Стрекалов А.В. Математические модели гидравлических систем для управления системами поддержания пластового давления

Подождите немного. Документ загружается.

171

дах, а также как гидравлический пульсатор принудительного действия

для обработки призабойной зоны нефтяных скважин упругими волна-

ми жидкости. В процессе действия клапана затвор занимает случайное

положение относительно цилиндрической поверхности седла.

IIeB

τП1 п. 1 – обратный клапан (КОЭЗ-100×160/210), использую-

щийся на кустовых насосных станциях и водонагнетательных скважи-

нах систем поддержания пластового давления нефтяных промыслов.

Клапан имеет решетчатое седло и диск из упругого материала, кото-

рые устанавливаются между фланцевыми соединениями трубопрово-

да. КОЭЗ является запатентованной конструкцией [127] (рис. 3.44).

IIeAτП3 п. 1 – задвижки, предназначенные для перекрытия потока,

движущегося в одном направлении. Затвор задвижки имеет форму уп-

ругой ленты, одним концом закрепленной к шпинделю, а другим – к

корпусу. Опытные образцы задвижек использовались при сбросе дав-

ления жидкости в пожарных водоводах.

IIeAτП3 п. 2 – задвижка, аналогичная IIeAτП3 п. 1, но уже для пе-

рекрытия потока, движущегося в двух направлениях.

Следующим интересным для рассмотрения образцом ЗА, с точки

зрения формы затвора, является затвор задвижки с эластичным запи-

рающим элементом (ЗЭЗЭ) конструкции Стрекалова В.Е. Данное УУ

относится к

IIeAτО3 (п. 3). На рис. 3.45 представлен вид

ЗЭЗЭ–100×160.

Как видно из рисунка, затвор – 3 представлен эластичной беско-

нечной лентой – 1, надетой с натягом на два ролика – 2, свободно вра-

щающихся вокруг осей, параллельных образующей ленты. В процессе

Рис. 3.44. Общий вид обратного клапана с эластичным запи-

аю

им элементом

172

работы под действием шпинделя – 4 затвор прокатывается по ре-

шетчатым седлам – 7, постепенно откры-

вая проходное сечение.

Данная задвижка в настоящее время

используется на месторождениях Западной

Сибири в системах ППД в качестве секу-

щих на гребенках и пусковых в системах

кустовых насосных станций.

Подводя итог вышесказанному, следует

отметить, что при выборе ЗА для установ-

ки на место УУ в создаваемую ТГС необ-

ходимо учитывать некий закон равновесия

положительных и о

трицательных свойств

у каждого представителя устройств по

управлению потоком [122]. Суть этой за-

кономерности состоит в том, что общие

положительные свойства объекта полно-

стью уравновешиваются его отрицатель-

ными свойствами. Однако из этого не сле-

дует вывод о предопределенной непригод-

ности устройства. У каждого представите-

ля УУ есть свои характерные положитель-

ны

е и отрицательные свойства, причем,

группа положительных свойств может

подходить и не подходить под условия

эксплуатации. Аналогично для группы

отрицательных свойств: они могут суще-

ственно препятствовать определенным

условиям эксплуатации или не оказывать на них сильного влияния.

Главной задачей при выборе УУ является подбор устройств, под-

ходящих по своим положительным и отрицательным св

ойствам к ус-

ловиям эксплуатации.

На классификационной схеме (рис. 3.23–3.31) показаны основные

представители категорий, которыми не исчерпывается огромное мно-

гообразие УУ, используемых в ТГС.

Деление можно было бы продолжить, например, по способу приве-

дения в действие (электропривод, гидропривод), размерным характе-

ристикам, назначению, отраслевому применению и т.д. Однако, такая

классификация была бы не

удобна для прочтения и графического ис-

полнения, так как число производных резко возрастает в зависимости

Рис. 3.45. Вид задвижки с

эластичным запирающим

элементом ЗЭЗЭ–100х160.

173

от числа каскадов деления. Поэтому для охвата всей массы УУ кроме

классификации, основанной на базовых категориях, необходимы также

частные и вспомогательные классификации, основанные на формаль-

ных критериях.

