水下控制模塊的清洗技術(shù)

王賀猛，陳 斌，于昕海，張汝彬，邱全平，劉 梁

（1.重慶前衛(wèi)科技集團(tuán)有限公司，重慶 401121；2.海油石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

SCM是一種集機(jī)、電、液于一體的設(shè)備，其主要用于控制水下采油樹各閥門的開關(guān)、監(jiān)測(cè)各閥門的狀態(tài)[1]（壓力、溫度、響應(yīng)時(shí)間以及流量等）。水下采油樹各閥門的開關(guān)由水下控制模塊（Subsea Control Module，SCM）中的方向控制閥(Directional Control Valve，DCV)控制，由于DCV屬于滑閥結(jié)構(gòu)，閥芯與閥體間隙在微米級(jí)，介質(zhì)的清潔度直接影響SCM的可靠性。因此，一種能夠清洗SCM的設(shè)備尤為必要的。在此結(jié)合沖洗設(shè)備內(nèi)部元器件來(lái)闡述工作原理。

1 影響流體介質(zhì)清潔度的主要因素

在液壓系統(tǒng)中，流體介質(zhì)的清潔度是至關(guān)重要的，大部分液壓系統(tǒng)的故障都是由于流體介質(zhì)污染而導(dǎo)致的，而污染流體介質(zhì)的主要因素有以下3個(gè)方面。

1）制造環(huán)節(jié)污染。在液壓系統(tǒng)制造的過(guò)程中，由于外界環(huán)境中存在金屬粉塵、灰塵等異物，在制造階段這些異物會(huì)附著在管路、元件表面，在硬管加工過(guò)程中尤為明顯。

2）運(yùn)行階段外界的污染。雖然液壓系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)密封的環(huán)境，但是在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，油箱內(nèi)外部存在空氣的交換，雖然有空氣過(guò)濾器，但難免將外界粉塵等異物帶入液壓系統(tǒng)中。

3）系統(tǒng)內(nèi)部磨損所產(chǎn)生的金屬微粒。在液壓系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，存在金屬之間的摩擦，如柱塞泵中柱塞與缸體、控制閥中閥芯與閥體等等。這些磨損產(chǎn)生的金屬微粒會(huì)隨著介質(zhì)進(jìn)入下游，對(duì)下游的液壓元件造成污染。

因此，有效地減少介質(zhì)中的污染物是提高介質(zhì)清潔度的主要方式。

2 減少污染物的方法

常用的減少污染物的方法有以下3種：

1）建設(shè)無(wú)塵車間。無(wú)塵車間可以有效的減少生產(chǎn)裝配過(guò)程中的污染物，但是建設(shè)成本較高，且如果只依靠無(wú)塵車間無(wú)法減少管路加工過(guò)程中的污染物，存在一定的局限性。

2）超聲波清洗。超聲波是一種頻率高于20 kHz的聲波，由于超聲波波長(zhǎng)很短，頻率高，能傳遞的能力很強(qiáng)。當(dāng)超聲波在清洗液中傳播時(shí)會(huì)導(dǎo)致促使液體中的微氣泡產(chǎn)生震動(dòng)，隨著氣泡的增長(zhǎng)，然后破裂，在氣泡周圍產(chǎn)生高壓及高溫。超聲波清洗技術(shù)就是依靠超聲波在介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)處震動(dòng)能力足夠高引發(fā)“超聲波空化現(xiàn)象”。被清洗物件表面的污漬可以被沖擊力剝離或者出現(xiàn)裂縫，持續(xù)不斷地沖擊，最終可以使污垢迅速剝落于被清洗物的表面[2]。由于SCM中管路與接頭之間為金屬硬密封，因此在超聲波清洗時(shí)，可能造成金屬密封的撞擊，導(dǎo)致密封失效，因此超聲波清洗存在一定的局限性。

3）循環(huán)沖洗。一般為了有效地清除液壓管路的顆粒污染物，要求沖洗介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)為紊流。介質(zhì)的紊流流動(dòng)能保證使管路系統(tǒng)中的顆粒污染物脫落并通過(guò)過(guò)濾器移除。應(yīng)使用雷諾數(shù)Re＞4 000的流動(dòng)介質(zhì)沖洗系統(tǒng)[3]。

