自升式平台钻台液压系统管路设计优化

摘 要：管路是液压系统协同运作的重要纽带。从结构设计和物理机理介绍了液压系统的工作原理，并围绕自升式平台钻台上的应用实践，针对管路设计问题开展了优化工作。鉴于钻台设备繁多、位置紧凑，管路适宜优选总管式布置，并需结合液压系统优缺点谨慎布置。相关设计理念在实际工作中得以成功应用，可供相关工程项目采纳借鉴。

关键词：液压系统；自升式平台；钻台；管路布置；总管式

中图分类号：V233.91 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2017） 03-137-03

工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.03.038

引言

液压传动系统（以下简称液压系统）通常由五部分组成——油泵、液压油缸、液压阀件、管路和液压油。液压系统的能量主要是靠液体来传递的，相比其他机械、电力系统，其优点包括：操作简单、便于智能化管理、体积小、重量轻、寿命长、承载能力大、过载保护机制健全、易标准化和通用化等。

液压系统在各个领域，如机械制造、石油化工、工程建筑、航空航天、军事工程等，应用十分普遍。液压系统的协同运作离不开管路这一纽带。本文介绍了液压系统的工作原理，并针对石油化工领域中的自升式平台钻台液压系统管路设计问题开展了优化工作。

1 液压系统工作原理

液压千斤顶在生活中比较常见，也是自升式平台的必备装置。由于其设计机理具有普遍意义，故以此为例说明液压系统的工作原理。

1.1 结构设计

液压千斤顶的示意图如图1所示。工作过程如下：

向上抬起手柄9，泵柱塞7下方的体积变大，由于是封闭环境，下方形成真空，压力降低。大活塞2上方的重物和大油缸1内液压油的重力作用使单向阀6关闭，大气压使单向阀5被迫打开，与此同时油箱4里的液压油被吸进泵中。

用力下压手柄9时，泵柱塞7向下移动，手摇泵8的泵腔体积缩小，而使压力升高。由于单向阀具有止回功能，在泵腔内油的压力作用下单向阀5关闭，单向阀6打开，液压油从泵腔内流入到大油缸1即举升油缸的下部空间，大活塞2被向上推动，重物被顶起。

停止操作，在重物和液压油压力作用下，单向阀6自动关闭，液压油不能倒流，大活塞固定不动，从而达到举起重物的目的。如果重物要降下来，手动开启节流阀3，液压油流回邮箱，大活塞向下移动，重物下降[1]。

1.2 物理机理

缸内液压油的流动速度。从式（3）可以看出，流动速度与作用面积为反比关系，且当A1、A2不变时，v2随着v1的变大而变大，与重物的重力G无关。当泵柱塞做匀速运动时，重物也相应做匀速运动。

2 液压系统管路设计优化

由于自升式平台对重量的要求比较严格，尤其是在钻井的核心操作区——钻台上，由于设备繁多并且位置紧凑，因此管路系统设计及实际走向要尽量简单、流畅，阀附件操作要方便、使用要安全。

2.1 管路布置

钻台面的设备有液压泵站、泥浆防溅盒、铁钻工、钻井绳筒、液压猫头、转盘、猫道机、动力卡瓦润滑装置、套管扶正台、鼠洞、井架、液压绞车、钻台滑移控制台等[3]。连接它们的液压系统管路布置有两种方式：总管式和支管式。

2.1.1 总管式

总管式布置如图2所示。压力管、回油管和泄放管从液压泵站引出，在钻台面钢结构下部形成总管，延伸到各液压设备附近。根据各设备自身需要，分别在总管上开出支管连接到设备上，在靠近设备接口处设置球阀和单向阀，实现设备的控制。它的优点是管路简单，管材耗量较少，但人员需要达到设备处所方可操作。

2.1.2 支管式

支管式布置如图3所示。液压管路将液压泵站和阀组管汇相连接。此阀组管汇相当于阀箱，可以划分为压力管汇、回油管汇和泄放管汇，分别放置于易于操作处。液压管路从阀组管汇上引出，连接到各液压设备上。它的优缺点和总管式刚好相反，即管路长、走向复杂，管材耗量较大，但所有设备都可通过阀组管汇集中控制，操作方便。

2.2 方法优选

在实际应用，液压传动与控制有下列特点[4]：

（1）液压系统中的设备对液压油的清洁程度要求十分严格。在系统使用前，必须对整个管路系统进行串油清洗，以免颗粒损害设备性能；

（2）不易实现严格的传动比；

（3）液压传动容易形成空穴现象，产生较大的振动和噪音。

结合上述特点和用户的实际操作体验，由于钻台原本就设备繁多、布置紧凑，故很难找到相应的位置布置阀组管汇，因此总管式布置越来越多地得以采用。

目前全国钻井平台都在使用三维设计软件，为生产提供了极大方便。可以把所有的设备、管路、阀附件等体现在模型中，一目了然。若能够与船体结构、电气电缆、舾装件之间加以协调，甚至可以达到零碰撞。再配合智能出图，管子零件图、托盘表等几乎无需再手工整理，大大提高了工作效率和图纸精度。

2.3 注意事项

在设计钻台设备液压系统时，根据液压传动的优缺点，布置管路时应注意以下6个方面[5]：

（1）管路布置尽量走直，弯头要尽量少，减少压力损失和振动；

（2）管路法兰、三通、球阀等阀附件最好不使用焊接件。弯头应自然弯，减少焊渣等尘粒，保证管路清洁；

（3）通过软管连接设备时，要避开钻台在滑移时的隐性碰撞；

（4）液压管径都比较小，故应尽量布置成管束，既美观，又紧凑，节省钻台有限的空间；

（5）由于液压系统压力较高，容易振动，因此管路应多加固定支撑，尤其在弯管的两端更是如此；

（6）由于钻台距平台基线较高，故对结构强度的要求非常高，因此在布置管路时不宜穿过结构加强筋及T型梁，而应绕开。

3 结束语

本文介绍了液压系统的工作原理，并从管路布置、方法优选和注意事项三个方面，针对自升式平台钻台液压系统管路设计开展了优化工作。文中给出的设计图纸已在实际工作中得以应用，可供相关工程项目采纳借鉴。

参考文献

[1] 官忠范. 液压传动系统： 第3版[M]. 北京： 机械工业出版社， 2011.

[2] 林建忠， 阮晓东， 陈邦国， 等. 流体力学： 第2版[M]. 北京： 清华大学出版社， 2013.

[3] 《海洋钻井手册》编审组. 海洋鉆井手册[Z]. 北京： 中国海洋石油总公司.

[4] 管舾装生产设计要领[Z]. 广州： 广州国际造船集团有限公司.

[5] 管铜工工艺教材[Z]. 上海： 上海沪东中华造船集团有限公司.

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