Различные конструкции для снижения вибрации установки электроцентробежного насоса

В статье было рассмотрено воздействие вибрация на работу УЭЦН и причины ее возникновения. Так же были рассмотрены известные исследования, описывающие повышение уровня вибрации и предложены различные конструкции для снижения виброактивности УЭЦ, например, различные гасители вибрации и выявлены их основные недостатки. Усталость возникает из-за повторяющихся нагрузок, при этом силы, вызывающие усталостные разрушения, гораздо менее значительны, чем те, которые привели бы к пластическим деформациям и из-за воздействия усталостного излома в большей части страдают шлицевые соединения вала из-за наличия большого количества концентраторов разрушения в зоне их соединения вследствие уменьшения площади вала примерно в 2 раза. Каждый из этих методов и конструкций может быть применим в различных ситуациях в зависимости от особенностей конкретной скважины и условий эксплуатации. Определение наиболее подходящего подхода требует профессионального анализа и консультации с инженерами и специалистами в данной области.

Аннотация статьи
вибрация УЭЦН
вибрация ПЭЦН
снижение вибрации УЭЦН
динамические нагрузки УЭЦН
вибрация скважинного оборудования
снижение вибрации скважинного оборудования
слом вала
усталостное разрушение вала
виброгаситель
компенсатор для снижения вибрации
протектор погружного электродвигателя
Ключевые слова

Снижение вибрации установки электроцентробежного насоса является важной задачей для обеспечения эффективной работы насоса. Вибрация УЭЦН может привести к повреждению насоса, ухудшению качества добычи нефти и возникновению аварийных ситуаций. При повышенной вибрации происходит увеличение риска усталостного разрушения, так как вибрация является источником повторно-переменных нагрузок. Факторы, такие как добавление модульной секции в компоновку насоса, содержание механических примесей, обводненность и уровень спуска ЭЦН, могут повышать уровень вибрации.

Основные элементы, подверженные повышенной вибрации, включают вал, рабочие ступени насоса, опорные элементы, подшипники и шлицевые соединения секций насоса.

Чтобы решить эту проблему, существует несколько конструкций, которые могут помочь снизить вибрацию при эксплуатации УЭЦН. В данной статье рассматриваются некоторые из них. В работе [1] были классифицированы основные виды сломов валов и их причины. Особое внимание уделено влиянию крутильных колебаний электрических центробежных насосов на усталостные повреждения. Были представлены результаты испытаний валов на статическую кручение и усталость. На основе полученных данных был предложен ряд мероприятий для уменьшения вероятности слома вала в процессе запуска и эксплуатации электрических центробежных насосов.

Данная проблема так же поднимается в работе [2] был проведен анализ отказов месторождений Западной Сибири, что помогло выявить, что 44% всех сломов присущи пластическому типу, а 56% – связаны с усталостью валов. Проведенный анализ изломов валов показал, что наиболее распространенной причиной усталостных разрушений являются повреждения в области шлицев на муфтовых соединениях. В статье содержатся данные о наработке до отказа электрических центробежных насосов, раннем выходе из строя УЭЦН вследствие усталостного разрушения вала. Из этих данных следует, что среднее время до отказа из-за усталостного разрушения вала составляет 74 суток, при этом более половины УЭЦН (53%) перестают работать уже через 40 суток. Высокое содержание абразивных частиц в продукции скважины вызывает ускоренный виброабразивный износ радиальных сопряжений рабочих органов, как следствие, усталостным поломкам вала. В работе [3] Описывается влияние вибрации на увеличение отказов типа «Полет УЭЦН» указаны основные места расчленения УЭЦН и приведена статистика данных мест. Также представлен вибрационный стенд воспроизводит и измеряет величину вибрации при разных скоростях вращения вибронагружающего устройства, различной величине дисбаланса, а также при разных углах наклона испытываемых элементов насоса и НК. Это позволяет оценить влияние вибрации на работу УЭЦН и принять меры для уменьшения ее воздействия. Таким образом, использование вибрационного стенда помогает не только повысить надежность оборудования, но и обеспечить его безопасную эксплуатацию. Кроме того, проведение тестирования на вибрационном стенде позволяет предотвратить возможные аварийные ситуации, связанные с вибрацией. В целом, использование вибрационного стенда является важным шагом для обеспечения качества и надежности производимого оборудования.

В статье [4] был проведен анализ работы установок электроцентробежных насосов, проанализированы факторы, влияющие на работу УЭЦН, включая динамичность работы насоса. В результате была предложена конструкция виброгасителя для уменьшения воздействия колебаний на УЭЦН. Данный узел предназначен для снижения растягивающих, сжимающих и крутильных колебаний, которые возникают в УЭЦН. Он осуществляет гашение сжимающих нагрузок с использованием упругих элементов, размещенных между верхним кулачком и корпусом. Крутильные колебания подавляются сжатием и разжатием резиновых элементов, установленных на выступах кулачков. Наконец, растягивающие колебания снижаются за счет амортизации сжимающих и крутильных колебаний, возникающих при работе глубоких скважинных электроцентробежных насосов. Этот узел выполняет важную функцию в системе, обеспечивая снижение нежелательных колебаний и увеличение стабильности работы УЭЦН. Он позволяет уменьшить воздействие различных нагрузок на насос и повысить его эффективность и долговечность. Это позволяет улучшить долговечность и надежность работы установок электроцентробежных насосов, а также снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций. Таким образом, использование вибрационного стенда и узла амортизации позволяет повысить эффективность и безопасность работы электроцентробежных насосов.

