一種超高壓泵頭體自增強的自緊密封與應力測試裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種超高壓泵頭體自增強的自緊密封與應力測試裝置，屬超高壓容器的泵頭體自增強【技術領域】。它由超高壓泵頭體、水平密封錐桿、信號引出密封錐、水平密封調整桿、O型密封圈、信號引出桿、有機玻璃密封錐環、快插拔接頭、高強度漆包線、應變片和接線過渡板構成。該裝置的各密封面都采用錐面硬密封，當泵頭體內腔中的液壓力越高時密封面上的壓力越大，能夠確保超高壓下的密封可靠性；且各密封面在低壓或無壓狀態時的密封性可在組裝時由螺紋預緊力的大小來控制。具有安裝方便，接線方便快捷的特點。該裝置采用有機玻璃密封錐環、O型密封圈和導線引出桿組合使用，解決了從超高壓密封容器中引出導線，實時測試器壁應力的難題。
【專利說明】一種超高壓泵頭體自增強的自緊密封與應力測試裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種超高壓泵頭體自增強的自緊密封與應力測試裝置，屬超高壓容器的泵頭體自增強【技術領域】。
【背景技術】
[0002]在石油與天然氣開采中，油氣井與油氣層之間的孔隙不發達或者被堵塞，會嚴重影響油氣井的產量。因此，有必要人為地改善油氣層的物理結構，擴大、延伸、疏通地層孔隙，降低油氣流動阻力，提高地層滲透能力。實踐證明，壓裂工藝是實現此目的的最有效的措施之一。實施壓裂作業的最主要設備是壓裂泵，而壓裂泵的泵頭體是價格昂貴的易損件。泵頭體的內腔結構復雜，工作時承受IOOMPa以上超高壓脈動循環的壓裂液作用，在交變應力與腐蝕介質的作用下，其內腔的相貫線附近應力集中現象明顯，容易萌生疲勞裂紋并迅速擴展。
[0003]自增強處理是提高泵頭體疲勞強度的一種有效措施，其實質是對服役前的泵頭體施加比工作壓力高得多的內壓(400?500MPa)，使內層材料在超高壓液體的作用下發生塑性變形，而外層材料仍處于彈性變形階段，在內部高壓卸除后，外層材料壓縮內層材料，使內腔表面產生殘余壓應力。殘余壓應力的存在可以部分抵消泵頭體內腔中的介質壓力影響，因此，泵頭體整體應力分布更加均勻，特別是能改善泵頭體中相貫線處的應力集中狀況，從而使得構件的疲勞強度得以大幅度提高。
[0004]采用液壓油加壓是目前最適合泵頭體自增強的加壓方式，即把泵頭體內部十字交叉孔的四個方向堵塞密封后，向其內部注入高壓液體。一方面，由于泵頭體實施自增強的工藝步驟處于內腔已基本成型之后，使得密封方式、承壓區域和變形區域受限，很難做到既方便、安全、可靠地實現密封和加壓，又能使泵頭體受到的變形影響最小；另一方面，在泵頭體自增強加壓過程中，腔體內表面相貫線區域的應力變化和殘余應力值是重要數據，準確測量超高壓腔體內表面的應力值并傳輸到泵頭體外，難度很大。以上兩方面的技術難題限制了自增強技術在泵頭體上的應用。
【發明內容】
[0005]本實用新型的目的在于，針對超高壓泵頭體自增強技術的密封和測試難題，提供一種整個裝置的各密封面都采用錐面硬密封，當泵頭體內腔中的液壓力越高時密封面上的壓力越大，能夠確保超高壓下的密封可靠性。且具有安裝方便、初始預緊力可控、接線方便快捷等特點的超高壓泵頭體自增強的自緊密封與應力測試裝置。
[0006]本實用新型是通過如下的技術方案來實現上述目的的:
[0007]該超高壓泵頭體自增強的自緊密封與應力測試裝置由超高壓泵頭體、水平密封錐桿、信號引出密封錐、水平密封調整桿、O型密封圈、信號引出桿、有機玻璃密封錐環、快插拔接頭、高強度漆包線、應變片和接線過渡板構成，其特征在于:
