CN104847739B - 一种隔水管张紧器液压安全阀组 - Google Patents

一种隔水管张紧器液压安全阀组 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隔水管张紧器液压安全阀组，包括主阀，主阀的阀芯与控制油缸的活塞杆前端传动连接，控制油缸的活塞杆尾端连接有线性位移传感器，控制油缸的两个油腔分别通过液控单向阀二和液控单向阀三与比例换向阀连通，比例换向阀再通过另外一个液控单向阀一接回主阀；控制油缸的两个油腔还分别通过液控换向阀一和液控换向阀二与液控先导式截止阀、电磁阀二、电磁阀一连通，液控单向阀一、液控单向阀二和液控单向阀三还同时与电磁阀一连通；另外，比例换向阀、两个电磁阀、两个液控换向阀分别通过管路与泄油口连通。本发明的结构，结构简单，功能可靠。

Description

一种隔水管张紧器液压安全阀组
技术领域
本发明属于海洋石油钻井技术领域，用于保障隔水管系统的安全，涉及一种隔水管张紧器液压安全阀组。
背景技术
半潜式海洋平台受波浪的影响上下升沉运动，在钻井作业的过程中要求隔水管与水下井口设备保持相对位置不发生变化，往往会采用隔水管张紧器来抵消平台升沉运动所产生的影响。
隔水管张紧器分为液缸直驱式和钢丝绳式两种形式，两种方式实现的方式不一样，但原理一致。但是，由于半潜式海洋钻井平台海洋作业的特殊性，对隔水管系统的安全要求极高，隔水管张紧器负担着整个隔水管系统的重量，一旦出现致命故障，带来的经济损失无法估量。
为保障隔水管张紧器的安全，在增加张紧系统安全系数的前提下，还要考虑张紧器在失效情况下的保护。目前所知工况包括：1)避免由于张紧器钢丝绳断裂或机械连接失效导致补偿液缸反冲；2)平台在遭遇未知灾害(比如隔水管断裂、海底火山、海啸等)需要紧急撤离时及时切断和提升隔水管。
发明内容
本发明的目的是提供一种隔水管张紧器液压安全阀组，解决了现有技术中张紧器液压安全阀存在处理特殊情况的功能不足，容易导致严重后果的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种隔水管张紧器液压安全阀组，包括主阀，主阀通过A油口与张紧器补偿液缸连通，主阀通过B油口与蓄能器连通；主阀的阀芯与控制油缸的活塞杆前端传动连接，控制油缸的活塞杆尾端连接有线性位移传感器，控制油缸的两个油腔一方面各自对应通过液控单向阀二和液控单向阀三与比例换向阀连通，比例换向阀再通过另外一个液控单向阀一接回主阀；另一方面，控制油缸的两个油腔分别通过各自对应的液控换向阀一和液控换向阀二同时与液控先导式截止阀、电磁阀二、电磁阀一连通，液控换向阀一和液控换向阀二一起称为液控换向阀组，液控单向阀一、液控单向阀二和液控单向阀三还同时与电磁阀一连通；另外，比例换向阀、电磁阀一、电磁阀二、液控换向阀组分别通过管路与泄油口连通。
本发明的隔水管张紧器液压安全阀组，其特征还在于：
主阀设置为两位，即截止位和流通位，截止位带节流口，流通位带比例流量调节。
控制油缸杆腔内置弹簧。
每个液控换向阀的一端带有先导控制，另一端带有控制油缸。
本发明的有益效果是，能够提供正常通路、补偿液缸失效时的安全保护、隔水管断裂保护、补偿液缸应急提升及防碰，具体包括：
1)集成多个液压阀组成一个安全阀组，解决隔水管张紧器的部分安全问题，整套阀组结构紧凑，安装方便，符合隔水管作业工况。
2)采用液压驱动，能保证阀组在钢丝绳断裂或机械连接失效时自动切断蓄能器和补偿液缸的液压通路，系统可靠性高。
3)内部的电磁阀、比例阀、以及线性位移传感器的组合，使得操作人员可以远程控制主阀的流量，并能实时反馈主阀的开口度，设备自动化程度较高。
4)为满足隔水管张紧器工况，主阀1、控制油缸2、液控换向阀组均进行了创新的设置。
附图说明
图1是现有的隔水管张紧器原理简图；
图2是本发明安全阀组在正常工况下结构示意图；
图3是本发明安全阀组在紧急工况下结构示意图。
图中，1.主阀；2.控制油缸；3.比例换向阀；4.电磁阀一；5.电磁阀二；6.液控先导式截止阀；7.液控换向阀一；8.液控换向阀二；9.线性位移传感器，10.液控单向阀一，11.液控单向阀二，12.液控单向阀三。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1，现有典型的张紧器系统由6组张紧器组成，6组张紧器分别与控制柜连接，每组张紧器由补偿液缸、安全阀和蓄能器组成，补偿液缸和蓄能器之间通过液压油交换来补偿平台的升沉运动，安全阀进行预设压力控制。
本发明的安全阀组安装在蓄能器与补偿液缸之间，作为流量控制阀。
参照图2、图3，本发明的结构是，包括主阀1，主阀1通过A油口与张紧器补偿液缸连通，主阀1通过B油口与蓄能器连通，主阀1为本发明阀组液压油主要对外流通通道；主阀1的阀芯(或阀板)与控制油缸2的活塞杆前端传动连接，控制油缸2的活塞杆尾端连接有线性位移传感器9，控制油缸2的两个油腔一方面各自对应通过液控单向阀二11和液控单向阀三12与比例换向阀3连通，比例换向阀3再通过另外一个液控单向阀一10接回主阀1，液控单向阀一10、液控单向阀二11和液控单向阀三12一起称为液控单向阀组；另一方面，控制油缸2的两个油腔分别通过各自对应的液控换向阀一7和液控换向阀二8同时与液控先导式截止阀6、电磁阀二5、电磁阀一4连通，液控换向阀一7和液控换向阀二8一起称为液控换向阀组，液控单向阀一10、液控单向阀二11和液控单向阀三12还同时与电磁阀一4连通；另外，比例换向阀3、电磁阀一4、电磁阀二5、液控换向阀组分别通过管路与泄油口连通。
主阀1设置为两位，即截止位和流通位，截止位带节流口，流通位带比例流量调节；控制油缸2杆腔内置弹簧，活塞杆与主阀1的b端连接用于控制主阀1的开度；液控换向阀组中的每个液控换向阀的一端带有先导控制，另一端带有控制油缸，以便满足隔水管张紧器的实际工况。
