RU170561U1

RU170561U1 - VALVE PUMP VALVE FOR WELL SERVICE

Info

Publication number: RU170561U1
Application number: RU2016111490U
Authority: RU
Inventors: Александр Игоревич Шаламов
Original assignee: Александр Игоревич Шаламов
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2017-04-28

Abstract

Клапан плунжерного насоса для обслуживания скважин применяется в любых типах и модификациях плунжерных насосов, в насосных установках для обслуживания скважин при перекачке жидкостей под давлением, работающих в условиях высоких и сверхвысоких давлений, в агрессивных средах и средах с абразивными частицами. Техническим результатом заявляемой полезной модели по всем вариантам является повышение ресурса работы и надежности клапанного узла плунжерного насоса для обслуживания скважин. Клапан плунжерного насоса для обслуживания скважин по первому варианту выполнен из полимерного материала с армированием волокнистым наполнителем в виде свободных волокон или их производных. Клапан плунжерного насоса для обслуживания скважин по второму варианту выполнен из полимерного материала с армированием в виде армирующего элемента тарельчатой формы в теле клапана. Армирующий элемент выполнен из материала с прочностными характеристиками, превышающими прочностные характеристики основного полимерного материала клапана. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.A plunger pump valve for servicing wells is used in all types and modifications of plunger pumps, in pump installations for servicing wells when pumping liquids under pressure, operating at high and ultrahigh pressures, in aggressive environments and environments with abrasive particles. The technical result of the claimed utility model for all options is to increase the service life and reliability of the valve assembly of the plunger pump for servicing wells. The valve of the plunger pump for servicing wells according to the first embodiment is made of a polymer material with fiber reinforcement in the form of free fibers or their derivatives. The valve of the plunger pump for servicing wells according to the second embodiment is made of a polymer material with reinforcement in the form of a plate-shaped reinforcing element in the valve body. The reinforcing element is made of a material with strength characteristics exceeding the strength characteristics of the main polymer material of the valve. 3 s.p. f-ly, 8 ill.

Description

Полезная модель относится к клапанным узлам плунжерных насосных установок, преимущественно для обслуживания газовых и нефтяных скважин.The utility model relates to valve assemblies of plunger pumping units, primarily for servicing gas and oil wells.

В силу технологических особенностей при работе на газовых и нефтяных скважинах прерывание операции до ее полного завершения недопустимо, поэтому плунжерные насосы для обслуживания скважин должны отвечать повышенным требованиям по надежности. Клапанный узел плунжерного насоса является ключевым узлом насоса и одним из самых нагруженных узлов, подверженных износу, при превышении рабочего давления оператор не всегда успевает отреагировать, вследствие чего выходит из строя плунжер, т.е. в целом весь насос.Due to technological features, when operating in gas and oil wells, interruption of an operation before its completion is unacceptable, therefore plunger pumps for servicing wells must meet increased reliability requirements. The valve assembly of the plunger pump is a key assembly of the pump and one of the most loaded units subject to wear, when the operating pressure is exceeded, the operator does not always have time to react, as a result of which the plunger fails, i.e. the whole pump as a whole.

Известен клапанный узел плунжерного насоса для обслуживания скважин, описанный в патенте на изобретение №2442923, опубликованном 20.11.2011 г. Клапанный узел плунжерного насоса для обслуживания скважин включает клапан с кольцевой канавкой под уплотнение и конической рабочей поверхностью, седло клапана с конической рабочей поверхностью, выполненной в головке седла, и кольцевое уплотнение, площадь контакта между рабочей поверхностью седла и кольцевым уплотнением составляет 65-68% от общей площади поверхности контакта, при этом клапан выполнен из легированной стали, включающей хром с содержанием от 1,3 до 1,7 мас.% и никель с содержанием от 3,9 до 4,4 мас.%, а седло выполнено из легированной стали, включающей хром с содержанием от 1,2 до 1,7 мас.% и никель с содержанием от 3,15 до 3,65 мас.%, кроме того, кольцевое уплотнение выполнено из эластомерного материала.A known valve assembly of a plunger pump for servicing wells described in the patent for invention No. 2442923 published on November 20, 2011. The valve assembly of a plunger pump for servicing wells includes a valve with an annular groove for sealing and a tapered working surface, a valve seat with a tapered working surface, made in the seat head, and the O-ring, the contact area between the working surface of the saddle and the O-ring is 65-68% of the total contact surface area, while the valve is made of alloy steel comprising chromium with a content of 1.3 to 1.7 mass% and nickel containing 3.9 to 4.4 mass%, and the seat is made of alloy steel comprising chromium with a content of 1.2 to 1.7 wt.% And nickel with a content of from 3.15 to 3.65 wt.%, In addition, the annular seal is made of elastomeric material.

