RU2132988C1

RU2132988C1 - Cylinder-plunger pair seal

Info

Publication number: RU2132988C1
Application number: RU97111703/06A
Authority: RU
Inventors: Д.С. Скворцов
Original assignee: Скворцов Дмитрий Семенович
Priority date: 1997-07-09
Filing date: 1997-07-09
Publication date: 1999-07-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: seal of kinematic cylinder-plunger pair has ring members placed on housing one behind the other for engagement with mating surface of cylinder. To provide reliable sealing each nonmetallic ring as inner groove whose communicates with inner space of housing through channels. Ends of nonmetallic rings get into corresponding recesses of metallic rings with lining. Housing has ring groove from top which forms ring space with thrust ring. Ring space communicates with inner space of plunger housing through horizontal and downward tilted channels. To prevent turning out of adapter, lock bushing with cuts on end faces is installed between lower end face of housing and upper end face of check valve. EFFECT: increased reliability of seal. 3 dwg

Description

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для создания надежного уплотнения валов, кинематических пар поршень-цилиндр, плунжеров в узлах, где имеется перепад давлений. The invention relates to a sealing technique and can be used to create reliable sealing of shafts, kinematic pairs of piston-cylinder, plungers in nodes where there is a pressure differential.

Известно механическое уплотнение вала, содержащее набор пришлифованных по торцам колец с эксцентриситетом, посаженных на упругую обойму и прижатых друг к другу упругим буртом. Кольца развернуты относительно друг друга по углу таким образом, чтобы точки касания колец с поверхностью штока были равномерно распределены по окружности. A mechanical shaft seal is known that contains a set of eccentricity rings polished at the ends of the rings, mounted on an elastic cage and pressed against each other by an elastic collar. The rings are rotated relative to each other in an angle so that the points of contact of the rings with the stem surface are evenly distributed around the circumference.

Недостатком известного уплотнения является то, что сопряжение эксцентричного кольца с цилиндром или валом происходит на небольшом участке окружности, поэтому для полного надежного перекрытия всей площади цилиндра требуется большое количество кольцевых элементов с угловым смещением относительно друг друга; трудности посадки плунжера в цилиндр из-за наличия эксцентрично размещенных колец, а также то, что на сопряженной поверхности цилиндра происходит значительная выработка металла стенки цилиндра, что резко снижает надежность работы и значительно увеличивает трудозатраты при восстановительном режиме. A disadvantage of the known seal is that the coupling of the eccentric ring with the cylinder or shaft occurs in a small area of the circle, therefore, for a complete reliable overlap of the entire area of the cylinder, a large number of ring elements with an angular offset relative to each other are required; the difficulty of fitting the plunger into the cylinder due to the presence of eccentrically placed rings, as well as the fact that a significant increase in the metal production of the cylinder wall occurs on the mating surface of the cylinder, which drastically reduces the reliability of operation and significantly increases labor costs during the recovery mode.

Известно также уплотнение пары цилиндр-поршень (патент РФ N 2066007, кл. 6 F 16 J 5/26, 1996), содержащие установленные на поршне один за другим поршневые кольца. It is also known to seal the cylinder-piston pair (RF patent N 2066007, class 6 F 16 J 5/26, 1996), containing piston rings mounted one after the other on the piston.

Недостатком известного уплотнения являются недостаточная надежность уплотнения со всеми вытекающими отсюда последствиями. Под действием перепада давления происходит прорыв жидкости через уплотнительные элементы и ее переток в местах разреза металлических колец, а также самоотвинчивание переходника во время спуска плунжера в скважину, что в большинстве случаев приводит к аварийной ситуации. A disadvantage of the known seal is the lack of reliability of the seal with all the ensuing consequences. Under the action of a pressure drop, a liquid breaks through the sealing elements and its overflow in the places where the metal rings are cut, as well as the adapter unscrews itself when the plunger is lowered into the well, which in most cases leads to an emergency.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности в работе уплотнения, сокращение аварий и эксплуатационных затрат. The technical result of the invention is to increase the reliability of the seal, reducing accidents and operating costs.

