水下控制系統(tǒng)對接盤液壓插頭優(yōu)化設(shè)計及測試

1、水下控制系統(tǒng)對接盤液壓插頭優(yōu)化設(shè)計及測試水下控制系統(tǒng)對接盤液壓插頭優(yōu)化設(shè)計及測試張鵬舉（美鉆能源科技（上海）有限公司，上海 200943）摘摘 要：要：本文介紹了一種經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的液壓插頭，它采用了四條通路均使用類似閥板閥座同時密封的方式，既可以同時連通四路液壓通道（以下簡稱四通快插） ，同時還具有密封性能好、可靠性高、液壓執(zhí)行效率高的優(yōu)點。通過對四通快插機械強度、密封件滑動阻力等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的分析計算及相關(guān)的性能測試，驗證了產(chǎn)品在不同工作條件下的可靠性。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：水下油氣系統(tǒng)；水下控制系統(tǒng)；對接盤；液壓插頭；液壓系統(tǒng)中圖分類號：中圖分類號：TE953 文獻標(biāo)志碼：文獻標(biāo)志碼：A 【DO

2、I】10.13788/ki.cbgc.2017.07.037Optimal Design and Test of Hydraulic Couplings in Docking Plate of Subsea Control SystemZHANG Pengju(MSP/DRILEX (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200943, China)Abstract: This article introduces one kind of hydraulic couplings by optimizing design. This coupling uses 4-line

3、s of seat & gate which could be sealed ensemble. It could connect 4 hydraulic ways at the same time, furthermore, this design also has the advantages of high performance of sealing, high reliability and actuating efficiency. By theoretical analysis of mechanical stress strength and sliding resis

4、tance for 4-lines coupling, and by performance tests, this product is firmly tested to fulfill the reliability under different circumstances. Key words: subsea oil & gas system; subsea control system; connecting plate; hydraulic coupling; hydraulic system0 引言引言對于水下油氣開發(fā)的采油樹液壓控制，水下控制系統(tǒng)對接盤（SCM）液壓插頭

5、為水下采油樹外部液壓動力單元提供關(guān)鍵通道。水下控制系統(tǒng)對接盤進行對接后，采油樹外部液壓系統(tǒng)為水下采油樹的液壓管路提供液壓動力，以控制水下采油樹液壓機構(gòu)的動作執(zhí)行1-3。水下液壓快插對水下控制系統(tǒng)起著非常重要的作用，水下控制系統(tǒng)對接盤的核心部件之一就是四通快插，它是實現(xiàn)水下采油樹液控閥門開關(guān)控制的重要部件。由于水下控制系統(tǒng)對接盤具備可回收和重復(fù)安裝功能，所以四通快插應(yīng)具備能夠在水下進行對接與分離的功能。對接與分離是指公插頭與母插頭兩個部件進行配合，完成對接；對接完成后，水下控制系統(tǒng)對接盤會完成鎖緊操作，四通快插進入工作狀態(tài)；待使用完成后再將公插頭與母插頭兩個部件分離，四通快插能夠恢復(fù)成對接之前的

6、狀態(tài)。1 閥座密封結(jié)構(gòu)設(shè)計閥座密封結(jié)構(gòu)設(shè)計1）公插頭（對接之前實現(xiàn)自密封） 。四通快插公插頭如圖 1 所示，其內(nèi)部有 4 條液壓通道，安裝有閥座，通過閥座和外部密封壓蓋配合，實現(xiàn)自密封；對接后與母插頭實現(xiàn)整體密封。閥座頂部和側(cè)面均采用 O 型圈密封的方式，用來隔絕海水的壓力。圖 1 四通快插公插頭2）母插頭（對接之前實現(xiàn)自密封） 。四通快插母插頭如圖 2 所示，其部也有 4 條液壓通道，安裝密封擋塊實現(xiàn)自密封。密封擋塊采用 O 型圈密封的方式，用來隔絕海水的壓力。圖 2 四通快插母插頭3）對接之后實現(xiàn)整體閥座密封。對接之后，通過閥座頂部 O 型圈密封的方式來密封流體內(nèi)低壓以及隔絕海水的壓力，采

