способ изготовления глубинного штангового насоса для нефтедобычи

Формула изобретения

Способ изготовления глубинного штангового насоса для нефтедобычи, включающий совокупность операций обработки трущихся рабочих поверхностей, отличающийся тем, что перед заключительной операцией чистовой доводки на трущиеся рабочие поверхности наносят систему углублений, глубину h которых определяют из выражения

h = (0,01-0,014)+,

где - припуск на операцию чистовой доводки диаметра до требуемого размера, мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении глубинных штанговых насосов для нефтедобычи.

Известны способы повышения работоспособности трущихся пар за счет образования различного рода углублений на их поверхностях (Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. Л. с.10).

Однако способы нанесения углублений химическими методами в рассматриваемой задаче неприемлемы вследствие технической сложности обработки внутренней поверхности длинномерных цилиндров, а механические способы нанесения углублений приводят к образованию заусенцев и наплывов по краям углублений, которые ухудшают качество трущихся поверхностей, что отрицательно сказывается на работоспособности деталей, увеличивает время приработки.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления особо точных труб, включающий заключительную операцию чистовой доводки для достижения повышенной геометрической точности размеров. Для достижения повышенной точности внутреннего диаметра таких труб в качестве заключительной операции чистовой доводки применяют хонингование (В.А.Селезнев и др.). Организация производства особо точных труб для корпусов погружных насосов и электродвигателей. Москва БНТИ, Черная металлургия, N 3, 1985, с. 43). Благодаря своей высокой точности такие трубы находят применение как детали плунжерных лифтов, применяемых для нефтедобычи (Краткий политехнический словарь, М. 1956, с.697).

Высокая точность внутреннего канала необходима для свободного перемещения плунжера внутри трубы с минимальным зазором, что определяет производительность штангового насоса. При несоблюдении этого условия нефть, поднимаемая плунжером, уходит в зазор между плунжером и стенкой трубы, а при слишком малом зазоре между плунжером и стенкой трубы может произойти заклинивание плунжера внутри трубы, что приведет к остановке нефтедобычи.

Недостатком прототипа является недостаточная маслоемкость трущихся поверхностей, полученных после чистой доводки хонингованием (Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. Л. 1972,с.185, 1 абз.), что определяет повышенную склонность к образованию затиров и заклиниванию трущихся пар. Указанный недостаток усугубляется наличием в добываемой из скважины нефти различного рода абразивных частиц, которые, попадая в зазор трудящийся пары, провоцируют задиры поверхностей, тем самым снижаются эксплуатационные характеристики трущейся пары, в частности износостойкость.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении износостойкости и долговечности штангового насоса.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе, включающем совокупность операций обработки трущихся рабочих поверхностей, согласно изобретению перед заключительной операцией чистовой доводки на трущиеся рабочие поверхности наносят систему углублений, глубину которых определяют из выражения:

h = (0,010,014)+,

где

h глубина наносимых углублений, мм,

припуск на операцию чистовой доводки диаметра до требуемого размера, мм.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что на трущиеся рабочие поверхности перед заключительной операцией чистовой доводки наносят систему углублений, глубину которых определяют из выражения:

h = (0,010,014)+,

где

h глубина наносимых углублений, мм,

припуск на операцию чистовой доводки диаметра до требуемого размера, мм.

Таким образом, заявленный способ соответствует критерию "новизны".

Экспериментальные исследования показали, что наилучшим микрорельефом для цилиндрической пары металл-металл с поступательным движением, к которой относится плунжер-цилиндрическая труба штангового насоса, является микрорельеф с площадью, занимаемой углублениями 40-50% и глубиной 0,01-0,014 мм (Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. Л. 1972, с. 185, 2 послед. стр.). Существенным отличием предполагаемого способа является то, что микрорельеф в процессе обработки трущихся поверхностей наносится перед операцией чистовой доводки на требуемый размер.

