1 500 t復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)改造及性能提升

，　，　，　，亞龍

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院　陜西　西安　710077)

0　引　言

1 500 t復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能是模擬油田實(shí)際工況，對(duì)油井管全尺寸試樣進(jìn)行復(fù)合加載試驗(yàn)(包括軸向載荷、內(nèi)壓/外壓、溫度等載荷共同作用的復(fù)合載荷)[1]，研究油井管在實(shí)際工況下的力學(xué)行為與機(jī)理，評(píng)價(jià)各種油井管的結(jié)構(gòu)完整性、密封完整性及工況適用性。隨著服役時(shí)間的增加，該試驗(yàn)系統(tǒng)的軸向加載部分故障率增加，出現(xiàn)控制精度和加載速率不穩(wěn)的現(xiàn)象，并且安全互鎖功能不完善，無(wú)法滿足高頻次拉/壓載荷循環(huán)試驗(yàn)的要求，嚴(yán)重影響了科研工作的開展，而試驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性是決定試驗(yàn)系統(tǒng)的能力、運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性的重要因素[2-4]。因此，本文詳細(xì)的分析系統(tǒng)問(wèn)題產(chǎn)生的原因，對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，提升該系統(tǒng)軸向載荷精度及穩(wěn)定性的同時(shí)提高系統(tǒng)的安全可靠性，確保1 500 t復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)性能滿足要求的同時(shí)開發(fā)設(shè)備新功能，確保油田用管安全。

1　試驗(yàn)系統(tǒng)改造原因分析

1 500 t復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)的加載速度及穩(wěn)定性主要受液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)兩部分影響，以下將通過(guò)這兩方面進(jìn)行分析。

1)液壓系統(tǒng)改造原因分析

液壓系統(tǒng)由加載回路和快速動(dòng)作回路兩個(gè)部分組成，其中加載回路是通過(guò)八個(gè)液壓缸給試樣施加拉伸或者壓縮載荷，動(dòng)作回路用于安裝試樣時(shí)現(xiàn)場(chǎng)快速動(dòng)作。軸向載荷液壓缸加載回路中，采用比例閥調(diào)節(jié)控制低油壓，伺服閥調(diào)節(jié)控制高油壓的控制方式，在施加載荷的過(guò)程中當(dāng)油壓由低壓向高壓轉(zhuǎn)換時(shí)，控制閥會(huì)由比例閥切換到伺服閥，這易導(dǎo)致加載速率不恒定的問(wèn)題，甚至?xí)霈F(xiàn)切換期憋壓的現(xiàn)象。軸向載荷液壓缸快速動(dòng)作回路，動(dòng)作速率過(guò)慢，致使安裝試樣的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，嚴(yán)重影響試驗(yàn)效率。

加載過(guò)程(特別是拉伸加載過(guò)程)中，試件突然斷裂會(huì)造成油缸上腔壓力突增的情況，這時(shí)，高壓液會(huì)直接沖擊主油箱，導(dǎo)致試驗(yàn)系統(tǒng)遭受巨大的沖擊載荷，影響系統(tǒng)軟硬件的使用壽命。

另外，由于長(zhǎng)期服役造成液壓缸磨損，8個(gè)油缸之間存在串油現(xiàn)象，同時(shí)接頭管路也存在滲漏現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備能力下降，最大拉伸載荷由原設(shè)計(jì)參數(shù)1 500 t降為1 020 t，最大壓縮載荷也由1 200 t降為800 t，此種情況造成試驗(yàn)系統(tǒng)軸向拉伸載荷保載不穩(wěn)定。

2)控制系統(tǒng)改造原因分析

在苛刻工況條件下服役的油井管性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，需要試驗(yàn)系統(tǒng)快速響應(yīng)的高精度閉環(huán)控制，準(zhǔn)確和充足的數(shù)據(jù)采集記錄，以保證能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果提供有效的客觀證明，因而控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要具有足夠高的可靠性。

現(xiàn)存試驗(yàn)系統(tǒng)僅采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集，不能夠滿足長(zhǎng)周期實(shí)驗(yàn)的需求。經(jīng)常出現(xiàn)計(jì)算機(jī)死機(jī)等情況而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中止的情況，甚至是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。同時(shí)在控制系統(tǒng)中由于當(dāng)時(shí)進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)試驗(yàn)條件簡(jiǎn)單，系統(tǒng)未設(shè)計(jì)足夠的位移控制功能，隨著深井、熱采井等負(fù)責(zé)工況油田的開采，對(duì)于位移控制的實(shí)驗(yàn)需求在逐漸增加，在控制、采集系統(tǒng)中也應(yīng)相應(yīng)增加與試樣相匹配的控制功能。

