基于NI PXI Express平臺的石油管復合擠毀試驗機控制與數據采集系統搭建

　　應用領域：石油工業、石油管工程、重型試驗機、集中式控制與數據采集

　　挑戰：石油管復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)、側向彎曲、外壓及內壓，模擬石油管柱在井下所受復合載荷工況。該設備載荷大、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，完成多物理量閉環控制和數據同步采集。這二者對控制與數據采集系統整體穩定性、硬件功能及軟件并行處理能力提出了嚴峻挑戰。

　　應用方案：在控制與數據采集系統搭建中，采用NI X系列多功能卡和集傳感器供橋、信號調理與采集功能一體的同步數據采集卡，配以工業數字I/O卡，插入8槽PXI-E機箱滿足控制與數據采集通道要求。軟件方面，利用LabVIEW 2011 軟件開發平臺的并行處理特長，完成多物理量并行閉環控制和數據同步采集。

　　使用的產品：

　　LabVIEW 2011 軟件開發平臺
　　PXIe-1082 8槽3U PXI-E機箱
　　PXIe-6363 X系列多功能卡
　　PXI-6515 工業數字I/O卡
　　PXIe-4330 應變與橋路傳感器數據采集卡
　　PXIe-4353 熱電偶數據采集卡
　　PXIe-8375x4 MXI光纖通訊卡
　　PCIe-8375x4 MXI光纖通訊卡

　　正文：

　　一、引言

　　套管、油管及鉆柱構件(鉆桿、鉆鋌、方鉆桿等)統稱油井管。油井管是石油工業的基礎。據統計數據顯示，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。油管和套管管柱經常要承受上千個大氣壓的內壓或外壓，幾百噸的拉伸或壓縮載荷，還有高溫及腐蝕介質侵蝕。油井管一旦在井下發生斷裂掉井事故，會造成巨大的損失，甚至直接導致油井報廢。油井管的質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過一系列嚴格的檢測試驗以評估其性能，而石油管復合擠毀試驗機則是這些試驗的核心設備。復合擠毀試驗機能夠對油管和套管整管施加拉伸、壓縮、彎曲、外壓、內壓、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，該試驗機均發揮著不可替代的作用。

　　二、試驗機組成與設計原則

　　石油管復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據采集系統五個部分。　　

 

　　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部注入高壓氣體，使試樣承受內壓。控制與數據采集系統調配上述四部分工作，同時采集試驗過程中的多物理量數據反饋。

　　三、控制與數據采集系統功能與硬件搭建

　　控制與數據采集系統需要監視液壓油源、高壓水加壓泵站和高壓氣加壓泵站三者的工作狀態，控制試樣所受軸向載荷、側向彎曲、內壓及外壓的大小和加載速率。系統需要控制的子系統和部件如圖2所示。

　　液壓油源中的電機帶動柱塞泵或齒輪泵提供動力。換向閥起通斷開關作用。溢流閥調節系統壓力，安全溢流。伺服閥控制軸向載荷大液壓缸和兩個側向彎曲小液壓缸。伺服閥通過調節液壓缸兩腔壓力，實現載荷或位移閉環控制，為試樣施加軸向載荷及側向彎曲載荷。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。兩個電控調壓閥分別調節泵頭入口壓縮空氣壓力和卸壓閥壓力，從而控制試樣內壓和外壓的升降。多個電磁閥分別控制泵的開關與保壓氣控閥通斷。監控傳感器反饋入口壓縮空氣壓力和管路內壓力，保證泵站安全。

　　除去控制上述執行元件外，系統還需要采集試驗過程中試樣的壓力、力、位移、應變、溫度等傳感器反饋信號。