1 500 t復合加載試驗系統技術改造及性能提升

，　，　，　，亞龍

(中國石油集團石油管工程技術研究院　陜西　西安　710077)

0　引　言

1 500 t復合加載試驗系統的主要功能是模擬油田實際工況，對油井管全尺寸試樣進行復合加載試驗(包括軸向載荷、內壓/外壓、溫度等載荷共同作用的復合載荷)[1]，研究油井管在實際工況下的力學行為與機理，評價各種油井管的結構完整性、密封完整性及工況適用性。隨著服役時間的增加，該試驗系統的軸向加載部分故障率增加，出現控制精度和加載速率不穩的現象，并且安全互鎖功能不完善，無法滿足高頻次拉/壓載荷循環試驗的要求，嚴重影響了科研工作的開展，而試驗系統的穩定性及可靠性是決定試驗系統的能力、運行穩定性和安全性的重要因素[2-4]。因此，本文詳細的分析系統問題產生的原因，對設備進行升級改造，提升該系統軸向載荷精度及穩定性的同時提高系統的安全可靠性，確保1 500 t復合加載試驗系統性能滿足要求的同時開發設備新功能，確保油田用管安全。

1　試驗系統改造原因分析

1 500 t復合加載試驗系統的加載速度及穩定性主要受液壓系統及控制系統兩部分影響，以下將通過這兩方面進行分析。

1)液壓系統改造原因分析

液壓系統由加載回路和快速動作回路兩個部分組成，其中加載回路是通過八個液壓缸給試樣施加拉伸或者壓縮載荷，動作回路用于安裝試樣時現場快速動作。軸向載荷液壓缸加載回路中，采用比例閥調節控制低油壓，伺服閥調節控制高油壓的控制方式，在施加載荷的過程中當油壓由低壓向高壓轉換時，控制閥會由比例閥切換到伺服閥，這易導致加載速率不恒定的問題，甚至會出現切換期憋壓的現象。軸向載荷液壓缸快速動作回路，動作速率過慢，致使安裝試樣的時間過長，嚴重影響試驗效率。

加載過程(特別是拉伸加載過程)中，試件突然斷裂會造成油缸上腔壓力突增的情況，這時，高壓液會直接沖擊主油箱，導致試驗系統遭受巨大的沖擊載荷，影響系統軟硬件的使用壽命。

另外，由于長期服役造成液壓缸磨損，8個油缸之間存在串油現象，同時接頭管路也存在滲漏現象，導致設備能力下降，最大拉伸載荷由原設計參數1 500 t降為1 020 t，最大壓縮載荷也由1 200 t降為800 t，此種情況造成試驗系統軸向拉伸載荷保載不穩定。

2)控制系統改造原因分析

在苛刻工況條件下服役的油井管性能評價試驗，需要試驗系統快速響應的高精度閉環控制，準確和充足的數據采集記錄，以保證能對試驗結果提供有效的客觀證明，因而控制和數據采集系統需要具有足夠高的可靠性。

現存試驗系統僅采用一臺計算機進行控制和數據采集，不能夠滿足長周期實驗的需求。經常出現計算機死機等情況而導致實驗中止的情況，甚至是導致實驗失敗。同時在控制系統中由于當時進行設備設計時試驗條件簡單，系統未設計足夠的位移控制功能，隨著深井、熱采井等負責工況油田的開采，對于位移控制的實驗需求在逐漸增加，在控制、采集系統中也應相應增加與試樣相匹配的控制功能。

3)試驗系統安全可靠性改造

現存試驗系統缺少安全護鎖功能、各種報警指示以及系統信息反饋，尤其是關鍵故障報警信息，如：液壓站油 位低報警，油溫高報警，過濾器堵塞報警，壓力超高報警，載荷超限報警等。另外，缺少安全防護屏障，該試驗系統通常要進行高壓高溫實驗，不設置安全防護屏障存在極大的安全隱患。因此，在設備升級改造過程中，提高設備的安全可靠性。

2　1 500 t復合加載試驗系統升級改造方案

1)液壓系統設計[5-6]

液壓系統改造原理如圖1所示，系統的加載回路采用帶先導比例壓力閥的遙控型變量泵和伺服閥組合控制的方案，遠程控制變量泵的泵壓恒定于某個值，然后通過伺服閥緩慢給油缸加載，并形成壓力反饋的閉環控制。采用這種方式，由泵來衡定壓力，伺服閥來保證供油量的精度，從兩個方面控制油缸的工作壓力穩定在允許誤差范圍之內，確保了控制精度，同時也解決了在兩個閥之間切換所帶來的問題，提升系統的控制精度，恒定了系統的加載速率。

為了避免加載過程(特別是拉伸加載過程)中試件突然斷裂造成油缸上腔壓力突增的情況，在每4個液壓缸上腔加裝了一個先導式溢流閥，能夠在載荷突增時迅速打開，將高壓液排至輔助油箱，避免高壓液直接沖擊主油箱。

