深水水平套筒式連接器密封件更換工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

□ 趙三軍 □ 段夢(mèng)蘭 □ 劉亞磊 □ 李旭東 □ 林建國(guó) □ 李 博

1．中國(guó)石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心 北京 102249 2．中海油研究總院 北京 100027

隨著陸上油氣資源的枯竭，各國(guó)已把目光移向油氣資源豐富的海洋。深水區(qū)域的油氣資源相對(duì)淺水區(qū)域更豐富，人類開采的方向也從淺水逐漸轉(zhuǎn)向深水。隨著深水區(qū)域油氣資源不斷被發(fā)現(xiàn)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)已成為一種重要的深水開發(fā)模式［1］。水下連接器是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是為水下生產(chǎn)設(shè)施連接，包括水下采油樹與水下管匯的連接、跨接管與水下采油樹的連接、PLET（管道終端）與PLEM（終端管匯）的連接等［2-3］。密封件是連接器的核心部件之一，而密封件又是易損件，為保證連接器能夠長(zhǎng)期安全地工作，必須適時(shí)地更換密封件，因此對(duì)密封件更換工具的研究和設(shè)計(jì)十分重要。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)深水連接器密封件更換工具的研究基本處在剛起步的階段，哈爾濱工程大學(xué)和中國(guó)石油大學(xué)已對(duì)連接器進(jìn)行相關(guān)研究［4-8］，但工程上應(yīng)用的產(chǎn)品主要依賴于進(jìn)口。國(guó)外目前市場(chǎng)上成熟的連接器產(chǎn)品主要來(lái)自FMC、Cameron和OilStates3個(gè)公司，更換工具在實(shí)際工程中已經(jīng)發(fā)展得很成熟，但是相關(guān)資料很少，相應(yīng)的公司對(duì)外部實(shí)施嚴(yán)格保密。

因此，我國(guó)設(shè)立了兩個(gè)重大科技專項(xiàng)對(duì)連接器和其它水下生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行研究。本文主要根據(jù)水平套筒式連接器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的密封件更換工具，通過(guò)對(duì)更換工具的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，為形成我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水平連接器密封件的更換工具提供有力的技術(shù)支持。

1 水平套筒式連接器

套筒式連接器分為機(jī)械式和液壓式，主要由核心部件和輔助部件組成，核心部件包括公轂座、母轂座、金屬密封件、卡爪、驅(qū)動(dòng)環(huán)等；輔助部件有定位機(jī)構(gòu)、軸向鎖緊機(jī)構(gòu)、液壓元件、控制面板等。筆者設(shè)計(jì)的密封件的更換工具主要用于1500m水下機(jī)械式水平套筒式連接器。機(jī)械式水平套筒式連接器包括連接器和安裝工具，連接器由核心部件組成，安裝工具由輔助部件組成。工作原理是：驅(qū)動(dòng)環(huán)向前運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)卡爪，使卡爪與公、母轂座嚙合，從而鎖緊轂座，同時(shí)轂座內(nèi)的金屬密封件因受擠壓發(fā)生塑性變形，從而起到密封的效果。

深水套筒式連接器是先在水面與跨接管連接在一起，然后一同安裝到水下設(shè)施上。在水下安裝時(shí)要用工具將連接器的兩個(gè)轂座連接在一起，并且要在轂座之間用密封件密封。周游［9］等研究了水平套筒式連接器的安裝方案。當(dāng)密封件損壞時(shí)，還需要用到安裝工具對(duì)連接器進(jìn)行解鎖和重新鎖緊來(lái)完成密封件的更換。圖1為水平套筒式連接器核心部件，圖2為正在通過(guò)索具下放安裝工具。

2 更換工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

密封件更換首先要對(duì)連接器進(jìn)行解鎖和重新鎖緊，這些操作都是由安裝工具來(lái)完成的。密封件更換工具用于在安裝工具對(duì)連接器解鎖之后對(duì)密封件的替換。