Новизна и полезность предлагаемой классификации заключается в

том, что сформулирован ряд более общих, чем ранее принятых в из-

вестных классификациях, критериев, соответствующих характеру

движения затв

ора и раскрывающих принцип действия ЗА. Принятыми

критериями стало возможно соединение клапанных и золотниковых

устройств, которые по своим показателям в известных классификациях

всегда занимали полярные позиции, в один тип – “

I“ с нетелескопиче-

ским движением затвора.

Введен критерий γ, учитывающий взаимодействие затвора с пото-

ком и неподвижным запирающим элементом, которым устраняются

отмеченные выше неточности в известных классификациях.

Используя классификацию, можно, во-первых, адекватно подби-

рать в соответствующие участки схем ТГС УУ подходящей по экс-

плуатационным характеристикам конструкции; во-вторых, строить

математико-гидравлические мод

ели одних устройств, сопоставляя с

подобными им; в-третьих, разрабатывать новые конструкции УУ. На-

пример, конструкция новой шаровой задвижки (описанной ранее)

проявляется при комбинации устройств подклассов “

А“ и “В“ в интер-

подклассе “

С“, так как она по своим признакам находится между би-

ниподклассами “

А“ и “В“ “I“-го типа ЗА.

С помощью предложенной классификации можно дать качествен-

ную и количественную оценку признаков отдельных УУ и тем самым

устанавливать область их применения.

На основе критериев

составим схему (см. табл. 3.5) качест-

венных показателей ЗА. Ниже приводится расшифровка этих показа-

телей.

Положительные показатели клапанных (“

В“ – подклассы типа “I“

и класса “

IIt“):

А – возможность работы на несмазывающей жидкости;

В – отсутствие трения между затвором и седлом;

C – плотное запирание потока;

D – невысокий класс точности и чистоты обработки деталей;

S – зависимость величины контактного давления на рабочую по-

верхность затвора от давления жидкости;

d – отсутствие заклинивания затвора;

174

Е – простота конструкции затвора.

Отрицательные показатели клапанных (“

В“ – подклассы типа “I“ и

класса “

IIt“):

–F – поток изменяет направление движения при полном открытии;

–Н – сложность многопозиционного регулирования расхода жид-

кости;

–М – взаимодействие потока с затвором при полном открытии;

–N – наличие стуков в переходные процессы;

–ζ – коэффициент местного сопротивления при полном открытии

много больше нуля;

–e – большие линейные размеры;

–J – невозможность эксплуатации при частичном разрушении за-

твора.

Положительные показатели золотниковых (“

А” – подклассы типа

”

I” и класса ”IIt”):

F – поток не изменяет направления движения при полном откры-

тии;

Н – простота многопозиционного регулирования;

М – отсутствие взаимодействия потока с затвором при полном от-

крытии;

N – отсутствие стуков;

ζ – близкое к нулю значение коэффициента местного сопротивле-

ния при полном открытии потока;

е – небольшие линейные размеры;

Е – простота конструкции затвора.

Отрицательные показатели золотниковых (”

А” – подклассы типа

”

I” и класса ”IIt”):

–А – невозможность нормальной работы без смазывающей жидко-

сти;

–В – наличие трения скольжения в запирающих элементах;

–С – неплотное запирание потока;

–D – высокий класс точности и обработки рабочих поверхностей

запирающих элементов;

–d – возможность заклинивания затвора при работе без смазываю-

щей жидкости;

–S – малые величины контактного давления на рабочую поверх-

ность затвора в зависимости от давления жидкости;

–J – невозможность эксплуатации при частичном разрушении за-

твора.

175

Из всех приведенных показателей ключевыми являются показатели

В и М, сформулированные в расшифровке критерия γ. По этим показа-

телям клапанные и золотниковые УУ занимают прямо противополож-

ные позиции (см. таблицу 3.4) и, как следствие, по остальным показа-

телям, кроме

Е, также занимают полярные позиции. Например, поло-

жительные признаки

А, С, D клапанных соответствуют отрицатель-

ным признакам

–А, –С, –D золотниковых УУ и наоборот: положитель-

ные признаки золотниковых

F, C, H, M, ζ, N соответствуют отрица-

тельным признакам

–F, –C, –H, –M, –ζ, –N клапанных.

Интересными признаками обладает класс “

IIe“.

Кроме перечисленных признаков

А, В (признак B для подкласса

“

В” и признак – B для подкласса “А“), С, D, F, H, M, N ему присущи

положительные признаки

К, R, J, a, b, c, d, f.

