Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Установки электроприводных центробежных насосов (УЭЦН, в международной терминологии -- ESP, Electric Submersible Pump) являются основным способом механизированной добычи нефти. С их помощью добывается порядка 80% всей нефти в России. Погружной агрегат УЭЦН работает в среде пластовой жидкости -- смеси нефти, воды, растворённого и свободного газа, а также механических примесей (кварцевого песка, проппанта, частиц породы). Содержание механических примесей (КВЧ -- количество взвешенных частиц) может достигать 0,1--1,0 г/л и более, температура среды -- от 60 до 150 градусов C в зависимости от глубины скважины и термического градиента пласта.
Подшипники скольжения -- наиболее нагруженные и уязвимые элементы ЭЦН. Они работают без традиционных смазочных материалов -- пара трения смазывается непосредственно перекачиваемой пластовой жидкостью, содержащей абразивные частицы кварца (твёрдость 7 по шкале Мооса, порядка 800--1100 HV по Виккерсу). Частота вращения вала составляет 2910 об/мин при питании 50 Гц или до 6000 об/мин при работе от частотного преобразователя (ЧРП).
Модуль-секция погружного центробежного насоса содержит несколько типов подшипниковых узлов, каждый из которых выполняет свою функцию. Конструктивно многоступенчатый ЭЦН состоит из корпуса (трубы), вала, пакета ступеней (рабочих колёс и направляющих аппаратов), радиальных подшипников скольжения и осевой опоры (упорного подшипника).
В насосах обычного исполнения каждая модуль-секция содержит два радиальных подшипника -- верхний и нижний. В насосах износостойкого исполнения, рассчитанных на работу с повышенным содержанием механических примесей, дополнительно устанавливаются промежуточные радиальные опоры. Расстояние между промежуточными подшипниками должно соответствовать половине длины полуволны изгиба вала насоса, что предотвращает прогиб вала и снижает вибрацию. Применение промежуточных опор увеличивает ресурс износостойкого насоса в 2,5--7 раз по сравнению с обычным исполнением.
Радиальный подшипник ЭЦН состоит из двух сопряжённых деталей: неподвижной опорной втулки (вкладыша), закреплённой в корпусе подшипника или в направляющем аппарате, и вращающейся втулки, установленной на валу насоса. Зазор между втулками составляет 0,1--0,3 мм в зависимости от типоразмера и материала. Перекачиваемая пластовая жидкость является смазочной средой для пары трения.
Радиальные подшипники ЭЦН изготавливаются в нескольких конструктивных вариантах: с монолитными втулками (цельнокерамическими или твердосплавными), с составными втулками (керамические сегменты -- "пальцы" -- запрессованные в металлическую обойму) и с радиальными канавками на рабочей поверхности для улучшения циркуляции охлаждающей жидкости и отвода абразива из зоны трения.
"Пальцевая" конструкция радиального подшипника, где поверхность скольжения образована отдельными элементами из карбида кремния, обеспечивает ряд преимуществ: керамические элементы испытывают только нагрузки на сжатие (что оптимально для хрупких керамических материалов), промежутки между пальцами гарантируют надёжную смазку подшипника и ускоренный теплоотвод от трущихся поверхностей.
Стандартное исполнение: два концевых радиальных подшипника (верхний и нижний) в каждой модуль-секции. Материал пар трения -- резинометаллические втулки или чугун. Предназначены для скважин с КВЧ менее 0,1 г/л.
Износостойкое исполнение: концевые и промежуточные радиальные подшипники из карбида кремния (SiC) или карбида вольфрама (WC). Количество промежуточных опор определяется длиной секции и диаметром вала. Предназначены для скважин с КВЧ до 0,5--1,0 г/л и более.
В усовершенствованных конструкциях насосов радиальные подшипники размещают непосредственно в направляющих аппаратах ступеней. Такое решение позволяет отказаться от отдельных промежуточных подшипников, увеличить число ступеней при той же длине секции и обеспечить равномерную радиальную поддержку вала по всей его длине. Двухопорная конструкция ступени обеспечивает повышенный ресурс основной нижней опоры, более надёжную изоляцию вала от абразивной среды и увеличенную жёсткость ротора.
При работе ЭЦН на вал действует суммарная осевая сила, складывающаяся из веса ротора, перепада давления на торец вала и осевых составляющих гидродинамических сил на рабочих колёсах. Величина осевого усилия может достигать нескольких тысяч ньютонов и зависит от числа ступеней, частоты вращения и плотности перекачиваемой среды.
В отечественных конструкциях ЭЦН (серии ЭЦНМ, ЭЦН5, ЭЦН5А) осевые усилия воспринимаются упорным подшипником -- гидродинамической пятой, расположенной в верхней части модуль-секции насоса. Конструктивно пята состоит из кольца с сегментами на обеих плоскостях, устанавливаемого между двумя гладкими шайбами (подпятниками). Сегменты выполнены с наклонной поверхностью (угол скоса 5--7 градусов) и плоской площадкой длиной 0,5--0,7 от полной длины сегмента. Ширина сегмента составляет 1,0--1,4 длины.
