摘 要: 針對深海工作環(huán)境的要求,設(shè)計了深海雙法蘭液位變送器,介紹了該裝置的特點及其工作原理;設(shè)計了雙法蘭液位變送器液壓單元,介紹了雙法蘭液位變送器液壓參數(shù)的確定及其工作原理;同時,對封閉式液壓油箱的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,并針對深海海底溫度低、壓力高的特點,介紹相應(yīng)的補償計算,對深海海底沉積物物理特性的探測具有重要的應(yīng)用價值。保持原位環(huán)境,直接在海底測試沉積物的特性參數(shù),測試結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。利用液壓傳動系統(tǒng)將探桿貫入到沉積物中,對沉積物擾動小,探桿貫入深度可控,應(yīng)用前景廣闊。
引言
隨著國內(nèi)外油氣資源開采邁向深水,水下生產(chǎn)裝備的使用量劇增[1] ,液壓系統(tǒng)應(yīng)用于石油鉆機(jī)關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)已成為石油鉆采工作者研究的熱點,備受關(guān)注[2] 。對于未知深海資源的探索,原位測試[3 -4] 已經(jīng)成
為我們了解海洋的常用手段。“海底沉積物力學(xué)特性的原位測試裝置”是通過 CPT 探頭、球形探頭、十字板探頭原位測量海底沉積物 [5 -7] 力學(xué)性質(zhì)的大型水下設(shè)備。深水雙法蘭液位變送器[8 -10] 是該設(shè)備的核心裝置之一,完成上述探頭貫入和拔出沉積物的動作,實現(xiàn)海底沉積物力學(xué)特性原位量測。
深水雙法蘭液位變送器使用液壓方式驅(qū)動,包括深水液壓動力單元、貫入油缸、貫入行程放大機(jī)構(gòu)、探桿位移傳感器、探桿接口等部件,如圖 1 所示。
深水液壓動力單元為
雙法蘭液位變送器提供動力,控制貫入油缸伸出和縮回,通過行程放大機(jī)構(gòu)帶動探桿拔出和貫入沉積物,完成傳感器對沉積物力學(xué)性質(zhì)的測量[11 -12] 。
1 液壓單元設(shè)計要求
工作水深 11000 m,系統(tǒng)工作壓力 7 MPa,系統(tǒng)額定流量1. 7 L/min,電機(jī)工作電壓 DC48 V,#大工作電流 15 A,控制電壓 24 V,貫入油缸缸徑 50 mm,活塞桿直徑 30 mm,有效行程 700 mm。
2 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計
深水雙法蘭液位變送器液壓單元包括水下電機(jī) 5、齒輪泵6、控制閥組 12、閥箱 2、補償器 4、壓力變送器 7、貫入油缸 13、高壓管路、接頭、油液過濾器 3、水密接插件、水密電纜等部件,液壓原理如圖 2 所示。
2. 1 工作原理
水下電機(jī) 5 通過泵架和聯(lián)軸器和齒輪泵 6 連接,電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn),帶動齒輪泵轉(zhuǎn)動,液壓油經(jīng)過過濾器進(jìn)入齒輪泵吸油口,經(jīng)齒輪泵轉(zhuǎn)變成高壓油通過齒輪泵壓油口進(jìn)入控制閥組,通過控制閥組的溢流閥設(shè)定系統(tǒng)#高工作壓力為 7 MPa。初始位置壓力油經(jīng)過電磁換向閥 P 進(jìn)入電磁換向閥,經(jīng)過電磁換向閥從電磁換向閥 B 口輸出,通過高壓管路和接頭進(jìn)入貫入油缸有桿腔,使油缸處于縮回狀態(tài),此時探桿處于拔出位置;電磁換向閥電磁鐵通電,電磁換向閥閥芯向右移動,使電磁換向閥 P 口和 A 口接通,壓力油經(jīng)過電磁換向閥 P 口進(jìn)入電磁換向閥,經(jīng)過電磁換向閥從電磁換向閥 A 口輸出,通過高壓管路和接頭進(jìn)入貫入油缸無桿腔,推動油缸活塞向上移動,活塞桿伸出,帶動探桿向下移動,把探桿貫入沉積物中。
貫入油缸缸徑 50 mm,活塞桿直徑 30 mm,海底沉積物力學(xué)性質(zhì)測量要求探桿貫入速度為 1. 2 m/min,#大貫入力 3 kN�;钊麠U伸出時,探桿貫入沉積物,所以探桿的貫入速度和貫入力通過貫入油缸無桿腔計算。
因此設(shè)計油缸時,油缸進(jìn)出油口增加阻尼孔,降低壓力油進(jìn)出油缸腔室的速度。根據(jù)沉積物的力學(xué)特性,其在垂直方向上近似為均勻分布,不會引起貫入過程中液壓缸負(fù)載的波動,因而不會對貫入速度造成較大影響,故采用固定孔徑的阻尼孔,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
