劉姣利 王 雷 鄧 榮 劉明洋 李小兵 李 鵬

(1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司 2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 3 成都國科檢測(cè)技術(shù)有限公司)

0 引 言

深海油氣開采一般采用半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船2種浮式裝置，其在海上處于漂浮狀態(tài)，受風(fēng)、浪及海流的影響會(huì)發(fā)生橫搖、縱搖及升沉運(yùn)動(dòng)，需要采用可靠的動(dòng)力定位系統(tǒng)對(duì)其定位。隔水管的主要功能是連接浮式鉆井平臺(tái)與海底井口，隔離海水、提供鉆井液循環(huán)的回路，同時(shí)為鉆具送入海底井口提供載體，并為浮式鉆井平臺(tái)進(jìn)行升沉補(bǔ)償?shù)?。隔水管張緊補(bǔ)償系統(tǒng)是深水鉆井平臺(tái)重要組成部分，可以為隔水管頂部提供垂向張力，控制隔水管系統(tǒng)的位移和應(yīng)力，在浮式平臺(tái)做垂直或水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，使隔水管的張力近似保持恒定。

抗反沖閥是隔水管張緊補(bǔ)償系統(tǒng)的核心部件，安裝在張緊系統(tǒng)液氣彈簧的主流通道上，本質(zhì)上是一種流量自動(dòng)控制裝置。該閥流量控制方式可分為限速節(jié)流保護(hù)和可控關(guān)閉，分別參與隔水管張緊補(bǔ)償系統(tǒng)機(jī)械連接失效時(shí)的應(yīng)急保護(hù)和隔水管緊急脫離時(shí)的抗反沖控制，以達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備和平臺(tái)人員安全的目的[1-3]。限速節(jié)流保護(hù)的基本原理是當(dāng)過閥流量超過閥設(shè)計(jì)通流最大值時(shí)，閥進(jìn)出口壓差增大，驅(qū)動(dòng)主閥芯關(guān)閉，切斷油路通道以保護(hù)系統(tǒng)安全；可控關(guān)閉的基本原理是在隔水管緊急脫離時(shí)，控制系統(tǒng)通過閥內(nèi)集成比例換向閥及閥芯位置傳感器自動(dòng)控制主閥芯開口大小，控制張緊器液缸活塞運(yùn)動(dòng)速度及張緊器張力，以保護(hù)系統(tǒng)安全。

與普通流量控制閥相比，抗反沖閥要求通流能力大(通常大于3 000 L/min)、響應(yīng)速度快、可靠性高，又因其集成度高，所以流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜[4-11]。為確保設(shè)計(jì)可靠、節(jié)約物力，利用仿真軟件對(duì)其進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)性能仿真分析則尤為必要。

目前，抗反沖閥的主要制造商是美國奧蓋爾(OilGear)公司，其制造的抗反沖閥具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗反沖控制效果好、應(yīng)用流量大等優(yōu)點(diǎn)，在全球鉆井平臺(tái)應(yīng)用廣泛，處于行業(yè)壟斷地位。其余如美國的DTI公司、德國的力士樂公司也有相應(yīng)產(chǎn)品，但其使用效果和性能與奧蓋爾公司的產(chǎn)品還有一定差距。國內(nèi)現(xiàn)階段還沒有基于具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而進(jìn)行的抗反沖閥靜、動(dòng)態(tài)結(jié)合仿真分析研究，更多的是基于抗反沖閥工作原理、隔水管抗反沖控制工況特點(diǎn)，進(jìn)行的抗反沖控制系統(tǒng)控制算法、參數(shù)研究。例如王波等[12]利用仿真軟件搭建了隔水管張緊系統(tǒng)抗反沖模型，設(shè)計(jì)了抗反沖控制算法，驗(yàn)證了抗反沖閥理論參數(shù)設(shè)置和控制算法的有效性及可靠性；李歡等[13]利用仿真軟件搭建了抗反沖控制模型，就相關(guān)控制參數(shù)及隔水管脫離時(shí)刻對(duì)整個(gè)抗反沖控制系統(tǒng)的影響進(jìn)行了研究；費(fèi)凌等[14]以某鉆井平臺(tái)為依據(jù)，設(shè)計(jì)了一種抗反沖閥，利用仿真軟件驗(yàn)證了該閥在液缸式隔水管張緊系統(tǒng)中的抗反沖控制效果。

制約抗反沖閥設(shè)計(jì)研制的主要因素是其結(jié)構(gòu)緊湊、復(fù)雜，集成控制閥件定制化程度高，配套試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)投入成本高。因此在抗反沖閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，通過仿真軟件進(jìn)行閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、靜動(dòng)態(tài)性能研究，對(duì)于抗反沖閥實(shí)現(xiàn)樣機(jī)制造和工業(yè)應(yīng)用有著實(shí)際意義。

