Pumping equipment for offshore deep water &amp

Pumping equipment for offshore deep water & marginal oilfields
Weir Pumps Ltd has a long history of advances in pumping technology and is at the
forefront of developing novel equipment for oil production for both on and offshore
installations. Willie Vance, senior project sales engineer at Weir Pumps, looks at some of
the latest Downhole Fluid Handling Technologies while below Graham Kent, applications
manager at Weir Pumps, provides an overview of developments in water injection
technology...
To ensure difficult or marginal oil fields are economically viable means maximising
recoverable reserves, which demands innovative thinking by equipment suppliers. Amongst the
most challenging applications are high pressure water injection pumps for pressure maintenance
and produced water disposal and downhole units for oil boosting and aquifer water winning.
Hydraulic turbine driven downhole pumps have been developed over a number of years
and been proven in a variety of difficult applications. An update on this technology (with more
recent developments to maximise potential for usage) is given at the end of the article by Willie
Vance, but to open we are going to look at the development of ultra high-pressure water injection
pumps.
Advanced class ultra high pressure pumps
With the move to deeper water to find oil (and also long reach horizontal drilling to tieback remote oil finds to existing platforms) the requirements for reservoir pressure maintenance
has been rising to the point where 450 bar is not uncommon, with up to 600 bar for well
fracturing. Previously, high pressures such as these have been achieved by series pumping.
While this has generally been successful, the mechanical seals employed in the second high
pressure unit have needed to be offloaded to a pressure which can be reasonably handled usually less than 120 bar. The added equipment and complications involved with this
arrangement has the potential for operational problems with the seals - undoubtedly the most
sensitive component in the pump. In addition, the series pumping scheme requires additional
valves, piping, motor starters and cabling, along with associated instrumentation and more
complex control systems. A single pump to produce the full pressure would have none of these
drawbacks and would take up less space, which is extremely valuable on offshore installations.
What's more, a single pump could be installed for much lower capital cost.
As pumps of this type are not currently available in the market place, Weir Pumps have
developed a design to fill this gap. The development project undertaken included studies of
various hydraulic and mechanical scenarios to identify the configuration that would result in the
best combination of hydraulic performance and mechanical integrity to give maximum reliability
and availability. Whilst our engineers are keen to be innovative with design concepts, we are also
aware that our customers need a high degree of confidence in any new product before it is
installed offshore or at any other remote location. We therefore needed to incorporate as many
proven features into the product as possible.
The aims and objectives for this project are summarised as follows:
• Due to high reservoir pressures water injection pumps involved in the project will be
operating at discharge pressures far higher than those previously experienced within the oil
industry
• With a high level of safety and reliability being paramount, it is required that centrifugal
pump technology is developed to a standard far higher than the current ranges available on the
modem market
• Through life efficiency will remain a key consideration although small sacrifices of
efficiency would be preferred over any sacrifice in reliability
• Expected service life of 25 years
• Pumps to be suitable for seawater or produced water or a combination of both
• The water injection pump design will cover a pressure range up to 600 bar
• The design will be a one-pump arrangement as a multiple pump single shaft type design
is unacceptable.
The design process
With its long history of designing engineered solutions to fluid pumping problems, Weir
elected to develop a pump design from solid proven fundamentals for the required duties rather
than to stretch an existing design to its limits. This ensures that the selected design will operate at
its optimum duty point rather than at the extremes of its capability. Basic hydraulic and
mechanical design fundamentals were therefore established for the envisaged operating range
and duty requirements. An iterative process was then followed during which the design was
refined to generate the optimum solution. Key characteristics were identified to compare each
proposed feature leading through from intermediate design models to the final solution.
Comparing the design solutions
As the design process generated a number of alternative solutions to the basic
requirements, a list of key pumping features was generated to form the basis of a risk analysis
leading to the final solution.
Key features
The key design features addressed in the risk analysis are presented below together with a
brief description of their criticality:
1. Mechanical Seal Selection: Highpressure high-speed application requires careful
evaluation of seal selection to ensure extended periods between overhauls and maintenance.
2. Bearing Selection: High-speed application requires stable bearing regimes and suitably
sized thrust capability.