Недостатками указанной конструкции является низкая эрозионная стойкость и ресурс работы клапана. Клапан работает с высокой частотой - около 4-х ударов в секунду, сила удара о седло увеличивается за счет инерции массы клапана, выполненного из стали, тем самым возрастает нагрузка на упругий элемент. В результате периодического воздействия значительных ударных нагрузок сравнительно быстро уплотнение разрушается и не обеспечивает необходимого демпфирования удара, в результате жесткого контакта металла клапана по металлу седла поверхности контакта разрушаются, и клапанный узел выходит из строя. Кроме того, между уплотнением и поверхностью канавки клапана в процессе работы возможно попадание абразивных частиц, что также приводит к преждевременному износу уплотнения и, следовательно, отрицательно сказывается на надежности и ресурсе работы клапана. Поломка клапана приводит выходу из строя плунжерного насоса.The disadvantages of this design is the low erosion resistance and service life of the valve. The valve operates with a high frequency - about 4 beats per second, the impact force on the seat increases due to the inertia of the valve mass made of steel, thereby increasing the load on the elastic element. As a result of the periodic impact of significant shock loads, the seal collapses relatively quickly and does not provide the necessary shock damping, as a result of the hard contact of the valve metal over the metal, the seat surfaces of the contact are destroyed, and the valve assembly fails. In addition, between the seal and the groove surface of the valve during operation, abrasive particles can enter, which also leads to premature wear of the seal and, therefore, adversely affects the reliability and service life of the valve. Damage to the valve causes the plunger pump to fail.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является клапан с уплотнением плунжерного насоса для обслуживания скважин, раскрытый в описании полезной модели №101506, опубликованной 20.01.2011 г. Клапан с уплотнением плунжерного насоса для обслуживания скважин включает клапан с кольцевой канавкой под уплотнение в крышке и кольцевое уплотнение из эластомерного материала, между уплотнением и поверхностью канавки размещен промежуточный слой из праймера, кольцевое уплотнение монолитно связано с поверхностью кольцевой канавки клапана через указанный слой праймера и выполнено литым из расплава эластомерного материала, помещенного в канавку клапана.The closest analogue selected as a prototype is a valve with a plunger pump seal for servicing wells, disclosed in the utility model description No. 101506 published on January 20, 2011. A valve with a plunger pump seal for servicing wells includes a valve with an annular groove for sealing in the cover and an O-ring of elastomeric material, an intermediate layer of primer is placed between the seal and the groove surface, the O-ring is monolithically bonded to the surface of the valve annular groove Ana through the specified primer layer and is molded from a melt of elastomeric material placed in the valve groove.

