一種PVT取樣筒高壓氮氣泄壓裝置的開發應用

宋彬，王亮，梅少良，張樹森

（中海油田服務股份有限公司，天津 300459）

0 引言

在保養PVT取樣筒時，需要拆解成零部件，清洗樣品殘渣，更換密封圈，組裝好后再進行充氮氣。目前維保面臨的困難是高壓后密封堵銹蝕后很難拆卸。取樣筒高壓后密封堵由于受到泥漿的浸泡，長期不處理，會被銹蝕，再進行拆卸內六方會打滑，這樣就無法再泄高壓氮氣，影響到取樣筒的保養。

經過對PVT取樣筒轉接活塞結構論證，有3種辦法拆卸密封堵，泄高壓氮氣，技術方案如下：1）使用電鉆在密封堵上打孔，然后用退扣工具退扣，再用專用工具泄高壓氮氣。缺點是由于硬質合金材質較硬，所以對鉆頭材質要求較高，操作比較困難。2）用電火花灼蝕密封鍺，清理干凈充氮入口，再用專用工具泄高壓氮氣。缺點是密封堵的位置比較深，電火花電極接觸要精準，取樣筒結構特殊，若操作不規范，容易造成失誤，破壞本體。3）研制專用泄壓裝置，首先泄高壓氮氣，其次拆下轉接活塞，再用相關措施處理密封堵，這樣會相對容易。

前兩種方法帶高壓操作，可靠性不高，第三種方法研制專用裝置，先泄高壓氮氣，再常壓操作取堵，所以采取第三種方案更妥當。

1 方案設計

1.1 技術方案規劃

1.1.1 液壓方案設計研究

采用液壓缸伸出活塞桿作用力與反作用力的平衡原理，設計相關液壓裝置，裝置液壓原理圖如圖1所示。

圖1 裝置液壓原理圖

該裝置液壓系統包括ENERPACP392手壓泵、液壓缸HSG50×28、三位四通換向閥及配套的管線接頭等。

裝置工作原理具體如下：本方案采用專用裝置液壓缸活塞桿伸出頂住轉接活塞的方法，使專用裝置伸出活塞桿的推力等于取樣筒轉接活塞的推力，達到力的平衡后，相當于解除了轉接活塞對后部堵頭的壓力，然后比較容易拆下后部堵頭，再換成專用螺紋環限位，繼續按照操作流程完成高壓氮氣泄壓和轉接活塞取出的步驟，具體操作后面將詳細介紹[1]。

1.1.2 結構組合配置

根據液壓原理圖組裝的結構體如圖2所示。

圖2 裝置基本結構圖

該裝置詳細說明如下：1）可移動支架。上面焊接液壓缸固定座和PVT樣筒固定座，使其液壓缸和PVT樣筒中心點在一條直線上，讓活塞桿推力作用在后端底座中心位置。2）HSG液壓缸。根據樣筒內氮氣壓力的大小，計算出液壓缸合適的推力范圍，再選擇相應型號。3）PVT樣筒固定環。緊緊束縛住樣筒，保持樣筒的受力穩定。4）液壓缸固定環。液壓缸活塞桿伸出時，由于推力的作用，液壓缸位置將發生位移，使用液壓缸固定環固定缸體。5）防護罩。固定在液壓缸與PVT樣筒之間，可打開，目的是防止高壓氣體釋放時吹動顆粒雜質蹦出。6）后部堵頭拆卸工具。開1/4槽口，可從加長桿中取出。7）ENERPAC手壓泵。內置單向閥，加裝壓力表，此手壓泵可根據負載壓力大小適當調節液壓壓力輸出。8）三位四通換向閥。此換向閥為手動閥，操作更靈活，方便安裝。9）腳輪。此專用裝置比較重，安裝腳輪，利于推拉到合適的地點操作。10）PVT樣筒。為操作目的對象。11）加長桿。延長活塞桿的伸長長度。12）螺紋環T60×3。起到限位作用。

1.2 工作步驟流程

1）安裝PVT取樣筒，活塞桿的加長桿放在樣筒后端的軸線上，然后緊固樣筒固定環；2）調試三位四通閥，按手壓泵，使液壓缸活塞前后動作，調整加長桿伸出量，最后使加長桿處于初始位置（桿頭在后端蓋內）；3）按壓手壓泵，讓活塞上的加長桿繼續伸出，頂住充氮活塞，確保活塞桿的推力和轉接活塞的壓力保持平衡；4）調節三位四通閥到中位，使加長桿伸出長度保持不變，此時液壓缸頂住轉接活塞壓力，然后用拆卸工具6拆下后部堵頭，拉到后側，安裝螺紋環，限定轉接活塞泄氮氣的位置；5）取下拆卸工具，調節三位四通閥，通過手壓泵針閥將壓力油緩慢泄掉，此時活塞在高壓氮氣作用下后移，因為螺紋環的原因，所以活塞不會頂出，活塞密封圈到螺紋處后，自動泄掉內部氮氣壓力。調節三位四通閥，將液壓缸活塞收回；6）取下PVT轉接活塞，進行后續操作。

