Насос вверх ногами - как создавался погружной скважинный насос
В первой четверти прошлого столетия выдающийся российский изобретатель армянского происхождения Армаис Арутюнов создал то, без чего не смогла бы появится на свет ни одна модель современного скважинного насоса - погружной электродвигатель.
Практически одновременно Арутюновым была разработана и другая часть задуманного им электрического агрегата - сам скважинный насос, конструкция которого легла в основу современных глубинных насосов как для нефтяных скважин, так и для скважин на воду (в том числе и ЭЦВ).
Отметим, что статью об изобретении и создании погружного скважинного электронасоса мы неспроста решили опубликовать именно в июне 2016 года − для этого у нас целых два весьма существенных повода. Дело в том, что 21 июня исполнится 123 года со дня рождения гениального изобретателя Армаиса Саркисовича Арутюнова. И в этом году исполняется 100 лет погружному скважинному электронасосному агрегату Арутюнова.
История создания насосов ЭЦВ неотделима от истории народа нашей страны в двадцатом веке. Но если историю нашего народа сегодня уже можно как-либо представить без знания истории погружных насосов, то наоборот, как не пытайся, не получится. Постараюсь восполнить этот пробел. Специально подчёркиваю – это моё, личное, субъективное мнение. Ваше право его принимать или не принимать, критиковать и фальсифицировать.
Всё началось на заре ХХ века в Российской империи, в славном городе Тифлис (так тогда назывался Тбилиси). В семье видного армянского предпринимателя того времени Саркиса Казаровича Арутюнова вырос сын Армаис.
Армянин, выросший в Грузии, и окончивший русскую школу. Парень получил хорошее образование как домашнее, так и государственное высшее (г. Санкт-Петербург), энергичен и предприимчив в отца и деда (известный в России торговец и знаток мехов). Увлекался он электротехникой – новым и модным тогда направлением. Выстригал, понимаешь, мамиными ножницами листы железа статора с 16 лет.
В то время считалось, что нельзя сделать электродвигатель малого диаметра и большой мощности, который можно было бы использовать при скважинной добыче нефти. Однако Армаис нашёл интересное решение: чтобы развивать достаточную мощность необходимо, чтобы двигатель работал на высоких скоростях. Размышляя над этой идеей, молодой изобретатель пришел к нестандартному конструкторскому решению: он установил двигатель ниже насоса, что позволяло охлаждать двигатель в потоке движущейся вверх нефти.
Как потом напишут историки техники в США, количество патентов изобретений, которое можно было оформить на первый насос Арутюнова достигало 90! Речь идёт не только об электрическом двигателе большой мощности с наружным диаметром 6-8 дюймов. Хотя уже здесь научных тем - на десятки докторских диссертаций. Конструкция подпятников упорных подшипников, расчёты опор длинных валов, радиальные подшипники скольжения и прочая, и прочая... Меня же лично просто потрясло техническое решение гидродинамических задач, стоявших перед Армаисом Саркисовичем. Это каких же изощрённых мозгов должен быть автор, завернувший поток в направляющем аппарате насоса в обратную сторону, к валу насоса! Достигнутый результат при этом выглядит просто и элегантно. Известно многим — нет ничего проще изобрести вещь сложную. История науки переполнена такими примерами. Но нет ничего сложнее создать продукт простой! Арутюнову это удалось просто блестяще!
Разработка двигателя и насоса была закончена в 1916 году, тогда же был изготовлен и первый экспериментальный насос. Накануне первого испытания Арутюнов доработал конструкцию своего насоса: направляющий аппарат ступени, который стоял тогда вне рабочего колеса, он разместил за ним. Это привело к увеличению диаметра рабочего колеса и, как следствие, значительно увеличило напор ступени. Такая доработка существенно повышала производительность насоса. А затем Арутюнов объединил оба своих инновационных решения, присоединив скважинный насос к погружному электродвигателю.
