注入頭馬達殼體高溫實驗分析及液壓系統優化

劉平國， 楊高， 段文益，胡志強， 康凱

（中石油江漢機械研究所有限公司，武漢430000）

0 引言

連續管技術以其高效、安全環保等優勢，在油氣田得到廣泛應用。注入頭是連續管作業機的核心部件，主要對連續管進行起/下管，其驅動及控制均由液壓系統來實現。目前連續管作業機在現場作業過程中出現注入頭驅動液壓馬達殼體溫度高的情況，超過液壓馬達正常使用溫度，為改善整機性能采用不同實驗方案現場進行實際測試，對測試數據進行分析并得出最優方案，使整機能更好地滿足現場作業，提高現場作業的安全性。

1 注入頭驅動系統

閉式液壓系統為液壓泵輸出的油液直接進入液壓馬達，液壓馬達的回油直接與液壓泵的吸油管連接，液壓油在整個封閉的系統管路中進行循環[1]。閉式液壓系統具有結構緊湊、傳動平穩、液壓沖擊小、變量靈敏度高、功率損失小、能耗低等優點，廣泛應用于各種工程機械；但閉式液壓系統中由于油液基本都是在封閉回路內循環，因此油液溫升較快，一般都需在回路中設置補油及沖洗進行油液循環交換，使系統油液維持在合適的溫度范圍內。

連續管作業機注入頭驅動系統采用閉式液壓系統，利用軸向柱塞泵與軸向柱塞馬達兩者都能通過調節變量機構進行變量。當泵處于最大排量、馬達處于最小排量時能獲得最大輸出速度，當泵處于最大排量、馬達也處于最大排量時能獲得最大輸出轉矩[2-3]。通過對泵進行壓力調節實現馬達速度變化，同時馬達通過自身排量調節也可實現速度無級調節，注入頭驅動閉式液壓系統簡圖如圖1所示。圖1中液壓泵7為力士樂A4VG系列，排量180 mL/r，液壓泵內部的補油泵3一方面補充整個系統內泄的油液，另一方面為液壓泵內部提供控制油液。壓力切斷閥10設定壓力低于高壓溢流閥8的開啟壓力，系統壓力增加時首先達到壓力切斷閥10的開啟壓力，從而使壓力切斷閥10進行開啟，只有當負載變化較大，瞬間壓力達到高壓溢流閥8的開啟壓力時，高壓溢流閥8才開啟。這種壓力切斷閥10與高壓溢流閥8的順序開啟使整個閉式液壓系統的過壓保護達到最優，按照此種方式，高壓溢流閥8只在負載變化較大時進行短暫開啟，對壓力進行消峰使馬達發熱量最小，因此能很好地減少溢流閥大量發熱引起液壓油過熱問題。液壓馬達為力士樂A6VM系列，馬達本體未配裝沖洗閥，在泵的主動力A、B油口附近安裝沖洗閥4，將系統中的熱油置換出去，使整個閉式系統能維持正常的工作溫度[4-8]。

圖1 閉式液壓系統簡圖

2 實驗過程及分析

注入頭驅動系統原沖洗方案為在液壓泵主動力A、B油口附近的管路上連接20 L/min的沖洗閥。目前出現的問題為：注入頭在45 m/min以上速度進行起/下管作業時，0.5 h內2個注入頭液壓馬達殼體溫度很快超過90 ℃，而整機其余部分的溫度都在正常范圍之類，導致現場作業時運行一段時間后需停機，等待注入頭液壓馬達殼體溫度降到正常范圍內再進行作業。針對以上問題制定不同實驗方案進行實驗分析，實驗實物照片如圖2和圖3所示。

圖2 現場試驗實物照片

圖3 流量計連接及數據顯示照片

2.1 試驗方案1

注入頭端不另加沖洗閥，只將原來2個液壓馬達的泄油合并后回油箱改成單獨回油箱，觀察到液壓馬達的泄油量很小（如圖4），測量2個液壓馬達殼體溫度如表1所示。

2.2 實驗方案2

注入頭本體增加一個流量為8 L/min的沖洗閥，分別從注入頭動力管線2個高壓過濾器的出口取油到沖洗閥進口，沖洗閥出口通過三通接頭分別接至2個液壓馬達的底部泄油口，2個液壓馬達的頂部泄油口仍單獨回油箱，測得2個液壓馬達殼體的溫度如表2所示。

