陸鳳俠 （大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心）

耐（抗）震壓力表校準(zhǔn)中脈動(dòng)壓力源的研究設(shè)計(jì)

陸鳳俠 （大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心）

SY/T 6817—2010《耐（抗）震壓力表校準(zhǔn)方法》中規(guī)定，抗介質(zhì)脈動(dòng)檢驗(yàn)時(shí)，需要一種脈動(dòng)壓力源。該脈動(dòng)壓力源要求能夠產(chǎn)生頻率應(yīng)為每分鐘（60±5）次，震動(dòng)幅度不大于實(shí)驗(yàn)壓力的10%的正弦脈動(dòng)壓力。所設(shè)計(jì)的脈動(dòng)壓力源以250 W減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪軸，使活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生正弦脈動(dòng)壓力。在滿足上述頻率和振幅的同時(shí)，具有以下特征：振幅可調(diào)、體積小、功耗低、噪音低等特點(diǎn)，適合于小型實(shí)驗(yàn)室耐（抗）震壓力的校準(zhǔn)；該脈動(dòng)壓力源配有多功能壓力連接器，可校準(zhǔn)各種石油鉆井用高壓耐震壓力表。

石油鉆井；耐（抗）震壓力表；校準(zhǔn)；脈動(dòng)壓力源；設(shè)計(jì)

引言

1 脈動(dòng)壓力源的設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，壓力源的結(jié)構(gòu)由調(diào)速減速電動(dòng)機(jī)、脈動(dòng)壓力發(fā)生裝置、調(diào)幅機(jī)構(gòu)和壓力連接器4部分組成。

圖1 脈動(dòng)壓力源

其中，脈動(dòng)壓力發(fā)生裝置是壓力源的核心，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。其工作原理是在靜態(tài)壓力達(dá)到實(shí)驗(yàn)壓力且系統(tǒng)完全封閉的情況下，電動(dòng)機(jī)以規(guī)定的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)凸輪軸，凸輪軸推動(dòng)活塞前進(jìn)使壓力升高。當(dāng)活塞前進(jìn)到上死點(diǎn)后，活塞在液體壓力的作用下后退到下死點(diǎn)。凸輪軸不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)壓力便會(huì)由高到低周期性的變化，形成脈動(dòng)壓力。

圖2 脈動(dòng)壓力發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)

1.2活塞與軸的設(shè)計(jì)

1.2.1 軸與活塞的驅(qū)動(dòng)方式及端面設(shè)計(jì)

凸軸有2種方式可以驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。使用橢圓軸沿徑向驅(qū)動(dòng)活塞；使用凸輪端面的凸輪軸沿軸向驅(qū)動(dòng)活塞。

使用第一種方式的優(yōu)點(diǎn)是軸和活塞都比較容易加工，但有如下2個(gè)缺點(diǎn)：

1）活塞的推動(dòng)力沿徑向作用在軸上，傳動(dòng)軸在周期性的交變應(yīng)力作用下，容易產(chǎn)生疲勞，縮短使用壽命。

2）摩擦力完全作用在傳動(dòng)軸的圓周面上，產(chǎn)生較大的扭矩，電動(dòng)機(jī)消耗的功率較大。

使用第二種方式時(shí)，活塞和軸的端面加工復(fù)雜，但因其活塞推力沿軸向作用在軸上，尤其是采用對(duì)稱式凸輪端面，完全抵消了因端面傾斜而產(chǎn)生的徑向分力，避免了彎曲疲勞的發(fā)生；同時(shí)，其端面摩擦力沿軸心向外分布，大大降低了傳動(dòng)軸的扭矩，可選用低功率電動(dòng)機(jī)。所以，本設(shè)計(jì)選用了第二種驅(qū)動(dòng)方式，活塞和軸的端面形狀如圖3所示。

