CN105186792A - 高温潜油电机保护器 - Google Patents

Abstract

高温潜油电机保护器，属于高温油井举升技术领域。本发明包括壳体，在壳体内设置有保护器轴，保护器轴的下端通过平面轴承设置在壳体内，上端固定有甩沙器组件；在甩沙器组件下侧设置有保护器头，甩沙器组件上侧的腔体通过井液通孔与机械密封腔相连通，在保护器头上设置有安全阀；在保护器头与护轴管组件之间的壳体内设置有波纹管组件，波纹管组件内管与外管之间形成的夹层空间通过呼吸孔与机械密封腔相连通；护轴管设置在保护器轴的外侧，与保护器轴之间留有间隙，其一端与第一支撑体相连，另一端与保护器头的内孔滑配，在护轴管上端设置通油孔；在中间体上设置注油阀；在壳体的下端设置具有第二电机油孔的尾座，在尾座的下端安装有运输帽。

Description

高温潜油电机保护器

技术领域

本发明属于高温油井举升技术领域，特别是涉及一种能够有效解决高温水平井或斜井潜油电泵密封防护的高温潜油电机保护器。

背景技术

高温电机是高温电潜泵的关键部件之一。因为工作在井下，必须禁止井液进入高温电机。高温潜油电机保护器的功能主要是使电机腔体内外压力平衡，隔离井液与电机油，避免井液进入电机内部。另外，还承担泵轴的重量和泵轮工作时产生的轴向力，这些力是通过轴端接触传递到保护器中平面轴承上的。低温电潜泵保护器通常使用沉淀式保护器和胶囊式保护器。但是高温井多为水平井或斜井，井温高达200℃以上。沉淀式保护器不适用于水平放置或倾斜放置，而胶囊式保护器的弹性囊没有足够的抗拉强度和耐温性，因此这两种保护器都不适用于高温井。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高温潜油电机保护器，该保护器适用于高温直接水平或斜井的电机腔体，使电机腔体内外压力平衡，隔离井液与电机油，避免井液进入电机内部，加入护轴管组件和甩沙器组件延长了高温电机的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种高温潜油电机保护器，包括壳体，在壳体内设置有保护器轴，保护器轴的下端通过平面轴承设置在壳体内，上端固定有甩沙器组件，保护器轴的中部通过护轴管组件设置在壳体内；在甩沙器组件下侧的壳体内设置具有第一斜孔和第二斜孔的保护器头，所述甩沙器组件与保护器头之间形成具有机械密封的机械密封腔，甩沙器组件上侧的腔体通过设置在甩沙器组件内的井液通孔与机械密封腔相连通，在保护器头上设置有安全阀，所述安全阀的内侧与保护器腔相连通；在保护器头内的保护器轴上由上至下依次固定有轴套和甩油帽，机械密封与轴套之间的保护器腔通过第一斜孔与保护器头下侧的保护器腔相连通，轴套与甩油帽之间的保护器腔通过第二斜孔与保护器头下侧的保护器腔相连通；在保护器头与护轴管组件之间的壳体内设置有波纹管组件，所述波纹管组件由内管和外管组成，内管与外管之间形成的夹层空间通过呼吸孔与机械密封腔相连通；所述护轴管组件由第一支撑体和护轴管组成，第一支撑体固定在壳体内，在第一支撑体内设置有第一外衬套，所述第一外衬套与设置在保护器轴上的第一内衬套组成一对摩擦副；所述护轴管设置在保护器轴的外侧，与保护器轴之间留有间隙，其一端与第一支撑体相连接，另一端与保护器头的内孔滑动配合，在护轴管与保护器头的内孔之间设置有O型密封圈，在护轴管的上端设置有通油孔，所述通油孔与保护器腔相连通；在护轴管组件下侧的壳体内设置具有第三斜孔的中间体，中间体两侧的腔体通过第三斜孔相连通，在第一支撑体内设置有第一电机油孔，护轴管组件与中间体之间的腔体通过第一电机油孔同护轴管与保护器轴之间的间隙相连通；在中间体上设置有注油阀，所述注油阀的内侧与保护器腔相连通；在壳体的下端设置具有第二电机油孔的尾座，尾座两侧的腔体通过第二电机油孔相连通，在尾座的下端安装有运输帽。