[0008]超高壓泵頭體內制作有水平和垂直相交的十字形通孔，水平通孔的左端為柱塞腔，右端為堵頭腔，左端柱塞腔內安裝有水平密封錐桿，右端堵頭腔內安裝有水平密封調整桿，水平密封錐桿和水平密封調整桿通過螺紋連接，水平密封調整桿的右端由里向外依次裝有密封平墊片、外錐面密封環、內錐面密封環、環孔軸向擋圈組合和外錐面螺母，環孔軸向擋圈組合由兩片環孔軸向C形擋片和兩片環孔軸向D形擋片組成，水平密封調整桿的右端通過外錐面密封環和內錐面密封環徑向支撐在超高壓泵頭體上；
[0009]垂直通孔的上端為排出腔，下端為吸入腔，排出腔和吸入腔內分別裝有信號引出密封錐，信號引出密封錐通過預緊帶孔盤和預緊拉力螺栓固定在超高壓泵頭體上；信號引出密封錐上通過六角薄螺母和尼龍墊片固裝有信號引出桿，信號引出桿上套裝有O型密封圈和有機玻璃密封錐環，信號引出桿的頂部和底部插接有快插拔接頭，底部的快插拔接頭上安裝有高強度漆包線；高強度漆包線的另一端連接有應變片和接線過渡板，應變片和接線過渡板粘貼在超高壓泵頭體內腔的十字形通孔的相貫線處，其上覆蓋有松香與凡士林混合劑的防護層。
[0010]本實用新型與現有技術相比的有益效果在于:
[0011]1、本實用新型由于各密封面都為錐面硬密封，泵頭體內腔中的液壓力越高密封面上的壓力越大，能夠確保超高壓下的密封可靠性。且各密封面在低壓或無壓狀態時的密封性，可在組裝時由螺紋預緊力的大小來控制。
[0012]2、通過錐面密封可以將液壓力分解成軸向和徑向兩個分力，減小泵頭體密封面附近的局部應力，可有效保護泵頭體的材料和內徑圓柱度。
[0013]3、采用環孔軸向擋圈組合與外錐面螺母配合使用，實現了軸向定位，擋圈可加厚、加寬，使其具有足夠的強度；而且環孔軸向擋圈組合安裝所需要的環形空間小，安裝方便。
[0014]4、通過采用有機玻璃密封錐環、O型密封圈和導線引出桿組合使用，解決了從超高壓密封容器中引出導線，實時測試器壁應力的難題，對泵頭體自增強實施過程的閉環控制提供了直接數據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為一種超高壓泵頭體自增強的自緊密封與應力測試裝置的結構示意圖；
[0016]圖2為超高壓泵頭體堵頭孔的密封結構示意圖；
[0017]圖3為環孔軸向擋圈組合的結構示意圖；
[0018]圖4為超高壓泵頭體吸入、排出孔的密封結構示意圖；
[0019]圖5為應變片粘貼與防護的結構示意圖。
[0020]圖中:1、超高壓泵頭體，2、水平密封錐桿，3、預緊帶孔盤，4、預緊拉力螺栓，5、信號引出密封錐，6、水平密封調整桿，7、密封平墊片，8、外錐面螺母，9、外錐面密封環，10、內錐面密封環，11、環孔軸向擋圈組合，12、六角薄螺母，13、尼龍墊片，14、O型密封圈，15、信號引出桿，16、有機玻璃密封錐環，17、快插拔接頭，18、高強度漆包線，19、環孔軸向C形擋片，20、環孔軸向D形擋片，21、應變片，22、松香與凡士林混合劑，23、接線過渡板。
【具體實施方式】
[0021]該超高壓泵頭體自增強的自緊密封與應力測試裝置由超高壓泵頭體1、水平密封錐桿2、預緊帶孔盤3、預緊拉力螺栓4、信號引出密封錐5、水平密封調整桿6、密封平墊片7、外錐面螺母8、外錐面密封環9、內錐面密封環10、環孔軸向擋圈組合11、六角薄螺母12、尼龍墊片13、O型密封圈14、信號引出桿15、有機玻璃密封錐環16、快插拔接頭17、高強度漆包線18、應變片21和接線過渡板23構成。
