книги / Поршневые буровые насосы

двойных ходов поршня в 1 мин (вторая цифра): 4 — 190 мм, 60; 5 — 140 мм, 70 (бесштоковая камера); 6 — 140 мм, 30; 7 — 140мм,

70(штоковая камера).

При чрезмерно большой высоте всасывания, нарушениях не­

разрывности потока во всасывающей системе происходят нару­ шения в движении клапана (рис. 54, в). Здесь А — область не­

ного клапана не происходит благодаря тому, что он пропускает жидкость под высоким давлением, при котором сжатый газ не занимает значительного объема (до 1%), не выделяется из рас­ твора. Выделение паров или расширение и выделение из промы­ вочного раствора газа могут вызывать также шум во всасывающем клапане.

На начальном участке кривой подъем клапана происходит с наибольшей скоростью, вызванной тем, что клапан начинает подниматься не в тот момент, когда поршень находится в мерт­ вой точке, а существенно позднее, когда скорость поршня приобретает значительную величину. Видно, что высота подъема нагнетательного клапана больше, чем всасывающего, импульс, вы­ зывающий подъем которого, слабее.

Естественно, что рассмотренные нарушения в работе клапанов изложенными теоретическими выводами не учитываются. Поэтому перед освоением промышленного производства нового насоса производят подробное экспериментальное исследование действия его клапанов.

Виды клапанов и их классификация

Самодействующий клапан с пружинной нагрузкой должен быть легким, чтобы точнее следовать движению жидкости, отры­ ваться от седла, подниматься над седлом и опускаться на него так, как это продиктовано состоянием потока жидкости в соот­ ветствующий момент.

Легкий клапан — хороший расходомер, с достаточной точ­ ностью показывающий величиной своего подъема скорость жидко­ сти в седле клапана или величину подачи жидкости из насосной камеры.

Относительно тяжелый клапан не точно повторяет изменения •скорости потока, нарушается необходимое соответствие между движением жидкости в седле клапана и движением тарелки, что приводит к нарушениям нормальной игры клапанов.

Механически приводимые в движение клапаны не получили распространения, так как сама жидкость наилучшим образом

управляет клапаном в соответствии с режимом работы насоса. Небольшие нарушения этого соответствия вызывают поломки ме­ ханизмов, приводящих в действие клапаны.

Одной из причин, требующих применения пружины для созда­ ния нагрузки на клапан, является необходимость деформироватьэластичное уплотнительное кольцо, выступающее в свободном: состоянии над металлической поверхностью посадочного пояска, и закрыть полностью клапан прежде, чем в насосной камере воз­ никнет давление нагнетания.

Сила пружины, составляющая, например у насоса У8-4, около* 55 кгс, почти в 10 паз больше веса клапана.

Собственный вес тарелки клапана, с учетом выталкивающей архимедовой силы, недостаточен, чтобы уничтожить зазор, который остается между посадочным пояском тарелки и седла, когда тарелка зависает на уплотнении, опираясь на резину и не дости­ гая седла своим металлическим посадочным пояском. При этом, клапан приподнят на 0,5—1,5 мм и нарастающее давление жидко­ сти прихлопывает клапан, ударяющийся о седло. Тарелка, поса­ женная пружиной до упора в седло, не стучит в следующий период повышения давления, окончательно прижимающего та-» релку к седлу.

Исследования при помощи киносъемки через прозрачное окно в стенке насосной камеры показало, что клапан, лишенный пру­ жинной нагрузки, несколько раз подпрыгивает над седлом перед окончательным закрытием. В результате возникающего запазды­ вания посадки клапана часть жидкости из насосной камеры теряется, перетекая во всасывающий коллектор. Окончательна клапан закрывается при отрицательном перепаде давления, уско­ рении его движения и значительной скорости движения поршня. Поэтому без пружинной нагрузки применять клапаны нецелесо­ образно.

Клапанный узел (рис. 55, а) состоит из тарелки 2, седла 1 и пружины 3.

Клапаны поршневых буровых насосов можно классифицировать, по следующим признакам:

1. По типу направляющих устройств: а) клапаны с верхним направляющим штоком и нижней направляющей крестовиной (рис. 55, а); б) клапаны с верхним и нижним направляющими штоками (рис. 55, б — г). Клапаны с одним верхним или нижним направляющим устройством в крупных насосах не применяются

б) клапаны с уплотнительным кольцом, закрепленным на седле (рис. 55, г).

