CN104819338B - 皮囊式双向压力动态平衡补偿装置的深海阀门执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种皮囊式双向压力动态平衡补偿装置的深海阀门执行机构，其特征在于：它包括执行机构，执行机构通过阀门连接部件与水下阀门连接；皮囊式压力平衡补偿器设置在执行机构的外壁上。执行机构中执行机构壳体底部连接液压缸端盖，活塞杆一端位于液压缸端盖中空部内，活塞杆另一端穿过液压缸端盖顶部后连接传动轴套，传动轴套通过轴肩与弹簧座紧密配合，弹簧座与液压缸端盖之间设置弹簧。阀门连接部件中阀杆螺纹连接连轴卡套后通过活塞杆与执行机构连接。皮囊式压力平衡补偿器中平衡器壳体通过导流管道连接执行机构，平衡器壳体另一侧连接过滤端盖，平衡器壳体和过滤端盖之间设置有皮囊。本发明结构简单，成本低廉，可以广泛应用于深海阀门控制领域。

Description

皮囊式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，特别是关于一种皮囊式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。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。在海洋水下油气、石油开采及生产装置中，都会使用到水下阀门及阀门执行机构装置，而水下阀门的使用控制只有通过阀门执行机构才能完成，水下阀门及阀门执行机构要实现长周期免维护的使用工作要求，提高水下阀门及阀门执行机构的设计可靠性是必须的。但是，由于水下阀门装置技术及设备长期被国外公司垄断，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，其他的内部腔室所受内、外压力一般均为大气压力，对阀门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。因控压腔内的压力和容积的变化，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补偿。

而在深海使用的阀门执行机构，其控压腔除受操作液压压力外，阀门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室在控压腔通入工作压力动作时，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的各内部腔室，虽然可以实现内外压力平衡和补偿，但海水会对阀门执行机构的内部零件产生腐蚀，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结构简单，能够随水深动态平衡阀门执行机构内外压力的皮囊式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：一种皮囊式双向压力动态平衡补偿装置的深海阀门执行机构，其特征在于：它包括一执行机构、一阀门连接部件和一皮囊式压力平衡补偿器；所述执行机构通过所述阀门连接部件与水下阀门连接；所述皮囊式压力平衡补偿器设置在所述执行机构的外壁上；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通过螺栓紧固连接所述液压缸端盖，所述液压缸端盖采用中空的凸台结构，该凸台结构位于所述执行机构壳体内；所述活塞杆的一端位于所述液压缸端盖中空内孔腔内，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；所述传动轴套通过中部设置的轴肩与所述弹簧座紧密配合；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；所述皮囊式压力平衡补偿器包括一平衡器壳体、一过滤端盖和一皮囊；所述平衡器壳体上端设置有一排气孔，所述排气孔内设置有排气堵塞；所述平衡器壳体一侧通过内部设置有第一导流孔的导流管道与所述执行机构中的执行机构壳体内腔连接，所述平衡器壳体另一侧通过螺栓紧固连接所述过滤端盖，且所述过滤端盖表面设置有若干第二导流孔；所述皮囊设置在所述平衡器壳体与所述过滤端盖之间，且所述皮囊通过口部设置的两定位密封凸环固定在所述平衡器壳体与所述过滤端盖配合端面下侧设置的两梯形密封定位槽内；所述皮囊与所述平衡器壳体围成动态平衡腔，所述皮囊与所述过滤端盖围成海水补偿腔。

所述活塞杆一端顶部的环形面与所述液压缸端盖中空的孔底端面及中空的孔内壁面之间形成环形液压缸工作腔；所述液压缸端盖壁厚内部设置有两第三导流孔，每一所述第三导流孔一端都与所述液压缸工作腔连通，另一端都与所述执行机构外部连通，且每一所述第三导流孔与外部连通端都通过密封堵塞密封。

所述活塞杆采用内部设置有纵向的第四导流孔的倒“T”型主轴；所述活塞杆一端设置有一“U”型卡槽，且所述“U”型卡槽上侧设置有横向的第五导流孔，并与所述第四导流孔连通；所述传动轴套上，位于所述轴肩下侧设置一第六导流孔。

所述阀门连接部件包括一阀杆、一连轴卡套和一上阀盖；所述阀杆上端螺纹连接所述连轴卡套下端，所述连轴卡套上端与所述执行机构中所述活塞杆下端部的卡槽连接；所述上阀盖紧固连接所述液压缸端盖；所述液压缸端盖的内孔腔、上阀盖的内孔腔及孔底端面、活塞杆一端底面以及所述阀杆之间围成活塞杆行程腔。

