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                        海洋修井機液壓系統防進水設計研究

                        添加時間:2018/07/27 來源:天津科技 作者:滕湃
                        海洋修井機是近海油田開發和生產中不可或缺的一種重要設備, 油井的生產故障必須由修井機來修復。目前, 僅渤海海域在用的各型海洋修井機已有近百臺, 同時依據油田開發需求還在以每年十余臺的速度不斷增加。
                          以下為本篇論文正文:

                          摘要:海洋修井機廣泛應用于各油田海上平臺, 因海洋環境復雜多變, 對修井機設備運維帶來了巨大的挑戰。根據海洋修井機液壓系統設計要求, 液壓油的更新頻率為1年左右, 但從設備多年現場實際運轉情況看, 液壓油在26個月期間就會發生嚴重乳化, 這不但會對液壓設備造成損壞并產生安全風險, 同時頻繁更換液壓油, 還造成了設備運行成本的大幅提高。通過對海洋修井機液壓系統的分析, 找出了系統存在的缺陷并針對缺陷對液壓油箱進行優化設計。

                          關鍵詞:海洋修井機; 液壓油乳化; 防爆干燥呼吸閥; 油水分離;

                          Abstract:Offshore workover rigs have been widely used in offshore platforms and their operation and maintenance has brought huge challenges.According to the design requirements of marine workover machine hydraulic system, the update frequency of hydraulic oil is about a year.However, years of actual equipment operation experience has proved that serious emulsification will happen to hydraulic oil within two to six months. This will not only cause damage and bring safety risk to hydraulic equipment, the frequent replacement of hydraulic oil will also result in a substantial increase in the cost of equipment operation.Through the analysis of the ocean workover rig hydraulic system, defects of the system were found and the hydraulic oil tank design was optimized.

                          Keyword:offshore workover rig; hydraulic oil emulsion; explosion-proof drying breather valve; oil/water separation;

                          海洋修井機是近海油田開發和生產中不可或缺的一種重要設備, 油井的生產故障必須由修井機來修復。目前, 僅渤海海域在用的各型海洋修井機已有近百臺, 同時依據油田開發需求還在以每年十余臺的速度不斷增加。海洋修井機必須通過內部的液壓系統來實現調整工況和作業工況, 而液壓系統內的“血液”——液壓油的性能將直接影響液壓系統的運轉狀況。根據海洋修井機液壓系統設計要求, 液壓油的更新頻率為一年左右, 但從設備多年現場實際運轉情況來看, 液壓油在兩個月至半年期間就會發生嚴重乳化, 這不但會對液壓設備造成損壞并產生安全風險, 而且如此頻繁地更換液壓油, 造成了設備運行成本的大幅提高。因此, 減少液壓油乳化的發生是迫切而現實的需要。

                          1、液壓油乳化的危害及成因

                          1.1、液壓油乳化的危害

                          液壓油是液壓系統的重要組成部分, 在液壓系統中實現能量的傳遞、轉化和控制, 同時起潤滑、防銹、冷卻、減震等作用。液壓系統對液壓油的要求主要有:適宜的黏度和良好的黏溫性, 優良的潤滑性能 (抗磨性能) , 優良的熱、氧化安定性、水解安定性、剪切安定性, 良好的抗乳化性, 良好的防銹、抗腐蝕性, 良好的抗泡性和空氣釋放性, 良好的密封材料適應性, 良好的清潔性和過濾性[1]。一旦液壓油發生乳化, 將對液壓系統產生以下幾方面危害: (1) 破壞潤滑油形成的油膜, 使潤滑油效果變差; (2) 加速有機酸對金屬的腐蝕作用, 銹蝕機械設備; (3) 促使油品生成油泥, 堵塞過濾器; (4) 加速添加劑的水解, 影響油品的低溫流動性。

                          1.2、液壓油乳化的成因

                          造成液壓油乳化的主要原因是液壓油中混入了水, 當水與液壓油接觸時, 由于水分子與水分子之間的相互吸引作用力, 使水得以以大團大團的水體懸浮在液壓油中, 再經過油泵的抽吸, 在液壓腔中受到較大的壓力擠壓, 水團迅速分解為一個個小的水分子, 均勻地分散在液壓油分子團的周圍, 再經過一定時間的氧化變質, 液壓油變為乳白色。而液壓油在使用過程中產生的氧化變質產物及外來污染物也會加速液壓油的乳化變質[2]。

