一种压裂泵液力端柱塞及阀芯位置检测系统的制作方法

本发明涉及石油矿场机械技术领域，特别是涉及一种压裂泵液力端柱塞及阀芯位置检测系统。

背景技术：

近年来，国内各油田相继进入中后开采期，以及复杂岩性油气藏、高压、超高压、深井、超深井、异常高压地层、四低储层（低渗、低压、低产、低丰度）、水平井、多分支等复杂结构井的不断增多，使得原油开采的难度愈来愈大。为保证高效的原油采收率，大功率、大排量、超高压的压裂机组在各大油田夜以继日的投入生产，功不可没。

目前国内压裂机组生产厂家主要集中在以中石化石油工程机械有限公司第四机械厂为代表性的重量级企业。山东烟台杰瑞石油装备技术有限公司经过十五载的研制与技术攻关，在业界也具有举足轻重的地位。占据市场份额较小的企业则有兰州通用机器制造有限公司、宝鸡石油机械厂、兰州矿场机械有限公司、湖北中油科昊机械制造有限公司、永泰集团宁波高压泵厂、上海清河机械有限公司等。虽然国内进入压裂设备生产制造行业的企业呈逐年增多之势，且具有市场领导者的重量级企业一直在大力发展和创新。但就目前国内压裂机组的使用现状来看，仍存在一些缺陷。现有的国产压裂装备整体作业能力普遍偏低，在非常规油气田及深井油井等工况中作业效果较差，泵头体及其他关键零部件的实际使用寿命远小于设计使用寿命。

出厂检测是压裂设备投入使用前的最后一道工序，也是最关键的一步。出厂检测的作用主要体现在：一方面，对压裂设备在近似工况下进行不同输入参数的试运行工作，可以及时有效地发现该泵可能存在的由于设计或制造过程中产生的问题，保证压裂设备厂家所出产的每一台设备的质量；另一方面，用于实施出厂检测的试验台架，可以帮助研发人员弄清设备在近似工况下正常运行时关键部件及主要技术参数的变化特征，通过比对试验结果和理论设计结果，进一步优化压裂设备的设计和制造。然而，从目前国内厂家所搭建的用于出厂检测的试验台架还不够完善，检测的关键技术参数相比设计参数还远远不够，对于压裂设备内部关键部件及主要参数的研究分析较为缺乏。为更为有效地保证设备出厂质量和深入地研究设备各个部件的工作机理，急需一套完善的压裂设备检测系统。

随着科学技术的持续发展，检测技术在硬件和软件方面均得到了巨大提高。基于现有技术，完全可以实现科研单位和工业单位对恶劣、复杂环境下被测物的工作参数的高精度检测需求。

鉴于此，本发明人凭借多年的相关设计和制造经验，采用实验测定压裂泵液力端柱塞、排出阀阀芯、吸入阀阀芯的实时位置，提出一种压裂泵液力端柱塞及阀芯位置检测系统，为压裂泵液力端出厂检测、现场实验、后期优化设计提供实验装置与方法。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种压裂泵液力端柱塞及阀芯位置检测系统。该系统能够获取压裂泵工作过程中液力端的关键工作参数，包括柱塞位置、排出阀芯位置、吸入阀芯位置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种压裂泵液力端柱塞及阀芯位置检测系统，其特征在于：包括数据检测系统与数据处理系统；所述数据检测系统包括用于实时获取压裂泵液力端柱塞位置的柱塞位移传感器，包括用于实时获取排出阀阀芯位置的排出阀位移传感器，包括用于实时获取吸入阀阀芯位置的吸入阀位移传感器，包括用于实时采集数据的数据采集器；所述的数据处理系统包括用于实时显示各个传感器数据的数据采集软件及上位机。

所述的柱塞位移传感器、排出阀位移传感器、吸入阀位移传感器的基本结构相似，工作原理均采用线性可变差动变压器（lvdt）。通过建立数学模型，在各个位移传感器基体周围缠绕有感应线圈，并在基体内腔放置有铁芯，实现被测物位置的精准测量。