3. Rotor Dynamics: High-speed multistage application requires stable, wear tolerant rotor
dynamics with minimised rotor deflections to improve reliability and reduce tailoff in efficiency
rating.
4. Wear Rates: Sand content of produced water is unknown and wear rate is critical to
overhaul periods and efficiency.
5. Pressure Integrity of the Design: High-pressure rating exceeds known experience in
injection water applications.
6. Ability to Manufacture: Highpressure rating requires heavy construction of main
pressure containment, exceeding normal experience in duplex water injection applications.
7. Ability to Maintain in the Field: High generated head requires multistage construction
which can be difficult to maintain if incorrectly designed.
8. Through Life Cost: Major benefit to end-user with respect to both OPEX and
environmental considerations.
Risk analysis of key features
The key features of the pump design were plotted on a risk assessment chart as shown in
Figure 1. The assessment of each design feature was based upon its impact on reliability and
platform revenue and the degree of difficulty assumed in risk management.
Areas of key concern were identified by looking at the features with a high score on both
axes of the Risk Assessment Chart. The areas of key concern are:
• Rotor Dynamics
• Wear Rates
• Ability to maintain in the field.
The design options were assessed against these critical design features to arrive at the
optimum solution.
Design solutions
The Weir OK range of centrifugal multistage barrel pumps featuring full cartridge
withdrawal facilities was taken as a general basis for the new pump design. Specific elements of
this design were then analysed with variations generated to meet the performance requirements
of high pressure duties. These elements were used to develop alternative pump designs, which
were assessed against the areas of key concern in order to arrive at the final optimum solution.
Key design elements
The specific areas of design analysed were:
• Pressure containment
• Hydraulic element arrangement
• Suction approach
• Product lubricated bearings.
Pressure containment
Two pressure containment options were analysed. A shear ring/retaining ring arrangement
and a bolted end cover arrangement. The shear ring cartridge lock system eliminates the need for
heavy casing studs, additional sealing flanges and hydraulic tensioning systems, and contributes
to significant reduction in cartridge replacement down time. For the bolted end cover
arrangement, axial loading is distributed through equi-spaced studs. These studs are
hydraulically tensioned to generate preload and prevent any distortion effects arising from
pressure and/or temperature. In addition, the bolted arrangement allows face 'O' rings to be fitted
to the main pressure containment joint. This provides added security against leakage at bore 'O'
rings, caused by extrusion effects at extreme pressures. The bolted design is therefore the
preferred arrangement of pressure containment due to the extreme pressure integrity
requirements and was used on all concept designs.
Suction branch location
Three methods for suction branch locations were analysed. A conventional arrangement
(located at the pump drive end), the suction guide positioned over the impellers, and a central
suction guide.
In the conventional arrangement, the suction guide approach is contained within the end
cover with a smooth sweep directing the flow of injection water directly into the impeller eye.
The second option - where the suction guide is positioned over the impellers/pump
cartridge - allows the pressure breakdown bush and seal area to be recessed into the suction
cover. This reduces the bearing centres and gives improved rotor dynamics.
With the suction guide positioned centrally, a front-to-front opposed impeller design can be
used. This builds on the advantages of positioning the suction guide over the impellers and
ensures that the critical pressure boundary seals are located in a fully axi-symmetric area of the
barrel. This completely avoids any unwanted distortion effects and ensures that pressure integrity
is optimised.
The final, 'centrally positioned' option is the preferred arrangement due to the extreme
pressure integrity requirement and is utilised where possible in the concept designs.
Product lubricated bearings
Due to the high operating speeds of the pumpset, the rotodynamics cannot be
compromised. To cope with the rigorous pumping demands, whilst promoting safety and
reliability, a stiff bearing philosophy is recommended whereby the rotor has high damping coefficient, minimal deflections and good wear tolerances. The most effective way of ensuring that
these factors are obtained is to promote a good flow of fluid through the internal bearings by
maintaining good pressure differentials at all times. Location of these bearings is also a major
factor and is facilitated by the hydraulic element arrangement.