Известен компенсатор [5], в котором осуществляется гашение вибрации за счет наличия упругих элементов, которые поглощают энергию крутящего момента и предотвращают передачу момента на подъемную колонну НКТ.

Так же известен демпфирующий узел [6], который используется для гашения энергии удара. Это позволяет снизить вибрации и усталостные напряжения в крепежных элементах оборудования и фланцевых соединениях электроцентробежной насосной установки. Такое гашение позволяет крепежным элементам служить дольше, что повышает надежность крепления силового кабеля и снижает риск его повреждения.

Так же данными же авторами представлена модель протектора погружного электродвигателя [7]. Данный протектор, может использоваться для защиты электродвигателя центробежного насоса от механических повреждений во время спускоподъемных операций, а также для уменьшения уровня вибраций и колебаний при запуске электродвигателя электрического центробежного насоса и охлаждения его в процессе работы. Основное решение задачи заключается в том, что протектор погружного электродвигателя представляет собой полый цилиндр с присоединительной резьбой, расположенной по меньшей мере на одном из его концов.

Добавление дополнительных ступеней насоса уменьшает значение критических частот, попадающих в опасный диапазон. При этом так же происходит снижение напряжений, вызванных вибрационными нагрузками в отдельных случаях, что позволяет конструкции стать менее подверженной к ним и повысить запас прочности. Внедрение секций с количеством ступеней равных 86 и 90, позволяет увеличить запас прочности на 3,7 и 11,5 %.

Подбор оптимальных посадок показал, что посадки D9/f9, F10/h8 имеют значительно меньшие напряжения, вызванные вибрационными нагрузками по сравнению с рекомендованными из ГОСТ 1183-80 на 30-35 %.

Подбор оптимальной длины муфты шлицевого соединения позволяет значительно снизить напряжения вызванные вибрационными нагрузками рекомендованной посадки D9/e8 на 60-65 %. Таким образом важно подобрать необходимые оптимальные параметры шлицевого соединения, благодаря которым можно достичь снижение напряжений, вызванных вибрацией. В целом, использование дополнительных ступеней насоса, оптимальных посадок и длины шлицевого соединения позволяет создать более надежную и эффективную конструкцию, снизить воздействие вибрации и увеличить ее долговечность.

Однако ряд вопросов, связанных с понижением уровня вибрации, требует своего дальнейшего развития, на основе проделанного анализа технической и литературной проработки выявлены следующие проблемы:

  1. Существующие методы борьбы с повышенной вибрацией заключаются в использовании виброгасителей, которые имеют малую эффективность и высокую стоимость;
  2. Отсутствуют конструкционные методы борьбы с повышенной вибрацией;
  3. Отсутствуют методы борьбы повышенной вибрации в шлицевом соединении.

Важно отметить, что выбор конкретной конструкции для снижения вибрации установки электроцентробежного насоса зависит от условий эксплуатации, типа насоса и требований конкретной скважины.

Текст статьи
  1. Смирнов Н.И. О причинах сломов валов УЭЦН / Н.И. Смирнов, Н.Н. Смирнов, С.Ф. Горланов // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса, 2012. – Текст: электронный. – URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=17832594.
  2. Деговцов А.В. Анализ причин усталостных сломов валов электроприводных центробежных насосов / А.В.Деговцов, В.Н. Ивановский, С.В. Кривенков, И.В. Кузнецов, Лавриненко А.А., А.Р. Мухаметшин, А.А. Сабиров // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса, 2018. – Текст: электронный. – URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=32829328
  3. Канев П.И. Создание эксперементального стенда для исследования вибрации электроцентробежных насосов для добычи нефти // Севергеоэкотех, 2016. – Текст: электронный. – URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=30600237
  4. Габрахимов М.С. Динамические нагрузки скважинного оборудования и виброзащита УЭЦН / Габрахимов М.С., Фахриева К.Р. // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса, 2013. – Текст: электронный. – URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=20378211
  5. Патент № 2681563 Российская Федерация, МПК F04D 13/10(2006.01), Компенсатор для снижения вибрации в установке электроцентробежного насоса: № 2018107500: заявл. 02.28.2018: опубликовано 11.03.2019 / К.Р. Уразаков, Е.Б. Думлер, Р.И. Вахитова, В.А. Молчанова (РФ). – Текст: электронный. – URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2681563C1_20190311 (дата обращения: 20.10.2023).
  6. Патент № 129545 Российская Федерация, МПК E21B 17/00(2006.01), Демпфирующий узел: № 2012141496/03: заявл. 28.09.2012: опубликовано 27.06.2013 / Д.С. Ищеряков, С.Ф. Ищеряков, М.Н. Парфенов. (РФ). – Текст: электронный. – URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU129545U1_20130627 (дата обращения: 24.10.2023).
  7. Патент №2504639 Российская Федерация, МПК E21B 17/10(2006.01), Протектор погружного электродвигателя: № 2012141500/03: заявл. 28.09.2012: опубликовано 20.01.2014 / Рыженков В.А., Волков A.B., Парыгин А.Г., Хованов Т.П. (РФ). – Текст: электронный. – URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2504639C1_20140120 (дата обращения: 2.11.2023)
Список литературы