（机械制造及其自动化专业论文）井下工具水浸试验系统研究.pdf

本人郑重声 指导教师的指导 本论文不包含任 重要贡献的个人 结果由本人承担 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 作者签名：弛l 塑! 业年2 _ 月望日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 上盟年上月三土日 礁啦年土月互口 黔然 飘一 躐鬻 一 摘要 针对井下的恶劣环境，为了减少并下工具的不安定固索，方便对封隔嚣等工具的 工作性能进行评价，设计出了井f 工具的水浸试验系统本系统能够对井下工具整体 或其密封件进行高压高温试验。 本文对压力控制系统进行了研宄和设计，对管道的大小以及材质进行了计算和选 型并分析了压力升高对管道的影响以及对控制系统的要求。根据试验系统的设计要 求，通过分析计算，对液压管路的各个部件进行了计算选型。设计了维压系统的整体 结构并对其进行了分析。对数据采集系统原理的分析，对信号的采集方式以及数据采 集卡的硬件进行了设置。利用l a b v i e w 编程语言对系统的工作情况进行了模拟试验 对液压控制系统进行了实验验证。 通过对试验系统的验证整个系统满足课题设计指标的要求在正常运行之后其 压力测量精度维持在o 5 ，控制压力波动维持在1 ，波动范围在误差允许范国内。 该试验系统能够在实验室条件下模扭搿上井。f 的高最高压的恶劣环境，解决了井f 工 具检测的实际问题。 荚键词：高温高压液压系统压力控制数据采集l a b v l e w a b s t r a c t w i t hr e g a r dt ot h eh a r s he n v i r o n m e n ti nu n d e r g r o u n d 、t h i sp a p e rg i v e sam e t h o do f d e s i g n i n gad o w n h o l e t o o l so f f l o o d i n g i n t h e t e s ts y s t e m t oe v a l u a t e t h ep e r f o r m a n c eo f t h e w o r kt h ep a c k e ra n do t h e rt o o l ss ot h a ti tr e d u c e st h ed o w n h o l et o o l st of a c i l i t a t et h e i n s e c u r i t y f a c t o r s t h es y s t e m i sc a p a b l eo f d o w n h o l e t o o l s 矗sa w l m l eo i t ss e a l s f o rh i 曲 p r e s s u r eh i g ht e m p e r a t u r et e s t t h ep a p e rr e s e a r c ha n dd e s i g n t h ep r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m s ，t h ep i p e l i n eo f t h es i z ea n d m a t e d 乱h a v eb e e ne a l e u l a t e da n ds e l e c t e d h a v ea n a l y z e dt h ee f f e c to ft h er i s eo ft h e p r e s s u r eo ft h ep i p e l i n ea n dt h ec o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec u s t o m e r sd e s i g n r e q u i r e m e n t s ，w eh a v ec a l c u l a t e dt h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h eh y d r a u l i cl i n e sa n d c a l c u l a t e ds e l e c t i o i lb ya n a l y z i n gt h ed a qc a r da n dt h em e t h o d sf o rs i g n a la c q u i s i t i o n s y s t e mw a ss e tb ya n a l y z