[0022]超高壓泵頭體內制作有水平和垂直相交的十字形通孔，水平通孔的左端為柱塞腔，右端為堵頭腔，左端柱塞腔內安裝有水平密封錐桿2，右端堵頭腔內安裝有水平密封調整桿6，水平密封錐桿2和水平密封調整桿6通過螺紋連接在一起；水平密封調整桿6的右端由里向外依次裝有密封平墊片7、外錐面密封環9、內錐面密封環10、環孔軸向擋圈組合11和外錐面螺母8，環孔軸向擋圈組合11由兩片環孔軸向C形擋片19和兩片環孔軸向D形擋片20組成，水平密封調整桿6的右端通過外錐面密封環9和內錐面密封環10徑向支撐在超高壓泵頭體I上。
[0023]垂直通孔的上端為排出腔，下端為吸入腔，排出腔和吸入腔內分別裝有信號引出密封錐5，信號引出密封錐5通過預緊帶孔盤3和預緊拉力螺栓4固定在超高壓泵頭體I上；信號引出密封錐5上通過六角薄螺母12和尼龍墊片13固裝有信號引出桿15，信號引出桿15上套裝有O型密封圈14和有機玻璃密封錐環16，信號引出桿15的頂部和底部插接有快插拔接頭17，底部的快插拔接頭17上安裝有高強度漆包線18，高強度漆包線18與快插拔接頭17組成信號導出線，快插拔接頭17可以快速地在信號引出桿15上插入或拔出。高強度漆包線18的另一端連接有應變片21和接線過渡板23，應變片21和接線過渡板23粘貼在超高壓泵頭體I內腔的十字形通孔的相貫線處的附近，其上覆蓋有松香與凡士林混合劑22的防護層。
[0024]所述的水平密封錐桿2、信號引出密封錐5、外錐面密封環9和內錐面密封環10采用比超高壓泵頭體I的硬度低、塑性好的材料，如20號鋼，以保證錐面硬密封在超高壓狀態下能有很高的貼合度。密封平墊片7選用銅合金材料，超高壓作用下具有較大塑性變形能力。超高壓泵頭體I在自增強處理工藝之前，需要將內腔的十字形通孔和相貫線圓角加工到位，在自增強處理完成后，將不再對相貫線處進行二次加工，其目的是使相貫線處的有效殘余應力不因加工而消減。(參見附圖1?5)。
[0025]該超高壓泵頭體自增強的自緊密封與應力測試裝置的安裝過程如下:
[0026]首先在超高壓泵頭體I內腔的的十字形通孔的相貫線圓角附近，呈90°交叉方向打磨貼片部位，再用502膠水將應變片21和接線過渡板23粘貼牢固，接好高強度漆包線18后用松香與凡士林混合劑22涂抹防護應變片21和接線過渡板23，形成防護層。
[0027]其次，在超高壓泵頭體I垂直方向的吸入腔和排出腔安裝自緊密封與應力測試裝置。即將六組信號引出桿15、有機玻璃密封錐環16、O型密封圈14、尼龍墊片13安裝在信號引出密封錐5中，擰緊六角薄螺母12，使信號引出桿15將有機玻璃密封錐環16緊緊地壓在錐孔中，達到初始密封的目的。而且有機玻璃密封錐環16、0型密封圈14和尼龍墊片13使得信號引出桿15與信號引出密封錐5之間絕緣。裝配好的信號引出密封錐5從超高壓泵頭體I堵頭腔進入內腔，分別安裝到吸入腔和排出腔的密封錐面后，裝預緊帶孔盤3，并用預緊拉力螺栓4擰緊形成初始密封力。信號引出桿15兩端插上快插拔接頭17，即可以很方便的將應變片21產生的電信號傳輸到超高壓泵頭體I之外。
[0028]然后，在超高壓泵頭體I水平方向的柱塞腔和堵頭腔內安裝自緊密封裝置。將水平密封錐桿2的外螺紋完全擰入水平密封調整桿6的螺紋孔中，使兩者成為一體后，從堵頭腔裝入水平密封錐桿2和水平密封調整桿6的組合；再依次裝入密封平墊片7、外錐面密封環9、內錐面密封環10、環孔軸向擋圈組合11和外錐面螺母8。其中，環孔軸向擋圈組合11由兩片環孔軸向C形擋片19和兩片環孔軸向D形擋片20組成，從超高壓泵頭體I與水平密封調整桿6形成的環空中裝入；具體裝入方法為:在安裝環槽內均勻涂抹適量黃油，先裝左右兩片環孔軸向D形擋片20，然后再裝入上下兩片環孔軸向C形擋片19，用尖頭鑷子夾住每塊擋片上的兩個小孔，即可方便安裝；外錐面螺母8安裝到位后，用六角扳手擰住水平密封調整桿6尾部的六角頭，給外錐面螺母8施加預緊扭矩，讓密封平墊片7得到適量的壓縮變形，形成初始密封；讓內錐面密封環10在錐面壓力作用下有一定量的脹大，形成初始密封。
