可控柔性實驗臺液壓系統設計分析

在油田生產中有一類特殊的密封結構，稱為可控柔性密封。其主要特征是：密封材料為力學性能良好的高彈性材料，工作時密封材料發生大變形，密封形式為往復密封，密封副需要頻繁處于工作和非工作狀態，密封接觸壓力可控等。按照結構及工作方式不同，可控柔性密封可分為兩種形式：開關型和伺服型兩種。開關型在工作時具有兩種狀態：打開狀態和密封狀態；伺服型在工作時一直處于密封狀態，但可根據被密封件的形狀適時進行密封力學狀態的調整。油田帶壓作業用防噴器的核心部件——密封膠芯與油管柱所組成的密封副就是一種典型的可控柔性密封結構。用于可控柔性密封環境下的密封材料一般是性能優異的橡膠材料，如丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠等，其工作環境主要是潤滑性能較差、低黏度、高雜質含量的高壓流體介質的密封場合，在石油生產、化工工業中得到廣泛應用。由于可控柔性密封材料性能直接關系著密封性能，一旦失效，將造成巨大的財產損失、環境污染甚至人員傷亡。因此，材料的密封性能實驗是非常重要的。但傳統的往復密封實驗臺只能測試密封材料在某一壓縮變形下的密封性能，不能體現密封的可控性能，即徑向密封比壓是不可調的，為此，設計了新型的往復密封實驗臺，該實驗臺用液壓驅動和控制，除了能夠測量傳統的參數如：溫度、壓力、流量、泄漏等物理量之外，還可以控制密封比壓大小及控制密封副的分離和實現密封，從而實現對可控柔性密封材料的密封實驗。
1、實驗裝置設計
1.1 設計要求
基于可控柔性密封的工作特點及工況要求，結合當前流體控制技術的發展水平，研制一種能滿足生產實際要求的綜合密封實驗臺。該實驗臺能實現自動控制、密封工作參數測試、測試數據分析和處理等多種功能于一體，能夠完成包括可控柔性密封工況模擬、密封工作壓力測試、密封接觸壓力分布測試、摩擦力測試、溫度場測試、漏失量測試、運動速度測試等指標在內的多種實驗任務。
1.2 總體方案
根據設計要求，確定可控柔性密封實驗臺由液壓泵站、液壓伺服往復驅動系統、密封實驗系統、介質加載及增壓系統、數控采集及處理系統及輔助系統組成。液壓泵站主要由變量伺服油泵、蓄能裝置、液壓管線系統等組成，提供并輸送系統所需高壓液壓油；液壓伺服往復驅動系統包括伺服油缸、電液伺服閥等，驅動往復密封管柱運動；密封實驗系統包括實驗裝置、可控柔性密封單元、密封測試單元、壓力測試單元、速度測試單元、溫度測試單元、摩擦力測試單元等，提供高壓模擬環境及相關參數的測試功能；介質加載和增壓系統包括工作介質輸送和增壓單元，將工作介質加壓后輸送到密封實驗裝置內；數控采集及處理系統主要由控制單元、電液控制元件、各類傳感器、PLC系統和計算機等組成，主要完成測試數據的提取、處理、顯示及相關動作控制等。各系統間的關系如圖1所示。

圖1 可控柔性密封實驗系統
1.3 密封測試系統設計
可控柔性密封實驗系統中，密封實驗系統屬于核心裝置，該系統提供了實驗對象、實驗介質和實驗數據等的載體，其結構如圖2所示。
系統主要由2個可控柔性密封單元、密封腔、漏失量檢測單元及各類傳感器組成。4個可控柔性密封單元與密封腔組成一個高壓密封環境，實驗介質通過水壓管匯增壓后進入密封腔，靠4 個可控柔性密封單元在密封抱緊液壓缸的作用下抱緊密封管柱并進行保壓。同時，驅動液壓缸通過力傳感器驅動密封管柱進行往復運動，系統配置的力、速度、加速度及壓力、溫度傳感器實時采集數據并進行存儲，系統可通過電腦對密封抱緊壓力進行隨時調整。可控柔性密封材料通常做成類似于閘板防噴器密封膠芯形狀，通過銷釘固定在閘板上，上下兩端抱緊液壓力通過抱緊液壓缸上的活塞作用在閘板活塞桿上，從而作用在密封副上，其作用力可近似為密封抱緊力。裝置按照35MPa的工作壓力設計，工作介質若為水基，則溫度范圍為0~60℃；若為導熱油，則實驗溫度可達100℃以上。