▲圖1 水平套筒式連接器核心部件

▲圖2 下放安裝工具

▲圖3 拆卸工具

▲圖4 上裝工具

此密封件的更換工具有兩個(gè)：一是拆卸舊密封件時(shí)用的拆卸工具，二是裝新密封件時(shí)的上裝工具。更換工具主要由下放系統(tǒng)和主體結(jié)構(gòu)組成，密封件的更換需要對(duì)連接器進(jìn)行解鎖和重新鎖緊，解鎖和重新鎖緊的操作都是由水平連接器安裝工具來(lái)完成的，由ROV（水下機(jī)器人）抓手抓住下方系統(tǒng)上的ROV抓板來(lái)完成更換工具的下放和回收。安裝工具的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3和圖4所示。

2.2 主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本方案對(duì)密封件的更換是用兩步法完成的，用到兩種工具：拆卸工具和上裝工具。這兩個(gè)工具的下放系統(tǒng)是一樣的，但主體結(jié)構(gòu)是不同的，主體結(jié)構(gòu)與轂座的配合分別如圖5和圖6所示。

各部件的狀態(tài)與作用為：公轂座固定在海底，在密封件更換過(guò)程中無(wú)任何移動(dòng)。外架安裝在更換工具外側(cè)，為更換工具的對(duì)位起輔助作用。拆卸工具殼體與下放系統(tǒng)連接。斜彈簧與母轂座、斜插釘配合，擠壓斜插釘，使斜插釘能夠外移鎖住密封件。斜插釘固定在母轂座上，負(fù)責(zé)卡住密封件。導(dǎo)向塊控制斜插釘?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡，C型環(huán)將導(dǎo)向塊固定在母轂座上。更換母轂座時(shí)，由安裝工具帶動(dòng)左右移動(dòng)。彈性圓環(huán)因結(jié)構(gòu)特點(diǎn)具備彈性，在更換過(guò)程中頂開斜插釘，同時(shí)被舊密封件撐開，當(dāng)密封件進(jìn)入后恢復(fù)原狀鎖住密封件。彈性圓環(huán)與拆卸工具殼體用螺釘連接。舊密封件更換時(shí)被母轂座壓入彈性圓環(huán)內(nèi)，拆卸完成后隨拆卸工具一起回收。

垂直插釘更換前與水平插釘?shù)拇种睆教幣浜?，上裝工具工作時(shí)與水平插釘細(xì)直徑處配合。垂直彈簧與垂直插釘、更換工具殼體配合，向外推垂直插釘。上裝工具殼體與下放系統(tǒng)相連接。水平插釘，有一段較細(xì)的直徑，更換時(shí)，被公轂座按下，細(xì)直徑處與垂直插釘配合。水平彈簧與水平插釘、更換工具殼體配合，向外推水平插釘。固定栓與垂直插釘固聯(lián)，將新密封件固定在上裝工具的中心，上裝工具與公轂座、母轂座配合時(shí)往外移動(dòng)釋放新密封件。新密封件在更換前安裝在上裝工具上，更換完成后被母轂座的斜插釘卡住。.

上裝工具的垂直插釘與水平插釘?shù)呐浜蠟椋耗篙炞鶎⑸涎b工具的水平插釘壓入，水平插釘左移，由于彈簧的作用使兩個(gè)插釘?shù)呐浜嫌纱种睆阶優(yōu)榧?xì)直徑，垂直插釘將沿它們軸向方向外移，使固定栓與密封件脫離，從而釋放密封件。圖7為垂直插釘與水平插釘?shù)呐浜鲜疽鈭D。

2.3 下放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 下放系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

當(dāng)連接器內(nèi)密封件需要更換時(shí)，首先下放安裝工具，對(duì)連接器進(jìn)行解鎖，然后通過(guò)更換工具的下放系統(tǒng)下放拆卸和上裝工具。下放系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下。

