DE3202904A1

DE3202904A1 - Waagerechte schlamm-kreiselpumpe

Info

Publication number: DE3202904A1
Application number: DE19823202904
Authority: DE
Inventors: Ricky D. 84092 Sandy Utah Otta
Original assignee: Baker International Corp
Current assignee: Baker International Corp
Priority date: 1981-01-30
Filing date: 1982-01-29
Publication date: 1982-09-23
Also published as: BR8200515A; AU7989582A; GB2092228A

Description

WAAGERECHTE SCHLAMM-KREISELPUMPE

Die Erfindung bezieht sich auf Schlammpumpen für Oberflächenschlamm-Fördersysteme in der Erdölbohrindustrie. Insbesondere betrifft sie ein verbessertes Flügelrad für eine waagerechte Kreiselpumpe dieser Art.

Waagerechte Kreiselpumpen sind allgemein bekannt. Sie finden weitgehende Verwendung in den Bergbau-, Chemie- und Erdölindustrien. In jeder dieser Industrien arbeiten die Pumpen unter besonderen Betriebsbedingungen. Infolgedessen wurden für die verschiedenen Anwendungen sich in physiklaischer Hinsicht etwas unterscheidende Typen entwickelt. So haben z.B. die waagerechten Kreiselpumpen, die in der Bergbauindustrie Verwendung finden, normalerweise große Flügelräder, die mit relativ geringen Drehzahlen betrieben werden. Diese Pumpen sind notwendigerweise groß. Der Einsatz solcher Pumpen kommt daher nur in Frage, wenn genügend Raum verfügbar ist, wie dies im Bergbau und chemischen Betrieben normalerweise der Fall ist. Bohranlagen umfassen jedoch Oberflächenschlamm-Fördersysteme, die für den Einsatz grosser Pumpanlagen nicht geeignet sind. Es existieren gegenwärtig auf diesem Sektor mehrere Tausend Bohranlagen, die für die Aufnahme waagerechter Schlamm-Kreiselpumpen relativ geringer Grösse konstruiert sind. Da aber Schaufelräder angesichts der bei solchen Pumpen bestehenden räumlichen Beschränkungen relativ klein sind, müssen sie bei relativ hohen Drehzahlen (üblicherweise mehr als 1500 U/min) betrieben werden. Diese hohen Drehzahlen sind erforderlich, um den hydrostatischen Druck (etwa 30 m), der für andere Geräte innerhalb des Systems (z.B. EntsandungsZyklone und Entschlammungszklone) benötigt wird, aufrechtzuerhalten. Infolgedessen sind die dynamischen Bedingungen innerhalb des nassen Endes, und insbesondere diejenigen, die auf das Flügelrad von Schlammpumpen für Oberflächenschlamm-Fördersysteme der Erdölbohrindustrie einen Einfluß ausüben, ganz anders als bei den größeren Pumpen, die in den Bergbau- und Chemie-Industrien zum Einsatz gelangen.

Das Pumpen von Bohrschlämmen ist an und für sich eine Operation, die das Flügelrad einer Kreiselpumpe stark auf Verschleiß beansprucht. Die Beschaffenheit des zu pumpenden Materials ist anders als in anderen Industrien, und das gleiche gilt für die hohen Druckhöhen, die erzeugt werden müssen.

Waagerechte Kreiselpumpen werden oft zum Pumpen korrosiver Stoffe benutzt. In den Bergbau- und Chemie-Industrien wurde von verschiedenen elastomeren Werkstoffen (z.B. Buna-Elastomer) Gebrauch gemacht, um die Verschleißflächen der "nassen Seite" solcher Pumpen zu beschichten. Diese Beschichtungen wurden sowohl an der Innenfläche der Pumpenkammer als auch der Außenfläche des Flügelrades angebracht. Sie haben in erheblichem Maße zur Verlängerung der Nutzlebensdauer der bei Großpumpen üblichen großen Flügelräder für geringe Drehzahlen beigetragen.