Класс “

IIe“ имеет дополнительные положительные признаки:

К – использование всей рабочей поверхности затвора;

R – близкое к нулю значение усилия на привод в момент открытия

потока;

J – сохранение работоспособности при частичном разрушении за-

пирающих элементов;

а – небольшая масса упругого элемента затвора;

b – способность к гашению гидроудара при перекрытии потока;

с – возможность запирания потока силами упругости материала за-

твора;

d – отсутствие заклинивания затвора;

f – легкая заменяемость затвора.

Здесь основным является показатель

R, который определяется кри-

терием β и отражает принцип действия ленточного класса [138] “

IIe“.

Исходя из этого критерия, затвор УУ этого класса взаимодействует с

рабочей поверхностью седла по линии подвижного контакта. Следова-

тельно, усилие на привод в момент открытия потока будет равно про-

изведению давления жидкости на «площадь» отрезка (перпендикуляр-

ного вектору силы открытия) длиной, равной ширине эластичного

элемента. Т.е. это усилие на привод в момен

т открытия потока будет

близким к нулю, если пренебречь энергией, затрачиваемой на дефор-

мацию затвора и трением в резьбовом соединении шпинделя и сальни-

ковом устройстве. Причем это усилие не зависит от площади проход-

ного сечения перекрываемого отверстия и давления текучей среды.

Такой же эффект можно получить теоретически и в к

лассе “IIt“ или в

подклассах “

IA“ и “IB“ первого типа УУ посредством отсечения от

176

неподвижного затвора бесконечно малых по площади звеньев.

Положительные и отрицательные признаки подклассов типа

“I“ и

подклассов класса

“IIe“ в целом сходятся, но некоторые из них смеши-

ваются и образуют новые признаки:

Положительные показатели клапанных (

“В“ – подклассы класса

“IIe“):

А – возможность работы на несмазывающей жидкости;

В – отсутствие трения между затвором и седлом;

D – невысокий класс точности и чистоты обработки деталей;

Е – простота конструкции затвора;

S – зависимость величины контактного давления на рабочую по-

верхность затвора от давления текучей среды;

d – отсутствие заклинивания затвора;

R – близкое к нулю значение усилия на привод в момент открытия

потока;

J – сохранение работоспособности при частичном разрушении за-

пирающих элементов;

h – малые габариты по высоте;

V – малая инерционность в переходные процессы.

Отрицательные показатели клапанных (

“В“ – подклассы класса

“IIe“):

–F – поток изменяет направление движения при полном открытии;

–Н – невозможность многопозиционного регулирования расхода

жидкости;

–М – взаимодействие потока с затвором при полном открытии;

–N – наличие колебаний в переходные процессы работы;

–ζ – коэффициент местного сопротивления при полном открытии

много больше нуля;

–К – невозможность использования всей рабочей поверхности за-

твора;

–е – большие линейные размеры;

–Q – невозможность пропуска прибора через корпус;

–L – невозможность использования на воспламеняющихся жидко-

стях;

–X – индивидуальный подбор материала затвора под текучую сре-

ду.

Положительные показатели золотниковых (

“А“ – подклассы класса

“IIe“):

177

К – использование всей рабочей поверхности затвора;

F – поток не изменяет направления движения при полном откры-

тии;

Н – относительная простота многопозиционного регулирования;

М – отсутствие взаимодействия потока с затвором при полном от-

крытии;

N – отсутствие колебаний затвора;

S – зависимость величины контактного давления на рабочую по-

верхность затвора от давления текучей среды;

d – отсутствие заклинивания затвора;

ζ – близкое к нулю значение коэффициента местного сопротивле-

ния при полном открытии потока;

е – небольшие линейные размеры;

R – близкое к нулю значение усилия на привод в момент открытия

потока;

J – сохранение работоспособности при частичном разрушении за-

пирающих элементов.

Отрицательные показатели золотниковых (

“А“ – подклассы класса

“IIe“):

–В – наличие трения качения в запирающих элементах;

–d – возможность заклинивания затвора при попадании механиче-

ских примесей в пространство над и под затвором;

–Q – невозможность пропуска прибора через корпус;

–Е – сложность конструкции затвора;

–V – инерционность в переходные процессы;

–L – невозможность использования на воспламеняющихся жидко-

стях;

–X – индивидуальный подбор материала затвора под текучую сре-

ду;

–h – большие габариты по высоте.

