Повышение эффективности погружных многоступенчатых насосов на основе гидрофобизации поверхностей проточной части

В работе представлено экспериментальное исследование сборки из пяти ступеней установки электроприводного центробежного насоса (УЭЦН), проточная часть которого модифицирована согласно принципам биомиметики, а именно с помощью эффекта лотоса. В качестве объекта исследования выступал УЭЦН марки 5А-35. Поверхности лопастных систем рабочих колес и выправляющих аппаратов ступеней 5А-35 гидрофобизировались методом нанесения слоев поверхностно активного вещества (ПАВ). Степень гидрофобности рабочих колес оценивалась по величине среднего значения угла смачивания по замерам трех капель в трех точках на поверхности рабочего колеса. Определена шероховатость поверхности исследуемых рабочих колес по среднему арифметическому отклонению профиля Ra и высоты неровностей профиля Rz. Исследовались вопросы, связанные с влиянием модификации ПАВ-покрытием на солеотложение и коррозию. Для этого поверхности исходного и модифицированного рабочих колес подвергались интенсивному принудительному солеотложению в результате длительного пребывания в солевом растворе. Вывод о степени коррозионной стойкости образцов выполнен посредством изменения их массы, которое было обусловлено формированием солевых отложений за 15 ч пребывания в растворе, а также с помощью метода капли. Оба способа показали, что ПАВ-покрытие может служить ингибитором солеотложения, а модифицированное им рабочее колесо насоса имеет повышенную коррозионную стойкость. Так, в ходе сравнительных испытаний на модифицированный образец рабочего колеса за 15 ч выдерживания в насыщенном солевом растворе отложилась меньшая масса соли, чем на исходный образец. Это свидетельствует о том, что слой ПАВ препятствует закреплению солевых отложений на рабочих поверхностях ступени. На модифицированном образце, исследуемом по методу капли, цвет индикатора менялся за 20 мин, а на исходном – за 2 мин. Проведены экспериментальные исследования, в ходе которых определены энергетические параметры работы насосного пакета из пяти ступеней 5А-35 с исходными и модифицированными ПАВ-покрытием рабочими колесами. Исследования показали повышение КПД на 2 % у насосного пакета ступеней с модифицированными рабочими колесами. Результаты исследования могут быть полезны в нефтедобывающей, химической отрасли, а также в сфере ЖКХ.

1. Ивашечкин, В. В. Оптимизация работы водозаборов подземных вод с помощью двухколонных скважин / В. В. Ивашечкин, Ю. А. Медведева // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, № 5. С. 451–462. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-5-451-462.

2. Повышение эффективности эксплуатации центробежных насосов для добычи нефти на месторождении Западный Тикрит (West Tikrit) в Ираке / А. Ф. Алшареа [и др.] // Известия Тульского гос. ун-та. Технические науки. 2021. № 6. С. 221–228.

3. Веременюк, В. В. Методика гидравлического расчета групповых скважинных водозаборов с парными сборными водоводами / В. В. Веременюк, В. В. Ивашечкин, В. И. Крицкая // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2024. Т. 67, № 3. С. 268–280. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-3-268-280.

4. Bhushan, В. Bioinspired Structured Surfaces / В. Bhushan // Langmuir. 2012. Vol. 28, No 3. P. 1698–1714. https://doi.org/10.1021/la2043729.

5. Successive impact of droplets on the superhydrophobic surface / Chenyang Wang [et al.] // International Journal of Multiphase Flow. 2024. Vol. 174. P. 104758. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2024.104758.

6. Даулетбекова, A. К. Эффект лотоса и биороботы / A. К. Даулетбекова, К. Шварц, М. Сорокин // Вестник евразийского национального университета имени Л. Н. Гумилева. Сер. Физика. Астрономия. 2021. Т. 137, №. 4. С. 71–75.

7. Расчет трубопроводных систем с учетом степени гидрофобности внутренних поверхностей / М. А. Морозов [и др.] // Нефтяное хозяйство. 2016. № 4. С. 130–133.

8. Волков, А. В. К вопросу об использовании супергидрофобности для повышения энергоэффективности центробежных насосов / А. В. Волков, А. И. Давыдов, Г. П. Хованов // Насосы & Оборудование. 2009. № 6. С. 48–51.

9. Волков, А. В. Экспериментальные исследования эффекта гидрофобизации твердых поверхностей и элементов центробежных насосов / А. В. Волков, А. И. Давыдов, Г. П. Хованов // Промышленная энергетика. 2010. № 11. С. 41–44.

10. Экспериментальное исследование влияния гидрофобного покрытия на энергоэффективность центробежного насоса в зависимости от коэффициента быстроходности / А. В. Волков [и др.] // Энергосбережение и водоподготовка. 2012. № 1 (75). С. 38–41.

11. Интенсификация теплообменных процессов в конденсаторах паровых турбин с использованием поверхностно-активных веществ / А. В. Куршаков [и др.] // Теплоэнергетика. 2014. № 11. С. 17–20.

12. Рыженков, В. А. О повышении эффективности эксплуатации отечественных систем теплоснабжения в современных условиях / В. А. Рыженков // Новости теплоснабжения. 2006. № 9 (73). С. 36–42.

13. Насосы динамические. Методы испытаний. Термины и определения: ГОСТ 6134–2007 (ИСО 9906:1999). Введ. 2008-06-01. М.: Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2007. 100 с.

14. Разработка стенда оценки стойкости внутренних защитных покрытий НКТ к неорганическим солеотложениям / Д. В. Берков [и др.] // Нефтегазовое дело. 2024. Т. 22, № 1. С. 160–172. https://doi.org/10.17122/ngdelo-2024-1-160-172.

15. Протасов, В. Н. Методологические основы выбора материалов полимерных покрытий для предотвращения образования значительных отложений парафинов и минеральных солей на внутренней поверхности нефтегазопроводных труб / В. Н. Протасов, А. В. Мурадов // Tерритория нефтегаз. 2008. № 3. C. 36–43.

16. Электрохимические методы определения стойкости против межкристаллитной коррозии. Термины и определения: ГОСТ 9.914–91. Введ. 1992-01-01. М.: Комитет стандартизации и метрологии СССР: Государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам, 1991. 17 с.

17. Рыженков, А. В. Исследование влияния поверхностно-активных веществ на гидравлическое сопротивление трубопроводов систем теплоснабжения и разработка способа снижения энергозатрат при транспортировке теплоносителя: автореф. дис. … канд. тех. наук: 05.14.14 / А. В. Рыженков; Московский энергетический институт. М., 2008. 20 с.

18. Шероховатость поверхности; Параметры, характеристики и обозначения: ГОСТ 2789–73 (СТ СЭВ 638–77). Введ. 01-01-75. М.: Государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам: Государственный комитет стандартов Совета Министров СССР, 1975. 14 с.

19. О возможностях применения низконапорных микроГЭС для автономного энергоснабжения технологических устройств / А. Г. Парыгин [и др.] // Нефтяное хозяйство. 2015. № 10. С. 127–130.

20. Веременюк, В. В. Математические модели скважинных водозаборов с разветвленной и кольцевой схемами соединения сборных водоводов / В. В. Веременюк, В. В. Ивашечкин, В. И. Крицкая // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 6. С. 561–578. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-6-561-578.

21. Веременюк, В. В. Моделирование работы скважинного водозабора подземных вод с кольцевым сборным водоводом / В. В. Веременюк, В. В. Ивашечкин, В. И. Крицкая // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2023. Т. 66, № 3. С. 289–300. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-3-289-300.