1 500 t复合加载试验系统技术改造及性能提升

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(中国石油集团石油管工程技术研究院　陕西　西安　710077)

0　引　言

1 500 t复合加载试验系统的主要功能是模拟油田实际工况，对油井管全尺寸试样进行复合加载试验(包括轴向载荷、内压/外压、温度等载荷共同作用的复合载荷)[1]，研究油井管在实际工况下的力学行为与机理，评价各种油井管的结构完整性、密封完整性及工况适用性。随着服役时间的增加，该试验系统的轴向加载部分故障率增加，出现控制精度和加载速率不稳的现象，并且安全互锁功能不完善，无法满足高频次拉/压载荷循环试验的要求，严重影响了科研工作的开展，而试验系统的稳定性及可靠性是决定试验系统的能力、运行稳定性和安全性的重要因素[2-4]。因此，本文详细的分析系统问题产生的原因，对设备进行升级改造，提升该系统轴向载荷精度及稳定性的同时提高系统的安全可靠性，确保1 500 t复合加载试验系统性能满足要求的同时开发设备新功能，确保油田用管安全。

1　试验系统改造原因分析

1 500 t复合加载试验系统的加载速度及稳定性主要受液压系统及控制系统两部分影响，以下将通过这两方面进行分析。

1)液压系统改造原因分析

液压系统由加载回路和快速动作回路两个部分组成，其中加载回路是通过八个液压缸给试样施加拉伸或者压缩载荷，动作回路用于安装试样时现场快速动作。轴向载荷液压缸加载回路中，采用比例阀调节控制低油压，伺服阀调节控制高油压的控制方式，在施加载荷的过程中当油压由低压向高压转换时，控制阀会由比例阀切换到伺服阀，这易导致加载速率不恒定的问题，甚至会出现切换期憋压的现象。轴向载荷液压缸快速动作回路，动作速率过慢，致使安装试样的时间过长，严重影响试验效率。

加载过程(特别是拉伸加载过程)中，试件突然断裂会造成油缸上腔压力突增的情况，这时，高压液会直接冲击主油箱，导致试验系统遭受巨大的冲击载荷，影响系统软硬件的使用寿命。

另外，由于长期服役造成液压缸磨损，8个油缸之间存在串油现象，同时接头管路也存在渗漏现象，导致设备能力下降，最大拉伸载荷由原设计参数1 500 t降为1 020 t，最大压缩载荷也由1 200 t降为800 t，此种情况造成试验系统轴向拉伸载荷保载不稳定。

2)控制系统改造原因分析

在苛刻工况条件下服役的油井管性能评价试验，需要试验系统快速响应的高精度闭环控制，准确和充足的数据采集记录，以保证能对试验结果提供有效的客观证明，因而控制和数据采集系统需要具有足够高的可靠性。

现存试验系统仅采用一台计算机进行控制和数据采集，不能够满足长周期实验的需求。经常出现计算机死机等情况而导致实验中止的情况，甚至是导致实验失败。同时在控制系统中由于当时进行设备设计时试验条件简单，系统未设计足够的位移控制功能，随着深井、热采井等负责工况油田的开采，对于位移控制的实验需求在逐渐增加，在控制、采集系统中也应相应增加与试样相匹配的控制功能。

3)试验系统安全可靠性改造

现存试验系统缺少安全护锁功能、各种报警指示以及系统信息反馈，尤其是关键故障报警信息，如：液压站油 位低报警，油温高报警，过滤器堵塞报警，压力超高报警，载荷超限报警等。另外，缺少安全防护屏障，该试验系统通常要进行高压高温实验，不设置安全防护屏障存在极大的安全隐患。因此，在设备升级改造过程中，提高设备的安全可靠性。

2　1 500 t复合加载试验系统升级改造方案

1)液压系统设计[5-6]

液压系统改造原理如图1所示，系统的加载回路采用带先导比例压力阀的遥控型变量泵和伺服阀组合控制的方案，远程控制变量泵的泵压恒定于某个值，然后通过伺服阀缓慢给油缸加载，并形成压力反馈的闭环控制。采用这种方式，由泵来衡定压力，伺服阀来保证供油量的精度，从两个方面控制油缸的工作压力稳定在允许误差范围之内，确保了控制精度，同时也解决了在两个阀之间切换所带来的问题，提升系统的控制精度，恒定了系统的加载速率。

为了避免加载过程(特别是拉伸加载过程)中试件突然断裂造成油缸上腔压力突增的情况，在每4个液压缸上腔加装了一个先导式溢流阀，能够在载荷突增时迅速打开，将高压液排至辅助油箱，避免高压液直接冲击主油箱。

