淺水測(cè)試場(chǎng)測(cè)試用液壓動(dòng)力單元模塊化設(shè)計(jì)

， ， ， ， ， (.海洋石油工程股份有限公司， 天津 0045； .西南石油大學(xué)， 四川 成都 60500；. 四川海洋特種技術(shù)研究所， 四川 成都 6004)

引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外油氣資源開采紛紛邁向深水，導(dǎo)致水下生產(chǎn)裝備的使用量劇增。2012年，在役水下生產(chǎn)系統(tǒng)約3500多套，并以每年450～600套增長(zhǎng)，到2025年預(yù)計(jì)達(dá)到7114套[1]。

水下生產(chǎn)裝備安裝前均需經(jīng)過(guò)一系列測(cè)試，包括單元合格性測(cè)試、出廠驗(yàn)收測(cè)試(FAT)、現(xiàn)場(chǎng)接收測(cè)試、 陸地測(cè)試 (子系統(tǒng)測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試、互換性測(cè)試)、淺水測(cè)試、深水測(cè)試等[2-3]，以檢驗(yàn)待安裝的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性。作為設(shè)備集成商，對(duì)從不同供貨商處采購(gòu)的水下生產(chǎn)裝備的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行的完整性測(cè)試[3]；作為設(shè)備制造商，進(jìn)行的 FAT測(cè)試，都需要針對(duì)被測(cè)設(shè)備特點(diǎn)配置測(cè)試設(shè)備。

水下生產(chǎn)裝備的控制系統(tǒng)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行深海開采的集控中心。目前控制系統(tǒng)主要有全液壓系統(tǒng)、電液系統(tǒng)和全電系統(tǒng)三大類，除全電系統(tǒng)外，其他兩大類系統(tǒng)都包含有液壓控制系統(tǒng)[4]。液壓控制系統(tǒng)通過(guò)地面液壓動(dòng)力單元(HPU)提供清潔的液壓液，控制水下生產(chǎn)裝備上執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，從而保證水下生產(chǎn)系統(tǒng)安全、高效生產(chǎn)[4-7]。因此，水下生產(chǎn)裝備的控制系統(tǒng)是測(cè)試的重點(diǎn)內(nèi)容之一。針對(duì)水下生產(chǎn)裝備液壓控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，測(cè)試系統(tǒng)需包含一臺(tái)測(cè)試用液壓動(dòng)力單元(THPU)，為測(cè)試系統(tǒng)提供測(cè)試液。本課題主要開展淺水測(cè)試和FAT所需THPU的功能分析及其液壓系統(tǒng)原理和裝置模塊化的設(shè)計(jì)。所研制的THPU將作為某淺水測(cè)試場(chǎng)的液壓測(cè)試設(shè)備。

1 HPU功能要求

在研制THPU設(shè)備前，需了解THPU的測(cè)試原理、被測(cè)設(shè)備的測(cè)試需求和標(biāo)準(zhǔn)要求，從而明確THPU的功能要求。

1.1 測(cè)試原理

圖1所示為淺水測(cè)試場(chǎng)配置的水下生產(chǎn)裝備控制系統(tǒng)功能淺水測(cè)試系統(tǒng)。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)模擬真實(shí)的水下控制系統(tǒng)，其液壓系統(tǒng)測(cè)試原理[8]如圖2所示。測(cè)試系統(tǒng)中，THPU提供所需的測(cè)試液通過(guò)地面鋪設(shè)的管道傳送到水面控制纜終端(TUTA)，再通過(guò)高壓液壓軟管將TUTA與安裝在淺水池中的水下生產(chǎn)裝備連接(其實(shí)質(zhì)為水下SCM或執(zhí)行機(jī)構(gòu))，從而測(cè)試水下生產(chǎn)裝備液壓系統(tǒng)的性能。因此，淺水測(cè)試場(chǎng)中需配置滿足測(cè)試需求的THPU。

