世纪号FPSO外输软管应急释放系统改造

周 毅

（中海油能源发展采油服务公司 天津300452）

1 研究背景

1.1 现状及存在问题

世纪号 FPSO外输软管应急释放液压缸在经过使用后已经不能锁紧制动，在外输过程中，浮动法兰处出现外输原油泄漏。现在采取卡子固定方式，将浮动法兰压紧锁死，由于固定后使软管与液压释放装置一同旋转，外输软管扭力无法卸载，扭力直接作用于球形接头，对球形接头造成伤害，以至外输放管时固定链发生断裂现象，并且损坏液压管线，使外输工作存在很大的安全隐患。为此，需要恢复外输应急释放功能，主要工作内容包括：分析外输应急释放液压缸存在问题；设计新型液压缸，替换原有液压缸；对新型液压缸进行陆地试验，确认其功能满足现场要求；现场安装调试。

1.2 故障分析

1.2.1 现场调研

根据要求，通过“世纪号外输应急系统”的现场调研，确认外输应急释放系统存在的问题，并进行相关尺寸的测量工作，保证设计制作的新型液压缸满足工作要求。现状如图1所示。

图1 应急释放装置现状图Fig.1 Emergency release system constitutional diagram

1.2.2 原液压缸拆解分析

原液压缸内部结构如图2所示。

图2 原液压缸内部结构图Fig.2 Internal structure diagram of hydraulic cylinder.

液压缸缩回时动作顺序为：液压缸前腔给油，液压缸活塞开始缩回，活塞锁紧柱头先接触定位钢珠，此时定位钢珠处于自由状态，当锁紧柱头继续缩回，钢珠被锁紧柱头压出，活动套接触钢珠，因活动套后有弹簧可压缩，使活动套反向回缩，当锁紧柱头的定位槽到达钢珠位置时，钢珠被活动套在弹簧力作用下压入锁紧柱头的定位槽，实现液压缸锁紧。

液压缸伸出时的动作顺序为：液压缸后腔给油，此时因后腔内无密封，只有活塞上有密封，故后腔内均为压力油，活动套处于压力油内不能实现开锁，压力油作用在活塞及锁紧柱头的底面，推动活塞杆强行伸出，对钢珠造成损坏，往复循环几次造成钢珠损坏严重，不能实现液压缸的定位锁紧。

2 新型液压缸设计制作

2.1 外形尺寸

新型液压缸外形尺寸如图3所示。为了保证安装顺利完成，新液压缸安装尺寸和原液压缸安装尺寸完全相同。

图3 新型液压缸外形尺寸图（mm）Fig.3 New hydraulic cylinder outline dimension（mm）

2.2 设计要求

①液压缸缩回并自锁，机械锁可承受24t拉力。

②液压缸后腔给油打开机械锁，液压缸可伸出。

③自锁状态下，前后腔同时给压力油不可开锁，液压缸不动。

2.3 新型液压缸动作说明

①液压缸前腔给压力油活塞缩回，活塞先把卡键收缩到卡键座内，柱塞接触卡键后无法前进收缩到活塞孔内。当卡键进入活塞卡键槽内后，卡键涨出柱塞在弹簧和压力油作用下伸出，机械锁缩紧。当活塞杆受外拉力时，不可伸出，液压缸前腔给压力油自锁成功。

②液压缸后腔给压力油，油压作用于活塞和柱塞端面。活塞锁紧不可动，柱塞克服弹簧力缩入活塞孔内，卡键在活塞作用力下缩入卡键座内，活塞解锁伸出。后腔给油液压缸伸出开锁成功。

③处于自锁状态时，液压缸前后腔同时给压力油，油压同时作用于柱塞两端面，柱塞两面面积相同，即推力相同。在弹簧作用力下，柱塞不动机械锁不可打开，整机结构处于安全状态。

