Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор методов расчета параметров определяющих эффективность работы эцн в осложненных условиях эксплуатации 11
1.1 Современное состояние моделирования гидродинамических процессов в УЭЦН 22
1.2 Современное состояние моделирования интенсивности абразивного износа проблемных узлов ЭЦН 38
1.3 Вывод по главе 50
2 Исследование гидродинамической структуры течения в межлопаточном канале импеллера центробежного насоса (численный эксперимент) 52
2.1 Последовательность проведения численного экспериментов ANSYS CFX 54
2.2 Анализ результатов численного эксперимента по исследованию структуры течения жидкости в межлопаточном канале импеллера ЭЦН 67
2.3 Анализ результатов численного эксперимента по исследованию структуры течения жидкость–мехчастицы в межлопаточном канале импеллера ЭЦН 71
2.4 Анализ результатов численного эксперимента по исследованию структуры течения жидкость–газ в межлопаточном канале импеллера ЭЦН 77
2.5 Вывод по главе 84
3 Разработка имитационной гидродинамической модели течения рабочей жидкости в ступени ЭЦН 85
3.1 Формулировка задачи для разработки гидродинамической модели
течения в ступени ЭЦН 86 3.2 Однофазная математическая модель для расчета расходно–напорной характеристики ЭЦН 94
3.3 Однофазная математическая модель для расчета характеристик КПД и потребляемой ЭЦН мощности 104
3.4 Двухмерная струйная модель течения жидкости в межлопаточном канале импеллера 119
3.5 Двухфазная гидродинамическая модель ЭЦН 133
3.6 Вывод по главе 138
4 Разработка механистической модели износа подвижных деталей уэцн в осложненных условиях эксплуатации 139
4.1 Анализ причин вызывающих усталостный износ подвижных деталей УЭЦН 140
4.2 Механистическая модель абразивного износа пар скольжения центробежного насоса 149
4.3 Анализ скорости абразивного износа сопрягающихся цилиндрических поверхностей 158
4.4 Методика расчета времени деградации напорной и энергетической характеристики насоса «НТ» ЭЦН5–50–600 Н» в результате абразивного износа кольцевых уплотнений и подшипников скольжения 163
4.5 Методика прогнозирования времени возможного возникновения аварийной ситуации для насоса «НТ» ЭЦН5–50–600 Н» в результате абразивного подклинивания подшипников скольжения 168
4.6 Механистическая модель эрозионного износа лопаток рабочего колеса погружного центробежного насоса 172
4.7 Методика расчета скорости эрозионного износа поверхности лопатки импеллера 186
4.8 Вывод по главе 195
Основные выводы и результаты 196
Библиографический список .
- Современное состояние моделирования интенсивности абразивного износа проблемных узлов ЭЦН
- Анализ результатов численного эксперимента по исследованию структуры течения жидкости в межлопаточном канале импеллера ЭЦН
- Однофазная математическая модель для расчета характеристик КПД и потребляемой ЭЦН мощности
- Методика расчета времени деградации напорной и энергетической характеристики насоса «НТ» ЭЦН5–50–600 Н» в результате абразивного износа кольцевых уплотнений и подшипников скольжения
Введение к работе
Актуальность работы
Современная ситуация в нефтедобывающей отрасли характеризуется
тенденцией уменьшения объемов добычи нефти из длительно
эксплуатируемых месторождений и вовлечением в разработку новых трудноизвлекаемых запасов. Все это приводит к увеличению количества мало и среднедебитных скважин. Вследствие низкой продуктивности скважин применяются различные методы интенсификации добычи, а эксплуатация ведется на форсированных режимах работы. Как правило, после подобных мероприятий эксплуатация скважин сопровождается повышенным содержанием мехпримесей, высоким содержанием газа в продукции и другими осложняющими факторами. На поздней стадии эксплуатации нефтяных месторождений, когда форсированные режимы работы скважин являются одним из решающих факторов увеличения объемов добычи нефти, применение высокопроизводительных установок электроцентробежных насосов (ЭЦН) особенно оправдано, однако при этом эксплуатация этих установок сопровождается большим количеством осложнений, например, повышением концентрации твердых частиц (более 500 мг/л).