Данное техническое решение устраняет некоторые проблемы предыдущего, в частности попадание абразивных частиц под уплотнение, но также имеет недостатки, проявляющиеся при использовании прототипа. Недостатками указанной конструкции является низкая надежность и ресурс работы клапана по причине наличия большой инерционной массы клапана. Клапан работает с высокой частотой - около 4-х ударов в секунду, сила удара о седло увеличивается за счет инерции большой массы клапана, полностью выполненного из стали, тем самым возрастает нагрузка на упругий элемент. В результате периодического воздействия значительных ударных нагрузок сравнительно быстро уплотнение разрушается и не обеспечивает необходимой герметизации и необходимого демпфирования удара, в результате жесткого контакта металла клапана по металлу седла поверхности контакта разрушаются, клапан и седло выходят из строя. Поломка клапанного узла приводит выходу из строя плунжерного насоса.This technical solution eliminates some of the problems of the previous one, in particular, the abrasive particles getting under the seal, but also has disadvantages that appear when using the prototype. The disadvantages of this design is the low reliability and service life of the valve due to the presence of a large inertial mass of the valve. The valve operates with a high frequency - about 4 beats per second, the force of impact on the seat increases due to the inertia of the large mass of the valve, completely made of steel, thereby increasing the load on the elastic element. As a result of the periodic impact of significant shock loads, the seal collapses relatively quickly and does not provide the necessary sealing and the necessary shock damping; as a result of the hard contact of the valve metal over the metal, the seat surfaces of the contact are destroyed, the valve and the seat fail. Damage to the valve assembly results in failure of the plunger pump.

Заявляемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков и обеспечение долговременной работы клапанного узла плунжерного насоса.The claimed technical solution is aimed at eliminating these shortcomings and ensuring long-term operation of the valve assembly of the plunger pump.

Техническим результатом заявляемой полезной модели по всем вариантам является повышение ресурса работы и надежности клапанного узла плунжерного насоса для обслуживания скважин.The technical result of the claimed utility model for all options is to increase the service life and reliability of the valve assembly of the plunger pump for servicing wells.

Технический результат достигается за счет того, что клапан плунжерного насоса для обслуживания скважин выполнен из полимерного материала с армированием в виде армирующего элемента тарельчатой формы в теле клапана из материала с прочностными характеристиками, превышающими прочностные характеристики основного полимерного материала клапана; армирующий элемент тарельчатой формы может быть расположен в верхней части клапана; армирующий элемент тарельчатой формы может содержать осевой элемент со сквозным отверстием, в котором расположена предохранительная мембрана; рабочая поверхность может быть выполнена сферической.The technical result is achieved due to the fact that the valve of the plunger pump for servicing wells is made of polymer material with reinforcement in the form of a plate-shaped reinforcing element in the valve body of a material with strength characteristics exceeding the strength characteristics of the main polymer material of the valve; a plate-shaped reinforcing element may be located at the top of the valve; the plate-shaped reinforcing element may comprise an axial element with a through hole in which the safety membrane is located; the working surface can be made spherical.

За счет того что тело клапана выполнено из полимерного материала с армированием виде армирующего элемента тарельчатой формы в теле клапана (по п. 2 в верхней части тела клапана) из материала с прочностными характеристиками, превышающими прочностные характеристики основного полимерного материала клапана, обеспечивается 70-100% контакт с поверхностью седла, герметичность запора, масса такого клапана в разы ниже аналогов, что значительно уменьшает инерцию изделия и ударную нагрузку как на сам клапан, так и на седло. Также в результате применения существенных признаков устройства выявлены и неочевидные полезные эффекты, а именно увеличение упругой массы способствует лучшему гашению и поглощению ударных и динамических нагрузок, а нижняя направляющая часть клапана, также выполненная из полимерного материала, не деформирует седло и не разбивает корпус, обеспечивая плавность работы и предотвращая преждевременный износ. В совокупности перечисленные признаки обеспечивают повышение ресурса работы и надежности работы клапана плунжерного насоса и плунжерного насоса в целом. Клапан с предохранительной мембраной, разрывное усилие которой составляет предельно допустимое давление, установленный во всасывающий коллектор насоса, позволяет предотвратить поломку дорогостоящего оборудования при превышении расчетного давления.Due to the fact that the valve body is made of a polymer material with reinforcement in the form of a plate-shaped reinforcing element in the valve body (according to claim 2 in the upper part of the valve body) from a material with strength characteristics exceeding that of the main polymer material of the valve, 70-100% contact with the surface of the seat, the tightness of the lock, the mass of such a valve is several times lower than analogues, which significantly reduces the inertia of the product and the shock load on both the valve itself and the seat. Also, as a result of the application of essential features of the device, non-obvious beneficial effects were identified, namely, an increase in elastic mass contributes to better damping and absorption of shock and dynamic loads, and the lower valve guide, also made of a polymeric material, does not deform the seat and does not break the casing, ensuring smoothness works and preventing premature wear. Together, the listed features provide an increase in the service life and reliability of the valve of the plunger pump and the plunger pump as a whole. A valve with a safety diaphragm, the breaking force of which is the maximum allowable pressure installed in the suction manifold of the pump, can prevent the breakdown of expensive equipment when the design pressure is exceeded.

