基于NI PXI Express平臺的石油管復(fù)合擠毀試驗機控制

應(yīng)用領(lǐng)域：

石油工業(yè)、石油管工程、重型試驗機、集中式控制與數(shù)據(jù)采集

挑戰(zhàn)：

石油管復(fù)合擠毀試驗機用于對油管和套管施加軸向載荷(拉伸或壓縮)、側(cè)向彎曲、外壓及內(nèi)壓，模擬石油管柱在井下所受復(fù)合載荷工況。該設(shè)備載荷大、壓力高，試驗危險性強;而且試驗中需要同時控制多個子系統(tǒng)，完成多物理量閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)同步采集。這二者對控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體穩(wěn)定性、硬件功能及軟件并行處理能力提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

應(yīng)用方案：在控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建中，采用NI X系列多功能卡和集傳感器供橋、信號調(diào)理與采集功能一體的同步數(shù)據(jù)采集卡，配以工業(yè)數(shù)字I/O卡，插入8槽PXI-E機箱滿足控制與數(shù)據(jù)采集通道要求。軟件方面，利用LabVIEW 2011 軟件開發(fā)平臺的并行處理特長，完成多物理量并行閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)同步采集。

使用的產(chǎn)品：

LabVIEW 2011 軟件開發(fā)平臺

PXIe-1082 8槽3U PXI-E機箱

PXIe-6363 X系列多功能卡

PXI-6515 工業(yè)數(shù)字I/O卡

PXIe-4330 應(yīng)變與橋路傳感器數(shù)據(jù)采集卡

PXIe-4353 熱電偶數(shù)據(jù)采集卡

PXIe-8375x4 MXI光纖通訊卡

PCIe-8375x4 MXI光纖通訊卡

一、引言

套管、油管及鉆柱構(gòu)件(鉆桿、鉆鋌、方鉆桿等)統(tǒng)稱油井管。油井管是石油工業(yè)的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，油井每鉆進1米，約需油井管62千克，其中套管48千克，油管10千克，鉆桿3千克，鉆鋌0.5千克。油田裝備資產(chǎn)中，油井管約占60%。而油井管在井下的服役條件極端惡劣。油管和套管管柱經(jīng)常要承受上千個大氣壓的內(nèi)壓或外壓，幾百噸的拉伸或壓縮載荷，還有高溫及腐蝕介質(zhì)侵蝕。油井管一旦在井下發(fā)生斷裂掉井事故，會造成巨大的損失，甚至直接導(dǎo)致油井報廢。油井管的質(zhì)量和壽命直接決定了油井乃至油田的壽命。

油井管下井前必須經(jīng)過一系列嚴格的檢測試驗以評估其性能，而石油管復(fù)合擠毀試驗機則是這些試驗的核心設(shè)備。復(fù)合擠毀試驗機能夠?qū)τ凸芎吞坠苷苁┘永?、壓縮、彎曲、外壓、內(nèi)壓、加熱等多種載荷，模擬管柱在井下的實際工況。無論是按照標準評價油管和套管螺紋連接性能，還是在對特殊螺紋密封性、油井管在苛刻工況下力學行為的研究中，該試驗機均發(fā)揮著不可替代的作用。

二、試驗機組成與設(shè)計原則

石油管復(fù)合擠毀試驗機的外觀如圖1所示。它的組成包括載荷框架、液壓油源、高壓水加壓泵站、高壓氣加壓泵站和控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)五個部分。

圖1 石油管復(fù)合擠毀試驗機

載荷框架主要包括軸向載荷臺架和兩個外壓擠毀缸，起容納試樣功能。液壓油源為軸向載荷和側(cè)向彎曲液壓缸提供動力。高壓水加壓泵站為外壓擠毀缸注入高壓水，使試樣承受外壓。高壓氣加壓泵站為試樣內(nèi)部注入高壓氣體，使試樣承受內(nèi)壓?？刂婆c數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)配上述四部分工作，同時采集試驗過程中的多物理量數(shù)據(jù)反饋。

