鋼質顆粒可控注入裝置輸送特性

李建波，賈山濤，楊洋洋

（1.中海油能源發展股份有限公司，北京 100027；2.山東黃金集團 國際礦業開發有限公司，濟南 250000；3.中國石油集團 渤海鉆探工程有限公司，天津 300280）

0 引言

固體顆粒輸送機廣泛應用于石油、化工、建筑等多個行業，用于輸送各種用途的固體顆粒。通過旋轉輸送裝置將粒子高壓注入流體或氣流中，然后從噴嘴噴出，沖擊靶物。例如在粒子沖擊鉆井技術中，在高達30 MPa的高壓下，從高壓容器中以0.5%～5.0%的顆粒濃度注入到鉆井液中。隨后，這些顆粒被轉移到鉆頭上，并以足夠高的速度通過噴嘴，以快速且經濟的方式提供破碎堅硬巖石所需的能量[1-5]。然而，在高壓條件下，如何將鋼質顆粒從儲存容器中穩定、均勻地輸送到鉆桿中，同時又能實現速度可調，仍然是一個關鍵的挑戰。本研究通過對顆粒注入裝置的注入實驗，闡明高壓下鋼質顆粒注入裝置的輸送特性。

1 鋼質顆粒可控注入裝置

鋼質顆粒注入裝置采用葉輪旋轉刮進的方式輸送混雜在高壓鉆井液中粒子。電動機或液壓馬達通過傳動裝置帶動葉輪轉動，同時鋼粒在自重條件下從上部高壓儲罐落入葉輪料槽，鋼粒隨著葉輪的穩定轉動會均勻落入各個葉槽，當轉至出料口時鋼粒在自重條件下排出，實現均勻輸送粒子。粒子輸送量的可控調節則通過改變電動機或馬達轉速來實現。由于鋼質顆粒注入裝置是粒子鉆井注入系統的一部分，處于高壓環境中作業，故采用兩端對稱閉合型式的端部結構。考慮鉆井現場裝置檢修拆裝的便捷性及零配件的互換性，端部結構包括了密封結構、軸承支承結構及循環冷卻結構，且鋼質顆粒注入裝置進出口與粒子注入系統其他裝置選用由壬方式連接。鋼質顆粒注入裝置整體結構如圖1所示。

圖1 鋼質顆粒注入裝置結構

2 筒體設計

2.1 機筒的結構形式

筒體是鋼質顆粒注入裝置的主要執行部件，為粒子的輸送提供了高壓密閉環境。筒體的結構形式、機械制造工藝等因素不僅會影響粒子輸送的可靠性與穩定性，而且也關系到輸送設備的使用壽命與工作性能。因此，在設計筒體時，要綜合考慮筒體結構形式、筒體端部結構、機械加工制造工藝等因素。

高壓容器筒體的結構形式一般由整體式和復合式兩大類組成。

1）整體式：a.單層厚板式。在卷板機上將厚鋼板卷成鋼板，然后焊接A類接頭組成筒節。該結構筒徑適用范圍φ400～3200 mm、壓力10～32 MPa的工況，制造簡單，工序少，自動化程度高。b.單層瓦片式。利用水壓機將厚鋼板坯料沖壓成瓦片式弧形板坯，并通過兩條以上A類焊接接頭焊接制成筒體。當卷板機能力不夠，并且具備有水壓機時，可采用此結構。此結構制造較單層式復雜、費時。使用范圍同單層厚板式，壁厚由水壓機能力而定。c.整體鍛造式。穿孔后的鋼坯按工藝要求加熱，將一心軸穿過孔心，通過水壓機上鍛打至要求尺寸，最后機加工成設計筒體。該結構多用于超高壓容器，適應各種溫度場合。

