насосная штанга

Формула изобретения

Насосная штанга, содержащая стержень с глухими отверстиями и прорезями на его концах, ниппели на концах стержня с цилиндрической и конической внутренними поверхностями на каждом ниппеле, имеющими общую ось, и присоединительной резьбой со стороны конической внутренней поверхности, адгезив, расклинивающие детали, отличающаяся тем, что каждый ниппель выполнен из двух деталей, при этом первая деталь соединяется со стержнем посредством крестообразной расклинивающей детали, которая имеет четыре одинаковых клина, выполненных с возможностью заполнения пустот в стержне, образующихся при его расклинивании, путем соединения поверхностей клиньев посредством адгезива с внутренней конической поверхностью первой детали и с поверхностями прорезей в стержне после его расклинивания, причем длина клина равна длине внутренней конической поверхности первой детали, а образующие поверхностей клиньев, которые выполнены с возможностью прилегания к внутренней поверхности первой детали, параллельны образующим внутренней конической поверхности первой детали и поверхности клиньев, которые выполнены с возможностью прилегания к стержню, также параллельны поверхностям прорезей после расклинивания стержня, при этом максимальная ширина каждого клина составляет не более 25-30% от разности между длиной внутренней окружности с максимальным диаметром в коническом отверстии первой детали и длиной окружности стержня, а максимальная глубина крестообразной расклинивающей детали меньше максимального внутреннего диаметра в коническом отверстии первой детали, при этом она содержит металлическую втулку с резьбой на ее внешней поверхности для соединения со второй деталью и длина этой резьбы не меньше длины внутренней конической поверхности втулки, вторая деталь ниппеля с одной стороны выполнена с внешней присоединительной резьбой, а с другой стороны она имеет глухое отверстие с внутренней резьбой для соединения с первой деталью, и, при этом длина этой резьбы не менее длины резьбы на первой детали, a глубина глухого отверстия больше длины резьбы на первой детали, при этом первая и вторая детали завинчиваются друг в друга с применением адгезива, образуя неразъемное соединение, а внешняя поверхность стержня защищается износостойким материалом, который покрывает не менее 70% площади внешней поверхности стержня.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтеперерабатывающему машиностроению и предназначено для механизации добычи нефти из скважины.

Известна насосная штанга, содержащая стержень из стеклопластика, металлические ниппели на его концах с глухим отверстием на одном конце ниппеля, адгезив, расклинивающую деталь, которая внедрена в стержень со стороны глухого отверстия ниппеля [1].

Недостатком этой насосной штанги является недостаточная прочность и долговечность из-за того, что отсутствие прорезей на конце стержня не позволяет внедрить расклинивающую деталь на требуемую глубину для получения оптимального угла и площади конусности на конце стержня, кроме того, при внедрении расклинивающей детали будет происходить неконтролируемое разрушение конца стержня с распространением трещин вдоль тела стержня.

Известна насосная штанга, содержащая стержень с глухими отверстиями и с прорезями на его концах, металлические ниппели со сквозными отверстиями на концах стержня, адгезив и расклинивающие детали в виде конуса, которые внедрены в стержень со стороны глухого отверстия стержня [2].

Недостатком этой насосной штанги является недостаточная прочность и долговечность при повышенных температурах и при работе в наклонно-направленных скважинах из-за того, что сквозное отверстие в ниппеле приводит к утонению стенки ниппеля в области присоединительной резьбы и зарезьбовой канавки, при этом требование разъемного соединения штанг с помощью муфт обуславливает принципиальную невозможность применения адгезива для уплотнения присоединительной резьбы, что не позволяет использовать жесткость и прочность соединительной муфты для упрочнения утоненного ниппеля из-за зазоров в резьбовом соединении, кроме того, длина присоединительной резьбы может оказаться меньше длины внутренней конической поверхности ниппеля, что приводит к дополнительной концентрации осевых растягивающих напряжений в области зарезьбовой канавки, кроме того, исполнение расклинивающей детали в виде простого конуса не позволяет заполнить расклинивающей деталью все пустоты в стеклопластиковом стержне, образующиеся при его расклинивании, так как данные пустоты заполняются лишь маложестким адгезивом, что приводит к снижению жесткости соединения при повышенных температурах, кроме того, стержень штанги изготовлен без износостойкого слоя на его внешней поверхности, что может приводить к разрушению стержня в наклонно-направленных скважинах из-за его истираемости в результате непосредственного контакта с насосно-компрессорной трубой.

