CC BY
78в.н. ивановский, ю.А. Сазонов, А.А. Сабиров, н.н. Соколов, ю.А. донской,
РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
А£. Шатров, в.н. кокарев, н.и. монастырский, МIKROLAT Ltd.
Рецензент - в.н. Сызранцев, д.т.н., проф., зав.кафедрой Тюменского государственного технического нефтегазового университета
ступени центробежных насосов для добычи нефти с открытыми рабочими колесами из алюминиевых сплавов с защитным керамико-полимерным покрытием
ВВЕДЕНИЕ
Интенсификация добычи нефти сопровождается снижением забойных давлений, увеличением требуемых напоров и температуры откачиваемой жидкости, ростом доли свободного газа на приеме, выносом механических примесей из пласта. Кроме того, высокая обводненность и минерализованность пластовой жидкости повышает ее коррозионную активность и ведет к образованию со-леотложений на скважинном оборудовании. Характерное для Западной Сибири распределение отказов по УЭЦН представлено на рис.1.
В таких осложненных условиях погружные электроприводные центробежные насосы (ЭЦН) часто работают неудовлетворительно.
Основные элементы насоса - ступени, которые традиционно изготавливаются из никелесодержащего чугуна (нирезиста) или серого модифицированного чугуна, подвергаются интенсивной химической и электрохимической коррозии, механическому изнашиванию и кавитации. Это приводит к повышению вибрации в установках ЭЦН и, как следствие, к возможности аварии за счет обрыва
соединительных узлов УЭЦН или колонны НКТ.
Преждевременный выход из строя ЭЦН и дополнительные ремонты скважин ведут к снижению добычи нефти, дополнительным затратам на проведение ремонтных работ, а в итоге - к ухудшению технико-экономических показателей нефтегазодобывающих предприятий. Осложненные условия эксплуатации ЭЦН требуют применения новых эффективных конструкций ступеней и новых материалов с повышенными износостойкими и антикоррозионными характеристиками, с пониженной адгезией к выпадающим из пластовой жидкости солям, с возможностью откачки пластового флюида с большим содержанием свободного газа.
В данной статье приводятся результаты стендовых испытаний ступеней ЭЦН новой конструкции из новых материалов и сравнения их эффективности со стандартными ступенями из наиболее часто применяемых металлов.
Новые ступени созданы при удачном сочетании двух инноваций: новой конструкции компактной ступени с открытым колесом, разработанной Ю.А.Сазоновым и испытанной на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности (МОНиГП) РГУ нефти и газа им. Губкина, и нового материала, представляющего собой деформируемый алюминиевый сплав с защитным керамико-полимерным по-
25% 13%
41%
■ СОЛЕОТЛОЖЕНИЕ
■ ЗАСОРЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИМИ ПРИМЕСЯМИ СУБЪЕКТИВНЫЕ ПРИЧИНЫ
■ КОНСТРУКТИВНЫЕ ПРИЧИНЫ
Рис. 1. Причины отказов электроприводных центробежных насосов на одном из месторождений Западной Сибири
100
сплошные линии - характеристики ступени ЭЦНМ5-80; пунктирные линии - характеристики ступени ЭЦН05-80 (открытое рабочее колесо)
Рис. 2. Комплексная характеристика ступеней стандартной и с открытым рабочим колесом (перекачиваемая жидкость - вода)
крытием, разработанным компанией МIKROLAT.
В ходе выполнения научных исследований на кафедре МОНиГП была проведена модернизация теории лопастных насосов. Разработаны новые компьютерные программы для решения прямых и обратных задач теории лопастных насосов. С помощью новых инструментов для расчета насосов удалось преодолеть ряд логических противоречий, имеющихся в старой теории. При этом открылись дополнительные возможности для разработки новых насосов. Подготовленные методические разработки могут быть использованы как для скважинных вертикальных насосов, так и для различных горизонтальных насосов, включая стационарные и передвижные насосы. С опорой на модернизированную теорию разработаны новые технические решения по повышению напора и мощности различных лопастных машин, с одновременным снижением массы и размеров этих машин. Ряд технических решений нацелен на снижение цены и упрощение технологии изготовления отдельных деталей,с обеспечением высокой надежности машины в целом.
