Комплекс испытательных стендов для исследования трибодинамических факторов ресурса УЭЛН

Ключевые слова: испытательный стенд, трибологические процессы, электроприводные лопастные насосы, высокооборотные стенды, трибодинамическая система.

В процессе эксплуатации установок электроприводных лопастных насосов (УЭЛН) происходит постепенное накопление повреждений поверхности, заканчивающееся при определенных условиях разрушением деталей. Из анализа состояния деталей после отказа можно выделить два основных процесса: изнашивание и разрушение по критерию прочности. Причем процесс изнашивания деталей установки может иметь различный характер, в частности: абразивный, эрозионный (гидроабразивный), коррозионно-механический, фреттинг-износ. Процесс изнашивания происходит, как правило, в условиях динамических нагрузок. Поэтому УЭЛН рассматривается авторами как трибодинамическая система [1].

При исследовании и обеспечении ресурса УЭЛН конструкционно-технологическими методами широко применяются экспериментальные методы, включающие:

• испытания секций в сборе (в реальных скважинах одного куста месторождения либо на одной скважине с чередующимися сравниваемыми насосными секциями) [2];

• исследование процесса изнашивания и вибрации насосных секций или насосных сборок на испытательных стендах [3];

• исследование процесса трения и изнашивания узлов и деталей газосепараторов, ступеней, подшипников, материалов [1];

• определение трибологических характеристик материалов, используемых при изготовлении деталей УЭЛН.

Во всех экспериментальных методиках применяют ускоренные или форсированные испытания с использованием рабочих жидкостей с абразивом, преимущественно кварцевым песком. Ускорение процесса изнашивания достигается увеличением концентрации и размеров абразивных частиц, применением полимерных материалов рабочих органов с низкой износостойкостью, увеличением частоты вращения, скорости потока, иными способами.

Методологическая основа проектирования

Развиваемый в ИМАШ РАН научно-методологический подход заключается в следующих основных положениях: на основе декомпозиции трибодинамической системы выделяются основные классы подобных по кинематике и условиям функционирования трибологические объекты, к которым должны быть разработаны отдельные методы и средства исследования. Процессы трения, изнашивания и динамические процессы рассматриваются как взаимосвязанные. При проведении экспериментальных исследований должен быть обеспечен механизм разрушения, характерный для реальных условий. Например, нельзя проводить испытания на износ по одной той же методике подшипников электродвигателя и насоса или, получив результаты по износу и вибрации на короткой насосной сборке, перенести их на насосную секцию без подтверждения трибодинамического подобия.

Принимая во внимание большие ресурсы реальных изделий (до 1000 суток и выше) и малые интенсивности изнашивания, применены методы ускоренных испытаний с соблюдением автомодельности опыта и отсутствием избирательности, т.е. перераспределением интенсивности изнашивания между отдельными узлами и деталями насоса, в том числе между взаимно трущимися поверхностями в процессе опыта.

Основная схема исследований: испытания натурной насосной секции (НС) на износ с регистрацией износа и вибрации; испытания насосных ступеней на модельном стенде с определением формы и величины износа основных подвижных сопряжений, исследование предельного состояния гидродинамических подшипников и уплотнений.

РИСУНОК 1. Структура стендов для исследования трибодинамической системы ЭЛН

Структура стендов разработана на основе результатов численного моделирования трибодинамической системы и критериев подобия динамики модели и натуры и включает три уровня: трибодинамические исследования полноразмерных секций; исследование процессов абразивного и коррозионно-эрозионного изнашивания сопряжений СН, подшипников и материалов на модельных стендах; исследование предельного состояния гидродинамических подшипников и уплотнений.