3)試驗(yàn)系統(tǒng)安全可靠性改造

現(xiàn)存試驗(yàn)系統(tǒng)缺少安全護(hù)鎖功能、各種報(bào)警指示以及系統(tǒng)信息反饋，尤其是關(guān)鍵故障報(bào)警信息，如：液壓站油 位低報(bào)警，油溫高報(bào)警，過(guò)濾器堵塞報(bào)警，壓力超高報(bào)警，載荷超限報(bào)警等。另外，缺少安全防護(hù)屏障，該試驗(yàn)系統(tǒng)通常要進(jìn)行高壓高溫實(shí)驗(yàn)，不設(shè)置安全防護(hù)屏障存在極大的安全隱患。因此，在設(shè)備升級(jí)改造過(guò)程中，提高設(shè)備的安全可靠性。

2　1 500 t復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)升級(jí)改造方案

1)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[5-6]

液壓系統(tǒng)改造原理如圖1所示，系統(tǒng)的加載回路采用帶先導(dǎo)比例壓力閥的遙控型變量泵和伺服閥組合控制的方案，遠(yuǎn)程控制變量泵的泵壓恒定于某個(gè)值，然后通過(guò)伺服閥緩慢給油缸加載，并形成壓力反饋的閉環(huán)控制。采用這種方式，由泵來(lái)衡定壓力，伺服閥來(lái)保證供油量的精度，從兩個(gè)方面控制油缸的工作壓力穩(wěn)定在允許誤差范圍之內(nèi)，確保了控制精度，同時(shí)也解決了在兩個(gè)閥之間切換所帶來(lái)的問(wèn)題，提升系統(tǒng)的控制精度，恒定了系統(tǒng)的加載速率。

為了避免加載過(guò)程(特別是拉伸加載過(guò)程)中試件突然斷裂造成油缸上腔壓力突增的情況，在每4個(gè)液壓缸上腔加裝了一個(gè)先導(dǎo)式溢流閥，能夠在載荷突增時(shí)迅速打開，將高壓液排至輔助油箱，避免高壓液直接沖擊主油箱。

為了實(shí)現(xiàn)快進(jìn)退、慢加載的設(shè)計(jì)要求，快速動(dòng)作回路大排量低壓柱塞泵和帶先導(dǎo)比例壓力閥的遙控型變量泵提供動(dòng)力，當(dāng)需要試驗(yàn)系統(tǒng)快速動(dòng)作油缸時(shí)，兩臺(tái)泵同時(shí)開啟。為實(shí)現(xiàn)慢加載設(shè)計(jì)要求，低壓泵停止工作。電控系統(tǒng)可以根據(jù)加載力計(jì)算出需要的泵壓，由程序設(shè)定壓力值給變量泵上的先導(dǎo)比例壓力閥下達(dá)指令，使泵的輸出壓力穩(wěn)定在需要值，同時(shí)泵自帶的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能自動(dòng)調(diào)小柱塞泵的斜盤角度，使泵的輸出流量維持在夠用且能保證壓力的狀態(tài)下，既避免了無(wú)畏的能源消耗造成油箱升溫過(guò)快和噪聲過(guò)大，又避免了溢流流量過(guò)大帶來(lái)的壓力波動(dòng)問(wèn)題。節(jié)省能源，降低設(shè)備的噪音，在提升試驗(yàn)系統(tǒng)控制精度及加載速率問(wèn)題的同時(shí)，改善了試驗(yàn)人員的工作環(huán)境。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用雙液控單向閥，當(dāng)保載時(shí)鎖定液壓缸的壓力，避免接頭或管路滲漏造成的壓力下降情況，保持試驗(yàn)保載過(guò)程中載荷的穩(wěn)定性。

在液壓系統(tǒng)改造的同時(shí)維修液壓缸，將八個(gè)液壓缸按最小的桿徑和最大的缸徑進(jìn)行統(tǒng)一的維修電鍍處理，在解決串油問(wèn)題的同時(shí)確保八個(gè)油缸產(chǎn)生的載荷一致。

2)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

改造后的控制與采集系統(tǒng)原理圖如圖2所示。采用PLC與NI控制系統(tǒng)相結(jié)合的模式，NI系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)，PLC控制邏輯嚴(yán)密，有利于提高電控系統(tǒng)的可靠性，解決原有試驗(yàn)系統(tǒng)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制及采集的弊端。

