水下控制模塊的清洗技術

王賀猛，陳 斌，于昕海，張汝彬，邱全平，劉 梁

（1.重慶前衛科技集團有限公司，重慶 401121；2.海油石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

SCM是一種集機、電、液于一體的設備，其主要用于控制水下采油樹各閥門的開關、監測各閥門的狀態[1]（壓力、溫度、響應時間以及流量等）。水下采油樹各閥門的開關由水下控制模塊（Subsea Control Module，SCM）中的方向控制閥(Directional Control Valve，DCV)控制，由于DCV屬于滑閥結構，閥芯與閥體間隙在微米級，介質的清潔度直接影響SCM的可靠性。因此，一種能夠清洗SCM的設備尤為必要的。在此結合沖洗設備內部元器件來闡述工作原理。

1 影響流體介質清潔度的主要因素

在液壓系統中，流體介質的清潔度是至關重要的，大部分液壓系統的故障都是由于流體介質污染而導致的，而污染流體介質的主要因素有以下3個方面。

1）制造環節污染。在液壓系統制造的過程中，由于外界環境中存在金屬粉塵、灰塵等異物，在制造階段這些異物會附著在管路、元件表面，在硬管加工過程中尤為明顯。

2）運行階段外界的污染。雖然液壓系統是一個相對密封的環境，但是在系統運行過程中，油箱內外部存在空氣的交換，雖然有空氣過濾器，但難免將外界粉塵等異物帶入液壓系統中。

3）系統內部磨損所產生的金屬微粒。在液壓系統運行的過程中，存在金屬之間的摩擦，如柱塞泵中柱塞與缸體、控制閥中閥芯與閥體等等。這些磨損產生的金屬微粒會隨著介質進入下游，對下游的液壓元件造成污染。

因此，有效地減少介質中的污染物是提高介質清潔度的主要方式。

2 減少污染物的方法

常用的減少污染物的方法有以下3種：

1）建設無塵車間。無塵車間可以有效的減少生產裝配過程中的污染物，但是建設成本較高，且如果只依靠無塵車間無法減少管路加工過程中的污染物，存在一定的局限性。

2）超聲波清洗。超聲波是一種頻率高于20 kHz的聲波，由于超聲波波長很短，頻率高，能傳遞的能力很強。當超聲波在清洗液中傳播時會導致促使液體中的微氣泡產生震動，隨著氣泡的增長，然后破裂，在氣泡周圍產生高壓及高溫。超聲波清洗技術就是依靠超聲波在介質質點處震動能力足夠高引發“超聲波空化現象”。被清洗物件表面的污漬可以被沖擊力剝離或者出現裂縫，持續不斷地沖擊，最終可以使污垢迅速剝落于被清洗物的表面[2]。由于SCM中管路與接頭之間為金屬硬密封，因此在超聲波清洗時，可能造成金屬密封的撞擊，導致密封失效，因此超聲波清洗存在一定的局限性。

3）循環沖洗。一般為了有效地清除液壓管路的顆粒污染物，要求沖洗介質的流動狀態為紊流。介質的紊流流動能保證使管路系統中的顆粒污染物脫落并通過過濾器移除。應使用雷諾數Re＞4 000的流動介質沖洗系統[3]。

雷諾數，即流體流動時的慣性力Fa和黏性力（內摩擦力）Fm之比：

其中，η=ρv，故：

式（1）和式（2）中：v為流體的平均速度，m/s；l為流束的定型尺寸，mm；η為工作狀態下流體的動力黏度，Pa·s；υ為工作狀態下流體的運動黏度，m2/s；ρ為被測流體的密度，kg/m3。

對于管線來說，這里的流速定型尺寸一般取管道內徑D。

故：

由式（3）可知，管線的雷諾數大小取決于3個參數：流體的速度、管線內徑和工作狀態下的運動黏度。

管線流體流量q的計算式為

根據式（3）可得：

液壓泵流量與轉速的關系：

電機轉速與電源頻率之間的關系：

結合式（5）～式（7）可得：

式（3）～式（8）中：f為電源頻率，Hz；V為液壓泵的排量，mL/r；D為管線內徑，mm；υ為工作狀態下流體的運動黏度，m2/s；p為電機旋轉磁場的極對數。

由式（8）可以看出，在液壓泵排量及管線內徑確定的情況下，雷諾數和電機頻率成正比、和運動黏度成反比，因此提高電機頻率或降低運動黏度都可以提高雷諾數。

考慮到實際工況，相比降低介質的運動黏度，增大電流頻率的方式更節能，更安全而且更易操作，該清洗設備選擇改變電機頻率的方式實現不同尺寸管路及液壓元件的沖洗功能。

3 設備簡介

3.1 原理圖

其工作原理見圖1。

圖1 設備工作原理圖

3.2 工作原理

電機啟動，將油液從供油箱吸入液壓泵，期間通過過濾器進行粗級過濾，主要防止大顆粒進入液壓泵從而對其造成損傷；油液通過液壓泵增壓后經過單向閥、截止閥、沖洗雙過濾器、流量計、截止閥后進入被沖洗元件內，若單向閥損壞或截止閥堵塞而引起的壓力過高可通過單向閥前端的溢流閥來實現泄放；沖洗雙組過濾器中的粗級過濾器可以過濾一些大顆粒，更小的顆粒則由精過濾器來進一步過濾，此時可以直觀讀取該頻率下通過沖洗設備的流量值。