其中,Q s 為貫入速度為1. 2 m/min 時液壓缸的流量,為 1. 17 L/min; α 為阻尼孔的節(jié)流系數(shù),取 0. 78;A s 為阻尼孔面積,mm 2 ; Δp 為根據(jù)實驗數(shù)據(jù)測得的液壓缸負(fù)載壓力,為 0. 4 MPa; ρ 為液壓油密度,取 0. 9g/cm 3 。
加入阻尼孔后,控制貫入油缸活塞桿的伸出速度降低到期望的 0. 6 m/min,使探桿以 1. 2 m/min 的速度勻速貫入沉積物中,提高了測量精度。
2. 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計
1) 閥箱設(shè)計
閥箱采用圓柱形結(jié)構(gòu)設(shè)計,分為 3 段,上段為補償膜片和防護(hù)罩,中段為艙體,下段為底部法蘭。艙體和補償膜片、艙體和底部法蘭之間采用軸向密封的方式,保證艙體內(nèi)部密封。閥箱采用補償式結(jié)構(gòu),補償隨壓力升高和溫度降低而引起的內(nèi)部油液的體積變化和油缸兩腔的體積差,防止閥箱因外部壓力過大而損壞和液壓單元出現(xiàn)吸空現(xiàn)象而造成元件的損壞,閥箱結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。
底部法蘭材質(zhì) 6061 鋁合金,采用圓柱形結(jié)構(gòu)設(shè)計,直徑 330 mm,厚度 42 mm,上端面加工密封圈槽、定位止口和 12 處 M12 螺紋孔。密封圈槽內(nèi)安裝 O 形密封圈,實現(xiàn)艙體和底部法蘭之間的密封。定位止口和艙體內(nèi)壁配合,保證艙體和底部法蘭同軸。底部法蘭和艙體使用 8 件 M12 高強(qiáng)度螺釘連接,保證連接的強(qiáng)度和兩部分之間的密封。底部端蓋直徑方向設(shè)計 2
處 7/16-20UNF-2B 螺紋孔 2 處 5/8-18UNF-2B 螺紋孔,安裝水密接插件,通過法蘭上端面的出線口將水密電纜引出,從而方便連接電池艙和控制艙。法蘭周圈設(shè)計 9 處 G1/4 螺紋孔,1 處用來補充液壓油,另 8 處安裝高壓接頭,通過高壓油管連接 4 條貫入油缸。法蘭下端面設(shè)計 2 處 G1/4 螺紋孔,1 處用來加注液壓油,1 處加注液壓油時排氣;法蘭上端面設(shè)計 8 處 G1/4螺紋孔安裝高壓接頭,通過高壓油管與控制閥組出口相聯(lián)接,底部法蘭如圖 4 所示。
艙體材質(zhì) 6061 鋁合金,兩端為安裝法蘭,中間為殼體,殼體內(nèi)徑 260 mm,外徑 272 mm,兩端法蘭直徑330 mm,厚度 16 mm。兩端法蘭加工 272 × 4 mm 止口,加工 3 ×45°倒角,使用氬弧焊和中間殼體焊接為一體,焊接完成后加工兩端面及密封槽,如圖 5 所示。
補償膜片材質(zhì) NBR65,采用圓臺型結(jié)構(gòu)設(shè)計,如
圖 6 所示。
補償膜片的圓形凸起安裝在艙體的密封槽內(nèi),保護(hù)罩把補償膜片和艙體固定在一起,保證艙體密封。艙體內(nèi)部油液隨環(huán)境壓力增大和環(huán)境溫度的降低,體積減小,補償膜片材質(zhì)為 NBR65 是柔性體,隨油液體積減小向艙體內(nèi)部凹陷,保持內(nèi)外壓力平衡,完成油液隨環(huán)境變化的補償。
2) 液壓系統(tǒng)補償量計算
深海設(shè)備的液壓系統(tǒng)與地面設(shè)備比較,還有一個特殊要求,即水深壓力平衡及油液補償問題。深海設(shè)備的液壓系統(tǒng)安裝在密封的箱體內(nèi),為減小設(shè)備重量,箱體一般僅密封不承壓,由水深產(chǎn)生的環(huán)境壓力須通過油液補償?shù)霓k法進(jìn)行平衡。
由此確定了補償器容積,既滿足了實際使用需要,也減小了總體體積。
3 結(jié)論
本研究介紹的雙法蘭液位變送器采用皮帶和帶輪的聯(lián)接方式,有效避免了工作過程中出現(xiàn)的打滑,更準(zhǔn)確地測量出實際貫入深度。深水液壓單元,將水密接插件及油缸出入口全部集成在底部法蘭上,更利于現(xiàn)場操作和維護(hù)。隨著深�?茖W(xué)研究和資源能源開發(fā)活動及海洋安全國防工程進(jìn)入全海深時代,迫切需要獲悉深海、海斗深淵沉積物力學(xué)性質(zhì)。本研究介紹的深水液壓單元為海底沉積物力學(xué)特性的原位測試裝置提供了有力的技術(shù)保障,對我國深海探測技術(shù)快速發(fā)展具有推動作用。
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