При эксплуатации скважин с ЭЦН действие мехпримесей приводит к преждевременному выходу из строя какого-либо элементов конструкции насосной установки и уменьшению наработки на отказ (ННО). Отказы и снижение работоспособности насосного оборудования главным образом связаны с накоплением необратимых повреждений в их деталях, узлах и элементах. Эти повреждения бывают как механического (усталость, изнашивание, растрескивание и накопление пластических деформаций), так и физико-химического происхождения (коррозия, эрозия и адсорбция). В представленной работе будут рассмотрены только повреждения, имеющие механический характер, а именно абразивный износ сопрягающихся деталей
4 и эрозионный износ лопаточного аппарата, являющегося важнейшей деталью
ЭЦН и предназначенного для передачи энергии от вращающегося вала
насоса к жидкости. Повреждение рабочего колеса в результате эрозионного
износа приводит к снижению эксплуатационных показателей работы ЭЦН
(подачи и напора), что в свою очередь приводит к ухудшению и осложнению
ведения технологического процесса, а также к сопутствующим
экономическим затратам.
В настоящее время приоритетным направлением является разработка новых, более совершенных способов борьбы с выносом мехпримесей. В тоже время не менее важной является проблема научно обоснованного прогнозирования эффективного срока эксплуатации ЭЦН в условиях интенсивного абразивного износа.
Поэтому разработка научно обоснованных методик, позволяющих расчетным путем оценить скорость деградации энергетических и напорных характеристик насоса в условиях выноса мехпримесей, и как следствие правильно оценивать ресурс безаварийной работы оборудования и тем самым предотвращать ситуации, связанные с внезапным выходом из строя насосного агрегата (создания аварийной ситуации с дополнительными затратами на ремонт), представляет собой несомненную актуальность.
Цель работы
Совершенствование методики расчета расходно-напорных
характеристик ступеней ЭЦН с учтом износа рабочей поверхности лопаточного аппарата.
Основные задачи исследования
1 Проведение исследований по определению параметров одно и двухфазной структуры (поля скоростей и давлений) течения изучаемой среды в поле центробежных сил в межлопаточном канале рабочего колеса ЭЦН.
2 Проведение исследований влияния износа рабочих поверхностей
лопаточного аппарата и подшипников скольжения на степень деградации характеристик насоса при наличии абразивных частиц в рабочей среде путм совершенствования имитационных моделей установок электроцентробежных насосов.
-
Разработка метода, реализующего визуализацию двухмерного поля скоростей потока и его количественного описания во вращающихся межлопаточных каналах рабочего колеса.
-
Оценки периода эффективной и безаварийной работы погружного оборудования за счт разработки методики для расчета скорости износа поверхностных слоев металла на отдельных элементах импеллера ЭЦН.
Научная новизна
1 Обоснованы и получены результаты численного эксперимента на
режимах недогрузки Q б < Qопт ступени ЭЦН, характеризуемых двух
вихревой структурой потока во вращающемся межлопаточном канале рабочего колеса, обусловленных инерционными свойствами жидкости и ее предварительной закруткой.
-
На основании численного эксперимента подтверждены участки поверхности лопатки рабочего колеса ЭЦН, подвергаемые эрозионному износу и описаны характерные траектории движения твердых частиц в поле центробежных сил при различных режимах работы ступени ЭЦН.
-
Реализована оценка деградации рабочих характеристик ЭЦН за счт применения предложенных математических моделей структуры течения изучаемой среды в поле центробежных сил в межлопаточном канале рабочего колеса ЭЦН, описывающие процесс механического износа поверхностей рабочего колеса и подшипников скольжения.
Практическая ценность
-
Разработан комплекс «Программа для ЭВМ тренажера по эксплуатации скважин, оборудованных установками электроцентробежных насосов (УЭЦН)» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014612633 от 03.03.1014 г), который прошл успешную апробацию в ФГБОУ ВПО «РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина».
-
Разработано и внедрено в ООО «БашНИПИнефть» методическое руководство «Методические указания по расчету и прогнозированию абразивного износа рабочих органов насоса при эксплуатации ЭЦН».
