RU149441U1

RU149441U1 - CUFF BIG RESOURCE RESOURCES

Info

Publication number: RU149441U1
Application number: RU2014124155/03U
Authority: RU
Inventors: Юрий Павлович Нарбутовских
Original assignee: Юрий Павлович Нарбутовских
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2015-01-10

Abstract

Манжета большого ресурса эксплуатации, работающая в составе пакета, состоящего из некоторого количества манжет, установленных в корпус устьевого сальника, обладающая способностью многократного поджима к поверхности полированного штока с минимальной силой поджима, обеспечивающей минимальную силу трения в области контакта уплотняющей поверхности манжеты с поверхностью полированного штока и, как следствие - минимальный износ уплотняющей поверхности манжеты, отличающаяся наличием прямоугольного выступа, имеющего поверхности, расположенные под углом и контактирующие с внутренним плечом верхней манжеты, а также прямоугольной полости в нижней части манжеты, равной по длине прямоугольному выступу, который по мере износа уплотняющей поверхности внутреннего плеча манжеты входит в прямоугольную полость на всю длину при осевом сжатии пакета, способствуя полному износу уплотняющей поверхности внутреннего плеча манжеты и многократному увеличению ресурса эксплуатации.A cuff of a long service life, operating as part of a package consisting of a number of cuffs installed in the wellhead stuffing box housing, with the ability of multiple pressing to the surface of a polished rod with a minimum pressing force, providing minimum friction in the contact area of the sealing surface of the cuff with the surface of the polished rod and , as a result, the minimum wear of the sealing surface of the cuff, characterized by the presence of a rectangular protrusion having surfaces, is located angled and in contact with the inner shoulder of the upper cuff, as well as the rectangular cavity in the lower part of the cuff, equal in length to the rectangular protrusion, which, as the sealing surface of the inner shoulder of the cuff is worn, enters the rectangular cavity over the entire length with axial compression of the bag, contributing to complete wear the sealing surface of the inner shoulder of the cuff and a multiple increase in the service life.

Description

Полезная модель «Манжета большого ресурса эксплуатации» относится к уплотнительной технике и может быть использовано для уплотнения движущихся с большой осевой скоростью (от 0,3 до 3 м/с) длинных (свыше 2000 мм) полированных штоков, в частности, для установки в устьевые сальники при добыче нефти с помощью штанговых глубинных насосов (ШГН).The utility model “Cuff with a large service life” refers to the sealing technique and can be used to seal long (over 2000 mm) polished rods moving with high axial speed (from 0.3 to 3 m / s), in particular, for installation in wellheads oil seals with oil using sucker rod pumps (SHG).

Одной из главных причин остановки непрерывного процесса добычи нефти с помощью штанговых глубинных насосов является быстрый износ и выход из строя шевронных резино-тканевых манжет по ГОСТ 22704-77 из-за малого ресурса эксплуатации этих манжет, ограниченного величиной износа уплотняющих поверхностей, контактирующих с поверхностью штока, повышенной силы трения в зоне контакта уплотнений с поверхностью полированного штока и потеря герметичности устьевого сальника, приводящая к разливам нефти на устье скважины и загрязнению окружающей среды. Повышенная сила трения возникает из-за неконтролируемого усилия сжатия пакета уплотнений в осевом направлении, в результате работа силы трения преобразуется в тепло, температура в зоне контакта уплотняющих кромок манжет с поверхностью штока повышается, что приводит к перегреву уплотнений и преждевременному выходу из строя, особенно в период «сухого трения» при отсутствии жидкости в устьевом сальнике.One of the main reasons for stopping the continuous process of oil production using sucker-rod pumps is the rapid wear and failure of chevron rubber-fabric cuffs in accordance with GOST 22704-77 due to the low life of these cuffs, limited by the wear of the sealing surfaces in contact with the stem surface , increased friction in the contact zone of the seals with the surface of the polished rod and loss of tightness of the wellhead seal, leading to oil spills at the wellhead and environmental pollution s. The increased friction force occurs due to the uncontrolled compression force of the seal pack in the axial direction, as a result, the work of the friction force is converted to heat, the temperature in the contact zone of the sealing lips of the cuffs with the stem surface rises, which leads to overheating of the seals and premature failure, especially in the period of "dry friction" in the absence of fluid in the wellhead seal.