所述第三导流孔的有效截面积≤所述第五导流孔的有效截面积；所述第三导流孔的有效截面积≤所述第六导流孔的有效截面积；所述第三导流孔的有效截面积≤所述第四导流孔的有效截面积≤所述第一导流孔的有效截面积。

所述皮囊中设置一层用于增强所述皮囊抗拉强度的衬层。

所述平衡器壳体通过导流管道呈水平“一”字型或垂直“L”字型连接安装在所述执行机构壳体上。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在执行机构外侧设置有皮囊式压力平衡补偿装置，通过其海水补偿腔和动态平衡腔的变化，可实现深海阀门执行机构开、关双向的动态压力平衡和动态容积补偿。2、本发明由于皮囊式压力平衡补偿装置中设置有海水补偿腔和动态平衡腔，随水深增加，海水挤压海水补偿腔使得执行机构中的执行机构内腔产生相同的内压，实现了执行机构内外压力平衡，保证了执行机构壳体安全，无需增加执行机构壳体厚度，减小了其外形尺寸和重量，降低了制造成本。3、本发明由于皮囊式压力平衡补偿装置中设置有皮囊，使得对执行机构进行动态补偿时，海水只在海水补偿腔内，而不会进入执行机构内部对其内部零件产生腐蚀，有效提高了产品使用性能和寿命。本发明结构简单，成本低廉，可以广泛应用于深海阀门控制领域。

附图说明

图1是本发明工作原理示意图

图2是本发明皮囊式压力平衡补偿器结构示意图

图3是图2中I部放大示意图

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所示，本发明包括一执行机构1、一阀门连接部件2和一皮囊式压力平衡补偿器3。执行机构1通过阀门连接部件2与水下阀门连接，皮囊式压力平衡补偿器3设置在执行机构1的外壁上。

其中，执行机构1包括一执行机构壳体10、一液压缸端盖11、一活塞杆12、一传动轴套13、一弹簧座14和若干弹簧15。执行机构壳体10底部通过螺栓紧固连接液压缸端盖11，液压缸端盖11采用中空的凸台结构，该凸台结构位于执行机构壳体10内。活塞杆12的一端位于液压缸端盖11中空内孔腔内，另一端穿过液压缸端盖11顶部位于执行机构壳体10内，且活塞杆12另一端与传动轴套13螺纹连接。传动轴套13中部设置轴肩131，通过轴肩131与弹簧座14紧密配合；位于弹簧座14与液压缸端盖11之间还设置有弹簧15。执行机构壳体10内形成执行机构封闭内腔V1。

上述实施例中，在液压缸端盖11壁厚内部设置有两导流孔111，每一导流孔111一端都与液压缸端盖11中空部连通，另一端都与执行机构1外部连通，导流孔111与外部连通端都通过密封堵塞112密封。活塞杆12一端顶部的环形面与液压缸端盖11中空的孔底端面及中空的孔内壁面之间形成液压缸工作腔V2，且液压缸工作腔V2与导流孔111连通。

上述各实施例中，活塞杆12采用内部设置有纵向的导流孔121的倒“T”型主轴；活塞杆12一端设置有一“U”型卡槽，且“U”型卡槽上侧设置有横向的导流孔122，且与导流孔121连通。

上述各实施例中，在传动轴套13上，位于轴肩131下侧设置有一导流孔132。

上述各实施例中，阀门连接部件2包括一阀杆20、一连轴卡套21和一上阀盖22。阀杆20上端螺纹连接连轴卡套21下端，连轴卡套21上端与执行机构1中活塞杆12端部的卡槽连接。上阀盖22紧固连接在液压缸端盖11下端面。液压缸端盖11的内孔腔、上阀盖22的内孔腔及孔底端面、活塞杆12一端底面以及阀杆20之间围成活塞杆行程腔V3。

