Пакет асиметричних шевронних манжет, що самоущільнюється.
Власники патенту UA 2607935:
Винахід відноситься до пакету асиметричних шевронних манжет, що самоущільнюється, служить для установки в гирлові сальники для герметизації полірованого штока, що рухається, з метою попередження розливів нафти, забруднення навколишнього середовища і запобігання частим зупинкам процесу видобутку нафти. ів. Пакет складається з не менше двох асиметричних манжет, встановлених в корпус гирлового сальника, опорної і натискної втулки, що володіють самоущільнюючим ефектом з мінімальною силою тертя в області контакту ущільнюючих кромок асиметричних манжет з поверхнею полірованого штока. , З багаторазовим збільшенням терміну служби ущільнень без заміни, збільшенням терміну служби полірованих штоків, скороченням витрати електроенергії для приводу верстатів-качалок. 2 іл.
Винахід «Самоущільняющийся пакет асиметричних шевронних манжет» відноситься до ущільнювальної техніки і може бути використане для ущільнення довгих (понад 2,000 мм) полірованих штоків, що рухаються з великою осьовою швидкістю (від 0,3 до 3 м/с), зокрема, для установки в сальники при видобутку нафти за допомогою глибинних штангових насосів (ШГН).
Однією з головних причин зупинки безперервного процесу видобутку нафти за допомогою штангових глибинних насосів є передчасний вихід з ладу змінних ущільнень через підвищену сили тертя в зоні контакту ущільнень з поверхнею полірованого штока і втрата герметичності гирлового сальника, що призводить до розливу. довкілля. Підвищена сила тертя виникає черезнеконтрольованого зусилля стиснення пакета ущільнень в осьовому напрямку, в результаті робота сили тертя перетворюється в тепло, температура в зоні контакту кромок ущільнюючих манжет з поверхнею штока підвищується, що призводить до перегріву ущільнень і передчасного виходу з ладу, особливо в період «сухого тертя рідини в гирловому сальнику.
Відомо гумово-тканинне багаторядне шевронне ущільнення, що застосовується для установки в гирлові сальники, що складається з шевронних манжет, опорного і натискного кілець за ГОСТ 22704-77, обране в якості прототипу.
Недоліком даного пристрою є неможливість забезпечення герметичності в області контакту кромок ущільнювачів з великим неконтроль. зростання величини сили тертя в сальниковому вузлі, передчасного виходу з ладу ущільнень, передчасного зносу поверхні дорогого полірованого штока, підвищеної витрати електроенергії під час роботи верстата-качалки. Натискну гайку гирлового сальника (див. Бухаленко Є.І., Абдуллаєв Ю.Г. «Монтаж, обслуговування, ремонт нафтопромислового обладнання». М.: «Надра», 1985, с.42-45) оператори видобутку нафти затягують з допомогою коміра з крутним моментом М=20÷30 кг⋅м, в цьому випадку зусилля F=М/t€, де € - кут підйому витків різьблення, для різьблення М76х3, що використовується в гирлових сальниках в натискній гайці кут підйому витків дорівнює 2° 15'', t€=0,03947, зусилля F=30/0,03947=760 кг, шевронні манжети такою силою розчавлюються, притискаючись до поверхні штока, та створюють високу силу тертя. До недоліків конструкції манжети відноситьсясиметричність внутрішнього і зовнішнього плеча манжети в перерізі Фіг.1, так як при осьовому стисканні пакета шевронних манжет по ГОСТ 22704-77 відбувається змикання поверхонь внутрішніх і зовнішніх плечей сусідніх манжет, чим обмежується подальше підтискання внутрішніх плеч манжет до штока. .
Винахід спрямовано забезпечення герметичності в області контакту ущільнюючих кромок шевронних манжет з поверхнею полірованого штока в поєднанні з мінімальною силою тертя за рахунок самоущільнюючого ефекту асиметричних шевронних манжет, що взаємодіють між собою.
Технічний результат досягається тим, що контактуючі між собою нижня і верхня манжети мають різні кути нахилу поверхонь, які впливають один на одного в осьовому напрямку і плечі манжети (внутрішнє та зовнішнє) асиметричні.
Винахід пояснюється кресленнями.
Фіг.1 - переріз багаторядного шевронного ущільнення згідно з ГОСТ 22704-77.