Известно резино-тканевое шевронное многорядное уплотнение, применяемое для установки в устьевые сальники, состоящее из шевронных манжет, опорного и нажимного колец по ГОСТ 22704-77, выбранное в качестве прототипа.Known rubber-fabric chevron multi-row seal used for installation in wellhead glands, consisting of chevron cuffs, support and pressure rings according to GOST 22704-77, selected as a prototype.

Недостатком данного устройства является невозможность обеспечения герметичности в зоне контакта уплотняющих поверхностей манжет с поверхностью полированного штока без осевого сжатия пакета манжет с большим усилием, поэтому многорядные уплотнения по ГОСТ 22704-77 эффективно уплотняют полированный шток только при осевом сжатии уплотнений с большим неконтролируемым усилием F (Фиг. 1), способствующим росту величины силы трения в зоне контакта манжет с поверхностью штока, преждевременному выходу из строя манжет, преждевременному износу поверхности дорогостоящего полированного штока, повышенному расходу электроэнергии при работе станка-качалки. Нажимную гайку устьевого сальника (см. Бухаленко Е.И., Абдуллаев Ю.Г. «Монтаж, обслуживание, ремонт нефтепромыслового оборудования» г. Москва, издательство «Недра», 1985 г. стр. 42-45) операторы добычи нефти затягивают с помощью воротка с крутящим моментом M=20÷30 кг·м, в этом случае усилие F=M/tg€, где € - угол подъема витков резьбы, для резьбы M76×3, применяемой в устьевых сальниках в нажимной гайке угол подъема витков равен 2°15″, tg€=0,03947, усилие F=30/0,03947=760 кг, шевронные манжеты такой силой раздавливаются, прижимаясь к поверхности штока и создают высокую силу трения. К недостаткам конструкции манжеты относится конфигурация внутреннего и наружного плеча манжеты в сечении Фиг. 1, так как при осевом сжатии пакета шевронных манжет по ГОСТ 22704-77 происходит смыкание поверхностей внутренних и наружных плеч соседних манжет, чем ограничивается дальнейшее поджатие внутренних плеч манжет к штоку, то есть поджатие является одноразовым. Таким образом ресурс работы пакета шевронных манжет по ГОСТ 22704-77 ограничивается величиной износа единожды поджатых к поверхности штока уплотнительных поверхностей манжет и является незначительно малым.The disadvantage of this device is the inability to ensure tightness in the contact zone of the sealing surfaces of the cuffs with the surface of the polished rod without axial compression of the cuff package with great effort, therefore, multi-row seals according to GOST 22704-77 effectively seal the polished rod only with axial compression of the seals with a large uncontrolled force F (Fig . 1), contributing to an increase in the value of the friction force in the contact zone of the cuffs with the stem surface, premature failure of the cuffs, premature wear of the ited expensive polished rod, increased consumption of electricity during operation of the pumping unit. The pressure nut of the wellhead gland (see Bukhalenko E.I., Abdullaev Yu.G. “Installation, maintenance, repair of oilfield equipment”, Moscow, Nedra Publishing House, 1985, pp. 42-45) oil production operators drag out using a screwdriver with a torque M = 20 ÷ 30 kg · m, in this case the force F = M / tg €, where € is the angle of the thread turns, for the M76 × 3 thread used in wellhead seals in the compression nut, the angle of the coil turns is 2 ° 15 ″, tg € = 0,03947, force F = 30 / 0,03947 = 760 kg, chevron cuffs are crushed with such force, pressing against the surface of the stem and create a high lu friction. Disadvantages of the cuff design include the configuration of the inner and outer cuff arm in section, FIG. 1, since during axial compression of the pack of chevron cuffs according to GOST 22704-77, the surfaces of the inner and outer shoulders of adjacent cuffs are closed, which limits the further compression of the inner shoulders of the cuffs to the rod, i.e., the clamping is one-time. Thus, the service life of the package of chevron cuffs according to GOST 22704-77 is limited by the amount of wear of the sealing surfaces of the cuffs once pressed against the surface of the rod and is slightly small.