所述的柱塞位移传感器配有专用的固定支架，固定支架与压裂泵液力端排出端法兰连接，柱塞位移传感器基体与固定支架通过螺纹连接，柱塞位移传感器拉杆通过特殊连接装置与卡箍连接。

所述的排出阀位移传感器基体材料为304不锈钢，传感器基体设计耐压值为200mpa，且通过实际耐压测试，测试结果为在160mpa压力下，基体平均形变量（恒压两分钟）≤0.013mm，同时具有耐腐蚀的特点。排出阀位移传感器基体穿过锁紧螺母，并与排出堵头通过螺纹连接，所使用的螺纹规格、有效啮合长度均通过强度校核。排出阀位移传感器基体与排出堵头的连接处安装有可抵抗500mpa压力的高压密封圈。传感器拉杆一端与排出阀阀芯上端连接，另一端安装有铁芯及导向环。

所述的吸入阀位移传感器基体通过固定底座安装在吸入管总管汇底端，传感器拉杆上端与吸入阀阀芯底端连接，传感器拉杆下端安装有铁芯及导向环。吸入阀位移传感器基体具有细长的特点，既可以降低基体对吸入管流场的影响，又可以保证吸入阀位移传感器拉杆不受流体的径向冲击。

所述的数据采集器实现对所有传感器输出的数据进行同步采集，且各通道的采集频率可以实现自定义设置。

本发明还提出使用该压裂泵液力端柱塞及阀芯位置检测系统的方法，包含以下步骤：

1）将所述排出阀位移传感器安装在排出堵头上：①将已安装排出阀位移传感器铁芯及导向环的排出阀位移传感器拉杆与排出阀阀芯上端进行螺纹配合；②将所述排出阀位移传感器基体与排出堵头进行螺纹配合，基体与堵头之间放置有所述密封圈；

2）将所述吸入阀位移传感器安装在吸入管上：①将已安装吸入阀位移传感器铁芯及导向环的吸入阀位移传感器拉杆与吸入阀阀芯底端进行螺纹配合；②将所述固定底座焊接至吸入管底端，并将所述吸入阀位移传感器基体与与底座进行螺纹配合；

3）将所述柱塞位移传感器安装在液力端上：①将所述固定支架安装在排出端法兰；②将所述柱塞位移传感器基体装入固定支架中并保证两者同轴，对柱塞位移传感器基体进行固定；③将所述柱塞位移传感器拉杆通过特殊连接装置与卡箍进行固定，并通过柱塞轴向移动检测和确保拉杆与柱塞的轴线平行；

4）将所述排出阀位移传感器、吸入阀位移传感器、柱塞位移传感器接入所述高速数据采集器，并在上位机pc端运行数据采集软件；

5）进行数据采集之前，将压裂泵型号、工作参数等信息录入所述数据采集软件；

6）压裂泵进入工作稳定阶段后，进行数据采集，并通过所述数据采集软件实时观测压裂泵液力端三个位移量的变化曲线及时值；

7）数据采集两分钟，并将数据及时保存，所述高速数据采集软件将以工作参数及时间为名称对数据文件进行命名。

本发明具有以下优点：（1）本发明能够准确检测压裂泵液力端柱塞位置、排出阀阀芯位置、吸入阀阀芯位置等关键参数；（2）本发明给出了柱塞位移传感器、排出阀位移传感器、吸入阀位移传感器的基本结构和安装方式；（3）本发明能够根据科研工作的不同需求，自定义设置各个通道的采集频率，既可以提高所测量数据的精度，又可以降低数据后处理工作的时间成本；（4）本发明能够实时监测压裂泵在作业过程中其液力端各个零部件的运动状态，方便现场作业人员实时监测和提前判断零部件是否故障；（5）本发明所设计的各个传感器的安装方式均以不损坏液力端基体为原则，安装及拆卸较为方便，且易于更换。