雷諾數(shù)，即流體流動(dòng)時(shí)的慣性力Fa和黏性力（內(nèi)摩擦力）Fm之比：

其中，η=ρv，故：

式（1）和式（2）中：v為流體的平均速度，m/s；l為流束的定型尺寸，mm；η為工作狀態(tài)下流體的動(dòng)力黏度，Pa·s；υ為工作狀態(tài)下流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；ρ為被測(cè)流體的密度，kg/m3。

對(duì)于管線來(lái)說(shuō)，這里的流速定型尺寸一般取管道內(nèi)徑D。

故：

由式（3）可知，管線的雷諾數(shù)大小取決于3個(gè)參數(shù)：流體的速度、管線內(nèi)徑和工作狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)黏度。

管線流體流量q的計(jì)算式為

根據(jù)式（3）可得：

液壓泵流量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率之間的關(guān)系：

結(jié)合式（5）～式（7）可得：

式（3）～式（8）中：f為電源頻率，Hz；V為液壓泵的排量，mL/r；D為管線內(nèi)徑，mm；υ為工作狀態(tài)下流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；p為電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)。

由式（8）可以看出，在液壓泵排量及管線內(nèi)徑確定的情況下，雷諾數(shù)和電機(jī)頻率成正比、和運(yùn)動(dòng)黏度成反比，因此提高電機(jī)頻率或降低運(yùn)動(dòng)黏度都可以提高雷諾數(shù)。

考慮到實(shí)際工況，相比降低介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)黏度，增大電流頻率的方式更節(jié)能，更安全而且更易操作，該清洗設(shè)備選擇改變電機(jī)頻率的方式實(shí)現(xiàn)不同尺寸管路及液壓元件的沖洗功能。

3 設(shè)備簡(jiǎn)介

3.1 原理圖

其工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)備工作原理圖

3.2 工作原理

電機(jī)啟動(dòng)，將油液從供油箱吸入液壓泵，期間通過(guò)過(guò)濾器進(jìn)行粗級(jí)過(guò)濾，主要防止大顆粒進(jìn)入液壓泵從而對(duì)其造成損傷；油液通過(guò)液壓泵增壓后經(jīng)過(guò)單向閥、截止閥、沖洗雙過(guò)濾器、流量計(jì)、截止閥后進(jìn)入被沖洗元件內(nèi)，若單向閥損壞或截止閥堵塞而引起的壓力過(guò)高可通過(guò)單向閥前端的溢流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)泄放；沖洗雙組過(guò)濾器中的粗級(jí)過(guò)濾器可以過(guò)濾一些大顆粒，更小的顆粒則由精過(guò)濾器來(lái)進(jìn)一步過(guò)濾，此時(shí)可以直觀讀取該頻率下通過(guò)沖洗設(shè)備的流量值。

從被清洗元件出來(lái)的油通過(guò)回油口回到?jīng)_洗設(shè)備；可通過(guò)開關(guān)針閥來(lái)取樣檢測(cè)清潔度是否達(dá)標(biāo)；油液通過(guò)回油雙組過(guò)濾器進(jìn)行粗過(guò)濾和精過(guò)濾，將被沖洗元件中的雜質(zhì)過(guò)濾，最后油液通過(guò)風(fēng)冷換熱器將部分熱量和空氣進(jìn)行熱交換，降低油溫。

這樣，油液的流動(dòng)形成一個(gè)閉環(huán)回路，這樣不斷循環(huán)往復(fù)沖洗，可以將被清洗物體內(nèi)部的雜質(zhì)清洗干凈以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的清潔度。

當(dāng)被清洗物體的尺寸有所改變時(shí)，可以調(diào)節(jié)變頻器來(lái)調(diào)節(jié)沖洗時(shí)流體的流速，從而讓油液盡可能處于紊流狀態(tài)，以達(dá)到高效清洗的效果，當(dāng)然清洗效率還取決于濾芯的過(guò)濾效果和更換頻率。

3.3 元器件介紹

3.3.1 變頻器

變頻器是一種應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電機(jī)電力控制的設(shè)備。主要由整流、濾波、逆變、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元及微處理單元組成。在該設(shè)備中，其主要作用是改變電機(jī)的電流頻率來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖儽玫妮敵隽髁俊?/p>

3.3.2 變頻電機(jī)

變頻電機(jī)是指在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，以100%額定負(fù)載在10%～100%額定速度范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)行，溫升不會(huì)超過(guò)該電機(jī)標(biāo)定容許值的電機(jī)。其具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：