Заявляемое техническое решение обладает новизной, отличаясь от прототипа перечисленными выше признаками, и обеспечивает достижение усматриваемого заявителем технического результата.The claimed technical solution has novelty, differing from the prototype of the above features, and ensures the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Заявителю не известны технические решения, обладающие указанными во всех вариантах отличительными признаками, позволяющими в совокупности обеспечить достижение заданного технического результата, поэтому он считает, что заявляемый клапан плунжерного насоса для обслуживания скважин соответствует критерию «изобретательский уровень».The applicant is not aware of technical solutions that have the distinguishing features indicated in all the options, which together make it possible to achieve the desired technical result, so he believes that the inventive plunger pump valve for servicing wells meets the criterion of "inventive step".

Заявляемая полезная модель может найти широкое применение в любых типах и модификациях плунжерных насосов, в том числе в насосных установках для обслуживания скважин при перекачке жидкостей под давлением (гидравлический разрыв пласта, кислотная обработка скважины, при работах с колтюбинговыми установками), работающих в условиях высоких и сверхвысоких давлений, в агрессивных средах и средах с абразивными частицами, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».The claimed utility model can be widely used in any type and modification of plunger pumps, including pumping units for servicing wells when pumping fluids under pressure (hydraulic fracturing, acid treatment of wells, when working with coiled tubing), operating in high and ultrahigh pressures, in aggressive environments and environments with abrasive particles, and therefore meets the criterion of "industrial applicability".

Полезная модель поясняется чертежами, на которых представлены:The utility model is illustrated by drawings, on which are presented:

- фиг. 1 - главный вид клапана;- FIG. 1 - the main view of the valve;

- фиг. 2 - клапан со сферической рабочей поверхностью;- FIG. 2 - valve with a spherical working surface;

- фиг. 3 - схема клапана в разрезе;- FIG. 3 is a sectional diagram of a valve;

- фиг. 4 - схема клапана в разрезе;- FIG. 4 is a sectional diagram of a valve;

- фиг. 5 - простой разрез клапана;- FIG. 5 - a simple section of the valve;

- фиг. 6 - простой разрез клапана;- FIG. 6 - a simple section of the valve;

- фиг. 7 - аксонометрическая проекция клапана с седлом;- FIG. 7 is a perspective view of a valve with a seat;

- фиг. 8 - аксонометрическая проекция клапана с седлом в корпусе.- FIG. 8 is a perspective view of a valve with a seat in a housing.

