基于NI PXI Express平臺的石油管復(fù)合擠毀試驗(yàn)機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建

　　應(yīng)用領(lǐng)域：石油工業(yè)、石油管工程、重型試驗(yàn)機(jī)、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(yàn)機(jī)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(yàn)危險(xiǎn)性強(qiáng);而且試驗(yàn)中需要同時(shí)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(yán)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(jī)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(jī)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

　　正文：

　　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(jì)數(shù)據(jù)顯示，油井每鉆進(jìn)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(bào)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(yán)格的檢測試驗(yàn)以評估其性能，而石油管復(fù)合擠毀試驗(yàn)機(jī)則是這些試驗(yàn)的核心設(shè)備。復(fù)合擠毀試驗(yàn)機(jī)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(shí)際工況。無論是按照標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)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(xué)行為的研究中，該試驗(yàn)機(jī)均發(fā)揮著不可替代的作用。

　　二、試驗(yàn)機(jī)組成與設(shè)計(jì)原則

　　石油管復(fù)合擠毀試驗(yàn)機(jī)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?！　?/p>

 

　　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(shí)采集試驗(yàn)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(jī)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(shí)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(shí)，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(yàn)過程中試樣的壓力、力、位移、應(yīng)變、溫度等傳感器反饋信號。