雷剛唐洋 王利軍 孫子剛 王星

（1.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司，廣東 深圳 518000）（2.西南石油大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500）

水下測(cè)試樹雙液動(dòng)球閥機(jī)理及運(yùn)動(dòng)仿真分析

雷剛1唐洋2王利軍1孫子剛1王星1

（1.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司，廣東 深圳 518000）（2.西南石油大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500）

水下測(cè)試樹是深水測(cè)試作業(yè)過程中實(shí)施緊急風(fēng)險(xiǎn)控制的關(guān)鍵裝置，可保障人員和設(shè)備的安全，避免海洋環(huán)境污染。液動(dòng)球閥機(jī)構(gòu)是水下測(cè)試樹實(shí)現(xiàn)快速封堵高壓油氣的關(guān)鍵組件，因此，其工作機(jī)理及運(yùn)動(dòng)情況直接關(guān)系到整個(gè)水下測(cè)試樹的性能及可靠性。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水下測(cè)試樹國(guó)產(chǎn)化研制，通過建立液動(dòng)球閥三維模型，對(duì)其結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行分析；通過建立液動(dòng)球閥運(yùn)動(dòng)仿真模型，對(duì)其核心部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析。雙液動(dòng)球閥的組成、機(jī)理及運(yùn)動(dòng)仿真分析將為水下測(cè)試樹系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供支持。

水下測(cè)試樹；液動(dòng)球閥；運(yùn)行學(xué)；工作機(jī)理；仿真分析

1 雙液動(dòng)球閥的結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理分析

1.1 雙液動(dòng)球閥結(jié)構(gòu)組成

通過分析國(guó)外EXPRO，Schlumberger，Baker Hughes，PTS和Halliburton等公司水下測(cè)試樹產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成、功能及技術(shù)參數(shù)，提出了一種新的用于水下測(cè)試樹的雙液動(dòng)球閥機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案[1-2]。

該雙液動(dòng)球閥具有如下功能：

（1）具有液動(dòng)操作封堵井下高壓油氣功能；

（2）可快速關(guān)閉，時(shí)間小于15s；

（3）具有雙重封堵機(jī)制；

（4）具有失效安全保護(hù)機(jī)制；

（5）安全閥關(guān)閉狀態(tài)，一定正壓下可實(shí)現(xiàn)泵通；

（6）具有剪斷1-1/2”連續(xù)油管和電纜的能力；

（7）有化學(xué)試劑注入通道；

1.2 雙液動(dòng)球閥的工作機(jī)理

1.2.1 上球閥開啟

由水下測(cè)試樹控制系統(tǒng)發(fā)出開啟液動(dòng)球閥上球閥的信號(hào)，則儲(chǔ)能器中液壓油通過上球開啟管線進(jìn)入殼體頂部的閥體內(nèi)。腔體內(nèi)的高壓液壓油將驅(qū)動(dòng)上活塞向下運(yùn)動(dòng)，并壓縮上活塞關(guān)閉彈簧，同時(shí)活塞帶動(dòng)球閥驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)并向下運(yùn)動(dòng)，在球閥驅(qū)動(dòng)軸的扭矩作用力下，驅(qū)使上球閥芯繞上泵通閥座旋轉(zhuǎn)。活塞繼續(xù)向下運(yùn)行直到上球閥開啟到最大位置時(shí)，位于閥體中心的活塞限位塊將阻止上活塞繼續(xù)向下端運(yùn)動(dòng)。

1.2.2 下球閥開啟

在液壓油的作用下，下活塞向上運(yùn)動(dòng)，并壓縮上活塞關(guān)閉彈簧，下活塞帶動(dòng)球閥驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)并向上運(yùn)動(dòng)，則驅(qū)使上球閥芯繞下閥座旋轉(zhuǎn)。活塞繼續(xù)向下運(yùn)行直到上球閥開啟到最大位置時(shí)，位于閥體中心的活塞限位塊將阻止上活塞繼續(xù)向上端運(yùn)動(dòng)。

