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基础知识
第四节 高温高压稠化仪
  • 详细说明
1 高温高压稠化仪的用途
  高温高压稠化仪是严格按照API规范10的要求进行设计制造的,用以模拟井下高温高压状态,测定水泥浆的稠化时间,从而确定安全的施工时间。
2 高温高压稠化仪的结构和原理
  高温高压稠化仪由高压釜体、磁力驱动器、超高压泵、气动液压管路系统、温度控制仪及加热器、釜盖起吊装置、电气控制装置、浆杯、浆叶、用于测量稠度的 电位器、冷却系统和壳体组成。釜体是由特种高强钢构成,而且能承受很高的工作温度和压力。釜内压力由一个气动超高压泵提供,稠化仪导热油经油箱、油滤、各 阀门,由压缩空气压入釜内,再由超高压泵加压,提供初始压力。
  高温高压稠化仪的最大工作温度为315℃,最大工作压力为275Mpa,釜内部使用一个额定功率为2500瓦的加热器。三笔记录仪与仪器相连,可同时记录釜内温度和浆杯里的水泥浆稠度随时间的变化曲线,浆杯由磁力驱动器带动,以顺时针150r/min恒速转动。
  高温高压稠化仪装有两支J型热电偶,用来测量油温和水泥浆的温度。温度调节器显示热电偶测定的温度,并可设定和控制程序升温,压力由压力调节器控制程序升压和恒压,釜内温度和压力即是模拟固井施工作业时的井下温度和压力。
  在高压回油管路中,装有单向油滤,滤出油中各种杂质和水泥颗粒。高压管路装有爆破碟片,可以承受310Mpa的压力,这是超压的最后保护装置,用来保护整个超高压系统的安全,当碟片破裂时,油随即排到油箱中。
  水泥浆杯上部有一个大容积的帽子,由于高温试验时,水泥浆膨胀厉害,会产生溢出现象,此帽就是捕获试验中密封不严,防止水泥浆溢出,污染釜体和油等作用。
  测试水泥浆稠度时,水泥浆注入浆杯中,浆杯由磁力驱动器带动,电位计与浆叶轴上的驱动档固定好,水泥浆相对浆叶转动,浆叶受到阻力,使电位计上的弹簧 变形。稠度与扭矩成正比,随着弹簧扭矩及指针旋转角度的增大,电位计的电阻值及电压也随之增大,因此电位计所反应出来的电压值,不仅表示了弹簧扭矩的大小,也反映了测量水泥浆稠度值的大小。
  实验后,要打开冷却水冷却釜体和油箱,以便在做高温高压稠化实验后能及时取出电位计和浆杯(釜内温度超过100℃时要降至100℃以下才能打开釜盖),以及使釜体尽快冷却下来,便于进行下一个实验。
3 高温高压稠化仪的类型
  (1)基本型增压稠化仪
  带有一个三笔记录仪,可以记录水泥浆稠度随温度、时间变化的曲线图,温度由温控仪设定和控制升温,压力由压力调节器控制程序升压和恒压。
  (2)升级型增压稠化仪
  带数控等集卡,与计算机相联,可用计算机对升温时间、压力进行设定,并可由计算机控制并检测和使用打印机打印出曲线图。
  (3)智能型增压稠化仪
  增加人机界面,与互联网通讯等相联。
4 温高压稠化仪的安装和调试
  仪器安装前,在实验室内接好电源、气源和水源,电源线应能安全通过30A的电流,220v时电线直径必须大于6mm¬2。
  电磁线路,如电磁阀、电磁铁等,不能空载(即没有铁芯)状态下去接电源,以造成电磁阀烧毁。做完试验后停机操作过程中,在回油时,切记要关闭加热器, 否则回油后,加热器仍在加热,造成油烟很大,破坏油质,甚至烧毁加热器,这种事故,会给维修工作带来很大的麻烦,必须避免此情况出现。
5 高温高压稠化仪的使用
(1)电位计校准
  电位计必须用负载型电位器校正装置进行校正,校准按照API规范10及GB10238所规定的方法进行,其步骤如下:
  先后加50克、100克、150克、200克、250克、300克、350克、400克的砝码,每加完一次砝码后用螺丝刀把轻敲几下校正器台板,以克服机械摩擦造成的误差,分别记下每次加砝码后所对应的电压值,一般情况下校正以下两个点即可。