圖1 功能淺水測(cè)試系統(tǒng)

圖2 測(cè)試原理框圖(含SCM)

1.2 THPU主要功能要求

文獻(xiàn)[4]對(duì)測(cè)試設(shè)備提出了要求：測(cè)試設(shè)備宜能采用類似于實(shí)際系統(tǒng)的方式模擬控制和監(jiān)視水下生產(chǎn)設(shè)備的主要操作；如可行，所設(shè)計(jì)的測(cè)試設(shè)備宜與實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備具有相同的裝置。同時(shí)，對(duì)THPU提出了要求：THPU宜為控制系統(tǒng)提供所需操作壓力的液壓流體；THPU還可以作為普通清潔流體源進(jìn)行沖洗操作，清潔度達(dá)到SAE AS4059，Class 6B-F或ISO4406，Class 15/12標(biāo)準(zhǔn)。參照標(biāo)準(zhǔn)要求， THPU至少應(yīng)該具有以下功能：

(1) 能提供一定壓力和流量的測(cè)試液；

(2) 能保證液壓油達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的清潔度；

(3) 能進(jìn)行沖洗操作。

此外，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓系統(tǒng)工程參數(shù)如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓系統(tǒng)工程參數(shù)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和國(guó)內(nèi)外水下生產(chǎn)系統(tǒng)液壓系統(tǒng)工程參數(shù)特點(diǎn)，確定THPU輸出的液壓參數(shù)指標(biāo)為：低壓為3000 psi、8 L/min；高壓為：10000 psi、6 L/min。另外，參照文獻(xiàn)[8]對(duì)水下管匯的沖洗經(jīng)驗(yàn)，要求沖洗泵能提供壓力小于3000 psi，沖洗時(shí)雷諾數(shù)大于4000的沖洗液。同時(shí)，THPU能清潔液壓油并保證清潔度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 其他功能要求

作為測(cè)試設(shè)備， 不僅需要具有與實(shí)際設(shè)備相同或相近的功能，還需具有測(cè)試方便、測(cè)試效率高等特點(diǎn)。為此，對(duì)THPU提出了額外的功能要求：

1.低壓支路充氣和檢測(cè)裝置 2.高壓支路充氣和檢測(cè)裝置 3.低壓支路蓄能器 4.高壓支路蓄能器 5.旁路過(guò)濾器 6.吸油口球閥 7.吸油過(guò)濾器 8.低壓支路電機(jī) 9.高壓支路電機(jī) 10.低壓支路液壓泵 11.高壓支路液壓泵 12.單向閥 13.安全閥 14.低壓支路油路過(guò)濾器 15.高壓支路油路過(guò)濾器 16.低壓支路壓力傳感器 17.高壓支路壓力傳感器 18.低壓支路壓力表 19.高壓支路壓力表 20.比例溢流閥 21.換向閥 22.低壓支路壓溫變送器 23.高壓支路壓溫變送器 24.流量計(jì) 25.清潔度檢測(cè)儀 26.流量計(jì) 27.過(guò)濾器

(1) 能實(shí)現(xiàn)多路測(cè)試液同時(shí)測(cè)試多臺(tái)/套水下生產(chǎn)設(shè)備，其高、低壓測(cè)試線路中，各有一路能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量液壓系統(tǒng)的密封性能；

(2) 具備在線監(jiān)測(cè)液壓油清潔度功能；

(3) 具有本地控制和遠(yuǎn)程控制功能；

(4) 為成撬設(shè)備，適合于鏟車、吊車等運(yùn)輸和戶外測(cè)試。

2 THPU液壓系統(tǒng)原理及特點(diǎn)

根據(jù)THPU功能要求和測(cè)試需求，確定THPU液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。系統(tǒng)主要由7條支路構(gòu)成，分別為3條提供5～21 MPa可調(diào)壓力的低壓測(cè)試支路、2條提供5～70 MPa可調(diào)壓力的高壓測(cè)試支路、1條過(guò)濾及沖洗支路和1條清潔度在線檢測(cè)支路。