КОНСТРУКЦИЯ НОВЫХ СТУПЕНЕЙ ЭЦН И ЕЕ ПРЕИМУЩЕСТВА
Компактная ступень многоступенчатого ЭЦН состоит из открытого рабочего колеса и направляющего аппарата сборной конструкции.
Ступени с открытыми колесами имеют хорошие гидродинамические характеристики, достаточно высокий напор и КПД (рис.2), к тому же такие ступени обладают повышенной напорностью за счет малой монтажной высоты.
На кафедре МОН и ГП РГУ нефти и газа им. Губкина проведен комплекс работ по исследованию влияния геометрических параметров на энергетические характеристики ступеней ЭЦН с колесами открытого типа.
В результате теоретических и стендовых исследований были получены характеристики некоторых ступеней с колесами открытого типа и специальными направляющими аппаратами. При этом напорность ступени была увеличена в 2-3 раза.
При определении энергетической эффективности разработанных ступеней
было установлено, что КПД открытых колес несколько уступает этому показателю у стандартных ступеней ЭЦН при перекачке маловязких продуктов(вода) без свободного газа. Однако при работе на жидкости с вязкостью, соответствующей вязкости нефти, а также при
работе на газожидкостных смесях ступени с открытыми рабочими колесами (НЦ5А-250) не уступают по энергетическим показателям стандартным ступеням ЭЦН (рис.3).
Применение новых ступеней в составе ЭЦН позволяет значительно сократить
Рис. 3. Энергетические характеристики различных ступеней ЭЦН при работе на воде(графики с точками) и вязкой жидкости(графики без точек). Вязкость модельной жидкости в 100 раз больше вязкости воды
длину погружного насосного агрегата и отказаться в ряде случаев от достаточно сложных, но снижающих надежность и создающих технологические проблемы устройств типа газосепаратора и дис-пергатора.
Уменьшение монтажной высоты в новых ступенях, наряду с заменой чугуна на легкие алюминиевые сплавы с защитным покрытием, позволяют в 1,5-2 раза снизить массу ротора насосного агрегата. Это приводит к улучшению динамических характеристик ЭЦН, существенному снижению вибраций и нагрузок на подшипники, уменьшению их износа. Снижение массы ротора и его динамического дисбаланса делает возможным значительное увеличение частоты вращения и снижает проблемы при применении быстроходных вентильных двигателей. Это может привести к существенному увеличению добычных возможностей ЭЦН.
Открытые рабочие колеса и направляющие аппараты сборной конструкции имеют простые геометрические формы и высокую технологичность изготовления, где может быть применена штамповка или высокоточная механоо-
бработка на высокопроизводительном оборудовании. Шероховатость поверхности рабочих гидравлических каналов деталей ступеней уменьшается в 3-4 раза по сравнению с шероховатостью каналов закрытых рабочих колес и направляющих аппаратов, изготовленных методом литья.
При этом себестоимость изготовления новых ступеней даже при применении достаточно дорогих алюминиевых сплавов на 20-25% ниже себестоимости изготовления стандартных ступеней из нирезиста.
МАТЕРИАЛ НОВЫХ СТУПЕНЕЙ И ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВА
Детали новых ступеней могут изготавливаться из легких и прочных деформируемых алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы легко обрабатываются механически на скоростях резания, в 4-5 раз превышающих скорости резания при обработке чугунов и сталей. Сложные по конфигурации детали могут легко и быстро обрабатываться на высокоскоростных прецизионных станках с ЧПУ с высокой точностью и
низкой шероховатостью поверхности. Причем механообработка деталей ведется в окончательные размеры, т.к. при последующем оксидировании поверхности размеры не изменяются (керамическое покрытие растет вглубь металла). Легкие, точно обработанные детали практически не требуют балансировки.
