耐（抗）震压力表校准中脉动压力源的研究设计

2016-02-05陆凤侠大庆油田技术监督中心

石油石化节能 2016年8期

陆凤侠（大庆油田技术监督中心）

陆凤侠（大庆油田技术监督中心）

SY/T 6817—2010《耐（抗）震压力表校准方法》中规定，抗介质脉动检验时，需要一种脉动压力源。该脉动压力源要求能够产生频率应为每分钟（60±5）次，震动幅度不大于实验压力的10%的正弦脉动压力。所设计的脉动压力源以250 W減速电动机驱动凸轮轴，使活塞往复运动来产生正弦脉动压力。在满足上述频率和振幅的同时，具有以下特征：振幅可调、体积小、功耗低、噪音低等特点，适合于小型实验室耐（抗）震压力的校准；该脉动压力源配有多功能压力连接器，可校准各种石油钻井用高压耐震压力表。

石油钻井；耐（抗）震压力表；校准；脉动压力源；设计

引言

1 脉动压力源的设计

1.1结构和工作原理

如图1所示，压力源的结构由调速减速电动机、脉动压力发生装置、调幅机构和压力连接器4部分组成。

图1 脉动压力源

其中，脉动压力发生装置是压力源的核心，其内部结构如图2所示。其工作原理是在静态压力达到实验压力且系统完全封闭的情况下，电动机以规定的转速驱动凸轮轴，凸轮轴推动活塞前进使压力升高。当活塞前进到上死点后，活塞在液体压力的作用下后退到下死点。凸轮轴不断地转动，系统压力便会由高到低周期性的变化，形成脉动压力。

图2 脉动压力发生装置结构

1.2活塞与轴的设计

1.2.1 轴与活塞的驱动方式及端面设计

凸轴有2种方式可以驱动活塞运动。使用椭圆轴沿径向驱动活塞；使用凸轮端面的凸轮轴沿轴向驱动活塞。

使用第一种方式的优点是轴和活塞都比较容易加工，但有如下2个缺点：

1）活塞的推动力沿径向作用在轴上，传动轴在周期性的交变应力作用下，容易产生疲劳，缩短使用寿命。

2）摩擦力完全作用在传动轴的圆周面上，产生较大的扭矩，电动机消耗的功率较大。

使用第二种方式时，活塞和轴的端面加工复杂，但因其活塞推力沿轴向作用在轴上，尤其是采用对称式凸轮端面，完全抵消了因端面倾斜而产生的径向分力，避免了弯曲疲劳的发生；同时，其端面摩擦力沿轴心向外分布，大大降低了传动轴的扭矩，可选用低功率电动机。所以，本设计选用了第二种驱动方式，活塞和轴的端面形状如图3所示。

图3 活塞和轴凸轮端面形状

活塞与轴的凸轮是沿一通过轴心的平面对称的，边线为圆滑曲线，实体图如图4所示。凸轮工作时可产生符合正弦规律的脉动压力。这种结构相对于常用的螺旋曲面而言，加工比较容易。

图4 凸轮实体

1.2.2 活塞冲程的确定

活塞冲程值可以用试验的方法获得一个粗略的值。试验设备为手摇式柱塞泵和准确度为0.1级的数字压力表。密闭系统总容积为V=9426 mm3，活塞直径15 mm，丝杆螺距2 mm。每个试验压力下，活塞每次旋进45°和90°。试验介质为45号变压器油。在常温下获得如下一组试验数据，见表1。

表1 液体介质压缩性试验数据

例如：设计活塞直径为12 mm，冲程为0.3 mm，则计算如下：

式中：ΔV——体积压缩量，mm3；

d——活塞直径，mm；

V——压力测试系统总容积；

δ——体积压缩量率。

1.3电动机额定功率和连接方式

电动机所做的功主要是推动活塞往复运动。

1.3.1 活塞的推动力

式中：Fp——活塞推动力，N；

p——试验压力峰值，MPa；

S——活塞截面积，mm2。

假定耐震压力表的量程为60 MPa，依据校准方法，在量程的30%处施加脉动压力，则试验压力峰值为

活塞推动力为

推力与扭力的近似几何关系如图5所示。

图5 凸轮受力关系

凸轮产生的扭矩为

式中：Fn——扭力，N; T1——轴向推力所产生凸轮扭矩，N·m；R——凸轮半径，mm。

1.3.2 凸轮旋转产生的摩擦力

式中：F——凸轮最大摩擦力，N；

μ——摩擦系数；有润滑情况下，钢的摩擦系数μ=0.1[4]。

摩擦产生的扭矩为

式中：T2——凸轮摩擦产生的最大扭矩，N·m。

合成扭矩为

因为脉动压力频率为60次/min，凸轴旋转1周产生2个脉冲，所以减速电动机输出转速应为n=30 r/min，电动机的功率为

式中：n——电动机转速，r/min。

图1所示的电动机为微型直角中空减速电动机，采用同心轴连接方式直接驱动。也可以使用其他型号的减速电动机，或使用电动机+减速器，使用链轮等平行轴连接方式驱动。

1.4调幅器

调幅器由液压腔和调节阀杆组成，如图6所示。

图6 调幅器结构

通过调节阀杆的进出来调节调压腔的容积，从而改变系统总容积。在活塞行程不变的情况下，由于体积压缩率的变化，从而导致了压力幅度的变化，达到调节振幅的目的。

1.5压力表连接器的设计

为保证在抗脉动压力检验时最小的系统容积，在压力连接器上设计有静压截止阀，当静压达到试验压力时，关闭此阀，阻断脉动压力源与静压源的联系。另外，为了能够检测60 MPa以上的石油钻井用高压耐震压力表，设计了法兰连接机构，如图7所示。

图7 压力表连接器

泵压表密封座采用填充式结构，可以最大限度地减小系统容积，目的是通过减小液体压缩量ΔV来减小电动机功率。

2 脉动压力的测量方法

由于标准压力表不具有抗震性能，在人工读取脉动压力时存在一定困难，可在测压接头上连接压力变送器，将压力信号传送至示波器或微型计算机进行读取和频率、振幅的计算。

3 试验验证

应用该脉动压力源对钻井用60 MPa的耐震压力表做脉动压力检验试验。所用压力表传压孔与密封座间隙为φ20 mm×0.5 mm，系统总容积为583.5 mm3。脉动压力试验数据如下：压力表型号, YTN－150；编号，4102.0246；量程，0～60 MPa；准确度等级，1.6；静态压力，18 MPa；工作介质，45号变压器油；脉动频率，60 Hz；调幅前系统容积，583.5 mm3；调幅后系统容积，740.5 mm3；调幅前振幅，6.7%；调幅后振幅，5.5%；调幅前最高压力，21.0 MPa；调幅后最高压力，20.05 MPa；调幅前最小压力，19.73 MPa；调幅后最小压力，17.95 MPa。

计算机输出的脉动压力曲线如图8所示，采集频率为100 ms。