圖2 密封測試系統示意圖
2、液壓系統設計
由圖1可知，可控柔性密封實驗裝置的液壓系統在整個裝置中處于十分重要的位置，主要作用包括：為往復運動提供驅動能量，為可控柔性密封抱緊管柱提供驅動力并進行伺服調整，為工作介質提供增壓驅動力等作用。從液壓系統的裝置來說，主要包括液壓泵站、各類控制閥件、液壓管線、增壓裝置、密封加載系統、同步抱緊系統等。根據設定要求，液壓泵采用恒壓變量泵，zui高輸出壓力位20MPa，zui大輸出流量為90L/min，裝機功率為30kW；油箱容積為1200mm×900mm×700mm＝756L；配置25L蓄能器。驅動油缸直徑D=63mm，活塞桿直徑為45mm，zui大行程S=400mm；往復頻率zui高0.5Hz；zui大驅動力為60kN。增壓裝置采用液動增壓泵，增壓比為3.5∶1。密封加載系統主要是對工作介質進行過濾、對密封腔進行灌注并對工作介質進行初步加壓。若工作介質有溫度要求，還需要加熱裝置等。同步抱緊系統主要由4個抱緊液壓缸組成，完成圖2中左右2個密封單元的密封抱緊。控制zui大抱緊液壓不超過10MPa，調整系統設置讓4缸實現同步運動。液壓原理圖如圖3所示。

圖3 可控柔性密封實驗裝置液壓原理圖
液壓泵站泵出液壓油分為三路：一路通往伺服驅動系統，為驅動液壓缸提供能量，驅動液壓缸活塞桿通過力傳感器帶動圖2中的管柱進行往復運動；一路通往增壓裝置，為液壓系統增壓提供能量；另外一路作為控制油路控制4個抱緊液壓缸的抱緊力，也就是控制可控柔性密封副之間的密封比壓。密封加載系統主要由小排量齒輪泵組成，zui高輸出壓力不超過10MPa，zui大流量為20L/min，裝機功率5kW。增壓系統的輸出回路與加載系統出口相連接，同時加載系統與增壓系統入口相連接。工作時，齒輪泵先向密封腔灌注，等密封腔灌滿工作介質時，啟動增壓裝置進行打壓，直到密封腔壓強達到預定壓強為止。密封加載系統中高低壓之間通過單向閥進行隔離。
系統設計的難點在于4個抱緊液壓缸的同步問題，圖中G1、G2配合控制圖2中左邊密封副啟閉，G3、G4配合控制圖2中右邊密封副的啟閉，若同步性能較差的話，容易導致被密封的管柱出現偏斜，對中不好，從而導致密封失敗，因此需要采取措施保證4個抱緊液壓缸G1、G2、G3、G4同步。在液壓傳動中，液壓缸同步一般可采用串聯同步回路、調速閥同步回路、同步馬達實現同步回路、數字液壓缸回路及同步閥回路等，4缸同步回路的控制在技術上也是可行的，綜合各方考慮，采用3個同步閥控制的同步回路。同步閥2、3到同步閥1之間的油路要相同，同步閥2、3出口到4個液壓缸上腔進油口油路也要相同，盡量保證4個抱緊油缸出口油路到管匯相交地方油路相同，若出現不同步現象可以通過微調同步閥進行校正。抱緊系統中由單向閥和溢流閥組成的背壓閥作用是避免沖擊對密封材料的破壞。
可控柔性密封的工作方式有別于傳統的往復密封，其密封失效機理也與傳統的填料密封或其它柔性密封不同，用傳統的往復密封實驗臺來測試其密封性能并不能*反映實際工況。可控柔性密封實驗臺可以模擬可控柔性密封工作環境和狀態，實現對密封材料的動靜密封性能測試并研究不同參數對密封性能的影響，還能測試不同介質、溫度、速度、密封比壓及密封表面狀況聯合作用下，對密封材料的壽命影響。在油田生產中凡是在苛刻工況下用到的可控柔性密封材料基本依賴進口，這方面除了我國高分子材料工程方面的因素外，沒有合理的密封檢測系統也是影響因素之一，因此可控柔性密封實驗臺具有現實意義。