深水水下連接器國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

張康，洪毅，段夢(mèng)蘭*，羅曉蘭，侯廣信，徐曉磊

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋工程研究院, 北京 102249

2 中海油研究總院, 北京 100027

3 南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司, 南陽(yáng) 473006

深水水下連接器國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

張康1，洪毅2，段夢(mèng)蘭1*，羅曉蘭1，侯廣信2，徐曉磊3

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋工程研究院, 北京 102249

2 中海油研究總院, 北京 100027

3 南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司, 南陽(yáng) 473006

水下生產(chǎn)設(shè)施的國(guó)產(chǎn)化是我國(guó)深海油氣勘探開(kāi)發(fā)的重大戰(zhàn)略之一。本文以水下生產(chǎn)系統(tǒng)中關(guān)鍵的連接設(shè)備——水下連接器為研究對(duì)象，依據(jù)結(jié)構(gòu)功能和使用特點(diǎn)提煉出水下連接器通用技術(shù)問(wèn)題。結(jié)合“十二五”期間對(duì)水下連接器的研制工作，從密封、鎖緊、定位對(duì)中和液壓控制四個(gè)方面探討了水下連接器國(guó)產(chǎn)化所需解決的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，并重點(diǎn)闡述了密封關(guān)鍵技術(shù)與鎖緊關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。歸納總結(jié)了亟待解決的問(wèn)題，并給出了相關(guān)解決方案的建議，對(duì)下一步水下連接器的“十三五”國(guó)產(chǎn)化自主研制具有重要的指導(dǎo)意義。

水下卡爪式連接器；國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)；密封技術(shù)；鎖緊技術(shù)

0 引言

隨著各大石油公司對(duì)深水油氣資源的勘探開(kāi)采，作為深水油氣田開(kāi)發(fā)的主要模式之一的水下生產(chǎn)系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括水下井口、采油樹(shù)、管匯、跨接管、水下控制系統(tǒng)、臍帶纜和海底管線等[1]。而水下連接器位于跨接管的末端，是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵連接設(shè)施，其可以實(shí)現(xiàn)跨接管與管匯、采油樹(shù)、管道終端(PLET)等設(shè)施的連接[2]。因此，深水水下連接器是深水油氣資源開(kāi)發(fā)的核心關(guān)鍵裝備之一。

早期的淺水油氣田開(kāi)采中，水下設(shè)備的連接通常采用螺栓法蘭連接系統(tǒng)，依靠潛水員來(lái)完成。但是隨著深水油氣田的不斷開(kāi)發(fā)，螺栓法蘭連接系統(tǒng)受到限制，因此深水無(wú)潛連接系統(tǒng)(Diverless Connection System)順勢(shì)而生。無(wú)潛連接系統(tǒng)是依靠ROV機(jī)器人(Remotely Operated Vehicle)完成水下連接器的連接。目前，國(guó)外已有多家公司掌握水下連接器的研發(fā)技術(shù)，世界范圍內(nèi)的水下連接器產(chǎn)品基本上出自FMC、Cameron、Oil States、GE VetcoGrey以及Aker Solutions等水下設(shè)備供應(yīng)商[3]，而且核心技術(shù)只有企業(yè)內(nèi)部人員掌握，鮮有公開(kāi)發(fā)表物對(duì)深水水下連接器關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，只能從各公司官方網(wǎng)站[4-8]了解產(chǎn)品的部分特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)的水下連接器研發(fā)技術(shù)尚處于起步階段，深水油氣田所需的水下連接器仍然需要進(jìn)口。僅中國(guó)第一個(gè)深水氣田L(fēng)W3-1項(xiàng)目所需的水下連接器數(shù)量就超過(guò)88套，全部由Cameron公司提供。國(guó)外連接器不僅價(jià)格昂貴，而且索取巨額的服務(wù)費(fèi)用，對(duì)核心技術(shù)進(jìn)行封鎖。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，迫切需要進(jìn)行水下連接器的國(guó)產(chǎn)化研制，而這也符合深水油氣開(kāi)發(fā)的國(guó)家戰(zhàn)略以及水下裝備國(guó)產(chǎn)化的趨勢(shì)。

