автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Разработка конструкций локальных полимерных герметизаторов для ремонта неподвижных контактных уплотнений в гидрокоробках буровых насосов

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕ&ТИ И ГАЗА им. И.М.ГУБКИНА

На правах'рукописи

БУБА ДШАННОТ

УДК 622.276.53:670.4.026

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ЛОКАЛЬНЫХ ПШШЕРНЫХ ГЕРМЕТИЗАТОРОВ ДЛЯ РШОНТА НЕПОДВИЖНЫХ КОНТАКТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ В ГИДРОКОРОБКАХ БУРОВЫХ НАСОСОВ

Специальность 05.04.(77 - "'./¡ашкны и агрегаты нефтяной

и газовой промноленкости"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ыосква - 1992 г.

Работа выполнена в Государственной академии нефти и газа им. И. М. Губкина.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Протасов В.Н.

Официальные оппоненты: I. Доктор технических наук,

профессор Крылов К.А.

2. Кандидат технических наук Бикчентаев P.M.

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательский институт буровой техники

Защита диссертации состоится " " .Ht-ftW^... 1992 год; в 15 часов на заседании специализированного Совета К 053.27.02 в Государственной академии нефти и газа ж. М.М.Губкина по адресу: II79I7, FCII-I, г.Москва, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНГ им. К.И.Губкина.

Автореферат разослан " " 1992 г.

Ученый секретарь ^^Ъ^

специализированного совета А.И.Беляев

ш ггт;.'«?.

•'Л

е.ссг-ртацс.в.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЙ

Актуальность проблемы. Эффективность процесса бурения нефтяных и газовых скважин в значительной мере зависит от безотказности и долговечности применяемого оборудования, в частности, бурового насоса, являющегося одним из ответственных звеньев буровой установки. Высокая агрессивность промывочной жидкости, используемой при бурении скважин, в сочетании с высокими статическими и циклическими нагрузками обусловливает возникновение и развитие различных процессов коррозиояно-механичесхого разрушения металла, являющихся одной из основных причин частых отказов элементов гидравлической части бурового насоса.

Гидрокоробка является одной из наиболее металлоемких и дорогостоящих деталей бурового насоса.

На рабочих поверхностях гидрокоробки, образующих неподвижные контактные уплотнения с соприкасающимися поверхностями других деталей, возникают глубокие раковины, изменяются форма и размеры этих поверхностей, что приводит к потере герметичности уплотнения и, как следствие этого, к потере работоспособности насоса.

В настоящее время для устранения повреждений гидрокоробки в условиях буровой в основном применяется метод зачеканки вязкого металла, в частности свинца, в объеме дефекта. Однако этот метод не надежный; качество ремонта низкое, а при нарушении формы и размеров поверхности он не приемлем. Использование наплавки требует последующей механической обработки, что можно осуществлять только на ремонтном предприятии. Кроме того при наплавке создаются значительные остаточные напряжения в металле гидрокоробки, приводящие к образованию трещин.

Учитывая металлоемкость, высокую стоимость и дефицитности гидрокоробок буровых насосов, изыскание более эффективных и ш денных методов их ремонта в условиях буровой, обеспечивающих 1 становление поверхностей, образующих неподвижные контактные ут лотнения, является важной народнохозяйственной задачей.

Целью работы являлась разработка методики создания блочнь полимерных герметизаторов с заданным ресурсом для устранения г врездений на сопряженных поверхностях неподвижных контактных у лотнений гидрокоробок буровых насосов.

Основные задачи исследования определялись (¡формулирование выше целью и предусматривали:

- выявление влияния материала и конструктивных факторов н прочность и износостойкость блочного герметизатора;

- изучение герметичности неподвижного контактного уплотне с локальным блочным герметизатором в стыке соприкасающихся пов ностей;

- изучение сопротивления блочного герметизатора усталости при различных ре;шлах нагружения в эксплуатационной среде и ра: работка математической модели этого процесса;

- разработка методики прогнозирования долговечности блоча герметизатора;

- разработка технологических основ применения блочных полз мерных герметизаторов при ремонте гидрокоробок буровых насосов,

Общая методика исследования. Для решения поставленных зад; разработана комплексная методика теоретического анализа и экспе ршентальных исследований работоспособности локальных полимерш герметизаторов в неподвижных контактных уплотнениях гидрокоробс буровых насосов, базирующаяся на фундаментальных положениях км тической теории прочности твердых тел, теории вязкоупругости, I

рии контактирования твердых тел. При экспериментальных исследованиях использовались методы дисперсионного и регрессионного анализа, обеспечивающие получение результатов исследований с заданной надежностью.