Obgleich mit Elastomeren beschichtete Flügelräder in der Bergbauindaistrie weitgehende Verwendung gefunden haben, haben sie sich in dem durch die bei Oberflächenschlamm-Fördersystemen bestehenden räumlichen Einschränkungen bedingten kleineren Maßstab nicht zufriedenstellend bewährt. Frühere mit Elastomeren beschichtete Flügelräder konnten den dynamischen Bedingungen nicht standhalten, wenn ihre Maße denen von Oberflächenschlamm-Förderpumpen entsprachen und wenn sie bei den Drehzahlen betrieben wurden, die zur Aufrechterhaltung des für Entschlammungs- und EntsandungsZyklone erforderlichen hydrostatischen Drucks nötig sind. ' .

Bisher hatten die waagerechten Schlamm-Kreiselpumpen für Oberflächenschlamm-Fördersysteme der Bohrindustrie Flügelräder aus Metall. Diese Flügelräder wurden unmittelbar an mit Drehzahlen von mehr als 1500 U/min, vorzugsweise 1750 U/min, arbeitende Motoren angeschlossen und erlitten sehr schnellen Verschleiß. In Erdölbohranlagen war es daher üblich, solche Pumpen alle bis 60 Tage zu warten. Eine solche Wartung setzt in manchen Fällen das Abstellen der Bohranlage voraus und ist außerordentlich aufwendig. Es wurden Versuche unternommen, die Flügelräder aus Metall durch kleinere Varianten der mit Elastomeren beschichteten Flügelräder zu ersetzen, die in waagerechten Kreiselpumpen der in der Bergbauindustrie üblichen Art vorgesehen sind.

Solche Versuche haben eine erhöhte Verschleißbeständigkeit
ergeben, aber zu einer Form des Ausfalls geführt, die bei
Schlaitimfördersystemen nicht annehmbar ist. Die in der Regel bei solchen Geräten zur Beschichtung von Pumpenflügelrädern benutzten eajlstomeren Materialien neigen dazu, sich bei Ausfall zu zersetzen, was zur Folge hat, daß Fremdstoffe in den Bohrschlamm eingeführt werden. Die durch eine solche Zersetzung bedingten Einzelteilchen sind oft zu klein, um sich
wirksam von dem Schlammstrom trennen zu lassen. Andererseits sind sie aber groß genug, um die Bohrlochanlage zu verstopfen. Dieses Ergebnis ist nicht zufriedenstellend, auch wenn die
Verschleißbeständigkeit erhöht ist.

Die festen Verschleißflächen von Geräten für Erdölfelder wurden mit elastomeren Materialien verkleidet. Für solche Anwendungen haben sich Werkstoffe wie Buna-Kautschuk und gewisse Polyurethane als zufriedenstellend erwiesen.

In der ErdölbohrIndustrie besteht nach wie vor ein Bedarf an einer·Schlammpumpe verlängerter Lebensdauer, bei der die für verkleinerte, mit Elastomeren beschichtete Flügelräder herkömmlicher Bauweise erwähnten Nachteile nicht bestehen.

Die Erfindung sieht eine "Viaagerechte Schlamm-Kreiselpumpe innerhalb eines Gehäuses vor, das ohne weiteres deren Einbau
in Schlammfördersystemen herkömmlicher Bohranlagen gestattet. Eine typische "5 χ 6"-Pumpe dieser Art paßt z.B. in ein Gehäuse, das etwa 0,9 m lang, etwa 0,6 m breit und weniger als 0,6 m (üblicherweise 0,5 m) hoch ist. Eine solche Pumpe kann in der Regel so gestaltet werden, daß sie bestehende Pumpen mit Metall-Flügelrad ersetzt, ohne daß Abänderungen der Rohrleitungen bzw. der Motorkupplung der Bohranlage erforderlich wären.

