水下全电采油树生产阀门及执行机构设计

摘要

资料显示，全球深水区潜在石油储量高达1000亿桶，成为世界油气的重要接替区。水下采油树作为水下生产系统中的重要组成单元，它起到控制油井生产、连接井下油气与生产管汇以及监测反馈生产数据等作用。近些年美国Cameron公司研究的全电采油树系统已成功在墨西哥湾试运行。相对液动采油树，全电采油树结构紧凑、操作性能好、能够实现实时反馈与零排放。目前我国全电采油树技术仍处于起步阶段，因此研究一套水下全电采油树生产阀门及执行机构，对打破国外技术封锁具有重要意义。 研究了全电采油树技术的国内外现状，系统的总结了全电采油树阀门及执行机构所要遵循的设计标准和准则，工作环境与性能参数，功能与动作要求、尺寸与重量要求，确定出水下全电采油树阀门及执行机构的总体设计方案。完成了工作压力为10000psi、环境等级为EE时，水下采油树阀门结构设计和基体材料与防腐材料的选择。完成了、阀体、阀盖、闸板、阀杆、连接法兰、密封阀座、填料函等零件的结构设计与强度校核，绘制出零件图与装配图。 设计了阀门和执行机构中的所有密封结构并分析了其密封性能。研究了包括15MPa海水压力和69MPa高压介质压力作用下，阀门金属-金属密封与橡胶-金属密封的密封机理。并利用ABAQUS有限元分析软件，建立了弹性金属密封材料与所接触部件之间的高度非线性模型；非金属密封中橡胶材料与所接触部件之间的超弹体挤压接触模型。对比分析了不同材料机械性能、工作压力、以及初始预安装位移条件下，密封面比压变化规律。 深水电动执行器总体设计。研究并总结深水电动执行机构功能方案、动作参数以及尺寸重量要求。利用FLUENT软件分析了当上游管道通有69MPa高压油液情况时，阀门打开过程中闸板以及下游管道出口压力及流量的变化。计算了密封阀座密封面的正压力变化情况，以及阀门打开与关闭动作过程中所需要的最大开启力和最大关闭力。根据载荷情况，计算出电机的功率与执行机构输出扭矩。对比分析了不同“失效安全”方案的优缺点，确定了预紧力弹簧方案中弹簧预紧力的大小，完成了弹簧设计。

目录

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外水下采油树现状

1.2.2 国外水下采油树阀门研究现状

1.2.3 水下采油树工作环境及材料要求

1.2.4 国内研究现状

第二章 水下全电采油树生产阀门设计

2.1 水下全电采油树阀门工作环境与设计标准

2.1.1 水下全电采油树阀门种类介绍

2.1.2 水下全电采油树阀门工作环境

2.1.3 总体要求及参考标准

2.1.4 阀门工作性能参数

2.1.5 水下采油树阀门材料选择及要求

2.2 阀体结构设计

2.2.1 阀体壁厚确定

2.3 阀盖结构设计

2.3.1 阀盖壁厚确定

2.3.2 阀盖法兰连接设计

2.4 闸板与阀杆设计

2.4.1 闸板设计

2.4.2 阀杆设计与校核

2.5 本章小结

第三章 全电执行机构设计

3.1 全电执行机构总体要求

3.1.1 开关动作要求

3.1.2 紧急情况要求

3.1.3 设计要求

3.1.4 尺寸规定及限制

3.2 闸板动作过程受力情况分析

3.2.1 闸板动作过程受力分析

3.2.2 闸板动作过程受力仿真

3.2.3 闸板与密封阀座密间正压力计算

3.3 执行机构最大载荷确定

3.3.1 阀门最大关闭力计算

3.3.2 阀门最大开启力计算

3.4 失效快速关闭方案确定

3.4.1 几种失效紧急关闭方案对比

3.4.2 圆柱螺旋压缩弹簧的设计

3.5 全电执行机构设计方案确定

3.5.1 传动方案确定

3.5.2 电机功率确定

3.5.3 输出扭矩确定

3.5.4传动方案选择

3.6 本章小结

第四章 采油树生产阀门金属密封性能研究

4.1 金属密封技术简介

4.1.1 金属密封形成的微观过程

4.1.2 金属密封性能的影响因素

4.1.3 金属密封性能的研究方法

4.1.4 浮动密封阀座设计

4.2 U型弹性金属密封有限元分析

4.2.1 U金属密封的有限元模型建立

4.2.2 金属U型圈材料的选择

4.3.3 U型密封圈有限元分析结果

4.3金属C型圈有限元分析

4.3.1 有限元模型建立

4.3.2 有限元仿真结果及分析

4.3.3 阀体法兰连接面K型密封沟槽设计

4.3.4 阀体与阀盖法兰连接处密封设计及分析

4.4 本章小结

第五章 橡胶密封结构设计

5.1 法兰连接处O型密封结构设计与分析

5.1.1 O型密封性能分析

5.1.2 O性密封性能有限元分析

5.2 阀盖填料密封结构设计与分析

5.2.1 填料密封基本原理

5.2.2 填料密封结构设计

5.2.3 填料密封性能有限元分析

5.3 本章小结

总结

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