ROV扭矩工具液压监测系统研究.pdf
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1、 年 第 卷第期第 页石 油 矿 场 机 械O I LF I E L DE Q U I PME N T ,():文章编号:()R O V扭矩工具液压监测系统研究任广新,余华强,王献峰,张景行(海洋石油工程股份有限公司,天津 ;哈尔滨工程大学 机电工程学院,哈尔滨 )摘要:R OV扭矩工具是海洋油气工程中水下生产系统常用的维修安装工具之一,其适应性与稳定性直接影响水下生产系统维修安装的效率与安全.目前国内对R OV扭矩工具的研究还处于认识和操作的基础阶段,核心技术还无法突破.结合A P I及I S O 相关标准,设计了R OV扭矩工具的液压监控系统;然后建立液压马达回路数学模型,得到液压马达回路
2、传递函数方框图;最后采用M a t l a b和AME S i m两款软件对液压马达回路进行仿真和对比.采用AME S i m软件对锁紧和换挡液压缸回路进行建模仿真,得到三个回路的输出曲线,通过分析,液压马达回路两个仿真结果具有较好一致性,数学模型准确无误,锁紧和换挡液压缸回路满足系统工作要求.仿真结果表明:设计的液压监控系统满足工程需要,可为R OV扭矩工具核心技术突破提供一定的技术参考.研究成果对我国R OV扭矩工具的国产化研究有一定的指导意义.关键词:R OV扭矩工具;水下生产系统;液压控制系统;数学模型;AME S i m仿真中图分类号:T E 文献标识码:Ad o i:/j i s
3、s n R e s e a r c ho nH y d r a u l i cS y s t e mo fR O VT o r q u eT o o lR E NG u a n g x i n,YU H u a q i a n g,WANGX i a n f e n g,Z HANGJ i n g x i n g(O f f s h o r eO i lE n g i n e e r i n gC o,L t d,T i a n j i n ,C h i n a;C o l l e g e o fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g
4、i n e e r i n g,H a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y,H a r b i n ,C h i n a)A b s t r a c t:R OVt o r q u e t o o l i so n eo f t h ec o mm o n l yu s e dt o o l s f o r t h em a i n t e n a n c ea n d i n s t a l l a t i o no f s u b s e ap r o d u c t i o ns y s t e m si no f f s h
5、o r eo i la n dg a se n g i n e e r i n g I t sa d a p t a b i l i t ya n ds t a b i l i t yd i r e c t l ya f f e c t t h ee f f i c i e n c ya n ds a f e t yo ft h em a i n t e n a n c ea n di n s t a l l a t i o no fs u b s e ap r o d u c t i o ns y s t e m s A tp r e s e n t,t h ed o m e s t i c
6、 r e s e a r c ho nR OVt o r q u e t o o l s i ss t i l l i nt h eb a s i cs t a g eo fu n d e r s t a n d i n ga n do p e r a t i o n,a n dt h ec o r et e c h n o l o g yc a nn o tb eb r o k e nt h r o u g h C o m b i n e dw i t hA P I a n dI S O s t a n d a r d s,t h eh y d r a u l i cm o n i t o
7、r i n gs y s t e mo fR OVt o r q u et o o lw a sd e s i g n e d T h e n t h em a t h e m a t i c a lm o d e l o f t h eh y d r a u l i cm o t o r c i r c u i tw a s e s t a b l i s h e da n d t h eb l o c kd i a g r a mo f t h e t r a n s f e r f u n c t i o no f t h eh y d r a u l i cm o t o r c i
