逆向設(shè)計(jì)在油田混砂車攪拌器制作中的應(yīng)用

（江蘇油田分公司，江蘇 揚(yáng)州 225265）

逆向設(shè)計(jì)在油田混砂車攪拌器制作中的應(yīng)用

王 青，倪 弘，呂衛(wèi)祥，劉銘強(qiáng)，唐梓青

（江蘇油田分公司，江蘇 揚(yáng)州 225265）

通過(guò)對(duì)混砂車攪拌器的結(jié)構(gòu)、原理、制造工藝等進(jìn)行分析研究，采用逆向設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、制造，實(shí)現(xiàn)了混砂車攪拌器性能恢復(fù)。

混砂車；攪拌器；逆向設(shè)計(jì) 應(yīng)用

一、前言

2004年投入使用的1臺(tái)MC-75型混砂車截止到2013年1月共完成壓裂施工1 304井次，累計(jì)工作2 300h。從2011年起，隨著壓裂工作時(shí)間增加，各種化學(xué)藥劑的腐蝕和壓裂砂漿的沖刷，混砂車攪拌器內(nèi)壁陸續(xù)出現(xiàn)了銹蝕、滲漏等現(xiàn)象，經(jīng)修補(bǔ)可勉強(qiáng)使用。2013年初，又出現(xiàn)了大面積滲漏現(xiàn)象，無(wú)法焊補(bǔ)，只能更換部件恢復(fù)。

MC-75型混砂車為進(jìn)口設(shè)備，國(guó)內(nèi)無(wú)備件，從國(guó)外進(jìn)口費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)。因此，決定采用逆向設(shè)計(jì)的思路自主制作混砂車攪拌器。

二、資料收集和方案制定

混砂車的攪拌器安裝在靠近底盤車的后部是一個(gè)工作容積為1．25m3的圓柱形罐，采用罐中套罐結(jié)構(gòu)，罐中間裝有葉輪，通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)對(duì)壓裂液和壓裂砂等壓裂料進(jìn)行攪拌，其主入口和排污口由法蘭連接，主出口由卡箍連接，內(nèi)有液力驅(qū)動(dòng)的渦輪攪拌葉輪。

采用定制加工存在的問(wèn)題：沒(méi)有加工圖紙；罐體連接部位不規(guī)則，難以測(cè)繪；攪拌器罐體與混砂車的安裝無(wú)法準(zhǔn)確定位。

采用逆向設(shè)計(jì)的方法可以完成混砂車攪拌器的重新設(shè)計(jì)、制造。所謂逆向設(shè)計(jì)也叫反求工程，是對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品實(shí)物采用激光掃描和點(diǎn)采集等手段，獲取產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)和空間幾何形狀，把獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)成圖紙，用于生產(chǎn)制造的過(guò)程。

從逆向設(shè)計(jì)的要求出發(fā)，首先對(duì)混砂車攪拌器從能量、物料、信息與環(huán)境4個(gè)方面進(jìn)行了宏觀分析，攪拌器安裝位置在靠近底盤車的后部，自身無(wú)需動(dòng)力和能量。其外形是一個(gè)工作容積為1．25m3的圓柱形罐，承載介質(zhì)為砂漿、化學(xué)支撐藥劑等壓裂液。攪拌器運(yùn)行對(duì)周圍環(huán)境因素如溫度、濕度、防塵、防爆、防磁等無(wú)特殊要求，其運(yùn)行時(shí)僅對(duì)壞境略有噪聲的影響，無(wú)需特殊防護(hù)。

其次對(duì)混砂車攪拌器的工作原理、結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)思想等方面進(jìn)行了如下分析。

1．原理方案分析

攪拌器的主要工作原理是通過(guò)液力驅(qū)動(dòng)的渦輪攪拌葉輪保證壓裂介質(zhì)在高砂比砂漿的情況下能完全和連續(xù)地混合。

2．結(jié)構(gòu)分析

攪拌器采用罐中套罐的結(jié)構(gòu)，具體工作形式是吸入泵吸入液體從側(cè)面進(jìn)入罐中，并在外腔中切向流動(dòng)。當(dāng)液體在外腔中循環(huán)結(jié)束后，通過(guò)內(nèi)腔外壁上的徑向孔進(jìn)入內(nèi)腔，并與輸砂器輸來(lái)的支撐劑充分混合。攪拌系統(tǒng)安裝在攪拌器的中心，它能完全不斷地將砂漿攪拌成勻質(zhì)的混合液。排出砂泵從內(nèi)腔底部吸入混合液并排到排出管匯中。

3．設(shè)計(jì)思想

需要制造一只新的混砂車攪拌器，以替代原有攪拌器。在保證原有功能的前提下，不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)、形狀、外形尺寸、安裝位置及接口合縫。

三、方案實(shí)施

1．?dāng)?shù)據(jù)采集處理

逆向工程設(shè)計(jì)就是采用實(shí)物模型通過(guò)數(shù)量采集取得適型數(shù)據(jù)，提取模型參數(shù)。通過(guò)模型重構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體流程如下：實(shí)物→三坐標(biāo)測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)→提取幾何特征→三維重構(gòu)→二維圖樣（工程圖）→加工零部件（產(chǎn)品）。

首先，采用三坐標(biāo)測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)對(duì)混砂車攪拌器進(jìn)行實(shí)物測(cè)繪，對(duì)其表面進(jìn)行數(shù)字化采集，再將數(shù)據(jù)運(yùn)用專業(yè)制圖軟件進(jìn)行去噪點(diǎn)、數(shù)據(jù)插補(bǔ)、數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)光順、點(diǎn)云的重定位整合等數(shù)據(jù)預(yù)處理。

對(duì)攪拌器能直接測(cè)繪的零件可用手工畫(huà)出圖紙。

然后，對(duì)攪拌器中不便測(cè)量部位應(yīng)提取坐標(biāo)，為后續(xù)三維重構(gòu)提供基準(zhǔn)，如圖1所示部件。

2．繪制加工圖紙

根據(jù)三維圖樣，自動(dòng)生成所需的二維圖樣圖2。

3．確定制造工藝

通過(guò)探求攪拌器加工過(guò)程和關(guān)鍵工藝，在保證產(chǎn)品精度的基礎(chǔ)上確定新攪拌器采用卷管焊接工藝制作。制作完成后攪拌器各連接口和焊縫部位要進(jìn)行水密封試驗(yàn)。

圖1

圖2

4．優(yōu)化改進(jìn)

新罐體選用了304不銹鋼板制作，主體8mm厚，底面板及固定支撐10mm 厚，其余材料采用304型材。表面需經(jīng)噴砂預(yù)處理，除銹等級(jí)≥sa2．5級(jí)，粗糙度不低于40μm，清潔度達(dá)到3級(jí)以內(nèi)。油漆滿足耐酸、耐油、耐堿、耐潮濕、防鹽霧、防風(fēng)沙侵蝕等要求。

四、 應(yīng)用結(jié)果

更換后混砂車性能得到了完全恢復(fù)和提高，滿足了生產(chǎn)要求。目前，已上井壓裂施工作業(yè)20井次，攪拌器已運(yùn)行超過(guò)40h，未出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，改造的效果明顯。

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