水下球閥用液壓執行機構設計

　　介紹了一種水下球閥用帶接口的單作用液壓執行機構，分析了液壓執行機構的工作原理，通過(guò)設計計算確定其基本參數，給出了水下球閥用液壓執行機構的設計方案。

　　1、概述

　　隨著(zhù)海洋石油天然氣工業(yè)的發(fā)展，以及海洋石油天然氣的勘探和開(kāi)發(fā)向深水區域邁進(jìn)，水下生產(chǎn)系統已經(jīng)成為一種重要的深水開(kāi)發(fā)模式。在早期，水下閥門(mén)主要的形式是閘閥，但隨著(zhù)深海油氣田的發(fā)展和對大孔徑、高壓力閥門(mén)需求的增加，球閥在深海環(huán)境的應用越來(lái)越廣泛。本文介紹一種水下球閥用帶水下機器人( ROV) 接口的單作用液壓執行機構。

　　2、工作原理

　　在正常工況下，執行機構通過(guò)液壓缸驅動(dòng)閥門(mén)關(guān)閉，通過(guò)復位彈簧開(kāi)啟閥門(mén)。在調試或液壓源故障時(shí)，通過(guò)ROV 接口驅動(dòng)。水下球閥執行機構由液壓驅動(dòng)機構、彈簧復位機構、ROV 驅動(dòng)機構、壓力補償器和位置指示器等( 圖1) 組成。

　　執行機構每個(gè)腔體設置了壓力補償器。補償器采用金屬膜片盒式結構，金屬膜片一側通海水，另一側連通執行機構各個(gè)腔體。由于執行機構腔體內充滿(mǎn)了介質(zhì)，當金屬膜片受到海水壓力作用時(shí)發(fā)生彈性變形，使得執行機構腔體內的壓力與海水壓力相等，從而可以采用更為輕薄的殼體結構，同時(shí)也可以簡(jiǎn)化密封結構。

圖1 水下球閥執行機構

　　為滿(mǎn)足ROV 操作的需求，執行機構設置了可視化位置指示器，可通過(guò)ROV 的水下攝像機觀(guān)察指示機構位置進(jìn)行相應操作。球閥執行機構的位置指示器設置在頂部，直接與輸出軸相連，可顯示輸出軸轉動(dòng)的角度。

　　水下球閥執行機構采用單作用液壓缸，依靠液壓力和彈簧力分別驅動(dòng)往復動(dòng)作，以實(shí)現開(kāi)啟/關(guān)閉的功能。執行機構有兩種工作方式，即液壓操控和ROV 操控。

　　液壓操作閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，液壓油通過(guò)油管進(jìn)入執行機構的油腔內，推動(dòng)活塞向左移動(dòng)，活塞端部連接的傳動(dòng)桿及齒條隨之運動(dòng)，齒條通過(guò)球閥閥桿上的齒輪轉動(dòng)閥桿，驅動(dòng)球閥關(guān)閉。在整個(gè)活塞左移的過(guò)程中，彈簧不斷被壓縮，通過(guò)液壓缸左端的限位螺釘限制執行機構的最大行程。當閥門(mén)需要打開(kāi)時(shí)，卸掉油腔內液壓油壓力，彈簧的彈力克服閥門(mén)的開(kāi)啟力和活塞與缸體內壁的摩擦力，使得活塞向右移動(dòng)，直到彈簧恢復初始狀態(tài)，閥門(mén)完全打開(kāi)。

　　ROV 操作閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，首先ROV 機械臂與水下執行機構ROV 接口連接，在ROV 機械臂順時(shí)針力矩的作用下，ROV 接頭通過(guò)齒輪及軸套驅動(dòng)螺桿旋轉，在傳動(dòng)螺母作用下螺桿向左運動(dòng)，推動(dòng)齒條向左運動(dòng)，齒條通過(guò)球閥閥桿上的齒輪轉動(dòng)閥桿，驅動(dòng)球閥關(guān)閉。ROV 操作閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，ROV 機械臂逆時(shí)針旋轉，螺桿向右運動(dòng)，在彈簧回復力的作用下齒條帶動(dòng)閥桿旋轉，實(shí)現閥門(mén)開(kāi)啟。

　　4、結語(yǔ)

　　設計中重點(diǎn)對液壓操控端及ROV 操控端進(jìn)行了計算，確定了主要設計參數并對傳動(dòng)比以及螺桿強度進(jìn)行了校核，證明是一種可行的水下球閥用液壓執行機構解決方案。