本文以水下卡爪式連接器為研究對(duì)象，詳細(xì)介紹了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能原理，提出了相關(guān)的通用技術(shù)問(wèn)題。以“十二五”期間對(duì)水下連接器研制工作為基礎(chǔ)，對(duì)國(guó)產(chǎn)化研制過(guò)程所形成的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，其中重點(diǎn)分析了密封關(guān)鍵技術(shù)和鎖緊關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)國(guó)產(chǎn)化亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，并提出了解決相關(guān)問(wèn)題的建議和思路，以期為“十三五”水下連接器的國(guó)產(chǎn)化研制提供指導(dǎo)。

1 水下連接器結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)及通用技術(shù)問(wèn)題分析

卡爪式連接器屬于純機(jī)械式的連接器，本身不帶液壓結(jié)構(gòu)，安全可靠性較高并且應(yīng)用較為廣泛，是國(guó)產(chǎn)化研制的重點(diǎn)。本文以卡爪式連接器為研究對(duì)象開(kāi)展相關(guān)分析工作，首先對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行詳細(xì)闡述，然后根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能要求，提出水下連接器通用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1.1 水下卡爪式連接器結(jié)構(gòu)組成

圖1所示為一垂直式卡爪連接器，主要由公接頭和母接頭上下兩部分組成。其中公接頭包括1個(gè)上轂座、20個(gè)卡爪、1個(gè)驅(qū)動(dòng)環(huán)、2個(gè)緊固螺栓、1個(gè)密封環(huán)。母接頭包括1個(gè)下轂座和1個(gè)對(duì)中底座組成。公接頭的頂端與跨接管焊接在一起，母接頭坐落在管匯或者采油樹(shù)等水下生產(chǎn)設(shè)施上，兩部分對(duì)接后通過(guò)擠壓中間的密封環(huán)形成密封通道，從而實(shí)現(xiàn)不同生產(chǎn)設(shè)施之間的連接。由此可見(jiàn)，水下連接器的核心功能是實(shí)現(xiàn)不同生產(chǎn)設(shè)施連接并且實(shí)現(xiàn)密封。

水下卡爪式連接器需要配備專門的安裝工具進(jìn)行鎖緊和解鎖，如圖2所示，該安裝工具由起吊環(huán)板、控制面板、液壓閥件、二次鎖緊工具、連接液壓缸、連接環(huán)板、驅(qū)動(dòng)液壓缸、驅(qū)動(dòng)環(huán)板、底座等零部件組成。其液壓動(dòng)力源由ROV提供，依靠ROV操作相關(guān)的閥件控制開(kāi)關(guān)完成一系列安裝動(dòng)作。安裝工具將連接器公接頭和母接頭對(duì)接鎖緊后撤離，無(wú)液壓系統(tǒng)置留海底。

1.2 水下卡爪式連接器工作原理

安裝工具將水下連接器的公接頭和母接頭對(duì)接鎖緊后，還需脫離連接器主體結(jié)構(gòu)，其具體的工作原理[9]為：

①準(zhǔn)備工作。把公接頭端與安裝工具裝配在一起，然后用吊機(jī)將其共同下放至母接頭端上方(母接頭端事先固定在某一基座平面上)。

②粗對(duì)中。繼續(xù)下放安裝工具和公接頭，通過(guò)安裝工具下端的底座與母接頭端的對(duì)中底座相配合，實(shí)現(xiàn)粗對(duì)中。

③精對(duì)中。連接液壓缸開(kāi)始工作，推動(dòng)連接環(huán)板移動(dòng)，連接環(huán)板帶動(dòng)公接頭端、卡扣桿同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)。隨著卡扣桿向下運(yùn)動(dòng)，底座上的卡扣卡在對(duì)中底座的凹槽上，使安裝工具與母接頭端約束在一起，不會(huì)發(fā)生相對(duì)位移。通過(guò)上轂座和下轂座的榫槽配合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)精對(duì)中過(guò)程。

④鎖緊卡爪。驅(qū)動(dòng)液壓缸推動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)板向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)環(huán)板將帶動(dòng)連接器上的驅(qū)動(dòng)環(huán)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)環(huán)促使卡爪收攏，卡爪將母接頭和公接頭鎖緊。在此過(guò)程中，公接頭端的上轂座和母接頭端的下轂座同時(shí)擠壓位于中間的密封環(huán)，使密封環(huán)發(fā)生變形，實(shí)現(xiàn)密封功能。

