海洋修井机液压系统防进水设计研究

　　摘要：海洋修井机广泛应用于各油田海上平台, 因海洋环境复杂多变, 对修井机设备运维带来了巨大的挑战。根据海洋修井机液压系统设计要求, 液压油的更新频率为1年左右, 但从设备多年现场实际运转情况看, 液压油在26个月期间就会发生严重乳化, 这不但会对液压设备造成损坏并产生安全风险, 同时频繁更换液压油, 还造成了设备运行成本的大幅提高。通过对海洋修井机液压系统的分析, 找出了系统存在的缺陷并针对缺陷对液压油箱进行优化设计。

　　关键词：海洋修井机; 液压油乳化; 防爆干燥呼吸阀; 油水分离;

　　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;

　　海洋修井机是近海油田开发和生产中不可或缺的一种重要设备, 油井的生产故障必须由修井机来修复。目前, 仅渤海海域在用的各型海洋修井机已有近百台, 同时依据油田开发需求还在以每年十余台的速度不断增加。海洋修井机必须通过内部的液压系统来实现调整工况和作业工况, 而液压系统内的“血液”——液压油的性能将直接影响液压系统的运转状况。根据海洋修井机液压系统设计要求, 液压油的更新频率为一年左右, 但从设备多年现场实际运转情况来看, 液压油在两个月至半年期间就会发生严重乳化, 这不但会对液压设备造成损坏并产生安全风险, 而且如此频繁地更换液压油, 造成了设备运行成本的大幅提高。因此, 减少液压油乳化的发生是迫切而现实的需要。

　　1、液压油乳化的危害及成因

　　1.1、液压油乳化的危害

　　液压油是液压系统的重要组成部分, 在液压系统中实现能量的传递、转化和控制, 同时起润滑、防锈、冷却、减震等作用。液压系统对液压油的要求主要有:适宜的黏度和良好的黏温性, 优良的润滑性能 (抗磨性能) , 优良的热、氧化安定性、水解安定性、剪切安定性, 良好的抗乳化性, 良好的防锈、抗腐蚀性, 良好的抗泡性和空气释放性, 良好的密封材料适应性, 良好的清洁性和过滤性[1]。一旦液压油发生乳化, 将对液压系统产生以下几方面危害: (1) 破坏润滑油形成的油膜, 使润滑油效果变差; (2) 加速有机酸对金属的腐蚀作用, 锈蚀机械设备; (3) 促使油品生成油泥, 堵塞过滤器; (4) 加速添加剂的水解, 影响油品的低温流动性。

　　1.2、液压油乳化的成因

　　造成液压油乳化的主要原因是液压油中混入了水, 当水与液压油接触时, 由于水分子与水分子之间的相互吸引作用力, 使水得以以大团大团的水体悬浮在液压油中, 再经过油泵的抽吸, 在液压腔中受到较大的压力挤压, 水团迅速分解为一个个小的水分子, 均匀地分散在液压油分子团的周围, 再经过一定时间的氧化变质, 液压油变为乳白色。而液压油在使用过程中产生的氧化变质产物及外来污染物也会加速液压油的乳化变质[2]。

　　2、海洋修井机液压系统进水原因分析

　　目前常见的造成液压系统进水的原因有以下几种: (1) 液压油储存、加注过程中不慎进水; (2) 液压系统清洗、维修过程中进水; (3) 空气中的水蒸汽因冷热交替而凝结后进入液压系统; (4) 液压系统密封不良造成外来水分进入。

　　通过对海洋修井机液压系统的长期观察发现, 在保证加注的液压油油质良好且有效控制液压油加注过程中液压系统清洗及维修过程等因人为疏失造成的系统进水后, 海洋修井机液压系统的进水情况并无改善。更换了液压系统的全套密封后, 修井机液压油箱内依然会积存大量的水, 进入冬季后甚至会将油箱底部的出油口冻住, 引起液压系统失效。由此可知, (1) 、 (2) 、 (4) , 3种因素都不是造成进水的主要原因。

　　在对海洋修井机液压系统各元件及其所处环境进行深入分析后, 我们发现液压油在整个液压系统的循环过程中都处于密闭的环境中, 唯一与外界环境接触的部分就在海洋修井机的液压油箱内, 其通过液压油箱上的呼吸器与外部空气接触 (呼吸器见图1左上角圆圈位置) 。目前绝大部分海洋修井机液压油箱的呼吸器均采用直通式, 呼吸装置内仅安装热熔式阻火器。当液压系统工作时, 系统内的齿轮泵通过一组啮合的齿轮挤压液压油做功产生压力, 同时引起液压油油温及液压油箱内的空气温度急速升高至超过环境温度, 待工作结束后, 液压油通过热传递将热能释放至外部环境, 油温及液压油箱内的空气温度缓慢降低至环境温度。

　　同时, 通过查阅历年的渤海地区气象日志, 对大量气象数据的分析得出渤海海区的大气湿度分布的基本特征是:沿岸小于海上, 北部等值线呈平行于海岸线的密合分布, 全年相对湿度的分布形势比较相似, 尤以冬半年比较稳定, 多年平均相对湿度为66%, 。夏季最高, 7、8月份可达80%, ;冬季最低, 1月份为55%, ;春、秋季相对湿度介于冬、夏季之间。

