水下控制模塊鎖緊機構(gòu)設計

代廣文，趙宏林，葉天源，段夢蘭，徐時賢，朱軍龍（．中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京049；．重慶前衛(wèi)海洋石油工程設備有限責任公司，重慶40）

·設計計算·

水下控制模塊鎖緊機構(gòu)設計

代廣文1，趙宏林1，葉天源2，段夢蘭1，徐時賢1，朱軍龍1
（1．中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2．重慶前衛(wèi)海洋石油工程設備有限責任公司，重慶401121）①

水下控制模塊是水下采油樹的重要組成部分，其長期處于水下高壓狀態(tài)，對其進行固定和鎖緊至關重要。根據(jù)ISO 13628-8等相應規(guī)范，在考慮水下控制模塊外形及鎖緊力的基礎上，利用Solidworks軟件建模，對水下控制模塊鎖緊機構(gòu)進行設計，同時利用經(jīng)驗公式對鎖緊機構(gòu)的強度進行計算。分析結(jié)果表明，設計的鎖緊機構(gòu)滿足水下控制模塊鎖緊的需求。

水下控制模塊；鎖緊機構(gòu)；結(jié)構(gòu)；力學分析

水下控制模塊（以下簡稱SCM）長期工作在海底，它的工作環(huán)境具有壓力高、腐蝕性強、海水流動的特性［1］。為了使水下控制模塊內(nèi)部的元件不受外界海水環(huán)境的影響，需要為水下控制模塊設計獨立的封裝系統(tǒng)，從而使內(nèi)部元件與海水隔離、保證水下控制模塊內(nèi)部工作是一個穩(wěn)定的環(huán)境，而鎖緊裝置的設計對于水下控制模塊密封與固定起著至關重要的作用［2］。

關于水下控制模塊的研制，國外公司有著比較成熟的技術(shù)，并對該技術(shù)進行壟斷。Aker Solution公司設計的一種水下控制模塊外形為圓柱式結(jié)構(gòu)，采用單軸鎖緊形式，并在連接底板上裝有自封閉液壓接頭，避免配對接頭脫開后控制液的泄漏，該裝置適合于深水中使用。該公司另外一種水下控制模塊整體為四方形結(jié)構(gòu)，采用雙鎖緊軸的鎖緊形式，鎖緊可靠，適合于較淺海水使用［3］，如圖1～2。FMC公司主要采用中間鎖緊軸的形式鎖緊，Cameron公司則采用鎖緊塊的方式進行鎖緊［4］，如圖3～4。但詳細的外部形狀及結(jié)構(gòu)設計相關資料數(shù)據(jù)很少，相應的公司對外部實施嚴格保密。

本文針對1500m水深，對圓筒形水下控制模塊鎖緊機構(gòu)進行分析研究，為形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水下控制模塊鎖緊機構(gòu)提供有力的技術(shù)支持。

圖1　Aker Solution公司單軸鎖緊式水下控制模塊

圖2　Aker Solution公司雙軸鎖緊式水下控制模塊

圖3　FMC公司水下控制模塊（上部）及安裝底座（下部）

圖4　Cameron公司水下控制模塊底部視圖

1　結(jié)構(gòu)組成

1．1 水下控制模塊

通常，水下控制系統(tǒng)分為先導液壓控制、直接液壓控制、直接電液控制、順序液壓控制、復合電液控制和全電控制等幾種類型［5］，本文的水下控制模塊是基于復合電液控制方式進行設計。近幾年來，蓄能器在圓形殼體內(nèi)的SCM封裝用的較多，而且技術(shù)已經(jīng)成熟，故此次設計采用圓形外殼，蓄能器和水下電子模塊（SEM）放在殼體內(nèi)，且SEM采用冗余設置，這樣給整個采油樹節(jié)省了空間，提高了可靠性［6］。

