水下连接器液压管线排布设计

2014-06-05任必为王金龙姜宇飞赵宏林段梦兰

石油矿场机械 2014年11期

关键词：护板控制面板软管

任必为，王金龙，姜宇飞，赵宏林，段梦兰

（1.北京矿冶研究总院，北京102600；2.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249）①

水下连接器液压管线排布设计

任必为1，王金龙2，姜宇飞2，赵宏林2，段梦兰2

（1.北京矿冶研究总院，北京102600；2.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249）①

为保证水下连接器液压系统能够正常工作，完成海底管道连接的任务，需选取合适的液压管线组合将液压执行元件和液压控制元件有效地连接起来。为了最大程度降低排布在安装工具上液压管线的复杂程度，并有效降低碰撞对液压管线造成损伤的可能性，设计了硬管和软管配合使用的排布方式，并采取设置护板、中空部件内部走线、绕后处理等方式来降低液压管线的暴露程度。利用三维布管软件Routing对水下连接器的液压管线进行了建模，证明了所设计的液压管线排布方式的可行性。

水下连接器；液压硬管和软管；排布管线；Routing

水下液压技术已广泛应用于海洋工程、船舶工程等领域［1-3］，由于水下工况相对复杂，因此安装在水下设备上的液压执行元件和液压控制元件需在不影响设备机械结构的条件下进行布置。这种情况下，液压管线的选取与排布对于整个液压系统能否顺利工作具有十分重要的意义［4］。

水下连接器依靠10个液压阀和13个液压缸来控制和驱动安装工具，从而实现海底管道的连接［5-6］。由于连接器在水下安装过程中执行动作较多，且液压阀需要集中布置，以方便ROV操作。因此，有必要选取和排布一套适用于水下连接器的液压管线，以保证水下连接器液压系统能够安全可靠的工作。

1 水下连接器安装过程

水下连接器的安装主要依靠带有液压系统的安装工具完成。

1）将安装工具下放到连接器的正上方，安装工具上布置有液压缸和ROV控制面板，其中ROV控制面板上装有全部的液压控制阀，如图1所示。

图1 安装工具

2） ROV操作控制面板，启动布置在对接板内部的3个对中液压缸，对中液压缸推动连接器进行轴线对中，如图2所示。

图2 对中液压缸对中

3） ROV操作控制面板，启动布置在驱动板内部的2个锁紧液压缸，锁紧液压缸将安装工具与连接器绑定，如图3所示。

图3 锁紧液压缸绑定

4） ROV操作控制面板，启动缸筒固定在后挡板，活塞杆末端固定在对接板上的4个对接液压缸，对接液压缸推动连接器进行海底管道对接，如图4所示。

图4 连接器对接

5） ROV操作控制面板，启动缸筒固定在对接板，活塞杆末端固定在驱动板上的4个驱动液压缸，驱动液压缸推动连接器与海底管道锁紧，如图5所示。

图5 连接器锁紧

6）待连接器完成海底管道的连接后，收回安装工具。待安装工具完全收回后，留在水下的结构如图6所示。

2 液压管线的设计

2.1 液压管线的排布原则

为了避免连接器在安装过程中液压管线发生碰撞，应尽量选取硬质管线连接各液压元器件［7］，同时使用护板进行保护。但是从水下连接器的安装过程可以看出：集成在安装工具上的液压系统中液压缸数量较多，且分布于安装工具上不同的部件，同时液压阀集中布置于ROV控制面板上，这就会导致各液压缸与液压阀之间的距离会随着安装工具的运动而随时变化。因此，有必要选取液压硬管和软管相配合来完成液压管线的排布［8］。

2.2 液压管线的参数设计

水下连接器液压系统的设计参数如表1所示。

表1 设计参数

2.2.1 硬管的参数计算

根据水下连接器液压系统的使用工况和设计参数，选择15号钢制成的精密无缝钢管（GB3639-83）作为液压硬管。

管的内径为

式中：d为管的内径，mm；q为油液的流量，L／min；v为管内油液的流速，m／s。

计算可得压油管路的内径取8.00 mm，吸油管

路的内径取13.00 mm。管的壁厚为

计算可得压油管路的壁厚取2.00 mm，吸油管路的壁厚取2.00 mm。

管的外径为

式中：D为管的外径，mm。

计算可得压油管路的外径取12.00 mm，吸油管路的外径取18.00 mm。

2.2.2 软管的参数计算

根据水下连接器液压系统的使用工况和设计参数，选择钢丝缠绕骨架的高压胶管作为液压软管。软管内径与流量、流速之间的关系如图7所示，根据压油管路和吸油管路中油液的流速和流量，可得压油管路的内径8.0 mm，吸油管路的内径取13.00 mm。

图7 软管内径与流量、流速之间的关系

3 液压管线的排布

3.1 三维布管软件Routing

三维布管软件Routing为Solid Works软件中专门进行管道管筒设计的插件，Routing的设计库中包含常用的标准管道模块及管接头、管夹等附件，也可以根据需要自行建立满足需要的管道模块，如图8所示。

图8 Routing及其设计库

使用Routing进行液压管线的三维建模操作方法如下：使用Solid Works打开需要排布液压管线的装配体，添加Routing插件并选择管筒设计；从Routing设计库中选取合适的管接头和管夹并设置参数，将管接头和管夹装配到装配体中；点击管接头上的连接点，选取管筒参数（如需使用软管则勾选软管选项），将管夹和另一个管接头的连接点添加到线路中，通过绘制3D草图（使用Tab键切换坐标平面）来完成液压管线走向的排布。

