世紀號FPSO外輸軟管應急釋放系統改造

2018-11-28 11:59:54周毅

天津科技 2018年11期

周毅

（中海油能源發展采油服務公司天津300452）

1 研究背景

1.1 現狀及存在問題

世紀號 FPSO外輸軟管應急釋放液壓缸在經過使用后已經不能鎖緊制動，在外輸過程中，浮動法蘭處出現外輸原油泄漏。現在采取卡子固定方式，將浮動法蘭壓緊鎖死，由于固定后使軟管與液壓釋放裝置一同旋轉，外輸軟管扭力無法卸載，扭力直接作用于球形接頭，對球形接頭造成傷害，以至外輸放管時固定鏈發生斷裂現象，并且損壞液壓管線，使外輸工作存在很大的安全隱患。為此，需要恢復外輸應急釋放功能，主要工作內容包括：分析外輸應急釋放液壓缸存在問題；設計新型液壓缸，替換原有液壓缸；對新型液壓缸進行陸地試驗，確認其功能滿足現場要求；現場安裝調試。

1.2 故障分析

1.2.1 現場調研

根據要求，通過“世紀號外輸應急系統”的現場調研，確認外輸應急釋放系統存在的問題，并進行相關尺寸的測量工作，保證設計制作的新型液壓缸滿足工作要求。現狀如圖1所示。

圖1 應急釋放裝置現狀圖Fig.1 Emergency release system constitutional diagram

1.2.2 原液壓缸拆解分析

原液壓缸內部結構如圖2所示。

圖2 原液壓缸內部結構圖Fig.2 Internal structure diagram of hydraulic cylinder.

液壓缸縮回時動作順序為：液壓缸前腔給油，液壓缸活塞開始縮回，活塞鎖緊柱頭先接觸定位鋼珠，此時定位鋼珠處于自由狀態，當鎖緊柱頭繼續縮回，鋼珠被鎖緊柱頭壓出，活動套接觸鋼珠，因活動套后有彈簧可壓縮，使活動套反向回縮，當鎖緊柱頭的定位槽到達鋼珠位置時，鋼珠被活動套在彈簧力作用下壓入鎖緊柱頭的定位槽，實現液壓缸鎖緊。

液壓缸伸出時的動作順序為：液壓缸后腔給油，此時因后腔內無密封，只有活塞上有密封，故后腔內均為壓力油，活動套處于壓力油內不能實現開鎖，壓力油作用在活塞及鎖緊柱頭的底面，推動活塞桿強行伸出，對鋼珠造成損壞，往復循環幾次造成鋼珠損壞嚴重，不能實現液壓缸的定位鎖緊。

2 新型液壓缸設計制作

2.1 外形尺寸

新型液壓缸外形尺寸如圖3所示。為了保證安裝順利完成，新液壓缸安裝尺寸和原液壓缸安裝尺寸完全相同。

圖3 新型液壓缸外形尺寸圖（mm）Fig.3 New hydraulic cylinder outline dimension（mm）

2.2 設計要求

①液壓缸縮回并自鎖，機械鎖可承受24t拉力。

②液壓缸后腔給油打開機械鎖，液壓缸可伸出。

③自鎖狀態下，前后腔同時給壓力油不可開鎖，液壓缸不動。

2.3 新型液壓缸動作說明

①液壓缸前腔給壓力油活塞縮回，活塞先把卡鍵收縮到卡鍵座內，柱塞接觸卡鍵后無法前進收縮到活塞孔內。當卡鍵進入活塞卡鍵槽內后，卡鍵漲出柱塞在彈簧和壓力油作用下伸出，機械鎖縮緊。當活塞桿受外拉力時，不可伸出，液壓缸前腔給壓力油自鎖成功。

②液壓缸后腔給壓力油，油壓作用于活塞和柱塞端面。活塞鎖緊不可動，柱塞克服彈簧力縮入活塞孔內，卡鍵在活塞作用力下縮入卡鍵座內，活塞解鎖伸出。后腔給油液壓缸伸出開鎖成功。

③處于自鎖狀態時，液壓缸前后腔同時給壓力油，油壓同時作用于柱塞兩端面，柱塞兩面面積相同，即推力相同。在彈簧作用力下，柱塞不動機械鎖不可打開，整機結構處于安全狀態。