附图说明

图1为本发明的基本构架图；

图2为本发明装置的安装结构示意图的剖面图；

图3为本发明装置的安装结构示意图的右视图；

图4为本发明装置的排出阀位移传感器基本结构及安装方式图；

图5为本发明装置的吸入阀位移传感器基本结构及安装方式图；

图6为本发明装置的柱塞位移传感器基本结构及安装方式图。

图中，1-排出阀位移传感器，2-排出堵头，3-排出阀阀芯，4-吸入阀阀芯，5-吸入管，6-固定底座，7-吸入阀位移传感器，8-压裂泵液力端，9-柱塞，10-卡箍，11-连接装置，12-柱塞位移传感器拉杆，13-柱塞位移传感器，14-固定支架，15-排出阀位移传感器基体，16-排出阀位移传感器感应线圈，17-排出阀位移传感器铁芯，18-排出阀位移传感器拉杆，19-锁紧螺母，20-密封圈，21-吸入阀位移传感器拉杆，22-吸入阀位移传感器基体，23-吸入阀位移传感器感应线圈，24-吸入阀位移传感器铁芯，25-螺帽，26-排出端法兰，27-柱塞位移传感器基体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下描述：

如图1所示，一种压裂泵液力端柱塞及阀芯位置检测系统，它包括数据检测系统、数据处理系统。数据检测系统包括多个高精度位移传感器及一台数据采集器，通过在对应位置分别安装传感器，可实时获取压裂泵液力端8各个工作缸内的柱塞9位置、排出阀阀芯3位置、吸入阀阀芯4位置三种关键参数，并传送至数据采集器。数据处理系统用以调取数据采集器所采集的实时数据，并加以处理分析，通过上位机界面实时显示。

如图2所示，所述的数据检测系统由柱塞位移传感器13、排出阀位移传感器1、吸入阀位移传感器7以及高速数据采集器组成。柱塞位移传感器13安装在压裂泵液力端8侧面，柱塞位移传感器基体27轴线与柱塞9轴线平行。排出阀位移传感器1安装在压裂泵液力端8顶端的排出堵头2上。吸入阀位移传感器7安装在压裂泵液力端8底端的吸入管5上。

如图3所示，所述的数据检测系统可以包含多个排出阀位移传感器1、吸入阀位移传感器7，可以实现在一次出厂测试或现场作业中同时测量压裂泵液力端8各个排出阀阀芯3、吸入阀阀芯4的实时位置、阀芯升程等关键参数，进而获取各个排出阀阀芯3、吸入阀阀芯4在同一冲次中不同时间段的运动速度、加速度等主要参数，为研发人员进行后期压裂泵二次优化设计提供非常重要的数据支持。

如图3所示，所述的排出阀位移传感器1通过螺纹连接固定在已经安装完毕的压裂泵液力端8排出堵头2上，所使用的螺纹规格、有效啮合长度均通过强度校核。在排出阀位移传感器基体15与排出堵头2的结合面之间，安装有高压密封圈20，实现压裂泵液力端8吸入腔中的液体不外漏。排出阀位移传感器拉杆18一端与排出阀阀芯3通过细螺纹连接，可以降低螺纹配合对拉杆垂直度的影响。排出阀位移传感器拉杆18另一端安装有排出阀位移传感器铁芯17，铁芯是线性可变差动变压器（lvdt）的关键构件。排出阀阀芯3在开启或者关闭时，阀芯并非垂直开启，因此在排出阀位移传感器拉杆18上放置有导向环，目的在于保证在排出阀阀芯3运动过程中排出阀位移传感器铁芯17能够顺利往复移动且不会与基体内壁产生摩擦。

如图3所示，所述的排出阀位移传感器1的测量原理为：在压裂泵作业过程中，由于柱塞9的往复运动导致液力端吸入腔内液体压力产生规律性变化。当液力端吸入腔内液体压力升高时，排出阀阀芯3在液体压力的作用下向上运动，带动排出阀位移传感器拉杆18向上运动。排出阀位移传感器拉杆18上的铁芯在排出阀位移传感器基体15内的轴向位置变化，造成基体外侧的排出阀位移传感器感应线圈15两端的电压产生相应变化。通过线性可变差动变压原理，可以计算出排出阀位移传感器铁芯17的实时位置，即排出阀阀芯3的实时位置。

