Подбор клапанной пары штангового насоса

1. Геометрия клапанных пар (API Spec 11AX)

Стандартная комплектация: типоразмер клапана соответствует диаметру плунжерной пары. Для вставных насосов допускается всасывающий клапан на один типоразмер больше — при наличии клетки соответствующего исполнения. В трубных насосах THM всасывающий клапан извлекается через цилиндр, поэтому его размер не увеличивается.

2. Гидравлика седла

• Максимальная скорость плунжера (гармоническое приближение, ход полированного штока — с запасом): v_max = π·S·n / 60.
• Максимальный расход через клапан: Q_max = F_пл·v_max = π·Q_теор. При заданной подаче пиковая скорость в седле зависит только от площади седла — снизить её можно лишь клапаном большего типоразмера.
• Скорость в седле и число Рейнольдса: v_с = Q_max / f_с, Re = ρ·v_с·d_с / μ.
• Потери давления на открытом клапане: Δp = ζ·ρ·v_с² / 2, где ζ = A/Re + ζ_кв — двучленная зависимость для местных сопротивлений; ζ_кв = 1/μ_∞², μ_∞ = 0,4 — коэффициент расхода шарикового клапана в автомодельной области; A = 2000 учитывает рост сопротивления вязкой продукции. Коэффициенты вынесены в настройки программы и могут быть уточнены по стендовым испытаниям.
• Критерий для всасывающего клапана — доля потерь от давления на приёме: ≤ 3 % — норма, 3–8 % — повышенные, > 8 % — высокие (снижение наполнения, разгазирование в цилиндре). Для нагнетательного — абсолютные потери на ходе вниз: ≤ 0,1 МПа — норма, 0,1–0,3 МПа — повышенные, > 0,3 МПа — высокие (торможение штанг).
• Перепад на закрытом клапане: Δp_з = ρ·g·L + P_буф − P_пр — определяет усилие посадки шарика и смятие кромки седла.

3. Интенсивность факторов (0…100 %)

• Гидроабразивный износ — по КВЧ (50 мг/л → 5 %, 200 → 35 %, 500 → 60 %, 1500 → 100 %), +25 % при выносе проппанта/песка; умножается на v_с/4 м/с (в пределах 0,6…1,5) — износ растёт со скоростью потока в седле.
• Коррозия — объединение вкладов минерализации, pH и парциального давления CO₂ (p_CO₂ = P_пр·y_CO₂: < 0,05 МПа — слабая, 0,05–0,2 — умеренная, > 0,2 — высокая), с поправками на обводнённость (водная фаза сплошная при ≥ 60 %) и температуру.
• Сероводород — по p_H₂S = P_пр·y_H₂S; порог сероводородной среды 0,3 кПа (NACE MR0175 / ISO 15156) → 30 %, 10 кПа → 65 %, 100 кПа → 100 %; усиливается при низком pH и снижается при малой обводнённости.
• Ударные нагрузки — неполное заполнение (0 / 40 / 80 %), свободный газ свыше 10 % (до +25 %), скорость плунжера свыше 0,8 м/с (до +20 %). Для всасывающего клапана — 80 % от нагнетательного.
• Нагрузка на закрытый клапан — Δp_з от 8 МПа (0 %) до 22 МПа (100 %).
• Посадка шарика в вязкой жидкости — вязкость от 30 до 400 мПа·с; стойкость материала определяется плотностью шарика (тяжёлый шарик садится быстрее).
• Температура — от 100 до 200 °C; для керамики ZrO₂ учитывается гидротермальное старение выше ~150 °C.

4. Выбор материала

Для каждого материала задана стойкость c (0…1) по каждому фактору. Дефицит d = max(0; s − c), весовой дефицит w·d (веса: абразив, коррозия, H₂S, температура — 1,0; удары — 0,9; нагрузка — 0,6; вязкость — 0,4). Материал подходит, если весовой дефицит по каждому фактору ≤ 0,10 и суммарный Σw·d ≤ 0,12; допустим с ограничениями — при ≤ 0,25 и ≤ 0,35; иначе не рекомендуется. Пригодность = 100·(1 − Σw·d/0,6). Рекомендуется наименее затратный из подходящих материалов; если запас у него по какому-либо действующему фактору меньше 25 %, предлагается альтернатива с наибольшим минимальным запасом.