CN105090157A - 直接作用式补偿液缸及其隔水管张紧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接作用式补偿液缸，包括外缸筒，外缸筒内腔下段固定安装有一个内缸筒，外缸筒上部壁上开有低压气体通道，外缸筒内腔上段设置有活塞，在内缸筒圆壁中设置有高压液体通道，高压液体通道设置有高压接口；在内缸筒内圆中套装有导向套和弹簧；内缸筒下端内圆通过螺纹与缸套套接；活塞向下连接有活塞杆，活塞杆向下依次穿过内缸筒上端沿的轴心孔、弹簧、导向套、缸套和下端盖的轴心孔。本发明还公开了一种直接作用式隔水管张紧器，利用上述的补偿液缸，在补偿液缸的外圆上固定安装有安全阀组和活塞式蓄能器。本发明的有益效果是，结构简单、易于操作和维护，确保隔水管张紧器安全、可靠运行。

Description

直接作用式补偿液缸及其隔水管张紧器

技术领域

本发明属于海洋石油天然气钻采装备技术领域，涉及一种直接作用式补偿液缸，本发明还涉及一种直接作用式隔水管张紧器。

背景技术

隔水管张紧器作为深水油气勘探的重要设备，其功能主要是对浮式平台(钻井船)与隔水管之间的相对运动进行补偿，隔水管张紧器的性能是影响海上钻完井作业经济性与安全性的重要因素。

目前，浮式钻井隔水管张紧器主要有两种形式：一种是通过钢丝绳与隔水管连接的形式，简称钢丝绳式隔水管张紧器；另一种是通过液缸直接与隔水管连接的形式，简称直接作用式隔水管张紧器。由于钢丝绳式张紧器存在操作维修费用高，占用平台面积大，重心垂直位置高等缺点，直接作用式张紧器使用更为广泛。直接作用式张紧器主要特点如下：

1)为适应波浪浪高的影响，补偿液缸的设计通常为15米左右，对长行程液缸运行的稳定性有严格的要求；2)隔水管张紧器承担整个隔水管系统的重量，通常超过800吨，由于管线、液压油等因素的制约，张紧器压力一般限制在21MPa以内，导致补偿液缸直径大，再考虑波浪的时间周期，蓄能器和补偿液缸之间的液体流量在补偿运动时可达到3000L/min。由此看来，液缸与蓄能器的接口设计是较重要的一环。

如图1所示是现有的一种直接作用式隔水管张紧器结构，蓄能器和补偿油缸分开，蓄能器和补偿油缸之间用胶管连接形成流道，由于在补偿过程中流量较大，胶管中的流速也较大；并且安装在隔水管上的补偿油缸与安装在平台甲板上的蓄能器中间的胶管很长，所以造成补偿油缸和蓄能器之间能量交换时，长距离管路与较快的管内流速导致的能量损失也非常可观，影响补偿效果。同时，也会加剧胶管内壁磨损与胶管老化，影响了胶管使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种直接作用式补偿液缸，解决了现有技术中直径大、行程长、流量大和重量重的问题。

本发明的另一目的是提供一种直接作用式隔水管张紧器，解决了现有技术中补偿液缸和蓄能器液体交换的能量损失大，补偿液缸直径和重量超大的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种直接作用式补偿液缸，包括外缸筒，外缸筒内腔下段固定安装有一个内缸筒，内缸筒与外缸筒为一体固定，

外缸筒上端安装有上端盖，外缸筒上部壁上开有低压气体通道，外缸筒内腔上段设置有活塞，在内缸筒圆壁中设置有高压液体通道，高压液体通道设置有高压接口；

在内缸筒内圆中套装有导向套和弹簧，弹簧下端与导向套上端面顶接，弹簧上端与活塞下端面顶接；内缸筒下端内圆通过螺纹与缸套套接，缸套和内缸筒的下端面通过各个紧固螺栓共同与下端盖固定连接；