Hydraulic element arrangement
Three possible arrangements for the impellers were analysed, these being an in-line
arrangement, a back-toback opposed arrangement, and a front-to-front arrangement. In all
arrangements the impellers, balance piston and thrust collar are shrunk onto the shaft and keys
are fitted to transmit the torque.
A number of design elements previously described can only be utilised in specific
hydraulic element arrangements. Each produces a different degree of rotor damping due to the
number and position of high pressure internal bearings (see figure 2).
As can be seen, the 'front-to-front' opposed impeller arrangement affords the best rotor
dynamic response characteristics as the product lubricated bearings have a high pressure
differential across them and the rotor is therefore inherently stable with all natural frequencies
critically damped and removed from running speed. This ensures that through life wear is
minimised and through life cost is thereby reduced. Also, this arrangement avoids the assembly
and maintenance difficulties of a back-to-back design by mounting the impellers conventionally
with the eye orientation towards the middle of the pump. The impellers are assembled and
removed from the hub direction giving full access and allowing a conventional build approach to
be
adopted,
thus
significantly
increasing
reliability
of
original and future builds and ease of maintenance. A centrally arranged suction guide is also
utilised with this arrangement, which when combined with the bolted end cover arrangement
provides maximum pressure boundary integrity for the extreme pressure requirements.
Summary
From this evaluation it is clear that the Weir opposed front-to-front impeller pump (as
shown in figure 3) is a robust design solution to Ultra High Pressure Water Injection
requirements and has important design features including:
• Face 'O' rings on key pressure containment joints
• Centrally located suction and discharge branches for minimum distortion
• Full pressure boundary design to discharge design pressure
• High pressure product lubricated bearings
• Stable, fully damped rotor dynamics
• Face-to-face opposed impeller design for maintainability
• Expected mean time between overhaul of 5 years minimum
• Significant saving on platform support structure, piping, electrical and instrumentation
systems compared with series pumping option (i.e. two pumps)
• Circa 20% saving on CAPEX cost over series pumping option
• Circa 40% saving on OPEX cost over series pumping option.
Produced water applications
On water injection applications where groundwater or produced water is reinjected into the
formation rock, it is often physically or environmentally difficult to remove the suspended solids
from the injection fluid. This necessitates the injection pump handling a very abrasive and
corrosive fluid, which often becomes more abrasive and corrosive as the field is further worked.
The original technology supplied for such services in the early to mid 1980's was Duplex
Stainless Steel Impellers and Diffusers with hard faced wear surfaces, in cobalt based alloys, on
wear rings and balance drams.
In certain applications, in Alaska, the quality of the injection fluid deteriorated and the
typical operating time between major overhauls reduced to between 6 to 8 months. The units
suffered from severe erosion, tripping out on high vibration levels due to excessive wear ring and
balance dram clearances. The rear shrouds on all impellers, with the exception of the delivery
stage, were found to be very heavily eroded at the hub/shroud intercept, with perforations into
the impeller's flow passage in several places (see Figure 4). The impeller vanes at inlet also
showed signs of erosion at the hub. Impeller wear rings were loose due to erosion of the securing
pins, with the hub ring clearance at 9 times the maximum design clearance and the balance drum
clearance at 3 times the maximum design clearance. Balance drum bushes suffered significant
material loss at inlet, resulting in total loss of the front portion of the bushing. This damage
significantly increased the balance fluid flow with the effect of escalating the rate of material
loss.
In late 1989, Weir Pump engineers responded by bringing together Weir Material Ltd's
Super Duplex Stainless Steel "Zeron 100" and Boarts Hot Isostatic Pressed Sintered Tungsten
Carbides "S6" and "S10" in order to solve the erosion, corrosion and wear problems associated
with pumping produced water containing large quantities of formation and/or "frac" sand.
Using installation techniques pioneered for the retention of Silicon Carbide sleeves in
product lubricated bearings, coupled with Finite Element Analysis of assembly, transportation,
and operational stress levels in both carbide and metallic carriers, stationary and rotating wear
surfaces have been fitted with solid carbide components. The advantage of this is the available
depth of wear surface. Carbide coatings have a more limited life due to their radial thickness
being only circa 0.8mm after finish machining. With solid carbide, however, the minimum radial
wear depth available is 3mm. After 11 years operational experience utilising this technology
service lives between overhauls of circa 4 years (i.e. 35,000 hours) have been achieved. This
represents an increase in average operational life of 600%.