8、r c u i tw a so b t a i n e d F i n a l l y,M a t l a ba n dAME S i mw e r eu s e dt os i m u l a t ea n dc o m p a r e t h eh y d r a u l i cm o t o r c i r c u i t AME S i ms o f t w a r ew a su s e dt om o d e la n ds i m u l a t et h el o c k i n ga n ds h i f t i n gh y d r a u l i cc y l i n d
9、 e rc i r c u i t s,a n dt h eo u t p u tc u r v e so f t h et h r e ec i r c u i t sw e r eo b t a i n e d T h r o u g ha n a l y s i s,t h et w os i m u l a t i o nr e s u l t so ft h eh y d r a u l i cm o t o rc i r c u i th a v eg o o dc o n s i s t e n c y,a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d
10、 e l i sa c c u r a t e,a n dt h el o c k i n ga n ds h i f t i n gh y d r a u l i c c y l i n d e r c i r c u i t sm e e t t h ew o r k i n g r e q u i r e m e n t so f t h e s y s t e m T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ed e s i g n e dh y d r a u l i cm o n i t o r i n gs y
11、s t e mc a nm e e t t h ee n g i n e e r i n gn e e d s,a n dc a np r o v i d e a c e r t a i n t e c h n i c a l r e f e r e n c e f o r t h e c o r e t e c h n o l o g yb r e a k t h r o u g ho fR OV 收稿日期:基金项目:工信部创新专项“水下油气生产系统工程化示范应用”之“水下设施应急维修工具研发”(G X B );中海油(中国)有限公司北京研究中心科研项目(C C L R C P S R NN
12、).作者简介:任广新(),男,山东费县人,高级工程师,从事于海洋工程设施制造工作,E m a i l:r e n g x c n o o n c o m c n.t o r q u e t o o l s T h er e s e a r c hr e s u l t sh a v eac e r t a i ng u i d i n gs i g n i f i c a n c e f o r t h e l o c a l i z a t i o nr e s e a r c ho fR OVt o r q u e t o o l s i nC h i n a K e yw o r d s
13、:R OVt o r q u e t o o l;s u b s e ap r o d u c t i o ns y s t e m;h y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e m;m a t h e m a t i c a lm o d e l;AME s i ms i m u l a t i o n水下油气资源的开采经历了从浅水到深水再到超深水的阶段,开发环境也变得越来越恶劣.水下生产系统因其建设时间短,建造成本低,恶劣环境适应性强等特点,已成为未来深水油气资源开采的必然趋势.R OV扭矩工具作为保证水下生产系统设施安全及使用寿命的必要设备之一,对水下
