CC BY
29
© Ю.А. Жулай, H.A. Дзоз, 2013
УДК 622.245:532.538 Ю.А. Жулай, H.A. Дзоз
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАВИГАЦИОННОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВИБРАТОРА В ТЕХНОЛОГИИ РАСШИРЕНИЯ ДИАМЕТРА ОБСАДНЫХ ТРУБ
Приведены результаты экспериментального исследования динамических характеристик кавитируюшего устройства, для создания вибронагрузки до 4000g с частотой f=3—12 кГц на инструменте для расширения диаметра обсадных труб. Это обосновывает перспективность использования гидродинамической кавитации в технологических процессах расширения труб.
Ключевые слова: периодически-срывная кавитация, гидродинамический вибратор, расширяюший кон, вибронагрузка, частота,расширение труб.
#^еализация сберегающих тех-
МГ нологий в производстве, в том числе и в горнодобывающей отрасли, является одной из важных задач хозяйственной деятельности любого предприятия. В последнее время в мире и в Украине наблюдается устойчивая тенденция в разработке технологий, основанных на использовании гидродинамической кавитации, способствующей их интенсификации.
В работе [1] описаны примеры практического применения дискретно-импульсных струй, полученных посредством гидродинамической кавитации, для достижения позитивных результатов по интенсификации различных технологических процессов:
- в металлургии — для удаления вторичной окалины пульсирующими струями при горячей прокатке металла;
- в машиностроении — для удаления заусениц и очистки различных поверхностей от ржавчины, загрязнений, старой краски;
- в химической промышленности — для эмульгирования жидкостей и дис-
пергирования с использованием режимов периодически-срывной кавитации в потоке суспензии;
- в горнодобывающей отрасли — для интенсификации процессов бурения [2] и раскальматации водяных скважин наложением вибронагрузки [3], а также борьбы с газодинамическими явлениями в шахтах нагнетанием жидкости в угольные пласты с использованием гидроимпульсных технических средств [4].
При разработке нефтяных и газовых месторождений используются ступенчатое бурение скважин их обсадка с последующим расширением диаметра обсадных труб. Так фирма «ШеаШегк^» традиционно использует гидравлический способ расширения, путем подачи высоконапорного потока жидкости под расширительный конус. Из практики известно, что при таком способе расширения труб « 50 % энергии жидкости расходуется на преодоление сопротивления трения, а « 50 % — на саму операцию расширения. При этом оптимизация технологического процесса расшире-
ния осуществляется путем уменьшения трения с применением дорогостоящей специальной смазки МБОБ с молибденовыми присадками, что приводит к значительным экономическим затратам.
Таким образом, с учетом выше изложенного, поиск новых способов и средств, применяемых при расширении труб, продолжает оставаться актуальной задачей.
Одним из направлений решения этой задачи является уменьшение сопротивления трения наложением вибронагрузки на расширяющий кон. Это определяет цель работы: исследование возможности применения ка-витационного гидродинамического вибратора (ГДВ) в технологии расширения диаметра обсадных труб для уменьшения трения за счет высокочастотной вибронагрузки на инструменте и возможности отказа от применяемой смазки.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Создание высокочастотного генератора автоколебаний давления жидкости по вибронагружению инструмента для расширения труб на расходы и давления, используемые в промышленных условиях. Разработка конструкции и изготовление гидродинамического вибратора.
Определение автономных характеристик системы «вибратор — кон» (зависимости частоты и размаха кави-тационных автоколебаний, а также виброускорений на корпусе кона от параметра кавитации т) при различных давлениях на входе и выходе генератора для выбора режимных параметров ГДВ. Параметр кавитации т является критерием динамического подобия кавитационного течения жидкости и определяется как отно-
шение давлений на выходе из генератора к давлению на входе, т.е.: т = Р2 / Р1.
