一种水下管汇橇多向调节液压系统设计

2024-03-09李世平

化工管理 2024年6期

李世平

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东湛江 524057)

0 引言

根据管汇内主管与海管的相对位置，可分为同轴型和垂直型。同轴型水下管汇的主管与海管中心线同轴，主管与海管尺寸一致，可与海管一起通球，是目前水下系统开发常用的管汇形式；水下三通管汇属于垂直型，水下三通管汇的主管尺寸一般都小于接入的海管，同时管汇主管也不能与接入海管一起进行通球清管[1]。

水下管汇是采用重力式安装的水下设备，常采用平整海床、重力压载、吸力桩的方法进行水下橇块倾斜度的调平，采用水下液压调平时需要考虑永久固定措施[2]。同轴型水下管汇与海管法兰连接时采用膨胀弯，采用海底软管时也可直接与管汇主管法兰连接，但膨胀弯造价高。软管连接时需要在软管上绑扎浮袋，通过多次姿态调整实现软管法兰与管汇法兰的精准对接。水下管汇橇的安装精度受到海床倾斜、海流、船舶稳定性、吊装技术的影响，海管法兰坐标确定后，水下管汇橇的安装精度一般为轴向位移偏差±250 mm，径向位移偏差±250 mm，海床造坑平整高度偏差±400 mm，水平角度偏差±5°，竖直角度偏差±3°。设计一套可实现多向调节的液压系统，通过调整水下管汇主管位置实现管汇与海管直接连接，可减少施工时间及一个膨胀弯使用。

1 水下管汇橇设计参数

1.1 管汇设计

对南海约100 m水深的水下管汇与海管连接方案进行研究，管汇工艺如图1所示。管汇主管为DN700 mm，水下管汇与钢制海管一端固定法兰及旋转法兰配对，另一端采用旋转法兰与球法兰配对，球法兰的最大允许角度偏差为±7°，在正常的安装工况下可抵消海床不平造成的影响。除了考虑管汇橇基础外，需要增加相应的管汇支撑和滑动机构，以实现上下、左右、前后的调节，如图2所示，水下多向调节液压系统可实现管汇一端与海管直接连接。

图1 管汇工艺图

图2 水下管汇橇模型

1.2 管汇调节装置设计

管汇橇结构由底座、移动框架、轴向移动滑道、径向移动滑道、阀组等组成。液压调节系统从下到上分为三层，即顶升、轴向滑移、径向滑移。移动框架需要满足支撑轴向移动滑道、径向移动滑道的功能，采用“日”字形框架，降低结构框架高度。“日”字框架内部嵌套“口”字框架(轴向滑道)，轴向滑道上布置横向滑道，“日”字框架通过4个顶升液压缸支撑在底座上，“口”字框架(轴向滑道)以“日”字框架为支撑设置轴向驱动双作用液压缸，横向滑道通过管卡与阀组固连，并以“口”字框架为支撑设置径向驱动双作用液压缸，整体结构如图3和图4所示。

图3 移动框架及阀组图

图4 “日”字及“口”字框架图

2 液压载荷

2.1 基础参数

液压载荷的基础参数如表1所示。

表1 设计基础

2.2 负载特性

液压推动过程包括橇块静止、启动、加速及匀速运动，需要考虑的负载包括工作负载FW、惯性负载Fm及阻力负荷Ff，其中Fm取决于移动部件的质量和最大加速度。轴向和径向推拉过程中，底部相对滑动接触面存在静摩擦力Ffj和动摩擦力Ffd[3]。

式(1)～式(6)中：FW为受液压缸移动的物体重量(N)；Fm为移动部件的质量和最大加速度的积(N)；Fm为橇块移动过程受到水黏滞力产生的阻力(N)；v为液压缸内活塞移动速度(m/s)；d为液压缸直径，如表1中的d1、d2、d3(mm)；ΔV为静止到启动的速度，取VΔ=v(m/s)；Δt为速度变化的时间，液压启动换向时间tΔ为0.1 s(s)；M为物体质量，如表1中的M1、M2、M3(kg)。

取液压泵输出流量Q=20 L/min，水阻力系数C=2，海水密度ρ=1100 kg/m3，重力加速度g=9.8 m/s3，橇块与海流的相对速度V1=4 m/s。S为沿移动方向的橇块投影面积，移动垂直投影面积S1约为60 m2，移动轴向投影面积S2约为10 m2，移动径向投影面积S3约为10 m2；在钢材与PTFE摩擦作用下，静摩擦力N1=0.25，动摩擦力N2=0.15，计算结果如表2所示。

表2 液压负载表

多个液压缸同时使用时，需考虑单个液压缸承受所有载荷的工况及倾覆力矩的影响。考虑安全余量，单个顶升液压缸推力取1000 kN，拉力取500 kN；轴向液压缸的推力和拉力均取250 kN；径向液压缸的推力和拉力均取200 kN。

3 液压系统设计

3.1 液压系统主要部件

液压系统包含动力、控制、执行三个功能部分，主要由液压站橇、液压管总成、水下阀组橇、顶升液压缸、轴向液压缸、径向液压缸构成。液压油一般选用抗磨液压油，长期用于水下的液压系统需要采用水基液压油。液压油箱用于储油和散热，可先根据液压泵的额定流量计算油箱体积，再根据散热要求对油箱容积进行校核。油管材质与液压油兼容，同时耐海水腐蚀，可采用韧性较好的高压软管，其弯曲半径小，有利于水下连接。

