CN104806811B - 一种具有双向压力动态平衡补偿装置的深海阀门执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有双向压力动态平衡补偿功能的深海阀门执行机构，它包括执行机构、活塞式压力平衡补偿器和阀门连接部件；所述活塞式压力平衡补偿器位于所述执行机构外侧且与所述执行机构连接，所述执行机构通过所述阀门连接部件与水下阀门连接。执行机构包括一执行机构壳体、一液压缸端盖、一活塞杆、一传动轴套、一弹簧座和若干弹簧；活塞式压力平衡补偿器包括压力平衡器壳体，压力平衡器壳体一侧设置有过滤端盖，另一侧通过连接轴与执行机构连接，压力平衡器壳体内设置有活塞，活塞将平衡器壳体分为动态平衡腔和海水补偿腔。本发明可有效平衡和补偿水下阀门执行机构内外压力和工作容积，结构简单，成本低廉，可以广泛应用于深海阀门控制领域。

Description

一种具有双向压力动态平衡补偿装置的深海阀门执行机构

技术领域

本发明涉及一种深海阀门执行机构，特别是关于一种具有双向压力动态平衡补偿装置的深海阀门执行机构。

背景技术

我国海洋油气勘探和开发起步较晚，缺乏具有自主知识产权的海洋石油水下装备关键技术和设备，基本依赖进口。随着我国石油勘探开发向海洋的战略转移，对海洋石油装备的需求进一步加大，对国外的技术和装备依赖性更大，所以无论是从国家能源安全方面还是从装备制造业未来发展方面考虑，研制适合我国油气勘探和开发的钻采装备都迫在眉睫。

水下阀门装置技术及设备长期被国外公司垄断，国内缺少此方面的投入和研究，近年来，我国的部分企业已经就海洋石油水下装备专项技术及产品展开了研究，取得了很大的进步；但是国内少有企业或机构对水下阀门装置展开系统、全面的研究。

自2011年开始，吴忠仪表有限责任公司通过承担国家科技部“十二五”重大专项“水下生产技术”子课题《水下阀门及执行机构加工工艺技术与样机研制》，子课题编号为2011ZX05026-003-04；率先系统、全面的对水下阀门设计、加工工艺研究及测试装置开展研究及应用，其中水下阀门执行机构的设计与应用是研究应用成果之一。

在陆地使用的阀门执行机构除了控压腔承受操作液压压力或气压压力外，其他的腔室所受内、外压力一般均为大气压力，对执行机构整体的结构强度进行设计时，只需考虑承压腔的承压强度和结构强度；因控压腔内压力和容积的变化，带动执行机构动作时，会引起其他腔室内的空气压力和容积也一起变化，此种变化可以通过壳体中各腔室间的导流孔或与大气相通的排气孔进行动态平衡补偿。

而在深海使用的阀门执行机构，其控压腔室除受操作液压压力外，执行机构整机壳体还要承受外部水深压力；如果执行机构内部的非控压腔室不采取压力平衡补偿，则执行机构内部的非控压腔在控压腔通入工作压力动作时，会因内腔封闭，会产生一定的反作用背压，阻止执行机构动作；同时壳体将承受来自外部水深单侧压力，造成内、外压力不一致，有使壳体压溃的趋势，为了保证壳体安全，就需增加壳体壁厚，造成外形尺寸和重量增大，提高制造成本。

而为了达到压力平衡补偿，简单的把深海阀门执行机构像陆地上的执行机构一样，将内部腔室与外部海水用导流(压)孔联通，将海水直接引入执行机构内部腔室，虽然可以实现内外压力平衡和补偿，但海水会对内部零件产生腐蚀，严重影响产品使用性能和寿命；为了实现执行机构内外压力平衡和容积的有效补偿，提高产品使用性能和寿命，减小外形尺寸和重量，就需对此功能结构进行必要的研究。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可有效平衡和补偿水下阀门执行机构内外压力和工作容积，使用性能好，使用寿命长的具有双向压力动态平衡补偿装置的深海阀门执行机构。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种具有双向压力动态平衡补偿功能的深海阀门执行机构，其特征在于：它包括执行机构、活塞式压力平衡补偿器和阀门连接部件；所述活塞式压力平衡补偿器位于所述执行机构外侧且与所述执行机构连接，所述执行机构通过所述阀门连接部件与水下阀门连接；

