賈鵬, 張哲華, 王向宇, 曲詠哲, 張浩, 王洪海

(1.哈爾濱工程大學(xué) 機械工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001; 2.海軍青島通信修理廠, 山東 青島 266000)

作為深水油氣田開發(fā)的主要模式之一，水下生產(chǎn)系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的生產(chǎn)系統(tǒng)是依托于固定平臺或浮式生產(chǎn)設(shè)施，所需生產(chǎn)設(shè)備，如分離器和增壓泵等，都位于水面生產(chǎn)平臺上。而水下生產(chǎn)系統(tǒng)則安裝于海底，大大降低了平臺的載荷與面積。目前電液復(fù)合式水下生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛[1]。其中水下液壓系統(tǒng)中各組件參數(shù)對安全生產(chǎn)和項目成本影響很大，但受試驗條件和建造周期等限制，很難在投產(chǎn)前實測各組件參數(shù)的有效性，故液壓仿真分析成為必要手段。

為使水下液壓系統(tǒng)各組件選型合理，研究人員在投產(chǎn)前對各工況進(jìn)行建模并進(jìn)行動態(tài)仿真分析。劉培林等[2]綜合考慮水下液壓系統(tǒng)的充壓特性、泄壓(ESD)特性和水下閥門操作等特性，為臍帶纜管徑選擇提供了很好的參考。姜琳等[3]依據(jù)實際項目基本參數(shù)，對4種不同液壓管徑的緊急放空時間進(jìn)行分析，仿真結(jié)果與國外對其該項目仿真結(jié)果相差5%以內(nèi)。王鑫等[4]建立了多個液壓執(zhí)行機構(gòu)動作時相互干擾模型，仿真分析出增大蓄能器體積和臍帶纜供油管內(nèi)徑均可改善或消除執(zhí)行機構(gòu)之間相互影響導(dǎo)致的誤動作情況。并且建立了水下液壓系統(tǒng)回油過程的仿真模型，對水下液壓系統(tǒng)高壓回油過程進(jìn)行仿真分析，得出回油端最大壓力和穩(wěn)定壓力與組件參數(shù)之間的關(guān)系[5]。目前，大多數(shù)研究只針對某具體實際項目進(jìn)行仿真分析，但不同的水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)項目，水深和回接距離等外部因素各有不同，且其各組件參數(shù)等內(nèi)部參數(shù)也各有差異，各參數(shù)對水下液壓系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)影響規(guī)律還未準(zhǔn)確掌握。為此，本文對水下液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，對不同的外部和內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行單元素定量分析，并基于偏相關(guān)理論獲得水下液壓系統(tǒng)閥門開啟和關(guān)閉響應(yīng)的主要影響參數(shù)，分析主要影響因素對閥門響應(yīng)時間的影響規(guī)律，以期縮短水下液壓系統(tǒng)響應(yīng)時間，為水下液壓系統(tǒng)的設(shè)計和研究提供理論依據(jù)。

本文以“渤海油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)國產(chǎn)化研究與應(yīng)用示范-水下控制系統(tǒng)樣機研制與測試”的研發(fā)需求出發(fā)，研究設(shè)計一套高可靠性的水下液壓系統(tǒng)，提高適用于渤海灣水下油氣資源開發(fā)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)集成能力。

1 水下液壓系統(tǒng)

1.1 水下液壓系統(tǒng)工作原理

水下液壓系統(tǒng)主要由三部分組成：HPU、SCM和閥執(zhí)行器，原理圖見圖1[6]。

1.液壓泵 2.蓄能器 3.減壓閥 4.臍帶纜供油管 5.水下分配單元 6.臍帶纜中供油管與SCM之間連接鋼管 7.水下蓄能器8.SCM內(nèi)部供油管 9.電液換向閥 10.SCM與執(zhí)行器間供油管11.執(zhí)行器 12.seachest 13.回油補償器 14.SCM與執(zhí)行器間回油管 15.臍帶纜回油管圖1 水下液壓系統(tǒng)原理圖

