CN101832303A - 活塞式深海水压补偿蓄能器 - Google Patents
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Abstract
深海水压补偿蓄能器，主要应用于深海石油钻采液压机械设备蓄能。在圆柱形连接隔板的两端分别螺纹固定圆筒形上壳体和下壳体；在连接隔板的中心孔内有活塞杆，活塞杆两端分别连接有上活塞、下活塞。上活塞、下活塞和连接隔板将其分气腔、液腔、海水腔和真空腔四个腔，巧妙地利用海水自身的静水压力，使蓄能器在深海工作时不受静压力的影响，提高蓄能器有效液量的排出，从而利用少量的蓄能器为深海作业的水下液压设备及机具工作提供充足的能量，减少水下设备的重量和有效的占用空间，降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及深海石油钻采技术领域，特别涉及深海作业的液压机械设备，是一种新型的深海水压补偿蓄能器。
背景技术
随着人类对石油需求的不断增加，陆地上的油气资源迅速减少，油气勘探开发的重点由陆地转向海洋，并不断的向深海进军，这就对深海钻采液压设备以及机具使用的蓄能器提出了更高的要求，而常规蓄能器虽然能满足深海工作的要求，但是效率却很低。
目前，常规蓄能器在水上首先预充一定量的气体，产生一定的预充压力，将蓄能器放入水下工作时，海水的静水压力使得蓄能器内预充气体的压力大大增加，所以蓄能器工作时压力液的排放必须克服水下的静水压力。随着水深的增加，静水压力越来越大，压力液排放所需要克服的阻力势能越大，导致蓄能器所排出的有效液量越来越少，工作效率就越低。美国著名的水下防喷器生产商喀麦隆公司，根据经验公式计算得出：在3000米水深下，常规的蓄能器所排出的有效液量只有约10％。为了满足水下防喷器工作所需的能量，需要安装大量的蓄能器。随着蓄能器数量增多，大大提高了设备制造成本，同时增加了防喷器组的重量和水下有效的占用空间。
发明内容
本发明的目的是：提供一种活塞式深海水压补偿蓄能器，消除海水静水压对排出液量的影响，提高蓄能器有效液量的排出，利用少量的蓄能器为深海作业的水下液压设备及机具工作提供充足的能量，并降低制造成本。
本发明采用的技术方案：活塞式深海水压补偿蓄能器，主要由气腔端盖、充气阀、上活塞、上壳体、连接隔板、海水过滤器、液压阀门、活塞杆、下活塞、真空腔端盖、密封丝堵组成，其特征在于：在圆柱形连接隔板的两端分别固定有圆筒形上壳体和下壳体。
在上壳体的另一端螺纹固定有圆柱体形气腔端盖，气腔端盖有与上壳体内部连通的充气孔，在充气孔外端部固定有单向充气阀。
在下壳体的另一端螺纹固定有圆柱体形真空腔端盖，真空腔端盖有与下壳体内部连通的通孔，在通孔外端部固定有密封丝堵。
连接隔板有中心孔，在连接隔板的中心孔内有活塞杆，活塞杆与连接隔板中心孔滑动配合，在活塞杆的上端固定有上活塞，上活塞与上壳体内壁滑动配合；在活塞杆的下端固定有下活塞，下活塞与下壳体内壁滑动配合；当活塞杆在连接隔板的中心孔内往复滑动时，上活塞在上壳体内往复滑动；下活塞在下壳体内往复滑动。
在上壳体内并在上活塞与上端盖之间形成气腔，上活塞与连接隔板之间形成液腔；在下壳体内并在连接隔板与下活塞之间形成海水腔，下活塞与下端盖之间形成真空腔。
连接隔板有轴向孔和径向孔，轴向孔与径向孔连通形成压力液通路，轴向孔的另一端与液腔连通，径向孔另一端固定有液压阀门。通过压力液通路，能向液腔内注入高压液体或高压液体从液腔内流出。