При вращении пяты жидкость нагнетается по канавкам от центра к периферии, попадает под скос и формирует несущий гидродинамический клин между плоскими частями подпятника и пяты. В рабочем режиме трение является жидкостным, что обеспечивает низкий коэффициент трения и незначительный износ деталей. Для компенсации неточностей изготовления и восприятия ударных нагрузок под гладкие шайбы помещены эластичные резиновые шайбы-амортизаторы.
Пята традиционно изготавливается из бельтинга (технической ткани с крупными ячейками), пропитанного графитом с резиной и завулканизированного в пресс-форме. В современных износостойких исполнениях пяты изготавливают из карбида кремния или карбида вольфрама.
В большинстве насосов зарубежного производства (Schlumberger REDA и др.), а также в современных отечественных конструкциях с компрессионной сборкой ступеней, осевая нагрузка от вала насоса передаётся на усиленную осевую опору протектора (секции гидрозащиты). Это позволяет защитить упорный подшипник от прямого воздействия абразивных механических примесей, так как протектор заполнен чистым маслом. Упорный подшипник протектора обычно представляет собой многодисковую конструкцию с гидродинамическими сегментами, способную воспринимать осевые нагрузки в несколько тысяч ньютонов.
Выбор материала подшипников скольжения ЭЦН определяется абразивностью среды, температурой, химической агрессивностью пластовой жидкости (наличие H2S, CO2) и требуемым межремонтным периодом (МРП). Основные материалы пар трения, применяемые в современных УЭЦН, -- карбид кремния (SiC), карбид вольфрама (WC), силицированный графит, чугун и резинометаллические композиции.
Карбид кремния -- основной материал подшипников износостойких ЭЦН. Наиболее распространены реакционно-спечённые разновидности (SiSiC, международное обозначение -- reaction-bonded SiC), сочетающие высокую твёрдость с приемлемой технологичностью. Карбидокремниевые подшипники скольжения работоспособны практически в любой жидкости, невосприимчивы к наличию механических примесей и при удельных нагрузках до 20 кг/см2 практически не имеют износа. Однако SiC обладает существенной хрупкостью на растяжение и изгиб, а также значительной разностью коэффициентов термического расширения со сталью (4,0 x 10-6/K для SiC против 11--12 x 10-6/K для стали), что необходимо учитывать при конструировании узла посадки.
Подшипники из карбида вольфрама (твёрдый сплав WC-Co с содержанием кобальта 6--15%) применяются в радиальных опорах ЭЦН, работающих в условиях высоких ударных нагрузок. Карбид вольфрама обладает более высокой вязкостью разрушения по сравнению с SiC, что делает его предпочтительным в условиях вибрации и нестабильного режима работы насоса. Компания Schlumberger использует запатентованные радиальные подшипники ARZ из абразивостойкого карбида вольфрама в насосах REDA, обеспечивающие снижение вибрации и увеличение ресурса в скважинах с высоким содержанием песка.
При проектировании узла посадки керамического подшипника в металлический корпус необходимо учитывать разницу КТР: при нагреве от 20 до 150 градусов C стальной корпус расширится на 0,14--0,16 мм/100 мм, а вставка из SiC -- на 0,05 мм/100 мм. Разница в 0,09--0,11 мм/100 мм требует применения посадки с натягом, упругих элементов или специальных конструктивных решений (составные втулки, посадка на клей с компенсатором).
Пермское предприятие Новомет выпускает насосные секции габаритов 5 (диаметр корпуса 92 мм, мин. диаметр обсадной колонны 122 мм) и 5А (103 мм / 130 мм). В износостойком исполнении радиальные опоры изготавливаются из карбида кремния. Применяется конструкция с промежуточными радиальными подшипниками в направляющих аппаратах, обеспечивающая стабилизацию вала на всём протяжении пакета ступеней. Упорный подшипник в секциях -- гидродинамическая пята; в компрессионных исполнениях осевая нагрузка передаётся на протектор.
Насосы компании Борец серии ЭЦНМ5 в износостойком исполнении комплектуются радиальными подшипниками из сплава карбида вольфрама для предотвращения радиального износа и вибрации. Корпусные и концевые детали для агрессивных сред покрываются коррозионностойкими и износостойкими металлизированными покрытиями. Головки и основания насосов изготавливаются из высокопрочной стали, а для эксплуатации в условиях повышенного содержания H2S и CO2 -- из коррозионностойких сталей.
