水下控制模塊對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及對(duì)接試驗(yàn)*

劉培林 曹學(xué)偉 蘇 鋒 吳小雙 周 凱 王立權(quán)

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451； 2. 哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150001)

水下控制模塊對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及對(duì)接試驗(yàn)*

劉培林1曹學(xué)偉2蘇 鋒1吳小雙2周 凱1王立權(quán)2

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451； 2. 哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150001)

劉培林,曹學(xué)偉,蘇鋒，等.水下控制模塊對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及對(duì)接試驗(yàn)[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(5)：110-114.

Liu Peilin,Cao Xuewei,Su Feng,et al.Design and docking tests of a docking mechanism for subsea control modules[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(5):110-114.

基于對(duì)水下控制模塊對(duì)接過程及對(duì)接盤主要形式的深入調(diào)研，設(shè)計(jì)了一種新型的水下控制模塊對(duì)接機(jī)構(gòu)，并對(duì)裝配精度、對(duì)接機(jī)構(gòu)的定位精度進(jìn)行了分析及計(jì)算，確定了零件實(shí)際加工的偏差要求。對(duì)基于該對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的水下控制模塊樣機(jī)進(jìn)行了陸上對(duì)接及ROV操作下的鎖緊試驗(yàn)，其結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的水下控制模塊對(duì)接機(jī)構(gòu)的合理性，為今后水下控制模塊及類似產(chǎn)品的對(duì)接技術(shù)研發(fā)提供了參考。

水下控制模塊；對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；對(duì)接精度分析；樣機(jī)試驗(yàn)

隨著油氣開發(fā)從陸地逐漸走向海洋，海上采油技術(shù)不斷突飛猛進(jìn)[1-2]。海底采油的正常進(jìn)行須依靠水上控制平臺(tái)與水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來保證。整個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制核心部件之一就是水下控制模塊(SCM)，它是根據(jù)水上控制指令完成相應(yīng)的水下監(jiān)控。水下控制模塊的重要性決定了其須具備可回收和重復(fù)安裝的功能，要實(shí)現(xiàn)該功能需要水下控制模塊與其安裝基座能夠在水下進(jìn)行對(duì)接[3-5]。水下控制模塊對(duì)接是指水下控制模塊本體與下對(duì)接盤(SCMMB)進(jìn)行引導(dǎo)對(duì)接，采用水下機(jī)器人(ROV)作為對(duì)接的輔助工具[6]。由于ROV在水下工作范圍有限，很難達(dá)到像在陸地上人肉眼觀測(cè)精準(zhǔn)對(duì)接，因此水下控制模塊對(duì)接技術(shù)一直是整個(gè)水下控制模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[7-8]，且存在如下難點(diǎn)：

1) ROV水下作業(yè)是通過人在水上進(jìn)行操作，控制精度低，并且水下尤其是深水能見度低，也對(duì)水面操作員造成影響；

2) 存在海流和波浪影響，造成SCM在對(duì)接時(shí)難以對(duì)正，須采用引導(dǎo)對(duì)接套筒；

3) 須在水下實(shí)現(xiàn)多路液壓接頭同時(shí)對(duì)接，并且液壓接頭分布不集中。

筆者對(duì)水下控制模塊的對(duì)接過程及對(duì)接盤主要形式進(jìn)行了調(diào)研，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種新型的水下控制模塊對(duì)接機(jī)構(gòu)，對(duì)其定位精度進(jìn)行了分析，并開展了基于該對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的水下控制模塊樣機(jī)對(duì)接試驗(yàn)，為今后水下控制模塊以及類似產(chǎn)品的對(duì)接技術(shù)研究提供了參考。

1 水下控制模塊對(duì)接過程及對(duì)接盤主要形式

水下控制模塊一般安裝在水下生產(chǎn)系統(tǒng)的橇體上，其安裝基座固定在橇體上，水下控制模塊在水下對(duì)接過程中安裝下放工具內(nèi)部，由下放工具對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。下放工具上安有吊裝機(jī)構(gòu)及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，先通過水下平臺(tái)的操作，使下放工具與安裝基座完成初步對(duì)接；之后，下放工具內(nèi)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)水下控制模塊緩慢向下移動(dòng)，進(jìn)而使水下控制模塊與安裝基座完全對(duì)接，如圖1所示。雖然下放工具上安裝有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，但是其定位精度一般無(wú)法滿足水下控制模塊液壓接頭在對(duì)接過程中所需的精度要求，所以水下控制模塊上須具有單獨(dú)的定位精度較高的定位機(jī)構(gòu)。

