任必為，王金龍，姜宇飛，趙宏林，段夢蘭

（1.北京礦冶研究總院，北京102600；2.中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249）①

水下連接器液壓管線排布設(shè)計

任必為1，王金龍2，姜宇飛2，趙宏林2，段夢蘭2

（1.北京礦冶研究總院，北京102600；2.中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249）①

為保證水下連接器液壓系統(tǒng)能夠正常工作，完成海底管道連接的任務(wù)，需選取合適的液壓管線組合將液壓執(zhí)行元件和液壓控制元件有效地連接起來。為了最大程度降低排布在安裝工具上液壓管線的復(fù)雜程度，并有效降低碰撞對液壓管線造成損傷的可能性，設(shè)計了硬管和軟管配合使用的排布方式，并采取設(shè)置護板、中空部件內(nèi)部走線、繞后處理等方式來降低液壓管線的暴露程度。利用三維布管軟件Routing對水下連接器的液壓管線進行了建模，證明了所設(shè)計的液壓管線排布方式的可行性。

水下連接器；液壓硬管和軟管；排布管線；Routing

水下液壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海洋工程、船舶工程等領(lǐng)域［1-3］，由于水下工況相對復(fù)雜，因此安裝在水下設(shè)備上的液壓執(zhí)行元件和液壓控制元件需在不影響設(shè)備機械結(jié)構(gòu)的條件下進行布置。這種情況下，液壓管線的選取與排布對于整個液壓系統(tǒng)能否順利工作具有十分重要的意義［4］。

水下連接器依靠10個液壓閥和13個液壓缸來控制和驅(qū)動安裝工具，從而實現(xiàn)海底管道的連接［5-6］。由于連接器在水下安裝過程中執(zhí)行動作較多，且液壓閥需要集中布置，以方便ROV操作。因此，有必要選取和排布一套適用于水下連接器的液壓管線，以保證水下連接器液壓系統(tǒng)能夠安全可靠的工作。

1 水下連接器安裝過程

水下連接器的安裝主要依靠帶有液壓系統(tǒng)的安裝工具完成。

1） 將安裝工具下放到連接器的正上方，安裝工具上布置有液壓缸和ROV控制面板，其中ROV控制面板上裝有全部的液壓控制閥，如圖1所示。

圖1 安裝工具

2） ROV操作控制面板，啟動布置在對接板內(nèi)部的3個對中液壓缸，對中液壓缸推動連接器進行軸線對中，如圖2所示。

圖2 對中液壓缸對中

3） ROV操作控制面板，啟動布置在驅(qū)動板內(nèi)部的2個鎖緊液壓缸，鎖緊液壓缸將安裝工具與連接器綁定，如圖3所示。

圖3 鎖緊液壓缸綁定

4） ROV操作控制面板，啟動缸筒固定在后擋板，活塞桿末端固定在對接板上的4個對接液壓缸，對接液壓缸推動連接器進行海底管道對接，如圖4所示。

圖4 連接器對接

5） ROV操作控制面板，啟動缸筒固定在對接板，活塞桿末端固定在驅(qū)動板上的4個驅(qū)動液壓缸，驅(qū)動液壓缸推動連接器與海底管道鎖緊，如圖5所示。

圖5 連接器鎖緊

6） 待連接器完成海底管道的連接后，收回安裝工具。待安裝工具完全收回后，留在水下的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2 液壓管線的設(shè)計

2.1 液壓管線的排布原則

為了避免連接器在安裝過程中液壓管線發(fā)生碰撞，應(yīng)盡量選取硬質(zhì)管線連接各液壓元器件［7］，同時使用護板進行保護。但是從水下連接器的安裝過程可以看出：集成在安裝工具上的液壓系統(tǒng)中液壓缸數(shù)量較多，且分布于安裝工具上不同的部件，同時液壓閥集中布置于ROV控制面板上，這就會導(dǎo)致各液壓缸與液壓閥之間的距離會隨著安裝工具的運動而隨時變化。因此，有必要選取液壓硬管和軟管相配合來完成液壓管線的排布［8］。

2.2 液壓管線的參數(shù)設(shè)計

水下連接器液壓系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計參數(shù)