1 技術(shù)分析

1.1 工作原理

抗反沖閥有2種工作狀態(tài)，分別是限速節(jié)流保護(hù)和可控關(guān)閉。分析其工作原理和工況要求，設(shè)計(jì)液壓工作原理簡圖如圖1所示。

1—球閥；2—過濾器；3—比例閥；4—單向閥；5—電磁換向閥；6—位移傳感器；7—液動(dòng)換向閥；8—液控插裝閥；9—先導(dǎo)液缸；10—主閥芯。圖1 抗反沖閥液壓原理簡圖Fig.1 Schematic diagram for hydraulic principle of anti-recoil valve

在限速節(jié)流保護(hù)工況下，比例閥、電磁換向閥斷電，蓄能器端口和張緊液缸端口油壓分別通過液控插裝閥與先導(dǎo)液缸塞腔和桿腔接通。抗反沖閥依賴油液通過主閥流道產(chǎn)生足夠大的壓降來克服先導(dǎo)液缸桿腔彈簧力，使主閥芯關(guān)閉。當(dāng)通過流量小于閥設(shè)計(jì)關(guān)斷流量時(shí)，壓降小于彈簧力，主閥芯保持常開，閥正常通流；當(dāng)通過流量大于閥設(shè)計(jì)關(guān)斷流量時(shí)，壓降大于彈簧力，主閥芯關(guān)斷從而降低張緊器液缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備安全。主閥芯上開有節(jié)流口可確保張緊器液缸活塞柔性停止，當(dāng)蓄能器端和張緊器液缸端壓力相等后，主閥芯在彈簧作用下重新開啟，抗反沖閥恢復(fù)正常通流。

在可控關(guān)閉工況下，通過比例閥控制先導(dǎo)液缸塞腔和桿腔的進(jìn)油量來控制主閥芯運(yùn)動(dòng)。比例閥和主閥芯位置傳感器接入鉆井平臺(tái)反沖控制系統(tǒng)，當(dāng)水下隔水管總成(LMRP)與水下防噴器(BOP)緊急斷開后，比例閥根據(jù)控制系統(tǒng)指令，以其要求的速度控制主閥芯關(guān)閉、保持或重新開啟，以配合張緊器緊急脫離程序保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備安全。在此模式下，閥門不再提供防止軟管破裂保護(hù)。為產(chǎn)生足夠的力來驅(qū)動(dòng)主閥芯動(dòng)作，主閥芯和閥座的通流尺寸設(shè)計(jì)為小于進(jìn)出油口面積，以提高流速從而增加壓差?？煽仃P(guān)閉主要依靠比例閥對(duì)主閥芯的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，其動(dòng)態(tài)特性主要取決于比例閥的特性。因此，本文僅針對(duì)限速節(jié)流保護(hù)模式進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)抗反沖閥實(shí)際使用工況要求的限速節(jié)流保護(hù)和可控關(guān)閉，以及過閥流量巨大、響應(yīng)速度快、集成度高和可靠性好等性能要求，設(shè)計(jì)了一種新型抗反沖閥機(jī)械結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。主閥芯兩端分別接蓄能器(進(jìn)油口)和張緊器液缸(出油口)，主閥芯由先導(dǎo)液缸驅(qū)動(dòng)，先導(dǎo)液缸塞腔與蓄能器端相連，桿腔帶彈簧與張緊器液缸端相連，在彈簧作用下主閥芯常開，先導(dǎo)液缸裝有位置傳感器，用來監(jiān)測(cè)主閥芯位移。

1—主閥塊；2—單向閥；3—中間閥塊；4—液控插裝閥；5—液動(dòng)換向閥；6—上閥塊；7—電磁換向閥；8—位移傳感器；9—先導(dǎo)液缸；10—主閥芯。圖2 抗反沖閥結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structural diagram of anti-recoil valve

1.2 抗反沖閥主要參數(shù)

本文以我國某平臺(tái)隔水管張緊系統(tǒng)抗反沖閥工作參數(shù)為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。其中，閥主流道通徑100 mm，最大工作壓力21 MPa，最大工作流量3 500 L/min，最大工作流量下壓降0.7 MPa，限速切斷流量(4 578±458)L/min，切斷時(shí)間≤300 ms，工作介質(zhì)水-乙二醇。

