（机械制造及其自动化专业论文）井下安全阀液体综合试验系统的研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文井下安全阀液体综台试验系统的研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者签名：关迦 迦生年三一月1 7 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名 导师签名 翼l 电 丝坠年三月盟日 竺年上月上日 摘要 本文针对井下安全阀进行验证试验及功能试验的相关国际标准，设计了一套井下 安全阀液体练合试验系统。本系统能完成包括泄漏试验非平衡开启试验一级流量 试验，二级流量试验在内的井下安全阀验证试验。 本文首先对井下安全阀的原理结构进行了分析井对美国a p i1 4 a 标准井下安全 阀检测试验进行了研究，在此基础上以保证液体综合试验系统的技术达到先进水平。 系统采用模块化的设计方案，主要由液体综合试验台，泵阀柜，泥浆泵撬体控制系 统几部分组成。针对各部分的液压原理及主要部件本文进行了分析和选型研究，完 成了控制系统的设计。 此液体综合试验系统经过与配套系统的现场综台调试，通过了多个试验项目的测 试，能够实现自动化试验过程，数据采集，测试报告自动生成。具有试验快捷维修 升级方便，操作环境良好等诸多优点。试验结果证明系统可以达到预期的目标，能 够满足美国a p i1 4 a 标准对井下安全阀检测的要求。 关键词：井下安全阀试验检测系统p l 0 控制高压液控a p l1 4 标准 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r s u b s u r f a c es a f e t yv a l v et e s t i n ga n df u n c t i o n a lt e s t i n gt ov e n f yt h er e l e v a n t i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s d e s i g n e dat e s ts y s t e mi ss u b o r d i n a t et ot h ef l u i ds u b s u r f a c es a f e t y v a l v ei n t e g r a t e dt e s ts y s t e ms u b s u r f a c es a f e t yv a l v ei st h ek e yt om a i n t a i ns a f ep r o d u c t i o n o fo i la n dg a sw e l l st h i ss y s t e mi so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h ei n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f s u b s u r f a e es a f e t yv a l v e i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l eo fs u b s u r f a c es a f e t yv a l v es t r i c t u r ew a sa n a l y z e d a n da p i 1 4 as u b s u r f a c es a f e t yv a l v et e s t i n gs t a n d a r d sh a sb e e ns t u d i e d o nt h i sb a s i s t oe n s u r e c o m p r e h e n s i v et e s t i n gs y s t e m ，t h el i q u i dr e a c h e dt h ea d v a n c e dl e v e lo f t e c h n o l o g y m o d u l a r d e s i g nh a s b e e nu s e d i n t h i ss y s t e m ，a n d i t w a sc o m b i n e d o f l i q u i d t e s t i n g m o u n t i n gp l a t f o r m v a l v ec a b i n e t d i e s e l - d r i v e nm u dp u m p ，p i p e l i n e sa n da c c e s s o r i e s t h ep a ：) c rc o m p l e t et h e a n a l y s ea n ds e l e c t i o n f o r e a c hp a r t o