Стенды для исследования трибодинамических процессов НС (горизонтального и вертикального типов)

Испытания НС в полноразмерном виде в первую очередь необходимы для получения основной зависимости вибрации корпуса от формы и величины износа радиальных сопряжений, что невозможно достичь при моделировании. Зная предельное значение вибрации, при котором происходит отказ по критерию прочности, и соответствующий этому износ, можно в последующем провести необходимые опыты на стенде рабочей ступени по определению скорости изнашивания комбинации ступеней и промежуточных подшипников при различных эксплуатационных параметрах, используя зависимость [1]:

(1)

где А – коэффициент согласия; – скорость изнашивания ступени; – динамический фактор; – коэффициент влияния абразива по длине секции; – конструкционный фактор; N – количество ступеней в секции. Динамический фактор характеризует форму изгиба вала при вращении и, соответственно, изменение износа радиальных трибосопряжений h по длине секции x.

Эта зависимость в общем случае имеет вид:

где n – порядковый номер ступени; l – высота ступени; L – длина полуволны основной гармоники колебаний или расстояние между подшипниками, х=πnl. Коэффициент k_a характеризует изменение режущих свойств абразива вследствие его дробления в трибосопряжениях по длине секции и вычисляется по формуле

где – исходная концентрация, %; – утечка через уплотнение i -ой ступени.

Стенд для испытаний на износ НС разработан на базе горизонтального стенда тестирования гидравлических характеристик ЭЛН завода «АЛНАС» и конструктивно выполнен с циркуляцией модельной жидкости по замкнутому контуру и возможностью проведения испытаний на изнашивание секций длиной до 5000 мм [1].

Жидкость циркулирует в замкнутом контуре, включающем насосную секцию. В жидкость периодически подается абразив с помощью дозатора абразива и бака-смесителя в определенной пропорции. В процессе опыта происходит измерение рабочих характеристик, а также вибрации восемью пьезоэлектрическими акселерометрами 8 типа PCB, которые закреплены на корпусе секции в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Расходно-напорная характеристика снимается в конце опыта после промывки насоса и отключения от системы подачи абразива с помощью узла измерения.

Основные характеристики стенда:

• номинальное число оборотов – 2910 об/мин;

• мощность привода – 50 кВт;

• типоразмер испытуемой секции: 5, 5А, длина 3000…5000 мм;

• температура жидкости до 75 ⁰С;

• замкнутый контур абразива.

Совместно с ООО «Алмаз» разработан стенд вертикального типа, позволяющий испытывать НС в абразивосодержащей, коррозионно-активной среде. Отличительными особенностями стенда вертикального типа от предыдущего являются наличие сепаратора абразива с гравитационной системой сепарирования жидкости и вертикальное расположение, позволяющее не учитывать влияние веса вращающихся деталей при расчетах.

Испытания, проведенные с использованием разработанных стендов, позволили получить фундаментальную зависимость виброскорости от износа радиальных сопряжений и закон его изменения по длине НС.

Стенды для исследования процессов трения и изнашивания ступеней и радиальных подшипников

Ступень нефтяная является основным элементом НС и имеет радиальные и осевые уплотнения, от трибологических характеристик которых и износа поверхности проточной части зависит ресурс всей установки. Наиболее эффективным средством снижения износа радиальных уплотнений ступени является применение износостойких подшипников скольжения (концевых и промежуточных). Учитывая схожесть условий работы ступеней и подшипников, в стендах реализована концепция как раздельных, так и комбинированных испытаний ступеней и подшипников. Целью испытаний было определение скорости изнашивания ступени в зависимости (1).

Методология испытаний

В качестве испытуемых объектов используются натурные образцы в виде сборки «направляющий аппарат + рабочее колесо + направляющий аппарат», рис. 2 а, либо «направляющий аппарат + рабочее колесо + направляющий аппарат + подшипник скольжения», рис. 2 б. В первом случае исследуется изнашивание и радиальных и осевых сопряжений ступени. Во втором случае парируется износ радиальных сопряжений ступени и исследуется в основном процесс изнашивания осевых сопряжений либо преимущественно эрозионное изнашивание проточной части. Принципиально важно, что при такой схеме вал и рабочее колесо (РК) воспроизводят прецессионный тип вращения, характерный для реальной конструкции, и при определенных условиях односторонний тип износа радиальных сопряжений.

