水下连接器液压管线排布设计

２０１４年第４３卷第１１期第２３页石油矿场机械犗犐犔　犉犐犈犔犇　犈犙犝犐犘犕犈犖犜　２０１４，４３（１１）：２３２８文章编号：１００１３４８２（２０１４）１１００２３０６水下连接器液压管线排布设计任必为１，王金龙２，姜宇飞２，赵宏林２，段梦兰２（１．北京矿冶研究总院，北京１０２６００；２．中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京１０２２４９）摘要：为保证水下连接器液压系统能够正常工作，完成海底管道连接的任务，需选取合适的液压管线组合将液压执行元件和液压控制元件有效地连接起来。为了最大程度降低排布在安装工具上液压管线的复杂程度，并有效降低碰撞对液压管线造成损伤的可能性，设计了硬管和软管配合使用的排布方式，并采取设置护板、中空部件内部走线、绕后处理等方式来降低液压管线的暴露程度。利用三维布管软件Ｒｏｕｔｉｎｇ对水下连接器的液压管线进行了建模，证明了所设计的液压管线排布方式的可行性。关键词：水下连接器；液压硬管和软管；排布管线；Ｒｏｕｔｉｎｇ中图分类号：ＴＥ９５２　　　文献标识码：Ａ　　　犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１３８４２．２０１４．１１．００６犇犲狊犻犵狀狅犳犃狉狉犪狀犵犲犿犲狀狋狅犳犎狔犱狉犪狌犾犻犮犘犻狆犲犾犻狀犲狊狅狀犝狀犱犲狉狑犪狋犲狉犆狅狀狀犲犮狋狅狉ＲＥＮＢｉｗｅｉ１，ＷＡＮＧＪｉｎｌｏｎｇ２，ＪＩＡＮＧＹｕｆｅｉ２，ＺＨＡＯＨｏｎｇｌｉｎ２，ＤＵＡＮＭｅｎｇｌａｎ２（１．犅犲犻犼犻狀犵犖犪狋狌狉犪犾犘犾犪狀狋犌狌犿犇犲狏犲犾狅狆犻狀犵犆犲狀狋犲狉，犅犲犻犼犻狀犵１０２６００，犆犺犻狀犪；２．犚犲狊犲犪狉犮犺犆犲狀狋犲狉狅犳犗犳犳狊犺狅狉犲犗犻犾牔犌犪狊，犆犺犻狀犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犘犲狋狉狅犾犲狌犿，犅犲犻犼犻狀犵１０２２４９，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｎｏｒｍａｌｗｏｒｋｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｉｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｏｒ，ｓｏａｓｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｔａｓｋｏｆｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｓｕｂｍａｒｉｎｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓ，ｃｈｏｏｓｉｎｇｓｕｉｔａｂｌｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｏｃｏｎｎｅｃｔｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃａｃｔｕａｔｏｒｓａｎｄｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｖａｌｖｅｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｘｉｍｉｚｅｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｈａｔｗａｓａｓｓｅｍｂｌｅｄｏｎｔｈｅｒｕｎｎｉｎｇｔｏｏｌ，ａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｃｏｌｌｉｓｉｏｎｄａｍａｇｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｉｐｅｌｉｎｅｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｈａｒｄｔｕｂｅａｎｄｈｏｓｅｉｓｎｅｅｄｅｄ，ａｎｄｔａｋｉｎｇｔｈｅｇｕａｒｄｐｌａｔｅ，ｗａｌｋｉｎｇｌｉｎｅｓｉｎｓｉｄｅｈｏｌｌｏｗｐａｒｔｓ，ｔｈｅｐｏｓｔｗｒａｐｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｎｅｅｄｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｅｘｐｏｓｕｒｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｉｐｅｌｉｎｅｓ．Ｕｓｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｉｐｅｒａｎｋｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅ“Ｒｏｕｔｉｎｇ”ｍｏｄｅｌｉｎｇｔｈｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｏｒｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｉｐｅｓｔｏｐｒｏｖｅｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｏｒ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃｈａｒｄｔｕｂｅａｎｄｈｏｓｅ；ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓ；ｒｏｕｔｉｎｇ　　水下液压技术已广泛应用于海洋工程、船舶工程等领域［１３］，由于水下工况相对复杂，因此安装在水下设备上的液压执行元件和液压控制元件需在不影响设备机械结构的条件下进行布置。这种情况下，液压管线的选取与排布对于整个液压系统能否顺利工作具有十分重要的意义［４］。水下连接器依靠１０个液压阀和１３个液压缸来控制和驱动安装工具，从而实现海底管道的连接［５６］。由于连接器在水下安装过程中执行动作较多，且液压阀需要集中布置，以方便ＲＯＶ操作。因　收稿日期：２０１４０５１２　基金项目：国家科技重大专项“水下管汇连接器样机研制”（２０１１ＺＸ０５０２６００３０２）；国家科技重大专项“深水水下生产设施制造、测试装备及技术”（２０１１ＺＸ０５０２７００４）　作者简介：任必为（１９８８），男，北京人，硕士研究生，主要从事油田返排液处理及压裂研究，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]。此，有必要选取和排布一套适用于水下连接器的液压管线，以保证水下连接器液压系统能够安全可靠的工作。１　水下连接器安装过程水下连接器的安装主要依靠带有液压系统的安装工具完成。１）　将安装工具下放到连接器的正上方，安装工具上布置有液压缸和ＲＯＶ控制面板，其中ＲＯＶ控制面板上装有全部的液压控制阀，如图１所示。图１　安装工具　　２）　ＲＯＶ操作控制面板，启动布置在对接板内部的３个对中液压缸，对中液压缸推动连接器进行轴线对中，如图２所示。图２　对中液压缸对中　　３）　ＲＯＶ操作控制面板，启动布置在驱动板内部的２个锁紧液压缸，锁紧液压缸将安装工具与连接器绑定，如图３所示。图３　锁紧液压缸绑定　　４）　ＲＯＶ操作控制面板，启动缸筒固定在后挡板，活塞杆末端固定在对接板上的４个对接液压缸，对接液压缸推动连接器进行海底管道对接，如图４所示。图４　连接器对接　　５）　ＲＯＶ操作控制面板，启动缸筒固定在对接板，活塞杆末端固定在驱动板上的４个驱动液压缸，驱动液压缸推动连接器与海底管道锁紧，如图５所示。图５　连接器锁紧·４２·　　　　　　　　　　　石油矿场机械　　　　　　　　　　　　　　　　２０１４年１１月　　　６）　待连接器完成海底管道的连接后，收回安装工具。待安装工具完全收回后，留在水下的结构如图６所示。图６　留在水下的结构２　液压管线的设计２．１　液压管线的排布原则为了避免连接器在安装过程中液压管线发生碰撞，应尽量选取硬质管线连接各液压元器件［７］，同时使用护板进行保护。但是从水下连接器的安装过程可以看出：集成在安装工具上的液压系统中液压缸数量较多，且分布于安装工具上不同的部件，同时液压阀集中布置于ＲＯＶ控制面板上，这就会导致各液压缸与液压阀之间的距离会随着安装工具的运动而随时变化。因此，有必要选取液压硬管和软管相配合来完成液压管线的排布［８］。２．２　液压管线的参数设计水下连接器液压系统的设计参数如表１所示。表１　设计参数工作压力／ＭＰａ油液流量／（Ｌ·ｍｉｎ－１）压油管路中流速／（ｍ·ｓ－１）吸油管路中流速／（ｍ·ｓ－１）２０．７７．５２．５１．０２．２．１　硬管的参数计算根据水下连接器液压系统的使用工况和设计参数，选择１５号钢制成的精密无缝钢管（ＧＢ３６３９８３）作为液压硬管。管的内径为犱≥４．６１狇槡狏式中：犱为管的内径，ｍｍ；狇为油液的流量，Ｌ／ｍｉｎ；狏为管内油液的流速，ｍ／ｓ。