Figure 5 is a close-up of a Solid Sintered Tungsten Carbide impeller wear ring, with
integral shroud protector, after 9,5 months service in Produced Water. Comparison with figure 4
shows the significant step change that the technology provides.
Over the decade that this technology has been available, it has been successfully applied to
new, purpose built equipment and, retrospectively, to existing pumps of Weir and non-Weir
origin, when the pumpage and high injection pressures have demanded this optimum solution.
Figure 1. Risk Assessment Chart. Each of the numbers corresponds to an item from the key
features list.
Figure 2. Rotor response plots for the various hydraulic element arrangements.
Figure 3.Weir Advanced Class Ultra High Pressure Pump.
Figure 4. Standard duplex stainless steel impeller after 7 months service.
Figure 5. “STC” wear ring after 9.5 months service.
Насосное оборудование для морских и отдаленных
месторождений
Компании Weir Pumps Ltd1 принадлежит многолетняя история достижений в
технологиях перекачивания. Компания является одной из передовых в разработке
нового нефтепромыслового оборудования для использования как на суше, так и в
море. Уилли Вэнс, главный инженер проекта по продажам компании Weir Pumps,
рассматривает некоторые последние достижения Downhole Fluid Handling
Technologies2, в то время как Грэхэм Кент,
менеджер по использованию
оборудования в Weir Pumps, проводит обзор разработок в технологиях закачки
воды...
Гарантировать, что труднодоступное или морское месторождение является
экономически жизнеспособным, – значит довести до максимума извлекаемые запасы, что
требует от поставщиков оборудования рационализаторского мышления. Среди наиболее
конкурентоспособных предложений выделяются насосы для закачки воды под высоким
давлением для поддержания давления, установки сброса добытых вод и скважинные
установки для наддува нефти и добычи законтурной воды.
Погружные насосы, приводимые в действие гидравлическими турбинами, были
разработаны несколько лет назад, и было доказано, что двигатели можно применять в
различных сложных условиях. Доработка этой технологии (с более новыми разработками,
которые были призваны довести до максимума потенциал использования) приведена в
конце статьи, написанной Уилли Вэнсом, но вначале мы собираемся привести обзор
разработок насосов сверхвысокого давления для закачки воды.
Новейшие разработки среди насосов сверхвысокого давления.
Тенденция исследования и разработки глубоководных месторождений нефти (а
также горизонтальное бурение дальней досягаемости для оттяжки нефти из целиков к
существующим платформам) подняла требования к поддержанию пластового давления с
точки, где 450 бар (45 МПа) является незаурядным, до давления 600 бар (60 МПа),
применяемого для проведения гидроразрыва пласта. Ранее подобные давления
достигались применением последовательности (серии) насосов. Хотя в общем это
решение было удачным, механические уплотнения, применяемые во втором насосе
высокого давления, необходимо было разгрузить до разумных давлений – как правило, не
более 120 бар (12 МПа). Дополнительно устанавливаемое оборудование и осложнения,
вызванные такой компоновкой, грозили осложнениями с сальниками – несомненно, самой
чувствительной частью насоса. Кроме того, схема серийного подключения насосов
требовала дополнительных задвижек, сети трубопроводов, пускателей электродвигателей
и прокладки кабеля наряду со связанными контрольно-измерительными приборами и
более сложными контрольными системами. При использовании одного насоса для
создания того же давления он не будет иметь ни одного из вышеперечисленных
недостатков, и к тому же будет занимать меньше места, что крайне важно при
эксплуатации шельфовых установок. Кроме того, капитальные затраты на единственный
насос намного меньше.