所述执行机构包括一执行机构壳体、一液压缸端盖、一活塞杆、一传动轴套、一弹簧座和若干弹簧；所述执行机构壳体底部紧固连接所述液压缸端盖，所述液压缸端盖采用中空凸台结构，该所述凸台结构位于所述执行机构壳体内；所述活塞杆一端部位于所述液压缸端盖中空部内腔内，所述活塞杆另一端穿过所述液压缸端盖顶部位于所述执行机构壳体内，且所述活塞杆另一端与所述传动轴套螺纹连接；所述传动轴套中部设置轴肩，所述传动轴套通过所述轴肩与所述弹簧座紧配合；位于所述弹簧座与所述液压缸端盖之间还设置有所述弹簧；所述执行机构壳体内形成执行机构封闭内腔；在所述液压缸端盖壁面内部设置有两端盖导流孔，每一所述端盖导流孔一端都与所述液压缸端盖中空部连通，每一所述端盖导流孔另一端与所述执行机构外部连通，所述端盖导流孔与外部连通端都通过密封堵塞密封；所述活塞杆端部底面与所述液压缸端盖凸台内端面及内孔壁面之间形成液压缸工作腔，且所述液压缸工作腔与所述端盖导流孔连通；

所述活塞式压力平衡补偿器包括压力平衡器壳体，所述压力平衡器壳体远离所述执行机构的一侧设置有过滤端盖，所述压力平衡器壳体另一侧通过连接管与所述执行机构连接；位于所述压力平衡器壳体内设置有活塞，所述活塞将所述平衡器壳体内部的空间划分为两部分，其中靠近所述执行机构的部分为动态平衡腔，远离所述执行机构的部分为海水补偿腔；在所述连接管内设置有连接导流孔，所述执行机构封闭内腔和所述动态平衡腔通过所述连接导流孔连通；在所述压力平衡器壳体上端还设置有排气孔，所述排气孔与所述动态平衡腔连通。

所述活塞杆采用内部设置有纵向导流孔的倒“T”型主轴；所述活塞杆下端部靠下位置处还设置有一“U”型卡槽，且所述“U”型卡槽上侧设置有横向导流孔，且所述横向导流孔与纵向导流孔相连通。

所述阀门连接部件包括连轴卡套、阀杆和上阀盖；所述连轴卡套位于所述液压缸端盖的中空部，所述连轴卡套的底端与所述活塞杆端部的所述“U”型卡槽连接，所述连轴卡套的另一端螺纹连接所述阀杆的端部,所述上阀盖与所述液压缸端盖螺栓固定连接；所述液压缸端盖的内孔壁、所述上阀盖的内孔壁及孔底端面、所述活塞杆下端面与所述连轴卡套、所述阀杆的外壁围成活塞杆行程腔。

在所述传动轴套上，位于所述轴肩下侧外壁两侧各设置有一传动轴套导流孔。

所述端盖导流孔的有效截面积≤所述横向导流孔的有效截面积；所述端盖导流孔的有效截面积≤所述传动轴套导流孔的有效截面积；所述端盖导流孔的有效截面积≤所述纵向导流孔的有效截面积≤所述连接轴导流孔的有效截面积。