2.4 主要零件技术要求

2.4.1 活塞杆及活塞

活塞杆及活塞材质为 45优碳钢调质处理，活塞杆处表面镀硬铬，锁紧卡槽处淬火处理，处理硬度42～45HRC。

2.4.2 锁紧柱塞

锁紧柱塞材质为合金钢 40Cr淬火处理，处理硬度 45～50HRC。柱塞前端倒角，斜面接触卡键内球面，后端给力可涨开卡键。卡键上有环型槽，安装和拆卸挡圈用。

2.4.3 卡键

卡键材质为合金钢 40Cr淬火处理，处理硬度42～48HRC。抗压指标 100kg/mm2，卡键截面为14mm×14mm的方键6件，单件截面积为196mm2，共计6件卡键，总面积为196mm2×6＝1176mm2

故卡键承受拉力为：100kg/mm2×1176mm2＝1.176×105kg＝117.6t，远远大于设计拉力 24t，完全满足设计要求，卡键设计图如图4所示。

图4 卡键设计图Fig.4 Card key design

卡键在车床上加工成圆环，内外倒圆角便于开锁解锁。从圆环上用线切割加工成如图 4右图所示的六瓣键，承受液压缸锁紧时承受的压力。原来钢球在受力时外面与套是点接触，里面是线接触，当受力时因钢球硬度过高容易破碎。卡键的优点是接触面积大，不会因为受力不均碎掉，使机械锁的强度得到提高，性能更稳定。

2.4.4 卡键座

材质为合金钢 40Cr调质处理，处理硬度 37～42HRC。卡键座受力为扇形，单个截面积为197mm2。抗压指标为 100kg/mm2，6件共可承压118.2t。卡键座设计图如图5所示。

图5 卡键座示意图Fig.5 Schematic diagram of card key base

2.4.5 钢丝挡圈

65Mn弹簧钢丝，直径4mm。当液压缸前腔给油时柱塞受到向右的推力，直到接触钢丝挡圈承受柱塞推力。

2.4.6 密封

液压缸采用日本 NOK密封，保证液压缸使用。活塞及导向套处加装 WR抗磨环，使导向效果更好，保证缸筒内壁和活塞杆不被划伤，增加液压缸的使用寿命。活塞处密封采用组合密封最高使用压力可达80MPa。导向套处杆封用 Y型密封，密封效果更好，并加装挡圈提高抗压性能。

3 新型液压缸试验

3.1 密封试验

液压缸加工装配完成后，上试验台用负载试验方法对其进行反复试验。液压缸不得有内外泄漏，缸体不能有变形。开关锁正常后，做极限试验。拆开液压缸检测，卡键及活塞无损伤变形，装好后重新做负载试验检测机械锁工作是否正常。

3.2 负载试验

为了保证液压缸长期正常往复运动，要对新设计制作液压缸进行功能试验。液压缸吊装杆端连接负载，前后腔接试验台，实现液压缸的上升下降功能。后腔并联蓄能器，可在液压缸锁紧状态下给油实现液压缸快速释放。液压缸带负载反复升降，检验机械锁的锁紧效果，保证开关锁正常，无卡滞现象，锁紧准确打开自如。

3.3 极限试验

液压缸在锁紧状态下承受外加24t拉力负荷，检查液压缸是否可承受极限拉力。新制作液压缸为试验用外接液压缸：可输出 24t拉力，液压缸缸径125mm，活塞杆直径 80mm，当前腔施加 16MPa压力时，拉力为 24.12t。可在前腔接压力表显示压力，或在两液压缸连接处接拉力计，直接显示机械锁所承受的拉力。反复试验数次后拆开液压缸进行检测，卡键、活塞、卡键座没有损伤。

4 效 果

经过重新设计改造世纪号 FPSO外输软管应急释放装置，解决了现有应急释放装置液压卡扣无法锁死问题，重新恢复应急释放功能，极大地降低了原油外输的风险。通过陆地的多项试验，发现其可靠性好于原设计。