活塞向下连接有活塞杆，活塞杆向下依次穿过内缸筒上端沿的轴心孔、弹簧、导向套、缸套和下端盖的轴心孔。

本发明所采用的另一技术方案是，一种直接作用式隔水管张紧器，利用上述的补偿液缸，在补偿液缸的外圆上固定安装有安全阀组和活塞式蓄能器，补偿液缸靠近活塞杆的端部两侧分别设置有一个高压接口，每个高压接口分别通过一根硬导管与合流器的两个进口端连通，合流器的出口端通过安全阀组与活塞式蓄能器连通；

活塞式蓄能器的气压腔端部设置有高压气体接口，高压气体接口与甲板上的高压气瓶组连通；补偿液缸塞腔靠近端部设置有低压气体接口，低压气体接口与甲板上的低压气瓶组连通；补偿液缸塞腔缸体外端面固定安装有上提环，上提环与张紧器固定支架铰接，补偿液缸的活塞杆端头铰接有下提环，下提环与隔水管的张紧环铰接。

本发明的有益效果是，结构简单、易于操作和维护，将蓄能器和补偿液缸集成，蓄能器和补偿液缸之间的通道采用硬导管连接代替胶管，有效的防止胶管老化引起的管线破裂、失效等问题，确保隔水管张紧器安全、可靠运行；采用“补偿液缸+蓄能器+安全阀”设计，结合补偿系统实现对隔水管系统提供近于恒定的张力，并能够高效的补偿浮式钻井平台的升沉运动，提升了油缸直接作用式张紧器的工作性能，并减少原来直接作用式张紧器补偿液缸的能量损失，同时减少了占用的甲板空间，为海洋浮式钻井平台(钻井船)钻井作业提供有效的安全保障。

附图说明

图1是现有技术的直接作用式隔水管张紧器示意图；

图2是本发明直接作用式隔水管张紧器整体结构示意图；

图3是本发明中的补偿液缸内部结构示意图。

图中，1.补偿液缸，2.活塞式蓄能器，3.安全阀组，4.合流器，5.硬导管，6.固定支架，7.高压气体接口，8.低压气体接口，9.上提环，10.下提环，11.外缸筒，12.活塞杆，13.弹簧，14.导向套，15.内缸筒，16.高压液体通道，17.高压接口，18.缸套，19.密封圈，20.防尘圈，21.下端盖，22.紧固螺栓，23.活塞，24.上端盖，25.低压气体通道；

30.补偿油缸，31.胶管，32.隔水管，33.张紧环，34.平台，35.井架，36.蓄能器，37.高压气瓶组，38.低压气瓶组。

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。

参照图1，现有技术的一种直接作用式海洋平台隔水管张紧器结构是，包括在平台34上的井架35两边分别设置有一套蓄能器36、高压气瓶组37及低压气瓶组38，在平台34下表面隔水管32两侧分别设置有一个补偿油缸30，每侧的补偿油缸30塞腔与低压气瓶组38连通，每侧的蓄能器36一端与高压气瓶组37连通，每侧的蓄能器36另一端通过胶管31与该侧的补偿油缸30连通；每侧的补偿油缸30活塞杆与张紧环33铰接。

参照图2，本发明的整体结构是，

在补偿液缸1的外圆上固定安装有安全阀组3和活塞式蓄能器2，通过紧固件将三者固定安装集成为一体，补偿液缸1靠近活塞杆的端部两侧(沿直径对称)分别设置有一个高压接口17，每个高压接口17分别通过一根硬导管5与合流器4的两个进口端连通，合流器4的出口端通过安全阀组3与活塞式蓄能器2连通；也就是说，液体经由补偿液缸1端部两侧出口流出，经过两根硬导管5形成两股高压液压油，进入合流器4后合流成一股再通过安全阀组3进入活塞式蓄能器2的液压腔；

活塞式蓄能器2的气压腔端部设置有高压气体接口7，高压气体接口7与甲板上的高压气瓶组37连通；补偿液缸1塞腔靠近端部设置有低压气体接口8，低压气体接口8与甲板上的低压气瓶组38连通；补偿液缸1塞腔缸体外端面固定安装有上提环9，上提环9与张紧器固定支架铰接，补偿液缸1的活塞杆12端头铰接有下提环10，下提环10与隔水管32的张紧环33铰接。