圖1 水下控制模塊(SCM)對(duì)接過程

目前，兩板對(duì)接時(shí)常采用“一面兩孔”的方式，即1個(gè)主定位銷和1個(gè)副定位銷[9]。國(guó)外現(xiàn)有的水下控制模塊的對(duì)接盤均采用板板式對(duì)接，對(duì)接過程中都是通過在水下控制模塊的上對(duì)接盤上安裝定位銷，下對(duì)接盤上有與其向?qū)?yīng)的定位孔。圖2為FMC公司及GE公司的水下控制模塊對(duì)接盤，可以看出FMC公司的水下控制模塊通過對(duì)接盤中間及對(duì)接盤外側(cè)的2個(gè)定位銷來完成定位，而GE公司的水下控制模塊通過分布在同一圓周上的2個(gè)定位銷來完成定位。

圖2 FMC和GE公司的SCM對(duì)接盤

但是“一面兩孔”的定位方式經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“卡緊別勁”等現(xiàn)象，原因是 “一面兩孔”方式會(huì)使x軸和y軸方向的自由度受到重復(fù)限制而出現(xiàn)過定位，所以在對(duì)接過程中對(duì)吊裝垂直度的要求較高，水下控制模塊重心一旦發(fā)生偏移，便會(huì)出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，不利于對(duì)接。因此，國(guó)外的水下控制模塊都配有專門的下放工具，這在很大程度上避免了對(duì)接過程中發(fā)生水下控制模塊重心偏移的現(xiàn)象。

2 新型水下控制模塊對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及精度分析

2.1 對(duì)接盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

“十二五”期間，海洋石油工程股份有限公司與哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合研制了水下控制模塊樣機(jī)，設(shè)計(jì)水下控制模塊對(duì)接盤安裝在2 000 m水深的分離器橇體上。由于深水對(duì)接成本較高，設(shè)計(jì)的水下控制模塊無(wú)法進(jìn)行深水對(duì)接試驗(yàn)，但是其須能夠在陸地上且沒有SCM下放工具的情況下完成對(duì)接，所以對(duì)吊裝工具的要求也較高。因此，為降低對(duì)吊裝機(jī)構(gòu)的要求，提出了一種新型對(duì)接盤結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中，上對(duì)接盤直徑1 000 mm，厚度40 mm，主要由12個(gè)液壓母接頭、導(dǎo)向銷、定位機(jī)構(gòu)組成(圖4)；下對(duì)接盤直徑1 000 mm，厚度50 mm，主要由12個(gè)液壓公接頭、導(dǎo)向孔、定位機(jī)構(gòu)及限位機(jī)構(gòu)組成(圖5)。導(dǎo)向銷主要起引導(dǎo)及粗定位的作用，限位銷主要為了避免對(duì)接盤過分對(duì)接，造成液壓接頭的損壞。

圖3 本文設(shè)計(jì)的SCM對(duì)接盤

圖4 本文設(shè)計(jì)的SCM上對(duì)接盤

圖5 本文設(shè)計(jì)的SCM下對(duì)接盤

設(shè)計(jì)的水下控制模塊對(duì)接盤定位機(jī)構(gòu)如圖6所示，定位軸限定了x軸和y軸方向的自由度，鍵槽限定了繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，這樣就可以保證每個(gè)液壓接頭能夠順利插入。

圖6 本文設(shè)計(jì)的SCM對(duì)接盤上、下定位結(jié)構(gòu)

2.2 對(duì)接精度分析

本文設(shè)計(jì)的水下控制模塊的液壓接頭為深海板板式對(duì)接接頭(選用Walther公司的液壓接頭)，其內(nèi)部設(shè)有強(qiáng)力彈簧，在壓力落差下密封效果良好，能夠有效防止液壓油液受到海水污染。該液壓接頭公接頭采用浮動(dòng)安裝，公接頭外徑34 mm，公差值d9，上偏差-0.08 mm，下偏差-0.142 mm；裝配安裝孔外徑35 mm，公差值H10，上偏差0.1 mm，下偏差0。該液壓接頭母接頭采用固定式安裝，加工過程中同時(shí)加工上下對(duì)接孔的位置，假設(shè)加工時(shí)都達(dá)到公差要求的極限位置，則公接頭的中心在離孔中心的最大偏移距離為0.54 mm，即當(dāng)對(duì)應(yīng)的公母接頭的中心偏差小于0.54 mm時(shí)，可以精準(zhǔn)對(duì)接。根據(jù)水下控制模塊內(nèi)部液壓系統(tǒng)的限制，定位軸與液壓接頭在對(duì)接盤的位置如圖7所示。