3. По типу оребрения седла: а) без ребер (рис. 55, а); б) с одно­ стоечным нижним направлением в седле (рис. 55, г); в) с ребрами

Рис. 55. Типичные конструкции клапанов.

Нижний направляющий шток чаще, чем крестовина, приме­ няется в современных насосах, так как точнее центрирует тарелку в седле вследствие того, что зазор ôi меньше зазора Ô2. Кресто­ вина выполняется так, чтобы ее направляющие перья не дости-

неоднократно подтягивают при помощи длинного рычага, чтобы предупредить или устранить качку.

Подвижность крышки, нарушающая точность центровки кла­ пана, вызывая изнашивание уплотнения крышки и сопряженной поверхности корпуса клапанной коробки, нежелательна. Для фиксации винтового затвора крышки в затянутом положении при­ меняют, например, эксцентриковый стопор (рис. 56, а).

Более сложное, но надежное и удобное устройство у составной крышки с гидравлическим стопорением (рис. 56,6). Небольшим ручным насосом высокого давления нагнетают масло через гибкий шланг, штуцер и сверленые каналы в пространство £, после чего качка крышки прекращается.

Для извлечения седел применяют гидравлические съемники. Съемник прочно закрепляют на месте крышки клапанной коробки. При диаметре гнезда в клапанной коробке 200 мм усилие выпрессовки седла достигает 80—90 тс. Выпрессовка седла гидравли­ ческим страгиванием (см. рис. 6, в) требует давления подводимого масла 600 кгс/см2. Для этого применяется ручной насос, закреп­ ляемый в удобном месте п обслуживающим все приспособления для гидравлического стопорения, страгивания или запрессовки. Ручной насос соединяют с соответствующим штуцером при помощи шбкого шланга, имеющего диаметр прохода до 5 мм. Седло срывается со звуком выстрела и может вылететь из клапанной коробки, если ее отверстие не закрыто крышкой или корпусом съемника.

Изнашивание клапанов

Износ клапанов обнаруживается на следующих участках: 1) направляющих поверхностях; 2) опорных посадочных поверх­ ностях; 3) в уплотнительных устройствах.

Направляющие клапана изнашиваются в результате игры кла­ пана во время работы насоса. Перемещение тарелки вверх и вниз на высоту подъема в среде абразивосодержащего промывоч­ ного раствора вызывает уменьшение диаметра направляющих

виной). Иногда можно наблюдать на внутренней поверхности седла прямолинейные углубления, направленные вдоль образую­ щей и совпадающие с положением перьев крестовины при отсут­ ствии вращения седла.

Часто наблюдается одностороннее изнашивание направляющих штоков и втулок в результате постоянного прижима тарелки в определенном направлении действующими на нее гидравлическими силами. Перекос тарелки в седле вызывает ее неточную посадку. Появляются щели на посадочной поверхности между тарелкой и седлом закрытого клапана. Ускоряется повреждение уплотнения,

выдавливаемого в образовавшийся зазор. Нарушение плотности закрытого клапана сопровождается гидроабразивной эрозией со­ пряженных поверхностей тарелки и седла закрытого клапана, быстрым его разрушением.

Изнашивание посадочных поверхностей тарелки и седла при нормальной работе клапана происходит в результате их контакта с абразивными зернами и, особенно, разрушения зерен абрази­ вов, попадающих между твердыми опорными поверхностями седла и тарелки при закрытии клапана. В момент раздробления зерен в металлических деталях в местах контакта с зерном возникают максимальные напряжения, значительно превышающие предельные удельные давления, принимаемые в расчет в предположении сплошного контакта сопряженных посадочных поверхностей, не­ возможного в условиях работы насоса на абразивосодержащем промывочном растворе. Многократное повторение циклов посадки тарелки на седло и слияние отдельных очагов разрушения вызы­ вают сплошное изнашивание поверхностных слоев металла. При этом нарушается относительное положение тарелки и седла, та­ релка опускается ниже, увеличивается деформация уплотнения, вызывающая усталостные повреждения резины и последующее нарушение плотности.