7、用金屬面密封的方式來密封流體內(nèi)高壓；通過側(cè)面 O 型圈密封的方式來密封海水的壓力。2 四通快插對接設(shè)計四通快插對接設(shè)計圖 3a)為四通快插未插合狀態(tài)，此時左側(cè)母頭和右側(cè)公頭的四路液壓通道分別是密封狀態(tài)；進行對接時，圓柱銷和彈簧會沿著斜面進行運動，使四通快插中的液壓形成通路，完成對接，如圖 3b)所示，對接完成后公頭和母頭的四個通道分別接通；在解除對接時，公頭和母頭會進行分離，可以還原成對接之前的狀態(tài)。a) 對接之前b) 對接之后圖 3 四通快插對接示意圖3 四通設(shè)計輸入四通設(shè)計輸入四通快插需要滿足的條件為設(shè)計水深 1 500 m，操作壓力 69 MPa（10 000 psi） ，測試壓力 10

8、3 MPa（15 000 psi） ，溫度18 40 。3.1 四通快插計算3.1.1 設(shè)計水深作用外部環(huán)境壓力為Ps=gH （1）式中：Ps為外部靜水壓力值； 為海水密度；g 為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋籋 為水下四通快插設(shè)計水深。根據(jù)四通快插設(shè)計輸入要求，=1.03103 kg/m3；g=9.81 N/kg；H=1 500 m，計算可得 Ps=15.156 MPa。設(shè)計水深靜水壓力 Ps=15.156 MPa，其相對于承壓部件的操作工作壓力 PW=69.0 MPa（10 000 psi）要小得多，且屬于有益因素，可不考慮。3.1.2 環(huán)境條件的作用參考番禺油氣田5所在海域的洋流情況（表 1 和圖 4

9、） ，設(shè)計洋流平均速度 v=1.203 m/s，洋流產(chǎn)生的附加壓力為Pc=0.5v2 （2）計算可得：Pc=745 Pa?？梢?，洋流產(chǎn)生的附加壓力與水深造成的影響相比，其數(shù)量級是十分小的。最大洋流速度 vmax=2.365 m/s，Pc=2.881 kPa，數(shù)量級依然很小。因此，忽略洋流產(chǎn)生的附加壓力。表 1 洋流流速隨水深的變化情況洋流流速/(ms1)水深/m最小最可能最大備注001.2032.365線性推測2001.082.06CNOOC 提供海洋資料10000.590.8420000.540.7530000.50.7233800.40.53去除該數(shù)據(jù)影響1 50000.250.25海底一

10、般流速圖 4 洋流流速隨水深的變化情況3.1.3 四通快插靜水壓試驗要求按照 API 17D6的要求，靜水壓試驗壓力為額定工作壓力的 1.5 倍。額定工作壓力 PW=69.0 MPa（10 000 psi） ，靜水壓試驗壓力為PT=1.5PW （3）計算可知：PT=103.5 MPa（15 000 psi） 。3.1.4 連接塊分離力計算連接塊密封快插插槽數(shù)量 Ncc=4，連接塊密封快插插槽直徑 dcc=14.3 mm，連接塊密封快插插槽截面積為 （4）2cccc4Ad連接塊最大分離力為Ff=NccAccPT （5）計算可得：Acc=160.606 mm2，F(xiàn)f=6.649104 N。3.1.

11、5 連接塊栽絲與內(nèi)六角圓柱頭螺釘強度計算連接塊與內(nèi)六角圓柱頭螺釘最小屈服強度相同，均為 105K 材料，僅對內(nèi)六角圓柱頭螺釘進行強度計算即可。內(nèi)六角圓柱頭螺釘最小屈服強度 ldy=725 MPa，內(nèi)六角圓柱頭螺釘規(guī)格為 3/8-16UNC-2B，內(nèi)六角圓柱頭螺釘數(shù)量 Nld=4，螺栓小徑 dld=7.63 mm，螺栓小徑截面積為 （6）2ldld4Ad計算可得：Ald=45.723 mm2。根據(jù) API17D 5.1.3.5 節(jié)內(nèi)容，螺栓上緊時，應(yīng)力為 67%73%螺栓材料的屈服強度，則預(yù)緊力（以小值計算）F0=0.67ldyAld=2.221104 N，預(yù)緊力合力為F0h=4F0 （7）計算

12、可得：F0h=8.884104 N。因 F0hFf，滿足使用要求。測試時，在無墊片的情況下，螺栓的相對剛度 C=0.3，螺釘受力為 （8）f014FCFF計算可得：F=2.719 6104 N。螺釘應(yīng)力為L=F/Ald （9）計算可得：L=5.948 15 MPa。螺釘應(yīng)力占屈服強度的比值為PAS=L/ldy100% （10）計算可得：PAS=82%，小于 83%。由上可知，連接塊栽絲與內(nèi)六角圓柱頭螺釘強度滿足設(shè)計要求。3.1.6 密封圈滑動阻力計算滑動密封摩擦系數(shù) 與側(cè)壓系數(shù) k ?。簁=0.1，密封圈滑動部分直徑 dmq=2.62 mm，密封圈滑動部分直徑（取中徑）dmf=16.2 mm，