水泥浆稠度与当量扭矩的关系如下表

计算出的当量扭矩

砝码

水泥浆稠度

520

100

22

2080

400

100


(2)  水泥浆稠化试验的操作步骤
  ① 稠化仪在试验前,打开主电源,其它电气开关均处于关闭状态。
  ② 将准备好的浆杯倒置放在支架上,用恒速搅拌器配制好水泥浆,迅速倒入浆杯,并反复敲打浆杯以除去夹带的空气,装上底盖并基本旋转到位,当有部分水泥从底盖中心孔溢出,说明水泥浆充满浆杯,松动底盖,将中心塞(轴尖支撑座)拧入浆杯底盖,然后将浆杯底盖拧紧到位
  ③ 将浆杯放入釜体内,转动浆杯直到浆杯底部销子插入转动盘上的两个孔内,移走挂钩,打开电机开关看浆叶轴的摆动,浆叶轴不应有很大的晃动才行,如果晃动厉害,则在实验时容易出现刮浆杯现象,必须重新检查和放置浆杯。
  ④ 用挂钩将电位计放入釜内,电位计的电极片与釜体接触电极对齐。如果电位计放入正确,浆叶轴上的滑块与电位计底部的联接块凹口应咬合,浆叶轴顶部与电位计顶部平齐,然后观察电压表,应有电压值指示,指针不应有大的晃动,并且指示平稳。
  ⑤ 旋上釜盖,当螺纹完全齿和时,釜盖与釜体的刻度线对齐,用双手或橡皮锤上紧,不要拧的过紧或过松,过松会从釜体上部溢油,过紧将会降低金属密封圈寿命,并且做完实验打开时比较困难。
  ⑥ 将内热电偶垂直插入到釜内,拧入锁紧螺母 ,要预留几扣,不要拧紧,并提起热电偶,以便在进油过程中排出釜内空气。
  ⑦ 打开空气源(进气阀),开始压缩空气,使油箱内的油受压而穿过高压油阀进入釜体内。由于油的进入,釜内空气逐渐被排出,当油充满釜时,会从内电偶锁紧螺母处溢出,立即拧紧锁紧螺母。
  ⑧ 打开泵开关,高压泵工作,根据API规范要求,压力达到要求的初始压力后,关闭泵开关。
  ⑨ 按规范要求设置增压稠化仪的温度、时间参数,运行升温、升压程序,使温控器进入程序控制状态,打开稠化仪加热器,同时也打开计时器、警报器开关和记录仪。此时稠化仪应处于正常工作状态,在试验期间,应有试验人员值班,观察试验现象,发现问题及时处理。
  ⑩ 观察并记录水泥浆的初始稠度,即15至30分钟内的稠度最大值,。
  ⑪ 当水泥浆稠度达到100Bc时,警报器报警,此时计时器显示的时间即为水泥浆的稠化时间。依次关闭加热器、电机、计时器、警报器、直流电压开关、停止程序运行。
  ⑫ 关闭进气阀,打开放气阀,待空气放尽后,打开高压阀缓慢释放高压,当压力降到零时,打开回油阀,压缩空气进入釜内将油排回油箱,当听到放气声时表明回油完毕,关闭回油阀。如果实验温度超过100℃,则先打开冷却水阀门降温,直至温度降至100℃以下再打开釜盖。
  ⑬ 松开内热电偶锁紧螺母,为避免油气喷出,应用一软布捂住釜盖中心孔,当残余空气排尽后,取出热电偶,旋开釜盖,取出电位计和浆杯。将浆杯内的水泥倒出,清洗浆杯,浆叶、隔膜、底盖、底塞等,并涂上油脂以备下次使用,最后时关闭所有开关和阀门。
6 高温高压稠化仪的维护与保养
每次试验结束
  (1)高压釜: 检查釜体金属“O”型密封圈,擦净“O”型圈上面及釜盖与“O”型圈接触部分的水泥颗粒,“ O”型圈和座子保持干净,可以重复使用很多次。如果“O ”型圈有缺损、划痕或变形,则须更换,更换时要先充分润滑,用专门工具拆装,以免划伤金属表面。
  (2)电位计:  每次实验结束,电位计必须清洁干净,弹簧、电阻片等外表面的水泥沉淀物要清洗干净,将整个电位计在水中漂洗干净,然后在电阻表面和轴承上涂抹高温油脂以防氧化。
  (3)浆杯:  每次实验结束,所有浆杯部件必须彻底清洁和检查;检查浆杯底塞磨损情况,比如内锥度座凹陷或者磨圆了,内锥度座磨损超出磨损范围后,将造成浆叶轴偏心导致 浆叶摩擦浆杯内壁或者转动不灵活等。如果浆叶损坏(偏向、叶片有裂口)应更换新浆叶。在第一次使用前应记录浆叶重量,做20次实验以后重新记录重量,如果 重量少于20%,更换浆叶,最后用油脂润滑所有部件。
每月检修
