CC BY
56НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ
УДК 622.276.53
А.В. Деговцов1, e-mail: degovtsov.aleksey@yandex.ru; Н.Н. Соколов1, А.В. Ивановский1
1 Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина (Москва, Россия).
К вопросу о выборе материала ступеней электроцентробежного насоса для осложненных условий эксплуатации
Вопрос износостойкости скважинного насосного оборудования весьма актуален. Например, в ООО «РН-Пурнефте-газ» отказы установки электроприводного центробежного насоса (УЭЦН) по причине коррозионно-эрозионного износа составляют около 40 %.
На износостойкость УЭЦН существенное влияние оказывает конструкция ее рабочих узлов. От конструкции зависит наличие или отсутствие зон завихрения потока, застойных зон, зон максимальной скорости течения жидкости с механическими примесями. Также на износостойкость оборудования очень сильное влияние оказывает правильный выбор материалов. Для ответа на вопрос о возможности применения той или иной конструкции ЭЦН и разных конструкционных материалов при наличии абразивных частиц необходимо проводить испытания натурных образцов. Целью представленной работы было определение возможности использования ступеней, выполненных из нержавеющей стали, для условий добычи нефти, осложненных выносом механических примесей. Для решения этого вопроса были проведены исследования по определению износостойкости ступеней погружных центробежных насосов, выполненных из никелевого чугуна (нирезиста) и нержавеющей стали. Для испытаний были использованы ступени, выполненные по технологии литья в землю из нирезиста, и штампо-сварные ступени из нержавеющей стали.
Испытания ступеней насоса проводились в два этапа: испытания, в ходе которых снимались комплексные характеристики, и испытания на модельной жидкости, в которых в качестве абразивных частиц использовались кварцевый песок и проппант (5 г кварцевого песка 100 Mesh + 5 г проппанта 16/20).
В процессе испытаний на износ определялись изменение массы сборки ступеней и скорость (интенсивность) износа. Анализ результатов испытаний ступеней ЭЦН, выполненных по различным технологиям, показал следующее. Относительная износостойкость ступеней, выполненных методом «штамповка + сварка» из нержавеющей стали, выше, чем износостойкость ступеней, выполненных методом литья из никелевого чугуна (нирезиста). Скорость износа штампосварных ступеней составила 0,091 и 0,108 г/ч (для рабочих колес и направляющих аппаратов, соответственно); скорость износа ступеней из нирезиста составила 0,21 и 0,225 г/ч (для рабочих колес и направляющих аппаратов, соответственно). Двухопорные ступени ЭЦН, выполненные по технологии «штамповка + сварка» из нержавеющей стали, обладают высокой износостойкостью и могут быть рекомендованы для работы в скважинах, осложненных выносом абразивных механических примесей с концентрацией до 1 г на 1 л пластовой жидкости. Износ деталей ступеней из нирезиста создает значительно большие вибрационные нагрузки, чем аналогичный износ ступеней из нержавеющей стали. Перспективность применения ступеней из стали вместо нирезиста для условий добычи нефти со значительным содержанием механических примесей делает необходимым включение в единые технические требования дополнений в части использования материалов для изготовления ЭЦН.
Ключевые слова: установка электроприводного центробежного насоса, износостойкость, никелевый чугун (нирезист), нержавеющая сталь, абразивные механические примеси, проппант.
A.V. Degovtsov1, e-mail: degovtsov.aleksey@yandex.ru; N.N. Sokolov1, А.V. Ivanovskiy1
1 Gubkin Russian State Oil and Gas University (National Research University) (Moscow, Russia).
On Selection Of Electric Centrifugal Pump Stages Material For Complicated Conditions Of Operation
Issue of downhole pumping equipment durability is very relevant. For example, in RN-Purneftegas LLC the failures of electric centrifugal pump station (ECPS) due to corrosion-erosion wear are about 40 %.