HPU出口的控制液通過臍帶纜(4)、數(shù)十米長的鋼管(6)、SCM，然后經(jīng)由數(shù)米長的鋼管(10)直接控制采油樹上的閥門執(zhí)行器(11)的開關(guān)。當(dāng)電液換向閥(9)置位，液壓力克服執(zhí)行器彈簧力及其他外力將閥打開，執(zhí)行器打開時的瞬時流量會使SCM供油壓力下降，若SCM供、回油壓力差小于電液換向閥(9)的復(fù)位壓差，則SCM上所有電液換向閥將復(fù)位，相應(yīng)執(zhí)行器在自身彈簧力作用下關(guān)閉[7]。系統(tǒng)要求執(zhí)行器能夠快速開啟，但由于HPU與執(zhí)行器之間距離長達(dá)數(shù)千米甚至上百千米，HPU的高壓油不能馬上到達(dá)執(zhí)行器，且臍帶管的補油較慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到系統(tǒng)要求，因此需要由蓄能器(7)保證執(zhí)行器的快速開啟。而執(zhí)行器的關(guān)閉過程主要依靠自身彈簧所儲存的能量[8]。當(dāng)SCM把執(zhí)行器工作側(cè)壓力與回油直接短接，執(zhí)行器就可在其自身彈簧力的作用下復(fù)位，基本不需通過長臍帶纜來傳遞流量，保證關(guān)閉快速性。

在控制液參數(shù)已確定時，管路的阻尼設(shè)置、水下蓄能器(7)和執(zhí)行器(11)的工藝介質(zhì)操作壓力等內(nèi)部參數(shù)有所不同；水深和回接距離等外部因素也會有所差異。這些因素均會影響系統(tǒng)流量大小、開關(guān)閥時間和安全性。其中管路的阻尼設(shè)置涉及到：臍帶纜供油管(4)內(nèi)徑、SCM內(nèi)部供油管(8)內(nèi)徑、SCM與執(zhí)行器間供油管(10)內(nèi)徑、SCM與執(zhí)行器間回油管(14)內(nèi)徑及臍帶纜回油管(15)內(nèi)徑。

1.2 閉式環(huán)形、非環(huán)形液壓控制回路

水下液壓系統(tǒng)按控制液的處理方式分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)，主要區(qū)別在于對回油路液壓油的排放方式：前者是將回油路控制液直接排到海中，后者是將回油路控制液通過臍帶纜回油管送回水面上的回油箱[9]。目前根據(jù)現(xiàn)有工程案例顯示閉式系統(tǒng)具有更高的可靠性，既可使用水基控制液，也可使用油基控制液，且不會向海中排放控制液，對環(huán)境無污染[10]。故本文將以閉式系統(tǒng)為例，對環(huán)形和非環(huán)形回路進(jìn)行對比研究[11]。

水下液壓回路按是否存在單獨一條油路連接在SCM回油路和執(zhí)行器回油路之間，分成環(huán)形回路和非環(huán)形回路。圖2a)所示的臍帶纜液壓回路采用閉式連接、閥門液壓管路采用環(huán)形回路，執(zhí)行器回油腔出口與SCM回油路相連；圖2b)所示的臍帶纜液壓回路采用閉式連接、閥門液壓管路采用非環(huán)形回路，執(zhí)行器回油腔出口未與SCM回油路相連。

目前對于水下生產(chǎn)系統(tǒng)組成部件參數(shù)變化對控制響應(yīng)的影響研究很少，故本文將以實際項目參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行建模和數(shù)值仿真，依據(jù)水下液壓系統(tǒng)各部件參數(shù)對液壓控制響應(yīng)進(jìn)行定量分析，分析水下閘閥開啟和關(guān)閉時間響應(yīng)規(guī)律，以期為水下液壓系統(tǒng)的設(shè)計提供理論借鑒。目前研究應(yīng)用比較多軟件的是AMESim和SimulationX。但與AMESim通用軟件相比，SimulationX自身包含基于SimulationX二次開發(fā)深海庫，擁有包括臍帶纜、海面及海底動力單元、深海控制模塊、閘閥、球閥、深水蓄能器等專用部件，并經(jīng)過大量工程實踐驗證[12]，故本文水下液壓系統(tǒng)仿真研究將使用SimulationX。

2 控制響應(yīng)單因素分析

2.1 影響因素分析方法

為理解不同因素的影響程度，將采用控制變量單因素分析方法開展討論[13]。單因素分析計算中選取某渤海水下油氣田水下液壓系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 某油氣田水下液壓系統(tǒng)基本參數(shù)

