宗 磊,駱世杰,王 寶
(1.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測所有限公司,上海 201518;2.長慶油田分公司第九采油廠,寧夏銀川 750001;3.渤海石油裝備制造有限公司鉆采裝備銷售公司,天津 300280)
往復(fù)泵在石油礦場中廣泛應(yīng)用于石油鉆井、酸化壓裂、注水等生產(chǎn)中。隨著石油工業(yè)對往復(fù)泵的要求越來越高,往復(fù)泵向著輸出壓力高、流量大、制造和維修方便、流量壓力脈動小、體積和重量小等方向發(fā)展。我國往復(fù)泵行業(yè)產(chǎn)量超過460 萬臺,消費(fèi)量超過418 萬臺,且每年以10%~15%的速度增長。
國內(nèi)關(guān)于1640 kW(2200 HP)及以下鉆井泵、1864 kW(2500 HP)及以下壓裂泵的滿功率傳動試驗系統(tǒng)較少,特別是能夠滿足1640 kW 以上鉆井泵、1700 kW 以上壓裂泵的部分功率各項試驗。機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測所有限公司作為國家鉆采煉化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心,建設(shè)了具備上述試驗?zāi)芰Φ膫鲃釉囼炑b置。該系統(tǒng)從2011 年立項,歷時4 年建成,為我國石油鉆采行業(yè)鉆井泵與壓裂泵的性能測試提供一個世界領(lǐng)先的檢驗檢測平臺,必將促進(jìn)我國鉆井泵與壓裂泵產(chǎn)品向巨型化、高可靠性、高效能方向發(fā)展,達(dá)到世界技術(shù)領(lǐng)先水平。
(1)實用原則。試驗系統(tǒng)設(shè)計可滿足目前國內(nèi)使用最多的鉆井泵滿功率試驗,同時兼顧國內(nèi)目前常規(guī)最大功率鉆機(jī)絞車滿功率試驗。能滿足包括壓裂泵在內(nèi)的石油工業(yè)用泵的型式試驗、性能鑒定以及商檢等功能。以追求實用、設(shè)備利用率較高為原則。
(2)可擴(kuò)展性原則。試驗系統(tǒng)設(shè)備配置及試驗工藝設(shè)計在保證當(dāng)前產(chǎn)品測試功能的前提下,同時留有可擴(kuò)展的空間。
(3)最大靈活性原則。試驗系統(tǒng)設(shè)計盡可能采用靈活多變的裝卡方式,方便以后各種試驗要求。
(1)直流電機(jī)。配有750 kW、1600 kW 和2000 kW 直流電機(jī)作為測試系統(tǒng)動力源,根據(jù)測試對象額定功率不同,可匹配不同規(guī)格電機(jī)。750 kW 直流電機(jī)基轉(zhuǎn)速為1125 r/min,最高轉(zhuǎn)速為2000 r/min,最大扭矩可達(dá)7213 N·m;1600 kW 直流電機(jī)基轉(zhuǎn)速為650 r/min,最高轉(zhuǎn)速為1000 r/min,最大扭矩可達(dá)21 900 N·m;2000 kW 直流電機(jī)基轉(zhuǎn)速為313 r/min,最高轉(zhuǎn)速為1000 r/min,最大扭矩可達(dá)60 000 N·m。
(2)變速器。2000 kW 增速器2 臺,1 臺增速比為1∶1.5,輸入轉(zhuǎn)速為0~1000 r/min;另1 臺增速比為1∶2.118,輸入轉(zhuǎn)速為0~1000 r/min。2000 kW 減速器3 臺,2 臺減速比為1.909∶1,輸入轉(zhuǎn)速為0~1000 r/min;另1 臺減速比為1.423∶1,輸入轉(zhuǎn)速為350~526 r/min,作為二級減速設(shè)備;齒輪變速器1 臺,增速比為1∶1.79、減速比為2.19∶1,作為備用。變速器配有專門的冷卻潤滑系統(tǒng),確保變速器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