Технический результат достигается тем, что уплотнение кинематической пары происходит за счет перепада давления над и под плунжером, действующего на упругие уплотнительные кольца из композиционного материала, имеющие сверху и снизу кольцевые проточки, которые входят соответственно в выточки неразрезных металлических колец; для предотвращения самопроизвольного отвинчивания переходника служит стопорная втулка, размещенная между нижним торцом корпуса и нагнетательным клапаном; со стороны высокого давления на корпусе имеется проточка с каналами, соединяющими полость проточки с внутренней полостью корпуса плунжера, что обеспечивает местную рециркуляцию жидкости и вынос песка вместе с потоком пластовой жидкости. The technical result is achieved by the fact that the sealing of the kinematic pair occurs due to the pressure drop above and below the plunger, acting on the elastic sealing rings of composite material having ring grooves above and below, which respectively enter into the grooves of continuous metal rings; to prevent spontaneous unscrewing of the adapter, a locking sleeve is used, located between the lower end of the housing and the discharge valve; on the high-pressure side, the housing has a groove with channels connecting the groove cavity with the internal cavity of the plunger body, which provides local liquid recirculation and sand removal along with the formation fluid stream.

На чертеже изображена цилиндроплунжерная пара в разрезе. The drawing shows a cylinder-plunger pair in section.

Уплотнение цилиндроплунжерной пары включает: полый корпус 1, неметаллические уплотнительные кольца 2, неразрезные металлические кольца 3, причем количество и высота как первых, так и вторых колец могут быть различными. Каждое неметаллическое кольцо 2 сверху и снизу имеет наружную проточку с кольцевыми выточками треугольной конфигурации (см. сноску I), а на внутренней поверхности имеется проточка 4, полость которой сообщена с внутренней полостью корпуса 1 каналами 5. The seal of the cylinder-plunger pair includes: a hollow body 1, non-metallic sealing rings 2, continuous metal rings 3, and the number and height of both the first and second rings may be different. Each non-metallic ring 2 on top and bottom has an external groove with annular recesses of a triangular configuration (see footnote I), and on the inner surface there is a groove 4, the cavity of which is communicated with the internal cavity of the housing 1 by channels 5.

Уплотнение между металлическими и неметаллическими кольцами достигается эластичными прокладками 6, причем торцы неметаллических колец 2 имеют внутренний конус с углом 2-15^o к горизонтальной поверхности (на чертеже не показано).The seal between the metal and non-metallic rings is achieved by elastic gaskets 6, and the ends of the non-metallic rings 2 have an inner cone with an angle of 2-15 ^o to the horizontal surface (not shown in the drawing).

Верхнее упорное кольцо 7 сделано съемным, что позволяет сверлить каналы в корпусе любого направления, а в ее проточку снизу входит верхний конец неметаллического кольца 2 с эластичной прокладкой между ними. The upper thrust ring 7 is made removable, which allows you to drill channels in the housing in any direction, and the upper end of the non-metallic ring 2 with an elastic gasket between them enters into its groove from below.

Сверху упорное кольцо 7 имеет внутренний конус, который вместе с корпусом 1 образует кольцевую полость, служащую местом сбора механических частиц, в частности песка, т.е. выполняет роль песколовушки. Above, the thrust ring 7 has an inner cone, which together with the housing 1 forms an annular cavity serving as a collection point for mechanical particles, in particular sand, i.e. acts as a sand trap.

Снизу на полом корпусе 1 размещено нажимное кольцо 8, через которое с помощью переходника 9 происходит сжатие всех колец между собой. Необходимо иметь ввиду, что одно кольцо входит в сочленение с другим так, что между ними остается место для натяга. В плунжере минимальным количеством колец может быть: упорное кольцо 7, неметаллическое кольцо 2 и нажимное кольцо 8 - всех по одному, а большее количество не регламентируется и сочленяются между собой так, как показано на чертеже. Below, on the hollow body 1, a pressure ring 8 is placed, through which, using the adapter 9, all the rings are compressed together. It must be borne in mind that one ring enters the joint with another so that between them there is room for interference. In the plunger, the minimum number of rings can be: a thrust ring 7, a non-metallic ring 2 and a pressure ring 8 - all one at a time, and a larger number is not regulated and are interconnected as shown in the drawing.