Die Pumpe im Einklang mit dieser Erfindung kann während relativ langer Zeitspanne scheuernde Stoffe fördern, wie sie bei den Schlammfördersystemen von Erdölbohranlagen üblich sind, ohne Wartung zu erfordern. Es ist dies daher eine hervorragende Pumpe zum Entsanden, Entgasen, Entschlammen, Beschicken und Mischen.

Es hat sich erwiesen, daß die Schlammpumpen im Einklang mit dieser Erfindung fünf- bis zehnmal langer funktionieren als herkömmliche waagerechte Schlamm-Kreiselpumpen mit Metall-Flügelrädern, bevor Wartung erforderlich ist.

Die waagerechte Schlamm-Kreiselpumpe nach dieser Erfindung ist so beschaffen, daß sie teilweise den waagerechten Schlamm-Kreiselpumpen der in der Bohrindustrie am häufigsten benutzten· Art ähnelt. Der Innenmechanismus, besonders des nassen Endes, ist jedoch anders, wodurch eine bessere Abdichtung erzielt wird. Es ist z.B. bei weitem am besten, ein halb offenes Flügelrad mit Pumpflügeln an der Saugseite und Ausstoßflügeln von längerem Radius an der Antriebsseite vorzusehen. Da der wirksame Durchmesser der Ausstoßflüge! größer ist als der wirksame Durchmesser der Pumpflügel, wird an der Antriebsseite des Flügelrads eine Zentrifugalkraft erzeugt, die mehr als ausreichend ist, um den Förderdruck und die normalen Saugdrücke wettzumachen. Dieser Wirkdruck preßt das gepumpte Material von der Stopfbuchse der Pume· weg und bildet eine wirksame Abdichtung, wie dies in einem späteren Abschnitt dieser Beschreibung eingehender erläutert wird.

Das bemerkenswerteste Merkmal der verbesserten Pumpe nach dieser Erfindung besteht darin, daß die Verschleißflächen des Flügelrads aus sorgfältig ausgewähltem Polyurethan-Material bestehen. Obgleich es möglich ist, das ganze Flügelrad aus Polyurethan-Material zu gießen, wird eine Konstruktion bevorzugt, bei der.das Flügelrad einen starren Metallkern besitzt, der mit einer Polyurethan-Schicht oder Verschleißfläche überzogen bzw. verkleidet ist. In jedem Falle wird das Polyurethan-Material so gewählt, daß es die für die geplante Sonderanwendung geeignete Verschleiß- und Korrosionsbeständigkext besitzt. Werden in einem Schlammfördersystem durch Salzsäure, Schwefelwasserstoff oder Gele verunreinigte Bohrschlämme gepumpt, so kommen als Polyurethan-Materialien auf Polyäther oder Polyester basierende flüssige Polymere infrage, die einer solchen Reaktion unterzogen werden, daß Elastomere der Härtespanne von etwa 80 bis etwa 90 Shore A und mit einer Bashore-Rückprallelastizität von mindestens 50, vorzugsweise zwischen etwa 55

und etwa 60, erzeugt werden, Beispiele geeigneter Grundmaterialien sind die auf Polyäther basierenden Polymer, die von der Firma üniroyal Chemical, Naugatuck, Connecticut, unter dem Handelsnamen "VIBRATHANE" B-6 01 und B-602 vertrieben werden, sowie die unter dem Handelsnamen "ANDUR" 80-5AP von der Anderson Development Company, Adrian, Michigan, vertriebenen Materialien.

Diese Grundstoffe werden im Einklang mit dem veröffentlichten Schrifttum des Lieferanten ausgehärtet, um Elastomere mit den gewünschten Härte- und Rückprallelastizitätsspannen zu erzeugen. Ein nützlicher,auf Polyester basierender Grundstoff ist das unter dem Handelsnamen "CYANAPRENE" von der Firma American Cyanamide, Bound Brook, New Jersey, vertriebene Produkt.

