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        世紀(jì)號(hào)FPSO外輸軟管應(yīng)急釋放系統(tǒng)改造

        2018-11-28 11:59:54
        天津科技 2018年11期
        關(guān)鍵詞:鋼珠外輸柱塞

        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(wèn)題

        世紀(jì)號(hào) FPSO外輸軟管應(yīng)急釋放液壓缸在經(jīng)過(guò)使用后已經(jīng)不能鎖緊制動(dòng),在外輸過(guò)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(wú)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(wèn)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(guò)“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(wèn)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(wú)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(shuō)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(wú)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。活塞鎖緊不可動(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(lái)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(guò)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。卡鍵座受力為扇形,單個(gè)截面積為197mm2??箟褐笜?biāo)為 100kg/mm2,6件共可承壓118.2t。卡鍵座設(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?;钊幟芊獠捎媒M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(wú)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(wú)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(guò)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(wú)法鎖死問(wèn)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(guò)陸地的多項(xiàng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其可靠性好于原設(shè)計(jì)。

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