i n gt h ed a qs y s t e mt h eo v e r a l lo f t h eh y d r a u l i cs y s t e mh a v eb e e n d e s i g n e da n da n a l y z e dw eh a v ec a r r i e do nt h ev i r t u a lw o r kt ot h es y s t e mw o r kc o n d i t i o nb y l a b v i e ws o f t w a r e a n dv e r i f i e dt h eh y d m u l i cc o n t r o ls y s t e mb ye x p e r i m e n t s t h et e s ts y s t e mm e e t st h er e q u i r e m e n t so f d e s i g ns p e c i f i c a t i o n sb yv e r i f y i n gi t d u r i n g t h en o r m a io p e r a t i o n t h ee n t i r es y s t e m s p r e s s u r em a i n t a i n e da t 05 a c c u r a c y , t h e c o n t r o l l i n gp r e s s u r e f l u c t u a t i o n so f 1 t h ee r r o ro f t h e f l u c t u a t i o n i s i n t h ea l l o w e dr a n g e t h es y s t e mi sm a d ef o rt h eo f f s b o r eo i lt i c i d s w h i c he a l ls i m u l a t et h e 岫hc o n d i t i o n so f h i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nl a b o r a t o r y , a n ds o l v et h ep r a c t i c a l p r o b l e m so ft h e d o w a h o l et o o l s ， k e yw o r d s ：h i g hp r e s s u r ea n dh i g ht e m p e r a t u r e h y d r a u l i cs y s t e m p r e s s u r e c o n t r o l d a q l a b v l e w 一 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论。+ 1 1 1 研究的目的和意义1 2 国内外研宄现状2 3 论文主要工作 4 第二章水浸试验系统整体设计6 21 试验系统整体设计一一6 2 2 水浸试验井筒设计7 2 ，2 1 井筒整体设计7 2 22 井筒主要尺寸设计计算8 2 3 液压控制系统殴计1 0 2 3 1 液压控制系统原理1 0 2 3 2 容器加压系统的设计1 2 2 4 液压元件的选型与计算1 5 2 4 1 气动泵参数一1 5 2 4 2 电气比例阀的工作特性1 7 2 4 3 传感嚣1 9 2 4 4 管遒的计算与选型。2 0 2 5 误差分析2 2 5 1 系统误差产生的原因及解决办法2 2 5 2 系统误差的分析一 2 2 2 6 本章小结2 3 第三章数据采集与信号处理m 卅2 4 3 1 数据采集技术一 2 4 3li 数据采集系统概述2 4 3 1 2 数据采集系统的构成2 4 3 1 3 数据采集控制方式2 5 3 14 采样频率的选取2 8 3 1 5 采样方式的分析。2 8 3 2 数据采集卡3 0 3 2 1 丁= 作原理3 0 3 2 2 数据采集卡驱动程序3 2 3 3 采集忙参数3 2 3 4 模，数( a i d ) 转换及接口” 3 4 1 0 转换器的参数3 4 3 4 2 d 转换方法及原理3 4 3 5 数据采集卡硬件设置一3 5 3 6 本章小结3 6 一 第四章虚拟实验平台的建立巾州3 7 4 1 虚拟仪器及l a b v i e w 3 7 4 1 1 虚拟仪器的功能 一3 7 4 i 2 虚拟仪器的特点和基本概念3 7 4 1 3 仪器的模块化设计一3 8 4 2 数据采集卡驱动程序3 8 4 3 数据采集程序3 9 4 3 1 p c i 通用接口设计一3 9 4 32 开关控制量接口4 0 4 3 3h o 数据采集程序 4 1 4 4 软件系统设计 4 1 4 5 本章小结 4 3 第五章系统试验及分析4 4 5 1 试验准备工作 。