水下控制系统对接盘液压插头优化设计及测试

1、水下控制系统对接盘液压插头优化设计及测试水下控制系统对接盘液压插头优化设计及测试张鹏举（美钻能源科技（上海）有限公司，上海 200943）摘摘 要：要：本文介绍了一种经过优化设计的液压插头，它采用了四条通路均使用类似阀板阀座同时密封的方式，既可以同时连通四路液压通道（以下简称四通快插） ，同时还具有密封性能好、可靠性高、液压执行效率高的优点。通过对四通快插机械强度、密封件滑动阻力等关键技术指标的分析计算及相关的性能测试，验证了产品在不同工作条件下的可靠性。关键词：关键词：水下油气系统；水下控制系统；对接盘；液压插头；液压系统中图分类号：中图分类号：TE953 文献标志码：文献标志码：A 【DO

2、I】10.13788/ki.cbgc.2017.07.037Optimal Design and Test of Hydraulic Couplings in Docking Plate of Subsea Control SystemZHANG Pengju(MSP/DRILEX (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200943, China)Abstract: This article introduces one kind of hydraulic couplings by optimizing design. This coupling uses 4-line

3、s of seat & gate which could be sealed ensemble. It could connect 4 hydraulic ways at the same time, furthermore, this design also has the advantages of high performance of sealing, high reliability and actuating efficiency. By theoretical analysis of mechanical stress strength and sliding resis

4、tance for 4-lines coupling, and by performance tests, this product is firmly tested to fulfill the reliability under different circumstances. Key words: subsea oil & gas system; subsea control system; connecting plate; hydraulic coupling; hydraulic system0 引言引言对于水下油气开发的采油树液压控制，水下控制系统对接盘（SCM）液压插头

5、为水下采油树外部液压动力单元提供关键通道。水下控制系统对接盘进行对接后，采油树外部液压系统为水下采油树的液压管路提供液压动力，以控制水下采油树液压机构的动作执行1-3。水下液压快插对水下控制系统起着非常重要的作用，水下控制系统对接盘的核心部件之一就是四通快插，它是实现水下采油树液控阀门开关控制的重要部件。由于水下控制系统对接盘具备可回收和重复安装功能，所以四通快插应具备能够在水下进行对接与分离的功能。对接与分离是指公插头与母插头两个部件进行配合，完成对接；对接完成后，水下控制系统对接盘会完成锁紧操作，四通快插进入工作状态；待使用完成后再将公插头与母插头两个部件分离，四通快插能够恢复成对接之前的

6、状态。1 阀座密封结构设计阀座密封结构设计1）公插头（对接之前实现自密封） 。四通快插公插头如图 1 所示，其内部有 4 条液压通道，安装有阀座，通过阀座和外部密封压盖配合，实现自密封；对接后与母插头实现整体密封。阀座顶部和侧面均采用 O 型圈密封的方式，用来隔绝海水的压力。图 1 四通快插公插头2）母插头（对接之前实现自密封） 。四通快插母插头如图 2 所示，其部也有 4 条液压通道，安装密封挡块实现自密封。密封挡块采用 O 型圈密封的方式，用来隔绝海水的压力。图 2 四通快插母插头3）对接之后实现整体阀座密封。对接之后，通过阀座顶部 O 型圈密封的方式来密封流体内低压以及隔绝海水的压力，采

7、用金属面密封的方式来密封流体内高压；通过侧面 O 型圈密封的方式来密封海水的压力。2 四通快插对接设计四通快插对接设计图 3a)为四通快插未插合状态，此时左侧母头和右侧公头的四路液压通道分别是密封状态；进行对接时，圆柱销和弹簧会沿着斜面进行运动，使四通快插中的液压形成通路，完成对接，如图 3b)所示，对接完成后公头和母头的四个通道分别接通；在解除对接时，公头和母头会进行分离，可以还原成对接之前的状态。a) 对接之前b) 对接之后图 3 四通快插对接示意图3 四通设计输入四通设计输入四通快插需要满足的条件为设计水深 1 500 m，操作压力 69 MPa（10 000 psi） ，测试压力 10