Достоверность результатов подтверждается как математическим обоснованием, тал и результатами экспериментального исследования в лабораторных условиях.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

1. Разработана методика конструирования блочных контактных полимерных герметизаторов с заданным ресурсом для ремонта неподвижных контактных уплотнений в гидрокоробках буровых насосов.

2. Предложена методика определения допустимых численных значений показателей качества герметизатора, исходя из его назначения и планируемого ресурса бурового насоса.

3. Разработана математическая модель сопротивления герметизатора усталостному разрушению, устанавливающая взаимосвязь между временем до разрушения герметизатора и режимом его нагруления в заданных эксплуатационных условиях.

4. Разработана математическая модель уплотняющей способности герметизатора, устанавливающая взаимосвязь мезду величиной утечки жидкости через контактное уплотнение и геометрическими размерами поверхностей, образующих это уплотнение, их шероховатостью, деформационными характеристиками герметизатора и величиной контактного давления.

5. Установлена взаимосвязь между интенсивность» изнашивания герметизатора в паре трения с уплотнительнкм кольцом цилиндровой втулки и режимом трения при циклическом нагружении этого кольца в абразивосодержащей жидкости, позволяющая оценить ресурс герметизатора при различных режимах работы бурового насоса.

6. Установлено влияние масштабного фактора на прочность герметизатора при контактном нагружении. Показано, что при одном и том же объеме герметизатора с увеличением площади его поперечного сечения и уменьшением длины прочность повышается, что обусловлено уменьшением числа дефектов.

Практическая ценность и реализация результатов работы, Разработанная методика конструирования обеспечивает создание локальных блочных герметизаторов с оптимальным комплексом свойств дая ремонта различных неподвижных контактных уплотнений гидрокоробок буровых насосов. На основании этой методики может быть рассчитан ожидаемый ресурс различных конструкций герметизаторов в заданных условиях эксплуатации.

Результаты исследований могут быть использованы производственными предприятиями нефтегазовой промышленности, занимающимися эксплуатацией и ремонтом бурового оборудования.

Разработанные математические модели могут быть использованы з системах автоматизированного проектирования уплотнительных эле ментов из полимерных материалов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на научном семинаре кафедры машин и оборудования неф гяной и газовой промышленности ГАНГ им. И.М.Губкина.

Публикации, Основное содержание диссертационной работы отра хено в 2-х статьях. Перечень публикаций приведен в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введе ния, четырех глав, заключения, где приведены основные выводы и результаты, списка литературы и 4 приложения.

Работа изложена на 108 листах машинописного текста, содер :зит 25 рисунков и 21 таблиц. Список литературы включает 32 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной тематики диссертации.

В первой главе рассмотрены конструктивные особенности, специфика условий работы и характер поверждения контактных уплотнений в неподвижных разъемных соединениях гидравлической части буровых насосов. Проанализированы современные методы устранения повреждений в подобных уплотнениях и обоснованы преимущества локальных полимерных герметизаторов, Предложены конструкции герметизаторов различного назначения.

Проведенный анализ особенностей разрушения поверхностей гидрокоробки, образующих неподвижные контактные уплотнения, позволил систематизировать разлячные виды повреждений этих поверхностей на две основные группы:

1. Локальные дефекты в виде раковин, продольных и кольцеобразных канавок на конических и цилиндрических поверхностях.

2. Изменения формы и размеров цилиндрических и конических поверхностей в целом.

Причиной возникновения подобных повреждений являзтся корро-зионно-механические процессы, развивающиеся на соприкасающихся поверхностях контактных уплотнений.

Для устранения указанных видов повреждений в условиях ремонтных предприятий применяют метода наплавки, а при аварийном ремонте в условиях буровой - метод зачеканки вязкого металла в объеме дефекта. Низкая прочность крепления зачекаяекного металла в дефекте гидрокоробки часто приводит к его выпадению, а следовательно, к потере плотности контактного уплотнения. Метод наплавки способствует возникновению значительных остаточных напряжений в металле гидрокоробки, приводящих к образованию трещин при работе

насоса. Для снятия этих напряжений необходимо проводить термообработку гидрокоробки, что в большинстве случаев-сложно в условиях ремонтного предприятия.