4 4 5 2 罐体密封性试验4 4 5 2 j 试验过程4 4 5 2 2 试验图表及结论4 5 5 3 压缩式封隔器试验 4 7 5 4 试验数据分析5 2 5 5 本章小结 第六章结论与展望 5 3 。? 舜； 6 1 结论 5 5 6 2 展望 5 5 致谢。5 6 参考文献一5 7 参与发表论文5 9 一 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 髓着现阶段在石油开采过程中工作环境的越来越复杂，进而导致了石油开采的难 度不断的增加，对于井下工具的性能要求也随着不断的提高。但是井下工具的实际工 作情况仍然无法实时地观测到，无法对其进行直观的研究，囡此需要建立一个能够在 实验室对井下工具检测的模拟系统以对井下工具进行下井前的分析与模拟r 主要实 现以下功能： ( 1 ) 对常规封隔器整体进行坐封、解封、耐压差试验及强度试验； ( 2 ) 对胶倚、橡腔密封圈等井下用橡胶制品在高温、高压条件下进行强度、疲劳 性能及寿命评估试验； ( 3 ) 对其它井下工具进行高温高压强度试验。 能源是现今世界上各个国家都亟需解决的问题。伴齄着能源消耗速度的不断加大 各个国家对于能源的需求也不断地增大，但是石油作为当前世界的重要能源之一，石 油价格的涨跌对世界上每个国家的经济发展和社会稳定具有重要的影响在一定的条 件下甚至会引发战争。因此如何提高采油的生产速率是世界备国石油企业一直研究的 问题。近年来，为了提高油田的采油效率。匿内各个石油企业不断引进吸收世界的先 进技术继承和发展了符合我国油田特点的适用技术，使我国的石油开采技术得到了 翱天覆地的变化，各种石油开采技术不断地进步。不过随着国内大部分油田的开发进 入中后期油层的含水量不断上升油层问的矛盾不断加剧，堵水层与采油层之间的 压差越来越大歼技的油井也越来越深，地质环境越来越差。面对复杂的自然环境， 油井的钻探和开采难度越来越大，对井下工具的工作性能提出了更高的要求。通过调 研和对相关资料分析知道，由于井下工具在设计过程中仍采用传统的静力学计算方法 设计结果精度低，不能准确的反映井下工具工作时的实际受力情况。而在高温下的情 况更为复杂，在这种条件下知道工具的井下工作情况就显得至关重要。该高温、高压 水浸试验系统的研兜为国内外油田采油工艺技术服务等技术攻关和新产品研牡提供 了有力的保障手段。雌封隔器为代表的井下工具是油蹋进行注水，堵水、酸化、压裂、 测试等措施作业的必要保证，直接影响着一个油田的生产措施成功率。对井下= 【= 具及 施工管柱进行必要的室内试验，检验其在各种条件f 的工作性能( 包括耐撼、耐压、上 提、下压、扭转等) 验证其各项性能指标是否到达使用要求，确保旌工质量，工艺成 功及措施很有教。该系统的主要功能就是对井下工具进行检测，使工具在下井之前对 工具的各种机械性能和它们的工艺性挠进行检测这样可以使井下工具的性能具有可 靠保证为石油的分层开采以及井下大修工具、工艺的优化设计以及产品的检测提供 良好的试验条件。同时，保证油田工具的产品质量控制残次品进入油田市场。对数 据和曲线这两个主要历史数掂的回访，实时的数据采集以及处理，可咀方使、快速的 对试验过程中所出现的异常的数据进行分析这样可以对试验以及检测产品有一个科 学、准确的评测。 1 2 国内外研究现状 随着井f 工具韵发展，如何对井下工具进行检测就成为了一个新的课题。目前国 外大部分都是基于虚拟试验平台在室内建立一套检测系统。这种系统是采用技术集成 的手段将计算机技术、近代传感器技术、自动控$ 0 技术和图像处理技术整合判一起， 以此来实现对井下工具的检测。这种系统可以满足各种型号和规格的井一f i 具的试验， 同时也能够对修井工具进行不同的工艺性能的试验。可以对井下扩张式封踽器进行坐 封以及解封试验。可以对封隔器胶筒以及卡瓦滑脱试验。能够满足套管工具的试验以 及对其应力的检测的试验要求。总之这个系统就是耍在工具进入油井之前，对其机械 性能以及工艺性能进行检验，以此来保证工具的质量和性能。 近代液压控制技术是由1 9 世纪崛起并蓬勃发展的军事工业推动起来的，最早实践 成功的液压装置是舰艇上的炮塔转位嚣第二次世界大战期问。在一些兵器上用上了 功率大、反应快、动作准的液压传动和控籼装置大大提高了兵器的性能，也大大促 进了液压技术的发展。战后液压技术迅速转为民用，并随着各种标准韵不断制定和 完善，各类元件的标准化、规格化、系统化而在机械制造、工程机械、农业机械、汽 车制造等行业中推广开来。2 0 世纪6 0 年代后，原子能技术、空间技术、电子技术等的 发展再次将液压技术推向前进使它在国民经济的各方面都得到了广泛的应用。 