定向钻机用泥浆泵增压试验台设计与测试

朱利民

1中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400039

2瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 重庆 400039

近几十年来，国内外学者对大功率泥浆泵的使用性能进行过较为广泛的研究[1-2]，主要针对的大多是石油钻井用泥浆泵[3]，此类泥浆泵试验检测系统的研究也相对较多，但是专门针对煤矿用小型泥浆泵的试验检测系统的研究相对较少，为此研发了定向钻机专用泥浆泵试验台。

对于定向钻机井下作业施工期间，泥浆泵车驱动孔底马达不能有效进行作业时，很难判断是否是泥浆泵出现问题。有了试验平台后，可立即检测泥浆泵状况，为定向钻机顺利施工做出检测依据。另一方面，泥浆泵车供水测试试验台，不仅可以实现泥浆泵车的出厂检验检测，而且可对泥浆泵车的设计研发提供试验参考，提高定向钻机的质量，对于开拓市场和提高经济效益也有十分重要的现实意义。

1 泥浆泵增压试验台方案设计

1.1 研制流程

在定向钻机专用泥浆泵试验台研发过程中，对现有技术和装备进行吸收、改进，结合原始创新的研究方法[4-8]，采用对比法确定试验系统水流传递方案、压力调节方案、流量调节方案。采用三维软件建模，研究供水系统布局，优化水系统结构，并对系统底座、增压水箱进行三维设计与校核。试验台研制流程如图1 所示。

1.2 方案设计及试验流程

定向钻机用泥浆泵对于入水口的流量和压力有一定的要求，因此在设计泥浆泵试验台时需要在水箱内部预设一定的压力。采用螺杆空压机加储气罐给水箱提供压缩空气，使水箱内的水压保持在一定的范围内，因此，增压水箱的设计是重点。泥浆泵出入口流量与压力的测定，可通过管路上的电磁流量计与压力表实现。试验台设计方案如图2 所示，主要由泥浆泵进出口液体流量压力检测装置、水箱加压装置、出水蓄能器、快速更换接头等组成。

图1 试验台研制流程Fig.1 Process flow of development of test bench

图2 试验台设计方案Fig.2 Design scheme of test bench

通过注水口向水箱中注水3 m3，并通过螺杆压缩机经储气罐向水箱中注入压缩空气，使水箱中的压力保持在0.5 MPa。试验时，水箱中的压力水通过装有截止阀、过滤器、流量计、压力表的管路系统进入泥浆泵。由于试验泵为柱塞式泥浆泵，泵出口的水需要再接入蓄能器进行流体稳定，然后经装有压力表、流量计、截止阀的管路系统回到水箱。

2 增压水箱计算设计

该试验台设计的重点为增压水箱的设计计算。水箱设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结合给定的工艺参数，按照机械容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序，分别对水箱的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、法兰、液位计、鞍座、焊接形式进行了设计和选择。

水箱设计容积为3 m3，直径为1 600 mm，根据水箱接口需求，设有出水口、泥浆泵回水口、人孔等，水箱上部装有液位计，底部设计有底座，用于固定安装增压水箱。增压水箱结构如图3 所示。

图3 增压水箱结构Fig.3 Structure of pressurized water tank

增压水箱的保持压力为 0.5 MPa，设计压力p为计算压力的 1.05～1.1 倍，这里取 1.1，则设计压力p=0.5×1.1=0.55 MPa。水箱选用材料为不锈钢，许用应力[σ]=137 MPa。水箱壁厚

式中：Di为水箱直径，Di=1 600 mm；Φ为焊接系数。

板材厚度附加量

C=C1+C2，

式中：C1为板材厚度负偏差，由于计算壁厚小于5 mm，因此取C1=0.18 mm；C2为板材厚度正偏差，考虑到工作容器需要与水接触，取C1=1 mm。

因此设计壁厚

δd=δ+C=4.76 mm，

根据不锈钢板材规格，圆整后取δd=6 mm。

水箱壁应力

经校核，水箱壁强度符合设计要求。

使用软件对水箱进行应力应变分析。将水箱的内表面均匀施加0.5 MPa 压力，得到应力和应变云图，分别如图4、5 所示。从分析结果看，最大应力和应变位置均为水箱的顶部和底部位置，其最大值均在安全设计范围之内，因此水箱的结构设计满足要求。

