海洋修井機(jī)液壓油乳化成因分析及液壓油箱優(yōu)化設(shè)計(jì)

滕 湃

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452)

0 引 言

海洋修井機(jī)是近海油田開發(fā)和生產(chǎn)中不可或缺的一種重要設(shè)備，油井的生產(chǎn)故障必須由修井機(jī)來修復(fù)。目前，僅渤海海域在用的各型海洋修井機(jī)已有近百臺，同時(shí)依據(jù)油田開發(fā)需求還在以每年十余臺的速度不斷增加。海洋修井機(jī)必須通過內(nèi)部的液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)調(diào)整工況和作業(yè)工況，而液壓系統(tǒng)內(nèi)的“血液”——液壓油的性能將直接影響液壓系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。根據(jù)海洋修井機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，液壓油的更新頻率為一年左右，但從設(shè)備多年現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況來看，液壓油在兩個(gè)月至半年期間就會發(fā)生嚴(yán)重乳化，這不但會對液壓設(shè)備造成損壞并產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)，而且如此頻繁地更換液壓油，造成了設(shè)備運(yùn)行成本的大幅提高。因此，減少液壓油乳化的發(fā)生是迫切而現(xiàn)實(shí)的需要。

1 液壓油乳化的危害及成因

1.1 液壓油乳化的危害

液壓油是液壓系統(tǒng)的重要組成部分，在液壓系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、轉(zhuǎn)化和控制，同時(shí)起潤滑、防銹、冷卻、減震等作用。液壓系統(tǒng)對液壓油的要求主要有：適宜的黏度和良好的黏溫性，優(yōu)良的潤滑性能(抗磨性能)，優(yōu)良的熱、氧化安定性、水解安定性、剪切安定性，良好的抗乳化性，良好的防銹、抗腐蝕性，良好的抗泡性和空氣釋放性，良好的密封材料適應(yīng)性，良好的清潔性和過濾性[1]。一旦液壓油發(fā)生乳化，將對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生以下幾方面危害：①破壞潤滑油形成的油膜，使?jié)櫥托Ч儾?；②加速有機(jī)酸對金屬的腐蝕作用，銹蝕機(jī)械設(shè)備；③促使油品生成油泥，堵塞過濾器；④加速添加劑的水解，影響油品的低溫流動性。

1.2 液壓油乳化的成因

造成液壓油乳化的主要原因是液壓油中混入了水，當(dāng)水與液壓油接觸時(shí)，由于水分子與水分子之間的相互吸引作用力，使水得以以大團(tuán)大團(tuán)的水體懸浮在液壓油中，再經(jīng)過油泵的抽吸，在液壓腔中受到較大的壓力擠壓，水團(tuán)迅速分解為一個(gè)個(gè)小的水分子，均勻地分散在液壓油分子團(tuán)的周圍，再經(jīng)過一定時(shí)間的氧化變質(zhì)，液壓油變?yōu)槿榘咨?。而液壓油在使用過程中產(chǎn)生的氧化變質(zhì)產(chǎn)物及外來污染物也會加速液壓油的乳化變質(zhì)[2]。

2 海洋修井機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)水原因分析

目前常見的造成液壓系統(tǒng)進(jìn)水的原因有以下幾種：①液壓油儲存、加注過程中不慎進(jìn)水；②液壓系統(tǒng)清洗、維修過程中進(jìn)水；③空氣中的水蒸汽因冷熱交替而凝結(jié)后進(jìn)入液壓系統(tǒng)；④液壓系統(tǒng)密封不良造成外來水分進(jìn)入。

通過對海洋修井機(jī)液壓系統(tǒng)的長期觀察發(fā)現(xiàn)，在保證加注的液壓油油質(zhì)良好且有效控制液壓油加注過程中液壓系統(tǒng)清洗及維修過程等因人為疏失造成的系統(tǒng)進(jìn)水后，海洋修井機(jī)液壓系統(tǒng)的進(jìn)水情況并無改善。更換了液壓系統(tǒng)的全套密封后，修井機(jī)液壓油箱內(nèi)依然會積存大量的水，進(jìn)入冬季后甚至?xí)⒂拖涞撞康某鲇涂趦鲎?，引起液壓系統(tǒng)失效。由此可知，①、②、④,3種因素都不是造成進(jìn)水的主要原因。