圖3 活塞和軸凸輪端面形狀

活塞與軸的凸輪是沿一通過軸心的平面對(duì)稱的，邊線為圓滑曲線，實(shí)體圖如圖4所示。凸輪工作時(shí)可產(chǎn)生符合正弦規(guī)律的脈動(dòng)壓力。這種結(jié)構(gòu)相對(duì)于常用的螺旋曲面而言，加工比較容易。

圖4 凸輪實(shí)體

1.2.2 活塞沖程的確定

活塞沖程值可以用試驗(yàn)的方法獲得一個(gè)粗略的值。試驗(yàn)設(shè)備為手搖式柱塞泵和準(zhǔn)確度為0.1級(jí)的數(shù)字壓力表。密閉系統(tǒng)總?cè)莘e為V=9426 mm3，活塞直徑15 mm，絲桿螺距2 mm。每個(gè)試驗(yàn)壓力下，活塞每次旋進(jìn)45°和90°。試驗(yàn)介質(zhì)為45號(hào)變壓器油。在常溫下獲得如下一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表1。

表1 液體介質(zhì)壓縮性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

例如：設(shè)計(jì)活塞直徑為12 mm，沖程為0.3 mm，則計(jì)算如下：

式中：ΔV——體積壓縮量，mm3；

d——活塞直徑，mm；

V——壓力測(cè)試系統(tǒng)總?cè)莘e；

δ——體積壓縮量率。

1.3電動(dòng)機(jī)額定功率和連接方式

電動(dòng)機(jī)所做的功主要是推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1.3.1 活塞的推動(dòng)力

式中：Fp——活塞推動(dòng)力，N；

p——試驗(yàn)壓力峰值，MPa；

S——活塞截面積，mm2。

假定耐震壓力表的量程為60 MPa，依據(jù)校準(zhǔn)方法，在量程的30%處施加脈動(dòng)壓力，則試驗(yàn)壓力峰值為

活塞推動(dòng)力為

推力與扭力的近似幾何關(guān)系如圖5所示。

圖5 凸輪受力關(guān)系

凸輪產(chǎn)生的扭矩為

式中：Fn——扭力，N; T1——軸向推力所產(chǎn)生凸輪扭矩，N·m；R——凸輪半徑，mm。

1.3.2 凸輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦力

式中：F——凸輪最大摩擦力，N；

μ——摩擦系數(shù)；有潤滑情況下，鋼的摩擦系數(shù)μ=0.1[4]。

摩擦產(chǎn)生的扭矩為

式中：T2——凸輪摩擦產(chǎn)生的最大扭矩，N·m。

合成扭矩為

因?yàn)槊}動(dòng)壓力頻率為60次/min，凸軸旋轉(zhuǎn)1周產(chǎn)生2個(gè)脈沖，所以減速電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速應(yīng)為n=30 r/min，電動(dòng)機(jī)的功率為

式中：n——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

圖1所示的電動(dòng)機(jī)為微型直角中空減速電動(dòng)機(jī)，采用同心軸連接方式直接驅(qū)動(dòng)。也可以使用其他型號(hào)的減速電動(dòng)機(jī)，或使用電動(dòng)機(jī)+減速器，使用鏈輪等平行軸連接方式驅(qū)動(dòng)。

1.4調(diào)幅器

調(diào)幅器由液壓腔和調(diào)節(jié)閥桿組成，如圖6所示。

圖6 調(diào)幅器結(jié)構(gòu)

通過調(diào)節(jié)閥桿的進(jìn)出來調(diào)節(jié)調(diào)壓腔的容積，從而改變系統(tǒng)總?cè)莘e。在活塞行程不變的情況下，由于體積壓縮率的變化，從而導(dǎo)致了壓力幅度的變化，達(dá)到調(diào)節(jié)振幅的目的。

1.5壓力表連接器的設(shè)計(jì)