8、3 MPa（15 000 psi） ，温度18 40 。3.1 四通快插计算3.1.1 设计水深作用外部环境压力为Ps=gH （1）式中：Ps为外部静水压力值； 为海水密度；g 为当地重力加速度；H 为水下四通快插设计水深。根据四通快插设计输入要求，=1.03103 kg/m3；g=9.81 N/kg；H=1 500 m，计算可得 Ps=15.156 MPa。设计水深静水压力 Ps=15.156 MPa，其相对于承压部件的操作工作压力 PW=69.0 MPa（10 000 psi）要小得多，且属于有益因素，可不考虑。3.1.2 环境条件的作用参考番禺油气田5所在海域的洋流情况（表 1 和图 4

9、） ，设计洋流平均速度 v=1.203 m/s，洋流产生的附加压力为Pc=0.5v2 （2）计算可得：Pc=745 Pa。可见，洋流产生的附加压力与水深造成的影响相比，其数量级是十分小的。最大洋流速度 vmax=2.365 m/s，Pc=2.881 kPa，数量级依然很小。因此，忽略洋流产生的附加压力。表 1 洋流流速随水深的变化情况洋流流速/(ms1)水深/m最小最可能最大备注001.2032.365线性推测2001.082.06CNOOC 提供海洋资料10000.590.8420000.540.7530000.50.7233800.40.53去除该数据影响1 50000.250.25海底一

10、般流速图 4 洋流流速随水深的变化情况3.1.3 四通快插静水压试验要求按照 API 17D6的要求，静水压试验压力为额定工作压力的 1.5 倍。额定工作压力 PW=69.0 MPa（10 000 psi） ，静水压试验压力为PT=1.5PW （3）计算可知：PT=103.5 MPa（15 000 psi） 。3.1.4 连接块分离力计算连接块密封快插插槽数量 Ncc=4，连接块密封快插插槽直径 dcc=14.3 mm，连接块密封快插插槽截面积为 （4）2cccc4Ad连接块最大分离力为Ff=NccAccPT （5）计算可得：Acc=160.606 mm2，Ff=6.649104 N。3.1.

11、5 连接块栽丝与内六角圆柱头螺钉强度计算连接块与内六角圆柱头螺钉最小屈服强度相同，均为 105K 材料，仅对内六角圆柱头螺钉进行强度计算即可。内六角圆柱头螺钉最小屈服强度 ldy=725 MPa，内六角圆柱头螺钉规格为 3/8-16UNC-2B，内六角圆柱头螺钉数量 Nld=4，螺栓小径 dld=7.63 mm，螺栓小径截面积为 （6）2ldld4Ad计算可得：Ald=45.723 mm2。根据 API17D 5.1.3.5 节内容，螺栓上紧时，应力为 67%73%螺栓材料的屈服强度，则预紧力（以小值计算）F0=0.67ldyAld=2.221104 N，预紧力合力为F0h=4F0 （7）计算

12、可得：F0h=8.884104 N。因 F0hFf，满足使用要求。测试时，在无垫片的情况下，螺栓的相对刚度 C=0.3，螺钉受力为 （8）f014FCFF计算可得：F=2.719 6104 N。螺钉应力为L=F/Ald （9）计算可得：L=5.948 15 MPa。螺钉应力占屈服强度的比值为PAS=L/ldy100% （10）计算可得：PAS=82%，小于 83%。由上可知，连接块栽丝与内六角圆柱头螺钉强度满足设计要求。3.1.6 密封圈滑动阻力计算滑动密封摩擦系数 与侧压系数 k 取：k=0.1，密封圈滑动部分直径 dmq=2.62 mm，密封圈滑动部分直径（取中径）dmf=16.2 mm，