生產(chǎn)主閥(PMV)的閥門執(zhí)行器規(guī)格具體參數(shù)，見表2。每次單因素分析時，改變單個因素，固定其他因素，研究該單因素對閉式環(huán)形和閉式非環(huán)形的開啟和關(guān)閉控制響應(yīng)的影響。

表2 PMV閥門執(zhí)行器參數(shù)

2.2 影響因素

不同組件參數(shù)對不同液壓系統(tǒng)控制策略的閥門開啟與關(guān)閉影響較大。本節(jié)結(jié)合實際項目參數(shù)分別對閉式環(huán)形和閉式非環(huán)形兩種控制策略進(jìn)行仿真分析，分析比較不同影響參數(shù)對2種控制策略下閥門開閉特性的影響。

2.2.1 臍帶纜供油管內(nèi)徑對控制響應(yīng)影響

臍帶纜供油管內(nèi)徑分別取6.35,9.525,12.70,15.875,19.05,22.225和25.40 mm，其余影響因素取基本參數(shù)，閥門執(zhí)行器開啟和關(guān)閉時間，見圖3。

圖3 臍帶纜供油管內(nèi)徑對控制響應(yīng)影響

隨著臍帶纜供油管內(nèi)徑增大，閉式環(huán)形回路和閉式非環(huán)形回路的閥門執(zhí)行器開啟時間減小，關(guān)閉時間不變。臍帶纜供油內(nèi)徑相同時，閉式環(huán)形回路閥門執(zhí)行器開啟時間略大于閉式非環(huán)形回路閥門執(zhí)行器開啟時間，閉式環(huán)形回路閥門執(zhí)行器關(guān)閉時間略小于閉式非環(huán)形回路閥門執(zhí)行器關(guān)閉時間。其原因是：隨著臍帶纜供油管內(nèi)徑的增大，臍帶纜供油管可以更多地給閥門執(zhí)行器開啟腔提供液壓油，有利于閥門開啟。

2.2.2 SCM內(nèi)部供油管內(nèi)徑對控制響應(yīng)影響

SCM內(nèi)部供油管內(nèi)徑分別取6.35,9.525,12.70,15.875,19.05,22.225和25.40 mm，其余影響因素取基本參數(shù)，閥門執(zhí)行器開啟和關(guān)閉時間，見圖4。

圖4 SCM內(nèi)部供油管內(nèi)徑對控制響應(yīng)影響

隨著SCM內(nèi)部供油管內(nèi)徑的增大，閉式環(huán)形回路和閉式非環(huán)形回路的閥門執(zhí)行器開啟時間先小幅減小后幾乎保持不變，關(guān)閉時間不變。說明SCM內(nèi)部供油管徑當(dāng)大于9.525 mm時，對于閥門執(zhí)行器開啟時間影響不大。

2.2.3 SCM與執(zhí)行器間供油管內(nèi)徑對控制響應(yīng)影響

SCM與執(zhí)行器間供油管內(nèi)徑分別取6.35,9.525,12.70,15.875,19.05,22.225和25.40 mm，其余影響因素取基本參數(shù)，閥門執(zhí)行器開啟和關(guān)閉時間，見圖5。

圖5 SCM與執(zhí)行器間供油管內(nèi)徑對控制響應(yīng)影響

隨著SCM與執(zhí)行器間供油管內(nèi)徑增大，閉式環(huán)形回路和閉式非環(huán)形回路的閥門執(zhí)行器開啟時間先減小后幾乎保持不變，關(guān)閉時間先減小后幾乎保持不變。其原因是隨著SCM與執(zhí)行器間供油管內(nèi)徑的增大，SCM與執(zhí)行器間供油管可更多的提供控制液給閥門執(zhí)行器。關(guān)閉閥門執(zhí)行器時，隨SCM與執(zhí)行器間供油管內(nèi)徑的增大，管路液阻減小，閥門開啟腔控制液更容易從SCM與執(zhí)行器間供油管排出，故閥門關(guān)閉時間會減小。由圖5中可知，當(dāng)SCM與執(zhí)行器之間供油管內(nèi)徑為6.35 mm時，閉式環(huán)形回路關(guān)閉時間為19.05 s，閉式非環(huán)形回路為26.64 s，均大于要求時間，故SCM與執(zhí)行器間供油管內(nèi)徑是不適合的，需要避免。