2）復合式：a.層板包扎式。該結構主要分為內筒和層板兩部分，內筒通過卷焊工藝將壁厚為14～16 mm鋼板焊接制成，層板通常由厚度為4～8 mm的鋼板卷焊，由于層板A類焊縫收縮時產生預緊力，因內壓作用而產生的筒壁應力沿徑向分布比較均勻，可明顯改善筒體應力。該結構形式直徑適用范圍為φ500～3000 mm，設計壓力≤50 MPa，設計溫度≤500 ℃。b.熱套式。該結構要求將直徑不等但同心的內筒和外筒整體套合，按照工藝施工要求，內筒的外徑在進行套合前要略大于外筒的內徑，通過熱脹冷縮原理將加熱膨脹后的外筒套在內筒上，自然冷卻后外筒就會緊縮在內筒上形成兩層熱套筒體，用同樣方法形成第三、四層直到所需壁厚為止。設計壓力適用范圍10.5～70 MPa，適應各種溫度場合。c.扁平鋼帶式。內筒用鋼板卷焊而成，用一定規格截面尺寸的扁平鋼帶纏繞在內筒上，通過冷繞式或熱繞式相結合，在一定預拉應力下并與圓周方向成一傾角逐層交錯在內筒外面。每條鋼帶首尾兩端焊接在內筒定底部的錐面上。d.繞板式。由內筒與連續纏繞在內筒上的若干層相當薄的鋼板所構成。繞板的始端由于繞板自身厚度原因而存在一臺階。當二層繞板繞上去時就形成一個楔形間隙，故采用一個楔形接頭。繞至最后一層時同樣加上一個楔形接頭。最后一層用一個保護筒加固。e.繞帶式。內筒通過焊接、檢測合格后，在筒體表面加工與第一層扁平帶的凸臺和凹槽相匹配的槽型，使繞帶層也能承受一定的軸向力。鋼帶纏繞時經電加熱，繞到筒體時經水與空氣冷卻產生預緊力。

鋼質顆粒注入裝置的整體尺寸不大，但是考慮到其工作原理、筒體的安全性與使用材料的經濟性、焊接工藝及機加工工藝的成熟性等因素，故而考慮采用整體鍛造式筒體。筒體結構形式如圖2所示。

圖2 筒體結構形式

筒體整體加工順序為：粗車筒體→筒體開孔→筒體開孔坡口設計加工→母由壬馬鞍形加工→高壓由壬焊接→法蘭焊接→焊后熱處理→筒體精車。

2.2 筒體材料選擇

筒體為粒子的輸送提供了耐壓30 MPa封閉空間。筒體與端部結構之間屬于精密配合，因此要保證筒體具有良好的機械加工性能。法蘭和由壬與筒體的焊接接頭需有足夠的焊接強度，因此選擇焊接性能較好的筒體材料。輸送介質是混合在泥漿中一定體積比的鋼制粒子，考慮輸送過程中粒子與筒體的研磨、介質對壁面腐蝕等因素，所以對筒體材料的硬度、剛度、耐磨性、耐腐蝕性等提出了較高要求。綜合上述條件，選定筒體材料為Q345B。

2.3 筒體壁厚計算

GB 150《鋼制壓力容器》適用范圍：1）設計壓力≤35 MPa的壓力容器；2）設計溫度遵循使用鋼材許用溫度范圍[6]。高壓筒體的設計滿足上述要求，故筒體壁厚可根據GB 150-1998《鋼制壓力容器》來計算，其壁厚計算公式如下：

式中：δ為筒體壁厚計算厚度，mm；PC為設計壓力，MPa；[σ]t為筒體材料許用應力，MPa；Di為筒體內徑，mm；φ為焊接接頭系數，雙面全焊透且無損檢測達到100%，因此選φ=1。

代入數據，滿足式（2），經計算可得δ=16.8 mm。δ為筒體計算厚度，在此基礎上還要將腐蝕裕量、厚度負偏差和厚度圓整值等計算在內，故需增加筒體壁厚，選定筒體壁厚δ=40 mm。

2.4 筒體開孔

為了使輸送機輸送鋼粒工藝正常完成，筒體進、出料口的設置十分必要，則需對筒體進行開孔處理，考慮到輸送機檢修拆裝的便利性及鉆井現場零件互換性，選用高壓由壬作為旋葉式輸送機的進、出料口。

1）開孔形狀及尺寸確定。受力構件開小孔時，出現孔邊應力遠大于無孔處應力的現象稱為應力集中。孔的形狀不同，應力集中程度就會不同。圓孔比其他形狀孔的邊應力集中程度最小，應力集中程度隨孔形曲線曲率變大而增大。粒子沖擊鉆井注入系統的高壓由壬型號為4″×1502，則確定筒體開孔φ100 mm。