圖2 卡爪式連接器的安裝工具Fig. 2 Running tool of vertical collet connector

⑤安裝緊固螺栓。ROV旋轉(zhuǎn)安裝工具上的二次鎖緊工具手柄，將緊固螺栓安裝到位，實(shí)現(xiàn)連接器的二次鎖緊。

⑥解除驅(qū)動(dòng)環(huán)與驅(qū)動(dòng)環(huán)板的約束。開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)環(huán)板上的液壓限位開(kāi)關(guān)，限位塊開(kāi)始向外運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)環(huán)與驅(qū)動(dòng)環(huán)板解除約束。

⑦撤離驅(qū)動(dòng)環(huán)板。開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)液壓缸控制開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)液壓缸開(kāi)始縮回，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)板向上運(yùn)動(dòng)。

⑧解除連接蓋與連接環(huán)板的約束。開(kāi)啟連接環(huán)板上的液壓限位開(kāi)關(guān)，限位塊開(kāi)始向外運(yùn)動(dòng)，連接蓋與連接環(huán)板解除約束。

⑨撤離連接環(huán)板。開(kāi)啟連接液壓缸控制開(kāi)關(guān)，連接液壓缸開(kāi)始縮回，帶動(dòng)連接環(huán)板、驅(qū)動(dòng)環(huán)板、卡扣桿向上運(yùn)動(dòng)。隨著卡扣桿向上運(yùn)動(dòng)，卡扣解鎖，安裝工具與母接頭端解除約束。

⑩收回安裝工具。ROV撤去液壓源，啟動(dòng)吊機(jī)將安裝工具收回。

1.3 通用技術(shù)問(wèn)題分析

從卡爪式連接器的結(jié)構(gòu)功能以及工作原理來(lái)看，為了實(shí)現(xiàn)水下連接器特定功能要求，保證水下連接器高可靠性、高壽命運(yùn)行，通用的設(shè)計(jì)技術(shù)至少包含以下幾方面：

①密封設(shè)計(jì)：水下連接器結(jié)構(gòu)最核心的功能是密封，而實(shí)現(xiàn)密封的關(guān)鍵零部件是金屬密封環(huán)，但水下連接器的金屬密封環(huán)不屬于標(biāo)準(zhǔn)密封件，因此需要研究金屬密封機(jī)理，探究密封設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；

②鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)鎖緊是密封的前提，而水下連接器鎖緊機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零部件是卡爪?？ㄗυ阪i緊過(guò)程是運(yùn)動(dòng)零部件，因此保證卡爪在鎖緊過(guò)程運(yùn)動(dòng)無(wú)卡阻，鎖緊到位后穩(wěn)固可靠運(yùn)行是要解決的關(guān)鍵問(wèn)題；

③定位對(duì)中設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和對(duì)中是鎖緊和密封的前提，水下連接器母接頭端隨管匯或采油樹(shù)等設(shè)施首先下放到位，緊接著公接頭端隨跨接管下放，此過(guò)程需要完成兩個(gè)對(duì)接體的定位對(duì)中。因此需要研究水下連接器的定位對(duì)中設(shè)計(jì)方案，以保證順利安裝；

④液壓控制設(shè)計(jì)：水下連接器的一系列安裝動(dòng)作均需要安裝工具上的液壓機(jī)構(gòu)來(lái)執(zhí)行，因此需要研究適用于水下連接器所實(shí)現(xiàn)特定動(dòng)作的液壓控制系統(tǒng)，并合理布局管路系統(tǒng)；

⑤防腐設(shè)計(jì)：水下連接器要長(zhǎng)期承受內(nèi)部高溫高壓介質(zhì)流體和外部低溫高壓海水侵蝕，對(duì)防腐材料和防腐措施提出了極高的要求。因此需要研究特殊材料選型以及專門的防腐設(shè)計(jì)方案，保證連接器的使用壽命。

2 國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)上述通用技術(shù)問(wèn)題，本課題組進(jìn)行了科研攻關(guān)，突破了一系列設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、安裝技術(shù)難題，形成了水下連接器國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)。本文將從密封、鎖緊、定位對(duì)中、液壓控制四個(gè)方面重點(diǎn)闡述所形成的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 密封關(guān)鍵技術(shù)