2.2.1 硬管的參數(shù)計算

根據(jù)水下連接器液壓系統(tǒng)的使用工況和設(shè)計參數(shù)，選擇15號鋼制成的精密無縫鋼管（GB3639-83）作為液壓硬管。

管的內(nèi)徑為

式中：d為管的內(nèi)徑，mm；q為油液的流量，L／min；v為管內(nèi)油液的流速，m／s。

計算可得壓油管路的內(nèi)徑取8.00 mm，吸油管

路的內(nèi)徑取13.00 mm。管的壁厚為

計算可得壓油管路的壁厚取2.00 mm，吸油管路的壁厚取2.00 mm。

管的外徑為

式中：D為管的外徑，mm。

計算可得壓油管路的外徑取12.00 mm，吸油管路的外徑取18.00 mm。

2.2.2 軟管的參數(shù)計算

根據(jù)水下連接器液壓系統(tǒng)的使用工況和設(shè)計參數(shù)，選擇鋼絲纏繞骨架的高壓膠管作為液壓軟管。軟管內(nèi)徑與流量、流速之間的關(guān)系如圖7所示，根據(jù)壓油管路和吸油管路中油液的流速和流量，可得壓油管路的內(nèi)徑8.0 mm，吸油管路的內(nèi)徑取13.00 mm。

圖7 軟管內(nèi)徑與流量、流速之間的關(guān)系

3 液壓管線的排布

3.1 三維布管軟件Routing

三維布管軟件Routing為Solid Works軟件中專門進行管道管筒設(shè)計的插件，Routing的設(shè)計庫中包含常用的標(biāo)準(zhǔn)管道模塊及管接頭、管夾等附件，也可以根據(jù)需要自行建立滿足需要的管道模塊，如圖8所示。

圖8 Routing及其設(shè)計庫

使用Routing進行液壓管線的三維建模操作方法如下：使用Solid Works打開需要排布液壓管線的裝配體，添加Routing插件并選擇管筒設(shè)計；從Routing設(shè)計庫中選取合適的管接頭和管夾并設(shè)置參數(shù)，將管接頭和管夾裝配到裝配體中；點擊管接頭上的連接點，選取管筒參數(shù)（如需使用軟管則勾選軟管選項），將管夾和另一個管接頭的連接點添加到線路中，通過繪制3D草圖（使用Tab鍵切換坐標(biāo)平面）來完成液壓管線走向的排布。

3.2 水下連接器液壓管線的三維建模

水下連接器液壓管線的排布主要包括2部分：安裝工具上的液壓管線排布和ROV控制面板上的液壓管線排布。

3.2.1 安裝工具上液壓管線的排布

安裝工具上裝有對接液壓缸、驅(qū)動液壓缸、對中液壓缸和鎖緊液壓缸，各個液壓缸與液壓閥采用硬管和軟管組合的方式進行連接，在安裝工具兩側(cè)加裝護板以保護液壓管線，如圖9所示。

圖9 安裝工具上的液壓管線

1） 對接液壓缸的管線排布。對接液壓缸共4個，缸體均勻固定在后擋板上。由于對接液壓缸相對于ROV控制面板沒有發(fā)生位移，因此可以全部采用硬管連接，如圖10所示。為了避免液壓管線過度暴露，將液壓管線布置在護板內(nèi)側(cè)，并用管夾固定在護板上。接入ROV控制面板的液壓管線采用繞后處理。

圖10 對接液壓缸的管線排布

2） 驅(qū)動液壓缸的管線排布。驅(qū)動液壓缸共有4個，缸體均勻固定在對中板上。由于對中板會在連接器安裝過程中運動，驅(qū)動液壓缸相對于ROV控制面板會發(fā)生位移，因此需用硬管和軟管共同連接，如圖11所示。

為了避免液壓管線過度暴露，將液壓管線布置在護板內(nèi)側(cè)，并用管夾固定在護板上。因為對中板內(nèi)部中空，連接驅(qū)動液壓缸端部的液壓管線可以貫穿在對中板內(nèi)部，以起到保護管線的目的。硬管之間采用U形軟管連接，對中板在運動時液壓管線不受影響。接入ROV控制面板的液壓管線采用繞后處理。

圖11 驅(qū)動液壓缸的管線排布

3） 對中液壓缸的管線排布。對中液壓缸共3個，呈120°固定在對中板的內(nèi)部。由于對中板會在連接器安裝過程中運動，對中液壓缸相對于ROV控制面板會發(fā)生位移，因此需用硬管和軟管共同連接，如圖12所示。