所述波纹管组件由若干节组成，各节由波纹管头、导向环和波纹管底连成一体，各节的夹层空间相连通。

所述波纹管组件的材料为具有良好的抗腐蚀性能和耐高温性能的不锈钢膜片。

所述波纹管组件为双层结构。

所述甩沙器组件由第二支撑体和甩沙轮组成，第二支撑体固定在壳体内，甩沙轮固定在保护器轴上，在第二支撑体内设置有第二外衬套，所述第二外衬套与设置在保护器轴上的第二内衬套组成一对摩擦副。

所述甩沙器组件的第二外衬套和第二内衬套均由耐高温耐磨损的材料制成。

所述护轴管组件的第一外衬套和第一内衬套均由耐高温耐磨损的材料制成。

本发明的有益效果：

1、本发明的保护器腔与电机腔体互相连通，并用机械密封封闭起来，腔体上端设有一个安全阀，当腔体内部压力超过设定值时，安全阀开启，放出部分电机油，使腔内压力保持在设定值以下，以保证机组安全，因此机组可以在水平井或斜井中安全工作。

2、当电机油膨胀，本发明的波纹管被压缩时，夹层空间的井液从呼吸孔排出；收缩时波纹管被拉长，井液从呼吸孔进入夹层空间，从而使机组内外压力平衡。

3、护轴管组件可使保护器的工作寿命延长。在波纹管放松到自由长度状态以后，护轴管组件可使从机械密封摩擦副渗入的井液沉落到保护器腔底部。随着时间的推延，井液液面逐渐升高，直到升至护轴管上端的通油孔，保护器寿命结束。也就是说有了护轴管组件就可使动态平衡工作过程中的缓慢渗漏积累成保护器的工作寿命。如果没有护轴管组件，渗入的井液就进入电机腔内，使电机短路烧毁。

护轴管组件内的第一外衬套与装在保护器轴上的第一内衬套组成一对摩擦副，通过这对摩擦副的径向支撑，可使中间机械密封的动环径向跳动量减少，从而减少中间机械密封的泄漏量，延长了保护器的使用寿命。

4、甩沙器组件通过甩沙轮的离心力作用，把井液中的泥沙甩到第二支撑体外面，沉落在其周围，澄清的井液通过第二支撑体的井液通孔进入机械密封的外腔和波纹管组件的夹层空间中，从而使机械密封和波纹管组件不受泥沙损害。

5、本发明的甩沙器组件由第二支撑体和甩沙轮组成，第二支撑体固定在壳体内，甩沙轮固定在保护器轴上，在第二支撑体内设置有第二外衬套，所述第二外衬套与设置在保护器轴上的第二内衬套组成一对摩擦副，通过摩擦副的径向支撑，使机械密封的动环径向跳动量减少，从而减少机械密封的泄漏量，延长了保护器的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的高温潜油电机保护器的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图1的B-B剖视图；