▲圖5 拆卸工具主體

▲圖6 上裝工具主體

▲圖7 兩個(gè)插釘?shù)拇旨?xì)直徑配合

▲圖8 更換工具下放至安裝工具

（1）能夠與水下安裝工具相應(yīng)結(jié)構(gòu)配合，完成更換工具的定位。

（2）定位完成后，能夠讓更換工具在水平方向上移動(dòng)，完成與公轂座、母轂座的配合。

（3）能夠借助ROV的幫助完成下放。

2．3．2 下放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在連接器安裝工具上增加2根橫桿，作為更換工具下放機(jī)構(gòu)的接收裝置，更換工具由ROV運(yùn)載并坐落到這兩根橫桿上。橫桿的另一個(gè)功能是作為下放機(jī)構(gòu)的滑道，下放機(jī)構(gòu)能夠沿著橫桿滑動(dòng)完成水平方向的移動(dòng)，如圖8所示。

3 更換步驟

（1）當(dāng)密封件需要更換時(shí)，首先下放安裝工具進(jìn)行解鎖，之后將連接器主體整體右移，由于斜插釘?shù)目ňo使舊密封件跟隨連接器右移且不掉落，用ROV抓住垂直架頂部的ROV抓板，將拆卸工具放到橫桿上。如圖8，在橫桿滑道和滑塊上分別有2個(gè)彈簧，當(dāng)驅(qū)動(dòng)板向左移動(dòng)時(shí)，頂住下放機(jī)構(gòu)的右側(cè)釘，使下放機(jī)構(gòu)向左移動(dòng)，此時(shí)，彈簧1只略微壓縮，彈簧2明顯壓縮，使拆卸工具主體與母轂座配合。驅(qū)動(dòng)板繼續(xù)左移，由于拆卸工具已經(jīng)與母轂座配合，彈簧2不再壓縮，彈簧1開始發(fā)生明顯壓縮，使公轂座與拆卸工具配合。在配合過(guò)程中，斜插釘將首先被彈性圓環(huán)的斜面支開，舊密封件落入彈性圓環(huán)中。隨后，舊密封件繼續(xù)被連接器主體壓緊，彈性圈被迫向外張開一定角度，損壞的密封件被擠入彈性圓環(huán)，并被內(nèi)突起卡住，從而取下舊密封件。

（2）母轂座在安裝工具作用下向右移動(dòng)，同時(shí)，拆卸工具在橫桿上的彈簧作用下，向右移動(dòng)一段距離，當(dāng)有足夠大空隙時(shí)，再由ROV移走密封件拆卸工具。

（3）將帶有新密封件的上裝工具下放到橫桿上，安裝工具帶動(dòng)連接器主體及上裝工具整體左移，使上裝工具與公轂座和母轂座配合。配合過(guò)程中，公轂座將上裝工具的水平插釘壓入，水平插釘左移，使與垂直插釘?shù)呐浜嫌纱种睆阶優(yōu)榧?xì)直徑，上裝工具釋放新密封件，而斜插釘由于彈簧的作用，鎖緊密封件到母轂座。

（4）母轂座在安裝工具作用下向右移動(dòng)，同時(shí)，上裝工具在橫桿上的彈簧作用下，向右移動(dòng)一段距離，當(dāng)有足夠大空隙時(shí)，再由ROV移走密封件上裝工具。

（5）最后，由安裝工具重新鎖緊連接器。

4 有限元分析

為了保證設(shè)計(jì)的更換工具能夠安全可靠地工作，對(duì)更換工具的主要受力部件垂直架和彈性圓環(huán)進(jìn)行了有限元分析［10］。

4．1 垂直架的有限元分析

垂直架承載了更換工具的主要重量 （拆卸工具主體結(jié)構(gòu)和上裝工具主體結(jié)構(gòu)分別約300kg），此外，還承受1500m水壓。由于它特殊的外形，對(duì)它的強(qiáng)度和剛度都有較高要求。選用合金鋼材料，具體參數(shù)見表1。