2）開孔方向確定。開孔方向對應力集中系數有較大程度的影響。當開孔方向不在筒體徑向時，筒體開孔則變成橢圓形，應力集中程度就會變大。故開孔方向為筒體徑向方向。

3）開孔加工方法。考慮加工工藝及經濟性，筒體開孔選用鏜床機加工。

2.5 筒體焊接工藝

高壓由壬與筒體焊接時，根據輸送工藝要求，要保證高壓由壬軸線與筒體軸線的垂直度。筒體和高壓由壬的材料均為Q345，均屬于低合金高強度結構鋼，焊縫強度滿足耐壓30 MPa的要求。筒體和高壓由壬壁厚分別為40 mm、20 mm。壓力容器中焊接常以電弧焊為主。高壓由壬與筒體焊接屬于單件生產，考慮到經濟性、操作靈活性等因素，宜選用手工電弧焊。

3 鋼質顆粒注入裝置的輸送特性

3.1 空轉實驗

鋼質顆粒注入裝置轉動轉矩及電動機輸出功率與葉輪轉速的關系如圖3所示。

由圖3可知，在一定工作條件下，通過電磁調速控制器調節轉速，電動機的輸出電壓大致保持恒定，電流變化引起輸出功率的變化，但鋼質顆粒注入裝置的工作轉矩保持恒定。通過分析可知，在該實驗條件下，鋼質顆粒注入裝置轉動的載荷主要來自于組合密封件接觸面的摩擦，負載保持恒定與轉矩恒定的實驗結果符合。另外，電磁調速電動機通過JD1A 控制器調速，實現的是恒轉矩無級調速，其特性曲線如圖4所示，與實驗結果也是相符合的。

圖3 空轉時鋼質顆粒注入裝置轉動轉矩及電動機輸出功率與葉輪轉速的關系

圖4 YCT電磁調速電動機負載特性曲線

3.2 負載實驗

對負載實驗數據進行處理，結果如圖5所示。

圖5 負載實驗各參量關系曲線

對比分析圖4的各參量關系曲線得到：在粒徑相同的情況下，電動機輸出功率隨轉速增加而增加，成正比關系，而鋼質顆粒注入裝置轉矩不受轉速變化影響，保持恒定。此結論符合實驗用電磁調速電動機的負載特性，即在一定負載下，轉矩保持恒定，電動機輸出功率與轉速成正比關系。在常壓且同轉速條件下，空轉時鋼質顆粒注入裝置運轉所需轉矩最小，粒徑越大鋼質顆粒注入裝置所需轉矩就會越大，說明粒子與葉輪料槽和筒體內壁面間的摩擦以及粒子自重等因素增加了葉輪轉動的負載，并且粒徑越大，負載的增加就會越大。粒子均勻、穩定地通過鋼質顆粒注入裝置出料口輸出，達到輸送粒子均勻性的設計要求。粒徑不同的兩組實驗設備均沒有明顯震動，也未出現明顯摩擦聲。實驗結束后，觀察葉輪的磨損狀況。1 mm粒子實驗葉輪結構沒有明顯磨損，1.7 mm粒子實驗在葉輪聚氨酯板條上可見輕微磨痕，這說明了粒徑越大，輸送摩阻也會越大，對設備的磨損也將增大。

如圖6所示，鋼質顆粒注入裝置功率隨轉速的增加呈線性增加。轉速越高，顆粒輸送量越大。特別是轉速的增加會導致旋轉軸動能的增加。輸送量的增加和動能的增加都引起鋼質顆粒注入裝置功率的增加。此外，在給定的轉速下，鋼質顆粒注入裝置功率隨著顆粒直徑的增加而增加。這是由于隨著顆粒直徑的增大，顆粒輸送量增大，導致電動機功率增大。壓力越高，鋼質顆粒注入裝置功率越大，由于壓力升高，裝置內部的密封圈與旋轉軸之間壓緊力增大，導致旋轉軸的旋轉摩擦力增大，因此鋼質顆粒注入裝置的功率增加。

圖6 鋼質顆粒注入裝置功率與旋轉速度之間關系

4 結論

1）鋼質顆粒注入裝置采用葉輪旋轉刮進的方式輸送混雜在高壓鉆井液中的粒子。鋼質顆粒注入裝置轉動的載荷主要來自于組合密封件接觸面的摩擦。

2）鋼質顆粒注入裝置采用整體鍛造式筒體，筒體材料為Q345B，筒體壁厚δ=40 mm，考慮加工工藝及經濟性，筒體開孔選用鏜床機加工。

3）粒徑越大，鋼質顆粒注入裝置所需轉矩就會越大，說明粒子與葉輪料槽和筒體內壁面間的摩擦以及粒子自重等因素增加了葉輪轉動的負載，并且粒徑越大，負載的增加就會越大。

4）鋼質顆粒注入裝置功率隨轉速的增加呈線性增加。