用于水下油气田生产控制系统的电液换向阀的设计与研究

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1、用于水下油气田生产控制系统的电液换向阀的设计与研究第1章绪论1.1选题意义深海电液换向阀广泛应用于水下生产控制系统中，近年来，随着国家政策的大力支持，海洋油气钻井设备不断发展，对设备的可靠性、生产能力、自动化程度及安全性提出了更高的要求，由于它是水下生产系统不可或缺的部分，在石油的开采过程中，该设备需要承担安全生产的职责[1][2]。然而，我国海洋油气勘探装备的开发研究工作起步较晚，特别是深海生产控制系统中的阀类元件，其性能的好坏直接关系着整个系统的工作性能，但是国内目前尚无这方面的成熟产品，因此，我国若想发展水下生产控制系统，必须解决深海电液

2、换向阀的国产化研制问题[3]。由于海洋钻采工程不断向深海发展，对系统控制模式的要求也越来越苛刻。如今虽然有直接液压控制、顺序液压控制及全电气[4]等，但其优势并不明显，应用最多的是复合电液控制技术，该技术正在日渐成熟，并且适合的场合也逐渐增加[5]。电液换向阀作为复合电液控制中最核心的元件，该阀结构复杂，精密度高，可用于恶劣环境中，目前只有少数几家国外的公司可以生产，但技术都处于保密范畴，很难得到技术方面的相关信息。因此，对水基介质深海电液换向阀的磨损机理以及密封方式进行研究，并且做到基础研究与现场实际应用的相互结合，通过仿真软件的模拟测试和实

3、际应用过程中出现的问题以及运用现代实验技术，解决该阀国产化进程中的瓶颈问题。液压阀是生产控制系统中的核心部分，一旦失效，会造成整个设备的误动作，大多数情况下，阀的寿命问题是关系到阀能否继续安全有效工作的关键因素。液压阀的寿命是指阀有效工作的时间，即在阀处于关闭状态时，依然会有工作介质的泄漏现象，并且该泄漏是由于液压阀的密封性能已经出现不可修复的破坏导致的，在该现象出现之前的整个工作时间就是阀的寿命[6]。液压阀的密封性能主要指密封特性和磨损特性。.....1.2深海电液换向阀的国内外研究现状目前，国外具有成套系列化设计和生产深海电液换向阀的公司

4、少之又少，只有几家在海洋油气领域知名度很高甚至是具有权威的大型企业的下属子公司，如Aker集团和Oceaneering集团、其下属子公司Subseaponents公司和RotatorAS[10]公司、Bifold以及LB-Bentley等，由于生产的公司很少，导致行业内存在产品和技术等方面的垄断，这给我国的水下生产设备集成配套造成很大的困扰，同时，元件价格较高、后续的配件以及维修费用的昂贵也对我国发展水下生产造成一定的影响。以下主要介绍一下各公司生产的深海电液换向阀。Subseaponents成立于1970年，是一家专为水下油气生产设备设计和制

5、造精密零部件的公司，其产品主要有液力耦合器、控制阀及插板等，产品市场遍及全世界。由于市场对石油和天然气的需求大幅增涨，该公司产品的需求也越来越大，尤其是该公司生产的多种适用于深海工况的高低压电液换向阀，应用于各类水下生产控制系统中。该公司生产的换向阀主要为两位三通阀，循环阀（Millioncyclevalve）为单电磁铁[11]控制模式，方向控制阀（DirectionalControlValve）为双电磁铁[12]控制方式，见图1-1，双电磁铁方向控制阀的主要参数见表1-1，其中，Cv1为压力口P到功能口A的流量系数，Cv2为功能口A到回油口T

6、的流量系数。........第2章电液换向阀的设计计算及数学建模2.1电液换向阀的结构原理该阀有两个先导阀，每个先导阀的电磁铁都采用一备一用。左边先导阀电磁铁得电时，主阀阀芯右移，P口与A口接通，即阀左位工作，此时，即使电磁铁失电，由于高压油的反馈作用，使得阀具有自锁功能，阀芯能够保持在左位工作；假如高压油口P的供给压力降低，不能达到阀的额定工作压力范围，主阀内的复位弹簧便会使阀右位工作，推动阀芯回到左位，阀的功能油口与回油口接通，实现卸载。阀在正常工作时，只要右侧先导阀得电，液压油通过先导阀进入主阀右腔，在先导压力与复位弹簧的共同作用下，阀右

7、位工作，功能油口与回油口接通，实现卸载。通过对国外一些阀的了解以及该阀的设计要求及性能分析，该阀做成一体式比较困难，因此采用阀块式设计，即设计两个先导阀和一个主阀，然后采用液压集成块组成阀组。......2.2结构形式的选择对于电液控制系统，电液换向阀是最基础的元件，它的研制过程中有一系列的技术难题，包括电磁铁结构的合理设计、气蚀问题的解决和减小泄漏量，必须依据水乙二醇的特性和阀的功能要求对元件结构进行设计，新材料、新结构、密封技术是电液换向阀最突出的特征。首先要确定阀的结构方案，结构的合理与否对以后的分析研究很重要，如果方案不合理，将会导致方

8、向性错误。所以，设计过程中要考虑多方面因素，阀的功能能否实现、流体流道的设计是否合理、零部件的加工精度能否达到要求、装配时的配合精度等级是否合理，这都