Характер разрушения основных деталей оборудования (анализ причин) - Электроцентробежный насос

Аварии установок погружных центробежных насосов для добычи нефти, так называемые отказы (расчленения самопроизвольные) или "полеты", проблема последних десятилетий, но до сих пор она кардинально не решена. Ущерб от отказов настолько велик, что любые попытки решения проблемы оправданны. За год по всем регионам происходит более тысячи "полетов", и при средней величине ущерба за один случай более 500 тыс. рублей, общие потери составляют более 500 млн. руб. в год. И не смотря на то, что уже накоплен определенный опыт борьбы с отказами, все еще продолжаются споры о причинах и мерах по устранению аварий. Причины "полетов" в настоящее время полностью не изучены, но имеющиеся эксплуатационные данные позволяют считать, что они в основном связаны с вибрацией. [10]

Источниками вибрации являются:

    1) уровень вибрации, который уже заложен в конструкции 6,5 мм/с; 2) дополнительные уровни вибрации, возникающие после ремонта и монтажа УЭЦН; 3) основные источники вибрации, возникающие при эксплуатации, которые приводят к критическому уровню вибрации - износ рабочих органов, кривизна скважин, неправильный подбор и т. д.

Места, где происходит обрыв УЭЦН:

    - модуль-головка или ловильная головка - верхняя секция ЭЦН, - соединение между ПЭД и компенсатором, - по корпусу ЭЦН, - по корпусным деталям протектора, - по резьбовой части НКТ, - по резьбе обратного клапана, - фланцевые соединения.

Опытом эксплуатации УЭЦН установлена взаимосвязь между распределением уровней вибрации и наработками на отказ погружных агрегатов.

Общая точка зрения заключается в том, что отказ наступает в результате усиленной вибрации и пульсации давления изношенного насоса, которые приводят к разрушению крепежных элементов и других слабых мест в насосной установке. Прочность и износостойкость элементов конструкции являются важнейшими показателями функционирования и ресурса установки. Рентгеноструктурный анализ, фрактографические и другие виды исследования изношенных поверхностей деталей позволяют утверждать, что в центробежных насосах встречаются практически все виды механизмов изнашивания: абразивное, адгезионное, эрозионное, усталостное, коррозионное. Влияние загрязненности жидкости абразивными частицами на МРП доказано опытом эксплуатации УЭЦН. Тип, размер и форма абразива влияют на характер и интенсивность изнашивания материалов электропогружных установок. Абразивы засоряют ЭЦН. Исследования в области изменения уровня мех. примесей показали, что интенсивность выноса имеет резкие "пики" (уровень КВЧ увеличивается в несколько раз) при изменении параметров - при запусках УЭТЩ или увеличениях частоты в процессе работы, но значительно снижается при стабильной долговременной работе системы. Попадание пропахивания в зазор радиальной пары трения приводит к резкому увеличению момента трения вследствие "пропахивании" частицами рабочих поверхностей и при развитии процесса - к заклиниванию. Заклинивание рабочих колес может приводить к перекосу вала и к преждевременному его слому. Центробежный насос начинает испытывать вибрационные нагрузки, которые вызывают маятниковый эффект и в конечном итоге приводит к отвороту шлицевых муфт и отрыву фланцевого соединения между насосом и погружным двигателем. [8]

Механизм абразивного изнашивания, заключающийся во внедрении в мягкий материал твердых частиц и абразивном воздействии на более мягкую деталь, характерен для пар трения типа резина-сталь, латунь-чугун и т. д. Недостаточная износостойкость опор скольжения и торцевых утоплений приводит к увеличению зазоров и, как следствие, перетоку жидкости в рабочих ступенях, увеличению дисбалансов вращающихся масс, которые увеличивают амплитуды хшлебаний корпуса насоса и НКТ. Механизм взаимодействия абразивных частиц с поверхностями ірения меняется по мере увеличения зазоров. По мере увеличения зазоров возрастает интенсивность изнашивания, увеличивается эксцентриситет из-за уменьшения центрирующей силы и увеличения силы смещения вследствие увеличения центробежной силы, действующей на ротор при несовпадении центра тяжести и оси вращения, и возникновения несимметрии эпюр давления, действующих на наружную поверхность рабочего колеса. Наличие зазоров во фланцевых соединениях при ослаблении затяжки болтов ведет к возникновению ударных сил, разрушающих насосную установку.

Проблема абразивного изнашивания обостряется по следующим причинам: глубина скважин имеет тенденцию к увеличению, а скорости вращения привода насосов к возрастанию. Абразивный и адгезионный виды изнашивания наиболее часто встречаются в малодебитных насосах.

Фрактографические исследования крепежа и фланцев, разрушенных в процессе эксплуатации, указывают на усталостный характер их разрушения, которое происходит при действии на конструкцию сил с переменной во времени амплитудой.

Изнашивание радиальных опор (концевые подшипники, защитная втулка, направляющий аппарат) приводит к возникновению динамических нагрузок в корпусных деталях и НКХ возникновению поперечных колебаний, которые могут вызвать отказ установки по критерию усталостной прочности. Усталостное разрушение резьбовых деталей, фланцев, корпусов и т. д. - результат действия многоцикловых переменных нагрузок, источником которых являются различные процессы в насосе. В настоящее время не существует удовлетворительной системы идентификации отказа по критерию усталостной прочности, анализа его возможных причин в ЦБПО при расследовании аварий.

Причина разрушения деталей ЭЦН в процессе эксплуатации связана также с коррозионным поражением металла. Одной из существенных причин быстрого изнашивания трущихся поверхностей является образование ржавчины на этик поверхностях, когда скважина сильно обводнена. Чугун, из которого изготовлены рабочие колеса и направляющие аппараты, на поверхностях трения окисляется и обе контактирующие поверхности интенсивно изнашиваются, т. к. твердость окислов железа превосходит твердость этих поверхностей существенно. Повышение обводненности и минерализации добываемой жидкости, ее бактериальное поражение являются объективной причиной ускоренной коррозии оборудования. Процесс коррозионного разрушения происходит поэтапно: 1-ый этап - сульфидная коррозия, 2 ой этап - отслоение продуктов коррозии, 3-ий этап - механический износ за счет взаимодействия поверхности деталей с частицами песка, 4-ый этап - наводороживание металла в процессе которого происходит образование трещин СКРН и выкрашивание отдельных фрагментов металла.

Одной из наиболее опасных форм коррозии является сульфидно - коррозионное растрескивание под напряжением (СКРН), а наиболее распространенный механизм - электрохимическое растворение, Исследования, выполненные в ОАО "ВНИИТНефть", показали, что в подавляющем большинстве случаев первопричиной разрушения пар "опора-колесо-втулка" является хрупкое (из-за наводороживания) разрушение поверхностных слоев деталей и уже последующий гидроабразивный износ продуктами коррозии, попадающими в зону трения.

Механизм разрушения фреттинг - коррозии возможен при контактном взаимодействии поверхностей отверстия рабочего колеса и вала. Физической основой возникновения фреттинг - коррозии являются характер движения колеса, определяемый дисбалансом, и существование колебаний колеса относительно вала с малой амплитудой.

Похожие статьи




Характер разрушения основных деталей оборудования (анализ причин) - Электроцентробежный насос

Предыдущая | Следующая