挑戰：石油管複合擠毀試驗機用於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複合載荷工況。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製多個子係統
，完成多物理量閉環控製和數據同步采集。這二者對控製與數據采集係統整體穩定性、硬件功能及軟件並行處理能力提出了嚴峻挑戰。

 

應用方案：在控製與數據采集係統搭建中，采用NI X係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機箱滿足控製與數據采集通道要求。軟件方麵，利用LabVIEW 2011 軟件開發平台的並行處理特長，完成多物理量並行閉環控製和數據同步采集。

 

LabVIEW 2011 軟件開發平台

PXIe-1082 8槽3U PXI-E機箱

PXIe-6363 X係列多功能卡

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

 

 

套管、油管及鑽柱構件（鑽杆
、鑽鋌、方鑽杆等）統稱油井管。油井管是石油工業的基礎。據統計數據顯示
，油井每鑽進1米，約需油井管62千克，其中套管48千克
，油管10千克，鑽杆3千克，鑽鋌0.5千克。油田裝備資產中，油井管約占60%。而er油you井jing管guan在zai井jing下xia的de服fu役yi條tiao件jian極ji端duan惡e劣lie。油you管guan和he套tao管guan管guan柱zhu經jing常chang要yao承cheng受shou上shang千qian個ge大da氣qi壓ya的de內nei壓ya或huo外wai壓ya

，幾ji百bai噸dun的de拉la伸shen或huo壓ya縮suo載zai荷he，還hai有you高gao溫wen及ji腐fu蝕shi介jie質zhi侵qin蝕shi。油you井jing管guan一yi旦dan在zai井jing下xia發fa生sheng斷duan裂lie掉diao井jing事shi故gu，會hui造zao成cheng巨ju大da的de損sun失shi
，甚shen至zhi直zhi接jie導dao致zhi油you井jing報bao廢fei。油you井jing管guan的de質zhi量liang和he壽shou命ming直zhi接jie決jue定ding了le油you井jing乃nai至zhi油you田tian的de壽shou命ming。

油you井jing管guan下xia井jing前qian必bi須xu經jing過guo一yi係xi列lie嚴yan格ge的de檢jian測ce試shi驗yan以yi評ping估gu其qi性xing能neng
，而er石shi油you管guan複fu合he擠ji毀hui試shi驗yan機ji則ze是shi這zhe些xie試shi驗yan的de核he心xin設she備bei。複fu合he擠ji毀hui試shi驗yan機ji能neng夠gou對dui油you管guan和he套tao管guan整zheng管guan施shi加jia拉la伸shen、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。

 

石油管複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製與數據采集係統五個部分。

 

 

圖1 石油管複合擠毀試驗機

 

載zai荷he框kuang架jia主zhu要yao包bao括kuo軸zhou向xiang載zai荷he台tai架jia和he兩liang個ge外wai壓ya擠ji毀hui缸gang，起qi容rong納na試shi樣yang功gong能neng。液ye壓ya油you源yuan為wei軸zhou向xiang載zai荷he和he側ce向xiang彎wan曲qu液ye壓ya缸gang提ti供gong動dong力li。高gao壓ya水shui加jia壓ya泵beng站zhan為wei外wai壓ya擠ji毀hui缸gang注zhu入ru高gao壓ya水shui
，使shi試shi樣yang承cheng受shou外wai壓ya。高gao壓ya氣qi加jia壓ya泵beng站zhan為wei試shi樣yang內nei部bu注zhu入ru高gao壓ya氣qi體ti，使shi試shi樣yang承cheng受shou內nei壓ya。控kong製zhi與yu數shu據ju采cai集ji係xi統tong調tiao配pei上shang述shu四si部bu分fen工gong作zuo
，同tong時shi采cai集ji試shi驗yan過guo程cheng中zhong的de多duo物wu理li量liang數shu據ju反fan饋kui。

 

控製與數據采集係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，控製試樣所受軸向載荷、側向彎曲
、內壓及外壓的大小和加載速率。係統需要控製的子係統和部件如圖2所示。

液ye壓ya油you源yuan中zhong的de電dian機ji帶dai動dong柱zhu塞sai泵beng或huo齒chi輪lun泵beng提ti供gong動dong力li。換huan向xiang閥fa起qi通tong斷duan開kai關guan作zuo用yong。溢yi流liu閥fa調tiao節jie係xi統tong壓ya力li，安an全quan溢yi流liu。伺si服fu閥fa控kong製zhi軸zhou向xiang載zai荷he大da液ye壓ya缸gang和he兩liang個ge側ce向xiang彎wan曲qu小xiao液ye壓ya缸gang。伺si服fu閥fa通tong過guo調tiao節jie液ye壓ya缸gang兩liang腔qiang壓ya力li，實shi現xian載zai荷he或huo位wei移yi閉bi環huan控kong製zhi，為wei試shi樣yang施shi加jia軸zhou向xiang載zai荷he及ji側ce向xiang彎wan曲qu載zai荷he。同tong時shi，油you源yuan上shang還hai裝zhuang有you油you箱xiang液ye位wei傳chuan感gan器qi、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。

gaoyashuijiayabengzhanyugaoyaqijiayabengzhanleisi。lianggediankongtiaoyafafenbietiaojiebengtourukouyasuokongqiyalihexieyafayali
，congerkongzhishiyangneiyahewaiyadeshengjiang。duogediancifafenbiekongzhibengdekaiguanyubaoyaqikongfatongduan。jiankongchuanganqifankuirukouyasuokongqiyaliheguanluneiyali，baozhengbengzhananquan。

