0 引言

         往復泵在石油礦場中廣泛應用于石油鉆井、酸化壓裂、注水等生產中。隨著石油工業(yè)對往復泵的要求越來越高，往復泵向著輸出壓力高、流量大、制造和維修方便、流量壓力脈動小、體積和重量小等方向發(fā)展。我國往復泵行業(yè)產量超過 460 萬臺，消費量超過 418 萬臺，且每年以 10%～15%的速度增長。

 

         國內關于 1640 kW （2200 HP） 及以下鉆井泵、1864 kW（2500 HP）及以下壓裂泵的滿功率傳動試驗系統(tǒng)較少，特別是能夠滿足 1640 kW 以上鉆井泵、1700 kW 以上壓裂泵的部分功率各項試驗。機械工業(yè)上海藍亞石化設備檢測所有限公司作為國家鉆采煉化設備質量監(jiān)督檢驗中心，建設了具備上述試驗能力的傳動試驗裝置。該系統(tǒng)從 2011 年立項，歷時 4 年建成，為我國石油鉆采行業(yè)鉆井泵與壓裂泵的性能測試提供一個非常好的的檢驗檢測平臺，必將促進我國鉆井泵與壓裂泵產品向巨型化、高可靠性、高效能方向發(fā)展，達到世界技術kao_qian水平。 

 

1 設計原則

         （1）實用原則。試驗系統(tǒng)設計可滿足目前國內使用非常多的鉆井泵滿功率試驗，同時兼顧國內目前常規(guī)非常大功率鉆機絞車滿功率試驗。能滿足包括壓裂泵在內的石油工業(yè)用泵的型式試驗、性能鑒定以及商檢等功能。以追求實用、設備利用率較高為原則。 

         （2）可擴展性原則。試驗系統(tǒng)設備配置及試驗工藝設計在保證當前產品測試功能的前提下，同時留有可擴展的空間。 

         （3）非常大靈活性原則。試驗系統(tǒng)設計盡可能采用靈活多變的裝卡方式，方便以后各種試驗要求。 

 

2 動力系統(tǒng)配置

         （1）直流電機。配有 750 kW、1600 kW 和 2000 kW 直流電機作為測試系統(tǒng)動力源，根據(jù)測試對象額定功率不同，可匹配不同規(guī)格電機。750 kW 直流電機基轉速為 1125 r/min，非常高轉速為 2000 r/min，非常大扭矩可達 7213 N·m；1600 kW 直流電機基轉速為 650 r/min，非常高轉速為 1000 r/min，非常大扭矩可達 21 900 N·m；2000 kW 直流電機基轉速為 313 r/min，非常高轉速為 1000 r/min，非常大扭矩可達 60 000 N·m。 

         （2）變速器。2000 kW 增速器 2 臺，1 臺增速比為 1∶1.5，輸入轉速為 0～1000 r/min；另 1 臺增速比為 1∶2.118，輸入轉速為0～1000 r/min。2000 kW 減速器 3 臺，2 臺減速比為 1.909∶1，輸入轉速為 0～1000 r/min；另 1 臺減速比為 1.423∶1，輸入轉速為350～526 r/min，作為二級減速設備；齒輪變速器 1 臺，增速比為1∶1.79、減速比為 2.19∶1，作為備用。變速器配有專門的冷卻潤滑系統(tǒng)，確保變速器正常運轉。 

         （3）連接設備。1 臺聯(lián)軸器，若干半尺法蘭和過度法蘭。 

         （4） 扭矩轉速傳感器。用于測量往復泵輸入轉速與輸入扭矩。配有不同規(guī)格若干臺，根據(jù)不同測試對象進行匹配安裝，具體參數(shù)：DSTP-5000 非常大負載扭矩為 49 000 N·m，非常高轉速為1500 r/min，JC4B 非常大負載扭矩為 50 000 N·m，非常高轉速為2000 r/min，DSTP-2000 非常大負載扭矩為 19 600 N·m，非常高轉速為 2000 r/min，DSTP-1000 非常大負載扭矩為 9800 N·m，非常高轉速為 1000 r/min。 

 

3 循環(huán)系統(tǒng)

         （1）高壓管匯。2 英寸高壓管線，額定壓力 140 MPa；4 英寸高壓管線，額定壓力 70 MPa。 

         （2）憋壓閥組。用于調節(jié)循環(huán)介質（清水）壓力�？蛰d循環(huán)時所有調節(jié)閥處于全開位置，逐級加壓的過程中，調節(jié)閥按照固定順序逐漸關閉，壓力變送器實時監(jiān)測閥前后壓力，確保每臺閥門的閥前、閥后壓力在規(guī)定范圍內；泄壓過程中閥門動作順序相反。 

         （3）低壓管匯。為 4 英寸常壓管線，法蘭連接。設計時保有一穩(wěn)壓段，用于安裝電磁流量計，穩(wěn)壓段分為兩路，4 英寸管線走大流量，2 英寸管線走小流量，用以提高流量測量精度。通過電動閘閥切換管路。低壓管匯末端需提供背壓，以確保流量測量時為滿管狀態(tài)。 