Испытания первого образца этого агрегата были проведены на территории сталелитейного завода в Екатеринославе (ныне Днепропетровский металлургический завод) – там располагалась мастерская Арутюнова. Там же произошло и его первое функциональное использование, причем применен он был в нестандартных условиях и необычным образом: мало того, что на поверхности, так еще и в горизонтальном положении (в большой ванне, заполненной водой) – из соображения экономии средств! Но полноценно протестировать насос на таком испытательном стенде не успели – к ночи на заводе начался пожар. Горело сильно, масштабно. Пожарные приехали вовремя, тушили правильно, но пожар усиливался. Тут-то и прославил Арутюнова его дежурный инженер, имя которого мне не ведомо. Он решил помочь пожарным: подвесил экспериментальный образец скважинного электронасоса в горизонтальное положение и включил его. Гигантским, по понятиям пожарных, напором было смыто всё что горело. А Арутюнов утром проснулся знаменитым. Это было первое применение скважинного электронасоса его конструкции!
Идет война, и события в России становятся мало пригодны для освоения новой техники. По окончанию войны Армаис уезжает в Германию с целью начала производства нефтяных скважинных насосов уже на немецкой земле. В Германии Армаис регистрирует первое своё предприятие: REDA, что является аббревиатурой от слов "Russian Electrical Dynamo of Arutunoff".
Но в Германии мало нефти, зато много русских. Цвет российской науки, сбежавший от голода и большевизма, тусовался в двадцатых в Германии. Нацизм ещё не стал господствующей религией немцев, и марка пока дешёвая. Было, видимо, с кем посоветоваться. И в 1923 году Арутюнов уезжает в США, в Лос-Анджелес.
Здесь Армаис попытался продать свое изобретение представителям нефтяного бизнеса, но ему было отказано со словами, что работа его двигателя противоречит всем законам электричества.
Затем инженер переехал в штат Оклахома, где Александр Клайд, который работал на «Philips Petroleum» и нуждался в методе добычи нефти больших объёмов из скважин, расположенных в Канзасе, штат Оклахома, услышал про его изобретение и решил, что такой насос будет работать. С его помощью были проведены переговоры с Phillips Petroleum Company о тестировании оборудования, и затем в 1928 году Арутюнов переехал в город Бартлсвилл и основал "Bart Manufacturing Company".
C тремя сотрудниками Армаис изготовил и установил первый насос на скважину Эль-Дорадо поблизости от города Бернс, штат Канзас. Новость об удачном испытании его насоса вызвала немалый переполох в нефтяном сообществе. Даже газета The New York Times послала ему телеграмму:
"Пожалуйста, вышлите хорошие фотографии вашего насоса, который работает вверх ногами".
С этого момента в истории погружные насосы Арутюнова начали своё победное шествие по нефтяным промыслам, а Армаис начал ту жизнь, за которую так не любят советские инженеры своих коллег эмигрантов. Жаркие летние дни и холодные дни зимы он с семьей проводил в Калифорнии Беверли-Хиллз в своем большом доме (позже дом был продан актёру Винсенту Прайсу). Также он любил отдыхать на Гавайях и нередко летал туда с друзьями. Таких людей не очень любит вспоминать родина. Общую тональность отношения оставшихся к эмигрировавшим, помнится, удачно передал Капица в письме друзьям в Америку: «Мы тут на нарах паримся, а они там на пуховых перинах спят».
Время шло, Арутюнов продолжал печь патенты, насосы успешно работали на нефтепромыслах, а у нас работали качалки. К 1937 году Арутюнов создал очередной шедевр — открытое рабочее колесо, колесо без покрывных дисков и серию погружных насосов для двухдюймовой !!! трубы — "Х серия".
Во время второй мировой войны, году в 1943, по ленд-лизу США передали в СССР для вновь открытых нефтяных месторождений в Татарии и Башкирии штук пятьдесят установок для нефтедобычи с погружными насосами Арутюнова. По принятой в СССР практике "технического инжиниринга", часть оборудования была всесторонне изучена. Изучал установки и насосы по приказу Партии и Правительства Александр Антонович Богданов. Он вошел в состав правительственной! делегации посетившей в Америке Арутюнова.
Есть предположение, что Амаис Саркисович в первую же встречу передал нашим чертежи своего двигателя.
«Понимая перспективность применения установок погружных центробежных насосов для резкого повышения темпов добычи нефти как главного фактора подъёма экономики страны после войны, Александр Антонович приложил все силы, чтобы организовать предприятие по разработке, исследованию и внедрению этих УЭЦН.