液压站橇放置在船上，通过供、回油管组成的脐带缆与置于水下橇块上的水下阀组橇连接，每个水下液压缸再与对应阀门连接，通过单个阀门对应一个液压缸，实现液压缸的同步或单独控制，每个液压缸油口配置一组双向液压阀，可实现液压缸自锁。当液压油在船上通过液压管到达液控阀，再通过液控阀的换位可实现液压缸顶升、轴向推动、径向推动功能，通过准确控制供油量，实现单个液压缸的精确无级步进。对顶升液压缸，通过调节每个缸体的顶升高度，可实现目标橇块的倾角调节。

3.2 液压原理图

为了达到调节对接的精准度，液压系统不但要满足动力传递，还需通过液压执行元件准确控制其行进速度、位移量。伺服控制系统可实现精确控制，但需要配套高精度的测量元件及反馈系统。水下液压控制系统由于无法提供水下电源，且信号在水中传递存在削弱和滞后性，无法采用伺服系统，橇块移动控制只能依靠潜水员查看或ROV观察判断。液压系统原理图如图5所示。

图5 液压系统原理图

3.3 液压系统多向调节方法

橇块调平过程的动作包括升降、进退，有四种工况。

3.3.1 工况1：整橇调平和顶升

4个顶升液压缸，分别为1号～4号，每个顶升液压缸旁放置一把水平尺。橇块坐底后，倾斜方向有三种情况：(1)整橇向主管汇轴向倾斜(1号水平尺倾斜，2号水平尺居中)；(2)整橇向主管径向倾斜(1号水平尺居中，2号水平尺倾斜)；(3)整橇向其他方向倾斜(1号、2号水平尺均倾斜)。针对三种情况的液压调节步骤如下：

(1)3号和4号液压缸进出口保压，1号和2号液压缸同时进油，整橇以3号和4号液压缸所在面为旋转原点，1号和2号液压缸所在面直接升高，3号和4号液压缸由于橇块提升力的作用跟随橇块提起，继续往1号和2号液压缸充油，观察1号水平尺，当整橇面水平时，1号、2号、3号和4号液压缸进出口保压，调平完成。之后直接向4个液压缸同时注入大流量液压油，整橇缓慢上升，观察两对接法兰面高度差在50 mm左右时，改用低流量供油调节，直至两法兰面中心高度基本重合时，提升完成。若橇块与原海管轴线在垂直面上存在倾角，若原海管法兰轴向倾角向上，则1号、2号液压缸保压，同时向3号、4号液压缸注入低压油，观察直到两法兰轴线基本重合。

(2)1号、3号液压缸进出口保压，2号、4号液压缸同时进油，整橇以1号、3号液压缸所在面为旋转原点，2号、4号液压缸所在面直接升高，继续往2号、4号液压缸充油，观察2号水平尺，当整橇面水平时，调平完成。之后直接向4个液压缸同时注高压油，整橇缓慢上升，观察两对接法兰面高度差在50 mm左右时，改用小排量供油调节，直至两法兰面水平标线基本重合时，提升完成。若出现提升高度过高，则需要整体反向供油微调节。

(3)假设1号点最高，4号点最低，1号液压缸保压，2号、3号液压缸进出口不带压，向4号液压缸注入油(注，见下方)，当4号和2号液压缸直线上的水平尺居中时，向3号液压缸分步骤分别注入低压油；1号、2号液压缸保压，3号液压缸进出口不带压，向4号液压缸注入油；当1号、2号水平尺都居中时，1号、2号液压缸保压，向3号和4号液压缸分步骤分别注入油。之后直接向4个液压缸同时注高压油，整橇缓慢上升，观察两对接法兰面高度差在50 mm左右时，改用小排量供油调节，直至两法兰面水平标线基本重合时，提升完成。若出现提升高度过高，则需要整体反向供油微调节。

注：若在调节4号液压缸时，橇块向2号倾斜，则观察2号和4号液压缸直线上的水平尺居中时，1号液压缸保压，3号液压缸进出口不带压，向2号、4号液压缸同时注入油；当1号、4号水平尺都居中时，1号、2号和4号液压缸保压，向3号液压缸分步骤分别注入低压油，溢流阀溢流说明3号液压缸触底。之后直接向4个液压缸同时注高压油，整橇缓慢上升，观察两对接法兰面高度差在50 mm左右时，改用小排量供油调节，直至两法兰面水平标线基本重合时，提升完成。若出现提升高度过高，则需要整体反向供油微调节。

3.3.2 工况2：整橇径向推移

向5号和6号液压缸同时注入高压油，推动整橇向径向推进，当两法兰轴线间间距约50 mm时，更换低压进油缓慢推进，直到两轴线基本重合，停止径向调整。

3.3.3 工况3：整橇轴向推移

向7号和8号液压缸同时注入高压油，推动整橇向原海管法兰推进，当两法兰间间距约50 mm时，更换低压进油缓慢推进，当间距约20 mm时，停止轴向调整。

3.3.4 工况4：组合调整

当工况1、工况2调整完成时，实施工况3操作，向7号和8号液压缸同时注入低压油，潜水员观察两法兰面的相对情况，若发现高度倾角、径向偏差、轴向偏差和转角偏差时，相应执行工况1、工况2操作，注入低压油，微调至法兰间密封圈贴合，旋转橇块上的球法兰，使螺栓孔对上并上紧螺栓，橇块调平就位完成。