图4为本发明的波纹管组件的结构示意图；

图5为本发明的护轴管组件的结构示意图；

图6为本发明的甩沙器组件的结构示意图；

图中：1-甩沙器组件，2-机械密封，3-安全阀，4-井液通孔，5-甩油帽，6-波纹管组件，7-保护器轴，8-护轴管组件，9-壳体，10-平面轴承，11-中间体，12-尾座，13-运输帽，14-机械密封腔，15-第一斜孔，16-第一电机油孔，17-通油孔，18-呼吸孔，19-注油阀，20-波纹管头，21-外管，22-内管，23-夹层空间，24-导向环，25-波纹管底，26-0型密封圈，27-护轴管，28-第一外衬套，29-第一内衬套，30-第一支撑体，31-甩沙轮，32-第二外衬套，33-第二内衬套，34-第二支撑体，35-保护器头，36-第三斜孔，37-第二电机油孔，38-轴套，39-第二斜孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～图6所示，一种高温潜油电机保护器，包括壳体9，在壳体9内设置有保护器轴7，保护器轴7的下端通过平面轴承10设置在壳体9内，上端固定有甩沙器组件1，保护器轴7的中部通过护轴管组件8设置在壳体9内；在甩沙器组件1下侧的壳体9内设置具有第一斜孔15和第二斜孔39的保护器头35，所述甩沙器组件1与保护器头35之间形成具有机械密封2的机械密封腔14，甩沙器组件1上侧的腔体通过设置在甩沙器组件1内的井液通孔4与机械密封腔14相连通，在保护器头35上设置有安全阀3，所述安全阀3的内侧与保护器腔相连通；在保护器头35内的保护器轴7上由上至下依次固定有轴套38和甩油帽5，机械密封2与轴套38之间的保护器腔通过第一斜孔15与保护器头35下侧的保护器腔相连通，轴套38与甩油帽5之间的保护器腔通过第二斜孔39与保护器头35下侧的保护器腔相连通；在保护器头35与护轴管组件8之间的壳体9内设置有波纹管组件6，所述波纹管组件6由内管22和外管21组成，内管22与外管21之间形成的夹层空间23通过呼吸孔18与机械密封腔14相连通；所述护轴管组件8由第一支撑体30和护轴管27组成，第一支撑体30固定在壳体9内，在第一支撑体30内设置有第一外衬套28，所述第一外衬套28与设置在保护器轴7上的第一内衬套29组成一对摩擦副，所述护轴管组件8的第一外衬套28和第一内衬套29均由耐高温耐磨损的材料制成，可延长保护器的使用寿命；所述护轴管27设置在保护器轴7的外侧，与保护器轴7之间留有间隙，其一端与第一支撑体30相连接，另一端与保护器头35的内孔滑动配合，在护轴管27与保护器头35的内孔之间设置有O型密封圈26，在护轴管27的上端设置有通油孔17，所述通油孔17与保护器腔相连通；在护轴管组件8下侧的壳体9内设置具有第三斜孔36的中间体11，中间体11两侧的腔体通过第三斜孔36相连通，在第一支撑体30内设置有第一电机油孔16，护轴管组件8与中间体11之间的腔体通过第一电机油孔16同护轴管27与保护器轴7之间的间隙相连通；在中间体11上设置有注油阀19，注油时卸下注油阀19的丝堵，接上油管，便可把电机油注入保护器腔和电机腔内。所述注油阀19的内侧与保护器腔相连通；在壳体9的下端设置具有第二电机油孔37的尾座12，尾座12两侧的腔体通过第二电机油孔37相连通，在尾座12的下端安装有运输帽13。

所述波纹管组件6由若干节组成，各节由波纹管头20、导向环24和波纹管底25连成一体，所述导向环24为中空结构，使各节的夹层空间23相连通。所述波纹管组件6为双层结构，其材料为具有良好的抗腐蚀性能和耐高温性能的不锈钢膜片。

所述甩沙器组件1由第二支撑体34和甩沙轮31组成，第二支撑体34固定在壳体9内，甩沙轮31固定在保护器轴7上，在第二支撑体34内设置有第二外衬套32，所述第二外衬套32与设置在保护器轴7上的第二内衬套33组成一对摩擦副。所述甩沙器组件1的第二外衬套32和第二内衬套33均由耐高温耐磨损的材料制成，可延长保护器的使用寿命。

井液含沙量要求不大于0.0005，为了给机械密封2构造一个良好的工作环境，通过甩沙器组件1摩擦副的径向支撑，可使机械密封2的动环径向跳动量减少，从而可减少机械密封2的泄漏量，延长保护器的使用寿命。井液中的泥沙被甩沙轮31甩出，沉落到甩沙器组件1的底部周围，经过澄清的井液经过第二支撑体34的井液通孔4进入机械密封腔14的上腔，然后通过呼吸孔18进入波纹管组件6的夹层空间23中。波纹管组件6是保护器的核心部件，其不锈钢膜片是一片一片焊接起来的，整体焊接组装后需要进行强度试验、密封试验和刚度测试。

使用时，卸掉本发明的运输帽13，将本发明的高温潜油电机保护器放置在高温电机顶端，将本发明的尾座12的下端与高温电机连接起来，使电机腔体和保护器腔互相连通，并用机械密封封闭起来形成一个腔体。电机腔体内的电机油依次通过尾座12的第二电机油孔37、中间体11的第三斜孔36及护轴管组件8的第一电机油孔16，进入保护器轴7与护轴管27之间的间隙中；最后通过护轴管27上端的通油孔17进入保护器腔内。

