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)測各閥門的狀態(tài)[1]（壓力、溫度、響應(yīng)時間以及流量等）。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，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個方面。

1）制造環(huán)節(jié)污染。在液壓系統(tǒng)制造的過程中，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附著在管路、元件表面，在硬管加工過程中尤為明顯。

2）運(yùn)行階段外界的污染。雖然液壓系統(tǒng)是一個相對密封的環(huán)境，但是在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，油箱內(nèi)外部存在空氣的交換，雖然有空氣過濾器，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)生的金屬微粒會隨著介質(zhì)進(jìn)入下游，對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)無塵車間。無塵車間可以有效的減少生產(chǎn)裝配過程中的污染物，但是建設(shè)成本較高，且如果只依靠無塵車間無法減少管路加工過程中的污染物，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會導(dǎo)致促使液體中的微氣泡產(chǎn)生震動，隨著氣泡的增長，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，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)的流動狀態(tài)為紊流。介質(zhì)的紊流流動能保證使管路系統(tǒng)中的顆粒污染物脫落并通過過濾器移除。應(yīng)使用雷諾數(shù)Re＞4 000的流動介質(zhì)沖洗系統(tǒng)[3]。

雷諾數(shù)，即流體流動時的慣性力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)下流體的動力黏度，Pa·s；υ為工作狀態(tài)下流體的運(yùn)動黏度，m2/s；ρ為被測流體的密度，kg/m3。

對于管線來說，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個參數(shù)：流體的速度、管線內(nèi)徑和工作狀態(tài)下的運(yùn)動黏度。

管線流體流量q的計算式為

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)動黏度，m2/s；p為電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(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)動黏度成反比，因此提高電機(jī)頻率或降低運(yùn)動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)備簡介

3.1 原理圖

其工作原理見圖1。

圖1 設(shè)備工作原理圖

3.2 工作原理

電機(jī)啟動，將油液從供油箱吸入液壓泵，期間通過過濾器進(jìn)行粗級過濾，主要防止大顆粒進(jìn)入液壓泵從而對其造成損傷；油液通過液壓泵增壓后經(jīng)過單向閥、截止閥、沖洗雙過濾器、流量計、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高可通過單向閥前端的溢流閥來實(shí)現(xiàn)泄放；沖洗雙組過濾器中的粗級過濾器可以過濾一些大顆粒，更小的顆粒則由精過濾器來進(jìn)一步過濾，此時可以直觀讀取該頻率下通過沖洗設(shè)備的流量值。

從被清洗元件出來的油通過回油口回到?jīng)_洗設(shè)備；可通過開關(guān)針閥來取樣檢測清潔度是否達(dá)標(biāo)；油液通過回油雙組過濾器進(jìn)行粗過濾和精過濾，將被沖洗元件中的雜質(zhì)過濾，最后油液通過風(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，油液的流動形成一個閉環(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，可以調(diào)節(jié)變頻器來調(diào)節(jié)沖洗時流體的流速，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)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電機(jī)電力控制的設(shè)備。主要由整流、濾波、逆變、制動單元、驅(qū)動單元、檢測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)的電流頻率來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速從而改變泵的輸出流量。

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，溫升不會超過該電機(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)簡單、慣量小、造價低、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)軟啟動和快速制動。

5）無火花、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)動機(jī)或電機(jī)驅(qū)動，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 過濾器

過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、傳動裝置及電氣控制部分組成。

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

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

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

3.3.5 壓力表

壓力表是一種以彈性元件為敏感元件來測量并指示高于環(huán)境壓力的儀表。其工作原理是通過表內(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)動來顯示壓力。

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

3.3.6 流量計

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

在本設(shè)備中，流量計可以檢測設(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，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)帶動葉片轉(zhuǎn)動產(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時間運(yùn)轉(zhuǎn)時，油溫會迅速升高，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SCM內(nèi)的管閥件進(jìn)行清洗，使其清潔度快速達(dá)標(biāo)。