為了避免液壓管線過度暴露，將液壓管線布置在護板內(nèi)側(cè)，并用管夾固定在護板上。因為對中板內(nèi)部中空，連接對中液壓缸的液壓管線可以貫穿在對中板內(nèi)部，以起到保護管線的目的。硬管之間采用U形軟管連接，對中板在運動時液壓管線不受影響。接入ROV控制面板的液壓管線采用繞后處理。

圖12 對中液壓缸的管線排布

4） 鎖緊液壓缸的管線排布。鎖緊液壓缸共2個，呈180°固定在驅(qū)動板的內(nèi)部。由于驅(qū)動板會在連接器安裝過程中運動，鎖緊液壓缸相對于ROV控制面板會發(fā)生位移，因此需用硬管和軟管共同連接，如圖13所示。

為了避免液壓管線過度暴露，將液壓管線布置在護板內(nèi)側(cè)，并用管夾固定在護板上。因為驅(qū)動板內(nèi)部中空，連接鎖緊液壓缸的液壓管線可以貫穿在驅(qū)動板內(nèi)部，以起到保護了管線的目的。硬管之間采用U形軟管連接，驅(qū)動板在運動時液壓管線不受影響。接入ROV控制面板的液壓管線采用繞后處理。

圖13 鎖緊液壓缸的管線排布

3.2.2 ROV控制面板上液壓管線的排布

為了便于ROV在水下操作以及將各液壓控制閥集中放置，在安裝工具上設(shè)計ROV控制面板，如圖14所示。水下連接器液壓系統(tǒng)的供油依靠液壓快速接頭供給，液壓控制閥集中布置在ROV控制面板的背面。

圖14 ROV控制面板

ROV控制面板上的各個控制閥之間用硬管連接，在排布液壓管線時應(yīng)在保證油路完整的情況下避免管線之間發(fā)生交叉重疊，如圖15所示。

圖15 ROV控制面板上的管線排布

ROV控制面板上的液壓閥與液壓缸之間采用軟管連接，如圖16所示。

圖16 液壓閥與液壓缸之間的連接

4 結(jié)論

1） 通過分析水下連接器的安裝過程及其液壓系統(tǒng)的組成，根據(jù)實際工況選取了合適的液壓硬管和軟管，并確定了管線排布的原則，最后借助三維布管軟件Routing對水下連接器的液壓管線進行了排布。

2） 液壓硬管和軟管的配合使用比較合理，能夠在不影響傳輸液壓油的情況下，有效地降低了布置在安裝工具上的液壓管線的復(fù)雜程度。

3） 設(shè)置護板、在中空部件的內(nèi)部走線和繞后處理等手段有效地降低了液壓管線的暴露程度，大幅降低了水下連接器安裝過程中發(fā)生碰撞對液壓管線造成損傷的可能性。

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［5］ 姜宇飛，趙宏林，鄭利軍.深水水平連接器液壓同步控制仿真分析［J］.石油礦場機械，2014，43（3）：1-5.

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［8］ 王守城，段俊勇.液壓元件及選用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

Design of Arrangement of Hydraulic Pipelines on Underwater Connector

In order to guarantee the normal work of the hydraulic system in underwater connector，so as to complete the task of connecting submarine pipelines，choosing suitable hydraulic pipelines to connect the hydraulic actuators and the hydraulic valves effectively is important.In order to maximize reducing the complexity of the hydraulic pipelines that was assembled on the running tool，and reduce the possibility of collision damage of hydraulic pipelines effectively，the design of hard tube and hose is needed，and taking the guard plate，walking lines inside hollow parts，the post-wrapping methods are needed to reduce the exposure of hydraulic pipelines.Use three-dimensional pipe ranking software“Routing”modeling the underwater connector hydraulic pipes to prove the feasibility of this design.

underwater connector；hydraulic hard tube and hose；arrangement of pipelines；routing

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.006

1001-3482（2014）11-0023-06①

2014-05-12

國家科技重大專項“水下管匯連接器樣機研制”（2011ZX05026-003-02）；國家科技重大專項“深水水下生產(chǎn)設(shè)施制造、測試裝備及技術(shù)”（2011ZX05027-004）

任必為（1988-），男，北京人，碩士研究生，主要從事油田返排液處理及壓裂研究，E-mail：rbw954＠126.com。