宋小海

（美鉆能源科技（上海）有限公司，上海 200941）

0 引言

水下控制模塊為水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)、水下安裝修井控制系統(tǒng)的核心裝備，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到水下油氣生產(chǎn)的可靠性和安全性。研究掌握深水水下控制模塊相關(guān)技術(shù)，對解決深海遠程電液復(fù)合控制的水下采油樹裝備至關(guān)重要。水下控制模塊主要用于為遠程操控的液控閥門提供液壓動力，并監(jiān)測生產(chǎn)設(shè)施上安裝的各類設(shè)備的生產(chǎn)參數(shù)，例如壓力溫度傳感器回傳的水下采油樹主通道、環(huán)空通道的生產(chǎn)流體壓力、溫度等。水下控制模塊一般采用模塊化設(shè)計、整體安裝的方式，不僅利于調(diào)試，還可以回收再利用。隨著荔灣3-1、陵水17-2、流花16-2等油田的相繼開發(fā)，國內(nèi)水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)施的發(fā)展速度也在加快，可靠性更高、免維護或更換方便的國產(chǎn)化水下控制產(chǎn)品的研發(fā)也迫在眉睫。

本文主要以實際項目需求為依托，對國產(chǎn)化水下控制模塊液壓油路閥塊進行原理研究、優(yōu)化設(shè)計及分析驗證，在保證可靠性的條件下得出水下控制模塊液壓油路閥塊的最優(yōu)設(shè)計。

1 水下控制模塊液壓油路閥塊工作原理

水下控制模塊液壓油路閥塊用于接收從海面液壓動力單元經(jīng)海底臍帶纜輸送的高壓控制流體，通過油路閥塊后經(jīng)兩位三通電磁閥輸送至終端執(zhí)行機構(gòu)，如水下采油樹的各類液控閘閥、井下安全閥等。通過電磁閥的開閉實現(xiàn)液控閘閥的供油、泄壓，帶動閥門閥板的打開、關(guān)閉。圖1為水下控制模塊在采油樹上的安裝位置及設(shè)計的電液復(fù)合水下控制模塊模型示意圖。

圖1 電液復(fù)合水下控制模塊模型

海洋平臺液壓動力單元輸送的液壓控制流體通過2條低壓供油回路LP1、LP2以及2條高壓供油回路HP1、HP2輸入至水下控制模塊液壓油路閥塊。低壓液控輸出執(zhí)行機構(gòu)為水下采油樹生產(chǎn)主閥、生產(chǎn)翼閥、環(huán)空主閥、環(huán)空翼閥、化學(xué)注入閥等。高壓液控輸出執(zhí)行機構(gòu)為井下安全閥。液控原理如圖2所示。

圖2 電液復(fù)合水下控制模塊模型

液壓系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 液壓回路壓力參數(shù)

供油回路流量最大值為終端執(zhí)行機構(gòu)，即水下采油樹閥門全開時流量之和，其孔徑應(yīng)大于單個液控輸出回路孔徑。為配管方便考慮，設(shè)計供油回路孔徑取9/16''管徑（Φ7.9 mm），液控輸出回路孔徑取3/8''管徑（Φ5.2 mm）。

2 設(shè)計依據(jù)

根據(jù)API 6X[1]計算方法，工作載荷下的設(shè)計許用應(yīng)力其中，S為設(shè)計許用應(yīng)力；SY為材料規(guī)定的最小屈服強度。

靜水壓殼體測試下的最大允許總初始薄膜應(yīng)力強度St≤0.9SY。

液壓供油閥塊采用雙相不銹鋼UNS S31803（2205）鍛件（鍛造比不小于3∶1），其機械性能參數(shù)如表2所示。

計算得工作載荷下最大許用應(yīng)力SM＝368 MPa，測試載荷下最大許用應(yīng)力St＝496.8 MPa。

表2 材料機械性能參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

依照水下控制模塊尺寸和API17F規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[2]，設(shè)計集成4路液控輸出回路、2路供油回路（低壓、高壓）的閥塊并建立幾何模型，如圖3所示。