圖4 注入頭不加沖洗閥時單個液壓馬達泄油量

表1 液壓馬達單獨回油箱實驗數據

表2 液壓馬達泄油單獨回油箱實驗數據

2.3 實驗方案3

注入頭端增加2個流量為8 L/min的沖洗閥分別對2個液壓馬達殼體進行沖洗，仍然是從注入頭動力管線的2個高壓過濾器出口取油至兩沖洗閥進口，沖洗閥出口分別接液壓馬達底部泄油口，液壓馬達頂部泄油口仍單獨回油箱。在一個液壓馬達的泄油管上接壓力傳感器，另一個液壓馬達的泄油管上接流量計，測得具體數據如表3所示。

表3 液壓馬達泄油單獨回油箱實驗數據

2.4 實驗方案4

沖洗閥按照實驗方案2進行連接，只是將兩液壓馬達頂部泄油口合并后回油箱。在空載情況下運轉注入頭，為模擬夏天環境溫度較高的工況，先將散熱器風扇關閉，并將滾筒溢流閥調到3 MPa使滾筒泵溢流發熱，注入頭速度由1 m/min逐漸增加到45 m/min，待液壓油箱油溫達到47℃時將注入頭速度提高到50 m/min，并通過開關散熱器風扇將液壓油箱油溫控制在50 ℃左右，測得具體數據如表4所示。

表4 空載工況模擬夏天溫度實驗數據

2.5 實驗方案5

注入頭端增加1個20 L/min的沖洗閥，沖洗閥的具體連接方式為從注入頭動力管線兩高壓過濾器出口取油，沖洗閥出口不對液壓馬達殼體進行沖洗，直接與主系統回油合并，測得具體數據如表5所示。

表5 沖洗閥出口直接回油實驗數據

2.6 實驗分析及系統優化

通過以上5個實驗方案對比，實驗方案1得出：馬達自身泄油量很小，注入頭端不安裝沖洗閥對馬達殼體進行沖洗，高速起下管1400 m液壓馬達殼體溫度基本達到100℃。實驗方案2得出：注入頭端增加1個流量為8 L/min的沖洗閥，對2個液壓馬達殼體分別進行沖洗，高速起下管4000 m左右液壓馬達殼體溫度基本能穩定在80 ℃以內。實驗方案3得出：注入頭端用2個流量為8 L/min的沖洗閥分別對2個液壓馬達殼體進行沖洗，雖然液壓馬達殼體溫度能很好地控制在正常范圍內，但液壓馬達殼體泄油壓力超過0.2 MPa這一正常壓力值，對液壓馬達軸封的壽命影響很大。實驗方案4得出：注入頭端用1個流量為8 L/min的沖洗閥對兩液壓馬達殼體分別進行沖洗，在液壓油箱油溫為50 ℃左右的情況下也基本能將液壓馬達殼體溫度維持在90 ℃左右，但還是存在液壓馬達殼體泄油壓力超過正常值的情況。實驗方案5得出：注入頭端用1個流量為20 L/min的沖洗閥，沖洗閥不對液壓馬達殼體進行沖洗，而是直接將沖洗回油通過回油管線回油箱，既能很好地將液壓馬達殼體溫度控制在90 ℃以內，又能使液壓馬達殼體壓力維持在正常范圍以內。

基于以上實驗對比，將注入頭驅動液壓系統優化為在注入頭端增加1個20 L/min的沖洗閥，且沖洗油液直接回液壓油箱，如圖5所示。目前現場實際應用情況反饋效果良好，未出現高溫問題。驗證此次實驗取得良好效果，使連續管作業機能安全可靠地進行作業，有效地降低現場作業風險。

圖5 優化后閉式液壓系統簡圖

3 結語

通過以上實驗對比分析后對注入頭驅動液壓系統進行優化，現場使用效果良好，得出以下結論：

1）力士樂A6VM系列馬達容積效率較高，自身殼體泄油量較小，但對于連續管作業機液壓系統供油管線較長的工況未能良好地進行自身冷卻，容易使殼體溫度超過正常范圍。

2）增加沖洗閥對液壓馬達殼體進行沖洗，能很好地控制液壓馬達殼體溫度，但容易導致液壓馬達殼體泄油壓力過高影響軸封壽命。

3）針對連續管作業機供油管線較長的應用工況，閉式液壓系統在液壓泵端及液壓馬達端分別安裝沖洗閥，對于維持整機液壓系統在合適的溫度范圍有較好作用。