Отправной точкой здесь можно считать его выступление на техническом совещании Министерства нефтяной промышленности СССР 20 декабря 1949 г., где Богданов подробно изложил историю развития установок погружных насосов в США, их характеристики, эксплуатационные и экономические показатели, область применения и обслуживание. Там же освещался опыт применения установок, полученных в 1943 г. по ленд-лизу, на промыслах СССР.
Приказ Министра нефтяной промышленности Н. К. Байбакова «Об организации производства бесштанговых насосов и о внедрении их в нефтяную промышленность» появился почти через год – 27 сентября 1950 г.
Речь в нём шла о создании Особого конструкторского бюро по бесштанговым насосам (ОКБ БН). Согласно приказу, начальником ОКБ БН был назначен А. А. Богданов»
В стенах этого КБ, видимо, и произошла та, первая точка бифуркации, которая разделила дальнейшие судьбы погружных насосов на ЭЦН (нефтяные) и остальные: ЭЦВ, ЭЦТ и насосы добычи урана.
При активной технической поддержке ОКБ БН, возглавляемого Александром Антоновичем, в СССР была создана самая могучая в мире индустрия производства установок погружных насосов. Пять заводов выпускали насосы, три завода – погружные двигатели и гидрозащиту, пять заводов – погружной кабель, пять заводов – станции управления и трансформаторы. Всего по тематике ОКБ БН работало около 30 предприятий. Результатом работы этой тучи специалистов явилось создание линейки насосов по всем отраслям. Но в те годы нефтянка ещё не была определяющим, стратегическим направлением. Главной задачей в стране был уран, его добыча. Из-за повышенной секретности, закрывшей атомную отрасль, мне сегодня не ведомо как, когда были изготовлены первые насосы для кислотной технологии добычи урана. Мне достоверно известно, что лучшие инженерные силы были сконцентрированы в министерстве среднего машиностроения (атомная отрасль) у Е.П. Славского, которого мне довелось знать лично. Могу свидетельствовать только об одном: новый насосный завод (ЭМЗ) в городе Лермонтове (бывший урановый рудник №1) заработал только в 1974 году, первые же средмашевские насосы были созданы, видимо в Ленинграде, а разово изготавливались на Свесском насосном заводе уже к концу пятидесятых годов. Если ошибся, то поправьте! В ряде публикаций 1974 год принято считать годом рождения погружных (скважинных) насосов марки ЭЦВ. Но началось всё, как водится, раньше. Повсеместный дефицит питьевой воды привёл к тому, что началась проработка этой проблемы на правительственном уровне.
И вот по воле Партии на Кишинёвском насосном заводе им. Котовского было решено наладить выпуск насосов для скважинного подъёма воды. Это было в 1958 году. С этого года завод переименован в электромеханический, а с 1965 года - в насосный. С целью усиления конструкторских кадров, на завод перевели специалистов со Свесского насосного завода, в основном гидравликов. Несколько человек прислали из Ленинграда. А в качестве прототипа в КБ Кишинёвского завода был передан насос из министерства, руководимого Е.П. Славским. Завод же в производстве стал осваивать насос 6АП, который со временем был заменён на ЭЦВ.
До 1959 года разработкой погружных центробежных насосов занимались несколько организаций. Были созданы ряды конструкций типов АП, АПВ, ПМНЛ, АЭНП, ЭПЛ, ЭПН, и др. Все они были заменены на ЭЦВ в период 1959-1965 год. В создании ЭЦВ главную роль сыграли ОКБ БН и КБ завода им. Котовского.
Это очень важная веха в плане нашего исследования. Очередная точка бифуркации. В КБ завода им. Котовского был передан насос, предназначенный для перекачки водного, (кислотного) рассола для уранового рудника. НЕ нефтяной!
Связано это было, по моему мнению, с некоторыми особенностями конструкции погружных насосов, приобретёнными в процессе эволюции в отраслях. Во-первых, насосы минсредмаша были более долговечные, наработка на отказ достигала 5-10 тысяч моточасов. Во-вторых, насосы минсредмаша были свободны от некоторых конструкторских новаций, связанных с добычей нефти с больших глубин. Прежде всего, это касалось осевой разгрузки.
