定向鉆機(jī)用泥漿泵增壓試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與測(cè)試

朱利民

1中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400039

2瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400039

近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)大功率泥漿泵的使用性能進(jìn)行過較為廣泛的研究[1-2]，主要針對(duì)的大多是石油鉆井用泥漿泵[3]，此類泥漿泵試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)的研究也相對(duì)較多，但是專門針對(duì)煤礦用小型泥漿泵的試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)的研究相對(duì)較少，為此研發(fā)了定向鉆機(jī)專用泥漿泵試驗(yàn)臺(tái)。

對(duì)于定向鉆機(jī)井下作業(yè)施工期間，泥漿泵車驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)不能有效進(jìn)行作業(yè)時(shí)，很難判斷是否是泥漿泵出現(xiàn)問題。有了試驗(yàn)平臺(tái)后，可立即檢測(cè)泥漿泵狀況，為定向鉆機(jī)順利施工做出檢測(cè)依據(jù)。另一方面，泥漿泵車供水測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，不僅可以實(shí)現(xiàn)泥漿泵車的出廠檢驗(yàn)檢測(cè)，而且可對(duì)泥漿泵車的設(shè)計(jì)研發(fā)提供試驗(yàn)參考，提高定向鉆機(jī)的質(zhì)量，對(duì)于開拓市場(chǎng)和提高經(jīng)濟(jì)效益也有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 泥漿泵增壓試驗(yàn)臺(tái)方案設(shè)計(jì)

1.1 研制流程

在定向鉆機(jī)專用泥漿泵試驗(yàn)臺(tái)研發(fā)過程中，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和裝備進(jìn)行吸收、改進(jìn)，結(jié)合原始創(chuàng)新的研究方法[4-8]，采用對(duì)比法確定試驗(yàn)系統(tǒng)水流傳遞方案、壓力調(diào)節(jié)方案、流量調(diào)節(jié)方案。采用三維軟件建模，研究供水系統(tǒng)布局，優(yōu)化水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)底座、增壓水箱進(jìn)行三維設(shè)計(jì)與校核。試驗(yàn)臺(tái)研制流程如圖1 所示。

1.2 方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)流程

定向鉆機(jī)用泥漿泵對(duì)于入水口的流量和壓力有一定的要求，因此在設(shè)計(jì)泥漿泵試驗(yàn)臺(tái)時(shí)需要在水箱內(nèi)部預(yù)設(shè)一定的壓力。采用螺桿空壓機(jī)加儲(chǔ)氣罐給水箱提供壓縮空氣，使水箱內(nèi)的水壓保持在一定的范圍內(nèi)，因此，增壓水箱的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。泥漿泵出入口流量與壓力的測(cè)定，可通過管路上的電磁流量計(jì)與壓力表實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案如圖2 所示，主要由泥漿泵進(jìn)出口液體流量壓力檢測(cè)裝置、水箱加壓裝置、出水蓄能器、快速更換接頭等組成。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)研制流程Fig.1 Process flow of development of test bench

圖2 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案Fig.2 Design scheme of test bench

通過注水口向水箱中注水3 m3，并通過螺桿壓縮機(jī)經(jīng)儲(chǔ)氣罐向水箱中注入壓縮空氣，使水箱中的壓力保持在0.5 MPa。試驗(yàn)時(shí)，水箱中的壓力水通過裝有截止閥、過濾器、流量計(jì)、壓力表的管路系統(tǒng)進(jìn)入泥漿泵。由于試驗(yàn)泵為柱塞式泥漿泵，泵出口的水需要再接入蓄能器進(jìn)行流體穩(wěn)定，然后經(jīng)裝有壓力表、流量計(jì)、截止閥的管路系統(tǒng)回到水箱。

2 增壓水箱計(jì)算設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)為增壓水箱的設(shè)計(jì)計(jì)算。水箱設(shè)計(jì)綜合考慮環(huán)境條件、介質(zhì)的理化性質(zhì)等因素，結(jié)合給定的工藝參數(shù)，按照機(jī)械容器的選材、壁厚計(jì)算、強(qiáng)度核算、附件選擇、焊縫標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)順序，分別對(duì)水箱的筒體、封頭、人孔接管、人孔補(bǔ)強(qiáng)、接管、法蘭、液位計(jì)、鞍座、焊接形式進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選擇。

水箱設(shè)計(jì)容積為3 m3，直徑為1 600 mm，根據(jù)水箱接口需求，設(shè)有出水口、泥漿泵回水口、人孔等，水箱上部裝有液位計(jì)，底部設(shè)計(jì)有底座，用于固定安裝增壓水箱。增壓水箱結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 增壓水箱結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of pressurized water tank

增壓水箱的保持壓力為 0.5 MPa，設(shè)計(jì)壓力p為計(jì)算壓力的 1.05～1.1 倍，這里取 1.1，則設(shè)計(jì)壓力p=0.5×1.1=0.55 MPa。水箱選用材料為不銹鋼，許用應(yīng)力[σ]=137 MPa。水箱壁厚

式中：Di為水箱直徑，Di=1 600 mm；Φ為焊接系數(shù)。

板材厚度附加量

C=C1+C2，

式中：C1為板材厚度負(fù)偏差，由于計(jì)算壁厚小于5 mm，因此取C1=0.18 mm；C2為板材厚度正偏差，考慮到工作容器需要與水接觸，取C1=1 mm。