2 抗反沖閥靜態(tài)仿真分析

靜態(tài)仿真分析的主要目的：①通過閥主流道內(nèi)的流速和壓力分布情況，分析閥內(nèi)部流場靜態(tài)性能及閥門通流能力；②分析主閥芯和先導(dǎo)液缸活塞所受軸向液動(dòng)力大小。

2.1 控制方程及計(jì)算模型

流體計(jì)算過程中要遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。由于閥主流道內(nèi)流速變化較慢，本文假設(shè)流體為不可壓縮流體，密度為常數(shù)。

質(zhì)量守恒方程微分形式可簡化為：

(1)

式中：ux、uy、uz為流體質(zhì)點(diǎn)在x、y、z這3個(gè)方向上的速度分量，m/s。

動(dòng)量守恒方程微分方程為：

(2)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；?為哈密頓算子；X、Y、Z為單位質(zhì)量力在各坐標(biāo)軸上的分力，N；p為壓力，Pa；ν為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

能量守恒方程為：

(3)

式中：cp為定壓比熱容，J/(kg·K)；T為溫度，K；k為流體傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；ST是介質(zhì)在黏性的作用下使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的項(xiàng)，kg·K/(m3·s)。

流體仿真模型采用Navier-Stokes流體方程，可以表達(dá)為：

(4)

式中：u為速度矢量，m/s；F為體積力，N/m3；I為速度散度，s-1；K為黏度應(yīng)力，N/m2。

2.2 計(jì)算區(qū)域和邊界條件設(shè)定

根據(jù)設(shè)計(jì)的抗反沖閥結(jié)構(gòu)，利用三維軟件建立抗反沖閥主閥芯及主流通道的三維幾何模型，如圖3a所示，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3b所示。仿真區(qū)域包含了蓄能器和張緊液缸端的管路、主閥芯、主流道及先導(dǎo)液缸流道。為更加貼近真實(shí)情況，延伸主閥流道在蓄能器端和張緊液缸端的流道，使得流入主閥流道的液體能夠在形成穩(wěn)定流場之后再流經(jīng)主閥芯，從而形成更加穩(wěn)定的仿真結(jié)果。

圖3 抗反沖閥主閥芯及主流道仿真模型圖Fig.3 Simulation model for main spool and main channel of anti-recoil valve

為模擬液壓油在蓄能器和張緊液缸之間的往復(fù)流動(dòng)，蓄能器端口邊界條件設(shè)置為壓力口，恒定壓力10 MPa。由于主閥芯兩端的壓差同流速相關(guān)，同蓄能器端口壓力無關(guān)，所以蓄能器端口的恒壓設(shè)定只是作為一個(gè)基準(zhǔn)值。在沒有出現(xiàn)氣蝕的情況下，蓄能器端口的設(shè)定壓力同閥的性能無關(guān)。

張緊液缸口邊界條件為流體流量，用于模擬液缸運(yùn)動(dòng)形成的流量變化，設(shè)置為正弦波，隨時(shí)間變化，如圖4所示。本模型中的流體為不可壓縮流體的穩(wěn)態(tài)模型，假設(shè)流體為不可壓縮的層流。介質(zhì)密度和黏度參考好富頓水-乙二醇，為1 080 kg/m3和46 440 mPa·s。

圖4 張緊液缸口流量隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.4 Variation of flow rate at tensioning hydraulic cylinder port over time

為分析抗反沖閥內(nèi)部流場靜態(tài)性能、閥門通流能力，計(jì)算主閥芯和先導(dǎo)液缸活塞在工作過程中所受軸向液動(dòng)力，進(jìn)而對(duì)先導(dǎo)液缸桿腔彈簧設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。本文對(duì)抗反沖閥主流通道在正常通流工況和限速節(jié)流工況下的通流流速、主流道內(nèi)的壓力分布，以及主閥芯與先導(dǎo)液缸活塞受力與過閥流量的關(guān)系進(jìn)行了仿真分析。

2.3 仿真結(jié)果分析

對(duì)仿真結(jié)果的分析，主要針對(duì)流速和壓力。兩位兩通閥門設(shè)計(jì)過程中，通常最大流速為30 m/s(伺服閥除外)。流速太高會(huì)引起閥門異響；流速太低壓差變小，導(dǎo)致液動(dòng)力不足，引起閥響應(yīng)變慢。分析閥兩端壓力變化，可以得到閥門通流能力。分析主閥芯和先導(dǎo)液缸控制活塞的表面壓力，可以通過積分獲得活塞受力，進(jìn)而對(duì)閥門的關(guān)閉力進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果如圖5～圖9所示。

圖5 最大工作流量時(shí)閥主流道內(nèi)速度分布云圖Fig.5 Cloud chart for velocity distribution in the main channel of valve at maximum working flow