f t h eh y d r a u l i cp r i n c i p l ea n d m a i nc o m p o n e n t s t h i sl i q u i dt e s ts y s t e mg o o p e m t ew i t hs u p p o r t i n gs y s t e mc o m p l e t ec o m m i s s i o n - i n ga n d p a s s e ds e v e r a lt e s t i tc o u l dr e a l i z et e s t i n ga u t o m a t i o n ，d a t ac o l l e c t i o na n da n a l y s i s t e s t r e p o r ta u t o m a t i cg e n e r a t i o n i th a ss e v e r a la d v a n t a g e ss u c ha sq u i c kt e s le a s yt om a i n t a i n a n du p g r a d e s g o o do p e r a t i n ge n v i r o n m e n tt h er e s u l to f t e s tc o u l dp r o v et h a tt h et e s ts y s t e m a c h i e v e dt h e g o a la n ds a t i s f i e dt h ea p i1 4 as u b s u r f a c es a f e t yv a l v et e s t i n gs t a n d a r d s r e q u i r e m e n t k 雌w o r d s ：s u b s u r f a c es a f e t yv a l v e ；t e s ts y s t e m ；p l cc o n t r o l ；h i g h p r e s s u r e h y d r a u l i cc o n t r o l ；a p i1 4 as t a n d a r d 目录 摘 要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论l 11 引言 1 1 2 井下安全阀的结构原理1 1 3 井下安全阀的试验及其标准5 14 国内外发展现状5 15 本论文主要研究工作 6 第二章总体结构设计8 第三章p l c 控制系统的设计3 0 31 控制系统硬件部分 32 信号的调理与数模转换 3 l 第四章液体试验的过程与结果3 5 41 井下安全阀检测系统的其他部分 3 5 42 液体试验的过程及原理 3 7 43 液体综合试验系统的验证试验 44 液体试验的试验结果 第五章工作总结与展望 51 工作总结一 52 展望一。 4 6 4 7 参考文献4 8 培m m 弛理 豪一一一 的一统一计 系设一 验= 口计试验设台试型综一统一选体系的液计验计件阿设试设组全的合型要安柜综选重下阀体的他井泵渡泵其 i 4 5 l 2 2 第一章绪论 11 引言 当今二十一世纪。世界各国都面临着的一个重要的共同问鹿能源问题。随着 社会生产力发展对能源的需求越柬越大，石油这个世界上最主要的能源的价格涨跌直 接影响了各国的经济发展和社会稳定，甚至可能诱发各种危机。 石油也称为原油是一种粘稠的、深褐色液体，由不同的碳氢化台物混台组成。 由于石油是一种埋藏在深层地下的自然资源，不同于煤炭，所以石油的有效开采成了 能源问题的一部分。 提高油田生产敬益一直是各国石油企业不懈努力的目标。近年来，为提高油田效 益，国内石油行业积极引进，消化和吸收国外的先进技术，继承和发展了符合我国油 田特点的适用技术，石油开采技术出现了1 = 4 新月异的变化各项开采应用技术正在不 断进步口】。井下安全阀是一种用来保障油气井安全开采的设备，它能在油气井生产过程 中，根据生产管道压力的大小，自动控制生产管线的开启闭合。防止管线破裂、井喷 等生产事故的发生。根据我国的海洋环境保护法、安全生产法及相关的环保安全法规 规定，凡是具有自喷或自溢能力的油气井都必须安装井下安全阀。 任何一种设备都需要经历研发。检测，才能投产。检测是重要也是必要的一环 没有经过合理检测的设备是无法保证其质量与安全性能的，而井下安全闽本身就是一 种用求保障油气井安全开采的设备所以它的检测就显得尤为重要。 1 2 井下安全阀的结构原理 121 井下安全阀的简介 安全阔是一种自动阀门，它不借助任何外力而仅仅利用介质本身的压力来排出 工作介质，以防止系统内压力超过额定的安全量而发生危险。当系统压力恢复正常时， 安全阀再次关f 3 ，阻止介质继续流出保持系统正常压力口】。 井下安全阀是安全阎的一种叉称为井下管内防喷器是油气井的生产过程中一 种非常重要的井下安全工具。其功能是与井下封隔器配台，在油气井生产过程中，根 据油气井生产中的管道压力的大小自动控制生产管线的开启闭合。