Так как подобные насосы сейчас отсутствуют на мировом рынке, компания Weir
Pumps разработала проект, чтобы занять эту нишу. Опытно-конструкторская работа
включила в себя изучение различных гидравлических и механических вариантов решений,
чтобы определить конфигурацию, которая в результате даст наилучшее сочетание
пропускной способности и механической целостности для обеспечения максимальной
1
2
ООО «Водосливные насосы»
Технологии подземной перекачки жидкостей
надежности и доступности. Пока наши инженеры стремятся модернизировать
конструкторские решения, мы также понимаем, что наши покупатели хотят быть точно
уверены в надежности наших новых изделий до того, как они будут установлены на
шельфе или в других труднодоступных местах. Поэтому нам необходимо включать в
конструкцию изделия как можно больше испытанных элементов.
Цели и задачи этого проекта кратко изложены ниже:
• вследствие высокого пластового давления насосы для закачки воды, применяемые в
рамках проекта, должны работать при более высоком давлении на выходе, чем обычно
требовалось для нефтяной промышленности;
• помимо высокой степени безопасности и превосходной надежности требуется,
чтобы технология работы центробежных насосов была разработана по более высоким
стандартам, чем ныне действующие модели, доступные на современном рынке;
• пожизненная работоспособность будет оставаться главным достоинством, хотя
небольшую часть эффективности предпочтут принести в жертву надежности;
• предполагается, что срок службы составит 25 лет;
• насосы подойдут и для морской воды, и для попутно добываемой воды, и для их
смеси;
• проект насоса для закачки воды покроет диапазон изменения давлений вплоть до
600 бар (60 МПа);
• проект схемы содержит один насос, так как схема с несколькими насосами на
одном валу является неприемлемой.
Процесс проектирования
Приняв во внимание многолетнюю историю разработки инженерных решений
проблем перекачки жидкости, компания Weir решила создать проект насоса требуемой
производительности используя точные, доказанные основные положения, нежели
подгонять существующие модели под рамки производительности. Это гарантирует, что
выбранная модель будет работать скорее в точке оптимального КПД, чем на границах
интервала мощности. Таким образом, были установлены основные положения
проектирования в гидравлике и механике для предусмотренного интервала работы и
требований мощности. Затем последовал итерационный процесс, в течение которого
проект совершенствовался для создания оптимального решения. Были определены
ключевые характеристики для сравнения каждого предлагаемого элемента на пути
развития проекта от промежуточных моделей к конечному решению.
Сравнение конструкторских решений
Так как в процессе проектирования было создано большое количество вариантов
решений, соответствующих основным требованиям, был составлен список основных
требований к характеристикам насосов с целью сформировать основу для анализа
степеней риска, что в итоге привело к выбору конечного решения.
Ключевые характеристики
Основные конструктивные характеристики, предназначенные для анализа степеней
риска, представлены ниже вместе с кратким описанием их критичности:
1. Подбор механического уплотнения: его применение в условиях высокого давления
и большой скорости вращения вала требует аккуратности при выборе сальников для
обеспечения продолжительности периодов между капитальным ремонтом и
техобслуживанием насоса.
2. Выбор подшипников: применение в условиях большой скорости требует
постоянных режимов несущей нагрузки и подходящих по величине осевых сил.
3. Динамические характеристики ротора: высокоскоростное многоступенчатое
применение требует от ротора устойчивости и износостойкости с минимальными
отклонениями в сторону повышения надежности и показателей эффективности.
4. Уровень износа: содержание песчаных примесей в воде неизвестно, и поэтому
скорость износа является критичной для определения эффективности и величины
межремонтного периода.
5. Планируемая герметизация: границы рабочего интервала высокого давления
превосходят давления тех насосов, которые ранее использовались для закачки воды.
6. Возможность производства: рабочие характеристики при высоком давлении
требуют применения тяжелых конструкций в главных герметизирующих элементах, в
отличие от обычного использования двойных насосов для закачки воды.
7. Возможность обслуживания «в поле»: высокий создаваемый напор требует
многоступенчатого конструирования, которое может быть сложным в обслуживании, если
при проектировании были допущены погрешности.
8. Стоимость срока службы: главное преимущество для конечного пользователя,
наряду с учетом эксплуатационных расходов и расходов на защиту окружающей среды.
Анализ степеней риска по ключевым характеристикам
Ключевые характеристики проекта насоса были построены на диаграмме оценки
рисков, как показано на рис. 1. Оценка каждой конструктивной особенности основывалась
на ее влиянии на надежность и базовые доходы, а степень сложности была учтена в
оценке риска.