圖6 切斷流量時(shí)閥主流道內(nèi)速度分布云圖Fig.6 Cloud chart for velocity distribution in the main channel of valve at cutoff flow

圖7 最大工作流量時(shí)閥主流道內(nèi)壓力分布云圖Fig.7 Cloud chart for pressure distribution in the main channel of valve at maximum working flow

圖8 切斷流量時(shí)閥主流道內(nèi)壓力分布云圖Fig.8 Cloud chart for pressure distribution in the main channel of valve at cutoff flow

圖9 主閥芯兩端壓差與過閥流量關(guān)系圖Fig.9 Relation between pressure difference at both ends of main spool and flow rate passing through valve

分析圖5～圖9可知，此新型抗反沖閥結(jié)構(gòu)限速節(jié)流工況下，過閥流速均勻，無渦流區(qū)。主閥流道內(nèi)壓力分布變化均勻，無負(fù)壓區(qū)，壓力損失小，且控制主閥芯動(dòng)作的先導(dǎo)液缸塞腔和桿腔壓力基本與蓄能器端口壓力和張緊液缸端口壓力相同。當(dāng)過閥流量達(dá)到切斷流量時(shí)，蓄能器內(nèi)油液加速通過主閥流道流向張緊液缸，先導(dǎo)液缸塞腔壓力克服桿腔彈簧力開始關(guān)閉主閥芯。隨著主閥芯關(guān)閉，抗反沖閥進(jìn)出口端壓差持續(xù)增加，主閥芯關(guān)閉過程中的驅(qū)動(dòng)力也隨之上升，加速主閥芯關(guān)閉，提高了限速切斷響應(yīng)速度。綜上，本文所設(shè)計(jì)的新型抗反沖閥靜態(tài)性能優(yōu)良。

3 抗反沖閥動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果分析

動(dòng)態(tài)仿真分析的目的是在抗反沖閥靜態(tài)仿真分析的基礎(chǔ)上，建立動(dòng)態(tài)仿真模型，分析該結(jié)構(gòu)閥的主要性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1 建立仿真模型

本節(jié)主要研究抗反沖閥主閥芯在切斷流量下的動(dòng)態(tài)特性，以抗反沖閥測(cè)試系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立抗反沖閥動(dòng)態(tài)仿真模型，包括液壓、機(jī)械和控制信號(hào)3部分。液壓部分包含蓄能器、先導(dǎo)液缸、主閥芯，主閥芯開度通過可變節(jié)流孔來模擬，先導(dǎo)液缸為雙向運(yùn)動(dòng)活塞缸；機(jī)械部分包含彈簧及基座；控制信號(hào)用于模擬隔水管施加在油缸上的周期性負(fù)載。抗反沖閥的動(dòng)態(tài)仿真模型如圖10所示。

圖10 抗反沖動(dòng)態(tài)仿真模型Fig.10 Anti-recoil dynamic simulation model

其中，蓄能器組模型用于模擬隔水管張緊器的蓄能器組，包含足夠體積的蓄能器以及液壓動(dòng)力站，為系統(tǒng)提供足夠流量及穩(wěn)定壓力。蓄能器內(nèi)的流體初始?jí)毫?0 MPa，同靜態(tài)仿真的設(shè)定相同。為了保證蓄能器壓力穩(wěn)定，設(shè)定其容積為10 000 L，工作時(shí)充滿10 000 L液體。

流量控制閥用于調(diào)節(jié)通過抗反沖閥的流量大小，用可變節(jié)流孔模擬，節(jié)流孔等效面積為直徑80 mm的孔，最大開度為100 mm。通過仿真驗(yàn)證可知，當(dāng)節(jié)流孔開度為5 mm時(shí)，過閥最大流量逼近閥設(shè)計(jì)允許最大流量，可用于測(cè)試閥最大通流能力；當(dāng)節(jié)流孔開度為5.5 mm時(shí)，過閥最大流量在閥設(shè)計(jì)限速節(jié)流切斷范圍內(nèi)，可用于測(cè)試閥限速節(jié)流切斷功能。

抗反沖閥模型由主閥芯、主閥芯活塞桿、彈簧、液控插裝閥構(gòu)成。用于模擬限速切斷情況下的響應(yīng)。主閥芯的開度由先導(dǎo)液缸活塞桿的位移決定。先導(dǎo)液缸2個(gè)油腔分別通過液控插裝閥連接抗反沖閥的蓄能器端口和張緊液缸端口，活塞桿下端連接主彈簧。由于主彈簧處于壓縮狀態(tài)，所以受到的力為負(fù)值。根據(jù)靜態(tài)仿真結(jié)果和動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證，設(shè)定彈簧剛度為10 N/mm，初始力為2 040 N；液控插裝閥處于開啟狀態(tài)；主閥芯蓄能器端的流道壓縮通過固定通徑的節(jié)流口模擬，油缸端束流口用變徑管模擬，主閥芯用插裝閥閥芯模擬。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 抗反沖閥關(guān)閉仿真