平台34随着波浪做升沉运动时，该补偿液缸1与隔水管32铰接，活塞式蓄能器2提供的液体压力使补偿液缸1支撑隔水管32的重量，由于活塞式蓄能器2和高压气瓶组37的管线连接，使得活塞式蓄能器2类似一个“空气弹簧”。当平台34随着波浪周期性的升沉运动时，补偿液缸1以同样的周期补偿平台34的运动，进而保证了隔水管32的张力近似恒定，达到补偿的目的。位于补偿液缸1塞腔端部的低压气体接口8通过软管与平台34上的低压气瓶组38连接，形成有效的气体交换通道，补偿液缸1塞腔端部的压力和低压气瓶组38压力相同。

鉴于现有的补偿油缸30的直径大、行程长、流量大和重量重，本发明的补偿液缸1相对于传统的补偿油缸30进行了结构创新，能够更好的满足了张紧器补偿的使用工况。

参照图3，本发明的补偿液缸1结构是，

考虑长行程补偿液缸1的安装和加工，补偿液缸1的外缸筒11采用三段焊接而成；外缸筒11上端安装有上端盖24，外缸筒11上部壁上开有低压气体通道25，低压气体通道25通过胶管与位于平台34上的低压气瓶组38连通；外缸筒11内腔上段设置有活塞23，外缸筒11内腔下段固定安装有一个内缸筒15，内缸筒15与外缸筒11为一体固定，在内缸筒15圆壁中设置有高压液体通道16，高压液体通道16设置有高压接口17，高压液体通道16通过高压接口17与硬导管5连通；

在内缸筒15内圆中套装有导向套14和弹簧13，弹簧13下端与导向套14上端面顶接，弹簧13上端与活塞23下端面顶接；内缸筒15下端内圆通过螺纹与缸套18套接，缸套18和内缸筒15的下端面通过各个紧固螺栓22共同与下端盖21固定连接；

活塞23向下连接有活塞杆12，活塞杆12向下依次穿过内缸筒15上端沿的轴心孔、弹簧13、导向套14、缸套18和下端盖21的轴心孔；导向套和活塞杆之间安装有耐磨密封圈19，下端盖21和活塞杆12之间安装有防尘圈20。

当活塞23带动活塞杆12向下伸出到接近极限位置时，活塞23下端面紧压弹簧13，弹簧13起到了缓冲的作用，此时内缸筒15给弹簧13提供径向支撑，导向套14和缸套18以及下端盖21的组合给弹簧13提供轴向支撑。

为减小补偿液缸1高压液体的出口流速以减少液体发热以及平衡补偿液缸1外径尺寸与内缸筒15的强度，在内缸筒15的直径对称处设置有两个高压液体通道16，高压液体通道16截面为圆形，为方便与合流器4连接及减小硬导管弯曲，每个高压液体通道16设置有一个高压接口17，高压接口17通过螺栓与补偿液缸1外缸筒11采用标准的法兰连接，高压接口17与硬导管5的连接采用法兰连接。外缸筒11上预留气压气体通道25，用于连接低压气体接口8，低压气体接口8与低压软管通过法兰连接，通过低压软管与平台34上的低压气瓶组38相连。上端盖24通过单独的密封圈与外缸筒11形成密封，并通过多个紧固螺钉与外缸筒11紧固连接。

本发明补偿液缸1的工作原理是，

为了抵消平台34的运动对隔水管系统的影响，采用补偿液缸1加活塞式蓄能器2的组合，利用空气的可压缩性，吸收平台运动对隔水管系统的冲击。采用活塞式蓄能器2将高压油和高压空气隔离，活塞式蓄能器2的高压空气端7与平台工作气瓶组37相连，扩大了活塞式蓄能器2的空气容积。对于液缸式隔水管张紧器而言，其最大运行速度可达1.5m/s，整个波浪补偿周期不超过13s，通过张紧器液缸周期性的伸缩使得隔水管顶部张力保持恒定。在张紧器伸缩过程中，张紧器杆腔液压油与活塞式蓄能器2进行液体交换，进而推动活塞式蓄能器2内活塞上下运动，通过活塞式蓄能器2活塞对蓄能器空气侧和工作气瓶组37内气体进行压缩和释放，在整个过程当中，可以将气体当作是绝热状态，按照绝热状态气体状态方程：