Участки ключевых интересов были определены после рассмотрения характеристик с
высокими значениями показателей на обеих осях диаграммы оценки рисков. Участки
ключевых интересов - это:
• динамические характеристики ротора;
• скорость износа;
• возможность проведения техобслуживания «в поле».
Версии проекта были оценены по этим критическим конструктивным особенностям
с целью принятия оптимального решения.
Конструкторские решения
Ассортимент успешно завершенных моделей центробежных многоступенчатых
двухкорпусных насосов компании Weir, допускающих возможность извлечения целого
патрона, был принят за основу для разработки новых насосов. Затем характерные
элементы этого проекта были проанализированы с внесением изменений, обусловленных
работой при высоком давлении. Эти элементы были использованы для разработки
альтернативного варианта насоса, который был оценен по отношению к участкам
ключевых интересов с целью принятия окончательного оптимального решения.
Ключевые проектируемые элементы
Проанализированными характерными зонами проектирования были:
• герметизация;
• порядок размещения гидравлических элементов;
• технология всасывания;
• подшипники, смазываемые перекачиваемой жидкостью.
Герметизация
Были проанализированы два варианта герметизации. Схема с кольцевой
шпонкой/стопорным кольцом и схема с торцевой крышкой, привинченной шпильками.
Фиксирующая система с патроном, соединенным кольцевой шпонкой, устраняет
потребность в тяжеловесных шпильках для кожуха, дополнительных герметизированных
фланцах и системах гидравлического натяжения, а также значительно снижает время
простоя при замене патронов. Для схемы с приболченной торцевой крышкой осевая
нагрузка распределяется посредством шпилек с равной площадью сечения. Эти шпильки
испытывают гидравлическое натяжение для создания предварительной нагрузки и
предотвращения появления любых перекосов, возникающих вследствие изменения
давления и/или температуры. К тому же, схема со шпильками позволяет присоединять
торцовые уплотнительные кольца к главному герметизирующему узлу. Это обеспечивает
дополнительную защиту от утечек в канавках уплотнительных колец, вызванных
эффектом сжатия при крайне высоких давлениях. Поэтому предпочтительной схемой
герметизации является схема со шпильками по причине крайне высоких требований к
герметичности. Эта схема была использована во всех концептуальных проработках.
Размещение зоны всасывания
Были рассмотрены три способа размещения зоны всасывания. Стандартный способ
размещения (всасыватель расположен на том же конце насоса, что и двигатель);
всасыватель, расположенный над рабочими колесами насоса, и центральное расположение
всасывателя.
При стандартном способе размещения всасывателя он находится в торцевой крышке
вместе с полированным направляющим аппаратом, который устремляет поток
всасываемой воды прямо в отверстие рабочего колеса.
Второй вариант – при котором всасыватель расположен над рабочими колесами или
патроном насоса – позволяет поместить герметизирующую втулку и сальник уплотнения
под кожух. Это уменьшает расстояние между центрами подшипников и улучшает
динамические характеристики ротора.
Если всасыватель расположен по центру, то может быть использована расстановка
рабочих колес «лицом к лицу». Этот метод основывается на преимуществах расположения
всасывателя над рабочими колесами и гарантирует, что крайние подшипники
критического давления будут расположены полностью осесимметрично относительно
цилиндра насоса. Это полностью исключает любые нежелательные перекосы и
обеспечивает оптимальность герметизации.
Последний вариант с центральным расположением всасывателя является наиболее
предпочтительным по причине соответствия требованию наилучшей герметичности;
вариант при возможности используется в концептуальных проработках.
Подшипники, смазываемые перекачиваемой жидкостью
По причине высоких рабочих скоростей насосной установки динамические
характеристики ротора не могут подвергаться риску. Чтобы удовлетворить жесткие
требования к подаче насоса, одновременно с обеспечением безопасности и надежности,
рекомендуется строгий подход к выбору подшипников, посредством которого ротор
обладает высоким коэффициентом демпфирования, минимальными деформациями и
хорошим допуском на износ. Наиболее эффективный способ обеспечить соблюдение этих
факторов – поддерживать необходимый поток жидкости через внутренние подшипники
путем создания необходимых постоянных перепадов давления. Расположение этих
подшипников также является важным фактором и определяется расположением
гидравлических элементов.
