近年来, 水下机器人 (ROV) 在海洋工程中的应用越来越广泛, 不仅需要水RROOVV能够完成观察检测等任务, 而且需要RROOVV能完成一些更为复杂的操作任务, 如水下矿产勘探开采、海洋地质采样、水下石油管线的铺设与检修、水下基盘和采油树的安装与维修等。ROV在水下工作时要用到机械手、液压扳手、切缆器、水枪泵、吸泥泵等辅助工具, 而它们都需要ROV的液压系统提供动力, 如果液压系统出现了问题, 就会造成海上工程进度受阻, 施工船舶现场待机, 环境污染等一系列严重后果。因此有必要对ROV液压系统的作业风险进行分析, 找出影响ROV液压系统泄漏的主要因素, 有针对性地防止ROV液压系统发生泄漏, 实现ROV海上安全作业效能的最大化。
1 ROV液压系统构成
辅助装置以及执行、控制与动力等元件共同构成了ROV液压系统。执行元件将液压油压力能转换为动作机构的机械能, 如ROV推进器的液压马达主要负责产生旋转扭矩;调节与控制液压油方向、流量与压力属于控制元件的主要功能, ROV液压系统各种功能由单向阀、流量阀与泄压阀等的各种组合来实现;电动机机械能向液压油压力能的转换由动力元件完成;辅助元件是将前面三部分 (动力元件、控制元件和执行元件) 连接在一起组成一个系统, 起贮油、过滤和密封等作用, 如管路和接头、油箱、过滤器和密封元件等。各种液压元件分工协作, 共同完成ROV液压系统的应用功能。
ROV液压系统泄漏是目前液压工作中系统普遍存在的故障现象, 所以我们要对ROV液压系统引起高度重视, 以防止产生泄漏现象。
2 ROV液压系统泄漏类型
运动密封处与固定密封处泄漏是ROV液压系统产生泄漏的二种主要类型, 前者大多涵盖多路阀阀杆、油缸活塞杆等部位;后者则更多的会发生在各管接头连接部位、缸底等处。
如果由油液泄漏方面划分的话, 则包括内泄漏、外泄漏两种。前者主要是指在液压系统中液压元件内部产生的泄漏;后者则说的是液压油由系统内向外部环境的泄漏。
3 泄漏发生的根源
3.1 密封件设计因素影响
设计、挑选液压系统密封元件对于ROV液压系统本身的可靠性有着决定性影响, 因为选用了不标准的密封件或者密封结构的设计失当, 忽略了液压油和温度环境改变、运行速度高低、极限压力大小、载荷状况以及密封材料相容型式等, 以至ROV液压系统会发生间接或直接性的程度不同的泄漏现象。
3.2 元件制造与装配不当
3.2.1 制造因素
形位与尺寸公差、表面光洁度及其处理等因素对于全部ROV液压元件、密封部件而言均必需严格执行, 假如上述要求无法完成, 会让零件的先天渗漏点成为客观的存在, 完成装配或使用时渗漏现象就会发生。
3.2.2 装配因素
许多ROV的配件属于精密元件, 在装配前应对密封零件进行仔细检查, 看是否有破损的把粘在上面的灰尘或者水分清理掉, 装配时应将零件蘸少许液压油, 轻轻压入。装配液压元件时, 必需谨慎操作, 假如用力过度, 会导致零件变形 (尤其是密封法兰、缸体受到手锤等的敲击) 达不到密封的效果, 容易造成液压系统泄漏。选择适当的清洗剂清洁密封件, 尤其对O形圈、防尘圈以及密封圈等橡胶件清洗, 它们的弹性会因为运用汽油一类清洗济而更易老化, 导致密封性能降低。
管接头和管式元件相连处是ROV液压管接头漏油产生的主要部位, 比如, 连接锥管螺纹过程中, 螺堵、螺纹二者间没有充分吻合, 漏油很容易发生。运用公制螺纹连接管接头时, 密封平面与螺孔中心线之间不垂直, 也就是说, 加工尺寸与螺孔几何精度和要求不相符, 导致组合垫圈密封程度不足, 泄漏会由此产生。
3.3 油液污染
3.3.1 气体污染
当重新装配液压部件时, 液压系统的启动必须要先充满油, 再放气。常温常压条件下, 6%-8%容积比的空气存在于液压油内, 如果减小压力, 油内会有空气游离出来, 导致气泡产生, 破裂的气泡会让液压元件发生气蚀现象, 噪声会由此产生。如果油内有众多的空气进入, 气蚀增加, 增大了液压油压缩性, 会导致工作不平稳现象发生。假如工作时的ROV液压系统于极短时间内, 高、低压之间的压力变换迅速, 高压侧的气泡温度升高后快速回至低压侧, 爆裂由此发生, 元件内壁的损伤、凹点由此产生, 引起泄漏。