Альметьевское предприятие Алнас производит широкую линейку УЭЦН для различных условий эксплуатации. В износостойком исполнении применяются радиальные подшипники из твёрдого сплава (WC-Co) и карбида кремния. Рабочие колёса и направляющие аппараты для коррозионно-агрессивных условий изготавливаются из высокопрочной стали 03Х14Н7В и модифицированного чугуна ЦН16Д71ХШ.
Насосы REDA (серии A, AN, RC -- Continuum) используют запатентованные абразивостойкие радиальные подшипники ARZ из карбида вольфрама с конструкцией "компрессионного кольца" (compression-ring). Эта конструкция обеспечивает радиальную стабильность и предотвращает проворот подшипника (bearing spinning) в условиях песочного выноса. Осевая нагрузка от ступеней насоса передаётся на усиленный упорный подшипник протектора (protector thrust bearing). В высокотемпературных системах REDA Hotline (до 218 градусов C) применяются двойные керамические подшипники с песчаным экраном (sand shroud), предотвращающим накопление твёрдых частиц в зоне опоры.
Секция гидрозащиты (протектор) -- промежуточный узел между погружным электродвигателем (ПЭД) и насосом ЭЦН. Она выполняет функции: уравнивание давления во внутренней полости двигателя с давлением пластовой жидкости, компенсация теплового расширения масла, защита двигателя от попадания пластовой жидкости и передача крутящего момента от ПЭД к насосу.
Главный упорный подшипник УЭЦН расположен в секции гидрозащиты и воспринимает суммарную осевую нагрузку от ротора насоса. Это многодисковый или многосегментный гидродинамический подшипник, работающий в маслонаполненной среде. Он состоит из набора подвижных (бегунковых) и неподвижных (упорных) дисков с гидродинамическими клиновыми поверхностями. Конструкция может включать элементы восприятия нагрузки как в направлении вниз (downthrust -- основное рабочее направление), так и вверх (upthrust -- при реверсе давления или пуске). Грузоподъёмность упорного подшипника протектора -- от нескольких кН до 15--20 кН в зависимости от габарита установки.
При выборе протектора необходимо учитывать мощность двигателя, забойную температуру и осевую нагрузку от ступеней насоса. Превышение номинальной нагрузки упорного подшипника является одной из основных причин отказа УЭЦН.
Погружной электродвигатель (ПЭД) -- асинхронный маслонаполненный двигатель с короткозамкнутым ротором. Ротор набран из пакетов, смонтирован на пустотелом валу и опирается на несколько радиальных подшипников скольжения, работающих в среде маловязкого диэлектрического масла. Осевые нагрузки на ротор ПЭД воспринимаются отдельным упорным подшипником в основании двигателя. Циркуляция масла для охлаждения и смазки подшипников обеспечивается за счёт пустотелой конструкции вала. Диаметр ПЭД в стандартном исполнении составляет от 96 до 130 мм (специальные исполнения -- от 81 до 180 мм) при длине до 8 м и мощности от 16 до 550 кВт.
Анализ результатов эксплуатации УЭЦН показывает, что наиболее уязвимыми узлами являются опорно-уплотнительные системы. Основные причины отказов подшипников скольжения ЭЦН:
Основная причина выхода из строя -- абразивное разрушение пар трения частицами кварцевого песка и проппанта. Кварц (твёрдость 7 по шкале Мооса) способен изнашивать даже твёрдые сплавы; только карбид кремния (SiC, твёрдость 9--9,5 по шкале Мооса) обеспечивает сопоставимую или более высокую твёрдость рабочих поверхностей.
Износ радиальных подшипников приводит к увеличению зазора в паре трения, что вызывает прогиб вала, контакт рабочих колёс с направляющими аппаратами (задиры ступеней) и рост вибрации. Порочный круг: вибрация ускоряет износ подшипников, а износ подшипников усиливает вибрацию.
Превышение расчётной осевой нагрузки на упорный подшипник (вследствие неправильного подбора насоса, работы на закрытую задвижку, газовых пробок) приводит к разрушению гидродинамического масляного клина и переходу от жидкостного трения к граничному, что вызывает интенсивный нагрев и разрушение пяты.
Ниже представлены ссылки на комплектующие, применяемые в насосном и нефтедобывающем оборудовании, включая подшипники скольжения, упорные подшипники и элементы привода.
В износостойком исполнении радиальные подшипники ЭЦН изготавливаются из карбида кремния (SiC, реакционно-спечённый SiSiC) или карбида вольфрама (WC-Co, твёрдый сплав). Карбид кремния применяется в скважинах с высоким содержанием механических примесей благодаря наивысшей абразивной стойкости (твёрдость 2000--2800 HV в зависимости от типа спекания). Карбид вольфрама предпочтителен при высоких ударных нагрузках и вибрации благодаря более высокой вязкости разрушения.