Die erwähnten Polyurethan-Materialien sind für Flügelräder geeignet, wenn diese den dynamischen Bedingungen ausgesetzt werden, die in einer bei hohen Drehzahlen eigens zur Förderung von Bohrschlämmen arbeitenden waagerechten Schlamm-Kreiselpumpe auftreten. Wenn auch andere elastomere Materialien erhöhte Verschleißbeständigkeit erbringen, so hat sich gezeigt, daß sie kein Flügelrad ergeben, das unter den in Pumpen dieser Art auftretenden Bedingungen stabil ist, wenn die besagten Pumpen unter den durch Betrieb relativ kleiner Flügelräder bei relativ hohen Drehzahlen verursachten dynamischen Bedingungen arbeiten. Obgleich andere elastomere Materialien zur Auskleidung der nassen Innenseite der Pumpe benutzt werden können, ist es praktisch und in vielen Fällen besser, auch für die Auskleidung dieser Innenflächen Polyurethane zu verwenden, deren Zusammensetzung ähnlich ist, wie die der für die Flügelräder nach dieser Erfindung gewählten Polyurethane.

Auf der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht im Querschnitt einer waagerechten Schlamm-Kreiselpumpe nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Aufrißansicht der Antriebsseite eines Flügelrads nach der Erfindung,

Fig. 3 eine Aufrißansicht der Saugseite des Flügelrads von Fig. 2,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Flügelrads ältlicher Konstruktion wie in den Fig. 2 und 3.

Wie in der Zeichnung ersichtlich, umfaßt eine Pumpe 10 ein Flügelrad 11, das so angeordnet ist, daß es sich innerhalb der nassen Seite 12 der Pumpe dreht. Der Darstellung entsprechend ist die nasse Seite 12 mit einer entfernbaren Auskleidung 13 versehen, die ihre Verschleißbeständigkeit erhöht. Bei zahlreichen .Anwendungen in Erdölanlagen kann eine geeignete Auskleidung 13 aus natürlichen oder synthetischen Kautschukmaterialien.wie Buna 51-MA gefertigt werden (dies ist ein Buna-Elastomer, das von The Galigher Company, Salt Lake City, Utah, erhältlich ist).

Das Flügelrad 11 weist einen Kernteil 14 aus Metall auf, der so angeordnet ist, daß er sich auf einer durch Hochleistungslager

16 abgestützten Welle 15 dreht, die durch eine Stopfbüchse gegenüber der nassen Seite 12 abgedichtetist. Diese Baugruppe

17 umfaßt eine Wellenmuffe 18, ein Verschlußstück 19 und eine Verschlußstückbuchse 20.

Eine Polyurethan-Schicht 22 ist um den Metallkern 14 geformt oder gegossen, so daß alle Verschleißflächen innerhalb der nassen Seite 12 der Pumpe aus einem elastomeren Material bestehen. Die Auskleidung 13 kann, muß aber nicht, aus einem ähnlichen Polyurethan-Material gefertigt werden. VIBRATHANE B-601 zum Beispiel ist ein für diesen Zweck geeignetes Polyurethan.

In dem dargestellten Falle hat das Flügelrad, wie aus den Fig. 2 bis 4 deutlich ersichtlich, spezielle Pumpflügel 25 an der Saugseite 26, und spezielle Ausstoßflügel 27 an der Antriebsseite 28. Die vom Zentrum entfernten Enden 27a der Flügel 27 enden näher an dem Umfang 11a des Flügelrades 11 als die von dem Zentrum entfernten Enden 25a der Flügel 25. Der wirksame Durchmesser der Ausstoßflügel (der Abstand durch die Nabe 29 hindurch zwischen den beiden vom Zentrum entfernten Enden 2 7a) ist somit größer als der wirksame Durchmesser der Pumpflügel. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis dieser Durchmesser etwa 1,2 + 10%.