Методы решения задач
Решение поставленных задач базируется на методах
феноменологического моделирования течения газожидкостной смеси в проточных каналах центробежного насоса, методах статистического анализа численного эксперимента на ANSYS CFX и экспериментальных замеров характеристик ЭЦН на испытательном стенде.
Основные защищаемые положения
-
Результаты численного (расчетного) эксперимента по анализу одно и двухфазной структуры (поля скоростей и давлений) течения изучаемой среды (жидкость мехчастицы и жидкость пузырьки газа) в поле центробежных сил в межлопаточном канале вращающегося импеллера ЭЦН.
-
Методика оценки степени деградации рабочих характеристик ЭЦН на основании математических моделей структуры течения изучаемой среды в поле центробежных сил в межлопаточном канале рабочего колеса ЭЦН при наличии абразивных частиц в рабочей среде, путем имитации механического износа рабочих поверхностей лопаточного аппарата и подшипников скольжения.
-
Методика для расчета двухмерного поля скоростей жидкости во вращающихся межлопаточных каналах рабочего колеса, позволяющая
7 оценить абсолютные значения и углы атаки векторов скорости жидкости в
области, примыкающей к поверхности лопатки импеллера при различных
подачах насоса.
4 Методика для расчета скорости износа поверхностных слоев металла
на отдельных элементах рабочего колеса ЭЦН для оценки периода
эффективной и безаварийной работы погружного оборудования.
Апробация работы
Основные положения и результаты, изложенные в диссертации, докладывались на следующих конференциях:
заседаниях кафедры «Технологические машины и оборудование» УГНТУ;
заседании НТС ООО «БашНИПИнефть» ПАО «АНК «Башнефть»;
российской нефтегазовой технической конференции и выставки (г. Москва 2830 октября 2009 г.);
российской нефтегазовой технической конференции и выставки (г. Москва 2628 октября 2010);
- всероссийской научно-технической конференции с международным
участием "Фундаментальные и прикладные исследования в технических
науках в условиях перехода предприятий на импортозамещение: проблемы и
пути решения" (г. Стерлитамак 17-18 декабря 2015 г).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы представлены в 9 публикациях, в том числе в 3 статьях в рекомендованных ВАК изданиях, в тезисах 3 докладов, 3 свидетельствах о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура работы
Современное состояние моделирования интенсивности абразивного износа проблемных узлов ЭЦН
В настоящей работе предлагаются теоретические исследования влияния механических примесей на абразивный и эрозионный износ деталей ЭЦН. Предложенное исследование заключается в моделировании движение жидкости с твердыми частицами внутри насоса с учетом их абразивного и эрозионного воздействия на подвижные элементы ЭЦН. По заданным параметрам для твердых частиц и паспортным техническим характеристикам насоса расчетным способом определяются скорость износа элементов электроцентробежного насоса, прогнозируется величина снижения полезного напора и оптимальная продолжительность времени работы насоса, по истечении которого необходима замена изношенных деталей.
Методика прогнозирования основана на математической модели ЭЦН, позволяющей имитировать по времени влияние степени износа лопатки, кольцевого уплотнения или подшипника скольжения на характеристики насоса.
Суть имитационного моделирования процессов эрозионного и абразивного износа заключается в следующих основных положениях: - разработка механистической модели износа, основанной на знаниях о процессах контактного взаимодействия абразивной частицы с поверхностью упругого полупространства с учетом влияния на процесс внедрения сил трения при переменной податливости контакта; - математическое моделирование гидродинамических процессов (линий тока жидкости) в межлопаточных каналах рабочего колеса ЭЦН и щелевых каналах сопряженных узлов скольжения; - гидродинамический расчет напорной характеристики и кривой КПД в зависимости от степени износа стенок лопаточного аппарата, кольцевых уплотнений и подшипников скольжения ЭЦН.