На поверхностях деталей из алюминиевого сплава создается защитное покрытие, состоящее из керамического слоя, пропитанного фторполимером. Керамическое покрытие создается методом плазменного электролитического оксидирования (ПЭО)третьего поколения, разработанного компанией МIKROLAT. От известных технологий оксидирования алюминиевых сплавов (анодно-искрового или микродугово-го) новая технология ПЭО отличается более высокой производительностью процесса (в 2-3 раза) и более высоким качеством керамического покрытия («гладкостью» и полным отсутствием внешнего дефектного слоя). Керамическое покрытие толщиной 40-70 мкм формируется на поверхности алюминиевых деталей за 15-25 мин.,
В данной книге рассмотрены общие вопросы эксплуатации оборудования, связанные с эффективностью его использования и поддержанием надежности. Изложены основы диагностирования технического состояния оборудования, организации его технического обслуживания и ремонта, технологические процессы ремонта оборудования, способы восстановления сопряжений и поверхностей деталей, технологические методы, применяемые для восстановления поверхностей и неразъемных соединений ремонтируемых деталей. Рассмотрена специфика монтажа и технической эксплуатации оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи.
По вопросам приобретения данной книги обращаться в редакцию журнала «Территория «Нефтегаз»
В.Н.Протасов, Б.З. Султанов, С.В. Кривенков «ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАжИН
и нефтегазодобычи»
------
'|/ О# (Г>1 в"*Я?Ьй2ии
Я 1-01 01 ■л ■ '-'Л
£±г и! -НЕДР*
+ 7 (495) 787-85-29, 441-00-34
[email protected] • www.neftegas.info
что приемлемо для серийного производства. Никаких дополнительных финишных операций по удалению внешнего дефектного слоя не требуется. Технология ПЭО проста и экологически безопасна.
Керамическое покрытие состоит из композиции различных по твердости кристаллических модификаций оксидов. Фазы, имеющие высокую твердость ^ 1400-1500) и обеспечивающие высокую стойкость к абразивному износу, располагаются в матрице из менее твердых фаз ^ 600-800). Такая структура придает относительную пластичность керамическому покрытию и исключает случаи хрупкого разрушения. Благодаря высокой адгезии ПЭО-покрытия к металлу-основе, оно успешно выдерживает вибрации, ударные и термоциклические нагрузки, кавитацию.
Высокая теплостойкость керамического ПЭО-покрытия обеспечивает теплозащиту металлу-основе, препятствуя термическому разупрочнению алюминиевого сплава при повышенных температурах.
Пропитывание микропористой структуры ПЭО-покрытий фторполимером усиливает защитные свойства покрытий. Само керамическое ПЭО-покрытие химически инертно к агрессивным средам и не проводит тока. Но при спекании полимер «сшивает» керамический слой по продольным и поперечным микропорам, образуя монолитное композиционное покрытие, которое приобретает недостижимые ранее абразивно-эрозионную и коррозионную стойкость, усталостную прочность.
При эксплуатации керамическое ПЭО-покрытие воспринимает механические нагрузки, сопротивляясь изнашиванию и процарапыванию. Фторполимер же защищает керамическое покрытие и сплав-основу от воздействия агрессивных сред и выполняет функцию антифрикционной смазки.
Гладкая поверхность, покрытая полимером, обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление потоку жидкости, соприкасающейся с этой поверхностью, и препятствует осаждению на ней минеральных солей.
Низкая шероховатость (Ка 0,32-
0,64 мкм) и присутствие фторполимера на трущихся поверхностях деталей сту-
Рис.4. Машина для исследования износа рабочих колес или направляющих аппаратов при вращении
пеней обеспечивают низкий коэффициент трения, что гарантирует стабильную работу трибоконтактов.
СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ НОВЫХ СТУПЕНЕЙ ЭЦН
Испытания новых ступеней проводились по следующей методике.
Сборка ступеней испытывалась на стенде фирмы «Новомет-Пермь» с частотой вращения ротора насоса в 2970 об/мин. на воде для получения комплексной характеристики. Затем стенд переводился на работу с модельной жидкостью, содержащей 1% проппанта, при этом также строилась комплексная характеристика. Работа на модельной жидкости с проппантом должна была проводиться до тех пор, пока напорная или энергетическая характеристика не станет отличаться от первоначальной более, чем на 5%. Такая методика была испробована ранее для определения сравнительной износостойкости ступеней, выполненных из серого и никелевого чугуна (нирезиста). За три рабочих дня испытаний ступени из серого чугуна
снизили напорную характеристику на 12%, а ступени из нирезиста - на 8%. Однако новые ступени из алюминиевого сплава с защитным керамикополимерным покрытием за три рабочих дня испытаний не изменили ни напорной, ни энергетической характеристики.