$\mathrm{\Δ}V=V_1\×{(1-\frac{P_1}{P_2})}^{\frac{1}{K}}$

式中，

P₁是蓄能器工作时最低压力(bar)；

P₂是蓄能器工作时最高压力(bar)；

V₁是气体原始容积(L)；

ΔV是气体容积变化(L)；

K是气体绝热系数，优选值为1.6。

安全阀组3的基本原理类似速度控制阀，用于控制活塞式蓄能器2和补偿液缸1杆腔的流体速度，该安全阀基于液压动力，当流体速度超过设定值，自动切断切断活塞式蓄能器2和补偿液缸1杆腔的流体通道；低压气瓶组38使补偿液缸1塞腔充满低压气体，由于空气的可压缩性，在隔水管32反冲的时候也能起一定的缓冲作用；安全阀组3和低压气瓶组38联合作用，达到阻止由于机械连接失效或者隔水管断裂等情况隔水管32向上反冲，保障系统安全的目的。

张紧器为隔水管系统提供顶部恒定的张力，由图2可知，张紧器的上提环9与平台34连接，下提环10与隔水管32连接，由补偿液缸1的杆腔提供隔水管所需的张力。由于补偿液缸1的杆腔与活塞式蓄能器2连通，工作气瓶组37的气体压力等于补偿液缸1的杆腔压力，通过调节工作气瓶组37的压力，控制张紧系统的张力。

Claims (4)

1.一种直接作用式补偿液缸，其特征在于：包括外缸筒(11)，外缸筒(11)内腔下段固定安装有一个内缸筒(15)，内缸筒(15)与外缸筒(11)为一体固定，

外缸筒(11)上端安装有上端盖(24)，外缸筒(11)上部壁上开有低压气体通道(25)，外缸筒(11)内腔上段设置有活塞(23)，在内缸筒(15)圆壁中设置有高压液体通道(16)，高压液体通道(16)设置有高压接口(17)；

在内缸筒(15)内圆中套装有导向套(14)和弹簧(13)，弹簧(13)下端与导向套(14)上端面顶接，弹簧(13)上端与活塞(23)下端面顶接；内缸筒(15)下端内圆通过螺纹与缸套(18)套接，缸套(18)和内缸筒(15)的下端面通过各个紧固螺栓(22)共同与下端盖(21)固定连接；

活塞(23)向下连接有活塞杆(12)，活塞杆(12)向下依次穿过内缸筒(15)上端沿的轴心孔、弹簧(13)、导向套(14)、缸套(18)和下端盖(21)的轴心孔。

2.根据权利要求1所述的直接作用式补偿液缸，其特征在于：所述的补偿液缸(1)的外缸筒(11)采用三段焊接而成。

3.根据权利要求1所述的直接作用式补偿液缸，其特征在于：所述的下端盖(21)和活塞杆(12)之间安装有防尘圈(20)；导向套(14)和活塞杆(12)之间安装有耐磨密封圈(19)。

4.一种直接作用式隔水管张紧器，其特征在于：利用权利要求1所述的补偿液缸(1)，在补偿液缸(1)的外圆上固定安装有安全阀组(3)和活塞式蓄能器(2)，补偿液缸(1)靠近活塞杆的端部两侧分别设置有一个高压接口(17)，每个高压接口(17)分别通过一根硬导管(5)与合流器(4)的两个进口端连通，合流器(4)的出口端通过安全阀组(3)与活塞式蓄能器(2)连通；

活塞式蓄能器(2)的气压腔端部设置有高压气体接口(7)，高压气体接口(7)与甲板上的高压气瓶组(37)连通；补偿液缸(1)塞腔靠近端部设置有低压气体接口(8)，低压气体接口(8)与甲板上的低压气瓶组(38)连通；补偿液缸(1)塞腔缸体外端面固定安装有上提环(9)，上提环(9)与张紧器固定支架铰接，补偿液缸(1)的活塞杆(12)端头铰接有下提环(10)，下提环(10)与隔水管(32)的张紧环(33)铰接。