图4 增压水箱应力云图Fig.4 Stress contours of pressurized water tank

图5 增压水箱位移云图Fig.5 Displacement contours of pressurized water tank

3 泥浆泵增压试验台结构设计

增压水箱设计完成以后，试验台其他元器件只需根据要求选择合适的型号即可。

螺杆空压机选用额定输出压力为0.8 MPa 的螺杆泵与泄压阀联合使用，将输出压力控制在0.5 MPa。螺杆机的排气量为常压下的指标，将其压缩到0.5 MPa 时需要将体积压缩到原先的 1/5，考虑到最大排量为1 m3/min，因此螺杆泵的排量应为5 m3/min，型号为 LW-30P/LW-50P。与压缩机配套使用的还有储气罐，为保证供气稳定性，采用压力为0.8 MPa、容积为1 m3的储气罐，进气口与出气口均为 1/2 英寸。

试验台总体布置结构如图6 所示，螺杆空压机连接储气罐，然后接入增压水箱。增压水箱的出水口接调节阀，经流量计、过渡阀板接头连接到需要测量的泥浆泵入水口；泥浆泵出水口通过过渡阀板接头连接试验台的回水管，经蓄能器、流量计和调节阀连接增压水箱的回水接口，形成一个回路。测试不同的泥浆泵时，只需将泥浆泵连接到指定的出/入水口过渡阀板接头即可。

图6 试验台总体布置Fig.6 Overall layout of test bench

4 泥浆泵试验结果分析

泥浆泵试验系统是一个闭式循环系统，清水从增压水箱通过进水管道吸入，进水管道上装有压力表和电磁流量计，用来测量进水口压力与流量；泥浆泵出水口连接回水管道，首先通过蓄能器稳压，然后通过接有压力表和电磁流量计的回水管道返回增压水箱，增压水箱保持一定的压力。

排出压力从最小值开始，再依次按照额定压力值的10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90% 和100% 升压，在每次的工况点测量和记录流量Q、入水口压力ps和出水口压力pd的测试值，温度(温升)采用红外测温仪测量，转速通过转速表进行测量。泥浆泵试验台测试项目如表1 所列。

表1 泥浆泵试验台测试项目Tab.1 Testing items of bench test for mud pump

以 XW50 型 PINFL 泥浆泵为例进行测试，检测泥浆泵是否达到设计规定的指标。该泵的技术参数为：输出流量为230 L/min，额定压力为6 MPa。从最小排出压力开始进行检测，然后按额定排出压力的10% 依次递增，共10 个工况点，每个工况点平稳运行5 min，然后同时测量和记录压力、流量、转速等测试值，部分测试记录如表2 所列。由试验测试数据得知，XW50 型泥浆泵各挡容积效率都在90% 以上，满足设计测试要求。

表2 泥浆泵试验台性能测试试验数据Tab.2 Data of bench test for performance of mud pump

5 结语

随着定向钻机在煤矿中的使用越来越普遍，根据泥浆泵的测试需求，设计了一种定向钻机用泥浆泵增压供水试验台。该试验台采用螺杆空压机为增压水箱提供稳定压力，为泥浆泵吸水口提供稳定的测试压力水，集成了出/入水口的流量与压力检测装置，可以测试泥浆泵的工作参数，并可以通过调节阀门来调节压力流量值，以满足不同型号泥浆泵的检测与检验。通过对 XW50 型泥浆泵进行压力流量分挡测试，验证了该试验台满足试验设计要求。

使用试验平台，可立即检测泥浆泵是否损坏，为定向钻机顺利施工做出检测依据。该试验台不仅可以实现泥浆泵车的出厂检验检测，而且可对泥浆泵车的设计研发提供设计参考。