连接隔板有轴向孔和径向孔，轴向孔与径向孔连通形成海水通路，轴向孔的另一端与海水腔连通，径向孔另一端固定有海水过滤器。通过海水过滤器和海水通路，能使海水进出海水腔。
为了提高密封性能，在上端盖与上壳体之间有密封圈；在下端盖与下壳体之间有密封圈；在上活塞与上壳体之间有密封圈；在下活塞与下壳体之间有密封圈；在连接隔板的上端外壁与上壳体内壁之间有密封圈；在连接隔板的下端外壁与下壳体内壁之间有密封圈；在连接隔板中心孔壁上有密封圈。
上活塞和下活塞装有两道截面为T形的密封圈，使下活塞在下壳体中自由滑动且保持良好的密封，在连接隔板内孔装有三道截面为T形的密封圈，使活塞杆在连接隔板中自由滑动且保持良好的密封，其T形截面密封圈，摩擦力小，不易变形和扭曲，密封更好，持久耐用等特点。
根据本发明活塞式深海水压补偿蓄能器的结构原理，能衍生三种不同形式：差动式深海水压补偿蓄能器、弹簧式深海水压补偿蓄能器和差动弹簧式深海水压补偿蓄能器。
差动式深海水压补偿蓄能器：上壳体和下壳体的内径比为1∶1.5～3之间。上活塞与下活塞的直径比为1∶1.5～3之间，在海水压强不变的情况下，增加了海水与下活塞的接触面积，从而增大了连接杆的拉力，使液腔内的压力增加，能提高蓄能器有效液量的排出。
弹簧式深海水压补偿蓄能器：在气腔内加弹簧，即在上活塞的上端面上固定有压缩弹簧，还可以在弹簧的上端固定有一个辅助活塞。利用弹簧压缩后能储存能量，弹簧式深海水压补偿蓄能器能利用海水的静压力，同时改变了气体蓄能器受外界环境影响，使排出的有效液量提高。所述的弹簧可以采用的是内外双层压缩弹簧，提高弹簧储存能量的能力。
差动弹簧式深海水压补偿蓄能器：是差动式深海水压补偿蓄能器与弹簧式深海水压补偿蓄能器的结构特点相结合，即在上壳体与下壳体的内径比为1∶1.5～3之间，上活塞与下活塞的直径比为1∶1.5～3之间，并且在上活塞的上端面上固定有压缩弹簧，利用差动式深海水压补偿蓄能器和弹簧式深海水压补偿蓄能器各自优点，使蓄能器排出的有效液量进一步提高。
活塞式深海水压补偿蓄能器的使用方法分为组装、预充压、蓄能和释放四步。
组装：水上液压泵的入口管线连接水上油箱，出口管线连接水上单向阀；将2～10个活塞式深海水压补偿蓄能器的液压阀门的管线并联组成水下蓄能器组，在水下单向阀与水上单向阀之间的管线上连接水上蓄能器组。水下蓄能器组管线连接到水下单向阀到换向阀的液压进口之间的管线上。换向阀的液压出口管线连接液压回收阀，液压回收阀管线连接水上油箱。换向阀的工作进口和工作出口连接水下设备，水下设备包括液压防喷器的液压油缸等。
预充压：活塞式深海水压补偿蓄能器放入海底前，打开充气阀、丝堵、海水过滤器和液压阀门，通过气腔端盖中的充气孔向气腔充入预充气体，推动上活塞下移动，从而通过连接杆带动下活塞下移挤压真空腔内的气体全部通过通孔流出，旋紧丝堵。继续向气腔内充入气体达到7-14MPa(在不同水深下使用，最佳预充压是不同的。)预充压，然后关闭充气阀和液压阀门，完成预充压。
蓄能：水下蓄能器组放入海底，水上液压泵通过管线向水上蓄能器组内充压蓄能，中间有水上单向阀防止液体回流；同时向水下蓄能器组充压蓄能。水上蓄能器与水下蓄能器组之间有水下单向阀，防止液体回流。活塞式深海水压补偿蓄能器在海底，由于海水自身的静水压力，海水通过海水通路进入海水腔内；在充压蓄能过程中，压力液通路向液腔充入压力液，并克服静水压力和预充压力推动上活塞向上移动，压缩气腔内的预充气体，达到蓄能器的工作额定压力，同时通过连接杆带动下活塞上移，海水腔变小，真空腔形成并慢慢变大，即液腔的压力达到21-70Mpa(不同的工作情况，选用不同额定工作压力)额定工作压力，完成冲压蓄能过程。