Расположение гидравлических элементов
Рассматривались три возможных схемы расположения рабочих колес, это
расположение в один ряд, расположение «спиной к спине» и «лицом к лицу». Во всех
схемах расположения рабочих колес уравновешивающий поршень и упорное кольцо
натянуты на вал, а шпонки используются для передачи крутящего момента.
Большое количество проектируемых элементов, описанных ранее, могут быть
использованы только в характерных схемах расположения гидравлических элементов.
Каждый из них получает определенную долю работы ротора в соответствии с числом и
положением внутренних подшипников высокого давления (см. рис. 2).
Как можно увидеть, расположение рабочих колес «лицом к лицу» позволяет достичь
лучших характеристик динамики ротора, так как подшипники, смазываемые
перекачиваемой жидкостью, обладают высоким дифференциалом давления на своем
протяжении, и, таким образом, основа ротора является неподвижной, а на рабочей частоте
вращения все естественные колебания амортизируются или вовсе исчезают. Это
обеспечивает минимальный износ в течение срока работы, а следовательно, уменьшение
эксплуатационных затрат. Также применение этого расположения помогает избежать
трудностей со сборкой и обслуживанием варианта «спиной к спине», так как рабочие
колеса установлены, условно говоря, отверстием к центру насоса. Рабочие колеса
монтируются в центрально-осевое положение и демонтируются из него, что обеспечивает
полный доступ и позволяет применять обычный подход к конструированию, таким
образом, значительно повышается надежность и простота обслуживания данной и
последующих конструкций. При данном расположении элементов также применяется
центральное расположение всасывателя, которое в сочетании с приболченной торцевой
крышкой обеспечивает максимальные границы сохранения герметичности при крайне
высоких требованиях к давлению.
Вывод
Из данного обзора очевидно, что использование компанией Weir расположения
рабочих колес насоса «лицом к лицу» (как показано на рис. 3) являются надежным
дизайнерским решением в условиях требований закачки воды под сверхвысоким
давлением и обладает важными конструктивными особенностями:
• торцовые уплотнительные кольца в герметизирующих соединениях
• центрально расположенный всасыватель и впускной патрубок для минимизации
искажения потока
• проектирование с учетом границ полного давления для уменьшения
проектируемого давления
• подшипники высокого давления, смазываемые перекачиваемой жидкостью
• стабильная, полностью демпфированная динамика ротора
• рабочие колеса, расположенные «лицом к лицу», для простоты обслуживания
• средний ожидаемый межремонтный период не менее 5 лет
• значительная экономия на структуре поддержки платформы, прокладке
трубопровода, электрических и инструментальных систем по сравнению с применением
последовательности насосов(например, двух)
• около 20% экономии на капитальных затратах по сравнению с применением
последовательности насосов
• около 40% экономии на эксплуатационных расходах по сравнению с применением
последовательности насосов.
Использование перекачиваемой воды
При использовании закачки воды (когда грунтовые или добытые воды заново
закачиваются в продуктивный пласт) по физическим или связанным с окружающей
средой причинам зачастую бывает трудно удалить взвешенные твердые частицы из
закачиваемой жидкости. Это влечет за собой то, что закачивающий насос работает с
крайне абразивной и коррозионно-активной жидкостью, которая зачастую становится
более абразивной и коррозионно-опасной по мере выработки месторождения.
Оригинальная технология, применяемая в таких условиях с середины 1980-х, - это Duplex
Stainless Steel Impellers and Diffusers3 с твердыми поверхностями истирания, из сплавов на
основе кобальта, на кольцах для компенсации износа и балансировочном барабане.
В определенных условиях применения, на Аляске, качество закачиваемой жидкости
ухудшено, и средний межремонтный период снизился до 6-8 месяцев. Детали
разрушались из-за сильной эрозии, подъема в условиях сильной вибрации из-за
чрезмерных зазоров на кольцах для компенсации износа и балансировочном барабане.