5條測(cè)試支路的工作流程基本相同，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，使油箱里的液壓油通過(guò)吸油口球閥、吸油過(guò)濾器至液壓泵；然后通過(guò)液壓泵加壓，使加壓后的液壓液依次通過(guò)液壓泵出油口端單向閥、蓄能器、油路過(guò)濾器、單向閥，到達(dá)換向閥，最后通過(guò)快換接頭和液壓軟管到達(dá)被測(cè)設(shè)備。液壓泵出油口端單向閥后設(shè)有安全閥，從而控制系統(tǒng)最高壓力，防止損壞系統(tǒng)的液壓元件；單向閥后設(shè)置有比例溢流閥，以精確調(diào)節(jié)出口壓力，滿足測(cè)試壓力需求。被測(cè)設(shè)備的液壓油回流時(shí)通過(guò)軟管和快換接頭，再經(jīng)過(guò)回油過(guò)濾器回到油箱。過(guò)濾及沖洗支路上配置有旁路過(guò)濾器，當(dāng)THPU內(nèi)部油液清潔度不滿足要求時(shí)，將球閥1左路與下路聯(lián)通，再將AA和BB管線用軟管連接，即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部油液的自濾。當(dāng)需要外部沖洗時(shí)，則將球閥1左路與下路聯(lián)通，右路關(guān)閉，此時(shí)BB管路作為沖洗管的出油管。清潔度在線檢測(cè)支路能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)油液的清潔度，防止油液污染后損壞系統(tǒng)元件和被測(cè)元件。

整個(gè)測(cè)試設(shè)備具有以下特點(diǎn)：

(1) 能滿足多路、變壓力測(cè)試的需要。5條測(cè)試支路都單獨(dú)配有蓄能器，能獨(dú)立進(jìn)行測(cè)量，即可同時(shí)進(jìn)行3路低壓測(cè)試和2路高壓測(cè)試，測(cè)試管路間互不影響，提高了測(cè)試效率。

測(cè)試系統(tǒng)中，低壓泵選用了PGP505系列齒輪泵，額定壓力達(dá)27.5 MPa，額定流量達(dá)11.6 L/min；高壓泵選用RK100系列的定量柱塞泵，其額定壓力達(dá)100 MPa， 額定流量達(dá)7.7 L/min。通過(guò)測(cè)試支路上的比例溢流閥調(diào)節(jié)相應(yīng)測(cè)試支路的輸出壓力，以滿足不同生產(chǎn)廠家或不同使用環(huán)境的被測(cè)設(shè)備對(duì)不同測(cè)試壓力的需要。本測(cè)試系統(tǒng)的比例溢流閥采用了比例溢流閥PDV700系列，在5～70 MPa內(nèi),其調(diào)節(jié)電流和輸出壓力成線性關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精確調(diào)壓。

(2) 能進(jìn)行泄漏測(cè)試。所開發(fā)的液壓系統(tǒng)中，在1條低壓測(cè)試支路和1條高壓測(cè)試支路上的供油端和回油端配置有流量計(jì)24和26，分別選用齒輪流量計(jì)ZHM 03 HP和ZHM 04 ST，其測(cè)量精度高達(dá)±0.5%。通過(guò)輸入和輸出流量分析，可進(jìn)行被測(cè)系統(tǒng)的泄漏測(cè)試。

(3) 采用四重過(guò)濾器保證測(cè)試系統(tǒng)的清潔度要求。四重過(guò)濾器分別為吸油過(guò)濾器、油路過(guò)濾器、回油過(guò)濾器和旁路過(guò)濾器。除吸油過(guò)濾器的過(guò)濾精度為80 μm外，其他過(guò)濾器的過(guò)濾精度都高達(dá)5 μm。同時(shí)，過(guò)濾器帶旁通閥和污染物堵塞發(fā)訊器，當(dāng)過(guò)濾器發(fā)生堵塞時(shí)液壓油能夠從旁通閥通過(guò)，防止測(cè)試液中斷，同時(shí)污染物堵塞發(fā)訊器發(fā)出堵塞信號(hào)，提醒操作人員更換濾芯。

