水下阀门是水下生产系统中的重要组成部分,是重要的水下开采设备,其能否安全可靠的运行直接关系着水下生产系统甚至整个油田的安全。水下阀门相关研究的相对落后,制约了我国海洋天然气工业的发展。于是,对水下采油用阀门进行设计研究,提高其动作可靠性,具有重要的现实意义。本文结合国内外水下阀门研究现状,设计了一款用于水深3000 m的水下闸阀,包括闸阀的阀体、闸板、阀盖和阀座等零部件设计。同时还进行了水下闸阀执行机构的设计,由于水下闸阀在海底工作,于是对其动作的可靠性提出了较高要求,针对提高闸阀动作可靠性的目标,本文进行了机械结构的改进,在现有主流的液压执行机构基础上,加入了一套可独立运行的螺旋传动执行机构作为备用;当液压执行机构出现故障时,通过程序控制,转换机构立即动作,转换到螺旋传动执行机构继续对闸阀的开闭动作进行驱动控制。密封设计是水下闸阀设计的另一个重要内容。本文对水下闸阀进行了密封设计,包括阀座闸板密封、阀盖密封、平衡杆密封、活塞密封、末端挡圈密封以及执行机构末端密封,并对几个关键密封进行了密封分析,验证其密封性能。复位弹簧作为液压执行机构的重要部件,通过密封有限元分析提取出密封面的接触压力,在各单元上进行积分计算,从而得到密封摩擦力,为复位弹簧的设计提供数据;本文复位弹簧采用并联双弹簧形式,利用MATLAB进行复位弹簧的优化设计,得到了优化的复位弹簧方案。另外,本文还对阀门控制系统进行了设计研究,采用STEP 7进行控制程序开发,以西门子PLC作为下位机,实现了对阀门开闭动作的控制,以及阀门液压执行机构故障时立即启动并转换到螺旋传动执行机构继续完成阀门的开闭动作。