三、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能與硬件搭建

控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要監(jiān)視液壓油源、高壓水加壓泵站和高壓氣加壓泵站三者的工作狀態(tài)，控制試樣所受軸向載荷、側(cè)向彎曲、內(nèi)壓及外壓的大小和加載速率。系統(tǒng)需要控制的子系統(tǒng)和部件如圖2所示。

液壓油源中的電機帶動柱塞泵或齒輪泵提供動力。換向閥起通斷開關(guān)作用。溢流閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，安全溢流。伺服閥控制軸向載荷大液壓缸和兩個側(cè)向彎曲小液壓缸。伺服閥通過調(diào)節(jié)液壓缸兩腔壓力，實現(xiàn)載荷或位移閉環(huán)控制，為試樣施加軸向載荷及側(cè)向彎曲載荷。同時，油源上還裝有油箱液位傳感器、溫度傳感器。大液壓缸兩腔裝有高精度壓力傳感器。所有管路連接油箱的吸油、回油口都裝有帶數(shù)字信號反饋的油濾。

高壓水加壓泵站與高壓氣加壓泵站類似。兩個電控調(diào)壓閥分別調(diào)節(jié)泵頭入口壓縮空氣壓力和卸壓閥壓力，從而控制試樣內(nèi)壓和外壓的升降。多個電磁閥分別控制泵的開關(guān)與保壓氣控閥通斷。監(jiān)控傳感器反饋入口壓縮空氣壓力和管路內(nèi)壓力，保證泵站安全。

除去控制上述執(zhí)行元件外，系統(tǒng)還需要采集試驗過程中試樣的壓力、力、位移、應(yīng)變、溫度等傳感器反饋信號。

圖2 控制子系統(tǒng)與部件圖

如上所述，控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要同時具備模擬量輸入和輸出(AI和AO)、數(shù)字量輸入和輸出(DI和DO)以及多物理量數(shù)據(jù)采集通道。復(fù)合擠毀試驗載荷大、壓力高，試驗危險性強，要求控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝位置盡量遠離危險源且工作穩(wěn)定性高。

考慮到上述因素，在系統(tǒng)搭建中采用基于NI PXI-E平臺的集中式控制與數(shù)據(jù)采集方式。將控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有硬件安裝在一臺現(xiàn)場主控制柜中?？刂乒裎挥谠囼灥乜咏锹渲?，距離試樣8米左右。主控制柜中的PXIe-1082 8槽3U機箱通過PXIe-8375x4和PCIe-8375x4 MIX卡連接30米光纖與控制室內(nèi)的工業(yè)控制計算機通訊，實現(xiàn)遠程操控。這種架構(gòu)方式有以下三個優(yōu)點：

(1)試驗過程中人員安全性高。試驗中操作人員處于控制室中，與試樣直線距離超過20米。

(2)保證系統(tǒng)硬件安全?？刂婆c數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有硬件安裝在現(xiàn)場主控制柜中。與分布式控制與數(shù)據(jù)采集方式相比，雖然增加了主控制柜內(nèi)接線工作量，但減少了軟件接口，同時降低了因執(zhí)行機構(gòu)失控造成系統(tǒng)硬件損壞的概率。

(3)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性提高。試驗中多數(shù)傳感器安裝在試樣上，如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)距離試樣太遠，傳感器連接導(dǎo)線過長，干擾和噪音會影響信號質(zhì)量。特別是試驗機液壓油源中配有大功率電機和變頻器，多個傳感器反饋信號為毫伏級電壓，更會加劇長導(dǎo)線的影響。因此，主控制柜必須放置在試驗地坑中而不是控制室內(nèi)。而主控制柜中的PXIe機箱通過MIX通訊卡和光纖與控制室內(nèi)的工業(yè)控制計算機連接，數(shù)據(jù)傳輸速度快且穩(wěn)定性高。