SCM封裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供電力供給接口、與水上的通信接口、水下可回收的計量或生產(chǎn)壓力控制模塊的通信接口、與機具配合驅(qū)動解鎖接口和吊裝接口、以及起到壓力補償作用的皮囊［7］。為了提高封裝系統(tǒng)的密封性能，封裝系統(tǒng)的頂部結(jié)構(gòu)與殼體采用焊接的方式連接，從而減少兩者之間密封結(jié)構(gòu)設計，提高了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性。中間殼體的設計采用圓柱形，能夠避免應力集中在水中帶來的損傷。設計時一方面要滿足外壓強度要求，另一方面必須根據(jù)海水環(huán)境的腐蝕條件，計算腐蝕余量，同時在殼體上采用機械結(jié)構(gòu)指示的方法，并且與水下導向機構(gòu)上的位置指示功能配合工作。封裝系統(tǒng)底座與安裝基座成鏡像結(jié)構(gòu)，配置許多功能接口，包括液壓動力供給接口、液壓控制功能接口、傳感器數(shù)據(jù)采集接口。底座上的接口分布采用對稱結(jié)構(gòu)設計，防止鎖緊時由于反力不平衡而產(chǎn)生彎矩，同時進行二次導向。底座上設置有兩個導向結(jié)構(gòu)對SCM下放進行一次導向。安裝基座固定安裝在水下采油樹上，與SCM封裝系統(tǒng)底座成鏡像結(jié)構(gòu)配置許多功能接口，主要是與底座成對出現(xiàn)的液壓接口和電氣接口，即基座上安裝快速液壓接頭的公頭和電接頭的公頭。圖5為SCM結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5　水下控制模塊（SCM）結(jié)構(gòu)示意

1．2 鎖緊機構(gòu)

封裝系統(tǒng)鎖緊機構(gòu)為水下控制模塊與安裝基座對接過程提供原動力，圖6為鎖緊機構(gòu)示意圖。鎖緊機構(gòu)主要包括鎖緊套筒和機具驅(qū)動的鎖緊桿。鎖緊套筒頂端和底端分別采用法蘭與封裝系統(tǒng)頂部底座連接，即鎖緊套筒與封裝系統(tǒng)是剛性連接的。鎖緊桿設計時，類似階梯軸結(jié)構(gòu)。鎖緊桿安裝于鎖緊套筒的內(nèi)部，貫穿鎖緊套筒。鎖緊套筒的頂端內(nèi)部和底端內(nèi)部與鎖緊桿之間采用多道密封結(jié)構(gòu)，防止海水進入鎖緊桿與鎖緊套筒之間的環(huán)形空間。

圖6　鎖緊機構(gòu)示意

2　鎖緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計

2.1 SCM鎖緊機構(gòu)設計目的和要求

當在水下對SCM進行安裝維修拆除時，由于SCM底座與安裝基座之間有很多的液壓接頭、電接頭，一方面對SCM進行水下安裝時，單靠SCM的自身重力無法壓緊，必須借助于外力壓緊SCM底座與安裝基座各種接頭；另一方面，對SCM進行拆除時，由于提升工具的提升力較大，容易損壞接頭，也必須借助于鎖緊裝置使SCM底座與安裝基座各個接頭安全分離。

鎖緊裝置的設計需考慮強度要求和其受力情況以及密封性能，由于SCM的鎖緊裝置直接與海水接觸，采用合理的密封型式，安全、可靠、有效地保證海水不會進入SCM封裝腔內(nèi)，鎖緊裝置的鎖緊桿的設計必須與安裝基座結(jié)構(gòu)相對應，能夠準確進行連接。

2.2 SCM鎖緊機構(gòu)主體結(jié)構(gòu)設計

圖7是鎖緊機構(gòu)的頂部結(jié)構(gòu)，ROV接口是根據(jù)標準ISO13628-8（2002）-水下生產(chǎn)系統(tǒng)ROV接口進行設計，選用的規(guī)格是CLASS 4［8］。ROV轉(zhuǎn)動桿上部是方頭，用于和ROV扭轉(zhuǎn)工具的配合，中間是一段圓柱體，將ROV接口和鎖緊套筒通過螺栓連接后，圓柱體限定在ROV接口和鎖緊套筒的中間空隙內(nèi)，防止ROV轉(zhuǎn)動桿軸向竄動。ROV轉(zhuǎn)動桿下部是一段螺柱，會與鎖緊桿進行連接，當ROV操作工具驅(qū)動ROV轉(zhuǎn)動桿時，會帶動鎖緊桿進行軸向移動。又由于鎖緊桿導向鍵對鎖緊桿進行周向固定，所以可以防止鎖緊桿轉(zhuǎn)動。螺紋在轉(zhuǎn)動時，還會在鎖緊桿內(nèi)部產(chǎn)生較大的氣壓，會對鎖緊桿產(chǎn)生破壞作用，因此在鎖緊桿的中心鉆出一個直徑15mm的通孔。同時，在鎖緊桿和鎖緊套筒之間還設置了兩道密封，位于鎖緊桿導向鍵上面，這樣既保證了鎖緊機構(gòu)的密封效果，還具有防腐蝕的效果。