При этом глубина наносимых углублений выбирается с учетом съема металла при чистовой доводке в соответствии с выражением, приведенным в формуле изобретения. В противном случае (нанесение микрорельефа после чистой доводки на требуемый размер цилиндрической поверхности) на трущейся поверхности готовой детали остаются заусенцы и наплывы металла по краям углублений, что отрицательно сказывается на работоспособности деталей, увеличивает цикл приработки трущихся поверхностей, в течение которого оборудование работает с пониженными характеристиками производительности.

Наличие в технологии операции чистовой доводки определяет глубину углублений (h = (0,010,014)+) Нанесение углублений согласно изобретению производится с таким расчетом, чтобы после проведения заключительной операции чистовой доводки площадь поверхности, занимаемая углублениями, и их глубина соответствовали оптимальному микрорельефу для цилиндрической пары металл-металл с поступательным движением, а именно площади поверхности, занимаемой углублениями, 40-50% от общей площади поверхности и глубиной углублений 0,01-0,014 мм. Иначе, если выдерживать заявляемую глубину углублений микрорельеф не будет оптимальным или его не будет вовсе. Например, если назначить глубину углублений меньше припуска на чистовую доводку, то при последующей чистовой доводке микрорельеф на обработанной поверхности не остается, а снимается вместе со стружкой. Если же микрорельеф нанести глубиной превышающей необходимую для оптимального, т.е. h > (0,010,014)+, то после чистовой доводки на поверхности останется микрорельеф с глубиной, превышающей оптимальные значения (т.е. 0,01-0,014 мм) и не будет наилучшим.

На фиг. 1 и фиг.2 показано, как влияют абразивные частицы на износ трущихся цилиндрических поверхностей, например, трубы насоса без системы углублений и с углублениями, соответственно.

На фиг.1 и 2 показаны труба 1 глубинного штангового насоса, плунжер 2 с каналом и клапаном, нефть с абразивными частицами 3; на фиг.2- внутренний канал трубы 1 имеет систему углублений 4.

В том случае, когда внутренний канал трубы 1 не имеет углублений абразивные частицы, попадая в зазор между плунжером и стенкой трубы (см. фиг.1) и перемещаясь в нем, оказывают на поверхности плунжера 2 и внутреннего канала трубы 1 потирающее воздействие, оставляя на трущихся поверхностях след в виде рисок. В процессе работы трущейся пары риски сливаются в задиры, которые в свою очередь приводят к нарушению нормальной работы штангового насоса, создавая препятствие свободному ходу плунжера по каналу трубы. В другом случае, когда внутренний канал трубы 1 имеет углубления 4 (см. фиг.2), абразивные частицы, попадая в зазор между плунжером и стенкой трубы, задерживаются в углублениях и уже не имеют возможности перемещаться в зазоре между плунжером и стенкой трубы и оказывать истирающее воздействие на их поверхности, а после завершения рабочего цикла удаляются из углублений турбулентными потоками нефти, которые имеют место вблизи торцов плунжера при его перемещении в цилиндрическом канале трубы. За счет этого увеличивается износостойкость деталей насоса.

Другим фактором, влияющим на увеличение износостойкости деталей штангового насоса, является увеличение маслоемкости поверхности с углублениями, т. е. между трущимися поверхностями плунжера и трубы увеличивается объем смазки, роль которой в приводимом примере играет сама нефть.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления глубинного штангового насоса позволяет увеличивать износостойкость деталей штангового насоса и повысить его долговечность.

Способ рекомендован для использования при изготовлении плунжерных штанговых насосов.

Способ был опробован при нанесении рельефа в виде лунок средним размером 0,2 мм и глубиной 0,012 мм на внутреннюю поверхность рабочей трубы штанговых насосов. Рельеф создавался путем ударной обработки поверхности стальными шариками диаметром 6,5 мм. Сравнительные испытания партии насосов показали, что их долговечность в среднем на 20% выше, чем у насосов, изготовленных по существующей технологии.