Прежде чем приступить к исследованиям проведем тематический аналитический обзор известных математических моделей, способных правильно отражать сложные физические процессы при течении жидкости с мехчастицами в проточной части ЭЦН. 1.1 Современное состояние моделирования гидродинамических процессов в УЭЦН
Основой математического моделирования гидродинамических процессов, протекающих в проточных каналах центробежных насосов, являются теоретические работы, относящиеся к концу XIX и началу XX века, таких выдающихся ученых как Л. Эйлер [16], Л. Прандтля [21], Н.Е. Жуковского [32]. Их идеи в дальнейшем были развиты в фундаментальных классических трудах К. Пфлейдерера [14], А.А. Ломакина [15] и А.И. Степанова [16], С.С. Руднева [17], Г.Ф. Проскуры [18–20] и многих других ученых из различных стран.
Во второй половине ХХ века значительный вклад в дальнейшее развитие теоретических основ лопастных гидромашин внесли работы А.К. Михайлова и В.В. Малюшенко [22], Т.М. Башты [23], А.Н. Шерстюка [24,25], Л.Г. Колпакова [26,27], В. Лобаноффа и Г. Росса [28] и других ученых.
Однако, невзирая на все упомянутые выше достижения, современное состояние фундаментальных исследований в области теории лопастных машин и состояние моделирования гидродинамики проточной части ЦН, в частности, далеко не удовлетворительное. Речь идет о математическом моделировании структуры потока в межлопаточном канале. До сих пор не разработана такая математическая модель ЦН, которая бы давала возможность на основании каталожных конструктивных данных машины рассчитать линии тока в межлопаточном канале с последующим определением проблемных участков и их скорости эрозионного износа механическими частицами, находящимися в перекачиваемой рабочей жидкости. Не решен в полной мере и вопрос диагностики работы погружного оборудования путем анализа степени и вида деградации рабочих характеристик ЭЦН (обратная задача).
Анализируя известные исследования гидродинамического моделирования процессов ЭЦН можно выделить следующие подходы: 1. Численное моделирование на основе трехмерных нестационарных математических моделей турбулентного течения среды в ступени насоса, в которых решается начально-краевая задача для уравнений в частных производных (уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу) [7, 13]. 2. Феноменологическое (механистическое) моделирование, основанное на решении одномерных, стационарных дифференциальных уравнений сохранения, замкнутых эмпирическими корреляциями, описывающими основополагающие (с точки зрения разработчика) физические законы для данного вида течения [2–12]. 3. Моделирование гидродинамических процессов в ЭЦН на основе электрогидравлической аналогии. Применение электрогидравлической аналогии базируется на систематическом переносе теории электрических цепей в гидравлику. При этом основные электрические уравнения переходят в соответствующие гидравлические соотношения, которые всегда выполняются и на основании которых можно составлять гидравлические схемы и анализировать их теми же хорошо развитыми методами, что и электрические цепи [29,30].
При разработке математической модели износа делается допущение, что траектории движения мехчастиц совпадают с линиями тока жидкости. Поэтому очень важно уметь математически описывать эти линии тока в межлопаточных каналах ЭЦН на различных режимах его работы. На рисунке 1.11 схематично показано направление рабочих течений и течений утечек в ступени насоса и линий тока жидкости в межлопаточных каналах рабочего колеса и диффузора. Несколько слов об известных способах описания течения жидкости в рабочем колесе.
Анализ результатов численного эксперимента по исследованию структуры течения жидкости в межлопаточном канале импеллера ЭЦН
Проведение физических экспериментов по исследованию гидродинамической структуры одно- и двухфазного потоков в межлопаточных каналах вращающегося рабочего колеса ЭЦН всегда было сопряжено со сложностью осуществления визуализации и замера изучаемых параметров. Если вопросы визуализации картины течения в межлопаточных каналах импеллера в последнее время технически решались путем выполнения стенок ступени насоса из прозрачного материала и фиксации картины течения с помощью скоростной съемки [72], то проблема замера давлений и скоростей в проточных каналах импеллера на сегодняшний день не решена. Поэтому единственным доступным способом исследования параметров течения в рабочем колесе ЭЦН является проведение численного (расчетного) эксперимента.