Поэтому после испытаний новых ступеней в модельной жидкости их элементы прошли испытание на стандартном стенде для определения износостойкости (рис.4).
Испытания проводились при контакте вращающихся рабочих колес и неподвижного стандартного пробного круга. Осевая нагрузка на рабочее колесо практически соответствовала среднему значению нагрузок при работе центробежного насоса в левой части рабочей зоны характеристики и составляла 4 Н. Частота вращения при испытании была принята равной 150 об/мин. для устранения повышенного нагрева зоны контакта.
В результате испытаний определялась скорость износа как при сухом контак-
те, так и при постоянной подаче воды в зону контакта.
Анализ показал, что скорость износа рабочих колес из нирезиста (АО «АЛНАС») в 6,8 раза выше, чем аналогичный показатель для рабочих колес из деформируемого алюминиевого сплава с ПЭО-покрытием, пропитанным фторполимером.
Средняя скорость износа при подаче воды в зону контакта составила:
• рабочие колеса из алюминиевого сплава с защитным покрытием ЭЦНО5-80-0,017 г/час.;
• рабочие колеса АО «АЛНАС» ЭЦНА5-80-0,17 г/час.
Необходимо отметить, что при испытании в аналогичных условиях ступеней того же АО «АЛНАС», выполненных из серого модифицированного чугуна, средняя скорость износа при подаче воды в зону контакта составила
0.39 г/час.
Для определения коррозионной стойкости деталей ступеней ЭЦН из алюминиевого сплава с защитным керамикополимерным покрытием применялась стандартная процедура по методике, приведенной в стандарте ANSI\NACE ТМ0177-96 N21221.
В результате испытаний по указанной методике в течение 24 час. (для тонкопленочных покрытий толщиной до 250 мкм) изменений в массе деталей, внешнем виде и микротвердости поверхности не обнаружено, что дает основание говорить о высокой коррозионной стойкости данного материала.
ВЫВОДЫ
Результаты, полученные в ходе лабораторных и стендовых испытаний, позволили сделать следующие выводы.
1. Рабочее колесо открытого типа для ступеней ЭЦН, выполненное из алюми-
ниевого сплава с защитным керамикополимерным покрытием, имеет массу в 2,8 раза меньше массы аналогичного стального колеса и в 4,3 раза меньше массы стандартного рабочего колеса, изготовленного из нирезиста.
Низкий вес и малая монтажная высота алюминиевых ступеней с открытым колесом позволяют в 1,5-2 раза снизить массу ротора насоса, уменьшить его динамический дисбаланс и вибрации во время работы.
Увеличение частоты вращения ротора с открытым рабочим колесом из алюминиевого сплава с 3000 до 6000 об/мин. не приводило к повышению вибрационной скорости. Аналогичное увеличение частоты вращения стандартной ступени из нирезиста приводило к увеличению вибрационной скорости в 1,8 раза. Увеличение частоты вращения ротора насоса позволит существенно повысить подачу и напор ЭЦН.
2. Ступени с открытыми рабочими колесами имеют более высокую напорность, чем стандартные ступени ЭЦН.
3. КПД ступеней с открытыми рабочими колесами из алюминиевого сплава с защитным покрытием имеет следующие значения:
• при работе на воде - на 4-6% ниже, чем КПД стандартных ступеней ЭЦН;
• при работе на вязкой модельной жидкости (вязкость по воде равна 100 единиц) практически не отличается от КПД стандартных ступеней ЭЦН;
• при работе на модельной газожидкостной смеси (при содержании свободного газа свыше 6% ) превышает КПД стандартных ступеней ЭЦН.
Это дает возможность во многих случаях отказаться от применения в составе ЭЦН газосепараторов и диспергаторов.
4. Применение защитного керамикополимерного покрытия толщиной
40-70 мкм на деталях из алюминиевого сплава значительно увеличивает из-носо- и коррозионную стойкость ступеней ЭЦН и ресурса их работы при перекачивании абразивосодержащей и коррозионно-активной жидкости.
