image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 11 2016

Насосы. Компрессоры

01.11.2016 10:00 К вопросу о выборе материала ступеней электроцентробежного насоса для осложненных условий эксплуатации
Вопрос износостойкости скважинного насосного оборудования весьма актуален. Например, в ООО «РН-Пурнефтегаз» 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 штампосварные 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 бльшие 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.
Ссылка для цитирования: 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.
Открыть PDF


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 нирезиста 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 скважинных насосных установок кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени (НИУ) И.М. Губкина были проведены соответствующие исследования.

Испытаниям были подвергнуты ступени, выполненные из нирезиста (по технологии литья в землю) (рис. 2) и из нержавеющей стали (штампосварная 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 совпадают 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.

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 бльшие 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.

 

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

Cast iron

РК

171,3

168,8

2,5

1,46

0,210

НА

281,4

278,7

2,7

0,96

0,225

Сталь

Steel

РК

106,3

105,2

1,1

1,03

0,091

НА

256,9

255,6

1,3

0,51

0,108

 



← Назад к списку


im - научные статьи.