13、插拔压力（设计水深压力）Ps=15.156 MPa，滑动密封圈数量 Nhd=8，每个密封圈的密封阻力为Fhdd=kdmqdmfPs （11）密封圈滑动阻力为Fhd=NhdFhdd （12）计算可得：Fhdd=202.093 N，Fhd=1 616.742 N。在插拔的过程中，密封阻力 Fhdd将导致密封圈磨损，影响密封，插拔过程中，环境压力越高，磨损越严重。3.1.7 圆柱销与弹簧阻力计算弹簧自由高度 LT=12 mm，下插弹簧插拔过程中最小工作高度 LTX=6 mm，工作载荷 FTX=54.2N，上插弹簧插拔过程中最小工作高度 LTS=7.1 mm，弹簧的安装长度 LTA=9.6 mm，安装

14、载荷 FTA=22.25N，弹簧刚度系数为KT=（FTX-FTA）/（LTA-LTX） （13）计算可得：KT=8.875 N/mm。下插弹簧插拔过程中最大弹簧力（对称 2 处）为FTX=2KT(LTLTX) （14）计算可得：FTX=106.5 N。上插弹簧插拔过程中最大弹簧力（对称 2 处）为FTS=2KT(LTLTS) （15）计算可得：FTS=86.975 N。摩擦系数 yt=0.2，摩擦角 =arctanyt=11.31，下插插销工作斜面倾角 =20，上插插销工作斜面倾角=6.2，下插插销最大阻力： （16）TXZTXyt2TXytyt(cossincossin)11sin(2)2F

15、FF计算可得：FTXZ=53.037 N。下插插销最大阻力： （17）TSZTSyt2TSytyt(cossincossin)11sin(2)2FFF计算可得：FTSZ=26.530 N。插销最大阻力为FTZ=FTXZ+FTSZ （18）计算可得：FTZ=79.567 N。3.1.8 四通快插插拔力计算一般情况下（上下快插无密封件贴合面无密封） ，四通快插插拔力为FCB=Fhd+FTZ （19）计算可得：FCB=1 696.309 N。3.1.9 额定工作压力下的强度分析在进行有限元分析前，对模型进行通网格划分，如图 5 所示。图 5 密封快插网格划分在额定工作压力 PW=69.0 MPa 下

16、，按图 6 对 B 处实施约束，其整体应力云图如图 7 所示，剖面应力云图如图 8 所示。图 6 密封快插载荷及约束示意图图 7 整体应力云图图 8 剖面应力云图根据图 7 和图 8，最大应力 max=230.25 MPa，仅占材料最小屈服强度的 31.759%，无需进行应力线性化。在额定工作压力下，密封快插强度满足设计要求。3.1.10 在测试工作压力下的强度分析对密封快插施加测试压力和约束，测试压力 PT=103.5 MPa，如图 9 所示。对密封快插进行应力分析，应力云图如图 10 和图 11 所示。图 9 密封快插施加测试压力和约束图 10 密封快插应力分析云图图 11 密封快插剖视应

17、力分析云图根据图 10 和图 11，最大应力 max=345.37 MPa，仅占材料最小屈服强度的 47.637%，无需进行应力线性化。在测试压力下，密封快插强度满足设计要求。4 四通性能测试四通性能测试四通快插作为水下控制系统对接盘的核心组成部分，制定合理的性能测试程序对于检测快插的可靠性具有重要意义。四通快插在工作中长期承受内部高压，由于处于一定的水深，因此也承受外部高压，性能测试程序应对四通快插所处的各种环境及操作进行模拟。表 2 列出了 ISO 13628-66中 11.2 节质量鉴定试验要求的四通快插应进行的性能测试程序。表 2 性能测试程序要求部件名称静水压力试验温度循环试验插拔试

