周 毅

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津300452）

1 研究背景

1.1 現(xiàn)狀及存在問題

世紀(jì)號(hào) FPSO外輸軟管應(yīng)急釋放液壓缸在經(jīng)過使用后已經(jīng)不能鎖緊制動(dòng)，在外輸過程中，浮動(dòng)法蘭處出現(xiàn)外輸原油泄漏?，F(xiàn)在采取卡子固定方式，將浮動(dòng)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(zhuǎn)，外輸軟管扭力無法卸載，扭力直接作用于球形接頭，對(duì)球形接頭造成傷害，以至外輸放管時(shí)固定鏈發(fā)生斷裂現(xiàn)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(fù)外輸應(yīng)急釋放功能，主要工作內(nèi)容包括：分析外輸應(yīng)急釋放液壓缸存在問題；設(shè)計(jì)新型液壓缸，替換原有液壓缸；對(duì)新型液壓缸進(jìn)行陸地試驗(yàn)，確認(rèn)其功能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求；現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試。

1.2 故障分析

1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

根據(jù)要求，通過“世紀(jì)號(hào)外輸應(yīng)急系統(tǒng)”的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，確認(rèn)外輸應(yīng)急釋放系統(tǒng)存在的問題，并進(jìn)行相關(guān)尺寸的測(cè)量工作，保證設(shè)計(jì)制作的新型液壓缸滿足工作要求?，F(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 應(yīng)急釋放裝置現(xiàn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 原液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure diagram of hydraulic cylinder.

液壓缸縮回時(shí)動(dòng)作順序?yàn)椋阂簤焊浊扒唤o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(shí)定位鋼珠處于自由狀態(tài)，當(dāng)鎖緊柱頭繼續(xù)縮回，鋼珠被鎖緊柱頭壓出，活動(dòng)套接觸鋼珠，因活動(dòng)套后有彈簧可壓縮，使活動(dòng)套反向回縮，當(dāng)鎖緊柱頭的定位槽到達(dá)鋼珠位置時(shí)，鋼珠被活動(dòng)套在彈簧力作用下壓入鎖緊柱頭的定位槽，實(shí)現(xiàn)液壓缸鎖緊。

液壓缸伸出時(shí)的動(dòng)作順序?yàn)椋阂簤焊缀笄唤o油，此時(shí)因后腔內(nèi)無密封，只有活塞上有密封，故后腔內(nèi)均為壓力油，活動(dòng)套處于壓力油內(nèi)不能實(shí)現(xiàn)開鎖，壓力油作用在活塞及鎖緊柱頭的底面，推動(dòng)活塞桿強(qiáng)行伸出，對(duì)鋼珠造成損壞，往復(fù)循環(huán)幾次造成鋼珠損壞嚴(yán)重，不能實(shí)現(xiàn)液壓缸的定位鎖緊。

2 新型液壓缸設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求

①液壓缸縮回并自鎖，機(jī)械鎖可承受24t拉力。

②液壓缸后腔給油打開機(jī)械鎖，液壓缸可伸出。

③自鎖狀態(tài)下，前后腔同時(shí)給壓力油不可開鎖，液壓缸不動(dòng)。

2.3 新型液壓缸動(dòng)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(nèi)，柱塞接觸卡鍵后無法前進(jìn)收縮到活塞孔內(nèi)。當(dāng)卡鍵進(jìn)入活塞卡鍵槽內(nèi)后，卡鍵漲出柱塞在彈簧和壓力油作用下伸出，機(jī)械鎖縮緊。當(dāng)活塞桿受外拉力時(shí)，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?；钊i緊不可動(dòng)，柱塞克服彈簧力縮入活塞孔內(nèi)，卡鍵在活塞作用力下縮入卡鍵座內(nèi)，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(tài)時(shí)，液壓缸前后腔同時(shí)給壓力油，油壓同時(shí)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(dòng)機(jī)械鎖不可打開，整機(jī)結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