Показатель

К учитывает смещение затвора относительно корпуса

УУ и проявляется практически во всех производных подкласса “IIeA“и

в некоторых производных подкласса “

IC“, например, с УУ шаровым

затвором (

ICτО1). Этот показатель оказывает существенное влияние

на ресурс работы ЗА.

Показатель

J также определяет ресурс работы и область примене-

ния класса “

IIe“. Действие его проявляется в условиях упруго-

пластической деформации затвора, при которой материал затвора под

действием давления жидкости заполняет частично разрушенный от

178

коррозии или гидроэррозии рельеф седла. Упруго-пластическая де-

формация затвора в отверстиях решетчатого седла снижает гидроудар

(показатель

b), а упругая деформация кольцевых затворов, сжатых в

корпусе, способствует перекрытию потока при нулевом давлении

жидкости (показатель

с).

Показатель

d раскрывает эргономическую характеристику ЗА. В

соответствии с этим показателем, независимо от времени пребывания

ЗА в закрытом положении, при выборе соответствующего материала

затвора, например, резины, исключается «пригорание» его к седлу.

Причем, затвор по мере его износа заменяется на месте установки УУ

(показатель

f).

Показатель

А распространяется на представителей “IIe“ подкласса

“

В“, рассчитанных на большое и среднее давление, когда седла имеют

решетчатую конструкцию.

Располагая качественными признаками подклассов ЗА, можно дать

им количественную оценку.

Для сравнительной их оценки введем понятие относительного по-

казателя

, равного отношению всех положительных признаков m ко

всем отрицательным признакам n, и базового относительного показа-

теля

, равного отношению базовых положительных признаков m

базовым отрицательным признакам n

Базовый признак характеризует наиболее существенные свойства

ЗА и является основным для вспомогательных признаков. Положи-

тельные и отрицательные базовые и вспомогательные признаки УУ

показаны в таблице 3.5 в квадратах и окружностях соответственно. В

числе базовых признаков m

и n

есть ключевые или критериальные

признаки

В, М, R и –В, –М, –R.

Из таблицы показателей подклассов видно, что УУ класса “

IIe“ и

подкласса “

IC“ имеют значительно большие относительные признаки

, чем УУ “IА“ и “IВ“ подклассов, что является основанием для их

практического применения.

Если сопоставить полярные показатели клапанного и золотниково-

го подклассов типа “

I“, то можно заметить отмеченное выше «равно-

весие» их положительных (m) и отрицательных (n) признаков. Для

клапанных m=6, n=6, для золотниковых m=6, n=6. Выделенные черным

признаки

E, –J, –R свойственны всему типу “I“, поэтому нужны для

сравнения их со вторым типом и его подклассами.

С точки зрения критерия сложности УУ можно увидеть четкую за-

кономерность изменения показателя

: он самый низкий для подклас-

179

сов “

IA“ и “IB“ и самый высокий для подклассов “IIeA“ и “IIeB“.

Как видно из таблицы УУ, подклассы “

IA“ и “IB“ кроме полярных

признаков содержат и общие:

–J, –R и Е. Эти признаки полярны у

представителей подклассов “

IItA“, “IItB“ и “IIeA“, “IIeB“, что еще

раз указывает на четкий биниологический (диалектический) характер

предлагаемой классификации и характеристик исследуемых объектов.

По подклассам “

IIeA“ и “IIeB“ в табл. 3.5 полярные признаки вы-

делены в отдельную строку для отражения четкого разделения между

этими подклассами. Строкой ниже показана вся совокупность призна-

ков и соответствующие сравнительные показатели.

Как видно, наиболее оптимальными показателями обладают под-

классы “

IIeA“,“IIeB“,“IItA“ и “IItB“. Класс “IIe“ обладает многими

положительными показателями подклассов первого типа, в связи с чем

наблюдается дисбаланс положительных и отрицательных признаков.

Однако баланс восстанавливается качеством признаков

–Q, –L, –X,

которые резко сужают область применения таких устройств.

Что касается устройств класса “

IIt“, то они используются очень

редко ввиду сложности конструкции и больших габаритов. Однако, в

местах их использования они практически незаменимы устройствами

(УУ) других конструкций.

180