在對海洋修井機(jī)液壓系統(tǒng)各元件及其所處環(huán)境進(jìn)行深入分析后，我們發(fā)現(xiàn)液壓油在整個(gè)液壓系統(tǒng)的循環(huán)過程中都處于密閉的環(huán)境中，唯一與外界環(huán)境接觸的部分就在海洋修井機(jī)的液壓油箱內(nèi)，其通過液壓油箱上的呼吸器與外部空氣接觸(呼吸器見圖1左上角圓圈位置)。目前絕大部分海洋修井機(jī)液壓油箱的呼吸器均采用直通式，呼吸裝置內(nèi)僅安裝熱熔式阻火器。當(dāng)液壓系統(tǒng)工作時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的齒輪泵通過一組嚙合的齒輪擠壓液壓油做功產(chǎn)生壓力，同時(shí)引起液壓油油溫及液壓油箱內(nèi)的空氣溫度急速升高至超過環(huán)境溫度，待工作結(jié)束后，液壓油通過熱傳遞將熱能釋放至外部環(huán)境，油溫及液壓油箱內(nèi)的空氣溫度緩慢降低至環(huán)境溫度。

同時(shí)，通過查閱歷年的渤海地區(qū)氣象日志，對大量氣象數(shù)據(jù)的分析得出渤海海區(qū)的大氣濕度分布的基本特征是：沿岸小于海上，北部等值線呈平行于海岸線的密合分布，全年相對濕度的分布形勢比較相似，尤以冬半年比較穩(wěn)定，多年平均相對濕度為66%,。夏季最高，7、8月份可達(dá) 80%,；冬季最低，1月份為55%,；春、秋季相對濕度介于冬、夏季之間。

圖1 海洋修井機(jī)液壓系統(tǒng)圖[3]Fig.1 Hydraulic system diagram of offshore workover rig[3]

綜合以上條件可以分析得出：當(dāng)海洋修井機(jī)液壓系統(tǒng)在工作前后造成系統(tǒng)液壓油箱內(nèi)冷熱交換時(shí)，外部高濕度的空氣攜帶大量水蒸汽進(jìn)入液壓油箱并通過冷凝的方式留在了液壓油箱內(nèi)，因此，空氣中的水蒸汽因冷熱交替而凝結(jié)后進(jìn)入液壓系統(tǒng)是造成海洋修井機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)水的主要原因。

3 海洋修井機(jī)液壓油箱優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 液壓油箱呼吸器改造

將液壓油箱原直通式的阻火呼吸器改為可控制進(jìn)、出空氣的阻火呼吸閥(見圖2)。

圖2 防爆呼吸閥Fig.2 Anti-explosion breather valve

改造為呼吸閥后，當(dāng)液壓系統(tǒng)工作時(shí)，若液壓油箱內(nèi)空氣壓力小于外部大氣壓力時(shí)，閥片A打開，外部空氣進(jìn)入液壓油箱；若液壓油箱內(nèi)空氣壓力大于外部大氣壓力時(shí)，閥片B打開，液壓油箱內(nèi)多余空氣排出箱外。當(dāng)液壓系統(tǒng)未工作時(shí)，閥片A、B均關(guān)閉，以減少液壓油箱內(nèi)、外的空氣流通，降低隨空氣進(jìn)入液壓油箱的水蒸汽氣量。通氣口安裝阻火波紋板，可滿足海洋油田修井機(jī)防爆要求。

圖3 空氣干燥裝置Fig.3 Air drying device

在阻火呼吸閥的下部加裝空氣干燥裝置(見圖 3)，使干燥裝置深入液壓油箱內(nèi)并高于液壓油液面。干燥裝置內(nèi)的干燥劑選用硅膠干燥劑，因硅膠干燥劑具有以下優(yōu)勢：

①物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。硅膠干燥劑是用硅酸鈉和硫酸反應(yīng)，并經(jīng)老化、酸泡等一系列后處理過程而制得。硅膠屬非晶態(tài)物質(zhì)，其化學(xué)分子式為mSiO2·nH2O，不溶于水和任何溶劑，除強(qiáng)堿、氫氟酸外不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。熱穩(wěn)定性好，在 60～90,℃的高溫環(huán)境內(nèi)仍結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且有較高的機(jī)械強(qiáng)度。

