Насосы для нефти

Насосы для нефти: классификация, конструктивные особенности и критерии выбора

Нефтяные насосы представляют собой специализированное оборудование, предназначенное для перекачки сырой нефти, нефтепродуктов, пластовой воды с механическими примесями, а также агрессивных сред на всех этапах технологической цепочки: от добычи на скважине до транспортировки по магистральным трубопроводам и отгрузки конечному потребителю. Основные требования к ним — высокая надежность, коррозионная и абразивная стойкость, способность работать с жидкостями различной вязкости и температуры, часто в условиях высокого давления и взрывоопасной среды.

Классификация и типы насосов, применяемых в нефтяной промышленности

Выбор типа насоса определяется конкретной технологической задачей, свойствами перекачиваемой среды и требуемыми параметрами. Все насосы делятся на две фундаментальные группы: динамические и объемные.

1. Динамические насосы

В динамических насосах передача энергии среде происходит непрерывно за счет динамического воздействия вращающегося рабочего колеса. К ним относятся центробежные и винтовые (шнековые) насосы.

Центробежные насосы

Наиболее распространенный тип для перекачки больших объемов нефти и нефтепродуктов с относительно низкой вязкостью. Принцип действия основан на преобразовании кинетической энергии, сообщаемой жидкости рабочим колесом, в энергию давления в спиральном отводе (улитке).

• Консольные (тип К) и двухопорные (тип Д): Для чистой воды и маловязких продуктов в условиях НПЗ, нефтебаз.
• Секционные многоступенчатые насосы (тип ЦНС): Создают высокий напор за счет последовательного соединения ступеней в одном корпусе. Применяются для подачи воды в системы поддержания пластового давления (ППД).
• Насосы с двусторонним подводом (тип НД): Для магистральных нефтепроводов. Характеризуются высоким КПД и подачей, уравновешенной осевой силой.
• Погружные центробежные электронасосы (УЭЦН): Комплекс из многоступенчатого центробежного насоса, погружного электродвигателя и кабеля. Опускаются в скважину и являются основным средством механизированной добычи нефти.
• Горизонтальные многоступенчатые насосы с сегментным корпусом: Для высоких давлений в системах ППД и магистральной перекачки.

Винтовые (шнековые) насосы

Относятся к динамическим, но имеют признаки объемного действия. Способны перекачивать высоковязкие, содержащие механические примеси жидкости без их разрушения. Применяются для перекачки мазута, гудрона, высоковязкой нефти, нефтешламов.

2. Объемные насосы

В объемных насосах перемещение жидкости осуществляется за счет периодического изменения объема рабочей камеры. Они создают высокое давление и мало зависят от вязкости среды.

Плунжерные (поршневые) насосы

Ключевой тип для процессов, требующих высокого давления.

• Нагнетательные насосы: В системах ППД для закачки воды в пласт под давлением до 35 МПа и выше.
• Дозировочные насосы: Для точного ввода реагентов (ингибиторов коррозии, деэмульгаторов).
• Применение в установках гидроразрыва пласта (ГРП): Специализированные мощные плунжерные насосные агрегаты создают давление до 100 МПа и более.

Шестеренные насосы

Используются для перекачки высоковязких нефтепродуктов (битум, масла) на НПЗ и в системах смазки мощного оборудования. Просты по конструкции, но не терпят попадания абразивных частиц.

Винтовые насосы героторного типа

Объемные насосы с одним или несколькими металлическими роторами, работающими в статоре из эластомера. Способны перекачивать среды с крайне высокой вязкостью и высоким содержанием твердых частиц. Применяются для добычи тяжелой нефти, перекачки нефтешламов, смесей нефти с песком.

Ключевые конструктивные материалы и уплотнения

Агрессивность и абразивность перекачиваемых сред диктуют особые требования к материалам проточной части и типам уплотнений.

• Материалы: Для корпусов — углеродистые и легированные стали (25Л, 32Л, 20Х13), чугуны со специальным покрытием. Для рабочих колес, плунжеров, роторов — износостойкие сплавы (13Х13, 20Х13, хромоникелевые сплавы), керамика. Для упругих статоров винтовых насосов — резины на основе нитрил-бутадиена (NBR), этилен-пропилен-диенового каучука (EPDM), фторкаучука (FKM).
• Уплотнения вала:
  • Сальниковые уплотнения: Просты, ремонтопригодны, но требуют обслуживания и допускают незначительную утечку.
  • Торцевные (механические) уплотнения: Основной тип для ответственных применений. Обеспечивают герметичность, могут быть одинарными, двойными (с барьерной жидкостью), картриджного типа. Пары трения: карбид кремния/карбид вольфрама, графит/оксид алюминия.
  • Герметичные насосы (с магнитной муфтой или канальным двигателем): Полностью исключают утечки, применяются для токсичных или легковоспламеняющихся сред.