计算可得压油管路的内径取８．００ｍｍ，吸油管路的内径取１３．００ｍｍ。管的壁厚为δ≥狆犱２［σ］式中：δ为管壁厚度，ｍｍ；狆为工作压力，ＭＰａ；［σ］为许用应力，［σ］＝σ犫狀＝３７５４＝９３．７５ＭＰａ。计算可得压油管路的壁厚取２．００ｍｍ，吸油管路的壁厚取２．００ｍｍ。管的外径为犇＝犱＋２δ式中：犇为管的外径，ｍｍ。计算可得压油管路的外径取１２．００ｍｍ，吸油管路的外径取１８．００ｍｍ。２．２．２　软管的参数计算根据水下连接器液压系统的使用工况和设计参数，选择钢丝缠绕骨架的高压胶管作为液压软管。软管内径与流量、流速之间的关系如图７所示，根据压油管路和吸油管路中油液的流速和流量，可得压油管路的内径８．０ｍｍ，吸油管路的内径取１３．００ｍｍ。图７　软管内径与流量、流速之间的关系３　液压管线的排布３．１　三维布管软件犚狅狌狋犻狀犵三维布管软件Ｒｏｕｔｉｎｇ为ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件中专门进行管道管筒设计的插件，Ｒｏｕｔｉｎｇ的设计库中包含常用的标准管道模块及管接头、管夹等附件，也可以根据需要自行建立满足需要的管道模块，如图８所示。·５２·　第４３卷　第１１期　　　　　　　　任必为，等：水下连接器液压管线排布设计图８　Ｒｏｕｔｉｎｇ及其设计库　　使用Ｒｏｕｔｉｎｇ进行液压管线的三维建模操作方法如下：使用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ打开需要排布液压管线的装配体，添加Ｒｏｕｔｉｎｇ插件并选择管筒设计；从Ｒｏｕｔｉｎｇ设计库中选取合适的管接头和管夹并设置参数，将管接头和管夹装配到装配体中；点击管接头上的连接点，选取管筒参数（如需使用软管则勾选软管选项），将管夹和另一个管接头的连接点添加到线路中，通过绘制３Ｄ草图（使用Ｔａｂ键切换坐标平面）来完成液压管线走向的排布。３．２　水下连接器液压管线的三维建模水下连接器液压管线的排布主要包括２部分：安装工具上的液压管线排布和ＲＯＶ控制面板上的液压管线排布。３．２．１　安装工具上液压管线的排布安装工具上装有对接液压缸、驱动液压缸、对中液压缸和锁紧液压缸，各个液压缸与液压阀采用硬管和软管组合的方式进行连接，在安装工具两侧加装护板以保护液压管线，如图９所示。图９　安装工具上的液压管线　　１）　对接液压缸的管线排布。对接液压缸共４个，缸体均匀固定在后挡板上。由于对接液压缸相对于ＲＯＶ控制面板没有发生位移，因此可以全部采用硬管连接，如图１０所示。为了避免液压管线过度暴露，将液压管线布置在护板内侧，并用管夹固定在护板上。接入ＲＯＶ控制面板的液压管线采用绕后处理。图１０　对接液压缸的管线排布　　２）　驱动液压缸的管线排布。驱动液压缸共有４个，缸体均匀固定在对中板上。由于对中板会在连接器安装过程中运动，驱动液压缸相对于ＲＯＶ控制面板会发生位移，因此需用硬管和软管共同连接，如图１１所示。为了避免液压管线过度暴露，将液压管线布置在护板内侧，并用管夹固定在护板上。因为对中板内部中空，连接驱动液压缸端部的液压管线可以贯穿在对中板内部，以起到保护管线的目的。硬管之间采用Ｕ形软管连接，对中板在运动时液压管线不受影响。接入ＲＯＶ控制面板的液压管线采用绕后处理。图１１　驱动液压缸的管线排布　　３）　对中液压缸的管线排布。对中液压缸共３个，呈１２０°固定在对中板的内部。由于对中板会在连接器安装过程中运动，对中液压缸相对于ＲＯＶ控制面板会发生位移，因此需用硬管和软管共同连·６２·　　　　　　　　　　　石油矿场机械　　　　　　　　　　　　　　　　２０１４年１１月　接，如图１２所示。为了避免液压管线过度暴露，将液压管线布置在护板内侧，并用管夹固定在护板上。因为对中板内部中空，连接对中液压缸的液压管线可以贯穿在对中板内部，以起到保护管线的目的。硬管之间采用Ｕ形软管连接，对中板在运动时液压管线不受影响。接入ＲＯＶ控制面板的液压管线采用绕后处理。图１２　对中液压缸的管线排布　　４）　锁紧液压缸的管线排布。锁紧液压缸共２个，呈１８０°固定在驱动板的内部。由于驱动板会在连接器安装过程中运动，锁紧液压缸相对于ＲＯＶ控制面板会发生位移，因此需用硬管和软管共同连接，如图１３所示。为了避免液压管线过度暴露，将液压管线布置在护板内侧，并用管夹固定在护板上。因为驱动板内部中空，连接锁紧液压缸的液压管线可以贯穿在驱动板内部，以起到保护了管线的目的。硬管之间采用Ｕ形软管连接，驱动板在运动时液压管线不受影响。接入ＲＯＶ控制面板的液压管线采用绕后处理。图１３　锁紧液压缸的管线排布３．２．２　犚犗犞控制