表1 選用的合金鋼主要參數(shù)

用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行分析，得到垂直架在1500m水深、承受外載荷300kg情況下的應(yīng)力與位移，如圖9所示。由圖9可以看出，垂直架最大應(yīng)力為69．62MPa， 遠(yuǎn)小于材料620．4MPa的屈服強(qiáng)度。垂直架的最大位移為6．769mm，變形對(duì)更換工具的主體結(jié)構(gòu)與公母轂座的對(duì)中產(chǎn)生影響，可以在制造垂直架時(shí)預(yù)留6．8mm的變形量，與其工作時(shí)的變形量相抵消，以保證對(duì)中效果。

4．2 彈性圓環(huán)的有限元分析

彈性圓環(huán)要有一定的彈性，材料為彈簧鋼，其主要參數(shù)見表2。在ABAQUS中固定彈性圓環(huán)的底部，給密封件施加一個(gè)位移，得到圖10所示的應(yīng)力云圖。

▲圖9 垂直架的有限元分析

▲圖10 彈性圓環(huán)的有限元分析

表2 選用的彈簧鋼主要參數(shù)

如圖10所示，彈性圓環(huán)受到的最大應(yīng)力為62．43 MPa，遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度620．4MPa，所以彈性圓環(huán)的設(shè)計(jì)是合理的。

5 總結(jié)

（1）連接器安裝工具能夠提供給更換工具的空間十分有限，質(zhì)量易超過(guò)ROV的承載范圍，所以要求設(shè)計(jì)的更換工具體積和質(zhì)量應(yīng)盡量小。

（2）在水深1500m的海底惡劣環(huán)境條件下工作，對(duì)連接器密封件更換工具的設(shè)計(jì)滿足了輕巧化、快捷化、安全化、實(shí)用化、經(jīng)濟(jì)化的客觀要求。

（3）通過(guò)對(duì)更換工具的主要部件進(jìn)行了有限元分析，表明設(shè)計(jì)的更換工具能夠滿足強(qiáng)度要求，能夠安全可靠的工作。

（4）我國(guó)海洋油氣裝備的發(fā)展還相對(duì)落后，要加強(qiáng)理論研究和提升制造、測(cè)試水平，早日打破國(guó)外對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)海洋石油裝備的國(guó)產(chǎn)化。

［1］ Hansen R L，Rickey W P．Evolution of Subsea Production Systems:aWorldwide Overview ［C］．OTC 7628，1994．

［2］ David Carter Allensworth,Timothy William Crown．Subsea Gang Connector System ［P］． United States Patent:US7172447 B2,2007-02-06．

［3］ 王瑩瑩,王德國(guó),段夢(mèng)蘭,等．水下生產(chǎn)系統(tǒng)典型布局形式的適應(yīng)性研究［J］．石油機(jī)械,2012,40 （4）:58-63．

［4］ 石東兵．海底油氣水平管道連接器關(guān)鍵技術(shù)研究 ［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010．

［5］ 譚磊．水下管道卡壓式連接器與連接機(jī)具關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué) 2012．

［6］ 關(guān)俊峰．卡爪式深海管道自動(dòng)連接機(jī)具技術(shù)研究 ［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2009．

［7］ Yanshun Zhu,Xiaolan Luo,Menglan Duan,et al,Installation Technology of Deepwater Vertical Collet Connector ［J］．Advanced Materials Research，2012，524-527，1465-1470．

［8］ 董衍輝,段夢(mèng)蘭,王金龍,等．深水水下連接器的對(duì)比與選擇［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械， 2012,41 （4）:6-12．

［9］ 周游,段夢(mèng)蘭,郭宏,等．深水水平套筒式連接器定位技術(shù)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械,2013,42（9）:18-22．

［10］ 石亦平,周玉蓉．ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006．