王慶輝，趙曉龍，于繼林

（1.長慶油田分公司物資供應處，陜西西安 710018；2.渤海裝備鉆采裝備銷售公司，天津 300280）

0 引言

潛油電泵水平測試系統（HPTS）在國外已有較長時間發(fā)展。根據調研，潛油電泵生產商美國雷達公司、森垂公司早已擁有此類測試系統，并在實際生產和科研開發(fā)工作中起到極其重要的作用。國內有關水泵測試系統的技術已有較長時間發(fā)展和應用，但是針對潛油電泵開發(fā)的水平測試系統還處于初級階段。國內幾家潛油電泵廠家均未采用水平測試系統。

要研制具有高攜氣能力的潛油電泵氣體處理器，必須要有相應的測試設備測試其各項性能，這種測試設備所必備的能力是能夠實現量化的氣液混合介質的供給。渤海裝備鉆采裝備銷售公司現有的潛油電泵測試系統都不具有這種能力，且采用垂直試驗的方法。盡管潛油電泵垂直測試具有很多優(yōu)點，例如，可以模仿現場井況。但是潛油電泵垂直測試也有一定缺點，起下作業(yè)操作復雜、測試費用高，輸入泵的功率計算復雜等。

1 HPTS 研究方向及目標

HPTS 包括四大部分設計，即動力供給、介質供給（氣體供給、液體供給及氣液混合）、試驗監(jiān)測和試驗平臺。HPTS 可用于101、130 等系列泵的測試；可測量的排量范圍≤4700 m3/d，可測量的揚程范圍≤2000 m。

2 試驗裝置研究方法及原理

HPTS 通過各環(huán)節(jié)的監(jiān)測設備對泵軸輸入轉矩、電機轉速、供液流量、泵的入口及出口壓力、氣體流量及壓力的精確測量，通過人為方式或計算機的直接轉化，得到泵的功率、揚程、排量及效率。通過控制介質，HPTS 可以對各系列潛油泵（整節(jié)泵、單級和多級葉導輪）在不同介質下的性能參數進行精確測試，并且能夠通過功能擴展，實現新型葉導輪及泵的測試，驗證葉導輪的水力設計。

HPTS 主要由動力供給、介質供給、試驗監(jiān)測、試驗平臺等4 部分組成。動力供給部分主要由地面三相異步電機和控制屏或變頻器組成，實現電能到機械能的轉化，若采用變頻器則可實現電機轉速的控制。介質供給又分為兩部分:①液體（水）供給部分，主要包括水箱、供水管線、吸入口、回水管線及相應閥門；②氣體供給部分，包括供氣源、輸氣管線、注氣室、壓力調節(jié)開關及相應閥門。介質供給部分可以實現試驗介質的單相化及兩相化（氣、水混合）。監(jiān)測部分主要包括計算機、數據采集卡、數據傳輸線、各智能儀表及溫度傳感器等，實現試驗過程的監(jiān)視及數據測量。試驗平臺部分包括各種支撐設備、固定設備及止推室，其作用是固定試驗各設備位置，保證試驗順利進行，止推室起到承載泵的軸向力作用。

HPTS 試驗介質循環(huán)過程:水介質由水箱經過供水管進入吸入口，氣體經供氣管線進入注氣室，并在此與水混合后進入泵中，通過泵后，經高壓閥門及回水管返回水箱。電機提供動力，在電機和止推室之間安裝轉矩傳感器，用于測量泵軸的輸入轉矩；在吸入口處泵出口和高壓閥門之間各安裝一個壓力表，用于測量泵入口及出口處壓力；流量計安裝在供水管線上，用于測量進入泵的介質流量。

選用H 型鋼及鋼板，經焊接構成試驗平臺的主體支架或滑軌；選用鋼及鋼板經焊接構成電機支架；轉矩傳感器支架、止推室支架及泵支架由鋼板焊接而成。各部分通過螺栓固定，電機位置可做較小調整，泵支架設計為高度可調，并可適應外徑86～172 mm 的泵。

在滑軌上，主要零件由動力源起依次為動力源（電機）、轉矩傳感器、止推室、吸入口、注氣室、泵。電機、轉矩傳感器和止推室分別通過聯軸器進行軸連接；止推室、吸入口、注氣室及泵外部殼體通過法蘭連接，內部軸之間通過鍵連接。泵與高壓閥門采用便于拆裝的接箍式連接。

在吸入口及高壓閥接箍處安裝智能壓力表；在供水管線及供氣管線上安裝流量計，流量計支架設計成可移動式；水介質傳輸管線采用橡膠管；氣體傳輸管線采用橡膠管與金屬管相結合；水箱與供水管、供水管與流量計、供水管與吸入口、高壓閥與回水管、回水管與水箱之間均采用快速接頭進行連接。

