|
|
 |
|
|
|
Компьютерные и нанотехнологии в нефтяном насосостроении |
|
|
|
|
|
- Лукин А.В. - ОАО «АЛНАС»
Смирнов Н.Н. - ООО «ИМАШ ресурс»
Смирнов Н.И. - ИМАШ РАН им.А.А.Благонравова
- Существует, по крайней мере, две причины для применения методов компьютерного моделирования в проектировании и модернизации установок электропогружных центробежных насосов (УЭЦН). Во-первых, необходимо лучше понимать физическую природу отказов и основные процессы в насосе, экономя тем самым на «издержках» накопления опыта. И, во-вторых, чтобы находиться на современном уровне развития инженерного дела. Внезапное разрушение корпусных деталей насоса, насосно-компрессорных труб (НКТ) и падение установки на забой («полет») долгие годы было головной болью нефтяников. Решение этой проблемы заключалось в применении отдельных технических решений, зачастую малоэффективных, без серьезного изучения причин отказов.
Предлагается системный подход к повышению надежности УЭЦН, который предполагает три основных этапа исследования: формирование физической модели отказа на основе статистических данных об эксплуатации оборудования; математическое моделирование условий наступления отказа; выявление «слабых» узлов и деталей; разработка и промышленное применение ресурсных технологий. Впервые разработана математическая модель динамики УЭЦН с учетом износа пар трения в пакете MSC/NASTRAN, которая позволяет рассчитывать напряженно-деформированное состояние (НДС) узлов, деталей, исследовать изменение износа во времени, определять динамические характеристики.
Расчет динамического поведения УЭЦН – достаточно сложная нелинейная задача, многие параметры которой задаются с большой неопределенностью (контактные жесткости, абразивные свойства мехпримесей и т.д.). Точность расчетов обеспечивается помимо прочего проведением модельных опытов на стендах. При испытаниях пар трения рабочих ступеней из различных материалов и в различных средах определяли коэффициенты демпфирования, износостойкости, трения и т.п., которые затем использовали в расчетах. Область моделирования включает в себя всю установку и участок НКТ длиной 17м, причем наиболее подробно моделируются секции насоса.
Динамический анализ УЭЦН показывает, что в диапазоне 10..13 Гц имеется 10..11 собственных частот колебаний. Характер движения вала с рабочими колесами в этом случае – асинхронная прецессия, а износ втулок защитных вала (ВЗВ) и направляющего аппарата – равномерный по окружности. В области частот 50Гц возникает синхронная прецессия, обусловленная максимальным влиянием дисбалансов и малым уровнем демпфирования, а ВЗВ изнашиваются неравномерно.
Математическая модель позволяет исследовать влияние распределения дисбаланса рабочих колес, условий контакта корпуса УЭЦН и обсадной трубы, ее кривизны, свойств пластовой жидкости, других факторов на НДС.
При исследовании НДС узлов УЭЦН можно прогнозировать вероятность наступления отказа по критерию прочности («полет»). Доказано, что это обусловлено неблагоприятным сочетанием ряда факторов. Наиболее значимыми из них являются: распределение дисбалансов рабочих колес в процессе работы, износостойкость пар трения, качество сборки (усилие затяжки и др.) и спускоподъемных операций (скорость спуска и подъема), кривизна скважины, коррозионные свойства пластовой жидкости. Полученные расчетным путем напряжения в корпусе насоса, рис.1, от действия внешних нагрузок и усталостные испытания крепежных и концевых деталей позволили назначить ресурсные требования к изготовлению последних и предложить методику входного контроля, которые являются де-факто стандартом при изготовлении ресурсных деталей УЭЦН. Ресурсный крепеж, разработанный в ООО «ИМАШ ресурс» с использованием результатов математического моделирования, позволил исключить разрушения по фланцево-болтовым соединениям УЭЦН.
Моделирование изнашивания насоса позволяет получить кинетику износа пар трения, рис.2, который влияет на динамику. В свою очередь динамические нагрузки могут влиять на интенсивность изнашивания, особенно хрупких керамических материалов. Использование этих результатов актуально при определении оптимального расположения промежуточных подшипников, и анализе различных схем компоновки насоса. Разработанные в ОАО «АЛНАС» стенды и методики позволяют определять трибологические характеристики подшипников, рабочих ступеней в условиях опытов, близких к реальным. Их можно рекомендовать в качестве основы сертификационных испытаний на трение и износ. На основе требований к износостойкости пар трения в ОАО «АЛНАС» разработаны материалы для замены цериево-бористого чугуна и серийного нирезиста. Износостойкость модифицированного нирезиста, полученная в результате испытаний в абразиво-содержащих средах, табл.1, значительно превышает значения серийных материалов.
Перспективным направлением повышения износостойкости пар трения УЭЦН является применение нанотехнологий. Разработан твердый сплав ВК8нано, модифицированный нанодобавками, который превосходит по износостойкости ВК8 в два-три раза, рис.3. Применение ВК8нано перспективно в качестве материала промежуточных подшипников, уплотнений при эксплуатации скважин с выбросами газа, проппанта.
|
|
|
|
|
|
|