88
№ 11 ноябрь 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
The durability of ECPS is significantly affected by the design of its assembly units. The design affects the presence or absence of turbulence flow zones, dead zones, zones of maximum flow velocity with mechanical impurities. The equipment durability is also very strongly influenced by the correct selection of materials. To answer the question about the possibility of using any design of ECPS and various construction materials in the presence of abrasive particles it is necessary to perform tests of specimens. The purpose of the given article was to determine the possibility of using the stages made of stainless steel, for the conditions of oil production complicated by removal of mechanical impurities. To address this issue, studies were performed to determine the durability of stages of submersible centrifugal pumps made of nickel iron (Ni-resist) and stainless steel.
Stages made by casting technology into the ground, made of Ni-Resist and stamp-welded stainless steel stages were used for tests.
Test pump stages were tested in two phases: tests that were taken with the complete specifications and test of model liquid where abrasive particles of quartz sand and proppant (5 g of silica sand 100 Mesh + 5 g 16/20 of proppant) were used. During wear test, the weight change of stage assembly and wear speed (intensity) were determined. Analysis of test results of ECPS stages performed by different technologies showed the following. Relative durability of stages made by the «stamping + welding» of stainless steel is higher than the durability of stages made by casting of a nickel iron (Ni-Resist). Wear rate of the stamp-welded stages was 0.091 and 0.108 g / hour (for impellers and guide vanes, respectively); wear rate of Ni-Resist stages was 0.225 and 0.21 g / hour (for the impellers and guide vanes, respectively). Two-bearing ECPS stages made by «stamping + welding» of stainless steels are highly durable and can be recommended for use in wells complicated by the removal of abrasive solids at a concentration of 1 g per 1 l of reservoir fluid. The wear of stages parts made of Ni-Resist creates a greatly exacerbated vibration loads than similar wear of stages made of stainless steel. The prospect of application of stages made of steel instead of Ni-Resist in conditions for oil production with a high content of mechanical impurities makes it necessary to include the amendments of the use of materials for the ECP manufacture in the common technical requirements.
Keywords: electric centrifugal pump station, durability, nickel iron (Ni-Resist), stainless steel, abrasive mechanical impurities, proppant.
Вопрос износостойкости скважинного насосного оборудования всегда имел важное значение, а в связи с повсеместной интенсификацией добычи нефти его актуальность только возросла. Интенсификация добычи нефти требует повышения депрессии на пласт; это приводит к разрушению скелета пласта и увеличению выноса механических примесей вместе с пластовой жидкостью, что приводит к выходу оборудования из строя. Например, в ООО «РН-Пурнефтегаз» отказ УЭЦН по причине коррозионно-эрозионного износа составляет около 40 % [1]. На износостойкость УЭЦН существенное влияние оказывает конструкция его рабочих узлов.
На сегодняшний день оборудование для эксплуатации скважин выпускается на основе единых технических требований (ЕТТ) компаний, в частности ЕТТ 6-й редакции компании «Роснефть».
Для скважин, осложненных выносом механических примесей, этими ЕТТ предусмотрен один тип материала для изготовления ступеней ЭЦН - никелевый чугун (нирезист). Ступени из нире-зиста выполняются с помощью литья с последующей сложной механической обработкой. Стоимость таких ступеней велика, а износостойкость не всегда удовлетворяет нефтяников, в связи с чем продолжаются работы по созданию новых конструкций ступеней ЭЦН и подбору оптимальных технологий и материалов для их изготовления. Для решения вопроса о возможности использования ступеней для условий добычи нефти, осложненных выносом механических примесей, изготовленных не из нирезиста, в лаборатории сква-жинных насосных установок кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени (НИУ) И.М. Губкина были
Рис. 1. Распределение отказов УЭЦН по причинам, связанным с осложняющими факторами [1]
Fig. 1. ECPS failures distribution for causes related to the complicating factors [1]
Ссылка для цитирования (for citation):
Деговцов А.В., Соколов Н.Н., Ивановский А.В. К вопросу о выборе материала ступеней электроцентробежного насоса для осложненных условий эксплуатации // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 11. С. 88-91.