Метод устранения повреждений гидрокоробок с помощью полимерных герметизаторов имеет ряд преимуществ:

1) отсутствие необходимости в высоких температурах, в высокой квалификации ремонтного персонала, в механической обработке на металлорежущих станках;

2) простота технологического процесса, высокая коррозионная стойкость герметизатора; отсутствие фреттинг-коррозии на соприкасающихся поверхностях.

На основании предложенной классификации повреждений на соприкасающихся поверхностях контактных уплотнений гидрокоробки предложены соответствующие способы их устранения с помрщью полимерных герметизаторов различной конструкции:

1) устранение локальных дефектов типа раковин заполнением полимерным герметизатором объема дефекта - блочная конструкция;

2) восстановление первоначальных размеров изношенных поверхностей нанесением герметизатора в виде покрытия;

3) восстановление первоначальных размеров и фор!® цилиндрических и конических поверхностей установкой дополнительной ремонтной втулки, закрепленной полимерным герлетизатором - клеевое соединение.

Для того, чтобы восстановленные неподвижные уплотнения отвечали требуемому качеству, полимерный герметизатор должен обладать определенным комплексом свойств, обусловливаемым его назначением. В связи с этим были сформулировали технические требования к герметизаторам различной конструкции и разного назначения.

Исследованию и разработке полимерных герметизаторов, исполь-

зуемых в качестве клея или покрытия в стыке соприкасающихся поверхностей в неподвижных разъемных соединениях, посвящено большое число работ. Значительный объем исследований в этом направлений выполнен: Агапчевым В.И., Веселовским В.А., Зигерн-Корном В.А,, Козловым В.Б,, Обгинцевым В.Н., Протасовым В.Н., Саняаровским А,Т., Удянским С.Н. и др.

Деформирование и сопротивление разрушению полимерного герметизатора блочной конструкции может существенно отличаться от тонкопленочных адгезионных полимерных систем, к которым относятся клеевые соединения и покрытия. Поэтому для разработки конструкций блочных локальных полимерных герметизаторов с заданным комплексом свойств необходимо проведение соответствующих исследований их прочностных свойств, уплотняющей способности и долговечности при различных видах механического воздействия на них.

Во второй главе рассмотрена методика исследования работоспособности локального полимерного герметизатора блочной конструкции в неподвижных контактных уплотнениях гидрокоробки бурового насоса, и проведен предварительный выбор состава материала герметизатора.

Проведенный анализ свойств различных групп материалов, используемых для полимерных герметизаторов, показал, что эпоксидные материалы наиболее полно отвечают требованиям, предьяачяемым к блочному локальному герметизатору гидрокоробки бурового насоса. Они применяются в квдком виде без растворителя, образуют необратимые полимерные системы с хорошей адгезией к металлам, с высокими механическими свойствами, достаточно высокой износостойкостью и хорошей стойкостью к ароматическим углеводородам, минерализованным водным средам, щелочам, слабым растворам кислот, органическим растворителям и ряду других сред. Теплостойкость эпоксидных

ю

материалов зависит от их состава и колеблется в пределах 100-20*

В соответствии с проведенным анализом для проведения исследования были выбраны в качестве связующего материала герметизатора эпоксидаокреынийорганичесная смола T-III, эпоксидная смола ЭД-20 и эпоксидная шпатлевка ЭП-ОО-Ю. Б качестве отвердителя -полиэтиленаолиамин (8 массч. дал T-III и ЭД-20, 4 масс-ч. для ЭП-ОО-Ю). Для повышения эластичности материала герметизатора б качестве пластификатора был выбран дабутилфталат в количестве 10 Массч.

Известно, что при введении в эпоксидное связующее наполнителей значительно улучшаются его физико-химические, механически! и адгезионные свойства. По данным Добряниной Л.М.,-Керше нбаума Я.М., Протасова В.Н. алюминиевая пудра позволяет сохранить более высокую адгезию полимера к металлу в водной среде; кварцевый песок повышает износостойкость полимера в паре трения с металлом, а цемент увеличивает его прочность при контактном нагружении. 0; нако эффективность влияния этих наполнителей на работоспособное! блочного герметизатора в значительной мере определяется их концентрацией в связующем, что обусловило необходимость проведения соответствующих исследований.