2.2.4 SCM與執(zhí)行器間回油管內(nèi)徑對控制響應(yīng)影響

SCM與執(zhí)行器間回油管內(nèi)徑分別取6.35,9.525,12.70,15.875,19.05,22.225和25.40 mm，其余影響因素取基本參數(shù)，閥門執(zhí)行器開啟和關(guān)閉時間，見圖6。

圖6 SCM與執(zhí)行器間回油管內(nèi)徑對控制響應(yīng)影響

隨著SCM與執(zhí)行器間回油管內(nèi)徑的增大，閉式環(huán)形回路的閥門執(zhí)行器開啟時間先減小后幾乎保持不變，關(guān)閉時間先減小后幾乎保持不變。是因為SCM與執(zhí)行器間回油管內(nèi)徑增大，其液阻減小，閥門執(zhí)行器彈簧腔中控制液更容易排出。并且當(dāng)SCM與執(zhí)行器間回油管內(nèi)徑取6.35 mm時，閉式環(huán)形回路關(guān)閉時間為10.36 s，小于SCM與執(zhí)行器間供油管內(nèi)徑為6.35 mm時，閉式環(huán)形回路關(guān)閉時間19.05 s，說明SCM與執(zhí)行器間回油管內(nèi)徑與供油管徑相比，對閥門執(zhí)行器響應(yīng)影響更大。

2.2.5 臍帶纜回油管內(nèi)徑對控制響應(yīng)影響

臍帶纜回油管內(nèi)徑分別取6.35,9.525,12.70,15.875,19.05,22.225和25.40 mm，其余影響因素取基本參數(shù)，閥門執(zhí)行器開啟和關(guān)閉時間，見圖7。

圖7 臍帶纜回油管內(nèi)徑對控制響應(yīng)影響

當(dāng)選用越粗的臍帶纜回油管徑，開啟閥門時，閉式環(huán)形和閉式非環(huán)形耗時幾乎保持不變；關(guān)閉閥門時，閉式環(huán)形回路耗時幾乎沒有改變，閉式非環(huán)形回路耗時會隨著臍帶纜管徑變粗而明顯減少。關(guān)閉閥門時，閉式環(huán)形回路連接到seachest，可將壓力迅速泄掉，故臍帶纜管徑對其關(guān)閉時間影響不大；而閉式非環(huán)形只能通過臍帶纜進(jìn)行回油，當(dāng)管徑縮小，泄壓越困難，閥門關(guān)閉時間越長，由圖8可得，當(dāng)臍帶纜液壓管直徑取6.35 mm時，第3 562.35秒時，閥門還有11.78 mm沒有關(guān)閉，此時閥門開度約為10.2%。

圖8 不同臍帶纜回油管內(nèi)徑的閉式非環(huán)形回路閥門執(zhí)行器關(guān)閉行程曲線

2.2.6 水下蓄能器體積對控制響應(yīng)影響

水下蓄能器體積分別取5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55和60 L，其余影響因素取基本參數(shù)，閥門執(zhí)行器開啟和關(guān)閉時間，見圖9。

圖9 水下蓄能器體積對控制響應(yīng)影響

由圖9可知，增大水下蓄能器容積，會縮短閥門執(zhí)行器開啟時間。水下蓄能器可以為閥門執(zhí)行器開啟腔及時提供控制液，在相同預(yù)充壓力下，水下蓄能器的體積越大，閥門開啟時的壓力降低幅度越小，可保持較高的供油側(cè)壓力，對閥門開啟有利。

2.2.7 水下蓄能器預(yù)充壓力對控制響應(yīng)影響

水下蓄能器預(yù)充壓力分別取5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55和60 MPa，其余影響因素取基本參數(shù)，閥門執(zhí)行器開啟和關(guān)閉時間，見圖10。

圖10 水下蓄能器預(yù)充壓力對控制響應(yīng)影響

增大水下蓄能器的預(yù)充壓力，開啟閥門用時先減短后增長最后保持不變。水下蓄能器安裝在水下閥前后，通過水上HPU進(jìn)行充油，在HPU的供油壓力和水壓共同作用下，蓄能器皮囊受壓變小，當(dāng)開啟閥門時，蓄能器為閥門開啟腔迅速提供供給液壓油。增大水下蓄能器預(yù)充壓力，在相同體積下，導(dǎo)致充壓后其內(nèi)部油量減少，蓄能器的皮囊體積增大。當(dāng)蓄能器提供的油量多于打開所需時，降低液壓油油量相同時，預(yù)充壓力較大可使壓力降低較小，開啟腔壓力較大，更易開啟閥門；但預(yù)充壓力過大時，蓄能器中的液壓油油量很小低于閥門開啟所需，剩余所需液壓油需由臍帶纜補充，而臍帶纜的供油速度遠(yuǎn)低于蓄能器，故閥門開啟時間增長。