[0029]最后，用兩把六角呆扳手分別擰住水平密封錐桿2和水平密封調整桿6兩端的六角頭，施加適當的扭矩使柱塞腔的錐面形成初始密封。
[0030]該超高壓泵頭體自增強的自緊密封與應力測試裝置的工作過程如下:
[0031]在未加壓狀況下，用一根小直徑塑料軟管將液壓油從水平密封調整桿6的T型孔中注入，使泵頭體密封腔內充滿液壓油。然后將超高壓液壓源的引出管接頭與水平密封調整桿6管螺紋聯接，使液壓力可以施加到泵頭體內腔，使其產生彈塑性變形。
[0032]采用階梯等級加壓和卸壓方式實施液壓自增強。加壓的時候，以最大自增強壓力
P的5%為步幅(即5%P，10%P, 15%P，......，95%P，100%P)，達到各步幅壓力后，穩壓3分鐘時
間并采集一次內腔表面應力值；卸壓的時候，以最大自增強壓力P的10%為步幅(即90%P，80%P，70%P，……，10%P，0)，達到各步幅壓力后，穩壓3分鐘時間并采集一次內腔表面應力值。
[0033]以上所述只是 本實用新型的較佳實施例而已，上述舉例說明不對本實用新型的實質內容作任何形式上的限制，所屬【技術領域】的普通技術人員在閱讀了本說明書后依據本實用新型的技術實質對以上【具體實施方式】所作的任何簡單修改或變形，以及可能利用上述揭示的技術內容加以變更或修飾為等同變化的等效實施例，均仍屬于本實用新型技術方案的范圍內，而不背離本實用新型的實質和范圍。
【權利要求】
1.一種超高壓泵頭體自增強的自緊密封與應力測試裝置，它由超高壓泵頭體(I)、水平密封錐桿(2)、信號引出密封錐(5)、水平密封調整桿(6)、O型密封圈(14)、信號引出桿(15)、有機玻璃密封錐環(16)、快插拔接頭(17)、高強度漆包線(18)、應變片(21)和接線過渡板(23)構成，其特征在于:超高壓泵頭體(I)內制作有水平和垂直相交的十字形通孔，水平通孔的左端為柱塞腔，右端為堵頭腔，左端柱塞腔內安裝有水平密封錐桿(2)，右端堵頭腔內安裝有水平密封調整桿(6)，水平密封錐桿(2)和水平密封調整桿(6)通過螺紋連接，水平密封調整桿(6)的右端由里向外依次裝有密封平墊片(7)、外錐面密封環(9)、內錐面密封環(10)、環孔軸向擋圈組合(11)和外錐面螺母(8)，環孔軸向擋圈組合(11)由兩片環孔軸向C形擋片(19)和兩片環孔軸向D形擋片(20)組成，水平密封調整桿(6)的右端通過外錐面密封環(9)和內錐面密封環(10)徑向支撐在超高壓泵頭體(I)上；垂直通孔的上端為排出腔，下端為吸入腔，排出腔和吸入腔內分別裝有信號引出密封錐(5)，信號引出密封錐(5)通過預緊帶孔盤(3)和預緊拉力螺栓(4)固定在超高壓泵頭體(I)上；信號引出密封錐(5)上通過六角薄螺母(12)和尼龍墊片(13)固裝有信號引出桿(15)，信號引出桿(15)上套裝有O型密封圈(14)和有機玻璃密封錐環(16)，信號引出桿(15)的頂部和底部插接有快插拔接頭(17)，底部的快插拔接頭(17)上安裝有高強度漆包線(18);高強度漆包線(18)的另一端連接有應變片(21)和接線過渡板(23)，應變片(21)和接線過渡板(23)粘貼在超高壓泵頭體(I)內腔的十字形通孔的相貫線處，其上覆蓋有松香與凡士林混合劑(22)的防護層。
【文檔編號】F04B53/00GK203685548SQ201420027052
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年1月16日 優先權日:2014年1月16日
【發明者】李寧, 周思柱, 胡順 申請人:長江大學, 中石化石油工程機械有限公司第四機械廠