上述的一系列阀件共同构成本发明隔水管张紧器液压安全阀组，采用液压动力，控制进出隔水管张紧器补偿液缸液压油流量，保障在必要的时候切断液压通道，避免补偿液缸因为张紧器故障迅速提升产生的风险，并在应急情况下对流量进行控制，操作补偿液缸，间接控制隔水管的提升，另外，在应急情况下还具备防碰功能。
在正常工况下，通过液压动力保障隔水管张紧器安全，利用主阀1、控制油缸2、液控换向阀组；
在张紧器失效时，蓄能器和补偿液缸两端产生的压差使主阀迅速关闭，切断补偿液缸供油，阻止补偿液缸的提升。内部集成了比例换向阀3、电磁阀一4、电磁阀二5、液控先导式截止阀6，保障隔水管张紧器在应急工况下的操作和安全。利用比例换向阀3调节控制油缸的伸缩进而调节主阀的开度，最终控制进出补偿液缸液压油流量；在应急工况下，还能利用液控先导式截止阀6实现隔水管与水下设备防碰。比例换向阀3、电磁阀一4、电磁阀二5、线性位移传感器9的加入，使阀组能通过开关量和比例量信号进行控制，还实时反馈补偿液缸进出流量。
本发明的工作原理是，
通过阀组内各个液压元器件的联合控制，不仅能使隔水管张紧器最大限度的保障安全，还能在应急情况下进行一系列操作。本发明以下两个方面实现安全保护：第一、正常工况，避免由于张紧器钢丝绳断裂或机械连接失效导致的补偿液缸迅速上升导致的事故；第二、紧急工况，在突发情况下，能对补偿液缸进行应急操作，避免平台升沉运动使隔水管与水下设备碰撞损坏。
本发明的具体控制过程是：
1、正常工况下安全功能的实现
正常工况下，本阀组用于阻止因张紧失效导致的补偿液缸迅速上升与平台设备碰撞。在正常工况下，见图2，阀组整体处于断电状态，比例换向阀3、电磁阀一4、电磁阀二5掉电，比例换向阀3位于中位。电磁阀一4位于a位，此时液控单向阀一10、液控单向阀二11和液控单向阀三12液控端泄油，关闭比例换向阀3的进油油路，B口高压液压油无法通过液控单向阀一10进入比例换向阀3，同时控制油缸2两端的液压油也无法通过液控单向阀二11和液控单向阀三12进入比例换向阀3；在液控换向阀一7和液控换向阀二8先导控制端，蓄能器的压力油控制液控换向阀一7打开，补偿液缸的压力油控制液控换向阀二8打开，此时，通过主阀1、控制油缸2、液控换向阀一7和液控换向阀二8来保障安全。正常状态下。主阀1处于打开状态，A口和B口的压力之差仅为主阀1的节流损失，此时张紧器正常补偿平台升沉运动。当补偿液缸失效时，导致补偿液缸压力迅速上升，此时蓄能器的液压油迅速流动到补偿液缸中，导致主阀1两端的压差迅速升高，原理见公式1，当达到安全阀关断条件时，即流量达到失效的条件导致控制油缸2两端压差足够克服弹簧的弹力，液控换向阀一7给控制油缸2塞腔充液，使控制油缸下降。由于控制油缸2与主阀1的b端相连，此时主阀1迅速关断，切断蓄能器和液压缸之间的液压连接。在主阀1的b位截止口之间有一个很小的节流口，能保证主阀在关断之后缓慢提升油缸，以便于工人检修。在主阀1关闭的同时，控制油缸2上的线性位移传感器9将位移信号输出到控制中心，提醒操作人员张紧器故障。
通过节流口流量计算公式：
Q＝KL·A·(ΔP)m (1)
式中KL——节流系数，一般为常数；
A——孔口或缝隙的过流面积；
ΔP——孔口或缝隙的前后压力差；
m——指数，0.5≤m≤1。
2、紧急工况下安全功能的实现
紧急工况下，本阀组能保障在突发情况下进行应急操作，紧急工况包括隔水管断裂和应急切断。当紧急情况发生之后，如图3所示，电磁阀一4得电，此时，主油路高压液压油控制液控单向阀一10、液控单向阀二11和液控单向阀三12打开主油路；同时，电磁阀二5的b端电磁铁得电，高压液压油通过电磁阀二5进入液控换向阀一7和液控换向阀二8，并关断液控换向阀一7和液控换向阀二8；液压油通过液控单向阀一10进入比例换向阀3，再通过液控单向阀二11或液控单向阀三12进入控制主阀1的控制油缸2的上端或下端，控制主阀1下行或上行，通过控制比例换向阀3使蓄能器到补偿液缸之间的液压油流量可调。当系统监测到隔水管断裂时，切换到紧急模式，手动关闭主阀1，切断补偿液缸和蓄能器之间的流量，使隔水管停止上升；当紧急撤离时，则手动开启主阀1，张紧器将隔水管缓慢提升，实现保护的目的。
3、紧急工况下隔水管防碰功能的实现
在紧急工况下，本阀组控制补偿液缸提升隔水管系统，为保证在提升的时候不受平台升沉运动的影响导致隔水管下部与井口设备发生碰撞，本阀组特别设置了液控先导式截止阀6。在紧急情况下，液控先导式截止阀6两端的液压压力分别代表了蓄能器的压力和补偿液缸的压力，在液控先导式截止阀6的左端设置有弹簧，弹簧调定压力ΔP可调。当提升隔水管时，平台由于升沉运动下降，补偿液缸处即A口的压力变大，为保证不与水下设备接触，当补偿液缸的液压压力与蓄能器压力之差大于ΔP时，液控先导式截止阀6打开，此时，高压压力油通过液控先导式截止阀6流入液控换向阀一7和液控换向阀二8，使得蓄能器和补偿液缸控制主阀1的开口度，在控制油缸2弹簧和补偿液缸压力作用下，控制油缸2杆腔压力大于塞腔，控制油缸2缩回，主阀1重新回到打开状态，蓄能器液压油流入补偿液缸，补偿液缸提升，隔水管防碰生效。当船体上升时，补偿液缸处A口压力不再大于蓄能器压力ΔP，液控液控先导式截止阀6关闭，阀组重新回到比例换向阀3控制状态。为满足不同海况的防碰功能，此处的液控先导式截止阀6的弹簧压力可调，根据平台升沉运动的剧烈程度，调节范围为0.5-2MPa。
本发明的安全阀组应用于隔水管张紧器，使隔水管张紧器在紧急情况下进行相应的安全操作，以提高海洋隔水管系统的可靠性。所有液压元件高度集成，结构紧凑、操作简单、可靠性高，并带有位置反馈功能，在保障隔水管张紧器安全的前提下还能对隔水管张紧器运行的部分情况进行实时监测，符合隔水管张紧器的实际工况。