当井下压力突然增 大发生管线破裂、井喷或者火警等紧急情况时，立即关闭生产管路防止生产事故 的发生。 随着世界经济的发展，各国对能源的需求与日俱增。石油的开采也逐渐从陆地向 海洋拓展海洋石油的开采环境比陆地油用开采环境恶劣得多，安全性要求更高 我国的海洋石油作业安全法规对油井安全控制技术的应用有明确的规定。规定指 出；“海上采油( 气) 井投产前，应装备完整的采油( 气) 树、井口及井下安全阀和监测、 控制系统井应进行耐压和关闭实验，确保安全可靠1 4 l 。”由此可见井下安全阀对于油 气井的安全生产十分重要。 122 井下安全阀的分类 ( 1 ) 按照不同的开关井控制方式分类。 按照开关井控制方式可分为地面控制式井下安全阀( s u r f a c ec o n t r o l l e d , s u b s u r f a c e s a f e t y v a l v e ) 和井下控制式井下安全阀( s u b s u r f a c e c o n t r o l l e d s u b s u r f a c es a f e t y v a l v e ) 。 地面控制式井下安全阀( s c s s v ) ，是通过地面控制系统和液压控制管线来实现地 面控制的。因此，控制系统可根据实际要求配备各种探铡指示控制器以及遥控系统、 紧急关闭系统和安全控制管线等。 根据安装方式，地面控制式井下安全阀可以分为钢丝下八式和油管下八式两种口】。 井下控制式井下安全阀则与前者相反是通过钢丝作业安装的，非常灵活。它 的安装不需要控制管线下八深度也不受限制。但设计时要有较准确的油气井压力数 据及其今后的预测值。 井下控制安全阀较适合于高产井。可分为两种形式：压差控制式和环境压力控制 式。 压差控制式又称速度控制式这是因为井液流速越高，该安全阀上下的压差也越 大因此当流速达到预计值后就能使阀关闭。 环境压力控制式则是通过通过环境压力与阀内压力腔的差，来控制开启关闭的。 ( 2 ) 平衡式与非平衡式井下安全阀。 井下安全阀想要从关闭状态到打开状态，首先须使阀的上下压力平衡，其方法一 般有两种：第一种是在地而向油管泵液加压，第二种是在阀体内设置平衡机构然后 用钢丝作业工具进行操作由于第二种方法增加了密封机构给安全阀带来了不安全 固素，所以大多数厂家的产品没有采用这种平衡机构这也就是非平衡式安全阀。 ( 3 ) 按照不同的阉体密封方式分类吼 密封，是井下安全阀能否发挥效能的关键。按照阀体暂封方式，井下安全阀可分 为球阀式与板阀式两种。 球阀是依靠球体的旋转球体侧边堵住通道来实现隔离作用的。球阀的密封是靠 球体与球座的充分接触磨台来产生的。由此可知，当球阎需要更换失效密封件时，球 体与球座两部分必须同时更换新配件。 板阀式安全阀的密封是靠阀板上的锥面和密封座锥面的配合产生的。安全阀的阀 板有楔形和弧形阿种。当安全阀的内管向上移动之后，阀扳在弹簧的作用下向中心转 动，井与密封座接触而完成密封管的出口l ”。 比较两种安全棚板阀比球阀更加的灵活，且球阀的泵开压力更大，不容易顺利 打开。实践证明板阀优于球阔所以目前世界上新投产的油气井大多数都采用了 板阔方式密封方式的井下安全阀。 ( 4 ) 根据油气井所古腐蚀介质情况分数i 。1 油气井中所含的腐蚀介质，主要有硫化氧( s ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 其它还有胺类抑 制剂、地层砂、氧和氯化物等。其中，硫化氢的危害是最大的，它能使钢材发生应力 脆裂。按照美国石油协会a p l1 4 a 井下安全阀设备规范要求根据油气井所古腐 蚀介质情况通常将井下安全阀分为咀下三级： 第一级：常规型井下安全阀主要用于不存在有害腐蚀物质及不含砂的油气井。 第二级：防砂型井下安全阀，用于预计能使常规安全阀损坏( 如有砂粒物质) 的 油气井，这一级安全阀必须同时满足第一级的所有要求。 第三级：抗应力腐蚀开裂型井下安全阎，主要用于预计能产生应力腐蚀脆裂作用 的油气井，选一缎的设备必须能同时满足第一、二级情况的所有要求所用材料必须 能够防止应力腐蚀脆裂。 另外根据腐蚀介质不同第三级又可分为： 3 s 级主要用于硫化物应力脆裂生产井中。 3 c 级主要用于氯化物应力脆裂生产并中。 ( 5 ) 其他井下安全阀 注入井安全阍可单独归为一类，主要零件只有嘲体、阀芯和弹簧，其结构简单而 且使用安全。将其接在锁芯下用钢丝工具设置在预先联接在油管下井的座落接头即 可。 环形空间安全阎适于某些环形空间有大量气体的特殊井如气举井、有自喷能力 的电潜泵井脚。这种安全阀装在封隔璐上，跟油管安全阔公用一根液压控制管线与后 者的工作原理相同。 123 井下安全阀的工作原理 地面控制油管回收式井下安全阀是目前最具代表性的一种井下安全阀，其典型结 构如图11 所示，主要零件有：液控管线、活塞、中心管、弹簧、阀板、上下接头等等。 