Целью данной главы является проведение анализа одно- и двухфазной структуры течения (поля скоростей) изучаемой среды (жидкость-мехчастицы и жидкость-пузырьки газа) в межлопаточном канале вращающегося импеллера ЭЦН, основываясь на данных численного (расчетного) эксперимента.
Для проведения численного исследования в данной работе используется Ansys CFX, позволяющий осуществить следующие исследования: - провести численные исследования структуры потока жидкости в межлопаточном канале радиального импеллера ЭЦН, в широком диапазоне подач и типоразмеров насоса; - впервые провести численные исследования структуры и траекторий движения мехчастиц в жидкой фазе в поле центробежных сил радиального импеллера ЭЦН, в широком диапазоне подач насоса и при разной концентрации и диаметре абразивных частиц. Данные исследования проводились с целью выявления и анализа доминирующих физических явлений, имеющих место при двухфазном течении в рабочем колесе. Они крайне необходимы для осуществления дальнейшего исследования в области формирования феноменологического (механистического) подхода моделирования двухфазного течения в проточных каналах импеллера.
Так как процесс двухфазного течения включает в себя комплекс физических эффектов на границе раздела фаз, требующих математического описания, то подход феноменологического моделирования, основанный на принятии ряда допущений таким образом, чтобы доминирующие явления были учтены в математической модели, а менее важные – игнорировались, для решения прикладных (инженерных) задач подходит как нельзя лучше. Подход к решению задачи, основанный на феноменологическом моделировании, позволяет получить сравнительно простое расчетное средство, при этом обеспечивает более точные результаты расчета, чем при моделировании с использованием эмпирических корреляций.
В последнее время все чаще, по ряду известных причин, экспериментальные исследования заменяются численным экспериментом. Как известно, точное численное моделирование не является теорией и даже не является единственным теоретическим решением. В отличие от аналитической теории оно не дает соотношений, связывающих физические переменные друг с другом и с параметрами поставленной задачи. Напротив, любое численное моделирование является индивидуальным численным экспериментом, выполняемым с определенным набором геометрических, физических, начальных и граничных условий. «Численное моделирование может выявить нечто новое и неожиданное, когда модель достаточно сложна, почти так же, как лабораторный эксперимент позволяет открыть что-то неизвестное в окружающем нас мире. Наиболее привлекательной чертой численного моделирования является то, что для того, чтобы делать открытия, не требуется теоретической проницательности, а достаточно практической интуиции [64]. Численный и лабораторный эксперимент похожи еще и тем, что содержат сходные типы погрешностей. Лабораторный эксперимент погрешности тарировки измерительных устройств. Численный эксперимент некоторые неточности замыкающих эмпирических констант или механистических моделей. Преимуществом численного эксперимента является отсутствие проблем с замерами параметров течения. В качестве инструмента для численного эксперимента в данном исследовании был выбран пакет ANSYS CFX, способный осуществлять численное моделирование двухфазных течений в поле центробежных сил.
Однофазная математическая модель для расчета характеристик КПД и потребляемой ЭЦН мощности
Хорошо известно, что эксплуатация ЭЦН в условиях интенсивного выноса из пласта механических частиц приводит к износу подвижных деталей насоса и, как следствие, к деградации расходно-напорной и энергетической (КПД и кривой потребления мощности) характеристик насоса [61,62]. Однако практически отсутствуют сведения о допустимой степени износа поверхностных слоев металла отдельных элементов ступени насоса, и как изменение формы рабочих элементов импеллера, возникающих в результате износа, сказывается на рабочих характеристиках ЭЦН. Целью данной главы является разработка гидродинамической модели ступени погружного центробежного ЭЦН, предназначенной для имитационного исследования влияния механического износа формы рабочих поверхностей рабочего колеса и подшипников скольжения на степень деградации характеристик при работе насоса на жидкостно– и жидкостногазовой рабочей среде с наличием абразивных частиц.
Имитационная гидродинамическая модель ступени ЭЦН позволяет:
1. Путем имитации абразивного износа слоя металла на различную глубину у сопрягающихся поверхностей переднего и заднего кольцевых уплотнений рабочего колеса рассчитать интенсивность роста утечек жидкости в импеллере и тем самым оценить влияние увеличения объемных потерь мощности на расходно-напорные и энергетические характеристики.