所述活塞的两侧面分别设置有挡板，所述挡板通过螺钉与所述活塞固定。

所述活塞与所述压力平衡器壳体连接处设置有密封件。

所述连接轴呈水平“一”字型或垂直“L”字型。

所述执行机构壳体和所述液压缸端盖通过螺柱和螺母固定连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用在执行机构的外侧设置有活塞式压力平衡补偿器，通过活塞式压力平衡补偿器中活塞的移动实现执行机构在深海中内外压力的动态平衡，很好地解决深海阀门执行机构内压力在水下施工过程中随水深的增加而增大对执行机构造成的影响，有效地提高了执行机构的使用性能，延长了执行机构的使用寿命。2、本发明由于采用活塞式压力平衡补偿器实现了深海阀门执行机构内外压力的动态平衡，可满足深海阀门执行机构长周期免维护的使用工作要求，降低了深海阀门执行机构的结构设计难度，减小了外形结构尺寸，有效地降低整机重量和生产制造成本。综上所述，本发明可以广泛应用于深海阀门控制领域中。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1中A部分的放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提供一种具有双向压力动态平衡补偿功能的深海阀门执行机构，其包括执行机构、活塞式压力平衡补偿器和阀门连接部件。活塞式压力平衡补偿器位于执行机构外侧且与执行机构连接，执行机构通过阀门连接部件与水下阀门连接。

执行机构包括一执行机构壳体1、一液压缸端盖2、一活塞杆3、一传动轴套4、一弹簧座5和若干弹簧6。执行机构壳体1底部紧固连接液压缸端盖2，液压缸端盖2采用中空凸台结构，该凸台结构位于执行机构壳体1内。活塞杆3一端部位于液压缸端盖2中空部内腔内，另一端穿过液压缸端盖2顶部位于执行机构壳体1内，且活塞杆3另一端与传动轴套4螺纹连接。传动轴套4中部设置轴肩，通过轴肩与弹簧座5紧配合；位于弹簧座5与液压缸端盖2之间还设置有弹簧6。执行机构壳体1内形成执行机构封闭内腔V1。在液压缸端盖2壁面内部设置有两端盖导流孔111，每一端盖导流孔111一端都与液压缸端盖2中空部连通，另一端与执行机构1外部连通，端盖导流孔111与外部连通端都通过密封堵塞密封。活塞杆3端部底面与液压缸端盖2凸台内端面及内孔壁面之间形成液压缸工作腔V2，且液压缸工作腔V2与端盖导流孔111连通。

活塞式压力平衡补偿器包括压力平衡器壳体8，压力平衡器壳体8远离执行机构的一侧设置有过滤端盖9，另一侧通过连接管10与执行机构连接。位于压力平衡器壳体8内设置有活塞11，活塞11将平衡器壳体8内部的空间划分为两部分，其中靠近执行机构的部分为动态平衡腔V3，远离执行机构的部分为海水补偿腔V4，海水可以通过过滤端盖9进入海水补偿腔V4。在连接管10内设置有连接导流孔112，执行机构封闭内腔V1和动态平衡腔V3通过连接导流孔112连通。在压力平衡器壳体8上端还设置有排气孔12，排气孔12与动态平衡腔V3连通。

上述各实施例中，活塞杆3采用内部设置有纵向导流孔113的倒“T”型主轴；活塞杆3下端部靠下位置处还设置有一“U”型卡槽，且“U”型卡槽上侧设置有横向导流孔114，且横向导流孔114与纵向导流孔113相连通。

上述各实施例中，在传动轴套4上，位于轴肩下侧外壁两侧各设置有一传动轴套导流孔115。

如图1所示，阀门连接部件包括连轴卡套13、阀杆14和上阀盖15。连轴卡套13位于液压缸端盖2的中空部，连轴卡套13的底端与活塞杆3端部的“U”型卡槽连接，连轴卡套13的另一端螺纹连接阀杆14的端部,装有阀杆14的上阀盖15与液压缸端盖2螺栓固定连接。液压缸端盖2的内孔壁、上阀盖15的内孔壁及孔底端面、活塞杆3下端面与连轴卡套13、阀杆14的外壁围成活塞杆行程腔V5。

上述实施例中，为了保证执行机构的动作响应时间，各部件中的导流孔的有效截面积总和应满足：端盖导流孔111的有效截面积≤横向导流孔114的有效截面积和；端盖导流孔111的有效截面积≤传动轴套导流孔115的有效截面积；端盖导流孔111的有效截面积≤纵向导流孔113的有效截面积≤连接轴导流孔112的有效截面积。

上述实施例中，活塞11的两侧面分别设置有挡板16，挡板16通过螺钉17与活塞11固定。活塞11与压力平衡器壳体8连接处设置有密封件18，确保动态平衡腔V3和海水补偿腔V4密封隔开。