По данным Фрейдина A.C. введение в эпоксидное связующее аэ] сила AMI-300 позволяет длительно сохранять адгезионную прочностз металлополимерного соединения в водной среде, что объясняет важность исследования необходимого его содержания в связующем для повышения качества блочного полимерного герметизатора.

В процессе работы насоса герметизатор воспринимает давление промывочной жидкости, что может вызвать его разрушение. В связи с этим была разработана методика исследования прочности локальнс го блочного герметизатора при контактном нагружении в эксплуата-

циогаюй среде. В качестве лабораторного образца применяли металлическую втулку из стали, соответствующей материалу гидрокоробки, отверстие которой задолняли исследуемым материалом герметизатора. В рассматриваемой конструкции образца отверстие втулки имитировало дефект гидрокоробки. Так как размеры дефекта могут быть раз' личные как по площади поперечного сечения, так и по протяженности, было исследовано влияние масштабного фактора на прочность герметизатора. Влияние масштабного фактора оценивали по величине отношения (¡¡в, , где с/ - диаметр отверстия, Е - длина герметизатора.

Так как температура промывочной жидкости может достигать 80°С, исследование контактной прочности проводили при температурах от 20 до 80°С. По данным Перлина С.М. и Протасова В.Н. наиболее активной средой, вызывающей набухание эпоксидного материала и его отслаивание от металла, является дистиллированная вода, обладающая наибольшей сорбционной способностью, что и обусловило выбор этой среда в качестве модельной. Нагрузку на герметизатор создавали с помощью индентора на- стандартной машине для механических испытаний материалов. Скорость нагруяеняя составляла 10 мм/мин Перед механическими испытаниями образец выдергивала в модельной среде до равновесного набухания. По данным Протасова В.Н. равновесное набухание эпоксидных материалов в водкой среде при Т= 30°С достигается после 200-300 часов выдерзош в среде. В соответствии с этим было выбрано время предварительной выдержки в среде Т = 250 часов.

Каждому условию испытания соответствовали результаты испытаний не менее 5-ти образцов.

Одним из основных требований, предъявляемых к блочным герметизаторам, является обеспечение герметичности стыка, образованного

поверхностью герметизаторе, с соприкасающейся поверхностью металл: В связи с этим бша разработана методика исследования уплотняющее способности герметизатора. Лабораторный образец имитирует работу конического сопряжения седла с гнездом гидрокоробки. Искусствен«! созданный дефект в вида продольной канавки на конической поверхности седла заполняется исследуемым материалом герметизатора. Де> фект представляет собой полуцилиндр с d = 4 ш. В образце сохра няется соотношение размеров деталей как в реальной гвдрокоробке. Образец изготавливали из стали в соответствии с ТУ на клапан. Ос новнил элементом установки для изучения герметичности коннческог соединения является рабочая камера с коническим отверстием под о разец седла, изготовленная из стали, применяемой для клапанной к робки бурового насоса. Рабочая камера соединена трубопроводом с плункерным насосом, позволяющим создать давление до IG0 МПа. На трубопроводе установлен игольчатый вентиль, обеспечивающий возмо ность после создания требуемой величины давления перекрыть трубо провод перед отключением насоса. Если утечка не наблюдается в те чение 15 мин., считали, что локальный герметизатор сохраняет гер метичность разъемного соединения.

В процессе работы насоса локальный герметизатор гидрокоробр мояет подвергаться абразивному износу, обусловленному шаржированием абразивны:«; частиц в уплотнительное кольцо цилиндровой втуго которое циклически деформируется при изменении давления жидкост! Интенсивность изнашивания герметизатора в паре трения с закрешк ным абразивом изучали на установке, имеющей два ползуна, в казде из которых устанавливают два подвижных образца, имитирующих рабе ту уплотнительного кольца цилиндровой втулки при циклическом деформировании. На трущуюся поверхность этих образцов наклеена шп фовальная шкурка, имитирующая абразивные частицы, шаржированные

поверхность уплотнительного кольца. Ползуны получают возвратно-поступательное движение от электродвигателя, позволяющего бесступенчато регулировать число двойных ходов ползуна в минуту от 50 до 500. Средняя скорость скольжения составляет от 0,1 до I м/с, что соответствует реальному диапазону скоростей движения поршня насоса. Неподвижный образец имитирует герметизатор, подвергающийся износу. Контактная нагрузка на поверхностях трения создается с помощью тарированных пружин, позволяющих изменять ее в пределах от 0,5 до II МПа.