油壓、油溫、油位、過(guò)濾器污染程度等數(shù)據(jù)經(jīng)由NI及PLC控制器上傳到工控機(jī)，視頻信號(hào)經(jīng)由視頻數(shù)據(jù)線直接傳至工控機(jī)，遙控器指令通過(guò)接收機(jī)傳至工控機(jī)再下達(dá)到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。工控機(jī)根據(jù)人工設(shè)定的參數(shù)能夠自動(dòng)執(zhí)行加載流程。試驗(yàn)過(guò)程中，記錄壓力數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示在操作界面上。而且，試驗(yàn)系統(tǒng)采用采集和控制分離的方式，數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)在上位機(jī)和下位機(jī)都是獨(dú)立的，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)中所有的物理量都進(jìn)行了采集和存儲(chǔ)，控制系統(tǒng)只對(duì)和控制相關(guān)的物理量進(jìn)行了采集，并具備模擬和數(shù)字量輸出功能。

圖2　軸向加載系統(tǒng)控制與采集系統(tǒng)原理圖

在改造后的1 500 t復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)中增加位移控制功能，對(duì)于載荷控制和位移控制采用PID控制方式。載荷控制和位移控制的過(guò)程均由液壓泵實(shí)現(xiàn)，通過(guò)PID控制使得液壓泵的輸出的負(fù)載穩(wěn)定地加載到被測(cè)件，通過(guò)壓力信號(hào)或者位移信號(hào)的采集計(jì)算得到載荷大小或者位移數(shù)據(jù)。

3)試驗(yàn)系統(tǒng)安全可靠性設(shè)計(jì)

改造后的1 500 t復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)采用備份數(shù)采模式，對(duì)于在閉環(huán)控制中需要用到的物理量，在同一個(gè)測(cè)點(diǎn)用兩個(gè)物理通道進(jìn)行了采集，或者計(jì)算得到兩個(gè)相關(guān)的物理量，在控制過(guò)程中時(shí)刻判斷二者的差異，如果偏差過(guò)大，就認(rèn)為采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)不可靠，系統(tǒng)故障，及時(shí)結(jié)束試驗(yàn)進(jìn)程，進(jìn)入安全狀態(tài)恢復(fù)。在數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)之外設(shè)立一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的看門狗子系統(tǒng)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)定的極限值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，如果超出，看門狗系統(tǒng)啟動(dòng)安全狀態(tài)恢復(fù)進(jìn)程，確保試驗(yàn)安全。

試驗(yàn)系統(tǒng)采用多點(diǎn)急停安全設(shè)計(jì)，除了控制子系統(tǒng)上位機(jī)的軟件急停按鈕，在監(jiān)控中心和試驗(yàn)區(qū)域安裝有8個(gè)硬件緊急停止按鈕(ESD)，只要有其中的一個(gè)被按下，都會(huì)停止試驗(yàn)，并啟動(dòng)安全狀態(tài)恢復(fù)。同時(shí)可以在上位機(jī)軟件中顯示硬件急停的狀態(tài)、部位，同時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警，及時(shí)提醒操作人員注意，提高試驗(yàn)系統(tǒng)的操作安全。

3　改造后試驗(yàn)系統(tǒng)加載及控制精度測(cè)試

在液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)改造完成后，采用三個(gè)Load Cell(908-1、908-3、908-4標(biāo)準(zhǔn)力傳感器)對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示，測(cè)試結(jié)果表明改造后的1500噸復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)控制精度高運(yùn)行穩(wěn)定，滿足油井管產(chǎn)品性能檢測(cè)需要。

表1　設(shè)備標(biāo)定結(jié)果

4　結(jié)　論

本文通過(guò)對(duì)1 500 t復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改造，提升系統(tǒng)的控制精度，恒定了系統(tǒng)的加載速率，進(jìn)而提升了試驗(yàn)效率及硬件的使用壽命，減少后期維修成本。改造后的控制系統(tǒng)采用采集和控制分離的控制方式，提高系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度，同時(shí)在系統(tǒng)中增加位移控制功能，便于試驗(yàn)系統(tǒng)開展非常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目，提升原有試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)芰?。系統(tǒng)加強(qiáng)安全可靠性設(shè)計(jì)，采用看門狗安全防護(hù)及多點(diǎn)急停的方式，提高試驗(yàn)系統(tǒng)及操作人員的安全。結(jié)果表明，改造后試驗(yàn)系統(tǒng)精度及系統(tǒng)誤差滿足質(zhì)量檢測(cè)需求。

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