图1 海洋修井机液压系统图

　　综合以上条件可以分析得出:当海洋修井机液压系统在工作前后造成系统液压油箱内冷热交换时, 外部高湿度的空气携带大量水蒸汽进入液压油箱并通过冷凝的方式留在了液压油箱内, 因此, 空气中的水蒸汽因冷热交替而凝结后进入液压系统是造成海洋修井机液压系统进水的主要原因。

　　3、海洋修井机液压油箱优化设计

　　3.1、液压油箱呼吸器改造

　　将液压油箱原直通式的阻火呼吸器改为可控制进、出空气的阻火呼吸阀 (见图2) 。

图2 防爆呼吸阀

　　改造为呼吸阀后, 当液压系统工作时, 若液压油箱内空气压力小于外部大气压力时, 阀片A打开, 外部空气进入液压油箱;若液压油箱内空气压力大于外部大气压力时, 阀片B打开, 液压油箱内多余空气排出箱外。当液压系统未工作时, 阀片A、B均关闭, 以减少液压油箱内、外的空气流通, 降低随空气进入液压油箱的水蒸汽气量。通气口安装阻火波纹板, 可满足海洋油田修井机防爆要求。

图3 空气干燥装置

　　在阻火呼吸阀的下部加装空气干燥装置 (见图3) , 使干燥装置深入液压油箱内并高于液压油液面。干燥装置内的干燥剂选用硅胶干燥剂, 因硅胶干燥剂具有以下优势:

　　(1) 物理、化学性质稳定。硅胶干燥剂是用硅酸钠和硫酸反应, 并经老化、酸泡等一系列后处理过程而制得。硅胶属非晶态物质, 其化学分子式为m Si O2·n H2O, 不溶于水和任何溶剂, 除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。热稳定性好, 在60~90, ℃的高温环境内仍结构稳定, 且有较高的机械强度。

　　(2) 干燥效果好。硅胶干燥剂是一种高活性吸附材料, 它的化学组分和物理结构决定了它具有许多其他同类材料难以取代的优势, 干燥效果显着。

　　(3) 安全环保, 可重复利用。硅胶干燥剂无毒无味, 是唯一通过美国FDA认证, 可与药品、食品直接接触使用的干燥剂。通过简单的加热处理, 可将干燥剂内吸收的水分子析出, 重复利用, 具有较高的经济效益。

　　(4) 在与海洋油田近似的环境领域已广泛应用。硅胶干燥剂大量应用于海运集装箱内, 用来吸附集装箱在海洋运输或存储过程中, 货柜因为经历海洋高湿气候及较大的昼夜温差变化, 集装箱内的水蒸汽凝结成水珠而形成的“集装箱雨”, 该干燥剂可降低集装箱内空气水分的含量, 防止集装箱雨的产生。

　　因硅胶干燥剂属非晶态物质, 为防止干燥剂透过干燥器钢丝网掉入液压油内, 需将硅胶干燥剂放入具有单向透气性能的杜邦纸袋 (注:杜邦纸为多孔性物质, 透气性良好, 因纤维细密, 液态水、油等无法轻易渗透;而气体和水汽则可以透过, 具有优异的防水透气性能, 良好的防固体微粒穿透功能) 后, 一同装入干燥器内。可根据液压油箱的大小调整放入的干燥剂剂量, 在正常湿度环境下, 一立方米用量为500, g, 可根据环境湿度的高低, 适当增减硅胶干燥剂的用量, 以达到更佳的干燥效果并减少干燥剂更换频次。

　　3.2、液压油箱结构优化

　　海洋修井机在每次作业后一般都有几周至几个月的闲置期, 根据修井机这种使用频次的特点, 在控制液压系统外部水蒸汽进入系统的同时, 还可以利用重力沉降作用, 将初期进入液压油中的水分从液压系统中尽早排出, 避免这部分水分长期随液压油在液压系统中循环, 经液压泵受力分散成微小液滴, 加速液压油乳化变质的情况。

　　液压油箱结构优化方式为将液压油箱由原平底结构改为具有一定夹角、可将沉降于底部的水分向中部聚集的两块底板。在两块底板的夹角处安装一段直管, 以此管作为沉降水滴的收集装置, 并在直管下部安装球阀。

　　液压油箱结构优化改造后 (见图4) , 当修井机作业结束进入闲置阶段, 在液压系统工作期间从设备密封间隙等处进入液压系统的小水滴因重力作用沉降至油箱底部并汇聚于收集装置, 待下次作业前, 将球阀打开即可排出液压油内沉降的水分。

图4 改造后的油箱底部结构

　　4、结论

　　经现场应用试验, 修井机液压油箱在优化改造后, 可显着降低液压油箱内湿度, 即使在箱内干燥剂饱和失效的情况下, 也可较好地保持油箱内干燥, 大幅降低了液压油乳化风险, 带来了可观的经济、安全效益。

　　参考文献
　　[1]郭国进, 陈芝茂.影响液压油抗乳化性能原因分析[J].润滑油, 2011, 26 (1) :25-28.
　　[2]马治华.液压油乳化的原因分析、危害及对策[J].科技经济市场, 2014 (8) :122-122.
　　[3]湖北荆州第四石油机械厂.HXJ135海洋修井机产品说明书[Z].