Полезная модель направлена на обеспечение герметичности в области контакта уплотняющих поверхностей манжет с поверхностью полированного штока в сочетании с минимальной силой трения в течение длительного времени с возможностью многократного поджима уплотняющих поверхностей манжет к поверхности полированного штока по мере их износа с минимальным осевым усилием.The utility model is aimed at ensuring tightness in the contact area of the sealing surfaces of the cuffs with the surface of the polished rod in combination with a minimum friction force for a long time with the possibility of repeatedly pressing the sealing surfaces of the cuffs to the surface of the polished rod as they wear with minimum axial force.

Технический результат достигается тем, что контактирующие между собой нижняя и верхняя манжеты имеют:The technical result is achieved by the fact that the lower and upper cuffs in contact with each other have:

- нижняя манжета - прямоугольный выступ В Фиг. 2, Фиг. 3- lower cuff - rectangular protrusion In FIG. 2, FIG. 3

- верхняя манжета - прямоугольную полость Π Фиг. 2, Фиг. 3- upper cuff - rectangular cavity Π FIG. 2, FIG. 3

Полезная модель поясняется фигурами:The utility model is illustrated by the figures:

Фиг. 1 - сечение многорядного шевронного уплотнения по ГОСТ 22704-77FIG. 1 - cross section of a multi-row chevron seal in accordance with GOST 22704-77

Фиг. 2 - сечение пакета манжет большого ресурса эксплуатацииFIG. 2 - section of a package of cuffs of a large service life

Фиг. 3 - сечение пакета манжет большого ресурса эксплуатации без наружного плеча - вариант 2.FIG. 3 - section of the package of cuffs of a large service life without an external shoulder - option 2.

Фиг. 4 - сечение пакета манжет большого ресурса эксплуатации, выполненных из двух частей (верхняя часть с выступом поз. 1, нижняя часть со впадиной поз. 2) - вариант 3.FIG. 4 - section of a package of cuffs of a large service life made of two parts (upper part with a protrusion of pos. 1, lower part with a hollow of pos. 2) - option 3.

Пакет манжет большого ресурса эксплуатации (поз. 2) устанавливается с натягом в корпус (поз. 3) Фиг. 2, 3, 4 опирается на опорную втулку (поз. 4) и состоит минимум из двух манжет (на Фиг. 2 показан пакет из четырех манжет), сверху пакета имеется нажимная втулка (поз. 1). Максимальное количество манжет не ограничено, но для рабочей камеры устьевого сальника достаточно шести манжет, это заключение было получено опытным путем в результате опытно-промышленных испытаний на нефтяных скважинах, оборудованных штанговыми глубинными насосами на предприятиях: ОАО «Лукойл», ОАО «Роснефть», ОАО «Татнефть».A pack of cuffs with a long service life (pos. 2) is installed with an interference fit into the housing (pos. 3). FIG. 2, 3, 4 rests on the support sleeve (pos. 4) and consists of at least two cuffs (Fig. 2 shows a package of four cuffs), on top of the package there is a pressure sleeve (pos. 1). The maximum number of cuffs is not limited, but six cuffs are enough for the working chamber of the wellhead stuffing box, this conclusion was obtained experimentally as a result of pilot industrial tests in oil wells equipped with sucker rod pumps at the enterprises: Lukoil OJSC, Rosneft OJSC, OJSC Tatneft.