释放：当水下工作设备需要深海水压补偿蓄能器提供能量的时候，控制油路换向阀换向，压力液由液腔通过压力液通路进水下工作设备油路中，使水下工作设备进行工作。水下工作设备排出的低压油液通过液压回收阀回收到水上油箱29。
不同的水深情况下最佳预充压是不一样的，原则上讲只要低于工作的压力都能做预充压；额定工作压力也是一样的，在不同的工况下选择不同工作压力的蓄能器，例如：在500m深的海域和在3000m深的海域选择的蓄能器的额定工作压力是不一样的，另外与选择的水下工作设备也有关系。本领域技术人员能理解。
本发明的有益效果：本发明活塞式深海水压补偿蓄能器，通过连接杆将上下活塞连接，巧妙利用海水自身的静水压力，使得蓄能器的在深海工作时不受海水静压力的影响，和在水面上工作是一样的，提高蓄能器有效液量的排出，利用少量的蓄能器为深海作业的水下液压设备及机具工作提供充足的能量，减少水下设备的重量和有效的占用空间，降低制造成本。
附图说明
图1a是活塞式深海水压补偿蓄能器结构剖面示意图，是预充压状态示意图。
图1b是活塞式深海水压补偿蓄能器结构剖面示意图，是蓄能状态示意图。
图1c是活塞式深海水压补偿蓄能器结构剖面示意图，是释放状态示意图。
图2是由多个活塞式深海水压补偿蓄能器组成的水下蓄能器组与地面控制设备、水下控制设备和水下工作设备连接示意图。
图3是差动式深海水压补偿蓄能器结构示意图。
图4是弹簧式深海水压补偿蓄能器结构示意图。
图5是差动弹簧式深海水压补偿蓄能器结构示意图。
图中：1.充气孔，2.气腔，3.液腔，4.压力液通路，5.海水通路，6.海水腔，7.真空腔，8.通孔，9.密封丝堵，10.真空腔端盖，11.下活塞，12.活塞杆，13.下壳体，14.连接隔板，15.液压阀门，16.海水过滤器，17.上壳体，18.上活塞，19.气腔端盖，20.充气阀，21.液压泵，22.水上单向阀，23.水上蓄能器组，24.水下单向阀，25.水下蓄能器组，26.换向阀，27.水下工作设备，28.液压回收阀，29.油箱，30.弹簧
具体实施方式
实施例1：以一种容积为52L、工作压力35MPa的活塞式深海水压补偿蓄能器为例，对本发明作进一步详细说明。
参阅图1a。本发明深海水压补偿蓄能器，主要由气腔端盖19、充气阀20、上活塞18、上壳体17、连接隔板14、海水过滤器16、液压阀门15、活塞杆12、下活塞11、真空腔端盖10、密封丝堵9组成。
在圆柱形连接隔板14的两端分别固定有圆筒形上壳体17和下壳体13。上壳体17和下壳体13的内径305毫米，长度1200毫米，壁厚50毫米；
在上壳体17的另一端螺纹固定有一个气腔端盖19，气腔端盖19为圆柱体形，气腔端盖19有一个与上壳体17内部连通的充气孔1，在充气孔1外端部固定有一个单向充气阀20。
在下壳体13的另一端螺纹固定有一个真空腔端盖10，真空腔端盖10为圆柱体形，真空腔端盖10有一个与下壳体13内部连通的通孔8，在通孔8外端部螺纹固定有一个密封丝堵9。
连接隔板14有一个内径为50毫米的中心孔，在连接隔板14的中心孔内有一个直径为50毫米的活塞杆12，在活塞杆12的上端固定有一个上活塞18，上活塞18直径305毫米，上活塞18与上壳体17内壁滑动配合；在活塞杆12的下端固定有下活塞11，下活塞11直径305毫米，下活塞11与下壳体13内壁滑动配合。上活塞18上端面到下活塞11下端面的长度为1200毫米，活塞杆12在连接隔板14中心孔内滑动的最大长度为1100毫米。