在形成獨(dú)特的密封結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，探究與密封相關(guān)的物理量之間的關(guān)系，用以指導(dǎo)密封設(shè)計(jì)，最終形成以下關(guān)鍵技術(shù)：

1)“三段式密封面”雙重密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水下連接器采用兩級(jí)密封，第一級(jí)為金屬密封，是主密封，采用雙錐面或透鏡曲面結(jié)構(gòu)形式，依靠金屬密封環(huán)直接接觸轂座結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可靠密封；第二級(jí)為非金屬密封，是副密封，依靠O型橡膠圈與轂座結(jié)構(gòu)相接觸實(shí)現(xiàn)。非金屬密封區(qū)域與金屬密封區(qū)域配合形成密閉空間，以保證金屬密封面與外界隔斷，同時(shí)可以用來(lái)檢測(cè)金屬密封性能。如圖3所示為錐面結(jié)構(gòu)的密封面，共分為三段，紅色1段與轂座密封面有一定角度差，一般取2°～3°；綠色2段為密封測(cè)試空間段；洋紅色3段與轂座密封面平行以保證O型圈的密封性。密封實(shí)現(xiàn)過(guò)程依次為O型橡膠圈首先與轂座密封面接觸，其次紅色1段逐漸與轂座密封面接觸，最后紅色1段被壓平，O型橡膠圈被壓進(jìn)槽內(nèi)，詳細(xì)描述參見(jiàn)文獻(xiàn)[10-12]。

圖3 水下連接器密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Seal structures of subsea connector

2)結(jié)構(gòu)變形分析與設(shè)計(jì)技術(shù)

上述密封結(jié)構(gòu)形式是依靠接觸面間的相互擠壓變形實(shí)現(xiàn)密封的。就錐形密封和透鏡密封兩種常見(jiàn)的密封形式而言，其密封原理均是面密封，即在狹窄的環(huán)帶狀接觸區(qū)域上形成密封[13](如圖4所示)。一般用兩個(gè)參數(shù)衡量帶狀區(qū)域的密封效果，分別為接觸壓力和接觸寬度，這兩個(gè)參數(shù)直接反映了密封件的受力與變形特點(diǎn)，關(guān)乎密封是否可以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)建立的密封接觸有限元計(jì)算模型，分析不同載荷工況下密封接觸寬度以及接觸壓力的變化情況，可以間接指導(dǎo)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[14-18]。

3)密封泄漏量計(jì)算理論

泄漏量是衡量密封效果的直接參數(shù)。影響泄漏量的因素有很多，比如作用在接觸面上的密封力與機(jī)械載荷、流體壓力作用下的內(nèi)壓力、密封墊片尺寸以及密封面加工精度與粗糙度等。通過(guò)建立的不可壓縮流體的狹縫一維層流流動(dòng)模型(如圖5所示)，考慮密封圈的結(jié)構(gòu)尺寸和接觸情況，可以推導(dǎo)出水下連接器的泄漏計(jì)算公式[19]，如式1所示。根據(jù)建立的泄漏量判斷標(biāo)準(zhǔn)，可以直接衡量密封是否有效。

式中，Q為泄漏量，m3/s；b0為密封間隙，m；p1為內(nèi)壓，Pa；p2為外壓，Pa；μ為介質(zhì)黏性系數(shù)，Pa·s；R0為初始密封面接觸位置的半徑，m；L為密封接觸區(qū)域?qū)挾?，m；β為接觸面傾斜角，rad。

4)密封參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的理論關(guān)系模型

接觸寬度和接觸壓力反映了密封圈結(jié)構(gòu)的受力變形特點(diǎn)，其不僅與密封面的接觸載荷有關(guān)，同時(shí)也與密封圈結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)有必然的聯(lián)系。由于金屬密封是面對(duì)面的直接接觸，所以無(wú)法直接測(cè)定接觸面的壓力分布以及接觸寬度。大多數(shù)情況下，工程設(shè)計(jì)人員會(huì)采用有限元的方法計(jì)算接觸力及寬度，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，密封是否能實(shí)現(xiàn)，但有限元方法設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)帶有很大的盲目性。因此，量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與密封參數(shù)之間的理論關(guān)系對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。如圖6所示，通過(guò)建立的金屬密封接觸的數(shù)學(xué)模型，可以推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與密封寬度、最大接觸壓力、接觸載荷之間的解析計(jì)算關(guān)系式，并結(jié)合所提出的滿足密封和強(qiáng)度要求的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，形成了一種水下連接器金屬透鏡式密封結(jié)構(gòu)理論設(shè)計(jì)方法，如式2所示[20]。