Сравнительная таблица основных типов насосов для нефти

Тип насоса	Основное применение	Достоинства	Недостатки	Диапазон подачи/давления
Центробежный (магистральный, НД)	Магистральные нефтепроводы, перекачка товарной нефти	Высокая подача, равномерный поток, простота конструкции, высокий КПД	Чувствительность к вязкости (> 200 сСт), кавитация, падение напора при росте вязкости	До 20 000 м³/ч, до 10 МПа
Погружной электроцентробежный (УЭЦН)	Добыча нефти из скважин	Высокая эффективность в скважинных условиях, большой диапазон дебитов	Чувствительность к песку и свободному газу, сложность обслуживания	10-1000 м³/сут, до 25 МПа
Винтовой героторный (объемный)	Добыча тяжелой нефти, нефтешламы, смеси с песком	Высокая вязкость (до 1 000 000 сСт), нечувствительность к механическим примесям, самовсасывание	Ограниченные давление и температура (зависит от статора), износ эластомера	До 400 м³/ч, до 4 МПа
Плунжерный (поршневой)	ППД, ГРП, дозирование	Сверхвысокое давление, постоянная подача независимо от напора, высокий КПД для высоких давлений	Пульсирующая подача (требуется громоотвод), сложность, высокая стоимость	До 200 м³/ч, до 100 МПа и выше
Шестеренный	Перекачка битума, масел, топлив на НПЗ	Простота, хорошая всасывающая способность для вязких жидкостей	Чувствительность к абразивам, износ шестерен, пульсации	До 600 м³/ч, до 3 МПа

Критерии выбора насоса для конкретных условий

Выбор осуществляется на основе комплексного анализа следующих параметров:

• Свойства жидкости: Вязкость (в сантистоксах, сСт), плотность, температура, давление насыщенных паров, содержание свободного газа, абразивных частиц (песка), коррозионная активность.
• Параметры работы: Требуемая подача (Q, м³/ч), развиваемый напор (H, м) или давление (P, МПа), доступный кавитационный запас (NPSH).
• Условия эксплуатации: Климатическое исполнение, класс взрывоопасной зоны, тип привода (электродвигатель, ДВС, турбина), требования к ремонтопригодности и доступности запасных частей.
• Экономические факторы: Первоначальная стоимость, КПД (и затраты на электроэнергию за жизненный цикл), стоимость обслуживания и межремонтного периода.

Специфика кабельной продукции для нефтяных насосов

Для питания и управления погружными (УЭЦН) и другими насосами в условиях нефтяной промышленности применяется специализированный кабель.

• Кабель для погружных электронасосов (ПЭП): Конструкция включает круглые или плоские токопроводящие жилы в изоляции и оболочке из этилен-пропиленового каучука (EPDM), полиэтилена или свинца. Обязательна броня из оцинкованной стальной ленты для защиты от механических повреждений. Кабель рассчитан на длительную работу при высоких температурах (до 120°C и выше), давлениях и в контакте с агрессивными средами (нефть, пластовая вода, сероводород).
• Кабель для наземного оборудования: Взрывозащищенные кабели (тип КВВЭнг, КПВЭнг) с медными жилами, изоляцией и оболочкой из нераспространяющих горение композиций ПВХ или безгалогенных материалов. Для подключения мощных приводов используются силовые кабели с бумажной или сшито-полиэтиленовой изоляцией (СПЭ).

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Какой насос выбрать для перекачки сырой нефти с высоким содержанием песка?

Для таких условий оптимальны объемные винтовые насосы (героторного типа) с износостойким статором из резины типа NBR или FKM. Они малочувствительны к абразиву и способны перекачивать высоковязкие смеси. Альтернатива — специализированные консольные центробежные насосы с проточной частью из высокохромистого износостойкого чугуна (например, марки Cr27).

2. Почему для магистральных нефтепроводов используются именно центробежные насосы с двусторонним подводом?

Насосы типа НД обеспечивают высокий КПД (до 85-90%) при больших подачах, что критически важно для экономии энергии на протяженных трубопроводах. Двусторонний подвод жидкости к рабочему колесу уравновешивает осевое усилие, снижая нагрузку на подшипники и увеличивая ресурс агрегата. Их конструкция позволяет создавать необходимый напор (обычно 50-150 м) при высокой и стабильной подаче.

3. Какие уплотнения вала предпочтительнее для насоса, перекачивающего легковоспламеняющиеся нефтепродукты (бензин)?

Обязательно применение двойного торцевого механического уплотнения с барьерной жидкостью. Полость между уплотнениями заполняется инертным или безопасным технологическим fluid (например, гликолем) под давлением, превышающим давление всасывания насоса. Это полностью исключает утечку продукта в атмосферу. В наиболее ответственных случаях рассматриваются насосы с магнитной муфтой (бессальниковые).

4. Как бороться с кавитацией в центробежных нефтяных насосах?

Меры по предотвращению кавитации: обеспечение достаточного подпора на всасывании (повышение давления в приемном резервуаре, снижение гидравлических потерь во всасывающем трубопроводе); выбор насоса с требуемым кавитационным запасом (NPSHr) меньшим, чем доступный на объекте (NPSHa); применение насосов со специальными колесами с повышенной кавитационной стойкостью; снижение температуры перекачиваемой жидкости (для снижения давления паров).

5. В чем ключевые отличия насосов для систем ППД от магистральных?

Насосы для поддержания пластового давления работают с водой (часто с примесями, реагентами) и должны создавать чрезвычайно высокое стабильное давление (до 25-35 МПа). Для этого используются горизонтальные многоступенчатые секционные насосы или мощные плунжерные насосные агрегаты. Магистральные насосы работают с нефтью, рассчитаны на высокую подачу при умеренном напоре и, как правило, являются центробежными.

Заключение

Эффективная и безопасная работа технологических процессов в нефтяной промышленности напрямую зависит от корректного выбора и эксплуатации насосного оборудования. Инженерное решение должно основываться на всестороннем анализе характеристик перекачиваемой среды, требуемых гидравлических параметров и условий окружающей среды. Современные тенденции направлены на увеличение межремонтных периодов, повышение энергоэффективности, внедрение систем мониторинга вибрации и состояния (предиктивная аналитика), а также на развитие материаловедения для проточной части и уплотнений. Понимание принципов работы, достоинств и ограничений каждого типа насоса является обязательным для специалистов, занимающихся проектированием, закупкой и обслуживанием объектов нефтедобычи, транспорта и переработки.