除去控製上述執行元件外
，係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。

如上所述，控製與數據采集係統需要同時具備模擬量輸入和輸出（AI和AO）、數字量輸入和輸出（DI和DO）以及多物理量數據采集通道。複合擠毀試驗載荷大、壓力高，試驗危險性強
，要求控製與數據采集係統安裝位置盡量遠離危險源且工作穩定性高。

考慮到上述因素
，在係統搭建中采用基於NI PXI-Epingtaidejizhongshikongzhiyushujucaijifangshi。jiangkongzhiyushujucaijixitongdesuoyouyingjiananzhuangzaiyitaixianchangzhukongzhiguizhong。kongzhiguiweiyushiyandikengjiaoluozhong
，julishiyang8米左右。主控製櫃中的PXIe-1082 8槽3U機箱通過PXIe-8375x4和PCIe-8375x4 MIX卡連接30米光纖與控製室內的工業控製計算機通訊，實現遠程操控。這種架構方式有以下三個優點：

（1）試驗過程中人員安全性高。試驗中操作人員處於控製室中

，與試樣直線距離超過20米。

（2）baozhengxitongyingjiananquan。kongzhiyushujucaijixitongdesuoyouyingjiananzhuangzaixianchangzhukongzhiguizhong。yufenbushikongzhiyushujucaijifangshixiangbi
，suiranzengjialezhukongzhiguineijiexiangongzuoliang，danjianshaoleruanjianjiekou
，tongshijiangdileyinzhixingjigoushikongzaochengxitongyingjiansunhuaidegailv。

（3）數(shu)據(ju)穩(wen)定(ding)性(xing)提(ti)高(gao)。試(shi)驗(yan)中(zhong)多(duo)數(shu)傳(chuan)感(gan)器(qi)安(an)裝(zhuang)在(zai)試(shi)樣(yang)上(shang)
，如(ru)果(guo)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)距(ju)離(li)試(shi)樣(yang)太(tai)遠(yuan)，傳(chuan)感(gan)器(qi)連(lian)接(jie)導(dao)線(xian)過(guo)長(chang)，幹(gan)擾(rao)和(he)噪(zao)音(yin)會(hui)影(ying)響(xiang)信(xin)號(hao)質(zhi)量(liang)。特(te)別(bie)是(shi)試(shi)驗(yan)機(ji)液(ye)壓(ya)油(you)源(yuan)中(zhong)配(pei)有(you)大(da)功(gong)率(lv)電(dian)機(ji)和(he)變(bian)頻(pin)器(qi)，多(duo)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)為(wei)毫(hao)伏(fu)級(ji)電(dian)壓(ya)
，更(geng)會(hui)加(jia)劇(ju)長(chang)導(dao)線(xian)的(de)影(ying)響(xiang)。因(yin)此(ci)
，主(zhu)控(kong)製(zhi)櫃(gui)必(bi)須(xu)放(fang)置(zhi)在(zai)試(shi)驗(yan)地(di)坑(keng)中(zhong)而(er)不(bu)是(shi)控(kong)製(zhi)室(shi)內(nei)。而(er)主(zhu)控(kong)製(zhi)櫃(gui)中(zhong)的(de)PXIe機箱通過MIX通訊卡和光纖與控製室內的工業控製計算機連接，數據傳輸速度快且穩定性高。

除去上述優點，這種架構方式唯一需要注意的是MIX通訊卡與工業控製計算機的兼容性。

板卡選擇中，僅選用以下4種6塊板卡即可滿足係統控製和數據采集通道需求：

PXIe-6363 X係列多功能卡1塊。這塊板卡功能強大，帶有32路正負10 伏模擬輸入，4路正負10伏模擬輸出
，48路5伏數字I/O和4路32位計數器。係統中使用正負10伏模擬輸入功能接入所有執行子係統監控傳感器信號，使用正負10伏模擬輸出控製液壓油源、高壓水加壓泵站和高壓氣加壓泵站中的氣控調壓閥等執行元件。5伏數字I/O和32位計數器功能未使用。

PXI-6515數字I/O卡1塊。這是一塊32通道24伏工業數字I/O卡，它的數字輸出功能用來控製所有中間繼電器通斷，根據試驗步驟開啟或關閉電機、泵及所有閥件；數字輸入功能收集油濾、緊急停止按鈕的狀態信號。

