(1. 山東拓普液壓氣動有限公司， 山東 濟南 250100；2. 山東大學 海洋研究院， 山東 青島 266237)

引言

隨著國內外油氣資源開采邁向深水，水下生產裝備的使用量劇增[1]， 液壓系統(tǒng)應用于石油鉆機關鍵設備的技術已成為石油鉆采工作者研究的熱點，備受關注[2]。

對于未知深海資源的探索，原位測試[3-4]已經成為我們了解海洋的常用手段?！昂５壮练e物力學特性的原位測試裝置”是通過CPT探頭、球形探頭、十字板探頭原位測量海底沉積物[5-7]力學性質的大型水下設備。深水貫入裝置[8-10]是該設備的核心裝置之一，完成上述探頭貫入和拔出沉積物的動作，實現(xiàn)海底沉積物力學特性原位量測。

深水貫入裝置使用液壓方式驅動，包括深水液壓動力單元、貫入油缸、貫入行程放大機構、探桿位移傳感器、探桿接口等部件，如圖1所示。

1.深水電機 2.液壓泵 3.電磁閥 4.液壓缸 5.活塞桿 6.下定滑輪組 7.探桿 8.探桿 9.活動壓盤 10.鎖緊卡環(huán) 11.水密插頭 12.傳動皮帶 13.上定滑輪組 14.上動滑輪 15.下動滑輪圖1 深水貫入裝置原理圖

深水液壓動力單元為貫入裝置提供動力，控制貫入油缸伸出和縮回，通過行程放大機構帶動探桿拔出和貫入沉積物，完成傳感器對沉積物力學性質的測量[11-12]。

1 液壓單元設計要求

工作水深11000 m，系統(tǒng)工作壓力7 MPa，系統(tǒng)額定流量1.7 L/min，電機工作電壓DC48 V，最大工作電流15 A，控制電壓24 V,貫入油缸缸徑50 mm，活塞桿直徑30 mm，有效行程700 mm。

2 工作原理與結構設計

深水貫入裝置液壓單元包括水下電機5、齒輪泵6、控制閥組12、閥箱2、補償器4、壓力變送器7、貫入油缸13、高壓管路、接頭、油液過濾器3、水密接插件、水密電纜等部件，液壓原理如圖2所示。

2.1 工作原理

水下電機5通過泵架和聯(lián)軸器和齒輪泵6連接，電機順時針旋轉，帶動齒輪泵轉動，液壓油經過過濾器進入齒輪泵吸油口，經齒輪泵轉變成高壓油通過齒輪泵壓油口進入控制閥組，通過控制閥組的溢流閥設定系統(tǒng)最高工作壓力為7 MPa。初始位置壓力油經過電磁換向閥P進入電磁換向閥，經過電磁換向閥從電磁換向閥B口輸出，通過高壓管路和接頭進入貫入油缸有桿腔，使油缸處于縮回狀態(tài)，此時探桿處于拔出位置；電磁換向閥電磁鐵通電，電磁換向閥閥芯向右移動，使電磁換向閥P口和A口接通，壓力油經過電磁換向閥P口進入電磁換向閥，經過電磁換向閥從電磁換向閥A口輸出，通過高壓管路和接頭進入貫入油缸無桿腔，推動油缸活塞向上移動，活塞桿伸出，帶動探桿向下移動，把探桿貫入沉積物中。

1.放油與排氣 2.油箱 3.吸油濾油器 4.壓力補償 5.直流電機 6.齒輪泵 7.壓力變速器 8.溢流閥 9.電磁閥 10.液控單向閥 11.阻尼孔 12.補油口 13.位移傳感器 14.深海油缸圖2 液壓單元原理圖

貫入油缸缸徑50 mm，活塞桿直徑30 mm，海底沉積物力學性質測量要求探桿貫入速度為1.2 m/min，最大貫入力3 kN?；钊麠U伸出時，探桿貫入沉積物，所以探桿的貫入速度和貫入力通過貫入油缸無桿腔計算。