我国的液压工业开始于2 0 世纪5 0 年代，其产品最初只用于机床的锻压设备后 来才用到拖拉机和工程机械上。自从i 9 6 4 年从国外引进一些液压元件生产技术，同时 进行自行设计液压产品以来，我国的液压件生产已从低压到高压形成系列，并在各种 机械设备上得到了广泛的使用。从8 0 年代起更加速了对国外先进液压产品和技术的有 计划引进、消化、吸收和国产化工作以确保我国的液压技术能在产品质量、经济效 益、研究开发等各个方面全方位地赶上世界水平。 近年来液压传动由于碰用了计算机技术、信息技术、自动控帝技术、摩擦磨损 技术及新工艺、新材料等后取得了新的发展使液压系统和元件正向高压、高遂、高 精度、高效率、高功率密度( 小型化、轻量化) 的方向发展。在竞善比例控制、伺臌 控制、数字控制等技术上取得新成就。此外，液压元件和液压系统在计算机辅助设计， 计算机仿真和优化“及微机控制等方面也取得显著的成就。 液压技术的持续发展体现在如下一些比较重要的特征。 ( 1 ) 创制新型节能，微型元件。厢外已研制出一种液压变换器，它是从恒定的压 力网上实现低能耗能量转换弹q 一种节能装置。为了能在堪可能小的空同内传递尽可能 大的功率，液压元件的结构不断地在向微小型化方向发展 ( 2 ) 高度舶组合化，集成化和模块化。液压系统由管式配置经板式配置、箱式配 一一一一 置、集成块配置发展到叠加式配置、插装式配置，使连接的通道越来越短。模块化发 屣是非常重要的一个方面对用户而吉旯需倚单的将独立能力的模块进 亍组装即可 进行使用。 ( 3 ) 结合微电子技术走向智能化。液压技术从2 0 世纪7 0 年代中期起就开始和 微电子结合。在至今为止不到2 0 年的时间内，结合层次不断提高其高级形式已经发 展到把编了程的芯片和液压控制元件、液压执行元件或能源装置、检测反馈装置、数 模转换装置，集成电路等汇成一体。这种汇在一起的联结体只要收到微处理机或微型 计算帆的消息就能实现预先制定的任务。 综上诉述液压工业在国民经济中的作用是根太的。它常常是用米衡量一个国家 工业水平的重要标志之一。与世界上主要的工业国家相比，我国的液压工业还有相当 差距，标准化、优质化的工作有待于继续做好，智能化的工作剐刚起步为此必须急 起直追，才能赶上国际先进水平2 1 1 ”。 目前国内外韵各种压力控制系统自动化水平比较高，大部分都配备有 硅好的检测 系统和p c 控制系统。而且其p c 控制系统都已经采用了集散或者分布式的系统形式， 很多都有很好的控制算法并且大部分部具有良好的性能指标。 工业控制系统的自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机以及其它的 信息技术，对整个工业的生产流程进行检测、控制，从而达到提高产量、保证质量、 减少损耗、保证安全等目标的技术，主要包含有工控自动软件、硬件和软件系统三个 部分。工业控制自动化技术作为2 1 世纪先进制造领域中的晟重要的前 吕技术。主要是 为了处理生产效率和一致性等问题。虽然自动化系统本身不可以直接产生效益，但是 它对各企业单位的生产过程具有很好的提升作用。 我国工业控制自动化的发展道路，大多是在引进成套i 殳备的同时进行消化吸收， 然后进行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用部有了很大的 发展，我国工业计算机系统行业已经形成。目前，工业控制自动化技术正在向智能化、 网绍化和集成化方向发展。 虚拟仪器是一个可以利用软件在计算机上组成虚拟仪器面板的功能性仪器，可以 利用硬件进行信号的采集可以在离线的状态下对所采集的信息进行处理与分析。由 于虚拟仪器是一个基于计算机的虚拟面板仪器所蚍对于操作者来说就可以在计算机 t 进 亍一些电子仪器的相关操作而不必在现场进行相关仪器的实地操作。虚拟仪器 是种软件和硬件相互结台的产物。可以完成传统仪器所不具备的一些功能。伴随着 计算机技术的不断发展虚拟仪嚣的目标就是利用计算机来进行管理仪器、组织仪器 系统以及逐步地代替完成一些仪器的功能逐渐将传统仪器取代，实现仪器系统的高 度集成化和自动化。 所有的仪器都是由三部分所构成的为数据采集和控制部分、数据分析与处理部 分以及数据的输出显示郫分。盎拟仪器的功能特点和传统仪器有报犬的不同它仅但 是一种具有某种功能意义的仪器。在虚拟仪器所构成的系统里面。其所有的硬件都只 是为了解决信号的传输问题，而软件才是整个系统的关键所在，其所有的功能动作都 足由计算机功能面板所控制的。虚拟仪器对与传统仪器来说具有很大的优势，主要有 以下几个方面： ( 1 ) 传统仪器的功能只能由生产厂商来进行定义而对于虚拟仪器来说其所有的 功能都是由用户根据自己的实际需要进行定义。