                          2、海洋修井機液壓系統進水原因分析

                          目前常見的造成液壓系統進水的原因有以下幾種: (1) 液壓油儲存、加注過程中不慎進水; (2) 液壓系統清洗、維修過程中進水; (3) 空氣中的水蒸汽因冷熱交替而凝結后進入液壓系統; (4) 液壓系統密封不良造成外來水分進入。

                          通過對海洋修井機液壓系統的長期觀察發現, 在保證加注的液壓油油質良好且有效控制液壓油加注過程中液壓系統清洗及維修過程等因人為疏失造成的系統進水后, 海洋修井機液壓系統的進水情況并無改善。更換了液壓系統的全套密封后, 修井機液壓油箱內依然會積存大量的水, 進入冬季后甚至會將油箱底部的出油口凍住, 引起液壓系統失效。由此可知, (1) 、 (2) 、 (4) , 3種因素都不是造成進水的主要原因。

                          在對海洋修井機液壓系統各元件及其所處環境進行深入分析后, 我們發現液壓油在整個液壓系統的循環過程中都處于密閉的環境中, 唯一與外界環境接觸的部分就在海洋修井機的液壓油箱內, 其通過液壓油箱上的呼吸器與外部空氣接觸 (呼吸器見圖1左上角圓圈位置) 。目前絕大部分海洋修井機液壓油箱的呼吸器均采用直通式, 呼吸裝置內僅安裝熱熔式阻火器。當液壓系統工作時, 系統內的齒輪泵通過一組嚙合的齒輪擠壓液壓油做功產生壓力, 同時引起液壓油油溫及液壓油箱內的空氣溫度急速升高至超過環境溫度, 待工作結束后, 液壓油通過熱傳遞將熱能釋放至外部環境, 油溫及液壓油箱內的空氣溫度緩慢降低至環境溫度。

                          同時, 通過查閱歷年的渤海地區氣象日志, 對大量氣象數據的分析得出渤海海區的大氣濕度分布的基本特征是:沿岸小于海上, 北部等值線呈平行于海岸線的密合分布, 全年相對濕度的分布形勢比較相似, 尤以冬半年比較穩定, 多年平均相對濕度為66%, 。夏季最高, 7、8月份可達80%, ;冬季最低, 1月份為55%, ;春、秋季相對濕度介于冬、夏季之間。

                        圖1 海洋修井機液壓系統圖
                        圖1 海洋修井機液壓系統圖

                          綜合以上條件可以分析得出:當海洋修井機液壓系統在工作前后造成系統液壓油箱內冷熱交換時, 外部高濕度的空氣攜帶大量水蒸汽進入液壓油箱并通過冷凝的方式留在了液壓油箱內, 因此, 空氣中的水蒸汽因冷熱交替而凝結后進入液壓系統是造成海洋修井機液壓系統進水的主要原因。

                          3、海洋修井機液壓油箱優化設計

                          3.1、液壓油箱呼吸器改造

                          將液壓油箱原直通式的阻火呼吸器改為可控制進、出空氣的阻火呼吸閥 (見圖2) 。

                        圖2 防爆呼吸閥
                        圖2 防爆呼吸閥

                          改造為呼吸閥后, 當液壓系統工作時, 若液壓油箱內空氣壓力小于外部大氣壓力時, 閥片A打開, 外部空氣進入液壓油箱;若液壓油箱內空氣壓力大于外部大氣壓力時, 閥片B打開, 液壓油箱內多余空氣排出箱外。當液壓系統未工作時, 閥片A、B均關閉, 以減少液壓油箱內、外的空氣流通, 降低隨空氣進入液壓油箱的水蒸汽氣量。通氣口安裝阻火波紋板, 可滿足海洋油田修井機防爆要求。

                        圖3 空氣干燥裝置
                        圖3 空氣干燥裝置

                          在阻火呼吸閥的下部加裝空氣干燥裝置 (見圖3) , 使干燥裝置深入液壓油箱內并高于液壓油液面。干燥裝置內的干燥劑選用硅膠干燥劑, 因硅膠干燥劑具有以下優勢:

