阀门井口气动试压泵故障的分析
井控技术和井控设备越来越受到人们的重视。根据《钻井井控实施细则》中要求,设备在出厂前和现场安装后都要进行试压。目前 ,井控设备在车间试压和现场试压时均采用试压泵进行试压 , 所以气动试压泵的性能就显得额外的重要。但是试压泵在使用过程中 , 经常会出现性能不稳定的情况 ,针对这些情况 , 我们做了深入的研究。
当柱塞向上运动时 (吸程 ),泵腔内由于体积变大形成真空 , 其压力将小于泵人口处压力 , 在压力差的作用下 , 进口阀打开 ,液体进人泵腔 ; 当吸程终了时 , 柱塞开始向下运动 (冲程 ),泵腔内压力将逐渐加大 ,同样在压力差的作用下进口阀关闭 , 出口阀打开 ,泵腔内的液体被排出至打压泵外容器。当冲程结束后 ,完成一次增压过程。如此反复进行上述过程 , 就能使泵外容器内的压力不断升高 ,直至达到所需压力。 当泵腔内混有空气时 , 泵腔内的液体及气体的流动要比纯液体复杂得多。由于气体是可压缩流体(相对液体而言),当作用在其上的压力有变化时 , 气体的体积就会发生变化 , 且压力越大 , 体积的变化就会越大。根据实际气体的状态方程有下列两式。
p 1 V 1 = Z R T ( 1 )
p 2 V 2 = Z R T ( 2 )
式中 V1为常压下气体的体积为 1;
P1为压力 ,单位为 Pa;
V2为开始排气时的体积 1(假设能排出气体,不能排气时按柱塞冲程结束时计算);
P2为开始排气时的压力(假设能排出气体 , 不能排气时按柱塞冲程结束时计算 ) ,
单位为 Pa;
Z 为压缩性系数 ;
R 为气体常数 ;
T 为绝对温度 , 单位为 K 。
由于气体为同一种 , 同时可假设状态
变化过程为等温过程 , 故有 :
V 2 =p 1 V 1 / P 2 ( 3 )
显然 V2<V1,由于气体的压缩而使泵腔内实际有用体积减小为 :
V=V 1一V 2=V 1(P 2一P 1)/P 2 (4)
因而就会出现柱塞有效行程减小 , 压位为 N ;增加变缓等现象。同时影响泵腔的有效体积的因素与混人的空气的量的多少和排出压力有着很大的关系。V1越大 ,泵腔的有效容积就减小越多 ;同理 ,P2越大 ,泵腔的有效容积就减小越多。所以在现场使用中,注人容器内压力越高时 ,混人的空气越多 ,这也同时验证了当容器内的压力越大 , 柱塞的有效行程越小的现象。
2 试压泵故障分析
水压试压泵在现场工作时 , 有时会出现性能不稳定现象。主要表现有以下几点。
(l)有时在出口压力达到一定值后 ,泵的出口压力不再升高 , 无法达到预定值。
(2)柱塞的有效工作行程 ,有时会随压力的升高越来越小。
(3)当压力上升到一定程度后 ,每次一个动作完成后 , 柱塞就会自动返回吸程终了状态 , 而无须经过动力吸人过程。针对上述产生的现象 , 将泵放在试验台上重新作了试验 ,此时无论流量、压力还是操作过程中感到的柱塞力都完全正常。此时分析可能是泵的安装使用过程中的使用环境和使用条件可能有误。在现场发现由于安装位置的限制 , 泵的人口处的进水
是间断、不连续的。当试压泵的进水不连续时 , 空气就会随水一起混人试压泵的泵腔中 , 特别是当进口敞开对大气 , 就会有大量的空气进人泵腔。由于气体和液体压缩性的极大差异有可能对该泵的使用造成不利影响。这就是该泵在使用过程中出现“ 故障”的根本原因。泵腔内进人空气的极限容积为泵腔的体积 , 要想保证柱塞每次运行都能使出口阀开启 ,至少应满足 : 柱塞行程容积大于泵腔内实际有用体积 , 当泵腔内的最高压力远大于注人容器内的压力时 ,泵腔内实际有用体积等于泵腔体积。
由于泵每次不可避免地排不净泵腔内的空气 ,每次冲程结束后 ,泵腔内都会留有很大一部分相对高压气体。此时出口阀刚关闭 ,泵腔内的气体的瞬时压力为 P2,由于P2>P1, 进口阀仍然处于关闭状态。由于气体的本身的特性,其要沿压力降处膨胀。因而在柱塞的截面积上有力 :
F =3 . 1 4D2(P2 一 P1)/ 4式中 F为作用在柱塞截面积上的力 ,单此力作用在柱塞的吸程方向上 , 且逐渐减少。当外加在柱塞 ( 手柄 ) 上的力解除后 , 此时柱塞力就会将柱塞推向吸程方向 ,直至 F=0结束 ,这就是形成柱塞有效行程容积减少,自然回程的根本原因。同时在此过程中 , 泵的进口阀始终处于关闭状态 , 造成进口阀的开启延迟 ,减少泵的流量 , 影响试压泵的增压效果。也是造成泵压力增加缓慢的原因之一。
通过上述分析 , 初步认为 , 该泵在使用过程中所出现的“ 故障 ”,并非是泵本身的问题 , 很大程度上是使用过程中由于使用环境的限制混人空气而引起的。为了验证分析和推论 , 在试验室和使用工位上进行了试验。在试验室中,对试验管路进行稍加改动 ,使其进口能通人空气。由于试验条件的限制,只对其做了定性试验。在注人容器压力为零时 , 对泵进口放人少量空气 , 泵在使用过程中变化不大 , 能顺利地将容器压力增加到 40MPa。将容器内的压力释放 ,重新对其加压。在注人容器压力为10MPa时对泵进口放人少量空气。此时 ,可以感觉到柱塞的有效行程容积减少 , 且柱塞有缓慢自动回程的现象;在注人容器压力为20MPa时又对泵进口放人少量空气 , 此时感到柱塞有效行程容积明显减少 , 且柱塞明显自动回程 , 压力上升已不太明显 ; 反复上述过程几次后 , 又对进口通人稍大量空气后 , 柱塞
有效行程容积几乎为零 , 而且出口压力再也无法增加。试验结果与在现场出现的情况及分析推论完全吻合 , 从而证明了分析判断的正确性。