仪器生产厂商只负责提供相关的软硬 件，而实现什么样的功能由用户自己进行定制。 ( 2 ) 传统仪器本身在和其它设备仪器进行连接的时候受到很太的限制，虚拟仪器 则是一个面向应用的结构性系统，可以很方便的和相关硬件进行连接。 ( 3 ) 传统仪器所有的数据信息的读取与存储都要靠人工来完成，信息量比较少， 会有人为误差的产生而虚拟仪器所有的数据信息的读取和存储都是通过计算机来进 行的，不但方便快捷，而且信息量大准确性比较高。 ( 4 ) 在传统仪器中硬件是整个系统的核心部分，对于虚拟仪器来说其所有的 功能都是通过软件部分来完成的，硬件只是为了方便信号的采集和在虚拟仪器中的显 示。 ( 5 ) 传统仪器整个系统的功能是比较固定的，不容易和其它功能模块的仪器进行 整台- 而虚拟仪器都是基于模块化进行设计的，各个模块之间都是相互独立的，比较 灵活- 也方便和其它不同功能的仪器进行整台组成多种仪器。 ( 6 ) 由于虚拟仪器减少了很多硬件的使用，这也就间接地减少了在系统测量过程 中一些不必要的系统误差。 ( 7 ) 虚拟仪器相对传统仪器来说具有更高的性价比无论是从开发费用还是维护 费用来说，虚拟仪器都具有很大的价格优势，一般来说虚拟仪器的费用仅仅是传统 仪器的2 0 至10 9 6 。 虚拟仪器的发展速度极快，现在在国际上早就已经进入了工程实际应用阶段。在 我国虚拟仪器虽然是刚刚起步，但是也一样发展速度很快，正在逐步跟上世界的发展 步伐- 如今虚拟仪器已经在电子测量、物理探伤、电子工程、振动分析、声学分析， 矿物勘探、故障分析以及教学科研等方面的数据采集和分析中广泛应用。 1 3 论文主要工作 本文主要对井下工具的水浸试验系统进行设计与分析。主要完成的工作有： ( 1 ) 对压力控制系统帕结构进行了设计，对原理进行分析以老观的流体力学为 理论基础t 建立了水浸试验系统中的压力容器中的升压以及保压过程中所涉及到的物 理和数学模型。 ( 2 ) 以系统的工作条件为基础对压力控制系统中的主要器件进行计算和选型。 ( 3 ) 建立了数据采集卡与虚拟实验平台的通信与连接，保证整个平台数据采集的 实耐性与准确性。 ( 4 ) 进行虚拟实验平台的建立，以市场的实际需要为基础建立具有备种功能的 实验平台。 ( 5 ) 对系统进行模拟试验通过相关参数的设定，观察整个试验系统的工作情况 及其所能达到的精度并对数据结果进行分析。 第二章水浸试验系统整体设计 2 1 试验系统整体设计 根据系统技术指标要求整个水浸试验系统分为水浸试验井筒、艘压控制系统、 计算机集中拄制系统三个系统构成。扶整个系统的功能上可以划分为以下几个部分 分别为加热系统、加压系统、保压、稳压系统以及数据采集部分和虚拟实验平台。根 据这几个系统功能之间的相互关系我们可以对他们之问的相互关系用图2 1 所示的系 统框图柬表示。 雨匠习几赢嗣 厂一_ 广 rr二s | 竺塑窒竺 岩 l 堡兰墨堡【 图2 1 系统框图 在这个系统中是为核心的部分是压力控制部分以及虚拟实验平台部分，这两部 分的功能直接影响到整个试验系统的实际工作情况。其中压力控制系统包括了加压系 统以及对压力容器压力的保持与稳定采用高压力液压控制技术、高压力气压控制技 术、液压、气压等综合控制技术使系统具有工作稳定、操作简单可靠性商、装置 安全、保护功能全等特点。 井下工县水浸试验装置具有自动检测和手动检测两种功能，另外还具有故障报警 及统计管理等功能能够在屏幕上显示温度变化曲线、液压压力曲线，具有存储和打 印以及网络连接等功能。 液压试验技术参数如下所示： ( 1 ) 试验舟质：清水。 ( 2 ) 温度控制范围：室温9 5 。 ( 3 ) 井筒规格：5 一i 2 i n 、7 i n 、9 - 5 1 8 i n 。 ( 4 ) 井简高度：4 m ( 有效使用深度35 m ) 。 ( s ) 承压( 水压) ：1 0 0 m p a ：耐温：9 5 。 ( 6 ) 压力控制精度：0 5 ( f s ) 。 设计的整个试验系统，其主要的工作原理如图2 2 所示。 羼气* 目+ 懈再s 伸鼻胡月口i t 龉曲女戤鹪 鼻 聃? 蝻 j 髂 圈2 2 试验系统原理圈 试验井筒主要用于安装试验工具，提供高温、高压的工作环境：渡压控制系统主 要实现对1 、2 、3 号井筒的上、下腔及中心管加压、稳压及泄压测试，试验介质为清 水；计算机集中控骷i 系统主要实现对整个系统的集中控制、数据采集、以及试验平台 的操作等任务，其主要由主控控制计算机、电子电路、电气元件、专用软件等构成。 2 2 水浸试验井筒设计 2 2 1 井筒整体设计 水浸试验井筒的功能主要有三个方面： ( 】) 满足工具进行试验的尺寸要求： ( 2 ) 满足高温高压环境下自身的密封性及安全性要求： ( 3 ) 满足相应工具的整体或其密封件( 盘根、胶倘、聚四氟乙烯等) 进行高温耐 压试验要求。 