5. Гладкая поверхность защитного керамико-полимерного покрытия (Ra 0,32-0,64 мкм) позволяет снизить гидравлическое сопротивление проточных каналов (шероховатость поверхности проточных каналов в отлитых деталях из нирезиста Ra 2,5-9,0 мкм) и уменьшить трение в трибопарах скольжения, а также исключить отложение солей на поверхности.
6. Технологичность конструкции новой ступени и легкость механообработки алюминиевого сплава позволяют упростить массовое изготовление деталей.
7. Себестоимость изготовления новых ступеней минимум на 20-25% ниже себестоимости изготовления стандартных ступеней из нирезиста. Все это делает новые алюминиевые ступени с открытым колесом оптимальными по критерию «стоимость-эффективность».
ОБЩИЙ ВЫВОД
Созданы и прошли успешные стендовые испытания новые высокоэффективные ступени ЭЦН компактной конструкции с открытым рабочим колесом, изготовленные из алюминиевого сплава с защитным керамико-полимерным покрытием.
ЭЦН, оснащенный новыми ступенями, способен длительное время работать в осложненных условиях эксплуатации при перекачивании коррозионноактивных жидкостей с высоким выносом механических примесей, высокой температурой и высокой долей свободного газа на приеме насоса.
Таблица 1. Показатели изменения массы рабочих колес и времени испытаний (при подаче воды в зону контакта)
№ П/П МАТЕРИАЛ КОЛЕСА ТИП СТУПЕНИ МАССА РАБОЧЕГО КОЛЕСА ДО ИСПЫТАНИЯ, Г МАССА РАБОЧЕГО КОЛЕСА ПОСЛЕ ИСПЫТАНИЯ, Г ВРЕМЯ ИСПЫТАНИЯ, ЧАС
1 Алюминиевый сплав с покрытием ЭЦН05-80 42,17 42,15 1,50
2 То же ЭЦН05-80 42,25 42,21 1,50
3 То же ЭЦН05-80 42,43 42,42 1,50
4 Чугун никелевый (типа «нирезист») ЭЦНМ5-80 172,40 172,13 1,50
5 То же ЭЦНМ5-80 170,б1 170,37 1,50
б То же ЭЦНМ5-80 1б8,92 1б8,б5 1,50
авиимйя
Микропроцессорные устройства РЗА сданы межведомственной комиссии, рекомендованы РАО "ЕЭС России■> и ОАО «ФСК ЕЭС» к применению на энергообъекта*.
Все устройства сертифицированы, выпускаются серийно и полностью соответствуют требованиям энергетиков.
Научно-производственное предприятие «ЭКРА» предлагает:
• РЗА СТАНЦИОИНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
• РЗА ПОДСТАНЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ 6 - 750 кВ
• Р Е ГИ СТРАТО РЫ СОБЫТИЙ И АВАРИЙНЫЕ ОСЦИ Л Л ОГРАФЫ
• СРЕДСТВА ОРГАНИЗАЦИИ АСУ ТП
• НИЗКОВОЛЬТНЫЕ КОМПЛЕКТНЫЕ УСТРОЙСТВА
• СИСТЕМЫ ПЛАВНОГО ПУСКА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
1 Энергия не исчезает и не появляется вновь.
| а переходит из одной формы в другую.
| Энергия опыта, знаний и смелы* решений преобразуется В особую форму ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ
электрооборудования от повреждений для надежной и стабильной работы энергосистем.
Ийаив
*і
31 и *1 Й
1 I* Я
428003, Чувашская Республика,
г. Чебоксары, пр. И. Яковлева, 3 Тел./факс: (3352) 220-110 (многоканальный),
204-361, 399-929, 610-035
Е-таіІ: [email protected], www.ekra.nt
НПП «ЭКРА» является предприятием полного цикла и осуществляет:
- РАЗРАБОТКУ. ПРОИЗВОДСТВО И КОМПЛЕКСНУЮ ПОСТАВКУ ОБОРУДОВАНИЯ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
- НАЛАДКУ, ГАРАНТИЙНОЕ И ПОСТГАРАНТИЙНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ
- ОБУЧЕНИЕ ПЕРСОНАЛА