1）調(diào)速容易且節(jié)能。

2）電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、慣量小、造價(jià)低、容易維修且耐用。

3）可以擴(kuò)大容量，實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速和高電壓運(yùn)行。4）可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和快速制動(dòng)。

5）無(wú)火花、防爆、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

3.3.3 液壓泵

液壓泵是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力和流量并提供給系統(tǒng)的元件，是靠發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從液壓油箱中吸入油液，形成壓力油排出，送到執(zhí)行元件。按結(jié)構(gòu)可分為齒輪泵、柱塞泵、葉片泵和螺桿泵。

用于高壓、大排量沖洗，可以高壓柱塞泵，因其具有額定壓力高、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高和流量調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn)。

3.3.4 過(guò)濾器

過(guò)濾器是一種輸送介質(zhì)管道上不可或缺的裝置，主要由筒體、不銹鋼濾網(wǎng)、排污部分、傳動(dòng)裝置及電氣控制部分組成。

簡(jiǎn)單的過(guò)濾器主要由筒體、不銹鋼濾網(wǎng)組成，常見(jiàn)的有“T”型、“Y”型。流體介質(zhì)從進(jìn)口流入，經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)，大于濾網(wǎng)孔直徑的雜質(zhì)顆粒被攔截下來(lái)，如此不斷循環(huán)達(dá)到清潔流體的效果。

帶目視污染發(fā)訊器的過(guò)濾器主要通過(guò)進(jìn)、出口之間產(chǎn)生的壓差通過(guò)傳動(dòng)裝置來(lái)傳遞給發(fā)訊器帶來(lái)視覺(jué)上的一些變化，如顏色，從而提示更換或清洗濾芯；帶電子傳感器的過(guò)濾器主要通過(guò)壓差變送器將壓差信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，反饋給控制中心從而提示更換或清洗濾芯，過(guò)濾器的選擇需考慮更換濾芯的便捷性、經(jīng)濟(jì)性。

濾芯的過(guò)濾性能[4-5]對(duì)沖洗效果、效率的影響頗深，濾芯的過(guò)濾精度應(yīng)滿足液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3.3.5 壓力表

壓力表是一種以彈性元件為敏感元件來(lái)測(cè)量并指示高于環(huán)境壓力的儀表。其工作原理是通過(guò)表內(nèi)的敏感元件（波登管、膜盒、波紋管）的彈性形變，再由表內(nèi)機(jī)芯的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將壓力形變傳遞至指針，引起指針的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)顯示壓力。

在本設(shè)備中，壓力表需監(jiān)測(cè)由電流頻率改變而引起沖洗管路壓力的改變，避免出現(xiàn)管路壓力超過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力的情況。

3.3.6 流量計(jì)

流量計(jì)是一種指示被測(cè)流量和在選定的時(shí)間間隔內(nèi)流體總量的儀表。其種類可分為差壓式流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、容積流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。

在本設(shè)備中，流量計(jì)可以檢測(cè)設(shè)備的輸出流量，從而調(diào)整電機(jī)的輸入頻率，保證設(shè)備的輸出流量恒定。

3.3.7 溢流閥

溢流閥在液壓系統(tǒng)中起安全保護(hù)作用。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，閥口逐漸開啟，將一部分流體介質(zhì)排出，使系統(tǒng)壓力不超過(guò)設(shè)定值。

3.3.8 風(fēng)冷油換熱器

風(fēng)冷油換熱器是一種電機(jī)帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生風(fēng)力將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體（空氣）的設(shè)備。當(dāng)電機(jī)泵組在出口壓力較高的情況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油溫會(huì)迅速升高，故該裝置的作用就是降低回油溫度。

4 結(jié)論

污染流體介質(zhì)的主要因素有制造環(huán)節(jié)污染、運(yùn)行階段外界的污染、系統(tǒng)內(nèi)部磨損所產(chǎn)生的金屬微粒。而降低這些污染物的主要方法有：建設(shè)無(wú)塵車間、超聲波清洗、循環(huán)沖洗，在考慮經(jīng)濟(jì)性和便捷性前提下，最終選擇循環(huán)沖洗的方法減少介質(zhì)中的污染，從而設(shè)計(jì)了該循環(huán)沖洗裝置。

實(shí)踐證明，該清洗設(shè)備配合優(yōu)質(zhì)濾芯和適配的清洗工裝，可以高效地對(duì)SCM內(nèi)的管閥件進(jìn)行清洗，使其清潔度快速達(dá)標(biāo)。