可控柔性实验台液压系统设计分析

在油田生产中有一类特殊的密封结构，称为可控柔性密封。其主要特征是：密封材料为力学性能良好的高弹性材料，工作时密封材料发生大变形，密封形式为往复密封，密封副需要频繁处于工作和非工作状态，密封接触压力可控等。按照结构及工作方式不同，可控柔性密封可分为两种形式：开关型和伺服型两种。开关型在工作时具有两种状态：打开状态和密封状态；伺服型在工作时一直处于密封状态，但可根据被密封件的形状适时进行密封力学状态的调整。油田带压作业用防喷器的核心部件——密封胶芯与油管柱所组成的密封副就是一种典型的可控柔性密封结构。用于可控柔性密封环境下的密封材料一般是性能优异的橡胶材料，如丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶等，其工作环境主要是润滑性能较差、低黏度、高杂质含量的高压流体介质的密封场合，在石油生产、化工工业中得到广泛应用。由于可控柔性密封材料性能直接关系着密封性能，一旦失效，将造成巨大的财产损失、环境污染甚至人员伤亡。因此，材料的密封性能实验是非常重要的。但传统的往复密封实验台只能测试密封材料在某一压缩变形下的密封性能，不能体现密封的可控性能，即径向密封比压是不可调的，为此，设计了新型的往复密封实验台，该实验台用液压驱动和控制，除了能够测量传统的参数如：温度、压力、流量、泄漏等物理量之外，还可以控制密封比压大小及控制密封副的分离和实现密封，从而实现对可控柔性密封材料的密封实验。
1、实验装置设计
1.1 设计要求
基于可控柔性密封的工作特点及工况要求，结合当前流体控制技术的发展水平，研制一种能满足生产实际要求的综合密封实验台。该实验台能实现自动控制、密封工作参数测试、测试数据分析和处理等多种功能于一体，能够完成包括可控柔性密封工况模拟、密封工作压力测试、密封接触压力分布测试、摩擦力测试、温度场测试、漏失量测试、运动速度测试等指标在内的多种实验任务。
1.2 总体方案
根据设计要求，确定可控柔性密封实验台由液压泵站、液压伺服往复驱动系统、密封实验系统、介质加载及增压系统、数控采集及处理系统及辅助系统组成。液压泵站主要由变量伺服油泵、蓄能装置、液压管线系统等组成，提供并输送系统所需高压液压油；液压伺服往复驱动系统包括伺服油缸、电液伺服阀等，驱动往复密封管柱运动；密封实验系统包括实验装置、可控柔性密封单元、密封测试单元、压力测试单元、速度测试单元、温度测试单元、摩擦力测试单元等，提供高压模拟环境及相关参数的测试功能；介质加载和增压系统包括工作介质输送和增压单元，将工作介质加压后输送到密封实验装置内；数控采集及处理系统主要由控制单元、电液控制元件、各类传感器、PLC系统和计算机等组成，主要完成测试数据的提取、处理、显示及相关动作控制等。各系统间的关系如图1所示。

图1 可控柔性密封实验系统
1.3 密封测试系统设计
可控柔性密封实验系统中，密封实验系统属于核心装置，该系统提供了实验对象、实验介质和实验数据等的载体，其结构如图2所示。
系统主要由2个可控柔性密封单元、密封腔、漏失量检测单元及各类传感器组成。4个可控柔性密封单元与密封腔组成一个高压密封环境，实验介质通过水压管汇增压后进入密封腔，靠4 个可控柔性密封单元在密封抱紧液压缸的作用下抱紧密封管柱并进行保压。同时，驱动液压缸通过力传感器驱动密封管柱进行往复运动，系统配置的力、速度、加速度及压力、温度传感器实时采集数据并进行存储，系统可通过电脑对密封抱紧压力进行随时调整。可控柔性密封材料通常做成类似于闸板防喷器密封胶芯形状，通过销钉固定在闸板上，上下两端抱紧液压力通过抱紧液压缸上的活塞作用在闸板活塞杆上，从而作用在密封副上，其作用力可近似为密封抱紧力。装置按照35MPa的工作压力设计，工作介质若为水基，则温度范围为0~60℃；若为导热油，则实验温度可达100℃以上。