В том первом насосе – прототипе, применена самая простая - щелевая разгрузка осевых усилий и жёсткая фиксация колёс на валу. Это проще, надёжнее и технологичнее, а значит - дешевле. Глубины залегания водоносных слоёв лежат в диапазоне 40-140 метров, нефть же сегодня гонят с глубин 3 км и больше при температуре среды до 100о С. Напор погружного насоса регламентируется количеством секций. Так в ЭЦВ количество секций от одной до полутора десятков, а в нефтяном марки ЭЦН – сотни (81-412). Длина двигателя может достигать 8 метров, длина насоса 5 метров. При таких размерах требования к конструкции валов, подшипников совсем иные. Жесткая агрегация колёс на валу технологически трудновыполнима. Вал насоса испытывает осевое усилие от напора насоса и собственного веса. В нефтяном насосе это усилие достигает 0,5 тонны и выше.
Необходимости осевой разгрузки в ЭЦВ по большому счёту нет. Погружной насос ЭЦВ чаще выходит из строя из-за пуска — остановки; короче, как самолет, пока летим - не ломаемся! Нефтяникам не в пример труднее. То нефть качают, то глиняный раствор, то газонефтяную композицию, и всё это меняется в течение одного - двух дней. В процессе такого полёта может быть всё, что угодно. А. А. Богданов, в главном труде своей жизни, пишет, что в течение нескольких дней в стволе нефтяной скважины может образоваться песчаная пробка высотой 40 метров.
Все это я написал не только для того, чтобы отдать должное разработчикам ЭЦН, а для того, чтоб произошло понимание разных задач, решаемых разными насосами. ОКБ БН и далее ВНИИ Гидромаш и его молдавский филиал отработали и внедрили линейку электрических центробежных насосов водоподъёма, решивших проблему водоснабжения страны. Таким вот непростым путём рождён был насос для жизни – ЭЦВ. Воистину – насос вверх ногами.
С нынешних подходов это весьма несовершенная, казалось бы, конструкция. Но всё касается только материалов! Надо понимать это время, время создания. Всё лучшее шло в атомную энергетику, в бомбу! Надо было всем показать «Кузькину мать»! Поэтому любой графитсодержащий материал – стратегическое сырьё! Нержавейка – тем более. Титановые сплавы – а что это такое? Вот чугун – это материал для народа. Вот подшипниковые материалы – балинит, лигнофоль (это пропитанные деревяшки, не путать с баланитом – это болезнь) или резина. И ведь заработало! От Бреста до Сахалина, сотни тысяч скважин.
Понятие интеллектуальная собственность тогда просто отсутствовало. Была одна форма собственности – народная. Освоенная технология изготовления передаётся на другие заводы: в Зарайск, Оршу, Бавлены, и т.д. На весь Союз строится один завод по ремонту (заводскому восстановлению) насосов – в Херсоне.
Молдавские насосы и наводнили и "обводнили" весь СССР. То тут, то там вырастали башни Рожновского – замечательное по своей идее сооружение. Никто и нигде о том не говорит, не пишет, поэтому скажу: башня Рожновского решает важнейшую геронтологическую задачу! За счёт промежуточного хранения воды в ёмкости с поверхностью раздела фаз, происходит очищение воды, её дегазация, выделяются в атмосферу тяжелые газы, сокращающие по современным представлениям человеческую жизнь. А в зимний период времени ещё дополнительно происходит структурирование воды! Но я отвлекся…
Насосы ЭЦВ, созданные в Кишинёве, отличала простота и проработанность конструкции. Недостаток – короткий срок службы - отчасти компенсировался возможностью мелкого ремонта "на коленке". Общим местом отказов насосов является человеческий фактор – нарушение правил монтажа и эксплуатации и насоса, и скважины.
«Любой вид деятельности с участием человеческого фактора несёт в себе потенциал ошибочных действий. Однако человеческий фактор может быть легко устранен за счёт внедрения тщательно разработанной, продуманной и эффективной программы обучения, а также правильной мотивации персонала. Во многих случаях, произошедшие ошибки были связаны с конкретным ситуационным контекстом, имеющимся запасом времени и т.п.» - Шнайдер Георг, компания Centrilift
Вот чего у нас не было – того не было. Но был трудовой героизм и "природная сметка советского человека". С большим удовольствием в этом историческом обзоре я опущу период последних 25 лет. Моя позиция здесь не одинока. Проиграна третья мировая война - информационная. Разрушены ряд государств: ЮАР, Югославия, Чехословакия, некоторые африканские страны, а главное СССР. Разрушение страны – это потеря территории, разрушение экономики, эмиграция научных кадров - как составная часть научной деградации, депрессия и культурная деградация населения.