Сверху на корпусе сверлятся на разных уровнях отверстия 10, суммарная площадь которых рассчитана на свободное прохождение всего потока пластовой жидкости. С целью исключения "мертвых" зон - зон возможного скопления мехпримесей (песка), отверстия расположены как можно ближе к уплотнительным кольцам. Для подсоединения плунжера к штангам служит резьба 11, а между нижним торцом корпуса 1 и обратным клапаном 12 имеется стопорная втулка 13, с помощью которой предотвращается самоотвинчивание переходника 9. Кольцевая полость песколовушки сообщена с внутренней полостью корпуса при помощи каналов 14 и 15. From above, holes 10 are drilled at different levels on the body, the total area of which is designed for the free passage of the entire flow of formation fluid. In order to eliminate "dead" zones - zones of possible accumulation of solids (sand), the holes are located as close as possible to the sealing rings. A thread 11 is used to connect the plunger to the rods, and there is a locking sleeve 13 between the lower end of the housing 1 and the check valve 12, with the help of which the self-unscrewing of the adapter 9 is prevented. The annular cavity of the sand trap is communicated with the internal cavity of the housing using channels 14 and 15.

Сборка и спуск в скважину плунжера осуществляется следующим образом. На корпус 1 одевают упорное кольцо 7, уплотнительную прокладку 6, неметаллическое кольцо 2, уплотнительную прокладку 6, нажимное кольцо 7, через которое переходником 9 все кольца сжимаются между собой с необходимым усилием. Для предотвращения самопроизвольного отвинчивания переходника 9 между его нижним торцом и обратным клапаном 12 устанавливается стопорная втулка 13. Фиксация ее положения и всех деталей на корпусе плунжера достигается необходимой затяжкой обратного клапана 12. Assembly and descent into the well of the plunger is as follows. A thrust ring 7, a sealing gasket 6, a non-metallic ring 2, a sealing gasket 6, a pressure ring 7 are put on the body 1, through which the adapter 9 compresses each ring with each other with the necessary effort. To prevent spontaneous unscrewing of the adapter 9, a lock sleeve 13 is installed between its lower end and the check valve 12. Fixing its position and all parts on the plunger body is achieved by the necessary tightening of the check valve 12.

В случае размещения на корпусе 1 большего количества неметаллических колец 2 сочленение их между собой происходит с помощью металлического кольца 3 и уплотнительных прокладок 6 между ними. If more non-metallic rings 2 are placed on the housing 1, they are joined together using a metal ring 3 and gaskets 6 between them.

В зависимости от типа насоса (вставной или трубный) плунжер спускается в сборе с насосом на штангах (вставной насос) или же цилиндр спускается на насосных трубах, а плунжер - на штангах. За счет небольшого наружного конуса на нажимном кольце 8 нижний конец плунжера с небольшим усилием входит в цилиндр. Depending on the type of pump (plug-in or pipe), the plunger is lowered assembly with the pump on the rods (plug-in pump) or the cylinder is lowered on the pump pipes, and the plunger - on the rods. Due to the small outer cone on the pressure ring 8, the lower end of the plunger with little effort enters the cylinder.

Уплотнение цилиндроплунжерной пары работает следующим образом. При движении плунжера вверх закрывается обратный клапан 12, внутри корпуса 1 и под ним, создается перепад давления, под действием которого жидкость по каналам 5 поступает во внутреннюю полость 4 неметаллических колец 2, прижимая их к внутренней поверхности цилиндра 16, обеспечивая надежную герметизацию цилиндроплунжерной пары. The seal cylinder-plunger pair works as follows. When the plunger moves upward, the non-return valve 12 closes, inside the housing 1 and under it, a pressure differential is created, under which the liquid flows through the channels 5 into the inner cavity 4 of the non-metallic rings 2, pressing them to the inner surface of the cylinder 16, ensuring reliable sealing of the cylinder-plunger pair.

При движении плунжера вниз давление сверху и снизу плунжера выравнивается, т. е. действие перепада давления и упругих сил деформации в неметаллических кольцах снимается, и плунжер практически без трения опускается вниз до нижней "мертвой точки", далее рабочий цикл повторяется. Износ цилиндроплунжерной пары практически отсутствует. When the plunger moves down, the pressure from the top and bottom of the plunger is equalized, that is, the action of the pressure drop and the elastic deformation forces in non-metallic rings is removed, and the plunger practically without friction drops down to the bottom dead center, then the work cycle repeats. The wear of the cylinder-plunger pair is practically absent.