(4) 系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有多路傳感器，可隨時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況。如在液壓泵到換向閥之間設(shè)有壓力傳感器和壓力表，能檢測(cè)THPU系統(tǒng)的壓降，從而檢測(cè)系統(tǒng)本身的密封泄漏情況，保證測(cè)試準(zhǔn)確；在換向閥后安裝有壓溫變送器、壓力表和流量計(jì)，能夠精確測(cè)量出口液壓油的壓力、溫度和流量；在油箱安裝有溫度傳感器、液位傳感器、液位計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)油箱的溫度和液位；在系統(tǒng)內(nèi)安裝有清潔度檢測(cè)儀，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)油液的清潔度，防止油液污染后損壞系統(tǒng)元件和被測(cè)元件。

(5) THPU控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)THPU控制柜的本地控制和控制中心的遠(yuǎn)程操控。圖4為THPU控制系統(tǒng)主回路，圖5為THPU中帶流量計(jì)的高壓測(cè)試支路的控制回路(其他測(cè)試支路的控制回路相似。此外，圖中元件名稱后面的數(shù)字與圖3 THPU液壓原理圖中對(duì)應(yīng)元件數(shù)字編號(hào)一致。)。整個(gè)測(cè)試支路中，電機(jī)的啟停，比例溢流閥的溢流壓力，換向閥(WVH-700-3/2-L)的換向都可以進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程控制。其中換向閥(WVH-700-3/2-L)的換向延遲時(shí)間僅為40～120 ms，反應(yīng)快，可減少測(cè)量誤差。

圖4 THPU控制系統(tǒng)主回路

(6) 具有沖洗功能。

(7) 具有取樣功能。在清潔度在線檢測(cè)支路上配置換向球閥2、快換接頭和取樣管，可進(jìn)行液壓油取樣，實(shí)現(xiàn)離線檢測(cè)液壓油清潔度。

(8) 具有方便油箱注油功能。在過(guò)濾及沖洗支路上配置換向球閥3、快換接頭和注油槍， 可通過(guò)注油槍

圖5 THPU高壓測(cè)試支路的控制回路

對(duì)油箱進(jìn)行注油，實(shí)現(xiàn)清潔、低勞動(dòng)強(qiáng)度注油。

可以看出，圖3所示THPU液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)中，不僅完全滿足THPU的功能要求(除了成撬設(shè)備功能要求外)，還增加了取樣和注油功能。

3 THPU模塊化設(shè)計(jì)

為了保證成撬設(shè)備功能要求，同時(shí)便于THPU設(shè)備的運(yùn)輸、安裝、調(diào)試和操作，THPU設(shè)備采用了模塊化設(shè)計(jì)。整個(gè)THPU分解成如圖6所示的油箱組件、泵閥組件、面板組件、電器柜組件、 接頭組件和撬架組件6部分。

圖6 THPU總裝圖

3.1 油箱組件

油箱組件主要由油箱和油箱附件構(gòu)成(圖7)。油箱包括箱體和箱蓋，箱體分為回油箱和吸油箱兩部分，中間用隔板和濾網(wǎng)隔開；箱體側(cè)面開有清洗孔，方便清洗，同時(shí)焊接有起吊裝置，方面油箱的安裝和移動(dòng)；底腳開有螺栓通孔，方便固定油箱。油箱上分布有液位計(jì)、液位傳感器、清潔度檢測(cè)儀、溫度傳感器、吸油過(guò)濾器、 回油過(guò)濾器、空氣過(guò)濾器、球閥等元件。油箱上的測(cè)量元件可以實(shí)現(xiàn)油箱內(nèi)液壓油液位、清潔度和溫度的監(jiān)測(cè)。