123456 7891 0 1 1 图i l 典型井f 安全鲥结构幽 i 上接头f2 - i 瘦控管线；3 - 被腔f 柱塞：5 - 中间接头：乒中心恃 7 弹簧；8 弹簧挡块；9 扭簧； i o 阀板；1 i - f 接头 安装使用时把井下安全阀设置在油管的特定位置。并装入一条小直径的不锈钢 控制管线液控管线与井上的液压控制系统相连使其组成一套井下安全阀系统i ”。当 油气井正常生产需要打开井下安全阀时井上液压控制系统的油泵泵入液压油通过 控制管线施加给安全阀的活塞一定压力，推动活塞向下运动，顶开中心套管，e e , b 套 管压缩弹簧推动阀板打开。当液压控制油保持在设定的打开压力时，阗板保持在打开 的位置，中心管的下端顶着下接头的定位台阶在安全阀内形成一个连续的较光滑的 生产通道。在正常生产时，井上控制系统保持安全阀液压缸内的液压，使井下安全阀 一直处于开启状态。当发生紧急情况时，只需通过井上液压控制系统泄掉压力弹簧 会使中心套管和活塞复位，阀板即可在自身扭簧的弹力作用下自动封闭油管，井下安 全阔关闭。 井下安全阀的地面控制系统安装有易熔塞，当发生火灾时，易熔塞在高温下溶化， 液压控制管线就可以泄压，井下安全闱关闭。当采油气平台受到恶劣海况破坏时，控 制管线也会被拉断从而达到泄压自动关井的目州1 。 井下控制井下安全阀s s c s v ( s u b s u r f a c e - e o n n o l l e ds u b s u r f a c esa f i e t y v a l v e ) 可以分 为压差式和环境压力控制式两种，都是通过钢丝作业安装的，非常灵活。 压差控制式井下安全阀又称速度控制式由锁芯、顶节、弹簧、活塞轴、球和球 座等零件构成。 工作时需要连接在起固定和密封作用的锁芯下，用钢丝通过专用工具投放在预先 在油管下八的座落接头内。阀的密封体在井下受到使阀保持开启的弹簧力和油气流动 所产生的压差力的共同作用而关闭。阀体上下的压差可通过阍体内油嘴内径的大小来 调节当油气井正常生产时，弹簧力略大于预先计算出来的压差力。地面井口破坏， 油气井的流量会上升。从而使阀体上下压差增大，压差力超过弹簧力而使安全阀自动 关闭1 2 1 。 若当油气井井口被破坏后其流量达不到安全阀的需求，安全阀可能不关闭以 下的情况应特别重视【l3 】： ( ”如井口破坏后由于油管有节流，其井喷流量产生的压差力不足以克服弹簧 力，而达不到关井的目的。 ( 2 ) 油气井地层能量下降，井喷的流量不足以关闭安全阀。 ( 3 ) 阀体内油嘴被磨大使安全阀关闭所需的流量增大。 井下环境压力控制式井下安全阁主要由套管、弹簧、锁芯、座落接头、阀体、压 力腔等部分组成其安装方法与前面一种相同。 环境压力控制式的阀体内有一个压力腔以及弹簧腔中预先根据各井具体情况注 入一定压力的氮气。弹簧和压力腔的作用相同用弹簧可以降低压力腔的压力从而提 高压力腔的可靠性。若井口出现泄漏破裂安全阀处的压力会降低当环境压力产生 的力低于弹簧与压力腔的合力的时候，安全阀会自动关闭，达到封井的目的1 1 4 ) 。 单流阔式井下安全阀基本相当于单向阀，其安装方式与井上控制井下安全嘲相同 阀体允许流体单向流通从上向下时畅通，从下向上流时关闭以达到安全控制目的。 单流阀式井下安全阌主要使用在注入井。 13 井下安全阀的试验及其标准 在油气井的生产中，井下安全阀用于控制井管的启闭，拉制流体的运行。井下安 全阀泄漏可以造成地面液控系统的超负荷运行并可能造成油气井的非正常关闭，影 响生产。如果在发生井喷、火灾等情况需要关井时发生阀体卡死会对油气井的安全 生产造成巨大影响甚至有可能发生恶性安全事故【j 。 因此，井下安全阀的检验试验十分重要。掘统计，生产中井下安全阀的事故，主 要有安全阀泄漏缓慢卸压以及嘲体卡死不能完成正常的开关井动作等。 从工作中容易出现的一些问题及实际工况来考虑，井下安全阀试验内容应该是测 试井下安全阀的泄漏情况及其在规定压力下的动作情况，目前国际上披广泛认可的比 较权威的井下安全阀设备规范标准是由美国石油协会颁布的a p l1 4 a 标准，该标准对 井下安全阀的试验相关内容和参数做了比较详细的规定，内容主要包括验证试验和功 能试验1 。 a p l 是美国石油学会( a m e r i c a n p e t r o l e u mi n s t i t u t e ) 的英文缩写，是美国的第一家 国家级商业协会。石油和天然气工业用设备的标准化工作井确保该工业界所用设备 的安全、可靠和互换性是a p i 的重要任务。许多国家的石油公司在招标采购石油机 械时，一般都要求佩有a p i 标志的产品爿能有资格参加投标l ”】。 a p i1 4 a 标准中验证试验主要是用于对井下安全阀进行测试分级。它主要分为一 级试验和二级试验，分别对井下安全阀需要进行的泄露试验流量试验以及压力动作 试验进行了详细的规定通过完成相应的试验程序来验证井下安全阀是否具备相应等 级。井下安全阀功能试验则是测试井下安全阀能否按照预定的工作状态完成其预定动 作达| 功能目的。它是生产厂家进行安全阀产品性能评估的重要的依据。 根据a p i 标准，液体试验主要包括通杆试验、液体泄漏试验、非平衡开启试验、 操作压力试验，l 级流量试验( 清水) 以及2 级流量试验( 泥浆) 。 