1.2.3 雙球閥開啟

雙球閥的兩條開啟線是相互獨(dú)立的，因此該功能實(shí)施時(shí)，雙球閥的動(dòng)作分別與單獨(dú)上球閥開啟和下球閥開啟動(dòng)作相同。同時(shí)開啟上下球閥的開啟管線，作用在管線上的壓力驅(qū)使活塞相向運(yùn)動(dòng)，壓縮關(guān)閉彈簧，使液動(dòng)雙球閥同時(shí)開啟。

1.2.4 雙球閥液壓輔助關(guān)閉

活塞的輔助關(guān)閉線很常用，通入液壓油能輔助驅(qū)動(dòng)活塞，然后關(guān)閉球閥。對(duì)該線路進(jìn)行增壓，可確保球閥完全關(guān)閉。同時(shí)活塞輔助關(guān)閉線在剪切作業(yè)中，可增壓推動(dòng)上球閉合。

1.2.5 剪切操作

在緊急關(guān)井過程中，當(dāng)水下測(cè)試樹內(nèi)部有障礙物（如電纜、連續(xù)油管），可通過對(duì)上球閥的輔助關(guān)閉線加壓，來完成連續(xù)油管或電纜的剪切作業(yè)，促使上部球閥關(guān)閉。但在該過程中需同時(shí)保持下開啟線上的壓力，以保證其為開啟狀態(tài)。雙液動(dòng)球閥完成剪切關(guān)閉。

1.2.6 正壓泵通

雙球閥其主要目的是為維持來自井下的高壓流體，而在一定正壓下，球閥不用施加控制管線壓力，可使處于關(guān)閉狀態(tài)的雙球閥泵通。因此當(dāng)管柱內(nèi)的正向壓達(dá)到雙球閥泵通壓力時(shí)，泵通閥座下的彈簧組會(huì)被壓縮，使得球閥芯與閥座間產(chǎn)生一定間隙，使高壓流體得以通過。

2 雙液動(dòng)球閥運(yùn)動(dòng)仿真分析

通過分析發(fā)現(xiàn)，在雙液動(dòng)球閥運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，球閥芯、曲柄及芯軸是雙液動(dòng)球閥的關(guān)鍵部件，其直接關(guān)系球閥的運(yùn)動(dòng)及受力等情況，也決定著整個(gè)水下測(cè)試樹的穩(wěn)定性及可靠性，因此，對(duì)雙液動(dòng)球閥的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。

2.1 雙液動(dòng)球閥運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型建立

在本研究中，選用應(yīng)用范圍最廣、應(yīng)用行業(yè)最多的Pro/E三維建模軟件和MSC/ADAMS機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件來對(duì)雙液動(dòng)球閥進(jìn)行三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真分析[3-4]。首先，采用Pro/E建立雙液動(dòng)球閥的三維實(shí)體模型；其次，采用MSC/ADAMS導(dǎo)入仿真模型，為了兼顧仿真分析結(jié)果的可操作性和準(zhǔn)確性，從雙液動(dòng)球閥三維實(shí)體模型中導(dǎo)出所有與球閥機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的組件；其次，簡(jiǎn)化ADAMS中仿真模型，去掉幾何模型中重復(fù)及不必要的零部件，從而在ADAMS構(gòu)建出雙液動(dòng)球閥運(yùn)動(dòng)三維仿真幾何模型。

根據(jù)深水測(cè)試對(duì)水下測(cè)試樹性能要求（如關(guān)閉時(shí)間、液壓速度等），確定液動(dòng)球閥機(jī)構(gòu)對(duì)其性能影響較大的零部件或者運(yùn)動(dòng)副，同時(shí)根據(jù)零部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和性能要求，來設(shè)定仿真相關(guān)參數(shù)[5-6]。其約束設(shè)置包括：在活塞和閥座、助推筒和中間連接筒之間添加了2個(gè)滑移副；在球閥芯、兩端曲柄和芯軸組件和上下支撐閥座之間添加了7個(gè)旋轉(zhuǎn)副；在下支座的下端添加了1個(gè)固定副；在活塞上端添加了1個(gè)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)。其仿真參數(shù)設(shè)置包括：1個(gè)球閥接觸參數(shù)、1個(gè)球閥彈簧參數(shù)；設(shè)置仿真時(shí)間及仿真步長(zhǎng)。