上述实施例中，连接轴10呈水平“一”字型或垂直“L”字型连接安装。

上述实施例中，排气孔12内设置有相应的排气堵塞。

上述实施例中，执行机构壳体1和液压缸端盖2通过螺柱19和螺母20固定连接；过滤端盖9和压力平衡器壳体8通过螺钉17固定。

本发明提供的具有双向压力动态平衡补偿装置的深海阀门执行机构的具体工作过程包括以下步骤：

1)将专用防护液从执行机构壳体1顶部的注油口注入执行机构封闭内腔V1，当防护液通过连接轴导流孔112进入动态平衡腔V3，并从排气孔12溢出时，用排气堵塞将排气孔12堵住。继续注入防护液，当防护液液面高度与传动轴套导流孔115一致时，防护液依次通过传动轴套导流孔115、活塞杆上的纵向导流孔113和横向导流孔114进入活塞杆行程腔V5，直到防护液从注油口溢出，用堵塞将注油口堵住，防护液充满执行机构封闭内腔V1、动态平衡腔V3和活塞杆行程腔V5。

2)具有活塞式双向压力动态平衡补偿装置的深海阀门执行机构在深海施工下潜的过程中，海水通过过滤端盖9进入海水补偿腔V4，随着下潜深度的增大，外部海水压力P1将推动活塞11向动态平衡腔V3移动，进而对执行机构封闭内腔V1、动态平衡腔V3和活塞杆行程腔V5中的防护液产生压缩，因防护液不可压缩产生防护液压力P2，使得活塞11两侧压力相等，实现深海阀门执行机构内外压力的动态平衡。

3)将深海阀门执行机构与深海阀门连接完毕后，通过液压缸端盖2内的端盖导流孔111向液压缸工作腔V2中引入控制工作压力P，通入有效工作容积为V的不可压缩工作液，随着不可压缩工作液的增加，液压缸工作腔V2逐渐增大，推动活塞杆3向下运动，通过连轴卡套13带动阀杆14移动，进而实现阀门的打开或关闭。同时，活塞杆3通过传动轴套4带动弹簧座5向下运动，对弹簧6进行压缩。

4)随着活塞杆3向下运动，活塞杆行程腔V5的容积将减小，活塞杆行程腔V5中多余的防护液将依次通过活塞杆上的横向导流孔114和纵向导流孔113、传动轴套导流孔115进入执行机构封闭内腔V1，进而通过连接轴导流孔112进入动态平衡腔V3，推动活塞11向海水补偿腔V4移动，实现深海阀门执行机构向外部方向的内外压力和容积的动态平衡及补偿。

5)当对阀门进行相反的操作时，逐步减小液压缸工作腔V2中的工作压力P和有效工作容积为V的不可压缩工作液，被压缩的弹簧6在恢复弹力的作用下，通过弹簧座5带动传动轴套4向上运动，进而带动活塞杆3向上运动。活塞杆3通过连轴卡套13带动阀杆14移动，进而对阀门进行相反的操作。活塞杆行程腔V5的容积增大，在步骤4)中流入动态平衡腔V3的防护液依次通过连接轴导流孔112、传动轴套导流孔115、活塞杆上的纵向导流孔113和横向导流孔114被回吸流入活塞杆行程腔V5。活塞11在外部海水压力P1的作用下向动态平衡腔V3移动，再次实现深海阀门执行机构向内部方向的内外压力和容积的动态平衡及补偿。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种具有双向压力动态平衡补偿功能的深海阀门执行机构，其特征在于：它包括执行机构、活塞式压力平衡补偿器和阀门连接部件；所述活塞式压力平衡补偿器位于所述执行机构外侧且与所述执行机构连接，所述执行机构通过所述阀门连接部件与水下阀门连接；