Манжеты большого ресурса эксплуатации имеют следующие параметры:Cuffs of a long service life have the following parameters:

1. Прямоугольный выступ В, Фиг. 2, имеет поверхность, расположенную под углом а, поэтому при воздействии нижней манжеты на верхнюю в точке К, Фиг. 2, происходит поджатие уплотняющей поверхности внутреннего плеча верхней манжеты к поверхности штока. Выступ В при этом входит в прямоугольную полость Π на величину Δ и при дальнейшем осевом сжатии пакета силой Fo выступ В не отгибает в радиальном направлении, так как его удерживает наружное плечо верхней манжеты.1. Rectangular protrusion B, FIG. 2, has a surface located at an angle a, therefore, when the lower cuff is applied to the upper cuff at point K, FIG. 2, the sealing surface of the inner shoulder of the upper cuff is pressed against the surface of the rod. In this case, the protrusion B enters the rectangular cavity Π by Δ and, upon further axial compression of the packet by the force Fo, the protrusion B does not bend in the radial direction, since the outer shoulder of the upper cuff holds it.

2. Прямоугольная полость Π верхней манжеты имеет такую же длину как и прямоугольный выступ В нижней манжеты, поэтому имеется потенциальная возможность полного входа выступа В в полость Π при осевом сжатии пакета и при условии износа слоя С поверхности манжеты, контактирующей с поверхностью штока.2. The rectangular cavity Π of the upper cuff has the same length as the rectangular protrusion B of the lower cuff, therefore, there is the potential for the protrusion B to fully enter the cavity Π under axial compression of the bag and provided that the layer C of the cuff surface in contact with the stem surface is worn.

3. Возможно исполнение манжеты без наружного плеча (вариант 2), Фиг. 3, в этом случае прямоугольный выступ В контактирует с поверхностью корпуса поз. 33. Cuff execution without an external shoulder is possible (option 2), FIG. 3, in this case, the rectangular protrusion B is in contact with the surface of the housing pos. 3

4. Возможно исполнение манжеты из двух частей (вариант 3), Фиг. 4, в этом случае нижняя часть поз. 2 имеет внутреннее плечо и впадину, а верхняя часть поз. 1 имеет выступ.4. The cuff can be made in two parts (option 3), FIG. 4, in this case, the lower part of the pos. 2 has an inner shoulder and a hollow, and the upper part pos. 1 has a protrusion.

Пакет манжет большого ресурса эксплуатации работает следующим образом:The cuff package of a large service life is as follows:

При незначительном поджатии пакета (Фиг. 2, 3, 4) усилием Fo=5÷8 кг нажимной гайкой (не показана) выступы В манжет пакета входят на величину Δ в полости П, поверхность выступа В, расположенная под углом α давит на внутреннее плечо верхней манжеты в точке К результирующей силой F, в результате происходит прижатие внутреннего плеча верхней манжеты к поверхности полированного штока. По мере износа поверхности манжеты, контактирующей с поверхностью полированного штока на величину слоя С, выступ В нижней манжеты при дальнейшем осевом поджатии силой Fo все дальше входит в полость Π верхней манжеты. В нижней части выступа В имеется плоскость У, расположенная под углом β, которая дополнительно прижимает изношенное внутреннее плечо манжеты к плоскости полированного штока поз. 5 перед полным входом выступа В в полость П. Таким образом внутреннее плечо манжеты может изнашиваться на величину слоя С, тем самым многократно увеличивая ресурс эксплуатации манжет. Так как герметичность в области контакта внутреннего плеча манжет большого ресурса эксплуатации с поверхностью полированного штока наступает без необходимости осевого сжатия пакета манжет с большой силой, а лишь с незначительным поджатием силой Fo=5-8 кг, то в данном случае сила трения минимальна и не приводит к перегреву в области контакта манжет с поверхностью штока и ускоренному износу поверхности манжет. Полости Π Фиг. 3, 4 могут заполняться при установке манжет жидкой смазкой, которая при движении штока через отверстия О попадает на поверхность штока для его смазывания и снижения силы трения.With a slight compression of the bag (Figs. 2, 3, 4) by the force Fo = 5 ÷ 8 kg with a compression nut (not shown), the protrusions B of the cuffs enter by Δ in the cavity P, the surface of the protrusion B, located at an angle α, presses on the inner shoulder the upper cuff at point K with the resulting force F, as a result, the inner shoulder of the upper cuff is pressed against the surface of the polished rod. As the surface of the cuff in contact with the surface of the polished rod wears out by the size of the layer C, the protrusion B of the lower cuff, with further axial compression by the force Fo, goes further into the cavity Π of the upper cuff. In the lower part of the protrusion B there is a plane Y located at an angle β, which additionally presses the worn inner shoulder of the cuff to the plane of the polished rod pos. 5 in front of the full entrance of the protrusion B into the cavity P. Thus, the inner arm of the cuff can wear out by the size of the layer C, thereby repeatedly increasing the service life of the cuffs. Since the tightness in the contact area of the inner shoulder of the cuffs of a long service life with the surface of the polished rod occurs without the need for axial compression of the cuff pack with great force, but only with a slight compression force Fo = 5-8 kg, in this case the friction force is minimal and does not result overheating in the contact area of the cuffs with the stem surface and accelerated wear of the surface of the cuffs. Cavities Π FIG. 3, 4 can be filled when installing the cuffs with liquid lubricant, which when the rod moves through the holes O falls on the surface of the rod to lubricate it and reduce friction.

Опытно-промышленные испытания манжет большого ресурса эксплуатации на нефтяных скважинах на протяжении 190 суток показали, что выступы В вошли в полости Π на 1/3 длины полости П, что свидетельствует о большом ресурсе эксплуатации (до 570 суток), тогда как манжеты по ГОСТ 22704-77 требуют замены через 10-20 суток, герметичность обеспечивается при незначительной величине силы осевого поджатия, нагревания поверхности штока не наблюдается даже при сухом трении (при отсутствии скважинной жидкости на устье скважины), что свидетельствует о минимальной силе трения в области контакта уплотнительной поверхности манжет с поверхностью полированного штока и, как следствие, - минимального износа уплотняющей поверхности манжеты.Pilot tests of cuffs of a long service life in oil wells for 190 days showed that protrusions B entered the cavity Π by 1/3 of the length of the cavity P, which indicates a long service life (up to 570 days), while cuffs according to GOST 22704 -77 require replacement after 10-20 days, tightness is ensured with a small value of the axial preload force, heating of the rod surface is not observed even with dry friction (in the absence of well fluid at the wellhead), which indicates a minimum e friction in the contact surface of the sealing cuff with the surface of the polished rod and, as a consequence - minimum wear of the sealing surface of the cuff.

Источники информации: ГОСТ 22704-77 «Уплотнения шевронные резино-тканевые для гидравлических устройств»Sources of information: GOST 22704-77 "Chevron rubber-fabric seals for hydraulic devices"

Claims

A cuff of a long service life, operating as part of a package consisting of a number of cuffs installed in the wellhead stuffing box housing, with the ability of multiple pressing to the surface of a polished rod with a minimum pressing force, providing minimum friction in the contact area of the sealing surface of the cuff with the surface of the polished rod and , as a result, the minimum wear of the sealing surface of the cuff, characterized by the presence of a rectangular protrusion having surfaces, is located angled and in contact with the inner shoulder of the upper cuff, as well as the rectangular cavity in the lower part of the cuff, equal in length to the rectangular protrusion, which, as the sealing surface of the inner shoulder of the cuff is worn, enters the rectangular cavity over the entire length with axial compression of the bag, contributing to complete wear the sealing surface of the inner shoulder of the cuff and a multiple increase in the service life.