"Прогресс цивилизации нельзя отрицать: в каждой новой войне нас убивают по-новому" - Уильям Пени Эдер Роджерс; англ. William Penn Adair 'Will' Rogers
Cегодня насосы ЭЦВ в их прежнем исполнении и объёме, строго говоря, уже не производит никто. Есть только один завод, который чётко наследует прежнюю традицию. Это Херсонский Электромеханический Завод (ХЭМЗ). И это не случайно.
ХЭМЗ изначально создавался как завод заводского восстановления отработавших ресурс насосов ЭЦВ производства Молдавгидромаш. В это время на завод передавалась ЧТД, технологические процессы, руководящий персонал проходил обучение и стажировку на заводе им. Котовского. Завод создавался вместо успешно работавшей мастерской по ремонту насосов, где восстанавливались, в том числе, с 1962 года, насосы ЭЦВ. К моменту своего образования, завод был оснащён достойным оборудованием и профессиональными кадрами, доказавшими за последние десятилетия свою профпригодность.
Постоянный, десятилетиями производимый анализ причин отказов насосов ЭЦВ, позволил провести доработку конструкции, главным образом в части материалов и технологии изготовления. Завод выдержал все потрясения переходного периода, тем более в Украине. Пережил рейдерские наскоки и наезды. И не потерял рабочие и инженерные кадры! Это всё оказалось возможным только благодаря директору завода Аркадию Марковичу Сандику.
Подчёркиваю, дополнительно – конструкция не пострадала. А материалы там, где надо, давно заменили. Причём без истерик и маркетинговых ходов типа "нержавеющих рабочих колес". В насосах ХЭМЗ рабочие органы из полиамида – он никогда не ржавел. И современная антифрикция – КВ, там, где надо, давно стоит.
Сегодня насосы ЭЦВ ХЭМЗ вне конкуренции в номинации цена-качество. В перечне российских производителей произошли радикальные перестановки. Взамен выбывших игроков появился новый лидер, доминирующий сегодня на рынке. Это ГМС.
Сегодня это международный холдинг с гигантскими годовыми оборотами и громоздким бюрократическим управлением. Производство погружных насосов для воды было освоено на ОАО «Ливнынасос» (г. Ливны, Орловская область) с приходом на пост директора завода Н.Н. Ямбуренко. "Относительно дешевый типоразмерный ряд отечественных насосов ЭЦВ полностью сформировался в 1998-2003 г." (В.Х. Болгов). Была, видимо, разработана и программа развития ЭЦВ насосов. Вызывает удивление, что была порвана преемственность: ВНИИ Гидромаш – Молдавгидромаш.
Скорее всего, (моё личное, субъективное мнение) в создании программы развития погружных насосов в Ливнах принимал участие человек, знакомый с трудами Тойнби, Леонтьева, Бзежинского по российской тематике. Уж очень заметно желание хозяев ливненских производителей, перескочить пропасть за два прыжка, сразу перейти в желанную фазу «цветущей сложности».
Достигнутый в советское время, уровень разработок, аккумулированный в Молдовгидромаше, отброшен, прототип взят из нефтяной отрасли и с её болячками «упрощен» до ЭЦВ. Ничего не поделаешь! Пресловутый человеческий фактор; и маргинальность соблюсти, и капитал приобрести. Понимаю, что деньги осваивали, но это же «деиндустриализация», по тому же господину Тойнби. Хорошо, что время лечит. Всё когда-нибудь образуется. Если нас всех не заставят выучить китайский.