2.4 主要零件技術(shù)要求

2.4.1 活塞桿及活塞

活塞桿及活塞材質(zhì)為 45優(yōu)碳鋼調(diào)質(zhì)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(zhì)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(nèi)球面，后端給力可漲開卡鍵。卡鍵上有環(huán)型槽，安裝和拆卸擋圈用。

2.4.3 卡鍵

卡鍵材質(zhì)為合金鋼 40Cr淬火處理，處理硬度42～48HRC?？箟褐笜?biāo) 100kg/mm2，卡鍵截面為14mm×14mm的方鍵6件，單件截面積為196mm2，共計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)拉力 24t，完全滿足設(shè)計(jì)要求，卡鍵設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 卡鍵設(shè)計(jì)圖Fig.4 Card key design

卡鍵在車床上加工成圓環(huán)，內(nèi)外倒圓角便于開鎖解鎖。從圓環(huán)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(shí)承受的壓力。原來鋼球在受力時(shí)外面與套是點(diǎn)接觸，里面是線接觸，當(dāng)受力時(shí)因鋼球硬度過高容易破碎?？ㄦI的優(yōu)點(diǎn)是接觸面積大，不會(huì)因?yàn)槭芰Σ痪榈?，使機(jī)械鎖的強(qiáng)度得到提高，性能更穩(wěn)定。

2.4.4 卡鍵座

材質(zhì)為合金鋼 40Cr調(diào)質(zhì)處理，處理硬度 37～42HRC?？ㄦI座受力為扇形，單個(gè)截面積為197mm2?？箟褐笜?biāo)為 100kg/mm2，6件共可承壓118.2t?？ㄦI座設(shè)計(jì)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(dāng)液壓缸前腔給油時(shí)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?；钊皩?dǎo)向套處加裝 WR抗磨環(huán)，使導(dǎo)向效果更好，保證缸筒內(nèi)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(dá)80MPa。導(dǎo)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(yàn)

3.1 密封試驗(yàn)

液壓缸加工裝配完成后，上試驗(yàn)臺(tái)用負(fù)載試驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)。液壓缸不得有內(nèi)外泄漏，缸體不能有變形。開關(guān)鎖正常后，做極限試驗(yàn)。拆開液壓缸檢測(cè)，卡鍵及活塞無損傷變形，裝好后重新做負(fù)載試驗(yàn)檢測(cè)機(jī)械鎖工作是否正常。

3.2 負(fù)載試驗(yàn)

為了保證液壓缸長(zhǎng)期正常往復(fù)運(yùn)動(dòng)，要對(duì)新設(shè)計(jì)制作液壓缸進(jìn)行功能試驗(yàn)。液壓缸吊裝桿端連接負(fù)載，前后腔接試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)液壓缸的上升下降功能。后腔并聯(lián)蓄能器，可在液壓缸鎖緊狀態(tài)下給油實(shí)現(xiàn)液壓缸快速釋放。液壓缸帶負(fù)載反復(fù)升降，檢驗(yàn)機(jī)械鎖的鎖緊效果，保證開關(guān)鎖正常，無卡滯現(xiàn)象，鎖緊準(zhǔn)確打開自如。

3.3 極限試驗(yàn)

液壓缸在鎖緊狀態(tài)下承受外加24t拉力負(fù)荷，檢查液壓缸是否可承受極限拉力。新制作液壓缸為試驗(yàn)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(dāng)前腔施加 16MPa壓力時(shí)，拉力為 24.12t?？稍谇扒唤訅毫Ρ盹@示壓力，或在兩液壓缸連接處接拉力計(jì)，直接顯示機(jī)械鎖所承受的拉力。反復(fù)試驗(yàn)數(shù)次后拆開液壓缸進(jìn)行檢測(cè)，卡鍵、活塞、卡鍵座沒有損傷。

4 效 果

經(jīng)過重新設(shè)計(jì)改造世紀(jì)號(hào) FPSO外輸軟管應(yīng)急釋放裝置，解決了現(xiàn)有應(yīng)急釋放裝置液壓卡扣無法鎖死問題，重新恢復(fù)應(yīng)急釋放功能，極大地降低了原油外輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。通過陸地的多項(xiàng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其可靠性好于原設(shè)計(jì)。