2. Путем математической имитации физического явления подклинивания при попадании абразивных частиц в подшипники скольжения вала насоса рассчитать интенсивность роста механических потерь в подшипниках скольжения и тем самым оценить влияние увеличения потерь механической мощности на расходно-напорные и энергетические характеристики.
3. Путем имитации эрозионного износа задней кромки лопатки импеллера рассчитать интенсивность потерь напора рабочего колеса насоса от величины промыва лопаток. Для осуществления данного расчета разработана методика для определения величины вектора относительной скорости жидкости и углов атаки линий тока вблизи поверхности лопатки, путем построения двухмерного поля функций тока в межлопаточных каналах импеллера ЭЦН. Данная разработка является составным (гидродинамическим) модулем в программном комплексе прогнозирования эффективности работы погружного оборудования от степени эрозионного и абразивного износа подвижных деталей ступени насоса.
Частицы жидкости, проходя по межлопаточным каналам импеллера, совершают сложное пространственное движение. Если в качестве приближения рассматривать течение в межлопаточном канале рабочего колеса, как сложное плоскопараллельное движение частиц жидкости, то абсолютную скорость V частиц можно разложить на две составляющие: переносную скорость U движения жидкости вместе с вращением импеллера и относительную скорость W вдоль лопасти колеса. Абсолютная скорость V движения жидкости в любой точке канала колеса определяется как геометрическая сумма скоростей U и W (см. треугольник скоростей на рисунке 3.1.).
2ягДгsin(Д) Разработанная в данной главе математическая модель гидродинамики течения жидкости в межлопаточном канале основана на механистическом подходе. Феноменологический (механистический) подход моделирования появился достаточно недавно и применялся в тех случаях, когда требовалось достаточно простое моделирование (обычно приближенное) полученное при минимальных вычислительных усилиях. Так как процесс течения во вращающемся криволинейном канале включает в себя комплекс физических эффектов, требующих достаточно сложного математического описания, то подход феноменологического моделирования, основанный на принятии ряда допущений для решения прикладных задач, подходит как нельзя лучше. При этом допущения принимаются таким образом, чтобы доминирующие физические явления были учтены в математической модели, а менее важные - игнорировались. Подход к решению задачи, основанный на феноменологическом моделировании, дает в руки исследователя сравнительно простое расчетное средство, при этом обеспечивает более точные результаты расчета, чем при моделировании с использованием эмпирических корреляций. Феноменологический подход в моделировании позволяет путем экстраполяции расчетных данных прогнозировать процессы газожидкостного течения в области, где отсутствуют экспериментальные данные, т.е. с достаточной точностью осуществлять расчетный эксперимент.
На примере вывода уравнения для расчета расходно-напорной характеристики ЭЦН выделим основные физические эффекты, которые должны быть учтены в разрабатываемой механистической модели.
Методика расчета времени деградации напорной и энергетической характеристики насоса «НТ» ЭЦН5–50–600 Н» в результате абразивного износа кольцевых уплотнений и подшипников скольжения
В осложненных условиях интенсивного абразивного износа важной является проблема прогнозирования эффективного срока эксплуатации ЭЦН. Наличие расчетно-методического аппарата, позволяющего оценить скорость деградации энергетических и напорных характеристик насоса в условиях выноса мехпримесей, позволит правильно подбирать технологии борьбы с выносом мехпримесей, устанавливать реальный межремонтный период для добывающих скважин и значительно снизить издержки на эксплуатацию и ремонт погружного оборудования.
Целью данной главы является разработка методики для расчета скорости износа поверхностных слоев металла на отдельных элементах импеллера. Данная методика основывается на механистическом моделировании процессов усталостного разрушения металла в результате абразивного или эрозионного процесса формирования поверхностных лунок от вдавливания (или удара) абразивных частиц об изнашиваемую поверхность. Данная методика предназначена: а) для расчета скорости износа определенной толщины металла поверхностных слоев подшипников скольжения или кольцевых уплотнений, подвергаемых абразивному износу; б) для расчета скорости износа определенной толщины металла поверхностного слоя лопаток импеллера, подвергаемых эрозионному (ударному) износу; в) для расчета ННО в условиях повышенной КВЧ; г) для расчета времени безаварийной работы оборудования. Данная разработка является модулем для расчета скорости изменения геометрии проточных каналов импеллера в результате усталостного износа поверхностного слоя металла в программном комплексе прогнозирования допустимой степени деградации напорных и энергетических характеристик центробежного насоса в условиях повышенной КВЧ.