         （4）循環(huán)水箱。循環(huán)水箱為 4×45 m3，用于循環(huán)介質（清水）過渡存儲。灌注泵 2 臺，流量 300 m3/h，揚程 50 m，功率 75kW，一備一用，通過電動閘閥進行切換。水箱配有排泄口與注水口，用于循環(huán)介質（清水）的排放與注入。 

         （5）吸入管匯。為低壓管線，通徑 12 英寸。一端與灌注泵相連，同時與循環(huán)水箱直接相通，用于往復泵自吸測試，通過電動閘閥進行切換。吸入管匯另一端通過金屬軟管與往復泵連接。 （6） 主要儀表。壓力變送器測量往復泵排出壓力和吸入壓力；電磁流量計測量往復泵排出流量和吸入流量；溫度變送器分別測量往復泵排出溫度和吸入溫度。 

 

4 控制測試系統(tǒng)

         （1）測量控制系統(tǒng)。采用先進可靠的自動控制和數(shù)據(jù)自動采集、處理系統(tǒng)。根據(jù)往復泵、傳動機組或其他被試件的相關標準要求，自動設置試驗程序，自動或手動完成試驗，記錄打印表格和特性曲線，超限報警，現(xiàn)場視頻監(jiān)控設施等；測功機校準裝置（靜、動校準）。 

         （2）測量參數(shù)。泵出口壓力、流量、泵沖次、輸入扭矩、輸入轉速、試驗液溫度、關鍵部件溫度等。因泵出口壓力波動較大，且有滯后，應具備瞬間采集數(shù)據(jù)能力，并能提供較長時間段（以 s 為單位）的平均值，否則無法計算泵的效率。 

         （3）計算數(shù)據(jù)。泵的容積效率、總效率等�？紤]各種過載保護和聯(lián)動防止誤操作，特別是電機電流、高壓管匯壓力及傳動軸扭矩等會引起重大事故的控制點，應設置過載保護。儀表精度應小于 0.2%。 

 

5 系統(tǒng)設備方案

         （1）設備組成。動力設備（直流電機）+傳動設備（變速器）+被測設備（往復泵）+循環(huán)系統(tǒng)。其中循環(huán)系統(tǒng)包括：高壓管線（與往復泵液力端排出口相接）+憋壓閥組+低壓管線+循環(huán)水箱+吸入管線（與往復泵液力端吸入口相接）。 

         （2）測試參數(shù)。扭矩轉速傳感器（與被測設備動力端輸入軸相連），用于測量被測設備的輸入扭矩和輸入轉速；電磁流量計（安裝于低壓管線直管段），用于測量被測設備的排出流量；壓力變送器（安裝于被測設備液力端排出口），用于測量被測設備的排出壓力；壓力變送器（安裝于被測設備液力端吸入口），用于測量被測設備的吸入壓力；溫度變送器（安裝于被測設備液力端吸入口）；電磁流量計（安裝于被測設備液力端吸入口），用于測量被測設備的吸入流量。 

         （3）憋壓過程。當被測設備達到額定測試轉速后，需要按照測試方案的要求進行憋壓。憋壓閥組逐級加壓過程中，調節(jié)閥按照固定順序逐漸關閉；調節(jié)閥在逐次關閉過程中要保持閥門壓力不高于試驗系統(tǒng)的閥門壓力，閥前后壓力由壓力變送器實時監(jiān)測，確保每臺閥門的閥前、閥后壓力在規(guī)定范圍內；泄壓過程中閥門的動作順序相反。 

         （4）測試結果。當被測設備的輸入轉速、排出壓力達到穩(wěn)定狀態(tài)后，可測得電磁流量計的排出流量，以及扭矩轉速傳感器的輸入扭矩，根據(jù)上述 4 個參數(shù)可得出往復泵的總效率、容積效率。 

         （5）裝夾定位。管路系統(tǒng)采用固定基座，安裝定位后不再隨試驗泵不同而變化；吸入管和排出管采用可移動柔性連接方式。動力、測量及被試泵的裝夾定位采用工字鋼排列而成的鋼底座，可方便適應不同泵的裝卡，安裝。也可采用簡單的底座，適應幾種固定形式的泵。 

         （6）試驗液冷卻。采用一套強制冷卻系統(tǒng)，散去試驗液產生的熱量，保持試驗液溫升在一定范圍內。變速箱采用強制冷卻系統(tǒng)，配置兩套潤滑油冷卻系統(tǒng)，潤滑油采用水冷；循環(huán)水罐及強制冷卻系統(tǒng)安裝在試驗廠房外，用管線連接。 

 

6 結論

         往復泵測試系統(tǒng) 2015 年 10 月建設完成，當年通過了上海市質量技術監(jiān)督局及國家質量技術監(jiān)督局驗收。試驗室布置、設備配置、控制水平、測試精度、測試范圍（動力、流量）、安裝和節(jié)能減排等方面都達到了國家先進水平。近幾年先后為國內多家往復泵生產企業(yè)進行了型式試驗，測試的泵型號：F2200、F1600、F1300泥漿泵，YL2800-70、YL2500-105、YL1400-140 壓裂泵；測試過程及測試結果均得到了往復泵生產企業(yè)的認可，也為企業(yè)往復泵的技術升級和產品改進提供了非常準確的非常好手現(xiàn)場數(shù)據(jù)。