(3)連接設(shè)備。1 臺聯(lián)軸器,若干半尺法蘭和過度法蘭。
(4)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器。用于測量往復(fù)泵輸入轉(zhuǎn)速與輸入扭矩。配有不同規(guī)格若干臺,根據(jù)不同測試對象進(jìn)行匹配安裝,具體參數(shù):DSTP-5000 最大負(fù)載扭矩為49 000 N·m,最高轉(zhuǎn)速為1500 r/min,JC4B 最大負(fù)載扭矩為50 000 N·m,最高轉(zhuǎn)速為2000 r/min,DSTP-2000 最大負(fù)載扭矩為19 600 N·m,最高轉(zhuǎn)速為2000 r/min,DSTP-1000 最大負(fù)載扭矩為9800 N·m,最高轉(zhuǎn)速為1000 r/min。
(1)高壓管匯。2 英寸高壓管線,額定壓力140 MPa;4 英寸高壓管線,額定壓力70 MPa。
(2)憋壓閥組。用于調(diào)節(jié)循環(huán)介質(zhì)(清水)壓力??蛰d循環(huán)時所有調(diào)節(jié)閥處于全開位置,逐級加壓的過程中,調(diào)節(jié)閥按照固定順序逐漸關(guān)閉,壓力變送器實時監(jiān)測閥前后壓力,確保每臺閥門的閥前、閥后壓力在規(guī)定范圍內(nèi);泄壓過程中閥門動作順序相反。
(3)低壓管匯。為4 英寸常壓管線,法蘭連接。設(shè)計時保有一穩(wěn)壓段,用于安裝電磁流量計,穩(wěn)壓段分為兩路,4 英寸管線走大流量,2 英寸管線走小流量,用以提高流量測量精度。通過電動閘閥切換管路。低壓管匯末端需提供背壓,以確保流量測量時為滿管狀態(tài)。
(4)循環(huán)水箱。循環(huán)水箱為4×45 m3,用于循環(huán)介質(zhì)(清水)過渡存儲。灌注泵2 臺,流量300 m3/h,揚(yáng)程50 m,功率75 kW,一備一用,通過電動閘閥進(jìn)行切換。水箱配有排泄口與注水口,用于循環(huán)介質(zhì)(清水)的排放與注入。
(5)吸入管匯。為低壓管線,通徑12 英寸。一端與灌注泵相連,同時與循環(huán)水箱直接相通,用于往復(fù)泵自吸測試,通過電動閘閥進(jìn)行切換。吸入管匯另一端通過金屬軟管與往復(fù)泵連接。
(6)主要儀表。壓力變送器測量往復(fù)泵排出壓力和吸入壓力;電磁流量計測量往復(fù)泵排出流量和吸入流量;溫度變送器分別測量往復(fù)泵排出溫度和吸入溫度。
(1)測量控制系統(tǒng)。采用先進(jìn)可靠的自動控制和數(shù)據(jù)自動采集、處理系統(tǒng)。根據(jù)往復(fù)泵、傳動機(jī)組或其他被試件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,自動設(shè)置試驗程序,自動或手動完成試驗,記錄打印表格和特性曲線,超限報警,現(xiàn)場視頻監(jiān)控設(shè)施等;測功機(jī)校準(zhǔn)裝置(靜、動校準(zhǔn))。
(2)測量參數(shù)。泵出口壓力、流量、泵沖次、輸入扭矩、輸入轉(zhuǎn)速、試驗液溫度、關(guān)鍵部件溫度等。因泵出口壓力波動較大,且有滯后,應(yīng)具備瞬間采集數(shù)據(jù)能力,并能提供較長時間段(以s 為單位)的平均值,否則無法計算泵的效率。
(3)計算數(shù)據(jù)。泵的容積效率、總效率等。
考慮各種過載保護(hù)和聯(lián)動防止誤操作,特別是電機(jī)電流、高壓管匯壓力及傳動軸扭矩等會引起重大事故的控制點(diǎn),應(yīng)設(shè)置過載保護(hù)。儀表精度應(yīng)小于0.2%。