如图4所示，所述的吸入阀位移传感器7安装在吸入管5上。吸入管5的正下方焊接有吸入阀位移传感器固定底座6，通过旋转吸入阀位移传感器7底端的螺帽25实现固定底座6与吸入阀位移传感器7的螺纹配合，螺纹配合处缠绕有密封材料。吸入阀位移传感器拉杆21的一端与吸入阀阀芯4通过细螺纹连接，可以降低螺纹配合对拉杆垂直度的影响。吸入阀位移传感器拉杆21另一端安装有铁芯，铁芯与拉杆之间放置有导向环。

如图4所示，所述的吸入阀位移传感器7的测量原理为：在压裂泵作业过程中，由于柱塞9的往复运动导致液力端吸入腔内液体压力产生规律性变化。当液力端吸入腔内液体压力降低时，吸入阀阀芯4在液体压力的作用下向上运动，带动吸入阀位移传感器拉杆21向上运动。吸入阀位移传感器拉杆21上的铁芯在吸入阀位移传感器基体22内的轴向位置变化，造成基体外侧的吸入阀位移传感器感应线圈23两端的电压产生相应变化。通过线性可变差动变压原理，可以计算出铁芯的实时位置，即吸入阀阀芯4的实时位置。

如图5所示，所述的柱塞位移传感器13安装在压裂泵液力端8侧面。柱塞位移传感器13配有占用的固定支架14，固定支架14安装在排出端法兰26上。柱塞位移传感器基体27装入固定支架14中，并保证两者同轴，对柱塞位移传感器基体27进行固定。将所述的柱塞位移传感器拉杆12通过特殊连接装置11与卡箍10进行固定，并通过轴向往复移动柱塞9的方式确保拉杆与柱塞9的轴线平行。

如图5所示，所述的柱塞位移传感器13的测量原理为：在压裂泵作业过程中，动力源驱动压裂泵动力端曲轴转动，曲轴通过连杆和十字头装置将曲轴的旋转运动转换为柱塞9的轴向往复运动。与柱塞9上卡箍10连接的柱塞位移传感器拉杆12同时进行往复运动，实现拉杆上铁芯在柱塞位移传感器基体27内的轴向位置变化，造成基体外侧的感应线圈两端的电压产生相应变化。通过线性可变差动变压原理，可以计算出铁芯的实时位置，即柱塞9的实时位置。

本发明产品在实施时，应遵循以下步骤：

1）将所述排出阀位移传感器1安装在排出堵头2上：①将已安装铁芯及导向环的排出阀位移传感器拉杆18与排出阀阀芯3上端进行螺纹配合；②将所述排出阀位移传感器基体15与排出堵头2进行螺纹配合，基体与堵头之间放置有所述密封圈20。

2）将所述吸入阀位移传感器7安装在吸入管5上：①将已安装吸入阀位移传感器铁芯24及导向环的吸入阀位移传感器拉杆21与吸入阀阀芯4底端进行螺纹配合；②将所述固定底座6焊接至吸入管5底端，并将所述吸入阀位移传感器基体22与底座进行螺纹配合。

3）将所述柱塞位移传感器13安装在液力端上：①将所述固定支架14安装在排出端法兰26；②将所述柱塞位移传感器基体27装入固定支架14中并保证两者同轴，对柱塞位移传感器基体27进行固定；③将所述柱塞位移传感器拉杆12通过特殊连接装置11与卡箍10进行固定，并通过柱塞9轴向移动检测和确保拉杆与柱塞9的轴线平行。

4）将所述排出阀位移传感器1、吸入阀位移传感器7、柱塞位移传感器13接入所述高速数据采集器，并在上位机pc端运行数据采集软件。

5）进行数据采集之前，将压裂泵型号、工作参数等信息录入所述数据采集软件。

6）压裂泵进入工作稳定阶段后，进行数据采集，并通过所述数据采集软件实时观测压裂泵液力端8三个位移量的变化曲线及时值。

7）数据采集两分钟，并将数据及时保存，所述高速数据采集软件将以工作参数及时间为名称对数据文件进行命名。

以上是本发明产品的具体安装方式及实验方法，该实验装置及方法可得出在不同工况下柱塞9、排出阀阀芯3、吸入阀阀芯4的实时变化曲线。这对于压裂泵液力端8出厂检测、现场实验、后期优化设计具有重要意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明的并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排出，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。