如图2、图3所示，皮囊式压力平衡补偿器3包括一平衡器壳体30、一过滤端盖31和一皮囊32。平衡器壳体30上端设置有一排气孔301，排气孔301内设置有排气堵塞302。平衡器壳体30一侧通过内部设置有导流孔303的导流管道与执行机构1中的执行机构壳体10内腔连接，平衡器壳体30另一侧通过螺栓紧固连接过滤端盖31，且过滤端盖31表面设置有若干导流孔311。皮囊32设置在平衡器壳体30与过滤端盖31之间，且皮囊32通过口部设置的两定位密封凸环321固定在平衡器壳体30与过滤端盖31配合端面下侧设置的两梯形密封定位槽304、312之间。皮囊32与平衡器壳体30围成动态平衡腔V4，皮囊32与过滤端盖31围成海水补偿腔V5。

上述各实施例中，如图3所示，皮囊32中还可以设置一层衬层322，用于增强皮囊32的抗拉强度。

上述各实施例中，平衡器壳体30通过导流管道呈水平“一”字型或垂直“L”字型连接安装在执行机构壳体10上。

上述各实施例中，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：导流孔111的有效截面积≤导流孔132的有效截面积；导流孔111的有效截面积≤导流孔122的有效截面积；导流孔111的有效截面积≤导流孔121的有效截面积≤导流孔303的有效截面积。

本发明的工作过程为：

1)首先将阀门连接部件2中的阀杆20、连轴卡套21与执行机构1中的活塞杆12连接好后，将上阀盖22与液压缸端盖11通过螺栓及必要的密封配合件紧固装配在一起。

2)将皮囊式压力平衡补偿器3上端的排气堵塞302取下，使得动态平衡腔V4与大气相通。

3)从执行机构1上端连接件上的注油口(图中未标示)向执行机构封闭内腔V1内注入防护液。当防护液通过导流孔303进入皮囊式压力平衡补偿器3的动态平衡腔V4内，并从排气孔301溢出时，将排气堵塞302装入排气孔301中。继续注入防护液，当防护液液面高度超过导流孔121时，防护液会通过导流孔132、导流孔121以及导流孔122向活塞杆形程腔V3内注入防护液。继续注入防护液，直到防护液从执行机构1上端连接件上的注油口溢出时停止加注，封堵注油口，保证执行机构封闭内腔V1、活塞杆行程腔V3和动态平衡腔V4内充满防护液并不会外泄。

4)注液完成后，本发明在深海施工下潜的过程中，海水将通过皮囊式压力平衡补偿器3中的导流孔311进入海水补偿腔V5。随着水深的增大，外部水深压力P1将推动皮囊32向动态平衡腔V4移动，对动态平衡腔V4和执行机构封闭内腔V1腔室内的防护液产生压缩，因防护液不可压缩从而产生执行机构内腔压力P2，进而将外部水深压力P1等效的传递到执行机构内腔，实现执行机构1内外压力动态平衡。

5)当本发明在海底安装完毕后，即可开始投入使用。开阀过程中，通过导流孔111向液压缸工作腔V2通入有效工作流体容积为V的不可压缩工作液，引入控制工作压力P。此时，工作压力P将推动活塞杆12向下运动，并带动阀杆20、连轴卡套21、传动轴套13和弹簧座14向下运动，对弹簧15进行压缩，实现阀门的正常打开。

开阀过程中，随着工作压力P和工作容积V逐步增大，液压缸工作腔V2和活塞杆行程腔V3、动态平衡腔V4、海水补偿腔V5的容积将随工作容积V的变化一起波动。活塞杆12下降时，使得活塞杆行程腔V3内的防护液体积减小，由于活塞杆行程腔V3为封闭内腔，腔内剩余的防护液只能通过活塞杆12中的导流孔122、导流孔121和传动轴套13中的导流孔132压入执行机构封闭内腔V1内。由于执行机构封闭内腔V1也为封闭内腔，故剩余的防护液只能通过导流孔303进入皮囊式压力平衡补偿器3中的动态平衡腔V4，动态平衡腔V4增大使得皮囊32向外推送，使得海水补偿腔V5减小，腔内海水通过过滤端盖31表面的导流孔311挤出。动态平衡腔V4增加的容积和海水补偿腔V5减小的容积均为液压缸工作腔V2新增的工作容积V，进而实现开阀过程中向外部方向的动态压力平衡和容积补偿。

6)关阀过程中，液压缸工作腔V2内的工作压力P及工作容积V逐步减小，开发过程中压缩的弹簧9在回复弹力的作用下，通过弹簧座14拉动传动轴套13向上运动，进而带动活塞杆12、连轴卡套21和阀杆20也向上运动，实现阀门的正常关闭。

