井口小修作業自動化液壓系統設計研究

劉承建,朱恬億,繆紅芳,劉宣辰

江蘇如東金友機械有限公司,江蘇 南通 226400

0 引言

井口小修作業又被稱為井口維護作業,是石油勘探和開發過程中非常重要的環節,其主要內容涉及到清防砂、井口設備檢修、維護和更換井下管柱等工作[1]。與井口大修作業相比,小修作業工序雖較為簡單,但作業更加頻繁且工作環境惡劣、勞動強度大,易出現安全事故。為了保證作業的高效性和安全性,小修作業自動化已是當下修井工作發展的必然趨勢。目前,NOV、Nabors、海瑞克等石油裝備生產商為修井工作自動化發展提供了不少成熟產品,在作業現場已開始廣泛使用一些專業的設備,例如液壓千斤頂、液壓動力貓道、液壓油管鉗、動力卡瓦等。而這些裝備的正常運作需要一個穩定可靠的液壓泵站為其提供動力,從而完成各種作業工序。

本文旨在設計一種適用于井口小修作業設備的液壓泵站以滿足修井作業需求,并具備結構簡單、運行可靠、維護方便等優點。

1 液壓泵站的設計要求

通過對井口小修設備工作過程以及現場工況的分析,對井口小修設備液壓泵站提出了以下幾點設計要求:能夠滿足設備吊裝機械臂上升運動要求,并能夠及時供給高壓油;當機械臂不動作時,泵站能夠自動卸荷,而當機械臂運動受阻時,系統壓力應該能夠升高到允許值,并且能夠限壓保護;能夠應對系統工況負載質量大、慣性大的問題,需要使用制動緩沖回路;能夠防止泵站停止工作時,管路中的油液倒流,以較長時間保持系統壓力;需要設有蓄能器來彌補泄漏、保壓、緩沖減振,以減少壓力波動,提高工作效率;需要設有油液冷卻系統,以保證系統長時間工作,溫度不超過規定范圍;整個液壓泵站應方便使用,易于維修,并力求小型化、模塊化和輕量化[2]。

2 方案設計

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。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;4—主泵;5—輔泵;6—單向閥;7—流量計;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—風冷卻器;16—回油過濾器。

為了滿足井口小修設備較大的流量需求,減小壓力波動和能耗損失,液壓系統采用主泵加輔泵雙泵供油方式。在系統負載變化較大的情況下,輔泵可以根據實際負載情況進行調節,避免了單一泵的工作點固定的情況,提高了系統的工作效率。當一個泵發生故障時,另一個泵可以立即接替工作,保證系統不會停止運行,一定程度上提高了系統的可靠性。系統壓力可由比例溢流閥無極調定,與普通電磁溢流閥泵站系統相比,比例溢流閥可實現對管路的連續壓力控制。此外,該液壓系統還增加了1個蓄能器作為應急動力源補充泄漏,保證系統工作壓力。

泵站布置有多種方式,一般采用開式油箱,電機和液壓泵可以布置在油箱旁邊、上面、下面以及油箱內部液面以下,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,下至式泵站結構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,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構緊湊節省空間。考慮到井口設備的實際情況,結合現場作業條件最終確定采用下至式布局結構。

3 泵站設計

3.1 液壓泵選型

液壓泵站需要能夠為液壓缸、液壓鉗等井口小修作業液壓設備提供足夠的液壓油源。液壓系統的性能主要由壓力和流量2個參數確定,依據這2個參數可以計算并選擇液壓元件的規格和具體型號[3]。依據井口小修作業設備工作情況,將泵站額定最高工作壓力定為31.5 MPa,實際工作壓力可通過比例溢流閥調定。設備進行油管起下、擺放作業時所需液壓流量為55 L/min,機械臂回轉所需流量為25 L/min,進給油缸所需流量為20 L/min,機械臂進行油管起下擺放速度為25 m/min。考慮到系統容積、泵的密封損失和回油損失等可確定系統流量為115 L/min,系統壓力為31.5 MPa。結合以上要求并以管路損失及國內外現有產品的情況為考量依據,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備提供動力。

3.2 電機選型

電機是泵站的動力來源,選型的合理與否直接影響到泵站的性能、效率和穩定性,因此,在進行液壓泵站設計時,電機選型也顯得尤為重要。電機選型需要考慮多個因素,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)

主泵驅動功率(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)