Для создания вибронагрузки на расширительном коне предложено использовать оригинальный кавита-ционный генератор высокоамплитудных и высокочастотных колебаний давления жидкости [5] в котором реализуется режим периодически-срывной кавитации. Это позволяет преобразовать стационарное течение жидкости в дискретно-импульсное. Частота следования импульсов при этом составляет от 1 до 19 кГц. Основными геометрическими
параметрами такого генератора являются:
1) диаметр критического сечения
2) угол раскрытия диффузора в;
3) диаметр последиффузорного канала Э;
В настоящее время существует аналитическая модель нестационарного кавитационного течения в су-жающе-расширяющемся канале типа трубки Вентури, построенная на основе интегральных законов сохранения массы, количества движения и энергии жидкости [6]. Эта модель позволяет по известным секундному расходу жидкости в (кг/сек) и давлению на входе Р1(кг/см2) (параметрам насосной установки) рассчитать площадь критического сечения генератора, которая обеспечивает реализацию режима периодически-срывной кавитации:
Р =_в_
к ^2ду(р - Рк) '
Входящие в формулу значения коэффициента расхода генератора ц, на основании многочисленных экспериментальных определений этого параметра, принимается равным
т
Рис. 1. Схема гидравлического стенда для проведения испытаний по определению характеристик гидродинамического вибратора: 1 — насос; 2 — кон; 3 — кави-тационный генератор; 4— дроссель; 5— подпорный дроссель; 6,7— датчики пульсаций; 8— датчик виброускорений; 9— расходомер
0,90^0,96, ускорение свободного падения д = 981 см/сек и удельный вес воды у = 0,001 кг/см3. Учитывая, что давление в кавитационной полости Рк << Р1 его значением как правило пренебрегают.
В результате расчета по стандартным методикам [6] был выбран кави-тационный генератор с критическим сечением ^ = 1,4 мм.
Что касается выбора угла раскрытия диффузора трубки Вентури, то в работе [6] при исследовании генераторов с в = 10 — 120° установлено, что наиболее устойчивые автоколебания давления в потоке жидкости за генератором с максимальным значением размаха соответствуют углу раскрытия диффузора 20°, который и выбирается далее как оптимальный.
Выбор диаметра выходного трубопровода производится из критерия реализации максимальных уровней импульсов давления за генератором. Как следует из [5] максимальные значения импульсов были получены при значениях диаметра выходного трубопровода Э « 4<<кр
Для экспериментального определения значений «размаха» (под «размахом» вследствие негармонической формы колебаний понимается величина ДР2 = Р2тах — ?2ш1п) и частот автоколебаний, а также вибронагрузок, создающих генератором на коне в осевом и поперечном направлении, были проведены испытания на гидравлическом стенде схема, которого представлена на рис. 1. Источником высокого давления — 1 служила насосная установка «Посейдон 50/2630» производства ТПХ «Днепровские заводы» с максимальным давлением 50 МПа и расходом 26 л/мин. и мощностью электропривода 30 кВт. Вода по напорному шлангу высокого давления через турбинный датчик расхода жидкости — 9 поступает в кавитационный генератор — 3 и через центральный канал кона — 2 и подпорный дроссель — 5 сбрасывалась в емкость.
Кон — 2, инструмент для расширения трубы представляет собой (см. рис. 2) монолитную конструкцию с конической (10°) поверхностью, переходящей в цилиндрическую. На конце цилиндрической поверхности
Рис. 2. Схема проточной части расширительного кона с генератором: 1 — кон; 2 — кавитационный генератор; 3— гнезда под установку датчиков виброускорений АВС-034; 4 — гнездо установки датчика ДДИ-20
Таблица 1
Перечень средств измерения
№ п/п Параметр Наименование датчика Тип датчика Рабочий диапазон Основная погрешность, %
по амплитуде по частоте, Гц
1 Р Турбинный датчик ТДР-8 0,05-0,5 л/с 0 + 1 ± 0.5
расхода жидкости
2 АР: Датчик давления ДДИ-20 0,05- 0-20000 ± 5.2
130,5 МПа
3 АР2 Датчик давления ДДИ-20 0,05- 0-20000 ± 5.2
130,5 МПа
4 31 Датчик виброуско- АВС- 100000 м/с2 20-30000 ± 10
рений 034 100000 м/с2
5 а2 Датчик виброуско- АВС- 20-30000 ± 10
рений 034
6 Р1 Манометр класса 1,6 PIMA 0-100 МПа 0 — 1 ± 1.6
7 Р2 Манометр класса 0,6 МТ160 0-16 МПа 0 — 1 ± 0.6
8 Р2 Манометр класса 0,6 МТ400 0-40 МПа 0 — 1 ± 0.6
выполнены тарельчатые проточки для уплотнения полости за коном. Кон снабжен центральным каналом, в который с входной стороны вкручивается кавитационный генератор. На наружной поверхности имеются посадочные места для установки датчиков виброускорений. Материал кона нержавеющая жаропрочная сталь типа ЭП-56. Наружная поверхность кона не упрочнялась. Масса кона составля-
ет 13,3 кг. Максимальный диаметр кона составляет 137,2 мм.
