一種PVT取樣筒高壓氮?dú)庑箟貉b置的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

宋彬，王亮，梅少良，張樹(shù)森

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

0 引言

在保養(yǎng)PVT取樣筒時(shí)，需要拆解成零部件，清洗樣品殘?jiān)鼡Q密封圈，組裝好后再進(jìn)行充氮?dú)?。目前維保面臨的困難是高壓后密封堵銹蝕后很難拆卸。取樣筒高壓后密封堵由于受到泥漿的浸泡，長(zhǎng)期不處理，會(huì)被銹蝕，再進(jìn)行拆卸內(nèi)六方會(huì)打滑，這樣就無(wú)法再泄高壓氮?dú)?，影響到取樣筒的保養(yǎng)。

經(jīng)過(guò)對(duì)PVT取樣筒轉(zhuǎn)接活塞結(jié)構(gòu)論證，有3種辦法拆卸密封堵，泄高壓氮?dú)?，技術(shù)方案如下：1）使用電鉆在密封堵上打孔，然后用退扣工具退扣，再用專(zhuān)用工具泄高壓氮?dú)?。缺點(diǎn)是由于硬質(zhì)合金材質(zhì)較硬，所以對(duì)鉆頭材質(zhì)要求較高，操作比較困難。2）用電火花灼蝕密封鍺，清理干凈充氮入口，再用專(zhuān)用工具泄高壓氮?dú)?。缺點(diǎn)是密封堵的位置比較深，電火花電極接觸要精準(zhǔn)，取樣筒結(jié)構(gòu)特殊，若操作不規(guī)范，容易造成失誤，破壞本體。3）研制專(zhuān)用泄壓裝置，首先泄高壓氮?dú)猓浯尾鹣罗D(zhuǎn)接活塞，再用相關(guān)措施處理密封堵，這樣會(huì)相對(duì)容易。

前兩種方法帶高壓操作，可靠性不高，第三種方法研制專(zhuān)用裝置，先泄高壓氮?dú)猓俪翰僮魅《?，所以采取第三種方案更妥當(dāng)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)方案規(guī)劃

1.1.1 液壓方案設(shè)計(jì)研究

采用液壓缸伸出活塞桿作用力與反作用力的平衡原理，設(shè)計(jì)相關(guān)液壓裝置，裝置液壓原理圖如圖1所示。

圖1 裝置液壓原理圖

該裝置液壓系統(tǒng)包括ENERPACP392手壓泵、液壓缸HSG50×28、三位四通換向閥及配套的管線(xiàn)接頭等。

裝置工作原理具體如下：本方案采用專(zhuān)用裝置液壓缸活塞桿伸出頂住轉(zhuǎn)接活塞的方法，使專(zhuān)用裝置伸出活塞桿的推力等于取樣筒轉(zhuǎn)接活塞的推力，達(dá)到力的平衡后，相當(dāng)于解除了轉(zhuǎn)接活塞對(duì)后部堵頭的壓力，然后比較容易拆下后部堵頭，再換成專(zhuān)用螺紋環(huán)限位，繼續(xù)按照操作流程完成高壓氮?dú)庑箟汉娃D(zhuǎn)接活塞取出的步驟，具體操作后面將詳細(xì)介紹[1]。

1.1.2 結(jié)構(gòu)組合配置

根據(jù)液壓原理圖組裝的結(jié)構(gòu)體如圖2所示。

圖2 裝置基本結(jié)構(gòu)圖

該裝置詳細(xì)說(shuō)明如下：1）可移動(dòng)支架。上面焊接液壓缸固定座和PVT樣筒固定座，使其液壓缸和PVT樣筒中心點(diǎn)在一條直線(xiàn)上，讓活塞桿推力作用在后端底座中心位置。2）HSG液壓缸。根據(jù)樣筒內(nèi)氮?dú)鈮毫Φ拇笮?，?jì)算出液壓缸合適的推力范圍，再選擇相應(yīng)型號(hào)。3）PVT樣筒固定環(huán)。緊緊束縛住樣筒，保持樣筒的受力穩(wěn)定。4）液壓缸固定環(huán)。液壓缸活塞桿伸出時(shí)，由于推力的作用，液壓缸位置將發(fā)生位移，使用液壓缸固定環(huán)固定缸體。5）防護(hù)罩。固定在液壓缸與PVT樣筒之間，可打開(kāi)，目的是防止高壓氣體釋放時(shí)吹動(dòng)顆粒雜質(zhì)蹦出。6）后部堵頭拆卸工具。開(kāi)1/4槽口，可從加長(zhǎng)桿中取出。7）ENERPAC手壓泵。內(nèi)置單向閥，加裝壓力表，此手壓泵可根據(jù)負(fù)載壓力大小適當(dāng)調(diào)節(jié)液壓壓力輸出。8）三位四通換向閥。此換向閥為手動(dòng)閥，操作更靈活，方便安裝。9）腳輪。此專(zhuān)用裝置比較重，安裝腳輪，利于推拉到合適的地點(diǎn)操作。10）PVT樣筒。為操作目的對(duì)象。11）加長(zhǎng)桿。延長(zhǎng)活塞桿的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度。12）螺紋環(huán)T60×3。起到限位作用。

