Обзор конструкции клапанов штанговых скважинных насосов

2 ОБЗОР КОНСТРУКЦИИ КЛАПАНОВ ШТАНГОВЫХ СКВАЖИННЫХ

НАСОСОВ

Нефтедобывающее оборудование в течение многих лет эксплуатируется без существенной модернизации. Например, скважинные штанговые насосы (СШН) работают без конструктивных изменений с начала механизированной эксплуатации скважин. Основными узлами этих насосов являются всасывающий и нагнетательный клапаны. От их состояния во многом зависит эффективность работы насосной установки.

Клапаны предназначены для периодической изоляции нижней части глубинного насоса, занятой уже поступившей в неё жидкостью, от насосно-компрессорных труб, откуда эта жидкость поступает. Клапан в гораздо большей степени подвержен износу, чем пара рабочая втулка – плунжер.

Нагнетательный клапан устанавливается в зависимости от особенностей конструкции насоса, в верхней, нижней частях плунжера или же и тут и там. Клапан должен иметь возможно меньшее гидравлическое сопротивление, обусловливающее появление дополнительного усилия при ходе штанг вниз.

Всасывающий клапан устанавливается в нижней части цилиндра. Способ его крепления определяется конструкцией насоса: у вставных насосов посредством резьбового соединения, у трубных с помощью специального фиксатора для возможности извлечения клапана. В последнем случае клапан должен иметь устройство для его надёжного захвата и извлечения на поверхность, а также проведения обратных операций. Как и нагнетательный, всасывающий клапан должен иметь возможно меньшее гидравлическое сопротивление.

Процесс закрытия клапана очень сложен. Так, клапан закрывается с некоторым запаздыванием относительно цикла работы глубиннонасосной установки. Это отрицательно сказывается на коэффициенте наполнения глубинного насоса            [3, c.296].

2.1 Клапаны шариковой конструкции

Наибольшее распространение в серийных насосах получили клапаны шариковой конструкции из-за их кажущихся надёжной работы и простоты, хотя обе эти позиции не выдерживают критики.

Основой конструкции таких клапанов являются седло клапана и шарик. Сёдла клапанов изготавливаются из стали марок 30Х13, 35Х18 или из твёрдого сплава ВК6В [4, c.117].

В зависимости от формы седла шариковые клапаны различаются на клапаны с буртом и клапаны с гладкой наружной поверхностью [3, c.292].

Пропускная способность клапана с гладкой наружной поверхностью на 40% выше клапана с буртом.

Оба типа клапанов изготавливают так, чтобы после износа одной из кромок поверхности седла оно могло быть повёрнуто на 180⁰ для использования другой поверхности.

Как показали исследования, произведённые в Гипронефтемаше, форма активных поверхностей седла имеет решающее значение для уплотнения клапана и продолжительности его работы.

Испытания показали, что все типы лицевых поверхностей приобретают в процессе работы сферическую форму с радиусом, равным радиусу шарика.

Большой срок службы шариковых клапанов объясняется притиранием шарика в седле в процессе работы, а также относительно большой активной поверхностью шарика [3, c.293].   

Клапан должен удовлетворять следующим условиям:

1) для снижения сопротивления потоку жидкости проходное сечение клапана должно быть как можно больше;

2) седло должно иметь возможно большую массу, а шарик меньшую. Это условие может быть выполнено путём уменьшения диаметра шарика или путём снижения его веса.

3) прочность седла должна быть выше, чем прочность шарика, во избежание смятия седла под действием повторяющихся ударов шарика (активная поверхность седла намного меньше активной поверхности шарика);

4) твёрдость шарика должна быть выше, чем твёрдость седла, так как шарик в процессе работы должен сохранять свою форму и первоначальное состояние поверхности [3, c.294].

Основные причины износа клапана следующие:

1) коррозионность среды, эффект которой особенно силён для клапанов, изготовленных из углеродистой стали;

2) абразивность, связанная с присутствием в добываемой жидкости песка;

3) деформация активной поверхности седла, которая вызывается ударами, происходящими в момент посадки клапана в седло;

4) механический износ, который объясняется трением между седлом и шариком, зависит от относительной твёрдости этих двух деталей.

На рисунке 2.1 изображён шариковый клапан глубинного насоса, изобретённый АзНИПИнефть в 1981 году, на рисунке 2.2 – направляющее устройство.

Шариковый клапан содержит корпус 1, в цилиндрической расточке 2 которого установлено направляющее устройство 3 с упругими вертикальными рёбрами 4, жёстко связанными между собой в нижней части упругим цилиндрическим кольцом-основанием 5 с прорезью 6, а также шарик 7 и седло 8 клапана, прижатое к корпусу наконечником 9. В клапане имеются подклапанная 10 и надклапанная 11 полости. Направляющее устройство 3 установлено в цилиндрической расточке 2 корпуса свободно с образованием верхнего торцового 12 и радиального 13 зазоров, а упругие вертикальные рёбра 4 имеют выступы 14 для ограничения подъёма шарика. В свою очередь направляющее устройство 3 снабжено фиксатором 15, выполненным в виде дополнительно установленного в его верхней части цилиндрического кольца 16 с прорезью 17, жёстко связанного с рёбрами 4.