3.3.2 颗粒污染
清洁的液压油是ROV液压系统的生命。ROV液压传动系统中, 能量传递工作介质是油液, 液压油选择准确之际, 必需保证清洁, 不能有污物混杂其中。如果ROV液压系统油中混入的污物进入阀芯与阀体的配合间隙, 就可能造成堵塞, 使局部压力增大, 超过耐压极限, 从而引起泄漏。原因在于, 组成ROV液压动力系统的各种阀、泵类元件相对运动时, 其全部的配合表面良好, 而且其配合表面间隙极小。
3.3.3 水污染
由于ROV工作在海水中, 海水可能会腐蚀液压系统的密封元件, 使元件的结构、材料、性质发生变化, 若海水进入ROV的液压系统, 海水会与液压油反应, 形成酸性物质和油泥, 使油液粘度下降、变质, 加速液压元件间的磨损, 会使系统发生内泄漏机率增大。
3.4 零件损伤
ROV设备有时候因为作业时海况较差能见度低, 在操控的时候不慎撞在海底结构物上, 也可能使某个液压元件损坏而发生泄漏。
4 防止泄漏的主要对策
4.1 防止空气进入系统
液压系统中所用的液压油可压缩性很小, 在一般的情况下它的影响可以忽略不计。但是低压空气的可压缩性很大, 约为液压油的1000倍, 所以即使系统中含有少量的空气, 它的影响也是很大的。为了防止空气破坏系统的稳定性, 在系统中设置有排气阀, 加完液压油或安装完液压管等配件后, 在设备起动之前, 先打开排气阀, 以排除存留在液压油中的空气。
4.2 防止密封件受损
在ROV液压系统密封件的安装过程中, 密封件安装的质量高, 不仅可以有效地降低液压系统的泄漏, 还可以提高密封件的使用寿命, 从而降低液压系统发生故障的几率。在装配液压元件时, 提前将各零部件清洗干净。在更换密封件时, 不允许用锐利的工具, 注意不得碰伤密封件或工作表面。在密封圈的装配中尽量采用专用工具, 要注意密封圈的方向性。O型圈虽没有方向性, 但在与档圈并用时, 要注意档圈的位置, 装错就不能起密封作用。同时, 在密封圈及其配合的表面上涂一些润滑脂, 以保护密封圈不受损坏。在经过螺纹时, 可在螺纹部缠上胶布或纸带, 并涂一些润滑脂, 以保护密封圈。在拆卸、分解液压元件时要注意零部件拆卸时的方向和顺序, 拆下的液压元件要妥善保存, 放在干净的位置不得丢失, 不要将其精加工表面碰伤。
4.3 防止过滤器堵塞
定期更换过滤器。ROV液压油过滤器是液压系统中除去液压油中少量固体颗粒的小型设备, 可保护设备的正常工作。当流体进入置有一定规格滤网的滤筒后, 其杂质被阻挡, 而清洁的滤液则由过滤器出口排出, 并要根据使用情况定期更换过滤器。
4.4 防止污物进入油液
定期更换液压油。液压油按技术资料规定加注后, 其品质并非一成不变, 因为液压油经常处于高温、高压下工作, 时间长了很容易变质和析出杂质, 从而影响系统中液压油的品质, 所以要定期检查和更换液压油。
4.5 防止液压系统长时间高温
在水上启动ROV液压系统检查ROV的推进器和机械手运行状态时, 由于没有海水冷却, 需要注意观察液压油箱上的温度表, 不要使液压油温度长时处在高温状态, 以免破坏液压系统密封套件的耐热性, 造成系统泄漏。
4.6 防止应力破坏密封性
在执行作业任务时, 要避免ROV撞到结构物, 否则可能会造成ROV液压系统的应力损伤, 破坏系统保护外壳, 从而导致液压泄露。也不要冒险去执行超出ROV自身液压极限的作业, 比如ROV的机械手只能提举100Kg, 若去提举200Kg的物件, 很可能导致液压油缸变形, 密封失效, 从而导致泄露。所以, 操作人员的风险意识一定要加强, 避免人为的破坏, 保障液压系统密封的良好性。
摘要：在海洋石油工程项目中, 水下机器人 (ROV) 的应用越来越广泛, 其作用越来越突显, 保障ROV持续运行尤为关键, 而ROV液压系统的渗漏是造成故障待机的常见问题, 本文以ROV操作者的角度来介绍液压系统泄露的产生原因和防治措施等。
关键词：ROV,液压泄露
参考文献
[1] 左健民.液压与气压传动[M].北京:机械工业出版社, 1999.
[2] 嵇光国.液压系统故障诊断与排除[M].北京:海洋出版社, 1990.