從被清洗元件出來的油通過回油口回到沖洗設備；可通過開關針閥來取樣檢測清潔度是否達標；油液通過回油雙組過濾器進行粗過濾和精過濾，將被沖洗元件中的雜質過濾，最后油液通過風冷換熱器將部分熱量和空氣進行熱交換，降低油溫。

這樣，油液的流動形成一個閉環回路，這樣不斷循環往復沖洗，可以將被清洗物體內部的雜質清洗干凈以達到標準要求的清潔度。

當被清洗物體的尺寸有所改變時，可以調節變頻器來調節沖洗時流體的流速，從而讓油液盡可能處于紊流狀態，以達到高效清洗的效果，當然清洗效率還取決于濾芯的過濾效果和更換頻率。

3.3 元器件介紹

3.3.1 變頻器

變頻器是一種應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電機電力控制的設備。主要由整流、濾波、逆變、制動單元、驅動單元、檢測單元及微處理單元組成。在該設備中，其主要作用是改變電機的電流頻率來改變電機的轉速從而改變泵的輸出流量。

3.3.2 變頻電機

變頻電機是指在標準環境條件下，以100%額定負載在10%～100%額定速度范圍內連續運行，溫升不會超過該電機標定容許值的電機。其具有如下顯著優點：

1）調速容易且節能。

2）電機結構簡單、慣量小、造價低、容易維修且耐用。

3）可以擴大容量，實現高轉速和高電壓運行。4）可以實現軟啟動和快速制動。

5）無火花、防爆、環境適應能力強。

3.3.3 液壓泵

液壓泵是一種將機械能轉化為壓力和流量并提供給系統的元件，是靠發動機或電機驅動，從液壓油箱中吸入油液，形成壓力油排出，送到執行元件。按結構可分為齒輪泵、柱塞泵、葉片泵和螺桿泵。

用于高壓、大排量沖洗，可以高壓柱塞泵，因其具有額定壓力高、結構緊湊、效率高和流量調節方便的優點。

3.3.4 過濾器

過濾器是一種輸送介質管道上不可或缺的裝置，主要由筒體、不銹鋼濾網、排污部分、傳動裝置及電氣控制部分組成。

簡單的過濾器主要由筒體、不銹鋼濾網組成，常見的有“T”型、“Y”型。流體介質從進口流入，經過濾網，大于濾網孔直徑的雜質顆粒被攔截下來，如此不斷循環達到清潔流體的效果。

帶目視污染發訊器的過濾器主要通過進、出口之間產生的壓差通過傳動裝置來傳遞給發訊器帶來視覺上的一些變化，如顏色，從而提示更換或清洗濾芯；帶電子傳感器的過濾器主要通過壓差變送器將壓差信號轉為電信號，反饋給控制中心從而提示更換或清洗濾芯，過濾器的選擇需考慮更換濾芯的便捷性、經濟性。

濾芯的過濾性能[4-5]對沖洗效果、效率的影響頗深，濾芯的過濾精度應滿足液壓系統的設計要求。

3.3.5 壓力表

壓力表是一種以彈性元件為敏感元件來測量并指示高于環境壓力的儀表。其工作原理是通過表內的敏感元件（波登管、膜盒、波紋管）的彈性形變，再由表內機芯的轉換機構將壓力形變傳遞至指針，引起指針的轉動來顯示壓力。

在本設備中，壓力表需監測由電流頻率改變而引起沖洗管路壓力的改變，避免出現管路壓力超過系統設計壓力的情況。

3.3.6 流量計

流量計是一種指示被測流量和在選定的時間間隔內流體總量的儀表。其種類可分為差壓式流量計、轉子流量計、容積流量計、電磁流量計、超聲波流量計等。

在本設備中，流量計可以檢測設備的輸出流量，從而調整電機的輸入頻率，保證設備的輸出流量恒定。

3.3.7 溢流閥

溢流閥在液壓系統中起安全保護作用。當系統壓力達到設定值時，閥口逐漸開啟，將一部分流體介質排出，使系統壓力不超過設定值。

3.3.8 風冷油換熱器

風冷油換熱器是一種電機帶動葉片轉動產生風力將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體（空氣）的設備。當電機泵組在出口壓力較高的情況下長時間運轉時，油溫會迅速升高，故該裝置的作用就是降低回油溫度。

4 結論

污染流體介質的主要因素有制造環節污染、運行階段外界的污染、系統內部磨損所產生的金屬微粒。而降低這些污染物的主要方法有：建設無塵車間、超聲波清洗、循環沖洗，在考慮經濟性和便捷性前提下，最終選擇循環沖洗的方法減少介質中的污染，從而設計了該循環沖洗裝置。

實踐證明，該清洗設備配合優質濾芯和適配的清洗工裝，可以高效地對SCM內的管閥件進行清洗，使其清潔度快速達標。