水浸试验井筒属于压力容器必须要求具有一定的设计和加工资质的单位或厂家 进行生产设计的总体思想必须满足用户的要求，井尽量做到安全、适用。 试验井简有5 - 1 2 i n 、 i n ，9 - 5 1 8 i n 三种规格主要是为了分别满足不同尺寸的 工具进行试验井简主体是耐高温高压的钢缩构：具有恒温央套和折流扳保证温度 墒均匀；上部采甩压帽锥面密封机构，密封件采用耐高温氟橡胶0 型圈，轴向双重密 封这样的结构密封效果比较好。拆装也比较方便；采用法兰式地脚螺栓连接方式 可以很大的方便就位和拆装，高压接口采用锥面密封方式。用螺纹进行连接。 圈2 3 试验井简简图 同时简体安装设计还需要有一套加热夹套，主要包括上下填料法兰、上下填料压 盖及夹套- 底座法兰主要用于与地基相连，并用来固定井筒，使井筒在试验的时候保 持稳定的状态同时为了保证整个系统的安全性在超高压试验容器之问的加压管路 上安装了爆破膜装置爆破膜的标定爆破压力位1 0 5 m p a 其口径为。8 咖。 2 2 2 井简主要尺寸设计计算 在本文中主要根据试验井简的材料t 对井简壁厚进行计算。对试验并筒的主要尺 寸进行初步制定，具体各个零部件的尺寸以及各部分材料的选取全部交由具有一定的 设计和加工资质的单位或厂家进行，总体思想是满足用户需求。尽量做到适用、安全 和方便操作。 在进行计算之前，我们必须弄清楚容器的载荷情况根据设计要求我们可以知道 在满载的情况下容器内压力为i o o m p a ，容器温度9 5 由于我们的试验介质是清水 所以选驭腐蚀余量l m m 。 倚体的厚度计算具有一定的国际标准计算公式可以遵循，其设计公式为 舰 。s e - 0 6 p ( 21 ) 式中，l 为计算厚度( m m ) ，尸为设计压力( m p a ) ；r 为简体计算半径( 岫) s 为材料许用应力( m p a ) 。为焊接接头系数。 在这个试验过程中采用的容器封头以及底座都是圆形平盖， 蠹监 喜竖一 舟望 从平盖上切除一个中心角为却的扇形微元体，在其上作用内力和外载荷。如是 压力产生的合力其值如公式( 22 ) 所示 卸= p ；，却( 2 2 ) 一 列出对平盖直径切线的所有力矩的总和，得到微元体的平衡条件如公式( 23 ) 所 不 却专一却咖一m 如= o 由此可以写为： ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中 m ， i 一分别为切向和径向弯矩：口为封头内表面的半径。 由于圆形平盖处于极限的状态t 沿其半径可以形成塑性铰则切向弯矩也达到其 擞限值： m f 坼= 竿 ( 2 5 ) 式中听为所选用简体材料的屈服极限：s 为筒体厚度，5 为封头厚度。 因为径向极限弯矩也早就在简体内壁形成且s 其计算值为： m = 珥；竿唧( 2 f i ) 系数_ 需要考虑简体内壁巾纵向力的影响一般选取目：o7 5 09 0 。 将极限弯矩值代入式( 2 4 ) 中，可以得到极限压力为： 凡= 孚”( 扣】 ( 27 ) 通过引入安全系数并经过一些变换，求得汁算平盖需用压力或壁厚的基本公式 可咀得到： 驴小d j 击 ( 2 8 ) ”睇卜 ( 29 ) 通过式( 2 8 ) 我们可以计算出简体封头的厚度尺寸通过这个公式所计算出来的 半 胪 23 液压控制系统设计 液压气动技术是流体传动与控制学科的俗称是以有压流体为工作介质来实现各 种机械的传动与自动控制的一种形式。液压系统与气动系统一般都是由动力源、执行 器、控制阀及辅助元件等几部分组成并将这几部分统称为液压元件与气动元件。 2 3 1 液压控制系统原理 液压控制系统的原理如图2 4 所示。 若需要给某个试验罐打压就先关闭其他两个试验罐的打压手动截止阀，同时关 闭泄压阀，然后打开要打压的试验罐的打压手动截止阁打开试验罐的气控截止阀( 如 打中心管就打开中心管气控截止阀) - 在电脑上设置好试验参数如上限压力及保压 时间等。驱动高压泵，水箱内的水通过单向阀被注入主管线再通过打开的打压气控 截止阀，进入要打压的部位打压部位为封闭腔，逐渐被加满水井压力升高，位于气 控截止阀出口处的压力传感器会实时臆测打压压力，压力信号被传输到中央处理器， 在电脑显示器上会实时显示出打压压力变化曲线当打压压力达到设定值时高压泵 会自动停止打压，同时打压气控阀自动关 j ) ，进行保压试验保压时可以通过电脑监 删保压压力的变化。达到预设保压时问保压试验壳成，打压气控闲自动打开，同时泄 压气控阀也缓慢打开进入泄压环节泄压水流回水箱。 位干主管线上的安全溢流阀起到过压保护的功能。气控阀的驱动气体为低压气站 提供的压缩空气压力为0 7 m p a ，井有调压阀进行调节。 