Уплотнительные устройства изнашиваются и от выдавливания резины в зазор между тарелкой и седлом или других видов взаимо­ действия резины с сопряженными деталями в абразивосодецжащей среде промывочного раствора. Резина разрушается от внед­ рения в нее зерен абразива, скопления их между уплотнением и деталью, на которой оно закреплено.

Процесс изнашивания клапана протекает в три стадии: при­ работки деталей, нормального и катастрофического изнашивания после нарушения плотности соединения.

В процессе приработки стираются следы механической обра­ ботки деталей и появляются новые поверхности, образованные

врезультате взаимодействия деталей в работе.

Впроцессе нормального изнашивания направляющих клапана, его посадочных поверхностей и уплотнения происходит постепенная подготовка к заключительной стадии изнашивания. Катастрофи­ ческое изнашивание начинается после того, как появляется не­ плотность закрытого клапана, превышающая допустимый предел.

Процесс гидроабразивной эрозии протекает весьма интенсивно из-за большого давления нагнетания буровых насосов и сильно выраженных абразивных свойств промывочного раствора, содер­ жащего зерна кварца и других горных пород и минералов, твер­ дость которых превышает твердость металла.

Наблюдается определенная общность характера изнашивания поршня и клапана.

Вформуле (49) технический ресурс поршня обусловлен пре­ дельным числом циклов нагружения поршневых колец Л^ц = 60я/, после которого износ резины и утечка нагнетаемой жидкости пре­

высят допустимую величину. Среда, в которой работают поршень и клапан — одна и та же промывочная жидкость.

Уплотняемый зазор, в который выдавливается поршневая ре­ зина, почти сохраняет свою величину при поступательном движе­ нии поршня вдоль оси цилиндра и изменении давления на поршневые кольца от всасывания до нагнетания. Между тарелкой и седлом закрытого клапана также всегда остается некоторый зазор.

В узле клапана при нагружении уплотнения давлением на­ гнетания частота приложения нагрузки, величина давления и скорость его нарастания совпадают с теми же показателями для цилиндро-поршневой пары, работающей в той же насосной камере.

Различие в условиях работы уплотнений клапана и поршня заключается в том, что после закрытия клапана тарелка прижата к седлу давлением нагнетания, а фланец сердечника поршня — нет. Зазор между тарелкой и седлом на посадочном пояске закры­ того клапана зависит от размеров раздробленных зерен, остаю­ щихся в промывочной жидкости после гидроциклонной очистки и попадающих на посадочную поверхность, от размеров образо­ вавшихся углублений в металле в месте контакта, а также от упругого прогиба круглой пластины, которую представляет собой тарелка. В результате изгиба тарелки под давлением жидкости увеличивается нагрузка на внутреннем контуре посадочного по­ яска, а на наружном контуре тарелка может приподняться над седлом. В остающийся зазор, величина которого несколько меньше, чем в цилиндро-поршневой паре, резина выдавливается меньше. Средний ресурс клапана поэтому, как показывают данные (см. рис. 2, а), собранные в. течение многих лет, в 2,75 раза больше, чем поршней, т. е. /к = х,{/п, где хк = /к//п=2,75.

На рис. 57 показана изношенная тарелка клапана. Видно, что посадочный поясок полностью сработался, одно из четырех перьев нижней направляющей крестовины и верхний направляющий шток отломаны. Кроме того, измерением установлено, что диск клапана прогнулся. Остаточная деформация в центре составляет 1,5 мм относительно краев диска.

Изнашивание посадочного пояска (рис. 57,6) характеризуется многочисленными очагами разрушения, возникшими в результате раздробления зерен абразива, и каналами, образовавшимися в результате гидроабразивной эрозии после повреждения уплотне­ ния, т. е. так же, как и в цилиндро-поршневой паре. Каналы по форме совпадают на сопряженных деталях.

Собранные данные о расходе запасных частей (см. рис. 2, а) относятся к клапанам, изготовленным из стали 50 по ГОСТ 1050—60, седлам из стали 40Х по ГОСТ 4543—61. Термическая обработка их посадочных и направляющих поверхностей произ­ водится на глубину 3,0—3,5 мм с нагревом токами высокой час­ тоты. Твердость поверхности HRC 48—52. Тарелки лучше изго-