本页关键词：进口球阀-进口电动球阀-进口气动球阀

随着海洋石油天然气工业的发展，以及海洋石油天然气的勘探和开发向深水区域迈进，水下生产系统已经成为一种重要的深水开发模式。在早期，水下阀门主要的形式是闸阀，但随着深海油气田的发展和对大孔径、高压力阀门需求的增加，球阀在深海环境的应用越来越广泛。本文介绍一种水下球阀用带水下机器人（ROV）接口的单作用液压执行机构。

2 工作原理

在正常工况下，执行机构通过液压缸驱动阀门关闭，通过复位弹簧开启阀门。在调试或液压源故障时，通过ROV接口驱动。水下球阀执行机构由液压驱动机构、弹簧复位机构、ROV驱动机构、压力补偿器和位置指示器等（图1）组成。

1.ROV驱动机构2.压力补偿器3.安装支架

4.液压驱动机构5.弹簧复位机构6.位置指示器

图1 水下球阀执行机构

执行机构每个腔体设置了压力补偿器。补偿器采用金属膜片盒式结构，金属膜片一侧通海水，另一侧连通执行机构各个腔体。由于执行机构腔体内充满了介质，当金属膜片受到海水压力作用时发生弹性变形，使得执行机构腔体内的压力与海水压力相等，从而可以采用更为轻薄的壳体结构，同时也可以简化密封结构。

为满足ROV操作的需求，执行机构设置了可视化位置指示器，可通过ROV的水下摄像机观察指示机构位置进行相应操作。球阀执行机构的位置指示器设置在顶部，直接与输出轴相连，可显示输出轴转动的角度。

水下球阀执行机构采用单作用液压缸，依靠液压力和弹簧力分别驱动往复动作，以实现开启/关闭的功能。执行机构有两种工作方式，即液压操控和ROV操控。

液压操作阀门开启时，液压油通过油管进入执行机构的油腔内，推动活塞向左移动，活塞端部连接的传动杆及齿条随之运动，齿条通过球阀阀杆上的齿轮转动阀杆，驱动球阀关闭。在整个活塞左移的过程中，弹簧不断被压缩，通过液压缸左端的限位螺钉限制执行机构的最大行程。当阀门需要打开时，卸掉油腔内液压油压力，弹簧的弹力克服阀门的开启力和活塞与缸体内壁的摩擦力，使得活塞向右移动，直到弹簧恢复初始状态，阀门完全打开。

ROV操作阀门关闭时，首先ROV机械臂与水下执行机构ROV接口连接，在ROV机械臂顺时针力矩的作用下，ROV接头通过齿轮及轴套驱动螺杆旋转，在传动螺母作用下螺杆向左运动，推动齿条向左运动，齿条通过球阀阀杆上的齿轮转动阀杆，驱动球阀关闭。ROV操作阀门开启时，ROV机械臂逆时针旋转，螺杆向右运动，在弹簧回复力的作用下齿条带动阀杆旋转，实现阀门开启。

3 设计计算

3.1 液压驱动机构

（1）液压缸内径

液压缸内径D为

    （1）

式中  D———液压缸内径，mm

p₁———液压缸工作压力（p₁=20），MPa

p₂———液压缸回油腔背压（p₂=5），MPa

η_cm———液压缸的机械效率（取η_cm=0.9）

F———工作循环中最大外负载，N

F=Fo+Ft

Fo———驱动阀杆作用力，N

Ft———压缩弹簧作用力，N

执行机构输出扭矩T1=45kN·m，Fo=45kN·m/150mm=300kN，Ft=Fo/ηcm=333kN，则F=633kN，可得油缸内径D=244.4mm，按照标准GB2348，取D=260mm。

（2）液压缸工作行程

液压缸工作行程根据执行机构实际工作的最大行程确定。球阀液压缸行程等于阀杆齿轮周长的四分之一，即157.08mm。按照标准GB2348选取标准值，工作行程取160mm。

（3）液压缸壁厚

缸筒最小壁厚δ为

    （2）

式中  p_Y———缸筒试验压力（取1.25倍工作压力，p_Y=25），MPa

［σ］———缸筒材料的许用应力，MPa

（4）液压缸流量

由液压缸工作行程160mm和球阀动作时间14s，可得活塞运动速度v=11.43mm/s。

液压缸流量Q为

    （3）

可得，执行机构液压缸流量Q=607L/min。

3.2 ROV驱动机构

ROV接口驱动时，执行机构输出扭矩T1=45kN·m，ROV接口采用ISO13628－8标准的等级4，即输入扭矩T2=2.711kN·m。

螺杆螺母的传动螺纹采用梯形螺纹。滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关，其中最主要的因素是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。螺纹中径d2满足

    （4）

式中  ξ———传动效率（ξ=0.8）

φ———根据螺母长度确定（取φ=4）

［P］———滑动螺旋副材料的许用压强（取［P］=18），MPa

按GB/T5796.2－2005选取标准梯形螺纹Tr80×10。由于该螺旋副应具有自锁性，需要校核螺旋副是否满足自锁条件。螺纹中径升角ψ和螺旋副的当量摩擦角φs。

    （5）

    （6）

式中  n———螺纹头数（n=1）

f———摩擦系数（f=0.14）

α———梯形螺纹的牙型角（α=30°），（°）

当ψ≤φs满足自锁条件。

螺杆所需驱动扭矩T为

    （7）

T/T2=1.80，则锥形齿轮传动比i=2，即可满足输出力矩要求。

4 结语

设计中重点对液压操控端及ROV操控端进行了计算，确定了主要设计参数并对传动比以及螺杆强度进行了校核，证明是一种可行的水下球阀用液压执行机构解决方案。