Техническим результатом предложения является увеличение прочности и долговечности насосной штанги.

Для достижения этого в насосной штанге, содержащей стержень с глухими отверстиями и прорезями на его концах, ниппели на концах стержня с цилиндрическими и коническими внутренними поверхностями и присоединительной резьбой, адгезив, расклинивающие детали, при этом каждый ниппель выполнен из двух деталей, при этом первая деталь соединяется со стержнем посредством крестообразной расклинивающей детали, которая имеет четыре одинаковых клина, выполненных с возможностью заполнения пустот в стержне, образующихся при его расклинивании, путем соединения поверхностей клиньев посредством адгезива с внутренней конической поверхностью первой детали и с поверхностями прорезей в стержне после его расклинивания, причем длина клина равна длине внутренней конической поверхности первой детали, а образующие поверхностей клиньев, которые выполнены с возможностью прилегания к внутренней поверхности первой детали, параллельны образующим внутренней конической поверхности первой детали и поверхности клиньев, которые выполнены с возможностью прилегания к стержню, также параллельны поверхностям прорезей после расклинивания стержня, при этом максимальная ширина каждого клина составляет не более 25-30% от разности между длиной внутренней окружности с максимальным диаметром в коническом отверстии первой детали и длиной окружности стержня, а максимальная глубина крестообразной расклинивающей детали меньше максимального внутреннего диаметра в коническом отверстии первой детали, при этом она содержит металлическую втулку с резьбой на ее внешней поверхности для соединения со второй деталью и длина этой резьбы не меньше длины внутренней конической поверхности втулки, вторая деталь ниппеля с одной стороны выполнена с внешней присоединительной резьбой, а с другой стороны она имеет глухое отверстие с внутренней резьбой для соединения с первой деталью, и при этом длина этой резьбы не менее длины резьбы на первой детали, а глубина глухого отверстия больше длины резьбы на первой детали, при этом первая и вторая детали завинчиваются друг в друга с применением адгезива, образуя неразъемное соединение, а внешняя поверхность стержня защищается износостойким материалом, который покрывает не менее 70% площади внешней поверхности стержня.

Предложение поясняется чертежами, на которых показаны: фиг.1 - насосная штанга; фиг.2 - сечение А-А по фиг.1; фиг.3 - ниппель; фиг.4 - первая деталь ниппеля; фиг.5 - вторая деталь ниппеля; фиг.6 - крестообразная расклинивающая деталь; фиг.7 - вид А по фиг.6; фиг.8 - стержень с износостойким покрытием; фиг.9 - вид В по фиг.8; фиг.10 - сечение С-С по фиг.9.

Насосная штанга содержит (фиг.1) стержень 1 с износостойким материалом на его поверхности 6, ниппель 2 и крестообразную расклинивающую деталь 3. Стержень 1 (фиг.8) имеет глухие отверстия 4, прорези 5 на его концах и износостойкий материал 6 на поверхности. Ниппель 2 (фиг.3) имеет две детали 7, 8, которые соединяются посредством резьбы и адгезива 9. Первая деталь 7 (фиг.4) имеет резьбу 12 для соединения со второй деталью ниппеля, сквозную внутреннюю полость в виде цилиндрической поверхности 10 для соединения со стержнем 1 в виде конической поверхности 11 с противоположной стороны. Вторая деталь 8 (фиг.5) имеет с одной стороны присоединительную резьбу 13 для соединения штанг между собой посредством муфты (не показаны), а с другой стороны - глухое отверстие с резьбой 14 для соединения с первой деталью.

Крестообразная расклинивающая деталь 3 (фиг.6) имеет форму усеченного конуса, который дополнительно имеет четыре одинаковых клина, при этом образующая 15 клина параллельна образующей 16 усеченного конуса, а образующие 19 и 20 образуют сходящийся клин, оси 17 и 18 являются осями симметрии клиньев и крестообразной расклинивающей детали в целом и расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Крестообразная расклинивающая деталь 3 в виде крестообразного конуса устанавливается в глухом отверстии 4 и в пазах 5 стержня 1 таким образом, что усеченный конус заполняет глухое отверстие, а клинья заполняют разрезанные поверхности пазов 5. Адгезив 21 соединяет поверхности крестообразной расклинивающей детали 3 со стержнем 1 и с внутренней конической поверхностью первой детали 11, а также стержень 1 с внутренней поверхностью первой детали ниппеля.