1.2 工作步驟流程

1）安裝PVT取樣筒，活塞桿的加長(zhǎng)桿放在樣筒后端的軸線(xiàn)上，然后緊固樣筒固定環(huán)；2）調(diào)試三位四通閥，按手壓泵，使液壓缸活塞前后動(dòng)作，調(diào)整加長(zhǎng)桿伸出量，最后使加長(zhǎng)桿處于初始位置（桿頭在后端蓋內(nèi)）；3）按壓手壓泵，讓活塞上的加長(zhǎng)桿繼續(xù)伸出，頂住充氮活塞，確?；钊麠U的推力和轉(zhuǎn)接活塞的壓力保持平衡；4）調(diào)節(jié)三位四通閥到中位，使加長(zhǎng)桿伸出長(zhǎng)度保持不變，此時(shí)液壓缸頂住轉(zhuǎn)接活塞壓力，然后用拆卸工具6拆下后部堵頭，拉到后側(cè)，安裝螺紋環(huán)，限定轉(zhuǎn)接活塞泄氮?dú)獾奈恢茫?）取下拆卸工具，調(diào)節(jié)三位四通閥，通過(guò)手壓泵針閥將壓力油緩慢泄掉，此時(shí)活塞在高壓氮?dú)庾饔孟潞笠疲驗(yàn)槁菁y環(huán)的原因，所以活塞不會(huì)頂出，活塞密封圈到螺紋處后，自動(dòng)泄掉內(nèi)部氮?dú)鈮毫?。調(diào)節(jié)三位四通閥，將液壓缸活塞收回；6）取下PVT轉(zhuǎn)接活塞，進(jìn)行后續(xù)操作。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

此設(shè)備設(shè)計(jì)主要解決問(wèn)題是將PVT樣筒氮?dú)鈮毫π沟?，然后將帶有密封堵的轉(zhuǎn)接活塞取出，進(jìn)行后續(xù)操作。根據(jù)PVT取樣筒后端剖視圖所示，由轉(zhuǎn)接活塞的直徑計(jì)算出轉(zhuǎn)接活塞受的高壓氮?dú)獾膲毫?shù)值。

由負(fù)載的平衡力選擇液壓缸和液壓泵的參數(shù)型號(hào)。轉(zhuǎn)接活塞一側(cè)直徑D1=50 mm，另一側(cè)直徑d1=25 mm，如圖3所示。

圖3 PVT取樣筒后端剖視圖

1.3.1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響因素

1）參考PVT樣筒氮?dú)鈮毫Γㄗ罡? MPa）選擇液壓缸和手壓泵的型號(hào)，最高氮?dú)鈮毫τ?jì)算：由Fmax=P·S，S=πr2=π（D1/2）2，得Fmax=8×106×3.14×0.0252=15700 N。

2）考慮液壓缸液壓桿的回位及穩(wěn)定性選用中位機(jī)能O型三位四通閥。

1.3.2 加長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度計(jì)算設(shè)計(jì)

在液壓缸完全收回位置，加長(zhǎng)桿與PVT樣筒方向相切，始終保持加長(zhǎng)桿作用點(diǎn)在樣筒后端內(nèi)部，這樣即使液壓缸出現(xiàn)故障或螺紋環(huán)出現(xiàn)掉落，轉(zhuǎn)接活塞也不會(huì)失控被推出，保證操作人員安全。