Для измерения износа применяли индикатор с ценой деления 0,001 мм. Испытания на изнашивание проводили в модельной водной среде. Перед испытанием на изнашивание образец с герметизатором выдерживали в среде до равновесного набухания. Нагрев модельной среды осуществляли с помощью термостата, обеспечивающего ее циркуляцию при заданной температуре.

По данным Бартенева Г.Н., Еуркова С.Н., Зуева Ю.С. и Протасова В.Н. прочность полимерных материалов непрерывно снижается под действием не только циклической, но и постоянно действующей статической нагрузки. В связи с этим было исследовано сопротивление герметизатора статической и циклической усталости в модельной водной среде. Для исследования применяли образец, аналогичный используемому для изучения прочности. Образец устанавливали в камере с модельной средой. По наружной рубашке камеры циркулирует жидкость-теплоноситель, перекачиваемая термостатом. Нагрузка на образец создается индентором с помощью рычажной системы. После создания определенного режша нагружения герметизатора определяли время до его разрушения.

Прочность блочного герметизатора гидрокоробки определяется прочностью полимерного материала и прочностью сцепления этого

материала с поверхностью металла. В связи с этим было исследовано влияние связующего и концентрации в нем аэросила АМ1-300 на прочность и характер разрушения герметизатора в водной среде и на воздухе. Установлено, что герметизатор на основе смолы Т-Ш, содержащей 0,5 масс-ч. аэросила АМ1-300 обладает наиболее высота, сопротивлением разрушению в водной среде при повышенной температуре. Прочность герметизатора на основе смолы Т-Ш на 30% выше по сравнению с ЭП-00-10 и на 100^ выше по сравнению с ЭД-20. Смола Т-Ш с 0,5 масс-ч. МС-300 была выбрана в качестве связующего доя дальнейших исследований.

Было исследовано влияние природы и концентрации наполнителя на прочность герметизатора в водной среде при повышенной температуре. Выявлено, что при испытаниях на воздухе введение в связующее 30 шсс-ч. кварцевого песка и 15 масс-ч. алюминиевой пудры практически не влияет на прочность герметизатора. При большей ко! цектрашш прочность снижается. В водной среде при повышенной температуре выявлено положительное влияние алюминиевой пудры при ко1 цектрации 15 масс.ч. Разное влияние алюминиевой пудры на воздухе и з водной среде объясняется различным характером разрушения герметизатора в этих условиях. На воздухе наблюдается разрушение по полимерному слою, а в водной среде адгезионный характер разрушения. Аяшиниевая пудра, снижая проницаемость герметизатора в вод ной среде, позволяет сохранить его более высокую адгезионную про носгь. На основании выполненных исследований был выЗрая следующий состав материала герметизатора: смола Т-Ш (100 масс.ч.), дабутил^талат (10 масс.ч.), аэросил АМ1-300 (0,5 масс-ч.), поли-этилеяполлашн (8 масс.ч.), алюминиевая пудра (15 масс-ч.).

Учитывая существенное влияние масштабного фактора на прочность конструкций, была исследована зависимость прочности герме-

•газатора от величины отношения 2 {с/ - диаметр герметизатора, £ - длина герметизатора). Выявлено, что с увеличением с!/в прочность герметизатора повивается, что объясняется уменьшением числа дефектов в его объеме.

Показателем плотности стыка, образованного соприкасающимися поверхностями герлетизатора и металла является величина утечки жидкости через стнк в единицу времени. Так как величина утечки жидкости й через контактные уплотнения гидрокоробки мала, то можно считать, что жидкость движется через стык по ламинарному закону. В этом случае для расчета утечки может быть использован закон Дарси для линейного потока

, (I.)

Лс'^

где КПр - коэффициент проницаемости пористой среды; Р - площадь поперечного сечения пористой среды; Р - перепад давления жидкости на входе и выходе из пористой среды; - динамическая вязкость жидкости; Ь - длина пути жидкости через пористую ереду.

Для нашего случая, т.е. для контактного уплотнения с локаль---' ним герметизатором, выражение (I) можно представить в виде *

<5-

кПР Я- Ъср Ь-к

где Ь - средняя величина зазора в стыке соприкасающихся шероховатых поверхностей; Л „„ - средаий диаметр седла клапана; К -отношение площади контакта седла клапана с герлетизатором к общей площади контакта седла с гнездом клапана.