  (1)电位计:  电位计必须彻底拆散并清洗干净,如果下面任何部件存在明显磨损,则必须按下面步骤更换
电阻片的更换:
  ① 拆掉电阻片,小心不要损坏电阻片槽子。
  ② 垂直放入一个新电阻片,电阻片两端与接触片重叠部分之外长度应该相同。
  ③ 将电阻片牢牢卡入槽子,电阻片上表面必须水平。
  ④ 用一个硬木轻轻磨光电阻片绕线上表面,这样可确保指针滑动光滑
  ⑤ 用手转动指针,确保指针转动光滑,接触良好,并且指针在接触片与接触片之间滑动无发涩感觉,如果需要,上下弯曲调整指针接触。
  ⑥ 整中心轴上的指针停止臂位置,确保指针在在接触片与接触片之间滑动,所有螺钉必须拧紧。
标定弹簧的更换:安装一个新弹簧,电位计轴逆时针转,弹簧拉紧,并重新进行校正。
(2)磁力传动装置  
  磁力驱动装置可以消除高温下的泄露、污染和密封、发热等问题,维修时,必须在一个没有金属的干净桌面上,用专用工具从稠化仪中将其取出。
  碳轴承: 清洁轴承内外直径上的水泥颗粒,如果碳轴承表面有明显伤痕,或者内、外直径磨损掉厉害,更换碳轴承。
  铜轴承: 清洁轴承内外直径上、孔槽内的水泥颗粒,如果铜轴承高度磨损掉严重,更换铜轴承。
  锁紧圈:如果在底边有缺损时,要更换。
(3)高压过滤器
  如果出现回油缓慢时,可拆下高压过滤器用柴油、酒精灯烤烧并清洗干净,也可用超声波清洗。
每半年须检修
(1)稠化油和低压过滤器
  稠化油脏后应该全部放掉过滤干净同时更换低压过滤器。
(2)驱动马达
  API 规范中要求转速范围为150±15 r/min,马达转速可调节,可用转速表校准。
每年须检修
 (1) 更换高压过滤器芯,爆破盘、高压释放阀阀座阀杆、空气入釜阀阀座阀杆
 (2) 泵: 拆散清洗
 (3) 油箱: 清洁、冲洗
(4) 加热器: 检查绝缘和漏电,对地/壳绝缘,加热器绝缘不好会造成严重后果,同时对地绝缘不好将引起加热器工作不正常。
故障排除
 (1) 仪器无法通电
原因:①保险管烧毁   ②主电源开关跳闸
(2)异常/错误的温度读数  
原因: ①热电偶损坏  ②接线端破损/生锈/老化  ③检查热电偶连线与组件。   
解决方法: ①更换热电偶连线  ②更换热电偶。
(3)驱动马达异常
原因: ①保险烧毁  ②马达或者马达控制板损坏   ③连线    ④开关损坏 
(4) 加热器系统错误
原因: ①加热器无电压/保险烧毁  ②开关损坏  ③加热器供电短路  ④加热器对地短路  ⑤固态继电器损坏  ⑥温控器损坏。
(5) 压力系统错误
原因: ①无法增压  ②压力控制阀门打开或者泄漏  ③釜盖泄漏  ④爆破盘破裂  ⑤泵驱动空气压力低或者无   ⑥油箱内油面过低 ⑦泵供气电磁阀损坏
(6) 釜盖卡住釜体,取出困难 
原因:①螺纹润滑不好  ②密封圈上有异物  ③釜盖旋的过紧
解决方法:冷却釜盖,用橡胶榔头轻敲釜盖手柄,旋开釜盖。
(7) 泵工作异常
原因:①泵活塞被空气锁住 ②泵阀体有杂质
解决方法:①慢慢增加空气驱动压力,降低泵循环速度 ②维修泵
(8) 记录仪稠度不稳定/异常
现象一:稠度读数突降为0
原因: ①电位计电阻片损坏  ②电位计与驱动块之间脱落或者电位计与釜体接触销没接触  ③水泥污染了电位计轴承  ④电位计驱动盘上顶丝松了  ⑤电位计剪切销钉已剪断
解决方法: ①维修电位计   ②检查电位计接触片
现象二:稠度读数突跳到100
原因:接触销与釜体短路
现象三:记录仪稠度指针时断时续,晃动厉害
原因:① 电位器滑动电阻片不平整,电阻片上沉积有水泥和赃物,使电压输出时断时续
② 电位器滑动旋转臂缺乏弹性和松动
③ 电位器与输出讯号变动即电阻片与接臂片,因夹有水泥或氧化层而接触不良
④ 电位器的轴承锈死而不能运转
⑤ 电位器的定位销松动
⑥ 浆杯轴弯曲,浆叶与浆杯壁摩擦   
⑦ 浆叶轴磨损,浆叶与底塞相刮 
⑧ 浆叶与橡胶隔膜刮动,由于隔膜没有装好,打压时,反应很明显。
⑨ 水泥没过筛,没有搅拌好,中间有水泥团块