1.3 關鍵技術參數

此設備設計主要解決問題是將PVT樣筒氮氣壓力泄掉，然后將帶有密封堵的轉接活塞取出，進行后續操作。根據PVT取樣筒后端剖視圖所示，由轉接活塞的直徑計算出轉接活塞受的高壓氮氣的壓力數值。

由負載的平衡力選擇液壓缸和液壓泵的參數型號。轉接活塞一側直徑D1=50 mm，另一側直徑d1=25 mm，如圖3所示。

圖3 PVT取樣筒后端剖視圖

1.3.1 液壓系統的設計影響因素

1）參考PVT樣筒氮氣壓力（最高8 MPa）選擇液壓缸和手壓泵的型號，最高氮氣壓力計算：由Fmax=P·S，S=πr2=π（D1/2）2，得Fmax=8×106×3.14×0.0252=15700 N。

2）考慮液壓缸液壓桿的回位及穩定性選用中位機能O型三位四通閥。

1.3.2 加長桿的長度計算設計

在液壓缸完全收回位置，加長桿與PVT樣筒方向相切，始終保持加長桿作用點在樣筒后端內部，這樣即使液壓缸出現故障或螺紋環出現掉落，轉接活塞也不會失控被推出，保證操作人員安全。

1.3.3 防護罩

防護罩在泄高壓氮氣環節起至關重要作用，可以有效地阻擋泥漿及雜物的飛濺，提高安全性，保護操作人員。

1.3.4 液壓缸

此方案設計中概述其工作原理：液壓缸安裝在PVT取樣筒同軸線上，用加長桿調整伸出量，然后加長桿繼續伸出，頂住充氮活塞，以此平衡高壓氮氣壓力。

技術特點：根據本專用裝置活塞桿的作用行程，采取單桿式雙作用缸形式，運動方式為直線往復移動。本方案根據以下參數選擇合適HSG液壓缸。

油缸的主要尺寸包括缸筒內徑、活塞桿直徑、缸筒長度及缸筒壁厚等[2]。

1）缸筒直徑的確定。

根據公式F=P·A, 由活塞所需要的最大推力Fmax和工作壓力P, 可求得的活塞有效面積A，進一步根據油缸的不同結構形式，計算缸筒的內徑D，如表1所示。

表1 缸工作壓力與負載的關系

2）活塞桿尺寸的選取。

按活塞工作時的端面積受力情況，確定活塞桿的直徑d。計算公式為d=0.4D 。其中D為缸筒內徑。

缸筒內徑和活塞桿直徑是本方案最主要的確定對象，根據以上計算參數選擇合適HSG系列液壓缸。

1.3.5 手壓泵

此方案設計中其工作原理為：柱塞通過手柄上提時，泵體內產生真空，進油閥開啟，液壓油進入泵體，手柄施力下壓時進油閥關閉，出油閥頂開，輸出壓力油，并進入被測器件，如此往復進行工作，實現額定壓力的輸出。

根據負載作用力Fmax和手壓泵缸體活塞面積S，確定手壓泵的油壓P，一般以負載的2倍以上選擇量程液壓表即可。

本方案根據以上計算參數選擇合適的ENERPAC系列手壓泵。

1.3.6 三位四通換向閥

手動換向閥在一些小型油壓機上使用得較為普遍，其工作原理與其他換向閥相同，閥芯的復位和對中主要靠扳動手柄及彈簧復位的方式，考慮液壓缸液壓桿的回位及穩定性選用中位機能O型三位四通閥，技術特點：1）手柄扳動在一定位置保持不動，維持較好的換位姿態；2）換擋比較平穩，回油腔中的油液起緩沖作用[3]。

1.3.7 可移動支架用于固定主要的配件，定位精度高，受力點測量準確，位置調整合理，人員隨時推拉到指定位置，且方便操作。

2 使用效果

通過此專項裝置的應用，產生了良好的效果。比較如下：1）專用裝置實施前，運用傳統方式取密封堵，安全性能不高，工作耗時長，拆卸過程極易損壞轉接活塞，可操作性不高；2）專用裝置實施后，操作安全性高，不易損壞活塞，裝置成本低。

很顯然，專用泄壓裝置在降低操作風險、保護轉接活塞方面更好，提高維保工作效率。

3 實施案例

該裝置設計完成后，針對PVT取樣筒轉接活塞泄壓進行測試，累計完成12套PVT取樣筒高壓氮氣泄壓作業，使用安全可靠，極大地節約由于傳統取密封堵損壞轉接活塞的成本，后續將推廣應用。