витривалості значно менше межі плинності матеріалу, і в пружної області він є напругою, нижче якого не утворюються вогнища пошкоджуваності. У зв'язку з зазначеним мінімальний діаметр вала, визначений при розрахунку на міцність за межі витривалості матеріалу як за гранично допустимого напруження, забезпечує надійність вала на першому етапі роботи і не вимагає необгрунтованих запасів міцності.

На першому етапі - при сталому режимі роботи насоса діючий крутний момент відповідає максимальної потужності насоса і розраховується в залежно від натиску, подачі робочої рідини та сил тертя в насосі '

На другому етапі вал працює на скручування і його діаметр пропонується визначати по гранично допустимого напруги, в якості якого вибраний межа плинності матеріалу, визначений при випробуванні на кручення, точніше, величина 0,9 тт, так як вал повинен працювати в пружної області напруг, а межа плинності відповідає початку пластичної деформації, що дорівнює 0,3%. Імпульсний розрахунковий крутний момент повинен бути, принаймні, не нижче пускового моменту насоса

огляду на те, що імпульсні перевантаження виникають не тільки при пуску, але і при засміченні робочої рідини частинками гірських порід, розмиві шару та інших подібних впливах, які можуть бути подолані за рахунок надлишкового моменту сил пружності валу, імпульсний крутний момент розраховується за формулою

Діаметр валу визначається за відповідними для кожного етапу роботи допускаються напруженням і крутного моменту. При цьому для встановлення припустимого діаметра виточок або середнього діаметру шліців повинна бути зроблена поправка на коефіцієнт чутливості до концентрації напружень в залежності від радіуса закруглень в виточками та шліца і міцності матеріалу валу. З двох мінімальних діаметрів, отриманих для втомного навантаження при сталому режимі роботи насоса і для кручення при імпульсної перевантаження крутного моменту, вибирається більший і перевіряється коефіцієнт запасу міцності по відношенню допустимих напружень до розрахункових для кожного етапу. При цьому обрані допустимі напруги повинні перевищувати розрахункові будь-якому перетині вала.

Аналіз декількох поломок валів з використанням розробленої методики показує, що вал діаметром 17 мм із сталі 03Х14Н7В, що має межа текучості при розтягу 850 Н/мм2, за величиною дотичних напружень, що виникають при сталому режимі, в УЕЦН на глибині 2000 м працює майже на межі витривалості з коефіцієнтом запасу міцності не більше 3%. Імпульсні перевантаження крутного моменту, пов'язані з пуском насосу, вал витримує за основним діаметром з коефіцієнтом запасу міцності в порівнянні з допускаються напругою 0,9 ТТ не більше 15% і практично не витримує, якщо враховувати концентрацію напружень в кінцевих шліца. При невеликій імпульсної перевантаження в порівнянні з межею плинності при крученні починається пластична деформація шліців (скручування) з подальшим виходом валу з ладу. Таким чином, загальноприйнята методика розрахунку вала не відповідає умовам експлуатації. Використання пропонованої методики дозволяє зробити висновок про правильність обраного діаметра і матеріалу вала, а також про їх відповідність умов експлуатації. Збільшувати діаметр вала для зниження дотичних напружень від втомного навантаження або імпульсних перевантажень нераціонально. Однак можна використовувати для валу більше міцну при крученні і втомне навантаженні корозійно-стійку сталь.

В даний час найбільш надійні і перспективні для валів УЕЦН нержавіючі високоміцні стали мартенситних-аустенітного класу з високою в'язкістю руйнування і потенційною здатністю до зміцнення завдяки виділенню дисперсних частинок, що мають межа текучості при розтягу 1,15 - 1,50 кН/мм2 і ударна в'язкість KCU 2 O ° C не менше 0,07 кН-м/см2. Мартенситних-аустенітні структура стали відповідає найбільшою в'язкості та міцності, тому що пластини мартенсіта в сталі з вмістом вуглецю менш 0,03% оточені тонкими прошарками в'язкої аустеніту, що затримує розвиток зародкових тріщин. Мартенситних структура, особливо з виділеннями дисперсних частинок інтерметаллідних або надлишкових фаз при термообробці сталі, обумовлює її високу міцність. Таку структуру з різним співвідношенням мартенсіта і аустеніту, а також різними елементами для зміцнення мартенсіта мають сталі серії ХМ американського стандарту ASTM, зокрема сталь ХМ-12, за вартістю відповідна стали 03Х14Н7В. Порівняльні дані про властивості сталей 03Х14Н7В і ХМ-12 наведені на малюнку.

Межа текучості при розтягу стали ХМ-12 в залежності від режиму термообробки та її хімічного складу в межах марочного може становити 1,15-1,30 кН/мм2, тобто на 40-60% вище, ніж стали 03Х14Н7В, при ударної в'язкості 0,08-0,12 кН-м/см2. При крученні межа витривалості та межа плинності при крученні відповідно на 30 і 38% вище, ніж у сталі 03Х14Н7В.

Більше ніж дворічні поставки валів зі сталі ХМ-12 в ВАТ «НК« Роснефть »-- Пурнефтегаз », ВАТ« Ноябрьскнафтогаз »і ЗАТ« Новомет - Перм »показали високу надійність роботи погружних насосів з цими валами. Ліси із сталі ХМ-12 були встановлені також на розробленої колективом ВАТ «НК« Роснефть »-- Пурнефтегаз »здвоєною модульної секції з функціями гідрозахисту і Газосепаратори МС-ПГ-53 (патенти РФ № 23908,44729, 2221322), виробництво якої освоєно ТОВ «Каурі» за ліцензійним договором на використання винаходи. Модульна секція адаптована до насосів американської фірми «Центріліфт» і вітчизняним насосів, зібрана на одному валу, що виключає фланцеве з'єднання та передачу обертання шліцьовій муфтою. Виключення з конструкції системи цих двох факторів зменшує вібрацію, що передається від вузла Газосепаратори до насоса. Використання стали ХМ-12 в якості матеріалу вала модульної секції підвищує її надійність в експлуатації.

Таким чином, розроблена методика дозволяє вибрати матеріал для виготовлення вала, що відповідає умовам експлуатації, і більш точно визначити його допустимий діаметр в будь-якому перетині без введення необгрунтованих запасів міцності. В результаті можуть бути підвищені термін служби валу, надійність роботи насоса і його ККД Пріоритет методики встановлений заявкою на отримання патенту РФ.

Список літератури

1. Кудряшов СІ. Підвищення надійності погружних систем УЕЦН на прикладі досвіду експлуатації у ВАТ «Юганскнефтегаза/Нафтове господарство. - 2005. - № 6. - С. 126-127.

2. Перекупка А.Г., Семенов В. М., Павлов П.В. Розрахунок коефіцієнта корозійної активності середовища при проектуванні промислових трубопроводів Нафтове господарство. - 2005. - № 6.-С. 130-131.

3. Розрахунок і конструювання нафтопромислового обладнання/Л.Г. Чичеров, Г.В. Молчанов, A.M. Рабинович и др. - М.: Надра, 1987.-146 с.

4. Михайлов А.К., Малашенко В.В. Конструкції та розрахунок відцентрових насосів високого тиску. - М.: Машиностроение, 1971. - 223 с.

Журнал «Нафтова господарство» № 5, 2006