劉承建,朱恬億,繆紅芳,劉宣辰

江蘇如東金友機(jī)械有限公司,江蘇 南通 226400

0 引言

井口小修作業(yè)又被稱為井口維護(hù)作業(yè),是石油勘探和開發(fā)過程中非常重要的環(huán)節(jié),其主要內(nèi)容涉及到清防砂、井口設(shè)備檢修、維護(hù)和更換井下管柱等工作[1]。與井口大修作業(yè)相比,小修作業(yè)工序雖較為簡(jiǎn)單,但作業(yè)更加頻繁且工作環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大,易出現(xiàn)安全事故。為了保證作業(yè)的高效性和安全性,小修作業(yè)自動(dòng)化已是當(dāng)下修井工作發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前,NOV、Nabors、海瑞克等石油裝備生產(chǎn)商為修井工作自動(dòng)化發(fā)展提供了不少成熟產(chǎn)品,在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已開始廣泛使用一些專業(yè)的設(shè)備,例如液壓千斤頂、液壓動(dòng)力貓道、液壓油管鉗、動(dòng)力卡瓦等。而這些裝備的正常運(yùn)作需要一個(gè)穩(wěn)定可靠的液壓泵站為其提供動(dòng)力,從而完成各種作業(yè)工序。

本文旨在設(shè)計(jì)一種適用于井口小修作業(yè)設(shè)備的液壓泵站以滿足修井作業(yè)需求,并具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 液壓泵站的設(shè)計(jì)要求

通過對(duì)井口小修設(shè)備工作過程以及現(xiàn)場(chǎng)工況的分析,對(duì)井口小修設(shè)備液壓泵站提出了以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求:能夠滿足設(shè)備吊裝機(jī)械臂上升運(yùn)動(dòng)要求,并能夠及時(shí)供給高壓油;當(dāng)機(jī)械臂不動(dòng)作時(shí),泵站能夠自動(dòng)卸荷,而當(dāng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)受阻時(shí),系統(tǒng)壓力應(yīng)該能夠升高到允許值,并且能夠限壓保護(hù);能夠應(yīng)對(duì)系統(tǒng)工況負(fù)載質(zhì)量大、慣性大的問題,需要使用制動(dòng)緩沖回路;能夠防止泵站停止工作時(shí),管路中的油液倒流,以較長(zhǎng)時(shí)間保持系統(tǒng)壓力;需要設(shè)有蓄能器來彌補(bǔ)泄漏、保壓、緩沖減振,以減少壓力波動(dòng),提高工作效率;需要設(shè)有油液冷卻系統(tǒng),以保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作,溫度不超過規(guī)定范圍;整個(gè)液壓泵站應(yīng)方便使用,易于維修,并力求小型化、模塊化和輕量化[2]。

2 方案設(shè)計(jì)

為滿足上述要求,本文采用了比例溢流閥、單向閥、蓄能器、冷卻器、高壓過濾器等液壓元件組成泵站液壓系統(tǒng)。具體液壓泵站油路原理如圖1所示。

1—主油箱;2—截止閥;3—電機(jī);4—主泵;5—輔泵;6—單向閥;7—流量計(jì);8—壓力傳感器;9—高壓過濾器;10—比例溢流閥;11—蓄能器;12—溢流閥塊;13—快換接頭;14—壓力表;15—風(fēng)冷卻器;16—回油過濾器。

為了滿足井口小修設(shè)備較大的流量需求,減小壓力波動(dòng)和能耗損失,液壓系統(tǒng)采用主泵加輔泵雙泵供油方式。在系統(tǒng)負(fù)載變化較大的情況下,輔泵可以根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況進(jìn)行調(diào)節(jié),避免了單一泵的工作點(diǎn)固定的情況,提高了系統(tǒng)的工作效率。當(dāng)一個(gè)泵發(fā)生故障時(shí),另一個(gè)泵可以立即接替工作,保證系統(tǒng)不會(huì)停止運(yùn)行,一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)壓力可由比例溢流閥無(wú)極調(diào)定,與普通電磁溢流閥泵站系統(tǒng)相比,比例溢流閥可實(shí)現(xiàn)對(duì)管路的連續(xù)壓力控制。此外,該液壓系統(tǒng)還增加了1個(gè)蓄能器作為應(yīng)急動(dòng)力源補(bǔ)充泄漏,保證系統(tǒng)工作壓力。

泵站布置有多種方式,一般采用開式油箱,電機(jī)和液壓泵可以布置在油箱旁邊、上面、下面以及油箱內(nèi)部液面以下,從而形成旁至式、上置臥式、下至式以及上至立式液壓站。其中,下至式泵站結(jié)構(gòu)液壓泵位于油箱下部,泵吸油口油液液位高,泵的自吸能力強(qiáng),可以改善液壓泵的吸油條件,且上下布置模式使得液壓泵站結(jié)構(gòu)緊湊節(jié)省空間?？紤]到井口設(shè)備的實(shí)際情況,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件最終確定采用下至式布局結(jié)構(gòu)。