(1)設(shè)備組成。動力設(shè)備(直流電機(jī))+傳動設(shè)備(變速器)+被測設(shè)備(往復(fù)泵)+循環(huán)系統(tǒng)。其中循環(huán)系統(tǒng)包括:高壓管線(與往復(fù)泵液力端排出口相接)+憋壓閥組+低壓管線+循環(huán)水箱+吸入管線(與往復(fù)泵液力端吸入口相接)。
(2)測試參數(shù)。扭矩轉(zhuǎn)速傳感器(與被測設(shè)備動力端輸入軸相連),用于測量被測設(shè)備的輸入扭矩和輸入轉(zhuǎn)速;電磁流量計(安裝于低壓管線直管段),用于測量被測設(shè)備的排出流量;壓力變送器(安裝于被測設(shè)備液力端排出口),用于測量被測設(shè)備的排出壓力;壓力變送器(安裝于被測設(shè)備液力端吸入口),用于測量被測設(shè)備的吸入壓力;溫度變送器(安裝于被測設(shè)備液力端吸入口);電磁流量計(安裝于被測設(shè)備液力端吸入口),用于測量被測設(shè)備的吸入流量。
(3)憋壓過程。當(dāng)被測設(shè)備達(dá)到額定測試轉(zhuǎn)速后,需要按照測試方案的要求進(jìn)行憋壓。憋壓閥組逐級加壓過程中,調(diào)節(jié)閥按照固定順序逐漸關(guān)閉;調(diào)節(jié)閥在逐次關(guān)閉過程中要保持閥門壓力不高于試驗系統(tǒng)的閥門壓力,閥前后壓力由壓力變送器實時監(jiān)測,確保每臺閥門的閥前、閥后壓力在規(guī)定范圍內(nèi);泄壓過程中閥門的動作順序相反。
(4)測試結(jié)果。當(dāng)被測設(shè)備的輸入轉(zhuǎn)速、排出壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,可測得電磁流量計的排出流量,以及扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的輸入扭矩,根據(jù)上述4 個參數(shù)可得出往復(fù)泵的總效率、容積效率。
(5)裝夾定位。管路系統(tǒng)采用固定基座,安裝定位后不再隨試驗泵不同而變化;吸入管和排出管采用可移動柔性連接方式。動力、測量及被試泵的裝夾定位采用工字鋼排列而成的鋼底座,可方便適應(yīng)不同泵的裝卡,安裝。也可采用簡單的底座,適應(yīng)幾種固定形式的泵。
(6)試驗液冷卻。采用一套強(qiáng)制冷卻系統(tǒng),散去試驗液產(chǎn)生的熱量,保持試驗液溫升在一定范圍內(nèi)。變速箱采用強(qiáng)制冷卻系統(tǒng),配置兩套潤滑油冷卻系統(tǒng),潤滑油采用水冷;循環(huán)水罐及強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)安裝在試驗廠房外,用管線連接。
往復(fù)泵測試系統(tǒng)2015 年10 月建設(shè)完成,當(dāng)年通過了上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局及國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局驗收。試驗室布置、設(shè)備配置、控制水平、測試精度、測試范圍(動力、流量)、安裝和節(jié)能減排等方面都達(dá)到了國家先進(jìn)水平。近幾年先后為國內(nèi)多家往復(fù)泵生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了型式試驗,測試的泵型號:F2200、F1600、F1300泥漿泵,YL2800-70、YL2500-105、YL1400-140 壓裂泵;測試過程及測試結(jié)果均得到了往復(fù)泵生產(chǎn)企業(yè)的認(rèn)可,也為企業(yè)往復(fù)泵的技術(shù)升級和產(chǎn)品改進(jìn)提供了非常準(zhǔn)確的第一手現(xiàn)場數(shù)據(jù)。