液体泄漏试验的目的是，通过高压液控柜产生的高压液体源，对两端都封闭的安 全阀进行高压密封试验，通过泄漏速率来评定关闭状态下井下安全闱的封闭能力。非 平衡开启试验的目的是，模拟下游受压力的井下安全阀工况，并评定其正常开启关闭 的能力。操作压力试验的目的是，在多种工作压力情况下开、关试验安全阀，测试 阀体联接处的泄露情况。1 缎、2 级流量试验的目的是，模拟实际工况，在大流量高压 力的不同介质条件下( 清水或者泥浆) ，检测评定井下安全阀的打开和关闭状态的工作 性能。 1 4 国内外发展现状 由于石油开采技术的研发起步早，科研实验水平先进目前国外针对于井下安全 阀的研究己经相当成熟。国际上的几家大型石油服务公司，如成立于1 9 1 9 年的美国哈 里伯顿公司( h a l l f b u r t o n c o m p a n y ) 、成立于1 9 4 1 年的美国威德福公司( w e a t h e r f o r d ) 等t 凭借其出色的产品质量以及雄厚的技术研发能力长期占据井下安全阀市场的垄 断地位。经过一系列产品的系列化产业化过程，已建立了非常成熟的国际影响力大的 质量标准体系。 其中特别是美国石油协会制定的a p i 系列标准在世界范围内被广泛引用通过 其认证就意味着产品有质量保证有市场竞争力。由于起步较晚。国内目前针对于井 下安全阀的研究尚处于开始阶段产品的型号及种类比较匮乏，技术参数还不够高， 并且质量良莠不齐，仅有为数不多的几家公司能够生产出符合a p i 标准认证的井下安 全阀产品。 国外在井下安全阀试验研究上做得比较突出的为美国的西南研究院。西南研究院 ( s o u t h w e s t r e s e a r c h i n s t l t u t c - ) 成立于1 9 4 7 年是一家独立的、非营利性质的应用技 术研发机构。美国西南研究院在众多科学领域中享有极高的国际声誉，为工业界和政 府机构提供优质的科研开发、工程和试验技术咨询服务；应用多学科的综合途径来解 决科学和应用技术中各种复杂的问题啪l 。 而国内对于井下安全阀研究处于初级阶段用于井下安全阀试验检测的设备也非 常少。目前国内大多产品都是在国外比较成熟的井下安全阀产品基础上进行的仿制和 改进，而井下安全阀试验设备大多是参照国外的试验设备的基础上模仿试制的，技术 还不成熟。大多都是依靠人工对试验过程进行控制靠不同设备进行各个液体试验 试验操作过程繁琐，试验测量精度差，不足以满足生产厂家进行性能检铡和功能试验 的需要。因此国内相关市场急需提高井下安全阀的研究水平巫待建立成熟的用于井 下安全阀液体试验性能检测及功能试验的系统设备。 1 5 本论文主要研究工作 液体综合试验系统的研究工作的首先分析研究试验对象井下安全阀的相关技 术资料和美国a p i1 4 a 设备规范标准和试验的指标要求。参考成熟的设各检测系统的 经验利用现有技术和己定型的设备元件。同时综台井下安全阀试验系统的控制部分 和液压台部分，设计出液体综合试验系统。 系统的设计遵循经济实用环保的原则要求，采用模块化的结构设计，使系统简洁 可靠，同时保证技术的达标并易于操作使用。 本论文主要的研究内容为： ( i ) 研究试验对象井下安全阁的工作原理技术特点分析a p 1 4 a 试验的流程以 及对检测设备所提出的要求合理制定液体试验系统的设计要求。 ( 2 ) 通过对液体泄漏试验操作压力试验，非平衡开启试验以及流量试验的综合 分析完成液体试验系统的回路总体设计。 ( 3 ) 完成井下安全阀液体综合试验系统中检测设备的设计，以及其主要元器件的 选型。 ( 4 ) 运用模块化的设计理念，完成大流量清水泵泥浆泵系统的设计选型。 ( 5 ) 试验系统的安装调试及试验测试，井对结果进行总结分析检验系统是否达 到预期要求。 + 罄 卜一雄露 _ - f 叫一 第二章总体结构设计 21 井下安全阀液体综合试验系统的原理 社会生产力的发展离不开能源尤其是石油等不可再生能源。石油开采这样一个 能源问题是我国这样一个高速发展中的能源消费大国已经面临的首要难题。其中石 油的合理开发与利用显得尤为重要。 随着对石油等能源物资的需求日益增大安全开采石油的问题也日益扩大。用于 油气井安全生产至关重要的井下安全阀，我国对其产量与质量的要求已是关键。目前 我国对其生产研究还刚起步缺乏西方发达国家的技术与经验，已成熟具规模的产品 很少。所以，对于井下安全阀研究检铡试验用的试验系统的开发研究非常关键。 井下安全阀掖体综合试验系统是建立在a p ! ( 美国石油学会) 的a p l l 4 a 标准上， 运用清水、泥浆等液体为试验介质，对井下安全阀进行试验的一套设备。 瘦体综合试 验系统与液压控制台和气体综合试验系统共同组成井下安全阀试验系统，配合完成按 国家规定的环保安全标准所制定的对井下安全阀进行功能试验和验证试验。 