主泵驅動功率(Ns)為7 kW。

(4)

式中:n為轉速,n=1 480 r/min;qm為主泵的每轉最大排量,qm=63 mL/r;qs為輔泵的每轉最大排量,qs=26 mL/r;η1為主、輔泵的容積效率,根據機械設計手冊,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,電機的額定功率應略大于泵站的功率,以確保電機可以正常運轉。電機的轉速也需要與泵的轉速匹配,以確保泵的效率和性能得到最大化的發揮。綜合考慮,主泵電機選用JZ Y250M-4型電機,輔泵電機選用JZ Y132M-4型電機。

3.3 主要液壓輔件選型

液壓輔件是液壓系統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,可以保證液壓系統的正常運行,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 液壓集成閥塊設計

確定相關液壓輔件后,對液壓系統中的集成閥塊進行設計,在進行設計時遵循以下設計原則。

1)明確設計的功能需求,包括閥塊需要實現的液壓功能、工作壓力、流量要求等,確保設計符合系統的要求和規范。

2)設計閥塊的整體結構,包括布局、尺寸和連接方式等。合理的結構設計可以提高閥塊的緊湊性、可靠性和制造效率。

3)在設計閥塊時需要考慮流動特性,包括流通路徑、流速分布、壓力損失和液壓噪音等。

4)選擇適當的材料來滿足液壓系統的工作條件和環境要求。材料的強度、耐腐蝕性和耐磨性等性能對閥塊的可靠性和壽命至關重要。

5)合理的密封設計對閥塊的性能和可靠性至關重要。選擇合適的密封材料和密封結構,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、設備和工藝參數,確保閥塊達到相關質量要求。

7)設計閥塊時應遵循適用的標準和規范,確保閥塊的安全性、互換性和可維護性。

根據圖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,同時也集成了蓄能器連接油口、主泵進油口、輔泵進油口、液壓系統的進出油口。依據以上原則在三維軟件中對液壓閥塊進行設計,最終設計方案如圖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。

對于壓力油孔液壓油流速一般取v為2.5～5 m/s。由計算結果可得,孔道內徑(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,口連接螺紋應符合GB/T 2878.1—2011的規定。設計液壓閥塊時也需要考慮后續壓力測量需求,在閥塊設計時預留了相應的測壓口配合快換式測壓接頭,即可快速實現壓力測量。閥塊加工時應注意去掉毛刺、飛邊,并認真清除孔道內切屑、雜質,并清洗干凈,加工完畢后的閥塊體應有防銹、防塵等防護措施,表面應封蓋,并存放于清潔干燥的場所,避免污染液壓系統。

3.5 液壓站布局設計

本文所設計的液壓泵站采用下至式布局,將液壓泵和電機安裝在儲油箱下方,具體布置如圖3所示。為了使泵站內的各個元件能夠安置在較小的空間內,將泵、電機、控制閥等元件進行密集布置[8],同時也為了方便后期對其進行維修和更換,泵站的各部件預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隔板左側,與泵吸油側分開,保證液壓油可充分冷卻。

圖3 液壓泵站元件布局

依據布局圖,使用SolidWorks三維設計軟件對液壓泵站進行建模設計并進行三維管路布置,最終效果如圖4所示。

圖4 液壓泵站三維效果圖

3.6 主要技術參數

此次設計的液壓系統的主要技術參數如表2所示。

表2 液壓泵站主要技術參數

4 試驗測試

對液壓泵站分別進行耐壓試驗和運行試驗,測試現場如圖5所示。具體測試內容如下。①耐壓試驗,液壓油加滿油箱可承受0.05 MPa,油箱外觀無變形,將泵站壓力調到額定壓力并保壓5 min,泵站不得出現外滲漏。②運行試驗,泵站須運作正常,無異常噪聲震動等現象,經現場實際測試,泵站加壓后無滲漏,油箱無變形。出口流量曲線如圖6所示,試驗測試結果滿足設計要求。

圖5 測試現場

圖6 出口流量曲線

5 結束語

通過對井口小修設備自動化設備的工作過程和工況進行分析,設計了一款滿足小修作業設備液壓動力源需求的液壓泵站,有效保證了作業的高效性和安全性。本文提出的設計方案和思路為井口小修作業自動化液壓系統的設計提供了一定的借鑒和參考價值。在實際應用中還需要根據具體情況進行優化和改進,以確保設備的高效運行和人員的安全。