По данным Дёмкина Н.Б.

7 г? (<

где СХ = Ч-/*2)

0,21 I) ¿'(5®, )2

Рс - контактное давление; Е - модуль упругости материала герметизатора; , £э, - параметры эквивалентной шероховатости соприкасающихся поверхностей герметизатора и металла. Проведенный в соответствии с выражением (I) расчет утечки жидкости применительно к лабораторному образцу конического сопряжения показал, что 0 = 0,44-10"® м3/с. Это свидетельствует о достаточной герметичности стыка, образованного герметизатором с поверхностью металла. Для проверки адекватности математической модели герметичности, представленной выражения® (I) и (2), были проведены экспериментальные исследования утечки жидкости на лабораторных образцах.

Установлено, что утечка не происходит в течение 15 мин. после создания давления в рабочей камере образца. Это свидетельствует об адекватности предложенной математической модели герметичности коктакного уплотнения с локальным полимерным герметизатором.

При заполнении нидким материалом герметизатора дефекта, расположенного на наклонных или вертикальных поверхностях гидрокоробки, при превышении толщины слоя выше некоторой величины будет происходить вытекание материала из объема дефекта под действием силы тякести. В связи с этим была определена максимально допустимая толщина герметизатора, при которой не происходит его течение на наклонной поверхности при заполнении дефекта

[^^.¡(^^МВ) , (3)

где [ 6 ] - допустимая толщина герметизатора; Т. - напряжение вязкого сдвига; ^ в и ~ плотность жидкого материала герметиза-

тора; $ - ускорение свободного падения; в - угол наклона поверхности дефекта к горизонтальной поверхности.

Выражение (3) позволяет определить необходимое напряжение сдвига вязкого материала геретизатора при заданной глубине дефекта, а следовательно выявить требуемое качество материала геретизатора.

Одним из показателей работоспособности локального герлетиза-тора в гидрокоробке бурового насоса является сопротивление усталости, определяющее его долговечность. В связи с этим были проведены исследования статической л циклической усталости в водной среде герметизатора на основе смолы Т-Ш, содержащей 15 масс.ч.

а е- гСА

алюминиевой пудры. Установлено, что графики $ £ ~ 5та„

с- г-сл

( 6 - долговечность в с; напряжение сдвига), описывающие

статическую и циклическую долговечность, представляют собой прямые линии.Как при статической, так и при циклической усталости герметизатора наблюдается адгезионный характер разрушения и следовательно долговечность герлетизатора определяется устойчивостью адгезионных связей. График статической усталости подчиняется уравнению Буркова С.Н., описывающему длительную прочность твердых тел

<т* т?

где ¡'о = 10 с - постоянная близкая к периоду тепловых колебаний атомов; б* - критическое напряжение; - действующее напряжение; У - структурно-чувствительный коэффициент, характеризующий величину локапьного перенапряжения на межатомных связях з материале; Я - газовая постоянная; Т- абсолютная температура; % - время до разрушения материала в данных условиях.

На основании экспериментальных данных были рассчитаны значения бн и V = 6"к У , где и - энергия активации процесса

статической усталости. Для исследованного материала герметизатора

и = 116& • 160 Ша' *" °'731 мо&Га

Сопоставление угла наклона графиков к оси времени свидетельствует о том, что скорость разрушения герметизатора при циклическом нагружении больше по сравнению со статическим. Была рассчитана величина отношения Ку = ¿д %"/ %и ( статиче-

<7" \

екая долговечность в с; и - циклическая долговечность в с), и

построен график К у = / Сб"/***')» График представляет собой прямую линию и следовательно^

<7-« ггстХч

(> " 1> , ( 5 )

где К а - коэффициент усталости.

При Ку = I &ПЧ,*- » гДе ~ предел прочности

герметизатора.

Экспериментальные исследования показали, что Ку зависит от амплитуда цикла при одной и той же частоте циклов. Амплитуда как и частота циклов,определяет скорость нагруяения герметизатора. Была ькявлена зависимость &б от скорости нагружения

= , (б)

где V - скорость нагружения, Но -. постоянная; 1С = 100 м/с.

Ка основании экспериментальных данных получена зависимость Ку от режима нагружения

Ку = I + бто*}, (?)

где и г - постоянные; у!о= 0,0043, т = 0,004, г - коэффициент асишетрии цикла.