В отечественных конструкциях ЭЦН (ЭЦНМ, ЭЦН5) упорный подшипник (гидродинамическая пята) размещается в верхней части модуль-секции насоса. В большинстве зарубежных конструкций (Schlumberger REDA) и в современных отечественных насосах с компрессионной сборкой ступеней осевая нагрузка передаётся на усиленный упорный подшипник протектора (секции гидрозащиты), защищённый от абразива маслонаполненной средой.
Карбид кремния сохраняет рабочие свойства при температурах свыше 1000 градусов C, однако в условиях ЭЦН максимальная температура пластовой жидкости ограничена 150 градусов C для стандартных установок и до 218 градусов C для специальных высокотемпературных систем (например, Schlumberger REDA Hotline). Лимитирующим фактором являются не керамические подшипники, а уплотнительные элементы, кабель и масло ПЭД.
Вал ЭЦН может достигать длины 50 м при диаметре всего 17--27 мм. При вращении со скоростью 2910 об/мин (или до 6000 об/мин при ЧРП) такой вал склонен к прогибу и резонансным колебаниям. Промежуточные радиальные подшипники, установленные через каждые 15--30 ступеней (на расстоянии, равном половине полуволны изгиба вала), обеспечивают прямолинейность вала и предотвращают контакт рабочих колёс с направляющими аппаратами. Это увеличивает ресурс насоса в 2,5--7 раз.
Применение подшипников качения в погружных центробежных насосах невозможно по нескольким причинам: крайне малый диаметр корпуса (86--130 мм), не позволяющий разместить подшипники качения стандартных серий; работа в абразивной пластовой жидкости без возможности изоляции и смазки; высокая осевая длина ротора (до 50 м), требующая множества точек радиальной опоры. Подшипники скольжения из SiC или WC оптимальны для этих условий благодаря компактности, способности работать в абразивной среде и допустимости смазки перекачиваемой жидкостью.
Механические примеси (кварцевый песок, проппант после ГРП) являются основной причиной износа подшипников ЭЦН. Частицы кварца с твёрдостью 7 по шкале Мооса (800--1100 HV) разрушают стандартные резинометаллические и чугунные пары трения за 200--600 суток. Применение подшипников из карбида кремния (твёрдость 9--9,5 по Моосу, 2200--2800 HV) позволяет увеличить межремонтный период до 1000--1500 суток и более при содержании КВЧ до 0,5 г/л.
Ротор погружного электродвигателя (ПЭД) опирается на радиальные подшипники скольжения, работающие в маслонаполненной среде (диэлектрическое масло). Осевые нагрузки воспринимает упорный подшипник в основании двигателя. Масло выполняет одновременно функцию смазки подшипников и отвода тепла. Гидрозащита (протектор) предотвращает попадание пластовой жидкости в полость ПЭД и деградацию масла.
Основное различие: в большинстве конструкций REDA осевая нагрузка с рабочих колёс передаётся на вал (компрессионная или "floater" сборка) и далее на усиленный упорный подшипник протектора, работающий в чистом масле. В классических отечественных конструкциях (ЭЦНМ) осевая опора (пята) расположена непосредственно в секции насоса, где подвержена воздействию абразива. Кроме того, REDA использует запатентованные радиальные подшипники ARZ из карбида вольфрама с конструкцией "компрессионного кольца", предотвращающей проворот подшипника в корпусе.
При подборе протектора необходимо рассчитать суммарную осевую нагрузку на вал от ступеней насоса (зависит от числа ступеней, частоты вращения, плотности жидкости и перепада давления) и убедиться, что она не превышает номинальную грузоподъёмность упорного подшипника протектора. Необходимо также учитывать максимальную забойную температуру (грузоподъёмность пяты снижается с ростом температуры из-за уменьшения вязкости масла) и мощность двигателя. Графики зависимости грузоподъёмности от температуры приводятся в каталогах производителей протекторов.
Основные нормативные документы: ГОСТ Р 56830-2015 (нефтяная и газовая промышленность, установки скважинных электроприводных лопастных насосов -- общие технические требования), ТУ конкретных предприятий-изготовителей (Новомет, Борец, Алнас), API RP 11S2 (рекомендуемая практика по испытаниям ESP), а также стандарты на материалы -- ГОСТ 3882-74 (сплавы твёрдые спечённые, марки). Испытания насосов REDA проводятся в соответствии с API RP 11S2.
Данная статья носит исключительно ознакомительный и информационно-справочный характер. Представленные материалы основаны на открытых технических источниках, каталогах производителей, учебной литературе и общепринятой инженерной практике в области нефтедобычи. Автор и издатель не несут ответственности за любые последствия, возникшие в результате использования информации из данной статьи. Подбор и замена подшипников и комплектующих УЭЦН должны осуществляться квалифицированными специалистами с учётом технической документации конкретного оборудования, условий эксплуатации скважины и рекомендаций производителя.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.