因此設(shè)計(jì)壁厚

δd=δ+C=4.76 mm，

根據(jù)不銹鋼板材規(guī)格，圓整后取δd=6 mm。

水箱壁應(yīng)力

經(jīng)校核，水箱壁強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

使用軟件對(duì)水箱進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。將水箱的內(nèi)表面均勻施加0.5 MPa 壓力，得到應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D，分別如圖4、5 所示。從分析結(jié)果看，最大應(yīng)力和應(yīng)變位置均為水箱的頂部和底部位置，其最大值均在安全設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，因此水箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。

圖4 增壓水箱應(yīng)力云圖Fig.4 Stress contours of pressurized water tank

圖5 增壓水箱位移云圖Fig.5 Displacement contours of pressurized water tank

3 泥漿泵增壓試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

增壓水箱設(shè)計(jì)完成以后，試驗(yàn)臺(tái)其他元器件只需根據(jù)要求選擇合適的型號(hào)即可。

螺桿空壓機(jī)選用額定輸出壓力為0.8 MPa 的螺桿泵與泄壓閥聯(lián)合使用，將輸出壓力控制在0.5 MPa。螺桿機(jī)的排氣量為常壓下的指標(biāo)，將其壓縮到0.5 MPa 時(shí)需要將體積壓縮到原先的 1/5，考慮到最大排量為1 m3/min，因此螺桿泵的排量應(yīng)為5 m3/min，型號(hào)為 LW-30P/LW-50P。與壓縮機(jī)配套使用的還有儲(chǔ)氣罐，為保證供氣穩(wěn)定性，采用壓力為0.8 MPa、容積為1 m3的儲(chǔ)氣罐，進(jìn)氣口與出氣口均為 1/2 英寸。

試驗(yàn)臺(tái)總體布置結(jié)構(gòu)如圖6 所示，螺桿空壓機(jī)連接儲(chǔ)氣罐，然后接入增壓水箱。增壓水箱的出水口接調(diào)節(jié)閥，經(jīng)流量計(jì)、過渡閥板接頭連接到需要測(cè)量的泥漿泵入水口；泥漿泵出水口通過過渡閥板接頭連接試驗(yàn)臺(tái)的回水管，經(jīng)蓄能器、流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥連接增壓水箱的回水接口，形成一個(gè)回路。測(cè)試不同的泥漿泵時(shí)，只需將泥漿泵連接到指定的出/入水口過渡閥板接頭即可。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)總體布置Fig.6 Overall layout of test bench

4 泥漿泵試驗(yàn)結(jié)果分析

泥漿泵試驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)閉式循環(huán)系統(tǒng)，清水從增壓水箱通過進(jìn)水管道吸入，進(jìn)水管道上裝有壓力表和電磁流量計(jì)，用來測(cè)量進(jìn)水口壓力與流量；泥漿泵出水口連接回水管道，首先通過蓄能器穩(wěn)壓，然后通過接有壓力表和電磁流量計(jì)的回水管道返回增壓水箱，增壓水箱保持一定的壓力。

排出壓力從最小值開始，再依次按照額定壓力值的10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90% 和100% 升壓，在每次的工況點(diǎn)測(cè)量和記錄流量Q、入水口壓力ps和出水口壓力pd的測(cè)試值，溫度(溫升)采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量，轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速表進(jìn)行測(cè)量。泥漿泵試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試項(xiàng)目如表1 所列。

表1 泥漿泵試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試項(xiàng)目Tab.1 Testing items of bench test for mud pump

以 XW50 型 PINFL 泥漿泵為例進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)泥漿泵是否達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的指標(biāo)。該泵的技術(shù)參數(shù)為：輸出流量為230 L/min，額定壓力為6 MPa。從最小排出壓力開始進(jìn)行檢測(cè)，然后按額定排出壓力的10% 依次遞增，共10 個(gè)工況點(diǎn)，每個(gè)工況點(diǎn)平穩(wěn)運(yùn)行5 min，然后同時(shí)測(cè)量和記錄壓力、流量、轉(zhuǎn)速等測(cè)試值，部分測(cè)試記錄如表2 所列。由試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)得知，XW50 型泥漿泵各擋容積效率都在90% 以上，滿足設(shè)計(jì)測(cè)試要求。

表2 泥漿泵試驗(yàn)臺(tái)性能測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Data of bench test for performance of mud pump

5 結(jié)語

隨著定向鉆機(jī)在煤礦中的使用越來越普遍，根據(jù)泥漿泵的測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了一種定向鉆機(jī)用泥漿泵增壓供水試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)采用螺桿空壓機(jī)為增壓水箱提供穩(wěn)定壓力，為泥漿泵吸水口提供穩(wěn)定的測(cè)試壓力水，集成了出/入水口的流量與壓力檢測(cè)裝置，可以測(cè)試泥漿泵的工作參數(shù)，并可以通過調(diào)節(jié)閥門來調(diào)節(jié)壓力流量值，以滿足不同型號(hào)泥漿泵的檢測(cè)與檢驗(yàn)。通過對(duì) XW50 型泥漿泵進(jìn)行壓力流量分擋測(cè)試，驗(yàn)證了該試驗(yàn)臺(tái)滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

使用試驗(yàn)平臺(tái)，可立即檢測(cè)泥漿泵是否損壞，為定向鉆機(jī)順利施工做出檢測(cè)依據(jù)。該試驗(yàn)臺(tái)不僅可以實(shí)現(xiàn)泥漿泵車的出廠檢驗(yàn)檢測(cè)，而且可對(duì)泥漿泵車的設(shè)計(jì)研發(fā)提供設(shè)計(jì)參考。