貫入速度計算：

由Q=VA

推出v=0.86 m/min

得出貫入油缸活塞桿伸出速度為0.86 m/min。

由于貫入裝置采用行程放大機構，放大倍數(shù)為2，所以探桿的貫入速度。

v2=2v=2×0.86=1.72 m/min>1.2 m/min。不能滿足海底沉積物力學性質測量要求。

其中，Q為系統(tǒng)額定流量，L/min；v為活塞桿移動速度，m/min；A為活塞面積，mm2；v2為探桿貫入速度，m/min。

因此設計油缸時，油缸進出油口增加阻尼孔，降低壓力油進出油缸腔室的速度。根據(jù)沉積物的力學特性，其在垂直方向上近似為均勻分布，不會引起貫入過程中液壓缸負載的波動，因而不會對貫入速度造成較大影響，故采用固定孔徑的阻尼孔，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

得到As=0.5 mm2

其中，Qs為貫入速度為1.2 m/min時液壓缸的流量，為1.17 L/min；α為阻尼孔的節(jié)流系數(shù)，取0.78；As為阻尼孔面積，mm2； Δp為根據(jù)實驗數(shù)據(jù)測得的液壓缸負載壓力，為0.4 MPa；ρ為液壓油密度，取0.9 g/cm3。

加入阻尼孔后，控制貫入油缸活塞桿的伸出速度降低到期望的0.6 m/min，使探桿以1.2 m/min的速度勻速貫入沉積物中，提高了測量精度。

貫入力計算：

由F=pA

推出F=13.7 kN

得出貫入油缸無桿腔輸出力為13.7 kN。

由于貫入裝置采用行程放大機構，放大倍數(shù)為2，所以探桿貫入

F2=F/2=6.85 kN>3 kN。滿足海底沉積物力學性質測量要求。

其中，F(xiàn)為油缸無桿腔輸出力，kN；p為系統(tǒng)壓力，MPa；A為活塞桿面積，mm2；F2為貫入力，kN。

2.2 結構設計

1) 閥箱設計

閥箱采用圓柱形結構設計，分為3段，上段為補償膜片和防護罩，中段為艙體，下段為底部法蘭。艙體和補償膜片、艙體和底部法蘭之間采用軸向密封的方式，保證艙體內部密封。閥箱采用補償式結構，補償隨壓力升高和溫度降低而引起的內部油液的體積變化和油缸兩腔的體積差，防止閥箱因外部壓力過大而損壞和液壓單元出現(xiàn)吸空現(xiàn)象而造成元件的損壞，閥箱結構如圖3所示。

底部法蘭材質6061鋁合金，采用圓柱形結構設計，直徑330 mm，厚度42 mm，上端面加工密封圈槽、定位止口和12處M12螺紋孔。密封圈槽內安裝O形密封圈，實現(xiàn)艙體和底部法蘭之間的密封。定位止口和艙體內壁配合，保證艙體和底部法蘭同軸。底部法蘭和艙體使用8件M12高強度螺釘連接，保證連接的強度和兩部分之間的密封。底部端蓋直徑方向設計2

1.補償器蓋 2.補償器 3.電機 4.齒輪泵 5.電磁閥6.壓力變送器艙 7.閥塊 8.水密插頭 9.補油口 10.油缸進出口 圖3 閥箱

處7/16-20UNF-2B螺紋孔2處5/8-18UNF-2B螺紋孔，安裝水密接插件，通過法蘭上端面的出線口將水密電纜引出，從而方便連接電池艙和控制艙。法蘭周圈設計9處G1/4螺紋孔，1處用來補充液壓油，另8處安裝高壓接頭，通過高壓油管連接4條貫入油缸。法蘭下端面設計2處G1/4螺紋孔，1處用來加注液壓油，1處加注液壓油時排氣；法蘭上端面設計8處G1/4螺紋孔安裝高壓接頭，通過高壓油管與控制閥組出口相聯(lián)接，底部法蘭如圖4所示。