3 HPTS

3.1 潛油泵軸向力的平衡

泵的進、出口壓差較大，軸截面產生的軸向力可達到10～20 kN，該軸向力既不能作用于機械密封，也不能傳給電機，必須由止推室承擔。泵在啟動時，由于泵出口的壓力還沒有建立，在入口水壓力的作用下，泵軸向泵出口方向移動，軸向上將產生一個指向泵出口方向的力。由于泵軸、吸入口軸及止推室軸采用鍵連接，因此這個軸向力對止推室不會有太大的力的作用，所以只在止推室中增加一個相對反向的角接觸球軸承承擔此力。電泵正常工作時，會產生一個很大的指向電機方向的軸向力，在止推室內通過安裝一組同方向的角接觸球軸承，共同承擔此軸向力。

3.2 吸入口與止推室的密封

吸入口與止推室連接緊密，可以看作一個整體。作為介質進入泵的入口，其密封非常重要，其殼體與直接接觸件采用焊接連接，軸與非轉動件間采用機械密封以達到較好密封效果。軸承的固定采用端蓋壓緊和鎖緊螺母鎖緊。殼體和與之直接接觸的零件采用焊接進行連接；端部非轉動件之間采用O 形密封圈進行密封，螺栓連接固定；軸與非轉動件之間采用進口Circle Seal唇形密封圈進行密封。

3.3 焊接組對

組對是焊接前必須要做的工作，直接影響焊接的最終精度，通常由專業(yè)人士進行，此次組對工作由項目組成員自己完成。項目組成員通過測量、分析，定出每一零件的具體位置，然后使用相應的卡具將之固定，最終完成整體支架、電機支架、止推室支架、泵支架及轉矩傳感器支架等的組對。

3.4 焊接變形

裝置的眾多部件均需焊接完成，包括對精度要求較高的止推室及吸入口。焊接通常會造成零部件變形，除了通過準確組對外，必須要考慮其他方法。在沒有更好的焊接條件情況下，最終對組對好的零部件進行對稱焊接，止推室及吸入口等采用快速圍焊，將變形影響減到最小。焊接后的部件再進行測量，記錄尺寸偏差，在裝配過程中，各部件互補裝配，將整體尺寸偏差減到最小。

3.5 各部件的定位

各部件的定位本在系統設計階段就已確定，但因構買零件的尺寸偏差及各部件組裝過程造成的偏差，必須進行修正。

3.6 氣體注入

設計注氣室，注氣室安裝于吸入口及泵之間，在注氣室中實現氣液混合。在注氣管路上設計U 形彎并安裝排水閥門，防止水倒流，影響測試。在注氣管路上安裝氣體流量計、氣體流量調節(jié)閥及壓力調節(jié)器等，測試氣體注入量等參數。

3.7 計算機監(jiān)控測試

HPTS 的實驗數據采集要求不僅可以通過各儀表直接讀取，還要實現計算機的識別讀取。為此，采用數據采集與傳感器相結合的方式，設計以計算機為中心的測控系統，編寫液體測試軟件及注氣測試軟件。

3.8 技術創(chuàng)新點

（1）PGP（氣體處理器）的葉導輪葉片采用軸流式扭曲結構，有較強的攜氣能力；葉輪輪轂柱面采用變徑形式，使入口過流面積遠大于出口過流面積，使井液中的游離氣體受到壓縮，氣泡體積減小或溶入液體中，經多級葉導輪的作用，井液進入潛油泵后，潛油泵發(fā)生氣鎖、氣蝕的可能性大大減小。

（2）PGP 采用整體壓緊式結構，采用反向旋轉鎖緊螺母及半環(huán)，對葉輪及軸進行鎖緊固定，確保在運轉時，葉輪、導輪間無磨損，延長使用壽命。

（3）HPTS 實現介質供給控制，可以量化供液供氣，測試在氣液混合作用下泵類產品的性能參數，分析其對氣液混合介質的適應性，指導開發(fā)及應用。

（4）HPTS 實現整個試驗過程的計算機監(jiān)測，能夠及時反映出各參數之間的變化。

4 結論

HPTS 用于單相流體（水介質）下泵的性能參數測試，和原有測試系統相比，它同時具有結構簡單、測量范圍大、可對泵進行整體測試、測試數據采集與電機無關等特點，測試結果更為可靠。

HPTS 可以在雙相流（水、氣）作用下測試泵的性能參數，這是以往所有測試系統不具備的。對已有葉片類產品在雙相流作用下性能變化的認識更為具體明了，對葉片類產品的開發(fā)研制將起到重要指導作用。