Degovtsov A.V., Sokolov N.N., Ivanovskiy A.V. On Selection Of Electric Centrifugal Pump Stages Material For Complicated Conditions Of Operation (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2016. No. 11, P. 88-91.
НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ
Рис. 2. Направляющие аппараты и рабочие колеса ступеней из Рис. 3. Направляющие аппараты и рабочие колеса ступеней из
никелевого чугуна (нирезиста) нержавеющей стали
Fig. 2. Guide vanes and impellers of stages made of nickel iron (Ni-Resist) Fig. 3. Guide vanes and impellers of stages made of stainless steel
проведены соответствующие исследования.
Испытаниям были подвергнуты ступени, выполненные из нирезиста (по технологии литья в землю) (рис. 2) и из нержавеющей стали (штампосвар-ная конструкция) (рис. 3), имеющие одинаковые номинальные значения по подаче.
Задачей сравнительных испытаний двух однотипных изделий является определение и сравнение скорости износа при равных условиях эксплуатации. Помимо этого задачей настоящей работы было установление влияния износа ступеней на характеристику и сравнение комплексных характеристик ступеней ЭЦН 5-го габарита среднего дебита (100 м3/сут). Испытания проводились на стенде, схема которого представлена на рис. 4, в два этапа: 1) испытания, в ходе которых снимались комплексные характеристики, и 2) испытания на модельной жидкости, содержащей определенное количество механических примесей. Испытания по получению комплексной характеристики проводились по методике, указанной в ГОСТ 6134-87 [2]. Количество уровней расходов жидкости (подачи насоса) составляло не менее 8. Испытания начинались при полностью закрытой задвижке на
нагнетательном патрубке 7 (рис. 4) и проводились до режима «полностью открытая задвижка». Количество повторов экспериментов для построения осредненной комплексной характеристики выбиралось равным трем для каждой серии. Анализ полученных комплексных характеристик показал, что они практически полностью совпа-
дают с паспортными для ступеней типа 10.1ЭЦНД5-100 и ЭЦНАИ-5-100, соответственно, что подтверждает требуемую для проведения испытаний точность лабораторного стенда. При испытаниях на износ стенд работал на модельной жидкости, которая состояла из технической воды и механических примесей.
Рис. 4. Схема стенда для испытания ступеней ЭЦН:
1 - приводной вал; 2 - подшипник вала; 3 - уплотнительный узел вала; 4 - входной патрубок; 5 - рабочее колесо; 6 - направляющие аппараты; 7 - нагнетательный патрубок; 8 - расходомер; 9 - манометры; 10 - узел опоры рабочего колеса на направляющий аппарат Fig. 4. Diagram of test bench for ECPS stages:
1 - drive shaft; 2 - shaft bearing; 3 - shaft seal assembly; 4 - inlet; 5 - impeller; 6 - guide vanes; 7 - discharge nozzle; 8 - flowmeter; 9 - pressure gauges; 10 - impeller bearing assembly on the guide vanes
90
№ 11 ноябрь 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
Массы рабочих колес и направляющих аппаратов до и после испытаний на износ Weights of impeller and guide vanes before and after the wear test
Материал сборки Assembly material Масса до износа, г Weight before wear, g Масса после износа, г Weight after wear, g Потеря массы,г Weight loss, g Потеря массы, % Weight loss, % Скорость износа, г/ч Wear rate, g/h
Чугун РК 171,3 168,8 2,5 1,46 0,210
Cast iron НА 281,4 278,7 2,7 0,96 0,225
Сталь РК 106,3 105,2 1,1 1,03 0,091
Steel НА 256,9 255,6 1,3 0,51 0,108
В качестве абразивных частиц использовались кварцевый песок и проппант, размер их гранул и концентрация в модельной жидкости определялись методикой испытаний: концентрация составила 10 г/л (5 г кварцевого песка 100 Mesh + 5 г проппанта 16/20). Время работы ступеней в модельной жидкости составляло 6 часов при частоте вращения вала стенда 2910 об/мин. После окончания времени работы на модельной жидкости последняя сливалась, стенд промывался чистой водой и проводились работы по построению комплексной характеристики ступеней.