为了实现快进退、慢加载的设计要求，快速动作回路大排量低压柱塞泵和带先导比例压力阀的遥控型变量泵提供动力，当需要试验系统快速动作油缸时，两台泵同时开启。为实现慢加载设计要求，低压泵停止工作。电控系统可以根据加载力计算出需要的泵压，由程序设定压力值给变量泵上的先导比例压力阀下达指令，使泵的输出压力稳定在需要值，同时泵自带的调节机构能自动调小柱塞泵的斜盘角度，使泵的输出流量维持在够用且能保证压力的状态下，既避免了无畏的能源消耗造成油箱升温过快和噪声过大，又避免了溢流流量过大带来的压力波动问题。节省能源，降低设备的噪音，在提升试验系统控制精度及加载速率问题的同时，改善了试验人员的工作环境。

在系统设计时采用双液控单向阀，当保载时锁定液压缸的压力，避免接头或管路渗漏造成的压力下降情况，保持试验保载过程中载荷的稳定性。

在液压系统改造的同时维修液压缸，将八个液压缸按最小的杆径和最大的缸径进行统一的维修电镀处理，在解决串油问题的同时确保八个油缸产生的载荷一致。

2)控制系统设计

改造后的控制与采集系统原理图如图2所示。采用PLC与NI控制系统相结合的模式，NI系统数据传输能力强，PLC控制逻辑严密，有利于提高电控系统的可靠性，解决原有试验系统由一台计算机进行控制及采集的弊端。

油压、油温、油位、过滤器污染程度等数据经由NI及PLC控制器上传到工控机，视频信号经由视频数据线直接传至工控机，遥控器指令通过接收机传至工控机再下达到各执行机构。工控机根据人工设定的参数能够自动执行加载流程。试验过程中，记录压力数据并实时显示在操作界面上。而且，试验系统采用采集和控制分离的方式，数据采集和控制系统在上位机和下位机都是独立的，数据采集子系统对系统中所有的物理量都进行了采集和存储，控制系统只对和控制相关的物理量进行了采集，并具备模拟和数字量输出功能。

图2　轴向加载系统控制与采集系统原理图

在改造后的1 500 t复合加载试验系统中增加位移控制功能，对于载荷控制和位移控制采用PID控制方式。载荷控制和位移控制的过程均由液压泵实现，通过PID控制使得液压泵的输出的负载稳定地加载到被测件，通过压力信号或者位移信号的采集计算得到载荷大小或者位移数据。

3)试验系统安全可靠性设计

改造后的1 500 t复合加载试验系统采用备份数采模式，对于在闭环控制中需要用到的物理量，在同一个测点用两个物理通道进行了采集，或者计算得到两个相关的物理量，在控制过程中时刻判断二者的差异，如果偏差过大，就认为采集系统数据不可靠，系统故障，及时结束试验进程，进入安全状态恢复。在数据采集子系统和控制子系统之外设立一个独立运行的看门狗子系统，将检测数据和设定的极限值进行实时比较，如果超出，看门狗系统启动安全状态恢复进程，确保试验安全。

试验系统采用多点急停安全设计，除了控制子系统上位机的软件急停按钮，在监控中心和试验区域安装有8个硬件紧急停止按钮(ESD)，只要有其中的一个被按下，都会停止试验，并启动安全状态恢复。同时可以在上位机软件中显示硬件急停的状态、部位，同时启动声光报警，及时提醒操作人员注意，提高试验系统的操作安全。

3　改造后试验系统加载及控制精度测试

在液压系统及控制系统改造完成后，采用三个Load Cell(908-1、908-3、908-4标准力传感器)对设备进行校准，校准结果如表1所示，测试结果表明改造后的1500吨复合加载试验系统控制精度高运行稳定，满足油井管产品性能检测需要。

表1　设备标定结果

4　结　论

本文通过对1 500 t复合加载试验系统的液压系统进行重新设计改造，提升系统的控制精度，恒定了系统的加载速率，进而提升了试验效率及硬件的使用寿命，减少后期维修成本。改造后的控制系统采用采集和控制分离的控制方式，提高系统的可靠性及运行速度，同时在系统中增加位移控制功能，便于试验系统开展非常规试验项目，提升原有试验系统的试验能力。系统加强安全可靠性设计，采用看门狗安全防护及多点急停的方式，提高试验系统及操作人员的安全。结果表明，改造后试验系统精度及系统误差满足质量检测需求。

[1] 中国石油天然气集团公司.石油天然气工业 套管及油管螺纹连接试验程序：GB/T 21267-2007 [S].北京:中国标准出版社,2007:28-40.

[2] 王宏友.电气自动化控制设备的稳定性措施探究[J].电子技术与软件工程，2014(1):251.

[3] 邓帮飞, 唐捷. 电气自动化控制设备可靠性研究[J]. 企业技术开发，2012(32):102-103.

[4] 石建伟. 浅析电气自动化控制设备的可靠性[J].科技与企业，2013,8(263):350.

[5] 全国液压气动标准化技术委员会. 液压传动系统及其元件的通用规则和安全要求:GB/T 3766-2015[S].北京:中国标准出版社,2015:3-21.

[6] 全国液压气动标准化技术委员会. 液压元件通用技术条件: GB/T 7935-2005 [S].北京:中国标准出版社,2005:2-3.