Подставив (4) и (7) в (5), получим

^ Г и V -

]( 8 )

. I

Уравнение (8) представляет собой математическую модель долговечности герметизатора при различных режимах нагружения и разных температурах в эксплуатационной среде.

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных подтвердило адекватность предложенной модели. Отклонение расчетных и экспериментальных данных не превышает 15%. При циклическом деформировании уплотнительного кольца цилиндровой втулки происходит износ герметизатора.

Было исследовано влияние природы и концентрации наполнителя в смоле Т-Ш на интенсивность изнашивания герметизатора. Анализ результатов испытаний показал, что наибольший износ у герметизатора, содержащего алюминиевую пудру, а наименьший у герметизатора с кварцевым песком в количестве 80 масс«ч.

В связи с использованием буровых насосов различных типоразмеров, работающих при разных режимах, было исследовано влияние скорости скольжения и. контактного давления на интенсивность изнашивания герметизатора. Установлено, что с увеличением контактной нагрузки и уменьшением спорости скольжения интенсивность изнашивания возрастает. Зависимость интенсивности изнашивания герметизатора от режима трения может быть представлена уравнением

Зн = Зо(Ю- (р.) , ( 9 )

где Р0 = I МПа; ¿С = I м/с.

Проведенные исследования показали, что наиболее высоким сопротивлением износу обладает материал герметизатора, содержащий 80 ШСС'Ч, кварцевого песка, а наиболее высокой адгезионной прочностью в водной среде содержащий 15 масс.ч. алюминиевой пудры. Следовательно дяя обеспечения требуемой износостойкости и адгезионной прочности следует применять двухслойную конструкцию герметизатора из разных материалов, т.е. нижний слой с алюминиевой пудрой, а верхний с кварцевым песком.

В четвертой главе рассмотрены методологические основы разработки конструкций полимерных герметизаторов заданного качества для восстановления неподвижных контактных уплотнений гидрокоробки бурового насоса.

Для того, чтобы герметизатор был работоспособным, он должен обладать определенным качеством необходимым для выполнения требуемых функций в заданных условиях эксплуатации в течение планируемого ресурса.

Характеристиками требуемых свойств разрабатываемого герметизатора являются показатели качества с установленными на них чис-леннши значениями и допустимыми отклонениями от этих значений.

Показателем сопротивления герметизатора разрушению под действием контактной нагрузки является разрушающее напряжение при сдвиге. Его наименьшая допустимая величина определяется выражением ■

Г - 1-5 Р* '

*с9~ $г (Ю)

тол

где Р^ - наибольшее давление жидкости в гидрокоробке; Рг -наибольшая площадь герметизатора, на которую действует давление аидаости; ¿>г- наименьшая площадь боковой поверхности герметизатора, адгезионно связанной с поверхностью гидрокоробки.

Показателем герметичности стыка является величина утечки жидкости через стык. Ее наибольшая допустимая величина определяется коэффициентом полезного действия насоса.

Показателями сопротивления герметизатора статической и циклической усталости в эксплуатационной среде являются статическая и циклическая долговечности. Их наименьше допустимые значения определяются выражениями

где Тр - планируемый ресурс гидрокоробки.

Показателем сопротивления герметизатора износу ягляется интенсивность изнашивания. Ее наибольшее допустимое значение определяется выражением

где [ д^] - допустимая величина линейного износа, при которой сохраняется герметичность контактного уплотнения; V - скорость скольжения.

На основании выявленных показателей качества герметизатора и установленных на них допустимых численных значений, определяема выражениями (10), (II), (12) и др., формулируется исходные технические требования к герлетизатору.

Разработку конструкции локального полимерного герметизатора гидрокоробки бурового насоса целесообразно выполнять в четыре этапа.

На первом этапе требуется выбрать материалы герметизатора, обеспечивающие требуемые численные значения его показателей ка-

т * 1Р,

(и)

( 12 )

чества. Выбор материалов необходимо проводить по каздому показателю качества в отдельности с Помощью предложенных в работе расчетных зависимостей, кавдая из которых устанавливает взаимосвязь между заданным показателем качества герметизатора и характеристиками материала, определяющими его численное значение в условиях эксплуатации.

На втором этапе разработки конструкции герметизатора необходимо определить количество и последовательность расположения слоев .... .из выбранных материалов для обеспечения требуемого градиента свойств герметизатора по толщине.