14、生产系统结构的安装、水下阀门的开启关闭、液飞线的安装、跨接管的安装更换等需要固定扭矩值扭转的地方提供了作业支持.相比于传统的潜水员下海作业,R OV扭矩工具具有更好的综合性能,尤其作业水深几乎是传统作业方式无法逾越的优势,其自身的功能及强大的环境适应能力在一定程度上决定了水下生产系统的发展,所以对于R OV扭矩工具的研究对海洋开发具有重大意义.江凯贤等从实际作业经验出发,介绍了R OV扭矩工具的实际操作方式,分析了工具在水下作业时可能存在的风险并提出防控措 施.余征宇等介绍 了F u g r o i m p R OV公司制造的一款扭矩工具,详细讲述了该公司扭矩工具的组成及功能,对国内R OV扭
15、矩工具的研究有一定的借鉴意义.张晓等从F u g r o公司制造的扭矩工具系统出发,对扭矩工具进行了稳定性分析与风险分析.韩超等结合我国深水油气田开发进程与R OV扭矩工具的优势,强调了对R OV扭矩工具研究的必要性并对其接口设计提出了建议.王杰文等通过对国外公司的考察研究,介绍了R OV扭矩工具对接接口、电子接口和液压接口的统一 标 准.综 上,由 于 国 外 的 技 术 封 锁,我 国R OV扭矩工具的研究多是在最基础的风险防控分析与简单的设计建议,对于推动我国R OV扭矩工具的研究有一定的局限性.本文主要针对R OV扭矩工具的工作原理、特点及工具的液压监测系统进行探讨研究.R OV扭矩工
16、具工作原理及特点 工作原理R OV扭矩工具是R OV对采油树、S CM等设备上的旋转对接接口进行水下作业时使用的外接设备.整套设备由R OV扭转工具和一个控制舱组成,其中控制舱搭载在R OV上.在水下作业时,R OV机械手夹持着R OV扭转工具对水下生产系统上的旋转对接接口进行操作,如图所示.图R OV扭矩工具工作示意图在R OV扭矩工具工作过程中,R OV机械手首先将扭转工具和旋转对接接口进行对接,对接过程石 油 矿 场 机 械 年 月 中R OV扭转工具的自适应接头会根据旋转对接接口内方头的大小自动切换相应接头.对接完成后,锁紧机构会将工具与旋转对接接口进行固定.然后水上操作人员可远程控制
17、控制舱内换向阀的通断、比例阀的开度来控制液压油的流向、流速、压力和通断,从而根据不同的水下作业要求来控制R OV扭转工具的旋转方向、速度、扭矩大小、高低挡切换及锁紧机构的运动.同时工具内置的传感器可以将设备的扭矩、压力、圈数、转速等信息通过上位机进行实时的反馈监测,操作员在通过反馈信息来进行下一步的操作.特点目前对水下生产系统进行扭转作业的方式主要由两种,分别是潜水员带着简易的工具下海作业和R OV夹持R OV扭矩工具作业.与潜水员作业相比,R OV扭矩工具具有作业水深大、提供扭矩范围广、作业时间长的特点.从安全角度看,R OV扭矩工具无需操作员下海,因此操作过程中无需考虑过大的水压、长时间作
18、业及突发状况对操作员生命安全的影响;从成本角度看,一套扭矩工具可以自适应四种接口(C l a s s),中途无需回收到水面更换工具接头并且可以长时间工作,节省了大量的时间和经济成本,尤其在需要对多种接口进行紧急作业时,R OV扭矩工具体现了巨大的价 值.此外,R OV扭矩工具对操作员的培训难度和专业要求不高,这在一定程度上降低了对水下生产系统维修和安装的成本和难度.流花油田群,荔湾 ,陵水 等油气田的投产,标志着我国海洋油气开发实现了从浅水向中深水、深水的突破 ,R OV扭矩工具的应用也越来越多.R OV扭矩工具具有工作状态反馈精度高、效率高、稳定性高、作业水深大等优点,因而在我国深水项目的开
19、发建设中有着不可替代的作用.R OV扭矩工具液压控制监测系统设计液压控制监测系统是R OV扭矩工具的动力来源,由供 油、控 制 和 执 行 三 部 分 组 成.液 压 油 由R OV提供,可视为恒压源;控制部分安装在控制舱内,包括减压阀、换向阀和节流阀等,控制舱搭载在R OV底盘连接液压源;执行部分安装在扭转工具上,包括液压马达、换挡液压缸和锁紧液压缸.压力传感器安装在比例调压阀上,扭矩传感器和位置传感器安装在扭转工具内部,依靠传感器接收的信号实现R OV扭矩工具的监测与反馈功能.R OV扭矩工具有定值扭转、高低挡位切换、锁紧解锁个基本功能,故将液压系统划分为液压马达回路、换挡回路和锁紧回路个
20、基本油路,液压原理图如图所示.图R OV扭矩工具液压系统原理第 卷第期任广新,等:R OV扭矩工具液压监测系统研究 液压马达回路用于控制液压马达的扭矩、转向、转速;比例减压阀用于控制油压大小并保持压力稳定,从而控制扭转工具实现可以满足I S O 标准的固定扭矩值输出;比例换向阀用于改变回路的流向和流量,从而控制扭转工具的转动方向和速度大小.换挡回路和锁紧回路液压原理相似,只有具体参数有细微差别.两个油路均选择双向液压缸作为执行元件,通过电磁换向阀控制液压缸芯体伸出状态以实现简单的活塞运动,减压阀则是根据不同液压缸的需求提前预设参数以控制所需油压并保证缸体有较好的运动特性.因水下作业环境恶劣,水
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