2.2 雙液動(dòng)球閥運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果分析

運(yùn)用ADAMS/Solver模塊對(duì)上述建立的雙液動(dòng)球閥仿真機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。仿真結(jié)束后，采用ADAMS/PostProcessor后處理模塊，分析液動(dòng)球閥機(jī)構(gòu)的零部件和運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)情況（位移、速度、加速度、角度及角速度等）。根據(jù)零部件或者運(yùn)動(dòng)副各自的運(yùn)動(dòng)關(guān)系來判斷其是否違背物體運(yùn)動(dòng)自然規(guī)律，且是否滿足初始設(shè)計(jì)要求，從而進(jìn)一步驗(yàn)證液動(dòng)球閥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性和可靠性。

2.2.1 球閥芯運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果

圖1 球閥芯的角加速度和角速度

圖2 曲柄的角速度和角加速度

如圖1所示，藍(lán)色曲線為球閥芯角加速度變化規(guī)律，由其可以看出球閥芯初始位置時(shí)，其具有最大角加速度，說明球閥芯在最開始受比較大的力，隨著球閥芯的運(yùn)動(dòng)，其角加速度逐漸減小，在0.05s后則趨于穩(wěn)定，即球閥芯處于完全關(guān)閉狀態(tài)，達(dá)到受力平衡。紅色曲線為球閥芯角速度變化規(guī)律，即球閥芯在初始位置時(shí)，其角速度初始值為0，隨后快速增大，球閥芯旋轉(zhuǎn)加快；在0.03s時(shí)角速度達(dá)到最大值，之后逐漸減小，球閥芯旋轉(zhuǎn)減緩。隨著液壓油推力的減小，角加速度也慢慢變小，球閥芯的速度也慢慢的減小，球閥芯的旋轉(zhuǎn)速度慢慢減小，最后趨近于0，運(yùn)動(dòng)停止。

2.2.2 曲柄運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果

由圖2可知，可以看出表示曲柄角加速度的藍(lán)色曲線，在其初始位置時(shí)，曲柄的具有一定的角加速度，曲柄加速轉(zhuǎn)動(dòng)，而后角加速度迅速降低，且快速增大，不斷震蕩。曲柄角加速度的整體趨勢(shì)是逐漸減小的，在0.26s后變?yōu)?，此時(shí)，曲柄受力處于平衡狀態(tài)。代表曲柄角速度的紅色曲線顯示：在初始位置時(shí)曲柄的角速度為0，但是角速度快速增大，在0.02s時(shí)達(dá)到最大值，之后逐漸降低，并在0.1s時(shí)變?yōu)?；之后反向其逐漸增加，在0.18s時(shí)達(dá)到最大值，然后隨著時(shí)間推移，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)速度減慢，逐漸減小至0，曲柄停止轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)停止。

3 結(jié)語

（1）通過對(duì)EXPRO等公司水下測(cè)試樹產(chǎn)品的分析，提出了一種新的雙液動(dòng)球閥設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其功能、結(jié)構(gòu)組成工作原理進(jìn)行分析，從而可進(jìn)一步了解水下測(cè)試樹的工作機(jī)理，為其整套系統(tǒng)的研發(fā)提供方案。

（2）基于雙液動(dòng)球閥的組成、特點(diǎn)及作用，采用Pro/E軟件和ADAMS軟件對(duì)雙液動(dòng)球閥在其關(guān)閉球閥過程中的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行仿真分析，得到其球閥芯、曲柄和芯軸的角速度、角加速度、速度及加速度等變化曲線圖像，為雙液動(dòng)球閥下一步詳細(xì)設(shè)計(jì)和計(jì)算提供了數(shù)據(jù)參考。

（3）根據(jù)其工作原理及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)前雙液動(dòng)球閥的設(shè)計(jì)方案能較好滿足水下測(cè)試樹對(duì)于井下高壓油氣封堵的功能要求。同時(shí)，其運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律比較合理的，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)可以完成整個(gè)開閉運(yùn)動(dòng)，符合水下測(cè)試樹中雙液動(dòng)球閥的性能要求。

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