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Flügelräder verschiedener Durchmesser können je nach den Leistungsanforderungen wechselweise benutzt werden. Eine typische 5 χ 6-Pumpe nach der Erfindung kann Flügelräder mit Manteldurchmessern von etwa 23 bis 28 cm besitzen. Größere Pumpen, z.B. eine 6 χ 8-Pumpe, kann Flügelräder mit Manteldurchmessern bis zu etwa 38 cm aufnehmen. So große Typen werden in der Regel jedoch bei niedrigeren Drehzahlen, z.B. unterhalb von etwa 1200 U/min, betrieben. Die dargestellte Flügelradkonstruktion, sowie die vorstehend genannte Stopfbüchsengruppe 17, erzeugen eine besonders vorteilhafte Abdichtung, die bei herkömmlichen Schlammpumpen für Erdölanlagen bisher nicht erzielbar war. Die dargestellte, halb offene Flügelradkonstruktion (Fig. 4) erzeugt an der Antriebsseite des Flügelrades eine . Zentrifugalkraft, die Gegendrücke überwindet. Das gepumpte Material wird daher hinter der Nabe 29 von der Stopfbüchse weggepreßt. Indem Schlamm in den Einlaß 30 eindringt und durch den Auslaß 31 austritt, wird Luft durch das Verschlußstück 19 gesaugt und füllt den durch die Ausstoßflügel· 27 erzeugten leeren Raum. Wenn dieser leere Raum einmal gefüllt ist, kann keine weitere Luft in die Pumpe eindringen. Infolge seines zusätzlichen Gewichtes und seiner stärkeren Reaktion auf die Zentrifugalkraft wirkt das Material als eine Wand, durch die keine Luft dringen kann. Das Verschlußstück ist daher nach Herstellung des abdichtenden Effekts nur atmosphärischem Druck ausgesetzt, was auch immer die Drehzahl des Flügelrads ist. Die Abdichtung verhindert, daß Feststoffe an die Welle gelangen, was bei Pumpen zur Förderung von Bohrschlämmen besonders nützlich ist.

Aus dem vorstehenden Text ist ersichtlich, daß die Pumpe nicht lecken kann, solange Material von dem Verschlußstück weggepumpt wird. Abscheidung des Materials von dem Verschlußstück 19 (d.h. dem ringförmigen Hohlraum hinter der Nabe 29 rings um die Welle 15) nimmt zu, indem die Drehzahl des Flügelrads ansteigt. Wenn die Drehzahl des Flügelrades abnimmt, nimmt auch der äußere Umfang der ringförmigen Dichtung ab, so daß Luft durch das Dichtungsmaterial in dem Verschlußstück aus der Pumpe gepreßt wird. Der Hauptzweck des Dichtungsmaterials 19 besteht somit darin, ein Lecken zu verhindern, wenn die Pumpe nicht arbeitet. Norma-

lerweise fließt unter diesen Bedingungen das gepumpte Material durch den Einlaß 30 aus der Pumpe ab. Diese Dichtungsvorrichtung ist bei Bohrschlammanwendungen neu.

Bei den Flügelrädern nach dieser Erfindung spielen die Größe, die Anordnung und die Abstände der Flügel 27 des Flügelrades eine wichtige Rolle. Es wurde festgestellt, daß der optimale Abstand 4 0 zwischen der Rückseite 41 der nassen Seite 12 und der Rückseite 42 der Flügel 27 etwa 0,16 cm beträgt (vorzugsweise 0,15 +_ 0,05 cm). Die Tiefe der Flügel beträgt vorzugsweise etwa 0,64 + 0,16 cm. Obgleich Form und Anzahl der Flügel 27 nicht kritisch sind, wird ein System von acht Radialflügeln (Fig. 3) bevorzugt. Die Flügel befinden sich normalerweise in gleichen Abständen von anschließenden Flügeln.