為了實現快進退、慢加載的設計要求，快速動作回路大排量低壓柱塞泵和帶先導比例壓力閥的遙控型變量泵提供動力，當需要試驗系統快速動作油缸時，兩臺泵同時開啟。為實現慢加載設計要求，低壓泵停止工作。電控系統可以根據加載力計算出需要的泵壓，由程序設定壓力值給變量泵上的先導比例壓力閥下達指令，使泵的輸出壓力穩定在需要值，同時泵自帶的調節機構能自動調小柱塞泵的斜盤角度，使泵的輸出流量維持在夠用且能保證壓力的狀態下，既避免了無畏的能源消耗造成油箱升溫過快和噪聲過大，又避免了溢流流量過大帶來的壓力波動問題。節省能源，降低設備的噪音，在提升試驗系統控制精度及加載速率問題的同時，改善了試驗人員的工作環境。

在系統設計時采用雙液控單向閥，當保載時鎖定液壓缸的壓力，避免接頭或管路滲漏造成的壓力下降情況，保持試驗保載過程中載荷的穩定性。

在液壓系統改造的同時維修液壓缸，將八個液壓缸按最小的桿徑和最大的缸徑進行統一的維修電鍍處理，在解決串油問題的同時確保八個油缸產生的載荷一致。

2)控制系統設計

改造后的控制與采集系統原理圖如圖2所示。采用PLC與NI控制系統相結合的模式，NI系統數據傳輸能力強，PLC控制邏輯嚴密，有利于提高電控系統的可靠性，解決原有試驗系統由一臺計算機進行控制及采集的弊端。

油壓、油溫、油位、過濾器污染程度等數據經由NI及PLC控制器上傳到工控機，視頻信號經由視頻數據線直接傳至工控機，遙控器指令通過接收機傳至工控機再下達到各執行機構。工控機根據人工設定的參數能夠自動執行加載流程。試驗過程中，記錄壓力數據并實時顯示在操作界面上。而且，試驗系統采用采集和控制分離的方式，數據采集和控制系統在上位機和下位機都是獨立的，數據采集子系統對系統中所有的物理量都進行了采集和存儲，控制系統只對和控制相關的物理量進行了采集，并具備模擬和數字量輸出功能。

圖2　軸向加載系統控制與采集系統原理圖

在改造后的1 500 t復合加載試驗系統中增加位移控制功能，對于載荷控制和位移控制采用PID控制方式。載荷控制和位移控制的過程均由液壓泵實現，通過PID控制使得液壓泵的輸出的負載穩定地加載到被測件，通過壓力信號或者位移信號的采集計算得到載荷大小或者位移數據。

3)試驗系統安全可靠性設計

改造后的1 500 t復合加載試驗系統采用備份數采模式，對于在閉環控制中需要用到的物理量，在同一個測點用兩個物理通道進行了采集，或者計算得到兩個相關的物理量，在控制過程中時刻判斷二者的差異，如果偏差過大，就認為采集系統數據不可靠，系統故障，及時結束試驗進程，進入安全狀態恢復。在數據采集子系統和控制子系統之外設立一個獨立運行的看門狗子系統，將檢測數據和設定的極限值進行實時比較，如果超出，看門狗系統啟動安全狀態恢復進程，確保試驗安全。

試驗系統采用多點急停安全設計，除了控制子系統上位機的軟件急停按鈕，在監控中心和試驗區域安裝有8個硬件緊急停止按鈕(ESD)，只要有其中的一個被按下，都會停止試驗，并啟動安全狀態恢復。同時可以在上位機軟件中顯示硬件急停的狀態、部位，同時啟動聲光報警，及時提醒操作人員注意，提高試驗系統的操作安全。

3　改造后試驗系統加載及控制精度測試

在液壓系統及控制系統改造完成后，采用三個Load Cell(908-1、908-3、908-4標準力傳感器)對設備進行校準，校準結果如表1所示，測試結果表明改造后的1500噸復合加載試驗系統控制精度高運行穩定，滿足油井管產品性能檢測需要。

表1　設備標定結果

4　結　論

本文通過對1 500 t復合加載試驗系統的液壓系統進行重新設計改造，提升系統的控制精度，恒定了系統的加載速率，進而提升了試驗效率及硬件的使用壽命，減少后期維修成本。改造后的控制系統采用采集和控制分離的控制方式，提高系統的可靠性及運行速度，同時在系統中增加位移控制功能，便于試驗系統開展非常規試驗項目，提升原有試驗系統的試驗能力。系統加強安全可靠性設計，采用看門狗安全防護及多點急停的方式，提高試驗系統及操作人員的安全。結果表明，改造后試驗系統精度及系統誤差滿足質量檢測需求。

[1] 中國石油天然氣集團公司.石油天然氣工業 套管及油管螺紋連接試驗程序：GB/T 21267-2007 [S].北京:中國標準出版社,2007:28-40.

[2] 王宏友.電氣自動化控制設備的穩定性措施探究[J].電子技術與軟件工程，2014(1):251.

[3] 鄧幫飛, 唐捷. 電氣自動化控制設備可靠性研究[J]. 企業技術開發，2012(32):102-103.

[4] 石建偉. 淺析電氣自動化控制設備的可靠性[J].科技與企業，2013,8(263):350.

[5] 全國液壓氣動標準化技術委員會. 液壓傳動系統及其元件的通用規則和安全要求:GB/T 3766-2015[S].北京:中國標準出版社,2015:3-21.

[6] 全國液壓氣動標準化技術委員會. 液壓元件通用技術條件: GB/T 7935-2005 [S].北京:中國標準出版社,2005:2-3.