PXIe-4330應變與橋路傳感器數據采集卡3塊。該數據采集卡集傳感器供電與信號調理
、采集於一體，能為傳感器提供0.625伏到10伏的供電。這一供電範圍涵蓋了應變采集常用的2伏和3.3伏以及高精度壓力傳感器常用的10伏，使係統無須再為傳感器另配線性電源。3塊采集卡中的1塊8個通道用來采集液壓缸兩腔壓力和試樣內壓及外壓
，同時為外接位移傳感器和力傳感器預留通道。剩餘2塊采集卡實現16通道1/4橋應變高速同步采集（采樣頻率最高達25kHz）。

    PXIe-4353熱電偶數據采集卡1塊。這塊采集卡含有32個采集通道，其中8個通道內置冷端補償。采集卡支持J、K、T
、E、N、B
、R和S共8個類型的熱電偶，涵蓋了石油管試驗中常用的J、K兩種類型熱電偶。試驗中試樣溫度變化較慢
，因此最高90Hz的采樣頻率也足以滿足使用需求。

 

軟件編寫中，充分利用了LabVIEW 2011 軟件開發平台的並行處理特長
，令以下三個循環同時運行：

（1）液壓油源、高壓水加壓泵站、高壓氣加壓泵站控製與多物理量數據采集循環；

（2）前麵板操作響應循環
；

（3）界麵顯示與刷新循環；

軟件源代碼如圖3所示。

 

 

圖3 LabVIEW軟件源代碼

 

其中
，液壓油源、高壓水加壓泵站

、高壓氣加壓泵站的控製程序同樣並行運行
，保證執行機構能夠同時給試樣施加軸向載荷、側向彎曲以及內壓和外壓。

軟件主界麵如圖4suoshi。jinruruanjianzhujiemianhou，xitongzidongjiancebankazhuangtai。zhebufengongnengliyongbankaqudongbianxie。ruguobankazhuangtaiyichangzesuodingjiemian
，shihouxucaozuowufawancheng，baozhengshiyananquan。

 

 

圖4 軟件主界麵

 

其後開始試驗參數配置。配置過程包括輸入試樣信息、傳感器配置、載荷步驟設置（如圖5）

、應ying變bian與yu熱re電dian偶ou采cai集ji配pei置zhi等deng。每mei完wan成cheng一yi步bu配pei置zhi
，點dian擊ji下xia一yi步bu
，直zhi到dao配pei置zhi完wan成cheng。這zhe種zhong鎖suo定ding的de順shun序xu過guo程cheng可ke以yi避bi免mian因yin某mou步bu信xin息xi未wei輸shu入ru而er默mo認ren使shi用yong上shang次ci試shi驗yan配pei置zhi的de情qing況kuang。

 

 

圖5 載荷步驟設置

 

試驗參數配置完成後，點擊軟件主界麵上的“開始”按an鈕niu，此ci時shi彈dan出chu窗chuang口kou，要yao求qiu操cao作zuo人ren員yuan輸shu入ru存cun盤pan路lu徑jing和he文wen件jian名ming，保bao存cun數shu據ju文wen件jian和he配pei置zhi文wen件jian，便bian於yu數shu據ju回hui放fang和he下xia次ci調tiao用yong。開kai始shi試shi驗yan後hou

，彈dan出chu液ye壓ya係xi統tong


、高壓水加壓係統


、高壓氣加壓係統監控界麵，如圖6至圖8所示。界麵上包含所有執行元件的啟停開關與工作狀態，以及監控傳感器的反饋值，替代了硬件指示燈
、按鈕以及傳統的二次儀表。

 

 

圖6 液壓係統監控界麵

 

 

圖7 高壓水加壓係統監控界麵

 

 

圖8 高壓氣加壓係統監控界麵

 

試驗結束後進入數據回放界麵（圖9），能夠查看試驗數據並完成簡單的數據分析和導出。

 

 

圖9 數據回放界麵

 

PXIe-1082 8槽3U機箱在現場主控製櫃內的安裝如圖10和圖11所示。考慮到機箱發熱較大，將其安裝在主控製櫃頂部
，並且在控製櫃側板安裝外掛式空調。

 

 

 

圖10 現場主控製櫃實拍圖片

 

 

圖11 PXIe-1082機箱在主控製櫃內安裝圖

 

使用NI PXI-E平台完成了石油管複合擠毀試驗機的控製與數據采集係統搭建。硬件方麵充分利用NI板卡的多種功能，用盡可能少的板卡搭建集中式控製與數據采集係統，滿足係統整體穩定性要求。軟件方麵，利用LabVIEW 2011 軟件開發平台的並行處理特長，完成多物理量並行閉環控製和數據同步采集。

這一基於NI PXI-E平台的集中式控製與數據采集係統作為試驗機的心髒

，強有力的支撐著石油管複合擠毀試驗機穩定、高效運轉。同時，這一應用方案在石油裝備領域具有示範意義，有助於NI PXI-E平台在石油行業的推廣。