Было обнаружено, что задние поверхности всех рабочих колес, за исключением
выпускного яруса, были сильно эродированы на пересечении втулки и задней
поверхности, с отверстиями в проходном сечении рабочих колес в нескольких местах (см.
рис. 4). Лопасти рабочих колес на впуске также имели следы эрозии у втулки. Кольца для
компенсации износа рабочих колес отсутствовали вследствие эрозии фиксаторов
предохранителей, с зазором у кольца втулки в 9 раз и зазором у балансировочного
3
Сдвоенные рабочие колеса и диффузоры из нержавеющей стали
барабана в 3 раза больше проектированного. Втулка на балансировочном барабане
показала значительные потери материала на впуске, что привело к итоговой потере
передней части втулки. Это повреждение значительно увеличило поток жидкости через
балансир с эффектом увеличения темпа потери материала.
В конце 1989 года инженеры Weir Pump отреагировали на проблему и скомпоновали
вместе Weir Material Ltd's Super Duplex Stainless Steel «Zeron 100»4 и Boarts Hot Isostatic
Pressed Sintered Tungsten Carbides «S6» и «S10»5, чтобы остановить проблемы эрозии,
коррозии и износа, связанные с перекачиванием воды, содержащей большие количества
породы и/или «осколков» песка.
Использование технологий установки, впервые примененных для удержания муфт из
карбида кремния в подшипниках, смазываемых перекачиваемой жидкостью, в сочетании с
анализом методом конечных элементов сборки, транспортировки, уровня рабочего
напряжения в карбидных и металлических несущих элементах, стационарных и
вращающихся поверхностях износа, подошли для компонентов из твердого карбида.
Преимущество этого – допустимая толщина поверхностей износа. Карбидные покрытия
имеют более ограниченный срок службы из-за их радиальной толщины (всего около 0,8
мм) после окончания машинной обработки. Но при использовании твердого карбида
минимальная допустимая радиальная толщина – 3 мм. После 11-летнего опыта
использования этой технологии был достигнут срок межремонтного периода около 4 лет
(т.е. 35 000 часов). Это означает повышение среднего срока службы на 600%.
Рисунок 5 – крупный план кольца для компенсации износа рабочего колеса из
твердого карбида со впеканием вольфрама с цельным протектором задней поверхности
колеса после 9,5-месячной работы в сбрасываемой воде. Сравнение с рис. 4 показывает
значительные ступенчатые изменения, обеспеченные технологией.
Через десять лет, после того, как эта технология стала доступна, она стала успешно
применяться в новом оборудовании, конструируемом для определенной цели, и, в
прошлом, в существующих насосах, произведенных как компанией Weir, так и другими,
где перекачивание и высокие давления нагнетания требовали это оптимальное решение.
Рисунок 1. Диаграмма оценки рисков. Каждое из чисел соответствует номеру из перечня
ключевых характеристик.
Супер дюплексная нержавеющая сталь «Зерон 100» ООО «Водосливные материалы»
Алмазные карбиды со впеканием вольфрама горячей изостатической прессовки Sintered Tungsten «С6» и
«С10»
4
5
Рисунок 2. Эпюры нагрузки на ротор для различного размещения гидравлических
элементов.
Усовершенствованный насос компании Weir класса сверхвысокого давления
Особенности:
1. Сболченные главные уплотнения кожух/поверхность для герметичности при
сверхвысоком давлении.
2. Расположение рабочих колес «лицом к лицу» для уменьшения осевой нагрузки и
возможности техобслуживания.
3. Подшипники высокого давления, смазываемые перекачиваемой жидкостью,
расположены, чтобы позволять критически демпфированному ротору при резонирующей
частоте легко сменить эту скорость вращения.
4. Стандартное механическое уплотнение, работающее при давлении в узле.
5. Стандартные внешние гидродинамические подшипники.
Рисунок 3. Усовершенствованный насос компании Weir класса сверхвысокого давления.
Рисунок 4. Стандартное сдвоенное рабочее колесо из нержавеющей стали после работы в
течение 7 месяцев.
Рисунок 5. Кольцо компенсации износа из карбида со впеканием вольфрама после работы
в течение 9,5 месяцев.