13、插拔壓力（設(shè)計水深壓力）Ps=15.156 MPa，滑動密封圈數(shù)量 Nhd=8，每個密封圈的密封阻力為Fhdd=kdmqdmfPs （11）密封圈滑動阻力為Fhd=NhdFhdd （12）計算可得：Fhdd=202.093 N，F(xiàn)hd=1 616.742 N。在插拔的過程中，密封阻力 Fhdd將導(dǎo)致密封圈磨損，影響密封，插拔過程中，環(huán)境壓力越高，磨損越嚴(yán)重。3.1.7 圓柱銷與彈簧阻力計算彈簧自由高度 LT=12 mm，下插彈簧插拔過程中最小工作高度 LTX=6 mm，工作載荷 FTX=54.2N，上插彈簧插拔過程中最小工作高度 LTS=7.1 mm，彈簧的安裝長度 LTA=9.6 mm，安裝

14、載荷 FTA=22.25N，彈簧剛度系數(shù)為KT=（FTX-FTA）/（LTA-LTX） （13）計算可得：KT=8.875 N/mm。下插彈簧插拔過程中最大彈簧力（對稱 2 處）為FTX=2KT(LTLTX) （14）計算可得：FTX=106.5 N。上插彈簧插拔過程中最大彈簧力（對稱 2 處）為FTS=2KT(LTLTS) （15）計算可得：FTS=86.975 N。摩擦系數(shù) yt=0.2，摩擦角 =arctanyt=11.31，下插插銷工作斜面傾角 =20，上插插銷工作斜面傾角=6.2，下插插銷最大阻力： （16）TXZTXyt2TXytyt(cossincossin)11sin(2)2F

15、FF計算可得：FTXZ=53.037 N。下插插銷最大阻力： （17）TSZTSyt2TSytyt(cossincossin)11sin(2)2FFF計算可得：FTSZ=26.530 N。插銷最大阻力為FTZ=FTXZ+FTSZ （18）計算可得：FTZ=79.567 N。3.1.8 四通快插插拔力計算一般情況下（上下快插無密封件貼合面無密封） ，四通快插插拔力為FCB=Fhd+FTZ （19）計算可得：FCB=1 696.309 N。3.1.9 額定工作壓力下的強度分析在進行有限元分析前，對模型進行通網(wǎng)格劃分，如圖 5 所示。圖 5 密封快插網(wǎng)格劃分在額定工作壓力 PW=69.0 MPa 下

16、，按圖 6 對 B 處實施約束，其整體應(yīng)力云圖如圖 7 所示，剖面應(yīng)力云圖如圖 8 所示。圖 6 密封快插載荷及約束示意圖圖 7 整體應(yīng)力云圖圖 8 剖面應(yīng)力云圖根據(jù)圖 7 和圖 8，最大應(yīng)力 max=230.25 MPa，僅占材料最小屈服強度的 31.759%，無需進行應(yīng)力線性化。在額定工作壓力下，密封快插強度滿足設(shè)計要求。3.1.10 在測試工作壓力下的強度分析對密封快插施加測試壓力和約束，測試壓力 PT=103.5 MPa，如圖 9 所示。對密封快插進行應(yīng)力分析，應(yīng)力云圖如圖 10 和圖 11 所示。圖 9 密封快插施加測試壓力和約束圖 10 密封快插應(yīng)力分析云圖圖 11 密封快插剖視應(yīng)

17、力分析云圖根據(jù)圖 10 和圖 11，最大應(yīng)力 max=345.37 MPa，僅占材料最小屈服強度的 47.637%，無需進行應(yīng)力線性化。在測試壓力下，密封快插強度滿足設(shè)計要求。4 四通性能測試四通性能測試四通快插作為水下控制系統(tǒng)對接盤的核心組成部分，制定合理的性能測試程序?qū)τ跈z測快插的可靠性具有重要意義。四通快插在工作中長期承受內(nèi)部高壓，由于處于一定的水深，因此也承受外部高壓，性能測試程序應(yīng)對四通快插所處的各種環(huán)境及操作進行模擬。表 2 列出了 ISO 13628-66中 11.2 節(jié)質(zhì)量鑒定試驗要求的四通快插應(yīng)進行的性能測試程序。表 2 性能測試程序要求部件名稱靜水壓力試驗溫度循環(huán)試驗插拔試