在设计该系统的过程中主要是考虑整个系统的安全性。同时对于液压控制系 统还要考虑传统液压系统的工作要求，如：能够实现过载保护，液压泵的卸荷，自 动化程度高和实现自动循环系统效率高并且损失小，能够实现能源元件输出的能量 与执行原件所需要的能量的匹配等。还要考虑整个系统的控制精度、系统的稳定性以 及系统的响应速度等条件，综台这些条件来设计整个液压控制系统。 现场液压控制柜采用高度集成的结构，考患到适甩、操作方便、美观等要求手 阔放置在上侧，管路接口设置在下侧，内部安装气控阀高压泵、传感器及主水箱等 每侧都有可打开的拉门便于安装、检修和维护。上有吊装环便于运输下有可调整 地脚便于就位安装。实物照片如图2 5 所示。 图25 现场压力控制柜 现场压力控制柜完全遵循澈压控制系统的压力控制来进行设计其主要功能面板如 图2 、6 所示。 图2 6 压力控制柜面板 2 3 2 容器加压系统的设计 1 系统设计 根据加压的一般方法可以设计一个在稳压和调压方面比较方便和精确的系统，以 此设计的系统构成如图2 7 所示。 图27 系统的构成 该系统主要从压力控制系统的加压部分、保压部分，加压容嚣以及稳压部分进行 设计，而对于控制系统的具体内部设计暂时不予考虑。设计的液压原理图如图2 8 所示 图28 增压系统原理图 打开手动截止阀，启动电动机带动液压泵开始工作工作介质经滤油器单向阀进 入管道t 打入压力容器t 随着压力容器内介质充满，开始对压力容器进行加压，压力 容器上安装的传感器实时把容器内的压力信号传给电控系统，电控系统对电动机的转 速进行控制a 当容器内压力达到工作所需要的压力时。控制电动机停止工作。蓄能器 的功能是吸收系统液压冲击，当系统在短时间内需要大流量液压油源时作为辅助液压 油操满足系统的工作要求。当进行液控截止阏门操作时，系统所需的液压功率要求较 大，而系统在进行电液比例压力调拄时又是长时问的小流量状态，蓄能器的设置既满 足了短时间大液压功率输出的要求- 又避免了长时间使用小流量状态时溢流造成的油 液超温现象的发生”。 对干升压系统实现精确控制是一个难题，但是对于试验超压稳压卸压是目前压控 领域的瓶颈问题特别是在系统在馓保压密封的过程中随着保压时间的推移，若系 统及工具的密封性非常好，那么就会出现系统压力也会逐渐升高，这样就会为评价封 鞴器等井下工具的实际工作性能带来障碍使得试验失去意义。 微卸压控制技术主要是采用井口微调节计量阐加气控阀串联组合技术借助两个 阀门的特点和控制l 的协调作用来实现压力过冲的稳压卸压的。当压力因温度升高丽 升高时- 把计量阀节流口调节到合适位置连续启闭气控周把多余的压力激流掉 以达到压力温度平衡 2 静态条件下系统分析 在管道升压过程中- 通过下列公式计算出单位试验压力增加的理论注水量。单位试 验压力增加对应注水置增加的理论计算公式： d ，= v d 。i ( d e t ) o m 2 ) + l ，七】 ( 2 1 0 ) 式中d ，为增加的水量( 胛3 ) ，v 为试验管道的容积( 肿3 ) d 。为增加的压力( k p a ) d 为管道外径( 咖) e 为阳式弹性系数( 2 】0 8 ) f 为管道壁厚( n u n ) 为泊松系数 ( 0 3 ) 。女为水性模数( 2 3 4 3 9 6 1 k p a ) 。 由( 2 1 0 ) 式可知 = 币矿d , k 而e t 面2 生v 旦e t ( 1 耐) + ( 2 液体在圆管中流动时，其沿程压力损失的计算公式为 印= 。；譬 眩 其中 为沿程阻力系数v 为液体的流速。 2 ：r e 鱼 d 即印= r 。丁a x l 孚 ( n 1 3 ) ，= t + 卸2 軎晤t t 一曲+ 1 + n 等譬 c z 该公式为静态条件下压力损失计算公式。 其中为管壁的绝对粗糙度，其只与管道的材料有关，一般可参考下列数值：钢 管为o o , l m m ，铜管为o 0 0 1 5 0o l i n ，铝管为0 0 0 1 5 0 0 6 咖橡胶软管为0 0 3 m m 。 3 动态条件下系统分析 在动态特性下进行分析需要考虑液压泵的流量随着出口压力的变化流量逐渐变小 这一实际情况根据这个情况建立数学模型。 根据系统的组成方式- 选择液控操作回路进行分析系统高压截止开关阀的运动 微分方程为 册掣+ c u + k ，并+ = ( 户一a p ) a l ( 2 1 5 ) 式中册液控闽的操纵活塞与被控阎芯的质量和( k g ) ，t 时间( s ) k ，弹性负载刚度( n m ) ，阐口稳态液动力( n ) 印管道及流动阻 力产生的压力损失( p a ) ，液控月活塞面积( m 2 ) c 流量系鼓，无量锕。 同时考虑到下列等式 u ：皇，口：坐，：坐印： ! 丛。 