Иерархический принцип расположения слоев из выбранных материалов в зависимости от выполняемых герметизатором функций позволяет создать конструкцию с заданным комплексом свойств. Например, в трехслойной конструкции герметизатора первый слой обеспечивает высокую адгезионную прочность, второй слой - низкую проницаемость по отношению к эксплуатационной среде, а третий - сопротивление износу.

На третьем этапе требуется установить необходимую величину шероховатости поверхности герметизатора с помощью уравнений (I) и (2), исходя из заданной величины утечки жидкости, модуля упругости выбранного материала верхнего слоя, шероховатости соприкасающейся с ним поверхности металла и контактного давления.

На четвертом этапе следует провести экономическую оценку выбранных вариантов конструкций герметизатора из различных материалов с целью выбора оптимальной конструкции. Основными показателями оценки на этом этапе являются следующие нормативные данные: стоимость используемых материалов, их расход; затраты, связанные с формированием герметизатора выбранной конструкции на поверхности гидрокоробки бурового насоса.

Численные значения требуемых показателей качества герметизатора определяются не только его материалом и конструкцией, но в значительной степени технологией формирования на восстанавливаемых поверхностях гидрокоробки.

Основными операциями технологического процесса формирования герметизатора заданной конструкции являются подготовка поверхностей дефектов, на которых формируется герметизатор, и режимы структурирования материала герметизатора, т.е. температура и продолжительность структурирования.

Качества подготовки поверхности металла под герметизатор определяет его адгезионную прочность, а следовательно долговечность. Были проведены исследования влияния различных способов механической и химической очистка металла на прочность сцепления с герлетизатором в различных средах.

Установлено, что наиболее эффективным способом подготовки в условиях буровой является сочетание механической очистки поверхности дефекта металлической щеткой с химическим травлением а течение 10-15 мин. при штатной температуре сначала соляной, а затем ортофосфорной кислотой с последующей промывкой холодной водой и сушкой на воздухе.

Рекомендованы режимы структурирования материала герметизатора на поверхности дефекта при повышенной температуре, обеспечивающие его наибольшую прочность.

ВЫВОДЫ

I. Разработана методика конструирования локальных полимерных герметизаторов с заданным ресурсом для ремонта неподвижных контактных уплотнений в гидрокоробках буровых насосов.

2. Предложена методика определения допустимых численных значении показателей качества герметизатора, исходя из его назначения и планируемого ресурса бурового насоса.

3. Разработана математическая модель сопротивления герметизатора усталостному разрушению, устанавливающая взаимосвязь между временем до разрушения герметизатора и режимом его нагружения в заданных эксплуатационных условиях.

4. Разработана математическая модель уплотняющей способности герметизатора, устанавливающая взаимосвязь между величиной утечки жидкости через контактное уплотнение, образованное соприкасающимися поверхностями герметизатора и металлами геометрическими размерами этих поверхностей, их шероховатостью, деформационными характеристиками материала герметизатора и величиной контактного давления.

5. Установлена взаимосвязь между интенсивностью изнашивания герметизатора в паре трения с ушготнительным кольцом цилиндровой втулки и режимом трения при циклическом нагружении этого кольца

в абразпв^осодеп'хшце:: кидкости, позволяющая оценить ресурс герметизатора при различных режимах работы бурового насоса.

6. Установлено влияние масштабного фактора на прочность герметизатора пр:! контактном нагружении;показано, что при одном и том же объеме герметизатора с увеличением площади его поперечного сечения и уменьшением длины прочность повышается, что обусловлено уменьшением числа дефектов.

7. На основании разработанной методики создания блочных полимерных герметизаторов предложены конструкции локальных герметизаторов для восстановления поврежденных поверхностей гидрокоробки, образующих контактные уплотнения с седлом клапана и цилиндровой втулкой бурового насоса.

опгашковлнныЕ работы по тше диссертант

1. Буба Д., Протасов В.Н. Методика конструирования локальных полимерных герметизаторов для ремонта контактных уплотнений гидрокоробок буровых насосов. Нефтяная и газовая промышленность. НТО. Серия Нефтепромысловое дело. - М.: ВНИ110ЭНГ (в печати).

2. Буба Д., Протасов В.Н. Методика расчета долговечности локальных полимерных герметизаторов в неподвижных контактных уплотнениях гидрокоробок буровых насосов. Нефтяная и газовач промышленность. НТО. Серия Нефтепромысловое дело. - М.: ВНИИОЭНГ (в печати).