2.2.8 水深對控制響應(yīng)影響

水深分別取500,1 000,1 500,2 000,2 500,3 000和3 500 m，其余影響因素取基本參數(shù)，閥門執(zhí)行器開啟和關(guān)閉時間，見圖11。

圖11 水深對控制響應(yīng)影響

開啟閥門執(zhí)行器時，隨著水深的增加，閥門執(zhí)行器開啟時間增長，并且閉式環(huán)形回路的增長幅度大于閉式非環(huán)形回路。關(guān)閉閥門執(zhí)行器時，隨著水深的增加，閥門執(zhí)行器關(guān)閉時間增長。當(dāng)水深小于1 000 m時，閉式非環(huán)形回路的關(guān)閉時間長于閉式環(huán)形回路的關(guān)閉時間。

對于閉式環(huán)形回路，隨著水深的增加，閥門關(guān)閉時間隨之增加，當(dāng)水深為3 000 m時，關(guān)閉閥門時間為16.89 s，已經(jīng)超過規(guī)定的15 s。這時需要采用具有更大的彈簧預(yù)緊力的閥門。

2.2.9 工藝介質(zhì)操作壓力對控制響應(yīng)影響

工藝介質(zhì)操作壓力分別取10,20,30,40,50,60和70 MPa，其余影響因素取基本參數(shù)，通過計算可以得到不同工藝介質(zhì)操作壓力下閉式非環(huán)形回路的關(guān)閉行程曲線，見圖12。

圖12 工藝介質(zhì)操作壓力下閉式非環(huán)形回路閥門關(guān)閉行程曲線圖

在工藝介質(zhì)操作壓力取10,20和30 MPa時，閥門均無法完全關(guān)閉，閥門開度分別為99.49%,10.21%和10.12%。假設(shè)工藝介質(zhì)操作壓力為10,20和30 MPa時完全關(guān)閉所需時間為到達(dá)行程第1個拐點所需時間與在工藝介質(zhì)操作壓力為40 MPa時第1個拐點到完全關(guān)閉之間所需時間之和(157.18 s),得到閉式環(huán)形和閉式非環(huán)形回路的閥門執(zhí)行器開啟和關(guān)閉時間，見圖13。

圖13 工藝介質(zhì)操作壓力對控制響應(yīng)影響

隨工藝介質(zhì)操作壓力增大，開啟閥門耗時增加，關(guān)閉閥門耗時減少。由水下閘閥的閥桿受力分析可知，工藝介質(zhì)操作壓力促進(jìn)閥門開啟，但阻礙閥門關(guān)閉。當(dāng)工藝介質(zhì)操作壓力較小時，閉式非環(huán)形回路關(guān)閉時間遠(yuǎn)大于閉式環(huán)形回路關(guān)閉時間，隨工藝介質(zhì)操作壓力逐漸增大，閉式非環(huán)形回路和環(huán)形回路關(guān)閉時間差距縮小，逐漸接近。

2.2.10 臍帶纜長度對控制響應(yīng)影響

臍帶纜長度分別取5,20,35,50,65,80,95,110,125和140 km，其余影響因素取基本參數(shù)，閥門執(zhí)行器開啟和關(guān)閉時間，見圖14。