                          (1) 物理、化學性質穩定。硅膠干燥劑是用硅酸鈉和硫酸反應, 并經老化、酸泡等一系列后處理過程而制得。硅膠屬非晶態物質, 其化學分子式為m Si O2·n H2O, 不溶于水和任何溶劑, 除強堿、氫氟酸外不與任何物質發生反應。熱穩定性好, 在60~90, ℃的高溫環境內仍結構穩定, 且有較高的機械強度。

                          (2) 干燥效果好。硅膠干燥劑是一種高活性吸附材料, 它的化學組分和物理結構決定了它具有許多其他同類材料難以取代的優勢, 干燥效果顯著。

                          (3) 安全環保, 可重復利用。硅膠干燥劑無毒無味, 是唯一通過美國FDA認證, 可與藥品、食品直接接觸使用的干燥劑。通過簡單的加熱處理, 可將干燥劑內吸收的水分子析出, 重復利用, 具有較高的經濟效益。

                          (4) 在與海洋油田近似的環境領域已廣泛應用。硅膠干燥劑大量應用于海運集裝箱內, 用來吸附集裝箱在海洋運輸或存儲過程中, 貨柜因為經歷海洋高濕氣候及較大的晝夜溫差變化, 集裝箱內的水蒸汽凝結成水珠而形成的“集裝箱雨”, 該干燥劑可降低集裝箱內空氣水分的含量, 防止集裝箱雨的產生。

                          因硅膠干燥劑屬非晶態物質, 為防止干燥劑透過干燥器鋼絲網掉入液壓油內, 需將硅膠干燥劑放入具有單向透氣性能的杜邦紙袋 (注:杜邦紙為多孔性物質, 透氣性良好, 因纖維細密, 液態水、油等無法輕易滲透;而氣體和水汽則可以透過, 具有優異的防水透氣性能, 良好的防固體微粒穿透功能) 后, 一同裝入干燥器內?筛鶕簤河拖涞拇笮≌{整放入的干燥劑劑量, 在正常濕度環境下, 一立方米用量為500, g, 可根據環境濕度的高低, 適當增減硅膠干燥劑的用量, 以達到更佳的干燥效果并減少干燥劑更換頻次。

                          3.2、液壓油箱結構優化

                          海洋修井機在每次作業后一般都有幾周至幾個月的閑置期, 根據修井機這種使用頻次的特點, 在控制液壓系統外部水蒸汽進入系統的同時, 還可以利用重力沉降作用, 將初期進入液壓油中的水分從液壓系統中盡早排出, 避免這部分水分長期隨液壓油在液壓系統中循環, 經液壓泵受力分散成微小液滴, 加速液壓油乳化變質的情況。

                          液壓油箱結構優化方式為將液壓油箱由原平底結構改為具有一定夾角、可將沉降于底部的水分向中部聚集的兩塊底板。在兩塊底板的夾角處安裝一段直管, 以此管作為沉降水滴的收集裝置, 并在直管下部安裝球閥。

                          液壓油箱結構優化改造后 (見圖4) , 當修井機作業結束進入閑置階段, 在液壓系統工作期間從設備密封間隙等處進入液壓系統的小水滴因重力作用沉降至油箱底部并匯聚于收集裝置, 待下次作業前, 將球閥打開即可排出液壓油內沉降的水分。

                        圖4 改造后的油箱底部結構
                        圖4 改造后的油箱底部結構

                          4、結論

                          經現場應用試驗, 修井機液壓油箱在優化改造后, 可顯著降低液壓油箱內濕度, 即使在箱內干燥劑飽和失效的情況下, 也可較好地保持油箱內干燥, 大幅降低了液壓油乳化風險, 帶來了可觀的經濟、安全效益。

                          參考文獻
                          [1]郭國進, 陳芝茂.影響液壓油抗乳化性能原因分析[J].潤滑油, 2011, 26 (1) :25-28.
                          [2]馬治華.液壓油乳化的原因分析、危害及對策[J].科技經濟市場, 2014 (8) :122-122.
                          [3]湖北荊州第四石油機械廠.HXJ135海洋修井機產品說明書[Z].

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