圖3 液壓油路閥塊幾何模型

由于水下控制模塊在水下安裝時需與水下采油樹實現(xiàn)快速對接并導(dǎo)通閥塊油路，因此閥塊底部各液壓回路需安裝液壓插頭。根據(jù)廠家提供的液壓插頭選型參數(shù)，4路液控輸出插頭安裝孔徑Φ20 mm。閥塊供油回路需安裝濾芯，根據(jù)廠家提供的濾芯選型參數(shù)，濾芯安裝孔徑Φ24 mm。濾芯尾部液壓插頭安裝孔徑Φ25 mm，濾芯頂部供油孔徑Φ7.9 mm，4組電磁閥油口孔徑Φ4 mm。

4 設(shè)計載荷及工況分析

水下控制模塊在生產(chǎn)服役時油路閥塊低壓供油口和高壓供油口保持常開，最大工作壓力分別為34.5 MPa、69.0 MPa[3]。根據(jù)水下采油樹生產(chǎn)作業(yè)的不同階段及狀況，按操作程序依次打開各生產(chǎn)閥門，由于存在閥門響應(yīng)時間[4]，并考慮出現(xiàn)多個閥門作業(yè)時間重疊的情況，設(shè)置最多3個低壓液控輸出口全開。液控輸出回路1～3分別為生產(chǎn)主閥、生產(chǎn)翼閥、環(huán)空主閥，其壓力等級同低壓LP供油回路。

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)一般僅設(shè)置1個井下安全閥或一用一備，設(shè)置最多1個高壓輸出口為開啟。液控輸出回路4為井下安全閥，其壓力等級同高壓HP供油回路[5]。

工廠測試時，單次僅允許操作測試單個閥門開啟或關(guān)閉。

載荷及工況條件設(shè)置見表3。

表3 載荷及工況設(shè)置

5 設(shè)計優(yōu)化及分析

利用ANSYS軟件對設(shè)計的液壓油路閥塊進行設(shè)計校核，并經(jīng)迭代優(yōu)化后得到油路閥塊設(shè)計最優(yōu)尺寸。

5.1 網(wǎng)格劃分

對建立的液壓油路閥塊模型進行評估后，較小的細孔可忽略，僅考慮較大的濾芯安裝孔、插頭安裝孔及連通的供油孔等。并進一步簡化四條邊上的螺絲安裝圓角，以及4組電磁閥油口底部的螺絲安裝孔、其他螺絲安裝孔。使用六面體單元對建立的液壓油路閥塊進行網(wǎng)格劃分，并對局部網(wǎng)格進行細化，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

5.2 邊界條件

閥塊內(nèi)腔承受不同工作情況下的內(nèi)壓，都要保證底部DIN 912 A4-80 M10 螺栓緊固在底板上。因此，設(shè)置閥塊底面沿X,Y,Z方向的位移為0, 0, 0。

5.3 計算結(jié)果

根據(jù)表3設(shè)置液壓油路閥塊各油路孔的壓力載荷，并計算得到如圖5、圖6所示應(yīng)力云圖。在圖5工作載荷工況下，油路閥塊所受最大應(yīng)力值為273.92 MPa，小于最大許用應(yīng)力368.00 MPa，安全系數(shù)為1.34。在圖6測試載荷工況下油路閥塊所受最大應(yīng)力值為452.49 MPa，小于最大許用應(yīng)力496.80 MPa，安全系數(shù)為1.09。由此可見，優(yōu)化設(shè)計的閥塊在不同載荷工況組合下，內(nèi)部所受應(yīng)力均在允許范圍之內(nèi)。

圖5 工況1～4計算結(jié)果應(yīng)力云圖

圖6 工況5～6計算結(jié)果應(yīng)力云圖

6 結(jié)論

本文通過對水下控制模塊液壓系統(tǒng)工作原理的分析，設(shè)計集成2路供油（低壓、高壓）回路及4路液控輸出回路的油路閥塊。通過進一步分析其在生產(chǎn)和測試工況下的載荷組合形式，利用有限元方法仿真分析所設(shè)計的油路閥塊結(jié)構(gòu)的可行性，并根據(jù)國際規(guī)范進行強度校核，結(jié)果滿足設(shè)計要求。

通過研究分析水下控制模塊關(guān)鍵零部件的液壓油路閥塊的設(shè)計技術(shù)，進而研制工程樣機并進行測試，可逐步加快實現(xiàn)水下控制系統(tǒng)裝備的國產(chǎn)化進程，為我國深海油氣資源開發(fā)及能源安全保駕護航。