圖14 臍帶纜長度對控制響應(yīng)影響

開啟閥門執(zhí)行器時，臍帶纜長度增加，閉式環(huán)形回路的開啟時間先增加后減少，閉式非環(huán)形回路的開啟時間先增加后減少，且閉式環(huán)形回路的開啟時間變化幅度大于閉式非環(huán)形回路。關(guān)閉閥門執(zhí)行器時，臍帶纜長度增加，閉式環(huán)形回路的關(guān)閉時間保持不變，閉式非環(huán)形回路的關(guān)閉時間先增大后減小。閉式環(huán)形回路開啟時間先增大后減小，是因當(dāng)臍帶纜長度較短時，閥門執(zhí)行器開啟腔一部分控制液，由臍帶纜供油管提供；隨臍帶纜長度增長，臍帶纜供油管液阻增大，臍帶纜供油管所能提供的控制液減少，開啟時間減小，但臍帶纜長度繼續(xù)增加，臍帶纜液容作用增強，相當(dāng)于小蓄能器或者是水下蓄能器體積擴容，故開啟時間又隨之降低。關(guān)閉閥門執(zhí)行器時，當(dāng)臍帶纜長度較短時，閉式非環(huán)形回路回油可直接將控制液排泄到水上，故關(guān)閉時間較短，當(dāng)臍帶纜長度增加，臍帶纜液壓液阻效應(yīng)增大，故關(guān)閉時間增大，臍帶纜繼續(xù)增加，臍帶纜液容作用增強，對回油起到緩沖作用，起到容納一定量控制液的作用，故關(guān)閉時間又有所降低。

2.2.11 SCM與執(zhí)行器間管路長度對控制響應(yīng)影響

SCM與執(zhí)行器間管路長度分別取30,60,90,120,150,180,210,240,270和300 m，其余影響因素取基本參數(shù)，閥門執(zhí)行器開啟和關(guān)閉時間，見圖15。

圖15 SCM與執(zhí)行器間管路長度對控制響應(yīng)影響

開啟閥門執(zhí)行器時，隨著臍帶纜長度增加，開啟時間增加，關(guān)閉時間增加。其原因是隨著SCM與執(zhí)行器之間管路長度增加，液阻效應(yīng)增大，控制液流動更困難。

3 偏相關(guān)分析

為分析水下液壓系統(tǒng)控制響應(yīng)與某一外部因素和內(nèi)部因素之間的凈相關(guān)性，須隔離出其他關(guān)聯(lián)參數(shù)的影響，故引入偏相關(guān)理論。相關(guān)系數(shù)的判據(jù)見表3，對r的判定需要得到顯著性水平的支持，當(dāng)P<0.05時，說明相關(guān)性系數(shù)通過了顯著性檢驗，認(rèn)為變量Xm與Xn存在顯著的相關(guān)性[14]。

表3 相關(guān)系數(shù)的判定結(jié)果

提取單因素分析的仿真數(shù)據(jù)作為分析樣本，每個閉式環(huán)形回路和閉式非環(huán)形回路的開啟和關(guān)閉時間作為一個樣本量，閉式環(huán)形回路樣本量共93個，閉式非環(huán)形回路樣本量共86個[15]。以水下閥門執(zhí)行器的開啟和關(guān)閉時間作為因變量，選取水下液壓系統(tǒng)的內(nèi)部和外部因素作為自變量，閉式環(huán)形回路試驗中自變量共11個，閉式非環(huán)形回路試驗中自變量共10個。由其計算公式可以得到內(nèi)部、外部參數(shù)與閥門開啟和關(guān)閉時間的偏相關(guān)系數(shù)和顯著度(采用雙側(cè)t檢驗，檢驗水平取α=0.05)計算結(jié)果，見表4～5。

表4 相關(guān)參數(shù)與閉式環(huán)形控制響應(yīng)之間的偏相關(guān)系數(shù)

表5 相關(guān)參數(shù)與閉式非環(huán)形控制響應(yīng)之間的偏相關(guān)系數(shù)

通過偏相關(guān)分析可知：

1) 閉式環(huán)形回路

a) 對于閥門執(zhí)行器開啟時間：

P<0.05，|r|≥0.5，相關(guān)性顯著，為強相關(guān)，包括SCM與執(zhí)行器之間管路長度和水下蓄能器預(yù)充壓力；其中SCM與執(zhí)行器之間管路長度和水下蓄能器預(yù)充壓力與閉式環(huán)形回路閥門執(zhí)行器開啟時間為正相關(guān)，SCM與執(zhí)行器之間管路長度越長，水下閥門執(zhí)行器開啟時間越長。

P<0.05，0.3≤|r|<0.5，相關(guān)性顯著，為中等相關(guān)，包括水下蓄能器體積、SCM與執(zhí)行器間供油管內(nèi)徑和工藝介質(zhì)操作壓力；其中水下蓄能器體積和SCM與執(zhí)行器間供油管內(nèi)徑與閉式環(huán)形回路閥門執(zhí)行器開啟時間為負(fù)相關(guān)，水下蓄能器體積越大，SCM與執(zhí)行器間供油管內(nèi)徑越大，水下閥門執(zhí)行器開啟時間越短；工藝介質(zhì)操作壓力與閉式環(huán)形回路閥門執(zhí)行器開啟時間為正相關(guān)，工藝介質(zhì)操作壓力越大，水下閥門執(zhí)行器開啟時間越長。