圖8是鎖緊塊將水下控制模塊鎖緊在安裝基座上的示意圖。圖中左側(cè)鎖塊是開鎖閉合狀態(tài)，圖中右側(cè)鎖塊是鎖緊張開狀態(tài)。固定吊臂是焊定在鎖緊套筒上面的，在鎖緊套筒的圓周上共有4個固定吊臂，兩兩呈對稱狀態(tài)。鎖緊套筒是固定不動的，而鎖緊桿在鎖緊套筒里滑動，此時會帶動與鎖緊桿通過銷釘連接的轉(zhuǎn)動臂。鎖緊桿的外端又通過銷釘與轉(zhuǎn)動塊連接在一起，所以轉(zhuǎn)動臂運動時，會驅(qū)動轉(zhuǎn)動塊旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)動塊由閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺堥_狀態(tài)時，就會實現(xiàn)對水下控制模塊的鎖緊。

圖7　鎖緊機構(gòu)頂部結(jié)構(gòu)

圖8　基座鎖緊塊結(jié)構(gòu)示意

2.3 SCM鎖緊機構(gòu)的鎖緊與開鎖

當安裝SCM時，把需要安裝的SCM下放到安裝基座上面，利用定位系統(tǒng)把鎖緊桿插入到安裝基座里面，利用ROV操作工具使ROV轉(zhuǎn)動桿順時針轉(zhuǎn)動，ROV轉(zhuǎn)動桿與鎖緊桿通過螺紋連接，由于鎖緊桿與鎖緊套筒之間通過導向鍵實現(xiàn)了周向固定，所以鎖緊桿只能在導向套筒中向下移動。由于SCM的自身重力無法使SCM底座的接頭與安裝基座接頭連接，通過螺紋的相對運動，鎖緊桿向下運動，從而把鎖緊塊壓入安裝基座的鎖緊槽內(nèi)，鎖緊塊張開與安裝基座實現(xiàn)完全貼合，從而實現(xiàn)SCM與安裝基座完全安裝。

當拆除SCM時，利用ROV操作工具使ROV轉(zhuǎn)動桿逆時針轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)解鎖過程與鎖緊過程相反。對于頂端密封，密封材料安裝在鎖緊桿上，對于底端密封，密封材料安裝在鎖緊套筒內(nèi)壁上。鎖緊機構(gòu)工作時，鎖緊套筒不旋轉(zhuǎn)，鎖緊桿旋轉(zhuǎn)過程中通過導向鍵實現(xiàn)直線運動，由于鎖緊套筒與封裝系統(tǒng)是剛性連接，所以整個封裝系統(tǒng)沿著軸向向上運動，實現(xiàn)安裝底座與安裝基座分離。鎖緊桿可以向兩個相反的方向移動，其中一個方向可以用于拆除控制模塊，另一個可以用于控制模塊與基座的安裝。

3　鎖緊機構(gòu)力學分析

為了保證設計的鎖緊機構(gòu)能夠安全可靠地工作，對鎖緊機構(gòu)的主要受力部件鎖緊塊進行了力學分析。整個鎖緊機構(gòu)安全性能最差的地方是轉(zhuǎn)動臂與固定吊臂與銷釘進行連接的部分，所以需要對銷釘以及銷孔進行校核，而鎖緊桿上的銷孔和銷釘尺寸選取較大，安全性較高，不必對其進行校核。計算中選取的材料為60CrMnBA熱軋彈簧鋼，其抗拉強度為1225MPa，屈服強度為1 080 MPa。取基座鎖緊塊的右半部分進行受力分析，如圖9所示。已知，F(xiàn)q＝5000N，L＝77mm，H＝35mm，λ＝71．8°，d＝8mm，b1＝10mm，b2＝8mm。