Die besondere Gestaltung des Flügelrades kann abgeändert werden, obgleich die durch die Zeichnungen veranschaulichte Ausführung bevorzugt wird. Obgleich die Flügelräder der beschriebenen Art für Kreiselpumpen im allgemeinen geeignet sein könnten, sind solche Flügelräder doch für kleinere Durchmesser besonders geeignet. Die Verwendung von Polyurethan-Materialien wird bei Flügelrädern mit Durchmesser von weniger als etwa 38 cm, die zur Entwicklung hoher Drücke beim Pumpen von Bohrschlämmen bestimmt sind, als wesentlich erachtet. Flügelräder, deren Durchmesser größer sind als etwa 30 cm, sollten mit Drehzahlen von weniger, als etwa 1200 U/min arbeiten-, während Flügelräder mit kleineren Durchmessern bei Drehzahlen, von 1500 U/min oder mehr betrieben werden können. Es kommt somit ein Direktantrieb durch herkömmliche Motoren mit Drehzahlen von 1150 U/min bzw. 1750 U/min infrage.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 .) Schlammpumpe zur Förderung von Bohrschlamm eines Oberflächenschlamm-Fördersystems einer Bohranlage, wobei innerhalb der nassen Seite der Pumpe ein auf einer Welle angeordnetes Flügelrad mit einem Durchmesser von weniger als etwa 38 cm bei Drehzahlen von mehr als etwa 1200 U/min zum Fördern von Bohrschlamm von einem Einlaß durch die nasse Seite hindurch zu einem Auslaß vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad (11) so beschaffen ist, daß mindestens seine Verschleißflächen aus einem Polyurethan-Elastomer (22) einer Shore Α-Härte zwischen etwa 80 und 95, und einer zwischen etwa 55 und 60 liegenden Bashore-Rückprallelastizität bestehen.
2. ' Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad (11) halb offen ist und verlängerte Ausstoßflügel

(24) an der Antriebsseite und Pumpflügel (25) an der Saugseite hat, wobei der wirksame Durchmesser der Ausstoßflügel größer ist als der entsprechende wirksame Durchmesser der Pumpflügel, so daß der durch die Ausstoßflügel erzeugte Saugeffekt den inneren Pumpendrücken entgegenwirkt und dadurch Material von der Welle hinter der Nabe des Flügelrads weg nach außen gepreßt wird.
3. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad einen starren,, mit Pulyurethan-Material beschichteten Mittelkern aufweist.
4. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen der Pumpkammer mit elastomerem Auskleidungsmaterajil beschichtet sind.
5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung aus einem Polyurethan-Material besteht, das in seiner Zusammensetzung der des Flügelrades ähnlich ist.
6. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad im wesentlichen ganz aus Pulyurethan-Material gegossen ist.
7. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad einen zylindrischen Mantel mit einem etwa zwischen 23 und 38 cm betragenden Durchmesser, der eine Saugseite und eine Antriebsseite besitzt, mehrere Pumpflügel, die sich von der Saugseite aus erstrecken und deren vom Zentrum entfernte Endeflkurz vor dem Umfang des Mantels enden^und mehrere Ausstoßflügel aufweist, die etwa 0,6 cm über die Antriebsseite hinausragen, wobei die Verschleißflächen des Flügelrades aus einem Polyurethan-Elastomer mit einer zwischen etwa 80 und etwa 95 betragenden Shore Α-Härte und einer zwischen etwa 55 und etwa 60 betragenden Bashore-Rückprallelastizität bestehen.
8. Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstoßflügel sich radial gegen den Umfang des Mantels erstrekken.
9. Pumpe nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch acht Ausstoßflügel in gleichen Abständen von anschließenden Ausstoßflügeln.
10. Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel einen zwischen etwa 23 und 28 cm betragenden Durchmesser besitzt udjn daß das besagte Flügelrad auf einer mit Drehzahlen von mehr als etwa 1500 U/min betriebenen Welle sitzt.