Клапан 1 плунжерного насоса для обслуживания скважин выполнен из полимерного материала с армированием в виде армирующего элемента 6 тарельчатой формы в теле клапана из материала с прочностными характеристиками, превышающими прочностные характеристики основного полимерного материала клапана, например твердые пластмассы (полимеры), стали, сплавы и т.д. Армирующий элемент 6 тарельчатой формы, воспринимающий нагрузку, может быть расположен как в теле полимерного материала, в сердцевине клапана, так и по п. 2 в верхней части тела клапана. Большая площадь контакта полимерного материала клапана 1 с армирующим элементом 6 тарельчатой формы образует две неразрывные фазы клапана 1, дополняющие друг друга. В качестве материала для изготовления устройства могут применяться любые полимерные материалы, например эластомеры, резины, силиконы и др. Вид полимера, а также материал армирующего элемента подбираются исходя из назначения и условий работы клапана (рабочая среда, расчетное давление, объем перекачиваемой среды, максимальный ресурс работы). Клапан содержит рабочую поверхность 3, взаимодействующую с седлом 4, которая может быть выполнена конической формы или сферической формы для увеличения площади контакта. Клапан 1 содержит нижнюю направляющую часть клапана (хвостовик) 5, которая направляет и центрирует клапан 1 в седле 4 или корпусе, в зависимости от конструкции насоса. Армирующий элемент 6 тарельчатой формы может содержать осевой элемент 7 со сквозным отверстием 8, в котором расположена предохранительная мембрана 9. Разрывное усилие предохранительной мембраны 9 является предельно допустимым давлением для насоса. Полезная модель может быть изготовлена известными способами на оборудовании промышленного предприятия. Все параметры, материалы, размеры и т.д. определяются исходя из назначения и условий работы клапана (рабочая среда, расчетное давление, объем перекачиваемой среды, максимальный ресурс работы).The valve 1 of the plunger pump for servicing wells is made of a polymer material with reinforcement in the form of a plate-shaped reinforcing element 6 in the valve body of a material with strength characteristics exceeding the strength characteristics of the main polymer material of the valve, for example, hard plastics (polymers), steel, alloys, etc. d. The reinforcing element 6 of the plate-shaped form, which receives the load, can be located both in the body of the polymeric material, in the valve core, and according to claim 2 in the upper part of the valve body. A large contact area of the polymeric material of the valve 1 with a plate-shaped reinforcing element 6 forms two inextricable phases of the valve 1, complementing each other. As a material for the manufacture of the device, any polymeric materials can be used, for example, elastomers, rubbers, silicones, etc. The type of polymer, as well as the material of the reinforcing element, are selected based on the purpose and operating conditions of the valve (working medium, design pressure, pumped medium volume, maximum resource work). The valve comprises a working surface 3 interacting with the seat 4, which can be made conical or spherical in order to increase the contact area. Valve 1 comprises a lower valve guide (shank) 5, which guides and centers valve 1 in seat 4 or housing, depending on the design of the pump. The plate-shaped reinforcing element 6 may comprise an axial element 7 with a through hole 8 in which the safety membrane 9 is located. The breaking force of the safety membrane 9 is the maximum allowable pressure for the pump. The utility model can be manufactured by known methods on the equipment of an industrial enterprise. All parameters, materials, sizes, etc. are determined based on the purpose and operating conditions of the valve (working medium, design pressure, pumped medium volume, maximum service life).

Заявляемая полезная модель применяется в плунжерных насосах и в совокупности с насосом работает следующим образом. За счет поступательного движения плунжера создается разрежение в полости под ним, в эту полость засасывается жидкость из подводящего (всасывающего) трубопровода. При обратном движении поршня на всасывающем трубопроводе закрывается один клапан, предотвращающий протечку жидкости обратно, и открывается второй клапан, размещенный на нагнетательном трубопроводе, который был закрыт при всасывании. Туда вытесняется жидкость, которая находилась под поршнем, и процесс повторяется.The inventive utility model is used in plunger pumps and in conjunction with the pump operates as follows. Due to the translational movement of the plunger, a vacuum is created in the cavity below it, liquid is sucked into this cavity from the supply (suction) pipe. When the piston moves backward on the suction pipe, one valve closes to prevent the liquid from leaking back, and a second valve opens that is located on the discharge pipe, which was closed during suction. There, the liquid that was under the piston is displaced, and the process repeats.

Claims

1. Valve of a plunger pump for servicing wells, characterized in that it is made of a polymer material with reinforcement in the form of a plate-shaped reinforcing element in the valve body of a material with strength characteristics exceeding the strength characteristics of the main polymer material of the valve.

2. The valve of the plunger pump for servicing wells according to claim 1, characterized in that the plate-shaped reinforcing element is located in the upper part of the valve.

3. The valve of the plunger pump for servicing wells according to claim 1, characterized in that the plate-shaped reinforcing element comprises an axial element with a through hole in which the safety membrane is located.

4. The valve of the plunger pump for servicing wells according to claim 1, characterized in that the working surface is spherical.