波纹管的工作过程是从最大的压缩状态逐渐地放松到自由长度状态。压缩状态的承压能力大于拉伸状态的承压能力；可压缩长度是可拉伸长度的二倍。所以这种工作方式既可利用波纹管的使用强度又能增加保护器的使用寿命。

当电机油膨胀，波纹管被压缩时，夹层空间23内的井液从呼吸孔18排出；收缩时波纹管被拉长，井液从呼吸孔18进入夹层空间23，从而使机组内外压力平衡。由于每一小节波纹管长度较短，因此在压缩工作过程中波纹管更加稳定，不会发生膜片歪斜鼓胀的现象。

机械密封的内外压差就是波纹管组件6在压缩状态时产生的应力。在波纹管放松到自由长度状态以前，内压大于外压，电机油只向外泄漏，井液不会进入腔体；随着波纹管的放松，内外压差越来越小，泄漏越来越慢；当波纹管放松到自由长度状态以后，机械密封的内外压差都等于零，这时井液和电机油在机械密封的摩擦副进行缓慢地交换。这是一个动态平衡的工作过程，因此保护器还会工作很长一段时间。

当波纹管放松到自由长度状态以后，井液会通过机械密封2向内渗漏。从机械密封2渗入的井液一部分通过保护器头35上的第一斜孔15进入保护器腔内，沉落到护轴管组件8周围；另有少部分通过轴套38摩擦副进入甩油帽5上部，甩油帽5固定在保护器轴7上，随轴转动，在甩油帽5离心力的作用下，渗入的井液通过第二斜孔39也进入保护器腔内，避免了井液直接从保护器轴7与护轴管27之间的间隙进入电机腔内。随着时间的推移，渗入的井液越积越多，从保护器腔越升越高，直到升至护轴管27上端的通油孔17，井液便可进入护轴管27与保护器轴7之间的间隙，向下流动，一直流入电机腔体内，这时保护器工作寿命结束。由此可见，护轴管组件8可以起到延迟保护器工作寿命的作用。

1)本发明所有的静密封都采用耐温300℃的全氟橡胶O型圈。腔体用机械密封封闭起来，并设有一个安全阀3，阀门以里是电机油，阀门以外是井液，当腔体内部压力超过设定值时，安全阀3开启，放出部分电机油，使腔内压力保持在设定值以下，因此机组可以在水平井或斜井中安全工作。

2)保护器工作原理：机组在地面注入电机油，保护器的波纹管组件6被压缩一定长度。机组下到井下开始工作达到额定状态时，波纹管被压缩到最大状态。随着机组的工作，保护器腔内的电机油由机械密封向井液慢慢泄漏，同时波纹管组件6逐渐地向自由长度状态放松，而井液从呼吸孔18进入双层波纹管的夹层空间23中，以平衡机组的内外压力。

当被密封的介质不变，轴的转速不变时，通过机械密封的泄漏速度仅仅取决于机械密封内外压差的大小。

电机油慢慢地不断地泄漏，波纹管随着慢慢地不断地向自由长度状态放松，压缩长度也在慢慢地减少，机械密封的内外压差也在不断地变化，直到压缩长度趋于零。

3)保护器的工作寿命：机械密封的内外压差等于零，即波纹管放松到自由状态以后，保护器在这个状态下还会工作很长一段时间。机械密封采取外装式，在内外压差等于零以后，电机油在离心惯性力的作用下还有少量的向外泄漏，与此同时伴随着产生负压，井液会通过机械密封向腔内泄漏，直到离心效应的外泄和负压产生的内泄达到动态平衡。在这种动态平衡的过程中，井液通过机械密封进入到保护器腔内，并沉淀到护轴管组件8周围，直到井液上升到护轴管27上端的通油孔17位置，保护器寿命结束。这时井液进入保护器轴7与护轴管27之间的间隙并下沉进入电机腔内。保护器的工作寿命就是从波纹管压缩到最大长度开始算起，到放松到自由长度状态所经过的时长，再加上进入保护器腔内的井液从底部上升到护轴管27上端的通油孔17为止所经过的时长之和。