為保證在抗脈動(dòng)壓力檢驗(yàn)時(shí)最小的系統(tǒng)容積，在壓力連接器上設(shè)計(jì)有靜壓截止閥，當(dāng)靜壓達(dá)到試驗(yàn)壓力時(shí)，關(guān)閉此閥，阻斷脈動(dòng)壓力源與靜壓源的聯(lián)系。另外，為了能夠檢測(cè)60 MPa以上的石油鉆井用高壓耐震壓力表，設(shè)計(jì)了法蘭連接機(jī)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 壓力表連接器

泵壓表密封座采用填充式結(jié)構(gòu)，可以最大限度地減小系統(tǒng)容積，目的是通過減小液體壓縮量ΔV來減小電動(dòng)機(jī)功率。

2 脈動(dòng)壓力的測(cè)量方法

由于標(biāo)準(zhǔn)壓力表不具有抗震性能，在人工讀取脈動(dòng)壓力時(shí)存在一定困難，可在測(cè)壓接頭上連接壓力變送器，將壓力信號(hào)傳送至示波器或微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行讀取和頻率、振幅的計(jì)算。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

應(yīng)用該脈動(dòng)壓力源對(duì)鉆井用60 MPa的耐震壓力表做脈動(dòng)壓力檢驗(yàn)試驗(yàn)。所用壓力表傳壓孔與密封座間隙為φ20 mm×0.5 mm，系統(tǒng)總?cè)莘e為583.5 mm3。脈動(dòng)壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：壓力表型號(hào), YTN－150；編號(hào)，4102.0246；量程，0～60 MPa；準(zhǔn)確度等級(jí)，1.6；靜態(tài)壓力，18 MPa；工作介質(zhì)，45號(hào)變壓器油；脈動(dòng)頻率，60 Hz；調(diào)幅前系統(tǒng)容積，583.5 mm3；調(diào)幅后系統(tǒng)容積，740.5 mm3；調(diào)幅前振幅，6.7%；調(diào)幅后振幅，5.5%；調(diào)幅前最高壓力，21.0 MPa；調(diào)幅后最高壓力，20.05 MPa；調(diào)幅前最小壓力，19.73 MPa；調(diào)幅后最小壓力，17.95 MPa。

計(jì)算機(jī)輸出的脈動(dòng)壓力曲線如圖8所示，采集頻率為100 ms。

圖8 脈動(dòng)壓力試驗(yàn)曲線

試驗(yàn)表明，溫度不變時(shí)，振幅的變化總是和系統(tǒng)容積的變化成反比，通過調(diào)節(jié)閥桿很容易將振幅調(diào)整至需要的值；該脈動(dòng)壓力源脈動(dòng)趨勢(shì)平穩(wěn)，符合正弦要求。

4 結(jié)論

1）在使用柱塞泵來產(chǎn)生脈動(dòng)壓力時(shí)，系統(tǒng)的總?cè)莘e決定功率的大小，因此，本脈動(dòng)壓力源采用了最小的容積設(shè)計(jì)，使管道長度和活塞直徑都達(dá)到了最小極限值。

2）使用調(diào)整容積的方法可有效控制振幅。

3）由于系統(tǒng)容積達(dá)到了最小極限，對(duì)于大口徑壓力表可能造成振幅過低，使用填充式密封座可以解決此問題。

[1]石油工業(yè)油氣計(jì)量及分析方法專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).耐（抗）震壓力表校準(zhǔn)方法：SY/T 6817—2010[S].北京：石油工業(yè)出版社，2010:3-6.

[2]任安峰.高壓下液體的壓縮性研究[J].兵器材料科學(xué)與工程,1999（2）：14-16.

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.08.003

2016-07-05

（編輯 李珊梅）

陸鳳俠，工程師，2004年畢業(yè)于清華大學(xué)（經(jīng)濟(jì)學(xué)專業(yè)），從事計(jì)量管理工作，E-mail：lufeng_xia@sina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)西賓路552號(hào)技術(shù)監(jiān)督中心，163455。