圖4 底部法蘭圖

艙體材質6061鋁合金，兩端為安裝法蘭，中間為殼體，殼體內徑260 mm，外徑272 mm，兩端法蘭直徑330 mm，厚度16 mm。兩端法蘭加工φ272×4 mm止口，加工3×45°倒角，使用氬弧焊和中間殼體焊接為一體，焊接完成后加工兩端面及密封槽，如圖5所示。

圖5 艙體圖

補償膜片材質NBR65,采用圓臺型結構設計，如圖6所示。

圖6 補償膜片

補償膜片的圓形凸起安裝在艙體的密封槽內，保護罩把補償膜片和艙體固定在一起，保證艙體密封。

艙體內部油液隨環(huán)境壓力增大和環(huán)境溫度的降低，體積減小，補償膜片材質為NBR65是柔性體，隨油液體積減小向艙體內部凹陷，保持內外壓力平衡，完成油液隨環(huán)境變化的補償。

2) 液壓系統(tǒng)補償量計算

深海設備的液壓系統(tǒng)與地面設備比較，還有一個特殊要求，即水深壓力平衡及油液補償問題。深海設備的液壓系統(tǒng)安裝在密封的箱體內，為減小設備重量，箱體一般僅密封不承壓，由水深產生的環(huán)境壓力須通過油液補償?shù)霓k法進行平衡。

(1)液壓缸差動體積計算：

無桿腔容積：

=1.37 L

有桿腔容積：

=0.785×(502-302)×700×10-6=0.88 L

液壓缸差動體積：

ΔV=V1-V2=1.37-0.88=0.49 L

其中，D為油缸內徑50，mm；d為活塞桿桿徑30，mm；s為油缸行程700，mm；V1為無桿腔容積，L；V2為有桿腔容積，L； ΔV為容積差，L。

(2) 原始容積計算：

原始容積為油箱有效容積與油缸有桿腔容積之和，設計油箱有效容積約為44 L，即V0=44+0.49=44.49 L, 取整為45 L。

(3) 海水壓力引起液壓油的容積變化：

ΔV2=0.7×10-4V0(p2-p1)

=0.7×10-4×45×(1100-0)=3.47 L

其中，V0為原始容積，L；p1為初始壓力為大氣中正常氣壓，MPa；p2為最終壓力設定為水下11000 m壓力，MPa。

(4) 溫度變化對液壓油的影響：

ΔV3=0.7×10-3V0(T2-T1)

=0.7×10-3×45×(35-0)=1.1 L

其中，V0為原始容積，L；T1為初始溫度為甲板溫度，取為35 ℃；T2為最終溫度為11000 m水下溫度,取為0 ℃。

(5) 補償器容積為：

ΔV=ΔV1+ΔV2+ΔV3

=0.49+3.47+1.1=5.06 L

補償膜片為彈性結構，單邊補償容積為4.8 L，最大補償量為：4.8×2=9.6 L。

由此確定了補償器容積，既滿足了實際使用需要，也減小了總體體積。

3 結論

本研究介紹的貫入裝置采用皮帶和帶輪的聯(lián)接方式，有效避免了工作過程中出現(xiàn)的打滑，更準確地測量出實際貫入深度。深水液壓單元，將水密接插件及油缸出入口全部集成在底部法蘭上，更利于現(xiàn)場操作和維護。隨著深?？茖W研究和資源能源開發(fā)活動及海洋安全國防工程進入全海深時代，迫切需要獲悉深海、海斗深淵沉積物力學性質。本研究介紹的深水液壓單元為海底沉積物力學特性的原位測試裝置提供了有力的技術保障，對我國深海探測技術快速發(fā)展具有推動作用。