圖11為主閥芯關(guān)閉過程中位移、流量以及壓差變化圖。分析圖11可知，節(jié)流閥開度為5.5 mm。仿真結(jié)果顯示：當(dāng)流量上升到4 712 L/min時(shí)，主閥芯開始關(guān)閉，仿真時(shí)間點(diǎn)為0.465 s，主閥芯兩端壓差為0.23 MPa；主閥芯全部關(guān)閉時(shí)，仿真時(shí)間點(diǎn)為0.539 s，關(guān)閉所花時(shí)間為74 ms。最大過閥流量4 824 L/min，接近抗反沖閥切斷流量上限。

圖11 主閥芯關(guān)閉過程中位移、流量以及壓差變化圖Fig.11 Variation of displacement，flow rate and pressure difference in the closing process of main spool

3.2.2 抗反沖閥不關(guān)閉仿真

圖12為主閥芯不關(guān)閉過程中位移、流量和壓差變化圖。由圖12可知，為模擬測(cè)試抗反沖閥允許通過的最大工作流量，設(shè)定流量控制閥開度為5 mm，此時(shí)最大過閥流量為4 117 L/min，大于閥設(shè)計(jì)最大工作流量，接近閥關(guān)斷流量下限。仿真結(jié)果顯示，主閥芯位移0.004 mm，在0.450 s流量達(dá)到4 117 L/min后，流量控制閥不再繼續(xù)開大，過閥流量穩(wěn)定在4 117 L/min，主閥芯兩端壓差為0.21 MPa，主閥芯保持打開，抗反沖閥正常通流。

圖12 主閥芯不關(guān)閉過程中位移、流量和壓差變化圖Fig.12 Variation of displacement，flow rate and pressure difference in the non-closing process of main spool

綜上，該結(jié)構(gòu)抗反沖閥在設(shè)計(jì)最大工作流量下能確保主閥芯保持打開，當(dāng)過閥流量逼近閥設(shè)計(jì)觸發(fā)切斷流量范圍時(shí)，主閥芯有少量位移，但依然保持開啟。在流量達(dá)到切斷值時(shí)，可以迅速關(guān)閉，完全關(guān)閉時(shí)間為74 ms(<300 ms)。關(guān)閉后主閥芯兩端壓力差上升，流量減小。由于主閥芯上設(shè)有節(jié)流孔，主閥芯完全關(guān)閉后流量不為0，確保張緊液缸可柔性停止。

4 結(jié) 論

(1)該結(jié)構(gòu)抗反沖閥靜態(tài)性能優(yōu)良。限速節(jié)流工況下，過閥流速均勻，無渦流區(qū)。主閥流道內(nèi)壓力分布變化均勻，無負(fù)壓區(qū)，壓力損失小，且控制主閥芯動(dòng)作的先導(dǎo)液缸塞腔和桿腔壓力，基本與蓄能器端口壓力和張緊液缸端口壓力相同。當(dāng)過閥流量達(dá)到切斷流量時(shí)，蓄能器內(nèi)油液加速通過主閥流道流向張緊液缸，先導(dǎo)液缸塞腔壓力克服桿腔彈簧力開始關(guān)閉主閥芯。隨著主閥芯關(guān)閉，抗反沖閥進(jìn)出口端壓差持續(xù)增加，主閥芯關(guān)閉過程中的驅(qū)動(dòng)力也隨之上升，加速主閥芯關(guān)閉，可提高限速切斷響應(yīng)速度。

(2)該結(jié)構(gòu)抗反沖閥在設(shè)計(jì)最大工作流量下能保持主閥芯打開，當(dāng)過閥流量逼近閥設(shè)計(jì)觸發(fā)切斷流量范圍時(shí)，主閥芯有少量位移，但依然保持開啟。當(dāng)過閥流量達(dá)到切斷值時(shí)，主閥芯可以迅速關(guān)閉，完全關(guān)閉時(shí)間為74 ms(<300 ms)。關(guān)閉后主閥芯兩端壓力差上升，流量減小，由于主閥芯上設(shè)有節(jié)流孔，主閥芯完全關(guān)閉后流量不為零，確保張緊液缸可柔性停止。因此，該閥滿足設(shè)計(jì)要求，動(dòng)態(tài)關(guān)閉特性優(yōu)良。