1.3.3 防護(hù)罩

防護(hù)罩在泄高壓氮?dú)猸h(huán)節(jié)起至關(guān)重要作用，可以有效地阻擋泥漿及雜物的飛濺，提高安全性，保護(hù)操作人員。

1.3.4 液壓缸

此方案設(shè)計(jì)中概述其工作原理：液壓缸安裝在PVT取樣筒同軸線(xiàn)上，用加長(zhǎng)桿調(diào)整伸出量，然后加長(zhǎng)桿繼續(xù)伸出，頂住充氮活塞，以此平衡高壓氮?dú)鈮毫Α?/p>

技術(shù)特點(diǎn)：根據(jù)本專(zhuān)用裝置活塞桿的作用行程，采取單桿式雙作用缸形式，運(yùn)動(dòng)方式為直線(xiàn)往復(fù)移動(dòng)。本方案根據(jù)以下參數(shù)選擇合適HSG液壓缸。

油缸的主要尺寸包括缸筒內(nèi)徑、活塞桿直徑、缸筒長(zhǎng)度及缸筒壁厚等[2]。

1）缸筒直徑的確定。

根據(jù)公式F=P·A, 由活塞所需要的最大推力Fmax和工作壓力P, 可求得的活塞有效面積A，進(jìn)一步根據(jù)油缸的不同結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算缸筒的內(nèi)徑D，如表1所示。

表1 缸工作壓力與負(fù)載的關(guān)系

2）活塞桿尺寸的選取。

按活塞工作時(shí)的端面積受力情況，確定活塞桿的直徑d。計(jì)算公式為d=0.4D 。其中D為缸筒內(nèi)徑。

缸筒內(nèi)徑和活塞桿直徑是本方案最主要的確定對(duì)象，根據(jù)以上計(jì)算參數(shù)選擇合適HSG系列液壓缸。

1.3.5 手壓泵

此方案設(shè)計(jì)中其工作原理為：柱塞通過(guò)手柄上提時(shí)，泵體內(nèi)產(chǎn)生真空，進(jìn)油閥開(kāi)啟，液壓油進(jìn)入泵體，手柄施力下壓時(shí)進(jìn)油閥關(guān)閉，出油閥頂開(kāi)，輸出壓力油，并進(jìn)入被測(cè)器件，如此往復(fù)進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)額定壓力的輸出。

根據(jù)負(fù)載作用力Fmax和手壓泵缸體活塞面積S，確定手壓泵的油壓P，一般以負(fù)載的2倍以上選擇量程液壓表即可。

本方案根據(jù)以上計(jì)算參數(shù)選擇合適的ENERPAC系列手壓泵。

1.3.6 三位四通換向閥

手動(dòng)換向閥在一些小型油壓機(jī)上使用得較為普遍，其工作原理與其他換向閥相同，閥芯的復(fù)位和對(duì)中主要靠扳動(dòng)手柄及彈簧復(fù)位的方式，考慮液壓缸液壓桿的回位及穩(wěn)定性選用中位機(jī)能O型三位四通閥，技術(shù)特點(diǎn)：1）手柄扳動(dòng)在一定位置保持不動(dòng)，維持較好的換位姿態(tài)；2）換擋比較平穩(wěn)，回油腔中的油液起緩沖作用[3]。

1.3.7 可移動(dòng)支架用于固定主要的配件，定位精度高，受力點(diǎn)測(cè)量準(zhǔn)確，位置調(diào)整合理，人員隨時(shí)推拉到指定位置，且方便操作。

2 使用效果

通過(guò)此專(zhuān)項(xiàng)裝置的應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的效果。比較如下：1）專(zhuān)用裝置實(shí)施前，運(yùn)用傳統(tǒng)方式取密封堵，安全性能不高，工作耗時(shí)長(zhǎng)，拆卸過(guò)程極易損壞轉(zhuǎn)接活塞，可操作性不高；2）專(zhuān)用裝置實(shí)施后，操作安全性高，不易損壞活塞，裝置成本低。

很顯然，專(zhuān)用泄壓裝置在降低操作風(fēng)險(xiǎn)、保護(hù)轉(zhuǎn)接活塞方面更好，提高維保工作效率。

3 實(shí)施案例

該裝置設(shè)計(jì)完成后，針對(duì)PVT取樣筒轉(zhuǎn)接活塞泄壓進(jìn)行測(cè)試，累計(jì)完成12套PVT取樣筒高壓氮?dú)庑箟鹤鳂I(yè)，使用安全可靠，極大地節(jié)約由于傳統(tǒng)取密封堵?lián)p壞轉(zhuǎn)接活塞的成本，后續(xù)將推廣應(yīng)用。