②干燥效果好。硅膠干燥劑是一種高活性吸附材料，它的化學(xué)組分和物理結(jié)構(gòu)決定了它具有許多其他同類材料難以取代的優(yōu)勢，干燥效果顯著。

③安全環(huán)保，可重復(fù)利用。硅膠干燥劑無毒無味，是唯一通過美國 FDA認(rèn)證，可與藥品、食品直接接觸使用的干燥劑。通過簡單的加熱處理，可將干燥劑內(nèi)吸收的水分子析出，重復(fù)利用，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

④在與海洋油田近似的環(huán)境領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。硅膠干燥劑大量應(yīng)用于海運(yùn)集裝箱內(nèi)，用來吸附集裝箱在海洋運(yùn)輸或存儲過程中，貨柜因?yàn)榻?jīng)歷海洋高濕氣候及較大的晝夜溫差變化，集裝箱內(nèi)的水蒸汽凝結(jié)成水珠而形成的“集裝箱雨”，該干燥劑可降低集裝箱內(nèi)空氣水分的含量，防止集裝箱雨的產(chǎn)生。

因硅膠干燥劑屬非晶態(tài)物質(zhì)，為防止干燥劑透過干燥器鋼絲網(wǎng)掉入液壓油內(nèi)，需將硅膠干燥劑放入具有單向透氣性能的杜邦紙袋(注：杜邦紙為多孔性物質(zhì)，透氣性良好，因纖維細(xì)密，液態(tài)水、油等無法輕易滲透；而氣體和水汽則可以透過，具有優(yōu)異的防水透氣性能，良好的防固體微粒穿透功能)后，一同裝入干燥器內(nèi)?？筛鶕?jù)液壓油箱的大小調(diào)整放入的干燥劑劑量，在正常濕度環(huán)境下，一立方米用量為 500,g，可根據(jù)環(huán)境濕度的高低，適當(dāng)增減硅膠干燥劑的用量，以達(dá)到更佳的干燥效果并減少干燥劑更換頻次。

3.2 液壓油箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

海洋修井機(jī)在每次作業(yè)后一般都有幾周至幾個(gè)月的閑置期，根據(jù)修井機(jī)這種使用頻次的特點(diǎn)，在控制液壓系統(tǒng)外部水蒸汽進(jìn)入系統(tǒng)的同時(shí)，還可以利用重力沉降作用，將初期進(jìn)入液壓油中的水分從液壓系統(tǒng)中盡早排出，避免這部分水分長期隨液壓油在液壓系統(tǒng)中循環(huán)，經(jīng)液壓泵受力分散成微小液滴，加速液壓油乳化變質(zhì)的情況。

液壓油箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式為將液壓油箱由原平底結(jié)構(gòu)改為具有一定夾角、可將沉降于底部的水分向中部聚集的兩塊底板。在兩塊底板的夾角處安裝一段直管，以此管作為沉降水滴的收集裝置，并在直管下部安裝球閥。

液壓油箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造后(見圖 4)，當(dāng)修井機(jī)作業(yè)結(jié)束進(jìn)入閑置階段，在液壓系統(tǒng)工作期間從設(shè)備密封間隙等處進(jìn)入液壓系統(tǒng)的小水滴因重力作用沉降至油箱底部并匯聚于收集裝置，待下次作業(yè)前，將球閥打開即可排出液壓油內(nèi)沉降的水分。

圖4 改造后的油箱底部結(jié)構(gòu)Fig.4 Bottom structure of the reformed oil tank

4 結(jié) 論

經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，修井機(jī)液壓油箱在優(yōu)化改造后，可顯著降低液壓油箱內(nèi)濕度，即使在箱內(nèi)干燥劑飽和失效的情況下，也可較好地保持油箱內(nèi)干燥，大幅降低了液壓油乳化風(fēng)險(xiǎn)，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)、安全效益?！?/p>

［1］郭國進(jìn)，陳芝茂. 影響液壓油抗乳化性能原因分析[J].潤滑油，2011，26(1)：25-28.

［2］馬治華. 液壓油乳化的原因分析、危害及對策[J]. 科技經(jīng)濟(jì)市場，2014(8)：122-122.

［3］湖北荊州第四石油機(jī)械廠. HXJ135海洋修井機(jī)產(chǎn)品說明書[Z].