3 泵站設(shè)計(jì)

3.1 液壓泵選型

液壓泵站需要能夠?yàn)橐簤焊?、液壓鉗等井口小修作業(yè)液壓設(shè)備提供足夠的液壓油源。液壓系統(tǒng)的性能主要由壓力和流量2個(gè)參數(shù)確定,依據(jù)這2個(gè)參數(shù)可以計(jì)算并選擇液壓元件的規(guī)格和具體型號(hào)[3]。依據(jù)井口小修作業(yè)設(shè)備工作情況,將泵站額定最高工作壓力定為31.5 MPa,實(shí)際工作壓力可通過比例溢流閥調(diào)定。設(shè)備進(jìn)行油管起下、擺放作業(yè)時(shí)所需液壓流量為55 L/min,機(jī)械臂回轉(zhuǎn)所需流量為25 L/min,進(jìn)給油缸所需流量為20 L/min,機(jī)械臂進(jìn)行油管起下擺放速度為25 m/min。考慮到系統(tǒng)容積、泵的密封損失和回油損失等可確定系統(tǒng)流量為115 L/min,系統(tǒng)壓力為31.5 MPa。結(jié)合以上要求并以管路損失及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品的情況為考量依據(jù),最終選擇排量為主泵63 mL/r和副泵10 mL/r的軸向柱塞泵為井口小修設(shè)備提供動(dòng)力。

3.2 電機(jī)選型

電機(jī)是泵站的動(dòng)力來源,選型的合理與否直接影響到泵站的性能、效率和穩(wěn)定性,因此,在進(jìn)行液壓泵站設(shè)計(jì)時(shí),電機(jī)選型也顯得尤為重要。電機(jī)選型需要考慮多個(gè)因素,包括但不限于液壓泵的流量、壓力、速度和效率等。

主泵理論最大輸出流量(Qm)為90 L/min。

Qm=qm×n×η1×10-3

(1)

主泵驅(qū)動(dòng)功率(Nm)為50.5 kW。

(2)

輔泵理論最大輸出流量(Qs)為26 L/min。

Qs=qs×n×η×10-3

(3)

主泵驅(qū)動(dòng)功率(Ns)為7 kW。

(4)

式中:n為轉(zhuǎn)速,n=1 480 r/min;qm為主泵的每轉(zhuǎn)最大排量,qm=63 mL/r;qs為輔泵的每轉(zhuǎn)最大排量,qs=26 mL/r;η1為主、輔泵的容積效率,根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),此處的η1取值為0.95[4];pm、ps為主泵和輔泵的額定壓力取值,均為31.5 MPa;ηm、ηs為主泵與輔泵的總效率取值,均為0.9。一般來說,電機(jī)的額定功率應(yīng)略大于泵站的功率,以確保電機(jī)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速也需要與泵的轉(zhuǎn)速匹配,以確保泵的效率和性能得到最大化的發(fā)揮。綜合考慮,主泵電機(jī)選用JZ Y250M-4型電機(jī),輔泵電機(jī)選用JZ Y132M-4型電機(jī)。

3.3 主要液壓輔件選型

液壓輔件是液壓系統(tǒng)中非常重要的組成部分,包括各種閥門、管路、接頭、濾清器、油箱等。正確選擇液壓輔件,可以保證液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行,維持高效性能,提高工作效率和安全性[5-6]。泵站主要液壓輔件選型如表1所示。

表1 主要液壓輔件選型

3.4 液壓集成閥塊設(shè)計(jì)

確定相關(guān)液壓輔件后,對(duì)液壓系統(tǒng)中的集成閥塊進(jìn)行設(shè)計(jì),在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)遵循以下設(shè)計(jì)原則。

1)明確設(shè)計(jì)的功能需求,包括閥塊需要實(shí)現(xiàn)的液壓功能、工作壓力、流量要求等,確保設(shè)計(jì)符合系統(tǒng)的要求和規(guī)范。

2)設(shè)計(jì)閥塊的整體結(jié)構(gòu),包括布局、尺寸和連接方式等。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高閥塊的緊湊性、可靠性和制造效率。

3)在設(shè)計(jì)閥塊時(shí)需要考慮流動(dòng)特性,包括流通路徑、流速分布、壓力損失和液壓噪音等。

4)選擇適當(dāng)?shù)牟牧蟻頋M足液壓系統(tǒng)的工作條件和環(huán)境要求。材料的強(qiáng)度、耐腐蝕性和耐磨性等性能對(duì)閥塊的可靠性和壽命至關(guān)重要。

5)合理的密封設(shè)計(jì)對(duì)閥塊的性能和可靠性至關(guān)重要。選擇合適的密封材料和密封結(jié)構(gòu),確保閥塊的密封效果和泄漏控制。