Фіг.2 - переріз пакету, що самоущільнюється, асиметричних шевронних манжет.
Пакет асиметричних шевронних манжет, що самоущільнюється, встановлюється з натягом в корпус (поз.1) Фіг.2, спирається на опорну втулку (поз.3) і складається мінімум з двох манжет (на Фіг.2 показаний пакет з трьох манжет), зверху пакета є натискна втулка (поз.4). Максимальна кількість манжет не обмежена, але для робочої камери гирлового сальника достатньо восьми манжет, цей висновок було отримано дослідним шляхом у результаті дослідно-промислових випробувань на нафтових свердловинах, обладнаних штанговими глибинними насосами на підприємствах: ВАТ «Лукойл», ВАТ «Роснефть», ВАТ "Татнафта", ВАТ "Сургутнафтогаз", ТОВ "Українінафта".
Асиметричні манжети мають такі параметри:
1. Кут площини внутрішньогоплеча нижньої манжети β менше кута площини внутрішнього плеча верхньої манжети α, тому при впливі нижньої манжети на верхню в точці Фіг.2 відбувається підтиснення кромки внутрішнього плеча верхньої манжети до поверхні штока (поз.2). Зокрема, для цього типорозміру асиметричних шевронних манжет оптимальним співвідношенням є: =55°, =45°.
2. Кут площини зовнішнього плеча манжети у верхній частині γ=65°, тому при стисканні пакета зовнішні плечі манжети не стикаються і ніщо не перешкоджає впливу нижньої манжети на верхню точці До протягом тривалого часу роботи пакета.
Самоущільнюючий ефект виникає у пакеті асиметричних шевронних манжет в такий спосіб.
При незначному підтисканні пакета (Фіг.2) зусиллям F min=2÷3 кг натискної гайки (не показана) від зусилля руки (без використання комірів) нижня манжета, спираючись своїми плечима на опорну втулку (поз.3,) підтискається до поверхні штока (поз.2), в зоні контакту Т виникає сила тертя, що захоплює при русі штока нижню манжету, яка впливає в точці До на внутрішнє плече верхньої манжети, миттєво зрушує всі верхні манжети і кожна верхня манжета, впливаючи на точку К, наступної верхньої манжети до поверхні штока. Призначення верхньої натискної втулки (поз.4) - обмежити переміщення пакета манжет слідом за штоком, що рухається.
Так як герметичність в області контакту кромок внутрішнього плеча ущільнюючих асиметричних шевронних манжет з поверхнею штока настає без необхідності осьового стиснення пакета манжет з великою силою, а тільки за рахунок сили тертя матеріалу манжети про поверхню полірованого штока, то в даному випадку сила тертя мінімальна і визначається коефіцієнтом тертя, зокремакоефіцієнтом тертя поліуретану по полірованій сталі, що є одним із найнижчих серед матеріалів, що застосовуються для виготовлення манжетів шевронів. Досвідчено-промислові випробування протягом 150 діб показали, що герметичність при тиску свердловинної рідини 1÷2 МПа забезпечується при вільно натискній гайці гирла сальника, що обертається (не затиснутою) тільки за рахунок самоущільнення пакета асиметричних шевронних манжет. Нагрівання поверхні штока не спостерігається навіть при сухому терті (при відсутності свердловинної рідини на гирлі свердловини), що свідчить про мінімальну силу тертя в області контакту кромок ущільнювачів манжет з поверхнею штока.
Між зовнішніми плечима нижньої та верхньої манжети за рахунок різниці кутів утворюються кільцеві порожнини А, що заповнюються при складанні пакета рідким мастилом, яке служить для змащування поверхонь манжет для кращого ковзання по поверхнях, що контактують.
Пакет асиметричних шевронних манжет, що самоущільнюється, складається щонайменше з двох манжет, встановлених в корпус з натягом, опорної і натискної втулки, що відрізняється тим, що через асиметрію внутрішнього і зовнішнього плечей манжет зовнішні плечі манжет не стикаються, манжет один на одного, що призводить до виникнення самоущільнюючого ефекту за рахунок різниці кутів поверхонь внутрішніх плеч, що контактують між собою, манжет і герметизації рухомого полірованого штока з мінімальною силою тертя без необхідності осьового стиснення пакета з великою силою.