P<0.05，0.1≤|r|<0.3，相關(guān)性顯著，為弱相關(guān)，包括水深和SCM與執(zhí)行器間回油管內(nèi)徑；其中水深與閉式環(huán)形回路閥門執(zhí)行器開啟時間為正相關(guān)，水深越深，水下閥門執(zhí)行器開啟時間越長；SCM與執(zhí)行器間回油管內(nèi)徑與閉式環(huán)形回路閥門執(zhí)行器開啟時間為負(fù)相關(guān)，SCM與執(zhí)行器之間回油管內(nèi)徑越大，水下閥門執(zhí)行器開啟時間越短。

其他參數(shù)P>0.05，相關(guān)性不顯著，包括臍帶纜長度、臍帶纜供油管內(nèi)徑、SCM內(nèi)部供油管內(nèi)徑和臍帶纜回油管內(nèi)徑。結(jié)果條形圖，見圖16。

圖16 閉式環(huán)形回路開啟時間偏相關(guān)計算結(jié)果條形圖

b) 對于閥門執(zhí)行器關(guān)閉時間：

P<0.05，|r|≥0.5，相關(guān)性顯著，為強相關(guān)，包括工藝介質(zhì)操作壓力；其中工藝介質(zhì)操作壓力與閉式環(huán)形回路閥門執(zhí)行器關(guān)閉時間為負(fù)相關(guān)，工藝介質(zhì)操作壓力越大，閥門關(guān)閉時間越短。

P<0.05，0.1≤|r|<0.3，相關(guān)性顯著，為弱相關(guān)，包括SCM與執(zhí)行器之間管路長度和水深；其中SCM與執(zhí)行器之間管路長度和水深與閉式環(huán)形回路閥門執(zhí)行器關(guān)閉時間為正相關(guān)，SCM與執(zhí)行器之間管路長度越長，水深越深，閉式環(huán)形回路閥門執(zhí)行器關(guān)閉時間越長。

其他參數(shù)P>0.05，相關(guān)性不顯著，包括SCM與執(zhí)行器之間供油管內(nèi)徑、臍帶纜回油管內(nèi)徑、水下蓄能器體積、臍帶纜長度、水下蓄能器預(yù)充壓力、SCM內(nèi)部供油管內(nèi)徑、SCM與執(zhí)行器之間回油管內(nèi)徑、臍帶纜供油管內(nèi)徑。結(jié)果條形圖，見圖17。

圖17 閉式環(huán)形回路關(guān)閉時間偏相關(guān)計算結(jié)果條形圖

2) 閉式非環(huán)形回路

a) 對于閥門執(zhí)行器開啟時間：

P<0.05，|r|≥0.5，相關(guān)性顯著，為強相關(guān)，包括SCM與執(zhí)行器間管路長度和水下蓄能器預(yù)充壓力；其中SCM與執(zhí)行器之間管路長度和水下蓄能器預(yù)充壓力與閉式非環(huán)形回路閥門執(zhí)行器開啟時間成正相關(guān)，SCM與執(zhí)行器之間管路長度越長，水下蓄能器預(yù)充壓力越大，閥門執(zhí)行器開啟時間越長。

P<0.05，0.3≤|r|<0.5，相關(guān)性顯著，為中等相關(guān)，包括水下蓄能器體積、SCM與執(zhí)行器間供油管內(nèi)徑和工藝介質(zhì)操作壓力。其中水下蓄能器體積和SCM與執(zhí)行器間供油管內(nèi)徑與閉式非環(huán)形回路閥門執(zhí)行器開啟時間成負(fù)相關(guān)，水下蓄能器體積越大，SCM與執(zhí)行器間供油管內(nèi)徑越大，閥門開啟時間越短。工藝介質(zhì)操作壓力與閉式非環(huán)形回路閥門執(zhí)行器開啟時間成正相關(guān)，工藝介質(zhì)操作壓力越大，閥門執(zhí)行器開啟時間越長。