2.4 主要零件技術要求

2.4.1 活塞桿及活塞

活塞桿及活塞材質為 45優碳鋼調質處理，活塞桿處表面鍍硬鉻，鎖緊卡槽處淬火處理，處理硬度42～45HRC。

2.4.2 鎖緊柱塞

鎖緊柱塞材質為合金鋼 40Cr淬火處理，處理硬度 45～50HRC。柱塞前端倒角，斜面接觸卡鍵內球面，后端給力可漲開卡鍵。卡鍵上有環型槽，安裝和拆卸擋圈用。

2.4.3 卡鍵

卡鍵材質為合金鋼 40Cr淬火處理，處理硬度42～48HRC。抗壓指標 100kg/mm2，卡鍵截面為14mm×14mm的方鍵6件，單件截面積為196mm2，共計6件卡鍵，總面積為196mm2×6＝1176mm2

故卡鍵承受拉力為：100kg/mm2×1176mm2＝1.176×105kg＝117.6t，遠遠大于設計拉力 24t，完全滿足設計要求，卡鍵設計圖如圖4所示。

圖4 卡鍵設計圖Fig.4 Card key design

卡鍵在車床上加工成圓環，內外倒圓角便于開鎖解鎖。從圓環上用線切割加工成如圖 4右圖所示的六瓣鍵，承受液壓缸鎖緊時承受的壓力。原來鋼球在受力時外面與套是點接觸，里面是線接觸，當受力時因鋼球硬度過高容易破碎。卡鍵的優點是接觸面積大，不會因為受力不均碎掉，使機械鎖的強度得到提高，性能更穩定。

2.4.4 卡鍵座

材質為合金鋼 40Cr調質處理，處理硬度 37～42HRC。卡鍵座受力為扇形，單個截面積為197mm2。抗壓指標為 100kg/mm2，6件共可承壓118.2t。卡鍵座設計圖如圖5所示。

圖5 卡鍵座示意圖Fig.5 Schematic diagram of card key base

2.4.5 鋼絲擋圈

65Mn彈簧鋼絲，直徑4mm。當液壓缸前腔給油時柱塞受到向右的推力，直到接觸鋼絲擋圈承受柱塞推力。

2.4.6 密封

液壓缸采用日本 NOK密封，保證液壓缸使用。活塞及導向套處加裝 WR抗磨環，使導向效果更好，保證缸筒內壁和活塞桿不被劃傷，增加液壓缸的使用壽命。活塞處密封采用組合密封最高使用壓力可達80MPa。導向套處桿封用 Y型密封，密封效果更好，并加裝擋圈提高抗壓性能。

3 新型液壓缸試驗

3.1 密封試驗

液壓缸加工裝配完成后，上試驗臺用負載試驗方法對其進行反復試驗。液壓缸不得有內外泄漏，缸體不能有變形。開關鎖正常后，做極限試驗。拆開液壓缸檢測，卡鍵及活塞無損傷變形，裝好后重新做負載試驗檢測機械鎖工作是否正常。

3.2 負載試驗

為了保證液壓缸長期正常往復運動，要對新設計制作液壓缸進行功能試驗。液壓缸吊裝桿端連接負載，前后腔接試驗臺，實現液壓缸的上升下降功能。后腔并聯蓄能器，可在液壓缸鎖緊狀態下給油實現液壓缸快速釋放。液壓缸帶負載反復升降，檢驗機械鎖的鎖緊效果，保證開關鎖正常，無卡滯現象，鎖緊準確打開自如。

3.3 極限試驗

液壓缸在鎖緊狀態下承受外加24t拉力負荷，檢查液壓缸是否可承受極限拉力。新制作液壓缸為試驗用外接液壓缸：可輸出 24t拉力，液壓缸缸徑125mm，活塞桿直徑 80mm，當前腔施加 16MPa壓力時，拉力為 24.12t。可在前腔接壓力表顯示壓力，或在兩液壓缸連接處接拉力計，直接顯示機械鎖所承受的拉力。反復試驗數次后拆開液壓缸進行檢測，卡鍵、活塞、卡鍵座沒有損傷。