水下球阀用液压执行机构设计

　　1 概述

　　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。