В процессе испытаний использовалась система измерений (СИ) со стандартными средствами, которые прошли Госпроверку, и обеспечивали необходимый диапазон измерений. Перечень средств измерения приведен в табл. 1, а места установки датчиков и манометров указаны на рис. 1. При измерениях и обработке резуль-
Рис. 3. Копия оспиллограмма записи параметров работы ГДВ
дра, МПа
25 20 15 10
/
/ ,=40 МПэ
/ / / 1 . Л . р,= з 3 МПа
/ \ ч Р, / = 20 МПа /
/ ч ч. \
Рг 10 МПа "
0,1
0,2
0.3
0,4
0,5
0.6
Рис. 4. Зависимость размаха колебаний за ГДВ от режима его работ
татов испытании использовалась многоканальная плата ввода аналоговой информации в ПК с записью результатов испытании. Значения физических величин и режим работы ГДВ определялись при обработке записеИ датчиков давления и виброускорения после проведения испытании.
Настройка режимов работы ГДВ на различных испытаниях проводилась оператором вручную по показаниям манометров.
В процессе испытании было установлено, что в гидравлической системе с экспериментальным образцом гидровибратора при каждом значении установившегося давления на входе Р1, в диапазоне измерения значении параметра кавитации т « 0,05 0,7 возникают периодические колебания жидкости.
Из рис. 3, на котором представлена копия участка осциллограммы при Р1 = 40 МПа и Р2 = 8,2 МПа, видно что на выходе экспериментального образца гидровибратора наблюдаются колебания давления жидкости Р2, которые носят ударный характер.
Такой вид колебаний в гидродинамике имеет название пульсаций давления, которые характеризуются частотой и размахом колебательной величины давления жидкости. Это говорит про не акустическую природу этих колебаний и дает основание утверждать, что наблюдаемые колебания обусловлены возникновением в проточной части гидровибратора режима периодиче-ски-срывной кавитации.
При анализе результатов испытаний установлено, что зависимость «размаха» колебаний ДР2 на выходе из кавитационного генератора от параметра кавитации т для различных давлений на входе Р1, носит нелинейный характер (см. рис. 4) с ярко выраженным максимумом в районе т « 0,2, за исключением режима
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Рис. 5. Зависимость частоты колебаний давления за ГДВ от режима его работ
Рис. 6. Зависимость вибронагрузки на корпусе кона от режима работ ГДВ
при Р1 = 10МПа, где максимум наблюдается при значении т « 0,3. При всех значениях давления на входе Р1 размах АР2 с ростом значения параметра т резко возрастает, достигает максимального значения при определенном значении т, и в дальнейшем уменьшается. Увеличение давления на входе в генератор Р1 приводит к росту максимальных значений колебательной величины давления на выходе из кавитацион-ного генератора.
Частота { пульсаций давления Р2, обусловленная схлопыванием каверн, наблюдается в диапазоне от 1 до 19 кГц (см. рис. 5) и с ростом давлений питания Р1 и подпора Р2 возрастает. Зависимость { (т) носит близкий к линейному характер.
На рис. 6 приведена экспериментальная — зависимость вибронагрузки на корпусе кона от режима работы ГДВ [7].
Как видно из представленных данных, максимальные значения вибронагрузки, как в осевом, так и в радиальном направлении, реализуются в диапазоне изменения параметра кавитации т = 0,15 ^ 0,4, в то время как максимум пиковых значений размаха колебаний соответствует т « 0,2. На этом же рисунке приведена зависимость вибронагрузки от параметра кавитации т при давлении питания Р1 = 21 МПа и при установке кона в расширяемый трубопровод. Сопоставление вибронагрузок при испытании на стенде свободного кона и его установке в расширяемый трубопровод дает удовлетворительную сходимость результатов, что подтверждает работоспособность устройства.
На рис. 7 приведен фрагмент осциллограммы средних значений давления Р1 и Р2 (левая ось) и осевой вибрации на коне а (правая ось), реализуемых на установленном в трубе коне при повышении давления Р2.