В процессе испытаний на износ определялось изменение массы сборки ступеней. Результаты испытаний должны были дать ответ на вопрос о пригодности ступеней, выполненных из нержавеющей стали с помощью штампосварных технологий, для работы в осложненных выносом механических примесей условиях, т. е. о возможности использования таких ступеней в качестве износостойкого оборудования. Скорость (интенсивность) износа определялась как отношение потери массы ступени ЭЦН за время испытаний на износ (табл.) и времени испытаний, которое составляло 12 часов. Сравнительная износостойкость определялась сравнением скорости износа ступеней из нержавеющей стали и из нирезиста.
АНАЛИЗ КОМПЛЕКСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТУПЕНЕЙ ЭЦН, ВЫПОЛНЕННЫХ ПО РАЗЛИЧНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ, ПОКАЗАЛ:
1) гидродинамические характеристики ступеней мало меняются после гидроабразивного износа рабочих колес и направляющих аппаратов; наблюдается даже некоторое улучшение характеристик (увеличение КПД и напора на 4-5 %), что связано с уменьшением шероховатости поверхности рабочих каналов рабочих колес и направляющих аппаратов;
2) незначительное изменение гидродинамических характеристик изношенных ступеней сопровождается очень значительным изменением виброскорости при работе сборок ступеней; расчетные показатели дополнительной радиальной нагрузки, возникающей за счет увеличения зазора в паре «втулка рабочего колеса - расточка направляющего аппарата» в 0,5 мм, составляют 4,5 Н на ступень из нержавеющей стали и 7,7 Н - для ступени из нирезиста. Для секции из 200 ступеней дополнительная радиальная нагрузка составит 0,9-1,53 кН, что может привести к аварийной ситуации.
ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЙ СДЕЛАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ ВЫВОДЫ:
• износостойкость ступеней, выполненных методом «штамповка + сварка» из
нержавеющей стали, выше, чем износостойкость ступеней, выполненных методом литья из никелевого чугуна (нирезиста). Скорость износа штампосварных ступеней составила 0,091 и 0,108 г/ч для рабочих колес и направляющих аппаратов, соответственно; скорость износа ступеней из нирезиста составила 0,21 и 0,225 г/ч для рабочих колес и направляющих аппаратов, соответственно;
• двухопорные ступени ЭЦН, выполненные по технологии «штамповка + сварка» из нержавеющей стали, обладают высокой износостойкостью и могут быть рекомендованы для работы в скважинах, осложненных выносом абразивных механических примесей с концентрацией до 1 г на 1 л пластовой жидкости;
• износ деталей ступеней из нирезиста создает значительно большие вибрационные нагрузки, чем аналогичный износ ступеней из нержавеющей стали;
• перспективность применения ступеней из стали вместо нирезиста для условий добычи нефти со значительным содержанием механических примесей делает необходимым включение в единые технические требования дополнений в части использования материалов для изготовления ЭЦН.
Литература:
1. Курочкин М.С. Анализ работы и мониторинг осложненного фонда скважин, оборудованных УЭЦН, в ООО «РН-Пурнефтегаз» // Инженерная практика. 2013. № 12. С. 26.
2. ГОСТ 6134-87. Насосы динамические. Методы испытаний (с изм. № 1, 2).
References:
1. Kurochkin M.S. Analysis of operation and monitoring of complicated wells stock equipped with ECP, in RN-Purneftegas LLC. Inzhenernaia praktika = Engineering Practice, 2013, No. 12, P. 26. (In Russian)
2. GOST 6134-87 Dynamic pumps. Test methods (with rev. No. 1, 2). (In Russian)