圖7 本文設(shè)計(jì)的SCM對(duì)接盤定位軸與液壓接頭位置圖

對(duì)本文設(shè)計(jì)的水下控制模塊對(duì)接盤定位誤差進(jìn)行分析，如圖8所示，其中A點(diǎn)為定位鍵位置，B點(diǎn)為某一液壓接頭的位置。取對(duì)接盤的定位軸外徑為125 mm，主定位軸與定位鍵中間的距離按照定位孔的半徑來計(jì)算，即L=62.5 mm。假定定位軸的中心在設(shè)計(jì)中心上，因?qū)颖P在加工過程中是將上下對(duì)接盤夾緊在一起同時(shí)進(jìn)行加工液壓接頭安裝孔，所以假定相對(duì)應(yīng)的公母接頭安裝孔的中心完全重合。

圖8 本文設(shè)計(jì)的SCM對(duì)接盤定位誤差分析示意圖

通過分析公接頭的允許最大偏差來分析定位誤差。由于鍵槽與鍵的加工誤差存在，會(huì)使對(duì)接盤繞其中心O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于旋轉(zhuǎn)角度非常小，所以在ΔAOA′中有

(1)

式(1)中：Δr為定位鍵中心繞定位軸中心移動(dòng)的距離。

當(dāng)上對(duì)接盤在對(duì)接時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，固定安裝在其上的母接頭也會(huì)繞O點(diǎn)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在ΔBOB′中有

(2)

式(2)中：h為液壓接頭孔中心繞定位軸中心移動(dòng)的距離，l為液壓接頭孔中心與定位軸中心的距離。

由公式(1)、(2)得

(3)

公母接頭能精準(zhǔn)對(duì)接的要求為h<0.544 mm，將其代入式(3)中可得Δr<33.75/l。對(duì)于最遠(yuǎn)端處的液壓接頭l=343.84 mm，則Δr<0.098 mm，即定位鍵中心與鍵孔中心的最大偏差應(yīng)小于0.098 mm。因此，進(jìn)行鍵及鍵槽設(shè)計(jì)時(shí)，鍵的上偏差為0、下偏差為-0.04 mm，鍵槽的上偏差為0.05 mm、下偏差為0，這樣就可以保證鍵和鍵槽中心的最大偏差為0.09 mm，即可滿足液壓接頭的對(duì)接精度要求。

3 新型水下控制模塊對(duì)接試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的水下控制模塊樣機(jī)如圖9所示，樣機(jī)實(shí)際尺寸按照設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行加工。在水下控制模塊頂部預(yù)留有吊裝機(jī)構(gòu)及ROV操作機(jī)構(gòu)，對(duì)接時(shí)下對(duì)接盤安裝在支架上，利用吊車在頂部吊起水下控制模塊，進(jìn)而完成對(duì)接。

圖9 本文設(shè)計(jì)的SCM樣機(jī)

本文設(shè)計(jì)的水下控制模塊的對(duì)接過程如圖10所示，鍵槽的實(shí)際尺寸偏差為-0.002 4 mm，定位鍵的實(shí)際尺寸的偏差為0.003 5 mm，在吊裝不穩(wěn)導(dǎo)致水下控制模塊發(fā)生微小傾斜(小于3°)的情況下依然能夠進(jìn)行對(duì)接。

圖10 本文設(shè)計(jì)的SCM樣機(jī)陸上對(duì)接試驗(yàn)

在水下控制模塊完成對(duì)接后，還須對(duì)其進(jìn)行鎖緊，以避免在工作過程中受到外力作用導(dǎo)致對(duì)接盤發(fā)生分離，從而影響系統(tǒng)的工作。只有在水下控制模塊完全對(duì)接的情況下，鎖緊機(jī)構(gòu)才能進(jìn)行操作。在完成水下控制模塊對(duì)接試驗(yàn)后，利用ROV操作工具對(duì)水下控制模塊進(jìn)行鎖緊(圖11)，結(jié)果表明，水下控制模塊能夠順利進(jìn)行鎖緊，說明所設(shè)計(jì)的水下控制模塊對(duì)接盤能成功完全對(duì)接到位。

