О надежности валов УЭЦН и выборе материалов для их изготовления В.Л. Александров
    Условия эксплуатации установок центробежных электронасосов (УЭЦН) в нефтяных скважинах предъявляют жесткие требования к материалам, из которых изготовлены их детали, в частности вал насоса. Аналитические исследования показывают, что с его ненадежностью при эксплуатации связано более 40 % выходов из строя всего агрегата [1]. Вал насоса подвергается длительному воздействию крутящего момента, в том числе импульсного характера, в агрессивной среде с температурой более 80 °С. Основным материалом для валов УЭЦН более 20 лет является нержавеющая сталь 03Х14Н7В. Анализ причин выхода из строя валов показывает, что их недостаточная надежность, особенно в скважинах глубиной более 2000 м, обусловлена прежде всего неточностью выбора диаметра и недостаточно высокими эксплуатационными характеристиками стали 03Х14Н7В в данных условиях. При статическом расчете на прочность вала конструкторы пользуются известной зависимостью диаметра от предела текучести при кручении (как предельно допустимого напряжения) и крутящего момента с введением коэффициента запаса прочности для учета усталости металла. Точность расчета зависит от правильности определения и использования этих параметров и степени неопределенности запаса прочности.
    При выборе материала для валов предпочтение отдают стали с более высоким пределом выносливости по справочным данным, в лучшем случае - по результатам испытаний стандартной агрессивной среде. Реальная рабочая среда значительно отличается от стандартной многокомпонентностью - концентрацией в водном растворе солей, ионов хлора, растворенного сероводорода, кислорода, величиной рН, наличием нефтепродуктов, на разных месторождениях указанные характеристики различны [2]. Поэтому введение коэффициента запаса прочности для учета влияния усталости металла и агрессивности рабочей среды не позволяет правильно выбрать диаметр и материал вала, так как малый запас прочности может привести к недостаточной надежности вала при эксплуатации и преждевременному разрушению от коррозионной усталости или импульсной перегрузки, излишний запас - к снижению экономических характеристик насоса, поскольку увеличение диаметра на 8-10 % снижает к.п.д. насоса на 4-6 % [3].
    Надежность работы вала можно повысить, если при расчете и испытаниях материала учитывать максимально приближенные к эксплуатационным условия. На основании этого при изготовлении валов для ремонтных баз ОАО "НК "Роснефть" - Пурнефтегаз" и ОАО "Ноябрьскнефтегаз" была разработана методика определения допустимого диаметра вала в любом сечении и подбора материала для его изготовления с целью обеспечения надежной работы насоса. Исходили из того, что воздействие нагрузки на вал можно условно разделить на два этапа:
    - установившийся режим работы насоса, когда вал работает только в условиях коррозионной усталости при кручении;
    - работа при импульсных перегрузках.
    На первом этапе надежность работы материала вала предлагается оценивать по его пределу выносливости, определенному на образцах при кручении на базе 107 циклов в температурно-коррозионных условиях рабочей жидкости. Данный параметр значительно зависит от многочисленных характеристик агрессивности рабочей жидкости. ............