爿+ d t d x d2 初始条件；当t ；0 时x = 0 ，u = 0 ，y = ，p = p 2 。当，= ，t 矿= 如+ a i x 。 由式( 2 1 5 ) 得 m 等+ c 警嵋m j 詈譬小阶_ ( 2 ，s ) 式( 2 id ) 表明了要给系统加压到试验所需要的压力不仅仅跟加压时间有关系， 同时也跟活塞的工作面积有很大关系。同时，随着系统压力的不断升高，活塞的移动 速度会随着系统压力的不断升高而不断的减小，它们不是线性的关系”3 对式( 2 1 6 ) 编写仿真模拟程序，便可以使用计算机对系统的压力拄$ q 过程进行 分析及参数的优化计算这样便可以及时准确的控制系统的升压过程，使系统的压力 稳定在试验所要求的范围之内。 通过对压力控制过程的静态与动态分析建立了系统的增压过程的数学建模便 于以后对于系统的实时模拟仿真。解决了系统增压控制过程的不可控制性，实现了实 时龉拄便于对系统的实时压力变化及时的做出反应使系统的反应速度和控制精度 都得到了很大的提高。 2 4 液压元件的选型与计算 在整个液压系统的设计中，选用了大量的液压和气动元件而这些元件的选取也 必须遵循一定的碌则经过详细i l 匀计算来进行选型本文主要列举以下几种主要液压 元件的进型来说明其选型过程与设计原则。 2 4 1 气动泵参数 在整个试验系统设计的过程中首要考虑的就是系统的安全性这是由该试验系 统的工作条件决定的。若想保证这一点必须以系统的实际工作条件为基础尽量避 免较大电压和较大电流的产生，以此来避免电火花的产生条件从这一点考虑把泵 的选择范围划定在气动泵上。 考虑气动泵是有很多方面的原因的它具有很多其他泵所没有的优点：首先就是 能源可以储存压缩气体可以存储在贮气罐中，就算遇到突然断电等情况时，主机及 其工艺滤程不至于突然中断：气动技术的工作适成性比较好，可以在强震动、强冲击、 强廊蚀以及强辐射等恶劣环境下工作，不会因温度变化影响其传动控制性能。它的阻 力损失和泄露都比较小，外泄露不会像液压传动那样造成压力明显降低和环境污染。 综合以上各点以及实际的工作环境考虑气动增压泵是最好的选择。 本系统的设计压力为 0 0 m p a 换算为圈际标准为1 4 5 0 0 p s i i ，由于本试验系统需 要枉较短的时间内加压到指定的系统压力，因此应该选用增压比比较丈的气动增压泵 经过市场调研以及与厂家的交流，韧步盎用荚国h u 公司生产的5 l _ s d 一3 0 0 高压气 动泵( 如图2 9 ) 所示。以及美国s c 公司生产的d 6 3 0 1 高压气动泵( 如图2 1 0 ) 所 示。 图2 9h i i 高压气动泵 表2 - 1h 1 1 气动增压泵技术参数 图21 0s c 气动增压泵 h i i 气动增压泵具有很多的优点：首先该气动泵的驱动部分无需澜滑，能够迅速的 进行自动复位操作；其次该气动增压泵适用于所有的流体，如昔通水，蒸馏水，去离 子水溶剂，中性化学原料；还能提供最高可达8 0 0 0 0 p s i 问歇输出压力；驱动该增压 泵的气体包括氮气，液化气的挥发气管道天然气经过处理妁酸性天然气体等。 表2 _ 2s c 气动增压泵技术参教 在表2 - 1 和表2 - 2 中分别列出了两种气动增压泵的型号以及主要的技术参数，这 两个气动增压泵分别州于不同压力下对试验介质的加压过程，可以把这两个气动增压 泵进行串联连接其中d 6 3 0 1 高压气动泵用于大压力小流量的情况，而h i i 气动增压 泵主要用于小压力大流量的工作条件用两个气动泵可以更方便的根据不同的试验条 件进行选用。以此来提高整个试验系统的稳定性与可靠性。 s c 气动增压泵工作原理是气动增压泵利用犬面积活塞端低压气体驱动而产生小 丽积话毫端的高压流体。选择其的主要碌匿有几个方面。 ( 1 ) 具有输出性能商而成本低的特性。 ( 2 ) 启动增压泵的零件段密封少维护简单并且成本比较低。 ( 3 ) 由于其压力和流量都有驱动气体的压力调节湖准确的调节，因此具有搬强构 可调性。 ( 4 ) 其撮重要的一个特点是具有自动重启功能，在工作时气动液体增压泵迅速 往复工作随着输出压力接近设定压力值时泵的往复运动速度减慢直至停止，并保持 这个压力此时能量消耗很小无热量产生，无零件运动。当压力平衡打破后，气动 泵自动开始工作到下一个平衡。 ( 5 ) 输出流量大气动增压泵只需1 0 0 p s i ( 0 6 9 m p a ) 压缩空气驱动就可获得较 大的输出流量。 2 4 2 电气比例阀的工作特性 自动控制可分成断续控制和连续控制。断续控制即开关控制。气动控制系统 中使用动作频率较低的开关式的换向阍来控糊气路的通断。靠减压阀来调节所需 要的压力靠节流阀来调节所需要的流量。这种传统的气动控制系统要想要有多 个输出力和多个运动速度，就需要多个减压阀、节流阀及按向阀。这样