其他參數(shù)P>0.05，相關(guān)性不顯著，包括臍帶纜長度、臍帶纜供油管內(nèi)徑、水深、臍帶纜回油管內(nèi)徑和SCM內(nèi)部供油管內(nèi)徑。結(jié)果條形圖見圖18。

圖18 閉式非環(huán)形回路開啟時間偏相關(guān)計算結(jié)果條形圖

b) 對于閥門執(zhí)行器關(guān)閉時間：

P<0.05，|r|≥0.5，相關(guān)性顯著，為強相關(guān)，包括臍帶纜回油管內(nèi)徑和工藝介質(zhì)操作壓力；其中臍帶纜回油管內(nèi)徑和工藝介質(zhì)操作壓力與閉式非環(huán)形回路閥門執(zhí)行器關(guān)閉時間為負(fù)相關(guān)，臍帶纜回油管內(nèi)徑越大，工藝介質(zhì)操作壓力越大，閉式非環(huán)形回路閥門執(zhí)行器關(guān)閉時間越短。

其他參數(shù)P>0.05，相關(guān)性不顯著，包括SCM與執(zhí)行器之間管路長度、臍帶纜長度、水下蓄能器體積、水深、水下蓄能器預(yù)充壓力、SCM內(nèi)部供油管內(nèi)徑、臍帶纜供油管內(nèi)徑和SCM與執(zhí)行器之間供油管內(nèi)徑。結(jié)果條形圖，見圖19。

圖19 閉式非環(huán)形回路關(guān)閉時間偏相關(guān)計算結(jié)果條形圖

綜上所述，閉式環(huán)形回路開啟相關(guān)程度為SCM與執(zhí)行器之間管路長度>水下蓄能器預(yù)充壓力>水下蓄能器體積>SCM與執(zhí)行器之間供油管內(nèi)徑>工藝介質(zhì)操作壓力>水深>SCM與執(zhí)行器之間回油管內(nèi)徑；閉式非環(huán)形回路開啟相關(guān)程度為SCM與執(zhí)行器之間管路長度>水下蓄能器預(yù)充壓力>水下蓄能器體積>SCM與執(zhí)行器之間供油管內(nèi)徑>工藝介質(zhì)操作壓力。閉式環(huán)形回路關(guān)閉相關(guān)程度為工藝介質(zhì)操作壓力>SCM與執(zhí)行器之間管路長度>水深；閉式非環(huán)形回路關(guān)閉相關(guān)程度為臍帶纜回油管內(nèi)徑>工藝介質(zhì)操作壓力。

4 結(jié) 論

建立閉式環(huán)形回路和閉式非環(huán)形回路的水下液壓系統(tǒng)仿真模型，研究影響水下液壓系統(tǒng)閥門響應(yīng)的主要影響因素，以及不同控制策略所帶來的的區(qū)別。

1) 水下液壓回路均為閉式連接時，閥門管路采用環(huán)形回路較非環(huán)形回路有利于閥門更快關(guān)閉。

2) 較粗的臍帶纜供油管內(nèi)徑、較粗的SCM與執(zhí)行器之間供油管內(nèi)徑、較大的水下蓄能器體積、較淺的水深、較低的工藝介質(zhì)操作壓力和較短的SCM與執(zhí)行器之間管路長度有利于閥門開啟，不利于閥門關(guān)閉，在深水和超深水油氣田水下液壓系統(tǒng)應(yīng)用中，需重點選擇合適的閥門彈簧預(yù)緊力。

3) 通過偏相關(guān)分析，獲取了閉式環(huán)形回路和閉式非環(huán)形回路閥門執(zhí)行器開啟時間和關(guān)閉時間與外部參數(shù)和內(nèi)部參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，對影響閉式環(huán)形回路和閉式非環(huán)形回路的主要影響參數(shù)按照偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行排序。影響閉式環(huán)形回路開啟時間的主要因素包括SCM與執(zhí)行器之間管路長度和水下蓄能器預(yù)充壓力，影響閉式環(huán)形回路關(guān)閉時間的主要因素包括工藝介質(zhì)操作壓力；影響閉式非環(huán)形回路的開啟時間包括SCM與執(zhí)行器之間管路長度和水下蓄能器預(yù)充壓力，影響閉式非環(huán)形回路關(guān)閉時間包括臍帶纜回油管內(nèi)徑和工藝介質(zhì)操作壓力。在設(shè)計水下液壓系統(tǒng)時要重點關(guān)注主要影響參數(shù)。