6)考慮閥塊的制造工藝和工藝性。合理選擇加工方法、設(shè)備和工藝參數(shù),確保閥塊達(dá)到相關(guān)質(zhì)量要求。

7)設(shè)計(jì)閥塊時(shí)應(yīng)遵循適用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,確保閥塊的安全性、互換性和可維護(hù)性。

根據(jù)圖1可知,該閥塊表面需要安裝比例溢流閥、高壓過濾器等液壓元件,同時(shí)也集成了蓄能器連接油口、主泵進(jìn)油口、輔泵進(jìn)油口、液壓系統(tǒng)的進(jìn)出油口。依據(jù)以上原則在三維軟件中對(duì)液壓閥塊進(jìn)行設(shè)計(jì),最終設(shè)計(jì)方案如圖2所示:閥塊體外形為矩形六面體,采用35鋼鍛件;為方便安裝與調(diào)試,將比例溢流閥布置在閥塊上表面且安裝面孔位尺寸以及表面粗糙度符合比例溢流閥廠商樣本要求,閥塊正面為黎明液壓的QU-H250型高壓過濾器。

1—高壓過濾器;2—比例溢流閥;3—端直通接頭。

確定閥塊主級(jí)孔道孔徑d。

式中:Q為通油孔道流量,L/min;v為孔道中的允許流速,m/s。

對(duì)于壓力油孔液壓油流速一般取v為2.5～5 m/s。由計(jì)算結(jié)果可得,孔道內(nèi)徑(d)等于25 mm,此外,孔道與孔道之間還需要滿足最小4 mm的安全壁厚要求[7]。由于主級(jí)孔道較小,故孔道外接油口采用螺紋連接,為避免泄漏油,口連接螺紋應(yīng)符合GB/T 2878.1—2011的規(guī)定。設(shè)計(jì)液壓閥塊時(shí)也需要考慮后續(xù)壓力測(cè)量需求,在閥塊設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了相應(yīng)的測(cè)壓口配合快換式測(cè)壓接頭,即可快速實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量。閥塊加工時(shí)應(yīng)注意去掉毛刺、飛邊,并認(rèn)真清除孔道內(nèi)切屑、雜質(zhì),并清洗干凈,加工完畢后的閥塊體應(yīng)有防銹、防塵等防護(hù)措施,表面應(yīng)封蓋,并存放于清潔干燥的場(chǎng)所,避免污染液壓系統(tǒng)。

3.5 液壓站布局設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的液壓泵站采用下至式布局,將液壓泵和電機(jī)安裝在儲(chǔ)油箱下方,具體布置如圖3所示。為了使泵站內(nèi)的各個(gè)元件能夠安置在較小的空間內(nèi),將泵、電機(jī)、控制閥等元件進(jìn)行密集布置[8],同時(shí)也為了方便后期對(duì)其進(jìn)行維修和更換,泵站的各部件預(yù)留了足夠的間隔空間。考慮到比例溢流閥外部泄油口以及布局空間要求,將液壓集成閥塊固定于油箱正面;比例溢流閥外部泄油口通過直徑為10 mm的鋼管與回油過濾器相連通;回油過濾器布置在油箱內(nèi)隔板左側(cè),與泵吸油側(cè)分開,保證液壓油可充分冷卻。

圖3 液壓泵站元件布局

依據(jù)布局圖,使用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)液壓泵站進(jìn)行建模設(shè)計(jì)并進(jìn)行三維管路布置,最終效果如圖4所示。

圖4 液壓泵站三維效果圖

3.6 主要技術(shù)參數(shù)

此次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 液壓泵站主要技術(shù)參數(shù)

4 試驗(yàn)測(cè)試

對(duì)液壓泵站分別進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和運(yùn)行試驗(yàn),測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。具體測(cè)試內(nèi)容如下。①耐壓試驗(yàn),液壓油加滿油箱可承受0.05 MPa,油箱外觀無(wú)變形,將泵站壓力調(diào)到額定壓力并保壓5 min,泵站不得出現(xiàn)外滲漏。②運(yùn)行試驗(yàn),泵站須運(yùn)作正常,無(wú)異常噪聲震動(dòng)等現(xiàn)象,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試,泵站加壓后無(wú)滲漏,油箱無(wú)變形。出口流量曲線如圖6所示,試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖6 出口流量曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)井口小修設(shè)備自動(dòng)化設(shè)備的工作過程和工況進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)了一款滿足小修作業(yè)設(shè)備液壓動(dòng)力源需求的液壓泵站,有效保證了作業(yè)的高效性和安全性。本文提出的設(shè)計(jì)方案和思路為井口小修作業(yè)自動(dòng)化液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒和參考價(jià)值。在實(shí)際應(yīng)用中還需要根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),以確保設(shè)備的高效運(yùn)行和人員的安全。