Присутствие в добываемом флюиде большого количества механических примесей, газа и воды сильно затрудняют эксплуатацию скважин, резко повышается износ оборудования, усложняется обслуживание скважин. В данном разделе основное внимание будет уделено условиям, вызывающим механический износ отдельных элементов ЭЦН и методам расчета степени и скорости износа.
Попадание с перекачиваемой УЭЦН жидкостью механических частиц в проточные каналы насоса в ряде случаев может вызывать изнашивание его рабочих поверхностей. Под изнашиваем в дальнейшем будет пониматься процесс разрушения поверхностных слоев лопаточного аппарата ЭЦН, а также поверхностных слоев уплотнительных втулок и подшипников скольжения при механическом воздействии на них механических частиц. Если механическое воздействие проявляется в виде деформирующего влияния абразивных частиц на рабочие поверхности насоса, то такой вид изнашивания можно классифицировать следующим образом:
Абразивное изнашивание пар скольжения (подшипники скольжения и направляющие втулки). Под абразивным изнашиванием понимается процесс износа поверхностей деталей, вызванный при качении цилиндрической формы по сопряженной поверхности, имеющей слой незакрепленного абразива с последующим образованием (на поверхностях, соприкасающихся с абразивом) лунковидного рельефа без признаков царапания.
В условиях трения качения по абразиву интенсивность изнашивания поверхностей определяется многими факторами; к числу основных относятся: скорость качения детали по абразиву, плотность частиц в слое абразива и их размер и форма, механические свойства материала детали и абразива и т.д. Причиной интенсификации абразивного износа втулок кольцевых уплотнений и подшипников качения чаще всего является конструктивное несовершенство насоса, а именно наличие дисбаланса ротора ЭЦН, создающего центробежную силу, которая вызывает динамический прогиб вала. На рисунке 4.1. приведена расчетная схема для определения величины эксцентриситета в подшипнике скольжения. где К = (2—2 - коэффициент упругости вала; Е - модуль упругости вала; / - момент инерции вала; т - масса колеса; аиЬ - расстояние от диска колеса до опор. Критическое число оборотов, вызывающее прогиб вала, определяется как
На основе разработанной Г.М. Саркисовым методики расчета вращающейся колонны бурильных труб П.Д. Ляпковым [62] предложено уравнение для определения длины полуволны / (в метрах) применительно к расчету устойчивости вала погружного центробежного насоса с опорой вала на пяту в основании насоса где d - диаметр вала, см; п - скорость вращения вала, об/мин; р -давление, атм; q - вес вала и рабочих колес на единицу длины, кг/см. Причиной возникновения дисбаланса в рабочем колесе может быть: - технологический дисбаланс вала и рабочего колеса в результате изготовления в заводских условиях; - приобретенный дисбаланс в результате неравномерного износа вращающихся деталей; - приобретенный дисбаланс в результате засорения отдельных межлопаточных каналов рабочего колеса.
На рисунке 4.2 показана картина взаимодействия цилиндрических поверхностей подшипника с абразивными частицами. Когда эксцентриситет отсутствует или очень мал, то жидкость, насыщенная абразивными частицами, заполняет весь кольцевой зазор, при этом частицы оказывают упругое воздействие, не сопровождающееся интенсивным износом рабочих поверхностей подшипника. Когда имеет место существенный эксцентриситет (из-за прогиба вала), то, во-первых, в кольцевой зазор попадают более крупные абразивные частицы, во-вторых, под действием вращающегося вала эти частицы, попадая в узкую область, оказывают пластическое воздействие на подшипник, которое сопровождается интенсивным усталостным износом.