18、驗靜水壓力試驗四通快插本體測試+密封測試1 次100次密封測試4.1 室溫壓力測試室溫壓力測試1）單側(cè)背壓模擬測試圖 12 為公插頭和母插頭管線連接示意圖，連好之后分別進行單側(cè)靜水壓測試。圖 13 為使用測試工裝將公插頭和母插頭進行對接并壓緊，用來測試整體的靜水壓。圖 14 為單側(cè)管線連接示意圖，每側(cè)都要四條液壓通路，需要依次進行靜水壓測試。圖 12 單側(cè)背壓模擬測試圖 13 本體靜水壓測試圖 14 單側(cè)通路2）單側(cè)背壓模擬測試試驗操作如表 3 所示。3）靜水壓測試（1.5 倍額定工作壓力）將四通快插對接完畢，A 側(cè)四條通路接上管線，B 側(cè)堵上，試驗操作如表 4 所示。4）靜水壓測試（1 倍額

19、定工作壓力）試驗操作如表 5 所示。表 3 單側(cè)背壓模擬測試記錄表A 側(cè)壓力測試B 側(cè)壓力測試試驗壓力/MPa16.5試驗壓力/MPa16.5保壓時間/min10保壓時間/min10試驗結(jié)論試驗結(jié)論路OK路OK路OK路OK四通快插A 側(cè)B 側(cè)測試工裝路路路路路OK路OK路OK路OK表 4 1.5 倍靜水壓測試流程第一階段第二階段第三階段額定工作壓力/MPa試驗壓力/MPa保壓時間/min壓力/MPa試驗壓力/MPa保壓時間/min68.910310010310試驗結(jié)論路OK路OK路OK路OK表 5 1 倍靜水壓測試流程第一階段第二階段第三階段額定工作壓力/psi試驗壓力/MPa保壓時間/min

20、試驗壓力/MPa保壓時間/min試驗壓力/MPa保壓時間/min10 00068.91068.91513.815試驗結(jié)論路OK路OK路OK路OK4.2 外部壓力倉密封測試外部壓力倉密封測試1）將試壓管線按圖 15 進行連接，A 側(cè)四條通路接上管線，B 側(cè)堵上。圖 15 壓力倉密封測試2）試驗管線連接好后，四通快插放入壓力艙，關(guān)好艙蓋。3）壓力艙內(nèi)注滿水并打壓至 16.5MPa，用校準(zhǔn)過的壓力表核實壓力。4）試驗操作如表 6 所示。表 6 水壓測試流程第一階段第二階段第三階段額定工作壓力/MPa試驗壓力/MPa保壓時間壓力/MPa試驗壓力/MPa保壓時間/min/min68.9103100103

21、10試驗結(jié)論路OK路OK路OK路OK4.3 四通快插壓力四通快插壓力/溫度試驗溫度試驗1）將 A 側(cè)四條通路接上管線，B 側(cè)堵上。確保圖表記錄器可以持續(xù)記錄四通快插上游 A 側(cè)和下游 B 側(cè)的壓力以及溫度數(shù)據(jù)，結(jié)果如表 7 所示。表 7 四通快插壓力/溫度試驗記錄表序號內(nèi)容要求記錄值加熱到試驗溫度/4051OK保溫 30 分鐘，溫度變化/(min1)0.5OK到額定最低溫度后，調(diào)整 A 側(cè)壓力到工作壓力/MPa 68.9OK保壓時間/min60OK整個保壓過程中的壓力變化/(MPah1)2.1OK整個保壓過程中的溫度變化/4051OK泄壓/MPa0OK冷卻到試驗溫度/1829OK保溫 30 分

22、鐘，溫度變化/(min1)0.5OK到額定最低溫度后，調(diào)整 A 側(cè)上游壓力到工作壓力/MPa68.9OK保壓時間/min60OK整個保壓過程中的壓力變化/(MPah1)2.06OK整個保壓過程中的溫度變化/1829OK泄壓/MPa0OK1升溫到室溫室溫OKA 側(cè)打壓至額定工作壓力/MPa68.9OK保壓時間/min60OK泄壓/MPa0OK打壓至 5%10%額定工作壓力/MPa2.066.89OK保壓時間/min60OK2泄壓/MPa0OK4.4 插拔試插拔試驗驗1）如圖 3 所示，將四通快插相互配合，再緩慢分離，為 1 次插拔操作。2）試驗中插拔次數(shù)為 100 次，試驗結(jié)果為 OK。通過室溫壓力測試、外部壓力倉密封測試、四通快插壓力/溫度試驗和插拔試驗等性能測試，驗證了四通快插的可靠性，各項性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求。5 結(jié)論結(jié)論本設(shè)計方案針對四通快插的環(huán)境條件、強度及分離力等技術(shù)