Анализ представленных данных показывает, что вибронагрузки для данной конструкции кавитационного генератора наблюдаются в диапазоне изменения параметра кавитации т = = 0,15 ■ 0,65.
Эта конструкция ГДВ реализует высокие значения частот колебаний давления и вибронагрузок на корпусе кона, при этом максимальные значения размаха колебаний давления в пике не превышают давления на входе в ГДВ.
Выполненное исследование характеристик системы «вибратор — кон» позволяет сделать следующие вывод.
Приведенные результаты экспериментального определения динамических характеристик ГДВ, работающего в режиме периодически-срывной кавитации, обосновывают перспективность его использования в технологических процессах по расширению труб путем наложения вибронагрузки до 4000д с частотой $ = = 3-12 кГц на инструмент для расширения труб.
Перспективы дальнейших исследований в данном направлении заключаются в определении эффективности наложения вибронагрузки на инструмент при проведении опытно-промышленных испытаний по расширению труб.
1. Pilipenko V. V. Cavitation self-oscillations intensify technological processes / V.V. Pilipenko, I.K.Man'ko, V.A.Zadontsev // Proceedings of a Fluid Dynamics Panel Workshop. — Kiev, Ukraine. Report 827, 1998, — P.32-1-32-4.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Дзоз H.A. Интенсификация процессов бурения с использованием гидродинамической кавитации / H.A. Дзоз, Ю.А. Жу-лай. // Горный информационно-аналитический бюллетень / МГГУ — М., 2008. — № 4. — С. 290—296.
3. Дзоз Н.А. Инициирование водяных скважин путем кавитационного гидродинамического воздействия / H.A. Дзоз, Ю.А. Жулай. // Горный информационно-аналитический бюллетень / МГГУ — М, 2008. — № 3. — С. 345—350.
4. Пат. 87038 Украина, МКИ E21F 5/02. Устройство для гидроимпульсного воздействия на угольний пласт/ Ё.М. Васильев, Ю.А. Жулай, В. В. Зберовський, П.Ю. Моисеенко, Н.Я. Трохимец; заявитель и патентообладатель ИГТМ HAH Украини. — а 2007 10209/9822; заявл.13.09.07; опубл.10.06.09. — Бюл. № 11.
5. А.с. 1232296 СССР, МКИ В 06 В 1/18. Генератор колебаний давления жид-
кости / В.В. Пилипенко, В.А. Задонцев, И.К. Манько, Ю.А. Жулай, H.A. Дзоз (СССР). - № 3772504/24-28; заявл. 19.07.84; опубл. 23.05.86, Бюл. № 12.
6. Пилипенко В.В. Кавитационные автоколебания: монография / В.В. Пилипенко. — К: Наук. думка, 1989. — 316 с.
7. Жулай Ю.А. Экспериментальное определение вибронагрузки на инструменте для расширения труб/ Жулай Ю.А., Ворошилов А.С. // Геотехническая механика: Межведомственный сб. научн. трудов/ ИГТМ НАН Украины. — Днепропетровск, 2010. — Вып. 89. — С.34-40. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Жулай Ю.А. — ведущий научный сотрудник Института транспортных систем и технологий Национальной академии наук Украины, itst@westa-inter.com
Дзоз Н.А. — доктор технических наук, генеральный директор «Завода новых технологий».
А
ГОРНАЯ КНИГА
Собрание сочинений. Том 7. Флотация. Реагенты-собиратели
А.А. Абрамов 2012 год 656 с.
ISBN: 978-5-98672-291-7 UDK: 622.765
Рассмотрены требования теории флотации к реагентам-собирателям и предложена новая гипотеза, обосновывающая необходимый состав адсорбционного слоя собирателя на поверхности флотируемого и депрес-сируемого минералов. Приведен анализ физико-химических свойств органических соединений, которые могут быть использованы в качестве собирателей, закономерностей их изменения в результате внутри- и межмолекулярных взаимодействий и показаны пути создания собирателей с заданными свойствами, сформулированы принципы конструирования селективных собирателей. Теоретически обоснованы методы совершенствования технологии применения собирателей, обеспечивающие оптимизацию их расхода, повышение селективности и интенсификацию процесса флотации.
ФЛОТАЦИЯ
ГЫ1Щ11»
HJM7