РИСУНОК 2. Схема испытательного узла стенда для испытаний ступеней и подшипников на износ

Исследование процессов трения и изнашивания подшипника скольжения производится с использованием сборки «направляющий аппарат + рабочее колесо + направляющий аппарат + подшипник скольжения», рис. 2 б. Рабочие органы в этом случае служат в качестве вспомогательного насосного устройства, обеспечивающего заданные параметры потока – напор, подачу. Испытуемый подшипник устанавливается после второго направляющего аппарата (НА) на выходе. Такая комбинация в полной мере воспроизводит реальные условия и обеспечивает геометрическое подобие натуры и опыта.

Разработаны стенды в двух типоразмерах: с подачей до 120 м³/сут и до 500 м³/сут по единой методологии с максимальной частотой вращения 6000 об/мин для испытаний ступеней 4, 5, 5А габаритов в абразивосодержащей, коррозионно-активной жидкости, рис. 3, 4.

РИСУНОК 3. Общий вид испытательного стенда

Принципиальным отличием стенда для испытаний ступеней на износ является возможность обеспечения прецессионного вращения РК [4]. Основной элемент стенда – вал переменной жесткости, у которого соотношение между собственной частотой изгибных колебаний и частотой вращения задается в зависимости от цели эксперимента. По сути, в такой комбинации объект испытаний представляет собой физическую модель секции, в которой реализуется весь спектр движений и нагрузок. Это решение принципиально отличается от технического решения [5] при моделировании массового дисбаланса изношенного ротора секции посредством установки диска с заданным дисбалансом перед испытуемым подшипником с жестким валом.

РИСУНОК 4. Общий вид испытательного стенда

Траектория движения вала при выборе режима вращении измеряется системой индукционных датчиков положения вала.

Измерение собственной частоты колебаний «вал + рабочее колесо» стенда производится ударным способом с установкой датчика на вале. Учитывали плотность материала рабочего колеса. Например, для полимерных РК собственная частота при равных прочих условиях на 10 Гц выше.

Стенды позволяют измерять величину осевой силы рабочей ступени [5]. В корпусе испытательной камеры 2 устанавливается сборка 3, состоящая из двух НА и РК. Вращение РК передается с помощью вала 1, опирающегося на подшипник скольжения 4, включающий втулки 11 и 12. Корпус подшипника имеет отверстия для прохода жидкости. Измерительное устройство состоит из двух измерителей (на входе и выходе сборки), которые представляют собой кольцо 5, на котором закреплены четыре упругих элемента 6 с тензометрическими датчиками 10 по схеме моста.

РИСУНОК 5. Схема измерительного устройства

На стенде можно смоделировать резонансный режим путем подбора жесткости вала или массы, который характеризуется резким ростом момента сопротивления, хаотическим вращением вала с рабочим колесом в виде ударов ступицы РК о поверхность отверстия НА. Продолжительная работа на этом режиме при эксплуатации приведет к сильной вибрации или поломке вала. Использование датчиков перемещения позволяет записывать траекторию движения вала.

Стенд для исследования трения осевых подшипников

Осевой подшипник (рис. 6) является основным трибологическим узлом гидрозащиты и электродвигателя. Особо высокие требования предъявляются к нему в конструкции компрессионного типа, когда подшипником воспринимается вся осевая нагрузка насоса. Основными проблемами при проектировании такого типа стендов являются точность измерения момента, исключение возможных потерь на трение во вспомогательных устройствах.

РИСУНОК 6. Общий вид стенда для испытаний осевых подшипников

Основным элементом стенда является испытательный узел, в котором находится испытуемый подшипник в масляной ванне, установленный на блоке опорных шарикоподшипников, служащих для исключения состояния покоя при вращении вала и уменьшения таким образом погрешностей при измерении момента сопротивления. В стенде реализуются три варианта нагружения, табл. 1.