Стержень 1 может быть выполнен из коррозионно-стойких полимерных материалов, например стеклопластиков, базальтопластиков, износостойкое покрытие выполнено из износостойкого материала, например полиамида, ниппель 2 и расклинивающая деталь 3 - из металла, например стали.

Ниппель и крестообразная расклинивающая деталь на другом конце стержня 1 (на фиг.1 не показаны) выполнены аналогично.

Соотношение диаметра стержня D₀ к диаметру d₀ глухого отверстия 4 равно 4-9, при этом оптимальная величина из этого диапазона зависит от диаметра стержня. Данное соотношение выбрано из условий прочности стержня и технологичности выполнения глухого отверстия.

Первая деталь ниппеля 7 имеет с одного конца цилиндрическую поверхность 10 с внутренним диаметром D₁, равным диаметру D₀ в средней части стержня 1, а с другого конца - коническую поверхность 11 на длине L=(2,5-4,0)D₁ с углом полураствора конуса ₁=2-4.

Длина L конической поверхности 11 первой детали ниппеля 7 равна длине L₁₁ крестообразной расклинивающей детали 3, длине L₀ прорезей 5 в стержне 1, длине L₃ глухого отверстия 4 и равна (2,5-4)D₀, при этом оптимальная величина из этого диапазона зависит от диаметра стержня.

Угол ₁ полураствора конической поверхности 11 первой детали ниппеля равен углу ₂ полураствора крестообразной расклинивающей детали 3 и составляет 2-4°, при этом оптимальная величина из этого диапазона зависит от диаметра стержня.

Длина резьбы L₁ в первой детали ниппеля должна быть больше длины конической поверхности L, а длина резьбы L₁₂ во второй детали ниппеля должна быть не менее чем L₁. Длина глухого отверстия L₂ должна быть больше, чем L₁₂.

Максимальный размер крестообразной расклинивающей детали h должен быть меньше максимального диаметра D внутренней конической поверхности первой детали ниппеля. Максимальная ширина клина b должна удовлетворять следующему соотношению

b=(0,25-0,3)((D-D₀).

Если ширина будет больше, чем в приведенном соотношении, то стержень может быть разрушен при сборке от усилий сжатия, если же ширина будет меньше, то уменьшится жесткость соединения.

Приведенные соотношения углов и длин конических поверхностей ниппелей и крестообразных расклинивающих деталей обусловлены прочностными требованиями к штанге и конструктивными особенностями. Например, если уменьшать угол конусности, то уменьшится и прочность соединения вследствие уменьшения эффекта клинового соединения, если же увеличивать угол конусности, то толщина первой детали ниппеля будет стремиться к нулю, что также уменьшит прочность. Если размер крестообразной расклинивающей детали h будет больше, чем D, то сборка будет невозможна. Если размер L будет больше, чем L₁, то возникнет концентрация осевых растягивающих напряжений.

Насосную штангу изготавливают следующим образом.

На внешнюю поверхность стержня 1 наносят износостойкое покрытие 6, на концы стержня износостойкое покрытие не наносится. На внутреннюю поверхность первой детали 7, на все поверхности крестообразной расклинивающей детали 3 и на концы стержня 1 наносится адгезив 21. Затем первая деталь 7 устанавливается на конец стержня 1. После этого в глухие отверстия 4 и в пазы 5 стержня 1 устанавливается крестообразная расклинивающая деталь 3, при этом концы стержня 1 расклиниваются и крестообразная расклинивающая деталь с нанесенным на нее адгезивом заполняет все пустоты в стержне, образующиеся при его расклинивании. Далее на резьбу 12 первой детали 7 и на резьбу 14 второй детали 8 наносится адгезив, после чего детали 8 и 7 свинчиваются друг с другом. Второй ниппель собирается аналогично, после чего происходит отверждение адгезива.

Источники информации

1. Патент РФ № 02117132, МПК F 16 В 11/00.

2. Патент РФ № 2182642, МПК F 16 В 11/00.