液体综合试验系统的液压原理见图21 幽2 】i 葭体综合试验系统液压原理幽 液体综合试验是a p j 标准中井下安全阀的一系列检测中擐重要的组成部分，它的 检测过程复杂，主要包括有通杆试验，液体泄漏试验，操作压力试验非平衡开启试 验，1 级流量试验( 浦水) 和2 级流量试验( 泥浆) 。 如果简单的将各套试验所用设备分开设计设备多且规模庞大，而且操作要求技 术水平高还费时费力。本文提出的设计则是利用管路阀门的转换来完成各个试验之间 的切换，将液体综合试验整合，以减小设备占地，合理利用蕈i 源。 通过p l c 以及工控机对各个电气液压阀门进行自动控制或人工手动控制，使用电 气传感器数显表等仪器，简化复杂的试验操作与数据采集分析，更简单明确的完成试 验。 通杆试验是通过尺规检测井下安全阀完成试验。不是试验系统的重点，在这里不 做详述。 液体泄漏试验，主要目的是通过泵阀柜产生的高压液体源对两端都封闭的安全 阀进行高压密封试验，通过泄嘱量的速率来评定关闭状态下井下安全阀的密封情况。 操作压力试验，主要是为了在不同工作压力情况下，开关试验安全阀，测试阀体 联接处的泄露情况。 非平衡开启试验，主要是模拟实际工况，检测评定井下安全阀在上下游有不平衡 压力，即有背压的情况下正常关闭打开的能力。 1 级、2 级流量试验，主要目的是，模拟实际工况在大流量高压力的不同介质条 件下( 清水，或者泥浆) 检测评定井下安全阀的打开和关闭状卷的工作性能。 液体综合试验系统按照模块化设计主要由液体综合试验台，泵阀柜，清水泵， 泥浆泵，管线以及其它附件这几部分构成。 其原理见图2 2 综台试验台 下游 待主 泵测 井 l 匦 il f 叫 闷 下 安 液压控制白l j z 柜 全 阍 丁 上游 秉 泵 删2 , 2 试验系统结构瞄 在整个液体综合试验系统中，液体综合试验台是主体，其功能是安装固定待检测 井下安全阀，同时模拟井下安全阀的实际工况，通过控制各个阀门的启闭，来完成所 要求的试验。管路安装遵循横平竖直的原则布局紧凑合理可靠。圭回路由气控阀 控制控制回路由电磁阉控制所有电磁腭均与中央控制系统连接方便自动控制整 个试验过程。所有需要调节的阀门均安装在可以方便操作、调节和拆卸的位簧，咀便 于保养调试和维修。 泵阀系统集成安装在封闭柜内其主要功能是提供高压水源，以完成液体泄漏试 验。液控柜进出管线连接安全可靠主要元件均可灵活拆卸输入输出借v 1 安装在柜 子底部。集成结构使得在做安全阀不同试验时，可以仅仅通过控制阀门的切换来完成 大大减少了设蔷的数量缩小了系统的体积和成本。此结构设计具有占地面积小，操 作方便等特点，大大节省了操作时间各劳动强度。 泥浆泵由配套柴油机驰动，由于整体设备体积太大，所以设计成撬装。安装在室 外通过软管与液体综台试验台连接，输入高压泥浆并完成2 级流量试验。 2 2 泵阀柜的设计 2 21 泵阀柜的总体设计 泵阀柜主要功能是为液体泄漏试验提供0 1 6 0 m p a 高压水源井集成有气控阀和 多种传感器和仪表。由于采用模块化设计，整个高压液控装置都密闭在不大的被控箱 内。本系统综合考虑多种升压方式，最终选择以电气比例阀控制气动增压泵进行液体 升压。图23 是泵阀柜的模拟圈 幽2 3 泵阎柜模拟图 泵阀液压系统集成安装在封闭柜内其主要功能是提供高压水振。以完成液体泄 漏试验。液控柜进出管线连接安全可靠，主要元件均可灵活拆卸输入输出借口安装 在柜子底部。集成结构使得在做安全阀不同试验时可蛆仅仅通过控制阀门的切换来 完成大大减少了设备的数量缩小了系统的体积和成本。此结构设计具有占地面积 小操作方便等特点，大大节省了操作时间备劳动强度 泵阀柜的液压原理图如图2 4 所示。 蚤尊= ：学 图2 4 泵脚柜液压原理豳 图中，黑色实线为液压主回路，短虚线为控制气回路长虚线为电气控制线路。 高压液控装置主要由动力源增压泵电气及液压控制阀门，其它液压辅助元件 等部分组成。试验系统采用气液联动设计以压缩空气为动力源，利用气动液体增压 泵将压缩空气的压力转为液体压力。驱动气源的压力与输出的液体压力成正比，通过 电气比例阀对驱动气源的压力进行调整，可以控制输出液压力进行无级调节。 工作回路出口处的压力传感器用来检测油管道压力值，并将测得的压力值反馈给 控制系统。 高压泵的出口处设有溢流安全阀将其设定为输出管线的最高压力以防止超过 系统过载而损坏待测的井下安全阀或者其他设备。 气动增压泵接有消声器降低噪音危害，满足绿色环保需要，提高试验场所的舒 适性。 过滤器1 设在控制回路，起过滤驱动气源提供的压缩空气中的冷凝水，颗粒较大 的固态杂质和油滴的作用。过滤器2 设在工作回路上，起过滤水池内待升清水杂质的 作用。 试验系统的泵嘲柜采用气动液体增雁泵作为升压元件气动增压泵可为软管、阀 门，压力容器等静压和爆破测试、汽车制动系统及喷油嘴铡试、仪器仪表( 如压力表) 性能测试及压力标定、液压央紧、成形、钻孔、剪切、冲压等液压设备提供动力源。 可使用空气氯气，氩气，氨气和大多数的其他气体其输出压力高，气体增压泵的 最高工作压力可达到2 1 0 m p a ：输出流量大，气体增压泵需不超过1 o m p a 压缩空气驱 动就可获得较大的输出流量。 选用气动增压泵主要有以下优点叫： ( i ) 易于调节。