圖7 油箱組件

3.2 泵閥組件

泵閥組件主要由泵組件、閥組件和蓄能器組件組成(圖8)。其中泵組件由高壓泵組、低壓泵組和旁路過(guò)濾器泵組組成，每個(gè)泵組都由電機(jī)、液壓泵、連接電機(jī)和液壓泵的鐘罩等組成；閥組件包括高壓閥組和低壓閥組，閥組上集成了從液壓泵出油口端單向閥到換向閥的所有液壓元件(蓄能器除外)和測(cè)量?jī)x表(控制面板上的儀表和閥除外)，閥組件采用板式結(jié)構(gòu)，使整個(gè)系統(tǒng)的泄漏降到最低。蓄能器組件包括3個(gè)低壓支路蓄能器和2個(gè)高壓支路蓄能器，以獨(dú)立滿足支路測(cè)試的需要，如提供支路液壓液、補(bǔ)償測(cè)試支路的泄漏和維持支路系統(tǒng)壓力。此外，為了便于安裝、維護(hù)和調(diào)試，整個(gè)泵閥組件集成在撬裝設(shè)備上。

圖8 泵閥組件

3.3 控制柜組件

THPU的控制系統(tǒng)集成為控制柜組件(圖9)，主要包括PLC及其擴(kuò)展模塊、電機(jī)運(yùn)行控制組、斷路器、整流器、繼電器、路由器、觸摸屏、急停、指示燈、控制柜主體等元部件(參看圖4和圖5)?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)路由器和通信串口與遠(yuǎn)程電腦實(shí)現(xiàn)通信，遠(yuǎn)程電腦可通過(guò)授權(quán)查看或控制THPU?？刂乒窠M件安裝在撬架上。

圖9 控制柜組件

3.4 其他組件

THPU除了油箱組件、泵閥組件和控制柜組件外，還有如圖10～圖12所示的面板組件、接頭組件和撬架組件。THPU除了能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制外，為了便于操作，還單獨(dú)設(shè)計(jì)有本地控制面板，以實(shí)現(xiàn)本地控制。控制面板上配置有觸摸式電腦，可進(jìn)行THPU在線人機(jī)交互操作；安裝有蓄能器手動(dòng)控制閥組，可進(jìn)行蓄能器的開、斷和泄壓操作；安裝有急停按鈕，可緊急停止設(shè)備運(yùn)行；安裝有各路壓力表和電機(jī)運(yùn)行顯示燈，便于實(shí)時(shí)觀察各路工況。接頭組件中將低壓快換接頭、高壓快換接頭和回油快換接頭集成在一起，便于THPU的操作。整套設(shè)備封裝在撬架組件內(nèi)，撬架上安裝有吊耳，方便吊裝，下部設(shè)計(jì)有叉槽，可用叉車進(jìn)行搬運(yùn)。

圖10 面板組件

圖11 接頭組件

圖12 撬架組件

THPU的模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的運(yùn)輸、安裝、調(diào)試和操作的便利性。

4 結(jié)論

通過(guò)分析THPU的測(cè)試原理、被測(cè)設(shè)備的測(cè)試需求和標(biāo)準(zhǔn)要求，明確了THPU的功能要求，并設(shè)計(jì)出THPU的液壓系統(tǒng)原理圖，完成了THPU的模塊化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的THPU能提供多路、變壓力測(cè)試液，測(cè)試液清潔度達(dá)到SAE AS4059，Class 6B-F標(biāo)準(zhǔn)要求，并具有沖洗、取樣、方便注油功能，可實(shí)現(xiàn)本地控制和遠(yuǎn)程控制兩種控制方式。作為成撬設(shè)備，適合于鏟車、吊車等運(yùn)輸和戶外測(cè)試，設(shè)計(jì)的THPU滿足淺水測(cè)試場(chǎng)的測(cè)試需求。

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