При движении плунжера вниз пластовая жидкость со значительной скоростью движется через обратный клапан 12, корпус 1, отверстия 10 и далее по насосным трубам. При этом возникает местная рециркуляция жидкости в кольцевой полости песколовушки. По наклонным каналам 15 за счет воздействия скоростного напора жидкость поступает в кольцевую полость песколовушки, а по горизонтальным каналам 14 - вытекает за счет образования зоны пониженного давления на внутренней стенке корпуса 1. Местная рециркуляция жидкости способствует вымыванию песка, что практически полностью исключает его попадание в рабочую зону цилиндроплунжерной пары. When the plunger moves down, the formation fluid moves with considerable speed through the check valve 12, housing 1, openings 10 and further along the pump pipes. In this case, local liquid recirculation occurs in the annular cavity of the sand trap. Through inclined channels 15 due to the influence of high-speed pressure, fluid enters the annular cavity of the sand trap, and through horizontal channels 14 it flows due to the formation of a reduced pressure zone on the inner wall of the housing 1. Local recirculation of the liquid helps to wash out the sand, which almost completely eliminates its entry into the working the area of the cylinder-plunger pair.

Во время длительной работы плунжера возможен износ неметаллических колец 2 по наружному диаметру (промысловыми испытаниями это установить не удалось). Во избежание "бочкообразной" конфигурации неметаллических колец 2 под воздействием перепада давления или сжатия их переходником 9 сочленение их с металлическими кольцами происходит по выточкам треугольного сечения (см. сноску I). During prolonged operation of the plunger, non-metallic rings 2 may wear on the outer diameter (this could not be established by field tests). In order to avoid a “barrel-shaped” configuration of non-metallic rings 2 under the influence of pressure drop or compression by their adapter 9, their articulation with metal rings occurs along recesses of a triangular section (see footnote I).

По мере возможного износа колец 2 их внутренний диаметр должен равномерно увеличиваться по всей высоте неметаллического кольца за счет деформации вершин кольцевых выточек. Торцы неметаллических колец имеют внутреннюю конусообразную проточку, что позволяет им двигаться по прокладке 6, оставляя ее в рабочем положении, что также исключает внутренний переток жидкости между кольцами. As far as possible wear of the rings 2, their inner diameter should increase uniformly over the entire height of the non-metallic ring due to deformation of the vertices of the ring grooves. The ends of the non-metallic rings have an internal conical groove, which allows them to move along the gasket 6, leaving it in the working position, which also eliminates the internal flow of fluid between the rings.

Необходимо отметить, что плунжеры, поставляемые россыпью, изготавливаются по наружному диаметру несколько большего размера для данного класса. На ремонтной базе плунжер обтачивается точно по внутреннему диаметру выбранного цилиндра, и в случае необходимости доводка по натягу достигается за счет деформации неметаллических колец завинчиванием переходника 9 до необходимого усилия. Это позволяет полностью отказаться от трудоемкой и малоэффективной работы по селективному подбору цилиндроплунжерной пары в размер. It should be noted that the plungers supplied in bulk are made to an outer diameter of a slightly larger size for this class. At the repair base, the plunger is machined exactly according to the inner diameter of the selected cylinder, and, if necessary, fine-tuning is achieved by deformation of non-metallic rings by screwing adapter 9 to the required force. This allows you to completely abandon the time-consuming and ineffective work on the selective selection of cylinder-plunger pairs in size.

Claims

1. The seal of the cylinder-plunger pair, containing alternating metal and nonmetallic rings mounted on the hollow plunger body and pressed by the adapter, the latter are made of composite material, characterized in that each nonmetallic ring has an internal groove, the cavity of which is communicated by channels with the internal cavity of the plunger body, metal the rings are continuous and on their end surfaces there are internal stepped grooves to accommodate the end sections of it -metallic rings mating configuration with the gasket; an annular groove is made on top of the casing, forming an annular cavity with a thrust ring, which is connected by channels to the internal cavity of the plunger casing, and a locking sleeve is installed between the lower end of the plunger casing and the upper end of the check valve.

2. The seal according to claim 1, characterized in that the ends of non-metallic rings in the area of the outer groove have annular grooves of a triangular section, and the ends have a conical groove at an angle of 2-15 ^o .