在上壳体17内并在上活塞18与上端盖19之间形成气腔2，上活塞18与连接隔板14之间形成液腔3；在下壳体13内并在连接隔板14与下活塞11之间形成海水腔6，下活塞11与下端盖10之间形成真空腔7。
连接隔板14的一侧有一个轴向孔和一个径向孔，轴向孔与径向孔连通形成压力液通路4，轴向孔的另一端与液腔3连通，径向孔的另一端固定有一个液压阀门15。
连接隔板14有一个轴向孔和一个径向孔，轴向孔与径向孔连通形成海水通路5，轴向孔的另一端与海水腔6连通，径向孔另一端固定有一个海水过滤器16。海水过滤器16防止海水中的杂物进入蓄能器内。
在上端盖19与上壳体17之间有一道密封圈；在下端盖10与下壳体13之间有一道密封圈；在上活塞18上有两道截面为T形的密封圈；在下活塞11上有密封圈两道截面为T形的密封圈；在连接隔板14的上端外壁与上壳体17内壁之间有一道密封圈；在连接隔板14的下端外壁与下壳体13内壁之间有一道密封圈；在连接隔板14中心孔壁上有三道截面为T形的密封圈。
活塞式深海水压补偿蓄能器的使用方法分为组装、预充压、蓄能和释放四步。
组装：参阅图2。水上液压泵21的入口管线连接水上油箱29，出口管线连接水上单向阀22，在水下单向阀24与水上单向阀22之间的管线上连接水上蓄能器组23。将三个活塞式深海水压补偿蓄能器的液压阀门15的管线并联组成水下蓄能器组25，水下蓄能器组25管线连接到水下单向阀24到换向阀26的液压进口之间的管线上。换向阀26的液压出口管线连接液压回收阀28，液压回收阀28管线连接水上油箱29。换向阀26的工作进口和工作出口连接水下设备27，水下设备27如液压油缸。
预充压：参阅图1a。活塞式深海水压补偿蓄能器放入海底前，打开充气阀20、丝堵9、海水过滤器16和液压阀门15，通过气腔端盖中的充气孔1向气腔2充入预充气体，推动上活塞18下移动，从而通过连接杆12带动下活塞11下移挤压真空腔7内的气体全部通过通孔流出，旋紧丝堵9。继续向气腔3内充入气体达到10MPa预充压，然后关闭充气阀20和液压阀门15，完成预充压。
蓄能：参阅图1b。水下蓄能器组25放入海底，水上液压泵21通过管线向水上蓄能器组23内充压蓄能，中间有水上单向阀22防止液体回流；同时向水下蓄能器组25充压蓄能。水上蓄能器23与水下蓄能器组25之间有水下单向阀24，防止液体回流。活塞式深海水压补偿蓄能器在海底，由于海水自身的静水压力，海水通过海水通路5进入海水腔6内；在充压蓄能过程中，压力液通路4向液腔17充入压力液，并克服静水压力和预充压力推动上活塞18向上移动，压缩气腔内的预充气体，达到蓄能器的工作额定压力，同时通过连接杆12带动下活塞11上移，海水腔变小，真空腔7形成并慢慢变大，即液腔17的压力达到25Mpa额定工作压力，完成冲压蓄能过程。
释放：参阅图1c。当水下工作设备27需要深海水压补偿蓄能器提供能量的时候，控制油路换向阀26换向，压力液由液腔17通过压力液通路4进水下工作设备27油路中，使水下工作设备27进行工作。水下工作设备27排出的低压油液通过液压回收阀28回收到水上油箱29。
参阅表1。在水深3000m的海底，单个常规蓄能器排出的有效液量只有总量的10％左右，要满足3000m水下防喷器组的工作液量，需要安装高达184个52L的常规蓄能器，占用了防喷器组大量的宝贵空间，同时大幅度的增加防喷器组的重量，从而使得运输成本增加，下放海底的难道加大，单纯计算一组这样的防喷器所需蓄能器的金额就高达368万，大大提高了整套设备的成本。