在泵的压力范围内，通过调节阀从而控制进气压力，输出液压相 应相应得到无极调整，方便进行自动控制。 ( 2 ) 输出范围广，输出压力大。仅需较小气压就能平稳工作此时获得较小流量， 调节进气量后可获得不同输出流量。梭泵最大输出压力可达6 4 0 m p a ，气泵最大可至 2 0 0 m p a 。 ( 3 ) 性价比高。气动增压泵是一种柱塞泵，工作时增压泵迅速往复工作随着输 出压力的增高，泵的往复运动减慢直至停止，此时泵的压力恒定能量消耗最低各 部件停止运动可以有效的节省能源。 ( 4 ) 操作安全。由于采用气体驱动，无电弧及火花，所以可在危险场所使用。 ( 5 ) 使用范围广。工作介质可为液压油、水及大部分化学腐蚀性液体，而且可靠 性高，免维护时阃长。 ( 6 ) 维护简单。与其它压力泵相比，气动增压泵可完成相同的工作，但其零件及 密封少一般出厂前己加注润滑剂，工作时无需外部润滑因此维护十分简单方便。 ( 7 ) 自动保压。无论何种原因造成保压回路压力下降，增压泵将自动启动补充 泄漏压力保持管路内压力恒定。 传统的气动控制系统中一般使用动作频率较低的开关式( o n o f f ) 的换向阀来控 制气路的通断，通过减压阀来调节所需要的压力依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、 节流阎及换向阀。这样，不仅元件需要多成本高构成系统复杂。且许多元件都需 要预先进行人工调节，很不方便。 和传统的气动控制系统相比电气比例阀控制的优势在于它属于连续控制，其输 出量随着输入量的变化而变化。其问存在一定的比例关系，比例控制有开环控制和闭 环控制之分。 电气比例阀控制系统主要有以下的特点： ( 1 ) 能够实现压力、速度的无极调节，避免了常用的开关式气阀换向时的冲击现 象。 ( 2 ) 与断续控制相比，系统简化，元件大大减少。 ( 3 ) 使用功率小、发热少，噪声低。 ( 4 ) 与液压比例阀相比体积小、重量轻、结构简单、成本较低，但响应速度要 比液压系统慢一些，对负载变化也比较敏感 ( 5 ) 不会发生火灾，不污染环境。受温度变化的影响小。 ( 6 ) 易于实现远程控制和程序控制。 综合而盲电气比例阀控制系统适合于输出功率不大、动态性能要求不太高工 作环境要求不太高的场台所以本系统选用电气比例阀进行控制。 1 2 242 泵阀柜主要元件的选型研究 泵阀柜输出的介质为清水，控制压力要求o 1 6 0 m p a 并且要求无级调压，控制 压力精度要求能够达到1 。 由于驱动气源压力为0 7 m p a 左右气动增压泵输出压力范围要求0 1 6 0 m p a ，要 求压力控制精度在1 ( 满量程) 所虬所需的电气比例阀设定压力范围至少需要达到 00 0 6 - - 06 7 m p a 。灵敏度需要在1 以内。 本系统选取电气比例阀型号为s m c 公司的i t v 0 0 5 0 1 。其灵敏度高、线性度好、 滞回小、动态性能高等特点。 它的主要技术参数为设定压力范围为o 0 0 1 - 09 m p a 擐高供给压力为1 0 m p a ，最 低供给压力为设定压力值加上0 1 m p a 灵敏度为0 2 以内，线性度为1 以内重复 精度为05 n n ，迟滞o5 以内，输入信号为0 - - 2 0 m a 电流信剖划。如图2 5 所示。 幽25 电气比例嘲 为了更快的响应升压，本系统泵阀柜使用的是双泵升压技术，两级气动增压泵泵 串联分开独立工作。工作时可以先用低压泵进行大流量灌输，再用高压泵进行压力控 制高压水采用密闭过滤循环利用，节约能源，无环境污染。 低压气动增压泵选用美国s c 公司的1 0 - 6 0 0 0 w 0 3 0 型免润滑气动增压泵，如图2 6 所示。其增压比为5 5 倍，每冲程排量为i5 0 i n 3 ，进气口管道规格为1 2 ”n p t ，出气口 管道规格为l ”n p t 。进液口与出液口管道规格均为1 2 “n p t 。 n 幽 幽2 6 s c 气动增压泵 考虑到闸阔及管道中的压力损失高压气动增压泵选用h i i 公司的5 l s d 3 0 0 型 如图2 7 所示。 圈27 h i i 气动增压泵 5 l - s d - 3 0 0 型为单作用、双气体驱动，每冲程排量为03 6 i n 3 液体进口管道规格 为1 2 “n p tr 液体出口管道规格为1 2 ”s p ，其虽大输出压力可达3 1 0 3 m p a ( 4 5 0 0 0 p s i ) 。 243 泵阀柜液压系统的设计及分析 当系统需要低压升压时控制系统控制高压泵电磁阀断电关闭低压泵电磁阀通 电接通，同时电气比例阔一个设定的控制信号控制气动增压泵驱动气源压力为设定 值，由于增压比固定，所以低压气动增压泵的活塞开始往复工作将液体加压输出， 直至达到设定的液压力气动增压泵进入保压过程。 当需要高压升压时控制系统控制高压泵电磁阀2 通电接通低压泵电磁阀断电 断开t 高压气动增压泵工作电气比例阀控制增压泵驱动气源压力大小。完成高压升 压操作，当达到设定的压力时，增压泵进入保压过程。 