История эволюции машин учит диагностике начальных этапов деиндустриализации на примерах «болезни Фердинанда Порше», «гегемонии рационализаторов». И на эти "вызовы" всегда есть "ответы". Так в 90-е на руинах СССР на "вызов" в сфере производства ЭЦВ дал достойный ответ ХЭМЗ, бережно сохранив уникальную молдавскую конструкцию. Затем "ответила" Группа ГМС, ответила по-своему, специфически. Из-за такой специфики в России четверть века производили ЭЦВ, конструктивно далекие от правильного (молдавского) оригинала, созданного в советские годы, еще раз подчеркнем, - исходя именно из особенностей работы в водяных промышленных скважинах.
И вот новый "вызов" - импортозамещение, коснувшееся и промышленные погружные насосы для скважин на воду. На него в 2015 году дал достойный ответ Нижний Новгород, в лице ПКП «Завод погружных насосов» (ПКП ЗПН) приняв «молдавскую» эстафету у Херсона. Благодаря его эксклюзивному дистрибьютору – ГК Гидросервис нижегородские ЭЦВ стали быстро приобретать известность на российском рынке под маркой «Зеленый Погружной Насос» (ЗПНтм). Теперь российские водоканалы, ЖКХ и предприятия получили возможность приобретать отечественные насосы ЭЦВ, практически в чистом виде сохранившими знаменитую советско-молдавскую конструкцию, признанную одной из лучших в мире более четверти века назад!
Отметим, что конструктивная преемственность между глубинными насосами ЭЦВ, разработанными в КБ НПО Молдавгидромаш, и агрегатами, выпускаемыми ПКП ЗПН, отражена в разработанном осенью 2015 года логотипе ЗПНтм, точнее - в необычном графическом изображении буквы "З": если перевернуть ее, то получится буква "М" (намек на Молдавгидромаш, где проектировалась данная конструкция, и дань уважения конструкторам, инженерам, руководителям и рабочим этого производственного объединения, создавшим лучшие в мире промышленные скважинные насосы).
Я сознательно не остановился в этом разделе на различиях в принятых конструктивах – это другая статья, наверное, столь же не бесспорная и субъективная. Вот только не забывайте это имя: Армаис Саркисович Арутюнов, родился 21 июня 1893 года, умер в феврале 1978 года в Бартлсвилле. Его портрет находится в Зале Славы Оклахомы.
Вместо библиографии:
Книги А.А. Богданова, М.Д. Айзенштейна, А. И. Степанова и других авторов можно скачать из библиотеки компании
Глоссарий:
точка бифуркации - смена установившегося режима работы системы (термин из синергетики)
технический инжиниринг - создание технического объекта по образцу
«цветущая сложность» - этап метафизического развития большой сложной системы, термин Леонтьева
деиндустриализация - существенное падение значения обрабатывающей промышленности в экономике страны, столь глубокое, что промышленность этой страны становится неконкурентоспособной в отношении соседних стран (А. Тойнби)
геронтология - наука о старении человека
Ф. Порше - автор автомобиля Фольксваген и танка Тигр
P.S. Вспомню ещё раз У. П. Роджерса: "Я верю всему, что пишут в газетах"
"<...> Советские нефтяники по достоинству оценили положительный опыт эксплуатации установок погружных центробежных насосов на примере 53 комплектов, полученных в 1943 году из США по ленд-лизу.
Изготовителем этих УЭЦН была фирма РЭДА. Эта фирма возглавлялась эмигрантом из России Армаисом Арутюновым, изобретателем погружных центробежных электронасосов. Со спуска первой погружной центробежной установки в 1928 году УЭЦН являются одним из главных видов высокопроизводительного оборудования для добычи нефти: в настоящее время более 84000 нефтяных скважин РФ эксплуатируются УЭЦНами.
Большую роль в быстром ознакомлении в СССР с УЭЦНами сыграла поездка советских специалистов в США на фирму РЭДА. В составе этой делегации был и основатель ОКБ БН Александр Антонович Богданов. Следует лишний раз подчеркнуть большую помощь, оказанную советским специалистам Армаисом Арутюновым. Благодаря этой помощи и благодаря самоотверженной работе первых сотрудников ОКБ БН – энтузиастов своего дела, первая отечественная установка УЭЦН в рекордно короткие сроки, была спущена 20 марта 1951 в скважину треста «Октябрьнефть» объединения «Грознефть" - зам. генерального директора ОАО «ОКБ БН КОННАС» - Агеев Ш.Р.