机械密封的内外压差(或者说影响保护器工作寿命的泄漏速度)随温度按指数规律变化，温度越高泄漏速度越快；波纹管的有效截面积越大，机械密封的内外压差越小，且为平方关系，所以在结构允许的条件下应尽量选用大截面的波纹管。另外，在波纹管工作强度允许条件下，应尽量选用较薄的不锈钢膜片制作波纹管，以降低其刚度。

4)电机油的收缩量：波纹管放松到自由长度状态以后还会在这一状态下工作很长一段时间。在这段时间内如果停机，电机油就会因温度降低而收缩。如果井液向内泄漏的速度小于电机油收缩的速度，波纹管就会被拉长。波纹管的拉伸如果受到限制，那么电机油继续收缩，腔内就产生真空，机组就会因井液的压力而损坏。为了避免在收缩过程中产生真空，必须给波纹管的伸长留出足够的空间，这个空间的长度必须大于波纹管被拉伸的长度，如图1中的L₁。

Claims (7)

1.一种高温潜油电机保护器，其特征在于包括壳体，在壳体内设置有保护器轴，保护器轴的下端通过平面轴承设置在壳体内，上端固定有甩沙器组件，保护器轴的中部通过护轴管组件设置在壳体内；在甩沙器组件下侧的壳体内设置具有第一斜孔和第二斜孔的保护器头，所述甩沙器组件与保护器头之间形成具有机械密封的机械密封腔，甩沙器组件上侧的腔体通过设置在甩沙器组件内的井液通孔与机械密封腔相连通，在保护器头上设置有安全阀，所述安全阀的内侧与保护器腔相连通；在保护器头内的保护器轴上由上至下依次固定有轴套和甩油帽，机械密封与轴套之间的保护器腔通过第一斜孔与保护器头下侧的保护器腔相连通，轴套与甩油帽之间的保护器腔通过第二斜孔与保护器头下侧的保护器腔相连通；在保护器头与护轴管组件之间的壳体内设置有波纹管组件，所述波纹管组件由内管和外管组成，内管与外管之间形成的夹层空间通过呼吸孔与机械密封腔相连通；所述护轴管组件由第一支撑体和护轴管组成，第一支撑体固定在壳体内，在第一支撑体内设置有第一外衬套，所述第一外衬套与设置在保护器轴上的第一内衬套组成一对摩擦副；所述护轴管设置在保护器轴的外侧，与保护器轴之间留有间隙，其一端与第一支撑体相连接，另一端与保护器头的内孔滑动配合，在护轴管与保护器头的内孔之间设置有O型密封圈，在护轴管的上端设置有通油孔，所述通油孔与保护器腔相连通；在护轴管组件下侧的壳体内设置具有第三斜孔的中间体，中间体两侧的腔体通过第三斜孔相连通，在第一支撑体内设置有第一电机油孔，护轴管组件与中间体之间的腔体通过第一电机油孔同护轴管与保护器轴之间的间隙相连通；在中间体上设置有注油阀，所述注油阀的内侧与保护器腔相连通；在壳体的下端设置具有第二电机油孔的尾座，尾座两侧的腔体通过第二电机油孔相连通，在尾座的下端安装有运输帽。

2.根据权利要求1所述的高温潜油电机保护器，其特征在于所述波纹管组件由若干节组成，各节由波纹管头、导向环和波纹管底连成一体，各节的夹层空间相连通。

3.根据权利要求1所述的高温潜油电机保护器，其特征在于所述波纹管组件的材料为具有良好的抗腐蚀性能和耐高温性能的不锈钢膜片。

4.根据权利要求1所述的高温潜油电机保护器，其特征在于所述波纹管组件为双层结构。

5.根据权利要求1所述的高温潜油电机保护器，其特征在于所述甩沙器组件由第二支撑体和甩沙轮组成，第二支撑体固定在壳体内，甩沙轮固定在保护器轴上，在第二支撑体内设置有第二外衬套，所述第二外衬套与设置在保护器轴上的第二内衬套组成一对摩擦副。

6.根据权利要求5所述的高温潜油电机保护器，其特征在于所述甩沙器组件的第二外衬套和第二内衬套均由耐高温耐磨损的材料制成。

7.根据权利要求1所述的高温潜油电机保护器，其特征在于所述护轴管组件的第一外衬套和第一内衬套均由耐高温耐磨损的材料制成。