深水压力补偿蓄能器，在3000m深水下排出的有效液量是常规蓄能器排出有效液量的3.16倍。要满足3000m水下防喷器组的工作液量，只需安装59个52L的深海水压补偿蓄能器，节省防喷器组大量的宝贵空间，同时大幅度的降低防喷器组的重量，从而使得运输成本减少，下放海底的难度降低，一组这样的防喷器所需蓄能器的金额只有118万，一套这样的设备就可以节约高达250万的成本。
表1：活塞式深海水压补偿蓄能器与常规蓄能器对比
实施例2：参阅图3。实施例2与实施例1基本相同，不同点是：上壳体17和下壳体13的内径比为1∶2。上活塞18与下活塞11的直径比为1∶2。连接隔板14两端的连接螺纹同时相应改变，能连接上壳体17和下壳体13。
Claims (6)
1.一种活塞式深海水压补偿蓄能器，主要由气腔端盖(19)、充气阀(20)、上活塞(18)、上壳体(17)、连接隔板(14)、海水过滤器(16)、液压阀门(15)、活塞杆(12)、下活塞(11)、真空腔端盖(10)、密封丝堵(9)组成，其特征在于：在圆柱形连接隔板(14)的两端分别螺纹固定圆筒形上壳体(17)和下壳体(13)；
在上壳体(17)的另一端螺纹固定有圆柱体形气腔端盖(19)，气腔端盖(19)有与上壳体(17)内部连通的充气孔(1)，在充气孔(1)外端部固定有单向充气阀(20)；
在下壳体(13)的另一端螺纹固定有圆柱体形真空腔端盖(10)，真空腔端盖(10)有与下壳体(13)内部连通的通孔(8)，在通孔(8)外端部固定有密封丝堵(9)；
连接隔板(14)有中心孔，在连接隔板(14)的中心孔内有活塞杆(12)，活塞杆(12)与连接隔板(14)中心孔滑动配合，在活塞杆(12)的上端固定有上活塞(18)，上活塞(18)与上壳体(17)内壁滑动配合；在活塞杆(12)的下端固定有下活塞(11)，下活塞(11)与下壳体(13)内壁滑动配合；
在上壳体(17)内并在上活塞(18)与上端盖(19)之间形成气腔(2)，上活塞(18)与连接隔板(14)之间形成液腔(3)；在下壳体(13)内并在连接隔板(14)与下活塞(11)之间形成海水腔(6)，下活塞(11)与下端盖(10)之间形成真空腔(7)；
连接隔板(14)有轴向孔和径向孔，轴向孔与径向孔连通形成压力液通路(4)，轴向孔的另一端与液腔(3)连通，径向孔另一端固定有液压阀门(15)；
连接隔板(14)有轴向孔和径向孔，轴向孔与径向孔连通形成海水通路(5)，轴向孔的另一端与海水腔(6)连通，径向孔另一端固定有海水过滤器(16)。
2.根据权利要求1所述的活塞式深海水压补偿蓄能器，其特征是：上壳体(17)和下壳体(13)的内径比为1∶1.5～3之间；上活塞(18)与下活塞(11)的直径比为1∶1.5～3之间。
3.根据权利要求1所述的活塞式深海水压补偿蓄能器，其特征是：在上活塞(18)的上端面上固定有压缩弹簧(30)，弹簧(30)采用的是内外双层压缩弹簧。
4.根据权利要求3所述的活塞式深海水压补偿蓄能器，其特征是：在上壳体(17)与下壳体(13)的内径比为1∶1.5～3之间，上活塞(18)与下活塞(11)的直径比为1∶1.5～3之间。
5.根据权利要求1、2、3、或4所述的活塞式深海水压补偿蓄能器，其特征是：在上端盖(19)与上壳体(17)之间有密封圈；在下端盖(10)与下壳体(13)之间有密封圈；在上活塞(18)与上壳体(17)之间有密封圈；在下活塞(11)与下壳体(13)之间有密封圈；在连接隔板(14)的上端外壁与上壳体(17)内壁之间有密封圈；在连接隔板(14)的下端外壁与下壳体(13)内壁之间有密封圈；在连接隔板(14)中心孔壁上有密封圈。