关阀过程中，活塞杆行程腔V3内的防护液体积将增大，需要有溶液补充，因而在开阀过程中进入动态平衡腔V4内的防护液经导流孔303、传动轴套13中的导流孔132、活塞杆12中的导流孔121和122被回吸补充进活塞杆行程腔V3中。此时，动态平衡腔V4的容积减小，皮囊32将向动态平衡腔V4侧移动，导致海水补偿腔V5容积增大，外部海水将通过导流孔311进入海水补偿腔V5内进行补充。动态平衡腔V4减小的容积和海水补偿腔V5增加的容积均为液压缸工作腔V2减小的工作容积V，进而实现关阀过程中向内部方向的动态压力平衡和容积补偿。

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 (7)

1.一种皮囊式双向压力动态平衡补偿装置的深海阀门执行机构，其特征在于：它包括一执行机构、一阀门连接部件和一皮囊式压力平衡补偿器；所述执行机构通过所述阀门连接部件与水下阀门连接；所述皮囊式压力平衡补偿器设置在所述执行机构的外壁上；

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通过螺栓紧固连接所述液压缸端盖，所述液压缸端盖采用中空的凸台结构，该凸台结构位于所述执行机构壳体内；所述活塞杆的一端位于所述液压缸端盖中空内孔腔内，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；所述传动轴套通过中部设置的轴肩与所述弹簧座紧密配合；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；

所述皮囊式压力平衡补偿器包括一平衡器壳体、一过滤端盖和一皮囊；所述平衡器壳体上端设置有一排气孔，所述排气孔内设置有排气堵塞；所述平衡器壳体一侧通过内部设置有第一导流孔的导流管道与所述执行机构中的执行机构壳体内腔连接，所述平衡器壳体另一侧通过螺栓紧固连接所述过滤端盖，且所述过滤端盖表面设置有若干第二导流孔；所述皮囊设置在所述平衡器壳体与所述过滤端盖之间，且所述皮囊通过口部设置的两定位密封凸环固定在所述平衡器壳体与所述过滤端盖配合端面下侧设置的两梯形密封定位槽内；所述皮囊与所述平衡器壳体围成动态平衡腔，所述皮囊与所述过滤端盖围成海水补偿腔。

2.如权利要求1所述的皮囊式双向压力动态平衡补偿装置的深海阀门执行机构，其特征在于：所述活塞杆一端顶部的环形面与所述液压缸端盖中空的孔底端面及中空的孔内壁面之间形成环形液压缸工作腔；所述液压缸端盖壁厚内部设置有两第三导流孔，每一所述第三导流孔一端都与所述液压缸工作腔连通，另一端都与所述执行机构外部连通，且每一所述第三导流孔与外部连通端都通过密封堵塞密封。

3.如权利要求2所述的皮囊式双向压力动态平衡补偿装置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的第四导流孔的倒“T”型主轴；所述活塞杆一端设置有一“U”型卡槽，且所述“U”型卡槽上侧设置有横向的第五导流孔，并与所述第四导流孔连通；所述传动轴套上，位于所述轴肩下侧设置一第六导流孔。

4.如权利要求1～3任一项所述的皮囊式双向压力动态平衡补偿装置的深海阀门执行机构，其特征在于：所述阀门连接部件包括一阀杆、一连轴卡套和一上阀盖；所述阀杆上端螺纹连接所述连轴卡套下端，所述连轴卡套上端与所述执行机构中所述活塞杆下端部的卡槽连接；所述上阀盖紧固连接所述液压缸端盖；所述液压缸端盖的内孔腔、上阀盖的内孔腔及孔底端面、活塞杆一端底面以及所述阀杆之间围成活塞杆行程腔。

5.如权利要求3所述的皮囊式双向压力动态平衡补偿装置的深海阀门执行机构，其特征在于：所述第三导流孔的有效截面积≤所述第五导流孔的有效截面积；所述第三导流孔的有效截面积≤所述第六导流孔的有效截面积；所述第三导流孔的有效截面积≤所述第四导流孔的有效截面积≤所述第一导流孔的有效截面积。

6.如权利要求1所述的皮囊式双向压力动态平衡补偿装置的深海阀门执行机构，其特征在于：所述皮囊中设置一层用于增强所述皮囊抗拉强度的衬层。

7.如权利要求1所述的皮囊式双向压力动态平衡补偿装置的深海阀门执行机构，其特征在于：所述平衡器壳体通过导流管道呈水平“一”字型或垂直“L”字型连接安装在所述执行机构壳体上。