ТАБЛИЦА 1. Варианты нагружения, реализуемые на стенде

Регистрируются при испытаниях коэффициент трения в условиях гидродинамической и граничной смазки: 0,001…0,01 нагрузка заедания, не более 45 кН.

Стенд для исследования эрозионного (гидроабразивного) износа материалов

Для борьбы с эрозионным (гидроабразивным) износом, проявляющимся в виде поверхностного разрушения проточной части («промыв») используют конструкторско-технологический подход. Для подбора необходимых материалов разработан стенд, рис.7.

РИСУНОК 7. Общий вид стенда

В основе основного элемента стенда, испытательного узла, принцип центробежного ускорителя, который по кинематике в наибольшей степени соответствует центробежному принципу насоса. В разработанном стенде применена комбинация разомкнутого контура движения абразива, как наиболее благоприятного для сохранения свойств абразива, и замкнутого контура модельной жидкости. Абразив смешивается с модельной жидкостью в смесителе 3 непосредственно перед испытательным узлом 2. После соударения абразива с образцом происходит слив жидкости в бак-сепаратор 7, где происходит гравитационное разделение суспензии на жидкость и абразивные частицы. В циркулирующую под действием насоса 6 по замкнутому контуру жидкость в смесителе поступает свежий абразив из дозатора 4.

Основные характеристики стенда:

• величина скорости потока жидкости 5…25 м/с;

• количество сопел – 4;

• угол установки образцов – 30…90⁰;

• температура жидкости – 25…80 ⁰С.

Стенды высокооборотные для исследования трибологических процессов УЭЛН

Одним из перспективных направлений в механизированной добыче нефти является применение УЭЛН с высокой частотой вращения вала (до 12 000 об/мин). Для обеспечения необходимого ресурса разработан комплекс испытательных стендов, позволяющих исследовать трибодинамические процессы при высокой частоте вращения, не имеющие аналогов, рис. 8. Стенды выполнены в современном дизайне с измерительной системой компании NI.

РИСУНОК 8. Комплекс разработанных стендов для испытаний деталей высокооборотных УЭЛН

Привода стендов обеспечивают вращение вала до 20 000 об/мин.

Работа выполнена за счет средств государственного задания: Фундаментальные и прикладные исследования процессов трения, изнашивания и смазки с использованием цифровых технологий, обеспечивающие повышение срока службы динамически нагруженных узлов трения, применяемых в транспортной, авиакосмической технике и реабилитологии. (FFGU-2026-0003)

Литература

1. Смирнов Н.И. УЭЛН как трибодинамическая система: методы исследования / Н.И. Смирнов // Neftegas.RU. – 2023. – № 4 (136). – С. 46–51.

2. Якимов, С.Б. Результаты промыслового испытания электроцентробежного насоса с упрочненными борированием рабочими ступенями на Ван-Еганском месторождении / С.Б. Якимов, А.П. Фирсов, Э.А. Гебель, А.А. Ежов, С.Г. Цих // Территория Нефтегаз. – 2020. – № 7–8. – С. 20–25.

3. Patil A., Adolfo D., Chen Yi, Steck D., Bai C., Chen Y., Morrison G., Mechanical Reliability of Electrical Submersible Pumps. WWW.CFTN.CN Vol.60, 2018, No.5 s.69-77 DOI: 10.16492/j.fjjs.2018.05.0010.

4. Пат. 2371694 Российская Федерация, МПК G 01М 13/00 Стенд для исследования износа рабочей ступени центробежного насоса / Смирнов Н.И., Смирнов Н.Н., Свидерский С.В., Горланов С.Ф.; опубл.27.10.2009. Бюл. № 30.

5. Bai, C. «Rotordynamic and Erosion Study of Bearings in Electrical Submersible Pumps», In Ph.D. Thesis, 2017, University of Tulsa, Tulsa, Oklahoma 74104.