Claims (4)

1.一种隔水管张紧器液压安全阀组，其特征在于：包括主阀(1)，主阀(1)通过A油口与张紧器补偿液缸连通，主阀(1)通过B油口与蓄能器连通；主阀(1)的阀芯与控制油缸(2)的活塞杆前端传动连接，控制油缸(2)的活塞杆尾端连接有线性位移传感器(9)，控制油缸(2)的两个油腔一方面各自对应通过液控单向阀二(11)和液控单向阀三(12)与比例换向阀(3)连通，比例换向阀(3)再通过另外一个液控单向阀一(10)接回主阀(1)；另一方面，控制油缸(2)的两个油腔分别通过各自对应的液控换向阀一(7)和液控换向阀二(8)同时与液控先导式截止阀(6)、电磁阀二(5)、电磁阀一(4)连通，液控换向阀一(7)和液控换向阀二(8)一起称为液控换向阀组，液控单向阀一(10)、液控单向阀二(11)和液控单向阀三(12)还同时与电磁阀一(4)连通；另外，比例换向阀(3)、电磁阀一(4)、电磁阀二(5)、液控换向阀组分别通过管路与泄油口连通。
2.根据权利要求1所述的隔水管张紧器液压安全阀组，其特征在于：所述的主阀(1)设置为两位，即截止位和流通位，截止位带节流口，流通位带比例流量调节。
3.根据权利要求1所述的隔水管张紧器液压安全阀组，其特征在于：所述的控制油缸(2)杆腔内置弹簧。
4.根据权利要求1所述的隔水管张紧器液压安全阀组，其特征在于：所述的每个液控换向阀的一端带有先导控制单元，另一端带有油缸控制单元。
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