由力學分析知：

式中：Fq是安裝基座對轉(zhuǎn)動塊的反作用力；Fa是轉(zhuǎn)動臂對轉(zhuǎn)動塊施加的力；L是轉(zhuǎn)動塊的長度；H是固定吊臂銷孔與轉(zhuǎn)動臂銷孔之間的距離；λ是轉(zhuǎn)動臂與豎直方向的夾角；d為固定吊臂鎖孔與轉(zhuǎn)動臂銷孔的直徑和銷釘直徑；b1為轉(zhuǎn)動臂銷孔寬度，此時將鎖緊桿固定。

由式（1）～（2）得知，F(xiàn)a＝5 789．47 N，從而求得轉(zhuǎn)動臂銷孔受到擠壓應力為σz＝36．2 MPa＜1 080 MPa，因此符合要求。2

式中：b2為固定吊臂銷孔的寬度；σd為吊孔的擠壓應力；σx為銷釘?shù)募羟袘?；FL是固定吊臂的支反力。

由式（3）～（5）求得，F(xiàn)L＝8 744．45 N，σd＝68．3MPa＜1080MPa，滿足要求；銷釘承受最大的剪切應力為σx＝87．03MPa＜1080MPa，同樣滿足強度要求。

圖9　基座鎖緊塊受力分析

4　結(jié)論

1） 本文通過螺紋旋轉(zhuǎn)和鎖緊塊鎖緊的配合方式，對圓筒形水下控制模塊的鎖緊機構(gòu)進行設計及校核，從原理上分析了水下控制模塊鎖緊的要求。

2） 該鎖緊機構(gòu)在水下控制模塊上具有廣闊的應用前景，但是需要進行多次試驗，才能保證其安全性和可靠性。

3） 對于今后的水下控制模塊鎖緊機構(gòu)來說，應該針對多種外形的水下控制模塊及多種鎖緊方式進行研究，這樣才能真正實現(xiàn)水下裝備國產(chǎn)化。

［1］ Mike Bavidge．Husky Liwan Deepwater subsea control system［C］／／Offshore Technology Conference，Hous-ton，USA，2013．

［2］ Broadbent P A．Controls Reliability And Early Life of Field Failure of Subsea Control Modules［C］／／Society of Underwater Technology，Aberdeen，UK，2010．

［3］ 張豐功，王定亞，李磊．水下控制模塊的技術(shù)分析與發(fā)展建議［J］．石油機械，2013，41（6）：59-62．

［4］ 朱高磊，趙宏林，段夢蘭，等．水下采油樹控制模塊設計要素分析［J］．石油礦場機械，2013，42（10）：1-6．

［5］ 張鵬舉，梁斌，劉康，等．水下控制模塊總體設計的研究［J］．機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2014，27（6）：113-115．

［6］ 王俊明．測試用水下采油樹控制模塊研制［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013．

［7］ Onesubsea．Liwan Subsea Production Controls［Z］．2013．

［8］ ISO 13628-8．Remotely Operated Vehicle（ROV）inter-faces on subsea production systems［S］．2002．

Design of Subsea Control Module Locking Mechanism

DAI Guangwen1，ZHAO Honglin1，YE Tianyuan2，DUAN Menglan1，XU Shixian1，ZHU Junlong1
（1．Of fshore Oil&Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2．Chongqing Qianwei Offshore Petroleum Engineering&Equipment Co．，Ltd．，Chongqing 401121，China）

The subsea controlmodule（SCM）is an important part of the subsea tree，which is long-term in a state of high pressure underwater，it is crucial to fix and lock the SCM．This article will be according to the relevant norms such as ISO 13628-8，considering the underwater controlmod-ule shape and clamping force，on the basis of using solidworksmodeling to carry on the design of subsea controlmodule lockingmechanism．At the same time，we will use the empirical formula to calculate the strength of the lockingmechanism，the strength of the lockingmechanism is in the permitted range．The calculation results show that the designed lockingmechanismmeets the loc-king needs of the subsea controlmodule．

subsea controlmodule；lockingmechanism；structure；mechanical analysis

TE952

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．006

1001－3482（2015）08－0026－05

①2015－02－15

“國家發(fā)改委2013年海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項”之“水下采油樹研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”（F13QW）

代廣文（1989-），男，河北滄州人，碩士研究生，主要研究方向為海洋油氣裝備，Email：1163010539＠qq．com。