6.根据权利要求1、2、3、或4所述的活塞式深海水压补偿蓄能器，其特征是：其使用方法分为组装、预充压、蓄能和释放四步；
组装：水上液压泵(21)的入口管线连接水上油箱(29)，出口管线连接水上单向阀(22)；将2～10个活塞式深海水压补偿蓄能器的液压阀门(15)的管线并联组成水下蓄能器组(25)，在水下单向阀(24)与水上单向阀(22)之间的管线上连接水上蓄能器组(23)，水下蓄能器组(25)管线连接到水下单向阀(24)到换向阀(26)的液压进口之间的管线上，换向阀(26)的液压出口管线连接液压回收阀(28)，液压回收阀(28)管线连接水上油箱(29)，换向阀(26)的工作进口和工作出口连接水下设备(27)；
预充压：活塞式深海水压补偿蓄能器放入海底前，打开充气阀(20)、丝堵(9)、海水过滤器(16)和液压阀门(15)，通过气腔端盖中的充气孔(1)向气腔(2)充入预充气体，推动上活塞(18)下移动，从而通过连接杆(12)带动下活塞(11)下移挤压真空腔(7)内的气体全部通过通孔流出，旋紧丝堵(9)，继续向气腔(3)内充入气体达到7～14MPa预充压，然后关闭充气阀(20)和液压阀门(15)，完成预充压；
蓄能：水下蓄能器组(25)放入海底，水上液压泵(21)通过管线向水上蓄能器组(23)内充压蓄能，中间有水上单向阀(22)防止液体回流；同时向水下蓄能器组(25)充压蓄能，水上蓄能器(23)与水下蓄能器组(25)之间有水下单向阀(24)，防止液体回流，活塞式深海水压补偿蓄能器在海底，由于海水自身的静水压力，海水通过海水通路(5)进入海水腔(6)内；在充压蓄能过程中，压力液通路(4)向液腔(17)充入压力液，并克服静水压力和预充压力推动上活塞(18)向上移动，压缩气腔内的预充气体，达到蓄能器的工作额定压力，同时通过连接杆(12)带动下活塞(11)上移，海水腔变小，真空腔(7)形成并慢慢变大，即液腔(17)的压力达到21～70Mpa额定工作压力，完成冲压蓄能过程；
释放：当水下工作设备(27)需要深海水压补偿蓄能器提供能量的时候，控制油路换向阀(26)换向，压力液由液腔(17)通过压力液通路(4)进水下工作设备(27)油路中，使水下工作设备(27)进行工作，水下工作设备(27)排出的低压油液通过液压回收阀(28)回收到水上油箱(29)。
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Denomination of invention: Piston type deep sea water pressure compensation accumulator Effective date of registration: 20211229 Granted publication date: 20120104 Pledgee: China Construction Bank Corporation North China Petroleum Branch Pledgor: RONGSHENG MACHINERY MANUFACTURE Ltd. OF HUABEI OILFIELD Registration number: Y2021980017013 |