圖11 本文設(shè)計(jì)的水下控制模塊樣機(jī)在ROV操作下鎖緊

4 結(jié)束語(yǔ)

基于對(duì)水下控制模塊對(duì)接過程及主要對(duì)接機(jī)構(gòu)的調(diào)研，設(shè)計(jì)出了一種新型的水下控制模塊對(duì)接機(jī)構(gòu)，并對(duì)其定位精度進(jìn)行了分析，確定了加工過程中的最大公差。對(duì)所設(shè)計(jì)的水下控制模塊樣機(jī)進(jìn)行了陸上對(duì)接及ROV操作下的鎖緊試驗(yàn)，結(jié)果表明該對(duì)接機(jī)構(gòu)在沒有水下控制模塊下放工具的條件下依然能夠順利進(jìn)行對(duì)接，從而驗(yàn)證了新型水下控制模塊對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為今后水下控制模塊及類似產(chǎn)品的對(duì)接技術(shù)研發(fā)提供了參考。

[1] 蘇斌，馮連勇，王思聰，等．世界海洋石油工業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]．中國(guó)石油企業(yè)，2006(增刊1)：138-141．

[2] 曹惠芬．世界深海油氣鉆采裝備發(fā)展趨勢(shì)[J]．船舶物資與市場(chǎng)，2005(1)：17-20．

[3] 尹豐．水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)在氣田設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．自動(dòng)化應(yīng)用，2012(3)：18-20． Yin Feng.Underwater production control system applied in design of gas field[J].Automation Application,2012 (3):18-20

[4] 范亞民.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的發(fā)展[J].石油機(jī)械,2012,40(7):45-49. Fan Yamin.Development of underwater production control system[J].China Petroleum Machinery,2012,40(7):45-49

[5] 金向東，林華春．海上油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)[J]．油氣田地面工程，2012,31(4)：55-56．

[6] 朱高磊，趙宏林，段夢(mèng)蘭，等．水下采油樹控制模塊設(shè)計(jì)要素分析[J]．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013,42(10)：1-6． Zhu Gaolei,Zhao Honglin,Duan Menglan,et al.Design elements analysis of subsea control module for Christmas tree[J].Oil Field Equipment,2013,42(10):1-6

[7] 張豐功，王定亞，李磊，等．水下控制模塊的技術(shù)分析與發(fā)展建議[J]．石油機(jī)械，2013,41(6)：59-62． Zhang Fenggong,Wang Dingya,Li Lei,et al.Technological analysis of underwater SCM and development suggestions[J].China Petroleum Machinery,2013,41(6):59-62

[8] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程深水油氣田開發(fā)技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011:164

[9] 孫千里,沈鑫剛.“一面兩孔”定位銷實(shí)用設(shè)計(jì)方法與結(jié)構(gòu)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2010,29(12):1703-1705. Sun Qianli,Shen Xin’gang.A design method for the structure of a one-side-two-hole location pin[J].Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering,2010,29(12):1703-1705.

(編輯：呂歡歡)

Design and docking tests of a docking mechanism for subsea control modules

Liu Peilin1Cao Xuewei2Su Feng1Wu Xiaoshuang2Zhou Kai1Wang Liquan2

(1.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China;2.HarbinEngineeringUniversity,Harbin,Heilongjiang150001,China)

Based on in-depth investigations into the docking process of subsea control modules and the docking plate shapes, a new docking mechanism for subsea control modules was designed. The assembly precision and positioning accuracy of the docking mechanism were analyzed and computed to determine the tolerance requirements on part fabrication and machining. Onshore docking tests of the subsea control module prototype, based on the design of the docking mechanism, as well as ROV operation tests, were carried out. The result verifies the feasibility of the docking mechanism designed. The research work here provides a reference for the future design of subsea control modules or similar products.

subsea control module; docking mechanism design; docking precision analysis; prototype testing

劉培林，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，1988年畢業(yè)于原石油大學(xué)(華東)，現(xiàn)從事海洋石油工程研究設(shè)計(jì)工作。地址：天津市塘沽區(qū)丹江路1078號(hào)616信箱(郵編：300451)。E-mail:peilin@mail.cooec.com.cn。

1673-1506(2016)05-0110-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.05.018

TE95

A

2016-04-06 改回日期：2016-06-10

*國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“水下分離器關(guān)鍵技術(shù)研究(編號(hào)：2013AA09A213 )”部分研究成果。