3.2 水下连接器液压管线的三维建模

水下连接器液压管线的排布主要包括2部分：安装工具上的液压管线排布和ROV控制面板上的液压管线排布。

3.2.1 安装工具上液压管线的排布

安装工具上装有对接液压缸、驱动液压缸、对中液压缸和锁紧液压缸，各个液压缸与液压阀采用硬管和软管组合的方式进行连接，在安装工具两侧加装护板以保护液压管线，如图9所示。

图9 安装工具上的液压管线

1）对接液压缸的管线排布。对接液压缸共4个，缸体均匀固定在后挡板上。由于对接液压缸相对于ROV控制面板没有发生位移，因此可以全部采用硬管连接，如图10所示。为了避免液压管线过度暴露，将液压管线布置在护板内侧，并用管夹固定在护板上。接入ROV控制面板的液压管线采用绕后处理。

图10 对接液压缸的管线排布

2）驱动液压缸的管线排布。驱动液压缸共有4个，缸体均匀固定在对中板上。由于对中板会在连接器安装过程中运动，驱动液压缸相对于ROV控制面板会发生位移，因此需用硬管和软管共同连接，如图11所示。

为了避免液压管线过度暴露，将液压管线布置在护板内侧，并用管夹固定在护板上。因为对中板内部中空，连接驱动液压缸端部的液压管线可以贯穿在对中板内部，以起到保护管线的目的。硬管之间采用U形软管连接，对中板在运动时液压管线不受影响。接入ROV控制面板的液压管线采用绕后处理。

图11 驱动液压缸的管线排布

3）对中液压缸的管线排布。对中液压缸共3个，呈120°固定在对中板的内部。由于对中板会在连接器安装过程中运动，对中液压缸相对于ROV控制面板会发生位移，因此需用硬管和软管共同连接，如图12所示。

为了避免液压管线过度暴露，将液压管线布置在护板内侧，并用管夹固定在护板上。因为对中板内部中空，连接对中液压缸的液压管线可以贯穿在对中板内部，以起到保护管线的目的。硬管之间采用U形软管连接，对中板在运动时液压管线不受影响。接入ROV控制面板的液压管线采用绕后处理。

图12 对中液压缸的管线排布

4）锁紧液压缸的管线排布。锁紧液压缸共2个，呈180°固定在驱动板的内部。由于驱动板会在连接器安装过程中运动，锁紧液压缸相对于ROV控制面板会发生位移，因此需用硬管和软管共同连接，如图13所示。

为了避免液压管线过度暴露，将液压管线布置在护板内侧，并用管夹固定在护板上。因为驱动板内部中空，连接锁紧液压缸的液压管线可以贯穿在驱动板内部，以起到保护了管线的目的。硬管之间采用U形软管连接，驱动板在运动时液压管线不受影响。接入ROV控制面板的液压管线采用绕后处理。

图13 锁紧液压缸的管线排布

3.2.2 ROV控制面板上液压管线的排布

为了便于ROV在水下操作以及将各液压控制阀集中放置，在安装工具上设计ROV控制面板，如图14所示。水下连接器液压系统的供油依靠液压快速接头供给，液压控制阀集中布置在ROV控制面板的背面。

图14 ROV控制面板

ROV控制面板上的各个控制阀之间用硬管连接，在排布液压管线时应在保证油路完整的情况下避免管线之间发生交叉重叠，如图15所示。

图15 ROV控制面板上的管线排布

ROV控制面板上的液压阀与液压缸之间采用软管连接，如图16所示。

图16 液压阀与液压缸之间的连接

4 结论

1）通过分析水下连接器的安装过程及其液压系统的组成，根据实际工况选取了合适的液压硬管和软管，并确定了管线排布的原则，最后借助三维布管软件Routing对水下连接器的液压管线进行了排布。

2）液压硬管和软管的配合使用比较合理，能够在不影响传输液压油的情况下，有效地降低了布置在安装工具上的液压管线的复杂程度。

3）设置护板、在中空部件的内部走线和绕后处理等手段有效地降低了液压管线的暴露程度，大幅降低了水下连接器安装过程中发生碰撞对液压管线造成损伤的可能性。

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［4］曹玉平，阎祥安.液压传动与控制［M］.天津：天津大学出版社，2009.

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［8］王守城，段俊勇.液压元件及选用［M］.北京：化学工业出版社，2007.

Design of Arrangement of Hydraulic Pipelines on Underwater Connector

In order to guarantee the normal work of the hydraulic system in underwater connector，so as to complete the task of connecting submarine pipelines，choosing suitable hydraulic pipelines to connect the hydraulic actuators and the hydraulic valves effectively is important.In order to maximize reducing the complexity of the hydraulic pipelines that was assembled on the running tool，and reduce the possibility of collision damage of hydraulic pipelines effectively，the design of hard tube and hose is needed，and taking the guard plate，walking lines inside hollow parts，the post-wrapping methods are needed to reduce the exposure of hydraulic pipelines.Use three-dimensional pipe ranking software“Routing”modeling the underwater connector hydraulic pipes to prove the feasibility of this design.

underwater connector；hydraulic hard tube and hose；arrangement of pipelines；routing

TE952

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.006