进行保压过程时，气动增压泵自动启停工作控制管线压力值维持不变；当需要 卸压时- 电磁阀断电切断驱动气源气动增压泵停止运行，同时气控阀关闭，卸压阀 打开，安全阀控制管线卸压。 气动增压泵一般为全不锈钢结构，由气和被两部分组成，气部分为空气马达部分， 液部分为液压柱塞及液压缸组件。其通过控制腔和压油腔截面积的不同实现压力增大 以一个面积相对巨大的气动活塞在较小的空气压力( 一般空气压力为0 7 m p a 以下1 。驱 动下推动面积较小的液压柱塞产生高压流体剐。 增压泵的排气能力齄排气压力( p d ) 、吸气压力( p ) 、驱动气源压力( p 。) 变化而变化。 当吸气压力高、驱动气源压力高、捧气压力低时，增压泵的排气能力大；反之增压泵 的排气能力小。 它们之间关系即增压泵外特性如下： n y = 子【吒一圪( 只b ) ”4 】 ( 2 1 ) 式子中t l 为增压泵的工作周期。 当余隙容积一定时若压缩腔内的气体由行程容积v h 压缩至余隙容积u 时。压 缩气体的压力还没有高于背压，这时气体就不能排出也就是说当余隙容积一定时， 最高增压力p d 一也就确定了。即 只w = b 。 ( 2 2 ) 匕一= k j 老= 。捂 眩 f k k “詈 2 4 v0 1 当作用于液压柱塞小头上的力与作用于气动活塞大头上的力相等时，再加上0 形 圈的磨擦阻力的作用使活塞不能运动，增压过程也就结束了。 对于单级气动增压泵而言驱动气源压力与输出液压力成正比，并且比例是一定 的，通过对驱动气源压力进行调整，就可以对输出液压压力进行无级调节脚】原理公 式为： s s 2 = 化= ， ( 25 ) 式中p 1 ，岛为驱动部分的气体压力和气体活塞面积。 ，为输出部分的液体压 力和液体活塞面积，常数为增压泵的增压比。 当气压力与液压力相互平衡时，气动增压泵自动停止动作输出压力也稳定在设 定的压力上。如果系统压力下降气动液体增压泵就好自动启动工作，进行压力补偿。 由此通过控制气源的进气量，就可以控制泵的动作频率从而控制系统的输出 流量州。 泵阀柜输出的介质为清水，控制压力要求0 1 6 0 m p a ，并且要求无级调压，控制 压力精度要求能够达到1 。 由气动增压泵的增压比固定驱动气源压力固定为o 7 m p a 要满足输出压力达到 1 6 0 m p a 则二缎增压比应为； = 1 6 0 07 = 2 2 8 ( 2 6 ) 由于当高压气动增压泵工作时压力控制范围为02 3 1 6 1 m p a 压力控制精度最小 为03 5 m p a 由此可知当压力控制值较大是可以满足精度要求但是当要求压力控制 值较小时仍然使用高压泵则会出现压力波动较大，控制不精确的问愿。 当压力控制值要求较低时，应由低压气动增压泵工作，控制范围能够达到0 0 6 4 2 m p a ，压力控制精度最小为0 0 8 m p a 。其每冲程排量为1 5 0 i n 3 。 由此可知泵阀柜能够在两个压力调节范围内完成无级调节并且控制精度能够满 足要求，由于排量不同当进行升压时可以先气动低压泵先完成安全阀的灌输，然后 启动高压泵进行高压控制。以提高试验的效率。 当气动增压裂工作时，可以达到的压力控制范围为0 2 3 1 6 1 加，丑t 压力控制精度 最小为0 3 5 m p a ，故满足完成井下安全阎试验的需求。 224 泵阀柜压力控制装置的设计 压力传感器即压力变送器主要用于工业过程中压力参数的测量与控制。它可 以将压力变量转换为模拟信号，并标准化的传送输出。压力传感器的输出信号与压力 变量之间有存在一定的线性函数关系圳。 压力传感器主要类型有电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻 式压力传感器、电感式压力传感嚣、电容式压力传感器，谐振式压力传感嚣及电容式 加速度传感器等。 压力传感器的选型主要参照系统的最大过载、准确度等级、测量压力类型、工作 温度、测量范围，被测量介质与接触材质的兼容性、压力接口形式、供电电源和输出 信号、以及现场工作环境情况等因素1 2 6 】。 由于本系统泵阀柜采用的是双泵升压技术，两级气动增压泵泵串联独立工作，为 了保证传感器的量程以及精度，这里特别设计的是双重压力检测装置。即布置了两个 量程的传感器，其量程分别为2 5 0 m p a 和1 0 0 m p a 。这样能够保证在测量不同压力等级 时，压力测量的结果更为精确可靠。 两个不同的传感器串联，当测量小于1 0 0 m p a 的压力时，大量程的传感嚣前的气 控阀打开，小量程的传感嚣前的气控阀也打开。虽然两个传感器都工作，但是通过程 序控制来录取小量程传感器的读数。当测量大于1 0 0 m p a 的压力时，大量程的传感嚣 前的气控阀打开小量程的传感器前的气控阀则关闭，保护小量程的传感器。此时录 取大量程传感器的读数。 考虑到需要测量液压控制试验系统中控制油液的压力值，压力控制范围为 0 - - 2 0 0 m p a 这里选择的压力传感器为森纳士型号为d g l 3 0 0 - b z 的压力变送器，如图 2 8 所示其