图2 密封测试系统示意图
2、液压系统设计
由图1可知，可控柔性密封实验装置的液压系统在整个装置中处于十分重要的位置，主要作用包括：为往复运动提供驱动能量，为可控柔性密封抱紧管柱提供驱动力并进行伺服调整，为工作介质提供增压驱动力等作用。从液压系统的装置来说，主要包括液压泵站、各类控制阀件、液压管线、增压装置、密封加载系统、同步抱紧系统等。根据设定要求，液压泵采用恒压变量泵，最高输出压力位20MPa，最大输出流量为90L/min，装机功率为30kW；油箱容积为1200mm×900mm×700mm＝756L；配置25L蓄能器。驱动油缸直径D=63mm，活塞杆直径为45mm，最大行程S=400mm；往复频率最高0.5Hz；最大驱动力为60kN。增压装置采用液动增压泵，增压比为3.5∶1。密封加载系统主要是对工作介质进行过滤、对密封腔进行灌注并对工作介质进行初步加压。若工作介质有温度要求，还需要加热装置等。同步抱紧系统主要由4个抱紧液压缸组成，完成图2中左右2个密封单元的密封抱紧。控制最大抱紧液压不超过10MPa，调整系统设置让4缸实现同步运动。液压原理图如图3所示。

图3 可控柔性密封实验装置液压原理图
液压泵站泵出液压油分为三路：一路通往伺服驱动系统，为驱动液压缸提供能量，驱动液压缸活塞杆通过力传感器带动图2中的管柱进行往复运动；一路通往增压装置，为液压系统增压提供能量；另外一路作为控制油路控制4个抱紧液压缸的抱紧力，也就是控制可控柔性密封副之间的密封比压。密封加载系统主要由小排量齿轮泵组成，最高输出压力不超过10MPa，最大流量为20L/min，装机功率5kW。增压系统的输出回路与加载系统出口相连接，同时加载系统与增压系统入口相连接。工作时，齿轮泵先向密封腔灌注，等密封腔灌满工作介质时，启动增压装置进行打压，直到密封腔压强达到预定压强为止。密封加载系统中高低压之间通过单向阀进行隔离。
系统设计的难点在于4个抱紧液压缸的同步问题，图中G1、G2配合控制图2中左边密封副启闭，G3、G4配合控制图2中右边密封副的启闭，若同步性能较差的话，容易导致被密封的管柱出现偏斜，对中不好，从而导致密封失败，因此需要采取措施保证4个抱紧液压缸G1、G2、G3、G4同步。在液压传动中，液压缸同步一般可采用串联同步回路、调速阀同步回路、同步马达实现同步回路、数字液压缸回路及同步阀回路等，4缸同步回路的控制在技术上也是可行的，综合各方考虑，采用3个同步阀控制的同步回路。同步阀2、3到同步阀1之间的油路要相同，同步阀2、3出口到4个液压缸上腔进油口油路也要相同，尽量保证4个抱紧油缸出口油路到管汇相交地方油路相同，若出现不同步现象可以通过微调同步阀进行校正。抱紧系统中由单向阀和溢流阀组成的背压阀作用是避免冲击对密封材料的破坏。
可控柔性密封的工作方式有别于传统的往复密封，其密封失效机理也与传统的填料密封或其它柔性密封不同，用传统的往复密封实验台来测试其密封性能并不能完全反映实际工况。可控柔性密封实验台可以模拟可控柔性密封工作环境和状态，实现对密封材料的动静密封性能测试并研究不同参数对密封性能的影响，还能测试不同介质、温度、速度、密封比压及密封表面状况联合作用下，对密封材料的寿命影响。在油田生产中凡是在苛刻工况下用到的可控柔性密封材料基本依赖进口，这方面除了我国高分子材料工程方面的因素外，没有合理的密封检测系统也是影响因素之一，因此可控柔性密封实验台具有现实意义。