逆向設計在油田混砂車攪拌器制作中的應用

（江蘇油田分公司，江蘇 揚州 225265）

逆向設計在油田混砂車攪拌器制作中的應用

王 青，倪 弘，呂衛(wèi)祥，劉銘強，唐梓青

（江蘇油田分公司，江蘇 揚州 225265）

通過對混砂車攪拌器的結(jié)構(gòu)、原理、制造工藝等進行分析研究，采用逆向設計方法對其進行重新設計、制造，實現(xiàn)了混砂車攪拌器性能恢復。

混砂車；攪拌器；逆向設計 應用

一、前言

2004年投入使用的1臺MC-75型混砂車截止到2013年1月共完成壓裂施工1 304井次，累計工作2 300h。從2011年起，隨著壓裂工作時間增加，各種化學藥劑的腐蝕和壓裂砂漿的沖刷，混砂車攪拌器內(nèi)壁陸續(xù)出現(xiàn)了銹蝕、滲漏等現(xiàn)象，經(jīng)修補可勉強使用。2013年初，又出現(xiàn)了大面積滲漏現(xiàn)象，無法焊補，只能更換部件恢復。

MC-75型混砂車為進口設備，國內(nèi)無備件，從國外進口費用高、時間長。因此，決定采用逆向設計的思路自主制作混砂車攪拌器。

二、資料收集和方案制定

混砂車的攪拌器安裝在靠近底盤車的后部是一個工作容積為1．25m3的圓柱形罐，采用罐中套罐結(jié)構(gòu)，罐中間裝有葉輪，通過液壓馬達驅(qū)動對壓裂液和壓裂砂等壓裂料進行攪拌，其主入口和排污口由法蘭連接，主出口由卡箍連接，內(nèi)有液力驅(qū)動的渦輪攪拌葉輪。

采用定制加工存在的問題：沒有加工圖紙；罐體連接部位不規(guī)則，難以測繪；攪拌器罐體與混砂車的安裝無法準確定位。

采用逆向設計的方法可以完成混砂車攪拌器的重新設計、制造。所謂逆向設計也叫反求工程，是對現(xiàn)有的產(chǎn)品實物采用激光掃描和點采集等手段，獲取產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)和空間幾何形狀，把獲取的數(shù)據(jù)通過計算機專業(yè)設計軟件設計成圖紙，用于生產(chǎn)制造的過程。

從逆向設計的要求出發(fā)，首先對混砂車攪拌器從能量、物料、信息與環(huán)境4個方面進行了宏觀分析，攪拌器安裝位置在靠近底盤車的后部，自身無需動力和能量。其外形是一個工作容積為1．25m3的圓柱形罐，承載介質(zhì)為砂漿、化學支撐藥劑等壓裂液。攪拌器運行對周圍環(huán)境因素如溫度、濕度、防塵、防爆、防磁等無特殊要求，其運行時僅對壞境略有噪聲的影響，無需特殊防護。

其次對混砂車攪拌器的工作原理、結(jié)構(gòu)分析、設計思想等方面進行了如下分析。

1．原理方案分析

攪拌器的主要工作原理是通過液力驅(qū)動的渦輪攪拌葉輪保證壓裂介質(zhì)在高砂比砂漿的情況下能完全和連續(xù)地混合。

2．結(jié)構(gòu)分析

攪拌器采用罐中套罐的結(jié)構(gòu)，具體工作形式是吸入泵吸入液體從側(cè)面進入罐中，并在外腔中切向流動。當液體在外腔中循環(huán)結(jié)束后，通過內(nèi)腔外壁上的徑向孔進入內(nèi)腔，并與輸砂器輸來的支撐劑充分混合。攪拌系統(tǒng)安裝在攪拌器的中心，它能完全不斷地將砂漿攪拌成勻質(zhì)的混合液。排出砂泵從內(nèi)腔底部吸入混合液并排到排出管匯中。

3．設計思想

需要制造一只新的混砂車攪拌器，以替代原有攪拌器。在保證原有功能的前提下，不改變原有結(jié)構(gòu)、形狀、外形尺寸、安裝位置及接口合縫。

三、方案實施

1．數(shù)據(jù)采集處理

逆向工程設計就是采用實物模型通過數(shù)量采集取得適型數(shù)據(jù)，提取模型參數(shù)。通過模型重構(gòu)進行設計，具體流程如下：實物→三坐標測點系統(tǒng)→提取幾何特征→三維重構(gòu)→二維圖樣（工程圖）→加工零部件（產(chǎn)品）。

首先，采用三坐標測點系統(tǒng)對混砂車攪拌器進行實物測繪，對其表面進行數(shù)字化采集，再將數(shù)據(jù)運用專業(yè)制圖軟件進行去噪點、數(shù)據(jù)插補、數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)光順、點云的重定位整合等數(shù)據(jù)預處理。

對攪拌器能直接測繪的零件可用手工畫出圖紙。

然后，對攪拌器中不便測量部位應提取坐標，為后續(xù)三維重構(gòu)提供基準，如圖1所示部件。

2．繪制加工圖紙

根據(jù)三維圖樣，自動生成所需的二維圖樣圖2。

3．確定制造工藝

通過探求攪拌器加工過程和關(guān)鍵工藝，在保證產(chǎn)品精度的基礎(chǔ)上確定新攪拌器采用卷管焊接工藝制作。制作完成后攪拌器各連接口和焊縫部位要進行水密封試驗。

圖1

圖2

4．優(yōu)化改進

新罐體選用了304不銹鋼板制作，主體8mm厚，底面板及固定支撐10mm 厚，其余材料采用304型材。表面需經(jīng)噴砂預處理，除銹等級≥sa2．5級，粗糙度不低于40μm，清潔度達到3級以內(nèi)。油漆滿足耐酸、耐油、耐堿、耐潮濕、防鹽霧、防風沙侵蝕等要求。

四、 應用結(jié)果

更換后混砂車性能得到了完全恢復和提高，滿足了生產(chǎn)要求。目前，已上井壓裂施工作業(yè)20井次，攪拌器已運行超過40h，未出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，改造的效果明顯。

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