18、验静水压力试验四通快插本体测试+密封测试1 次100次密封测试4.1 室温压力测试室温压力测试1）单侧背压模拟测试图 12 为公插头和母插头管线连接示意图，连好之后分别进行单侧静水压测试。图 13 为使用测试工装将公插头和母插头进行对接并压紧，用来测试整体的静水压。图 14 为单侧管线连接示意图，每侧都要四条液压通路，需要依次进行静水压测试。图 12 单侧背压模拟测试图 13 本体静水压测试图 14 单侧通路2）单侧背压模拟测试试验操作如表 3 所示。3）静水压测试（1.5 倍额定工作压力）将四通快插对接完毕，A 侧四条通路接上管线，B 侧堵上，试验操作如表 4 所示。4）静水压测试（1 倍额

19、定工作压力）试验操作如表 5 所示。表 3 单侧背压模拟测试记录表A 侧压力测试B 侧压力测试试验压力/MPa16.5试验压力/MPa16.5保压时间/min10保压时间/min10试验结论试验结论路OK路OK路OK路OK四通快插A 侧B 侧测试工装路路路路路OK路OK路OK路OK表 4 1.5 倍静水压测试流程第一阶段第二阶段第三阶段额定工作压力/MPa试验压力/MPa保压时间/min压力/MPa试验压力/MPa保压时间/min68.910310010310试验结论路OK路OK路OK路OK表 5 1 倍静水压测试流程第一阶段第二阶段第三阶段额定工作压力/psi试验压力/MPa保压时间/min

20、试验压力/MPa保压时间/min试验压力/MPa保压时间/min10 00068.91068.91513.815试验结论路OK路OK路OK路OK4.2 外部压力仓密封测试外部压力仓密封测试1）将试压管线按图 15 进行连接，A 侧四条通路接上管线，B 侧堵上。图 15 压力仓密封测试2）试验管线连接好后，四通快插放入压力舱，关好舱盖。3）压力舱内注满水并打压至 16.5MPa，用校准过的压力表核实压力。4）试验操作如表 6 所示。表 6 水压测试流程第一阶段第二阶段第三阶段额定工作压力/MPa试验压力/MPa保压时间压力/MPa试验压力/MPa保压时间/min/min68.9103100103

21、10试验结论路OK路OK路OK路OK4.3 四通快插压力四通快插压力/温度试验温度试验1）将 A 侧四条通路接上管线，B 侧堵上。确保图表记录器可以持续记录四通快插上游 A 侧和下游 B 侧的压力以及温度数据，结果如表 7 所示。表 7 四通快插压力/温度试验记录表序号内容要求记录值加热到试验温度/4051OK保温 30 分钟，温度变化/(min1)0.5OK到额定最低温度后，调整 A 侧压力到工作压力/MPa 68.9OK保压时间/min60OK整个保压过程中的压力变化/(MPah1)2.1OK整个保压过程中的温度变化/4051OK泄压/MPa0OK冷却到试验温度/1829OK保温 30 分

22、钟，温度变化/(min1)0.5OK到额定最低温度后，调整 A 侧上游压力到工作压力/MPa68.9OK保压时间/min60OK整个保压过程中的压力变化/(MPah1)2.06OK整个保压过程中的温度变化/1829OK泄压/MPa0OK1升温到室温室温OKA 侧打压至额定工作压力/MPa68.9OK保压时间/min60OK泄压/MPa0OK打压至 5%10%额定工作压力/MPa2.066.89OK保压时间/min60OK2泄压/MPa0OK4.4 插拔试插拔试验验1）如图 3 所示，将四通快插相互配合，再缓慢分离，为 1 次插拔操作。2）试验中插拔次数为 100 次，试验结果为 OK。通过室温压力测试、外部压力仓密封测试、四通快插压力/温度试验和插拔试验等性能测试，验证了四通快插的可靠性，各项性能指标满足设计要求。5 结论结论本设计方案针对四通快插的环境条件、强度及分离力等技术