所述执行机构包括一执行机构壳体、一液压缸端盖、一活塞杆、一传动轴套、一弹簧座和若干弹簧；所述执行机构壳体底部紧固连接所述液压缸端盖，所述液压缸端盖采用中空凸台结构，该所述凸台结构位于所述执行机构壳体内；所述活塞杆一端部位于所述液压缸端盖中空部内腔内，所述活塞杆另一端穿过所述液压缸端盖顶部位于所述执行机构壳体内，且所述活塞杆另一端与所述传动轴套螺纹连接；所述传动轴套中部设置轴肩，所述传动轴套通过所述轴肩与所述弹簧座紧配合；位于所述弹簧座与所述液压缸端盖之间还设置有所述弹簧；所述执行机构壳体内形成执行机构封闭内腔；在所述液压缸端盖壁面内部设置有两端盖导流孔，每一所述端盖导流孔一端都与所述液压缸端盖中空部连通，每一所述端盖导流孔另一端与所述执行机构外部连通，所述端盖导流孔与外部连通端都通过密封堵塞密封；所述活塞杆端部底面与所述液压缸端盖凸台内端面及内孔壁面之间形成液压缸工作腔，且所述液压缸工作腔与所述端盖导流孔连通；

所述活塞式压力平衡补偿器包括压力平衡器壳体，所述压力平衡器壳体远离所述执行机构的一侧设置有过滤端盖，所述压力平衡器壳体另一侧通过连接管与所述执行机构连接；位于所述压力平衡器壳体内设置有活塞，所述活塞将所述平衡器壳体内部的空间划分为两部分，其中靠近所述执行机构的部分为动态平衡腔，远离所述执行机构的部分为海水补偿腔；在所述连接管内设置有连接导流孔，所述执行机构封闭内腔和所述动态平衡腔通过所述连接导流孔连通；在所述压力平衡器壳体上端还设置有排气孔，所述排气孔与所述动态平衡腔连通。

2.如权利要求1所述的一种具有双向压力动态平衡补偿功能的深海阀门执行机构，其特征在于：所述活塞杆采用内部设置有纵向导流孔的倒“T”型主轴；所述活塞杆下端部靠下位置处还设置有一“U”型卡槽，且所述“U”型卡槽上侧设置有横向导流孔，且所述横向导流孔与纵向导流孔相连通。

3.如权利要求2所述的一种具有双向压力动态平衡补偿功能的深海阀门执行机构，其特征在于：所述阀门连接部件包括连轴卡套、阀杆和上阀盖；所述连轴卡套位于所述液压缸端盖的中空部，所述连轴卡套的底端与所述活塞杆端部的所述“U”型卡槽连接，所述连轴卡套的另一端螺纹连接所述阀杆的端部,所述上阀盖与所述液压缸端盖螺栓固定连接；所述液压缸端盖的内孔壁、所述上阀盖的内孔壁及孔底端面、所述活塞杆下端面与所述连轴卡套、所述阀杆的外壁围成活塞杆行程腔。

4.如权利要求1～3任一项所述的一种具有双向压力动态平衡补偿功能的深海阀门执行机构，其特征在于：在所述传动轴套上，位于所述轴肩下侧外壁两侧各设置有一传动轴套导流孔。

5.如权利要求4所述的一种具有双向压力动态平衡补偿功能的深海阀门执行机构，其特征在于：所述端盖导流孔的有效截面积≤所述活塞杆内部的横向导流孔的有效截面积；所述端盖导流孔的有效截面积≤所述传动轴套导流孔的有效截面积；所述端盖导流孔的有效截面积≤所述活塞杆内部的纵向导流孔的有效截面积≤连接轴导流孔的有效截面积。

6.如权利要求1所述的一种具有双向压力动态平衡补偿功能的深海阀门执行机构，其特征在于：所述活塞的两侧面分别设置有挡板，所述挡板通过螺钉与所述活塞固定。

7.如权利要求1所述的一种具有双向压力动态平衡补偿功能的深海阀门执行机构，其特征在于：所述活塞与所述压力平衡器壳体连接处设置有密封件。

8.如权利要求1所述的一种具有双向压力动态平衡补偿功能的深海阀门执行机构，其特征在于：所述连接管呈水平“一”字型或垂直“L”字型。

9.如权利要求1所述的一种具有双向压力动态平衡补偿功能的深海阀门执行机构，其特征在于：所述执行机构壳体和所述液压缸端盖通过螺柱和螺母固定连接。