圖4 錐形密封環(huán)和透鏡密封環(huán)的帶狀密封區(qū)域示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the annulus sealing region on VX gasket and lenticular gasket

圖5 兩平壁間的層流流動(dòng)分析模型Fig. 5 Analysis model of one-dimensional slit laminar fl ow

圖6 接觸模型簡(jiǎn)化示意圖Fig. 6 Simpli fi ed diagram of contact model

式中，b為接觸半寬度，m；pmax為最大接觸壓力，Pa；E?為兩接觸物體的等效彈性模量，Pa；R?為透鏡曲率半徑，m；E1為透鏡金屬密封環(huán)彈性模量，Pa；v1為泊松比，無(wú)量綱；h為密封環(huán)中徑高，m；θ為密封接觸面傾斜角，rad；HB為金屬密封環(huán)硬度，Pa；σs為金屬密封環(huán)材料屈服強(qiáng)度，Pa。

2.2 鎖緊關(guān)鍵技術(shù)

圍繞如何實(shí)現(xiàn)鎖緊以及如何達(dá)到最優(yōu)鎖緊效果兩類問(wèn)題，進(jìn)行了鎖緊結(jié)構(gòu)的防干涉設(shè)計(jì)與二次鎖緊設(shè)計(jì)，分析了預(yù)緊載荷與密封接觸載荷理論關(guān)系，提出以降低預(yù)緊力為目的的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型，形成以下關(guān)鍵技術(shù)：

1)卡爪防干涉設(shè)計(jì)技術(shù)

卡爪是運(yùn)動(dòng)部件，由張開(kāi)狀態(tài)到收攏狀態(tài)極易與其他零部件接觸面發(fā)生干涉(如圖7所示)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮：卡爪在鎖緊前與上轂座緊密接觸，要保證卡爪的位置穩(wěn)定?？ㄗεc驅(qū)動(dòng)環(huán)在整個(gè)接觸過(guò)程均應(yīng)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡，防止出現(xiàn)干涉。卡爪與卡爪之間增加限位裝置保證間隙分布均勻，防止卡爪之間出現(xiàn)干涉。鎖緊后卡爪與驅(qū)動(dòng)環(huán)的接觸面具備自鎖功能。結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)完成后，可運(yùn)用Adams軟件對(duì)連接器的鎖緊過(guò)程進(jìn)行虛擬仿真分析(仿真模型見(jiàn)圖8)，檢驗(yàn)連接器能否實(shí)現(xiàn)鎖緊以及是否有干涉現(xiàn)象[21]。

圖7 干涉的卡爪Fig. 7 Claws in the interference state

圖8 卡爪運(yùn)動(dòng)虛擬仿真模型Fig. 8 Simulation model of claw’s motion

2)二次鎖緊設(shè)計(jì)技術(shù)

在工作狀態(tài)下，為了防止偶然的外載荷引起驅(qū)動(dòng)環(huán)移動(dòng)，可在驅(qū)動(dòng)環(huán)上安裝緊固螺栓以限制其偶然移動(dòng)，如此便可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固的鎖緊，基于此種設(shè)計(jì)理念的鎖緊稱為二次鎖緊。如圖9所示，二次鎖緊過(guò)程依靠ROV轉(zhuǎn)動(dòng)水平轉(zhuǎn)桿，動(dòng)力通過(guò)一對(duì)嚙合的直齒圓錐齒輪傳遞到垂直轉(zhuǎn)桿，然后轉(zhuǎn)動(dòng)緊固螺栓直到緊固螺栓旋進(jìn)到指定位置，頂緊驅(qū)動(dòng)環(huán)。解鎖時(shí)，二次鎖緊工具的垂直轉(zhuǎn)桿需要與緊固螺栓實(shí)現(xiàn)精確對(duì)中，配合在一起后反向旋轉(zhuǎn)將緊固螺栓旋出，方可完成解鎖任務(wù)。

3)不同零部件接觸面之間的載荷傳遞關(guān)系

水下連接器是依靠配套的安裝工具提供液壓動(dòng)力將其鎖緊。鎖緊力通過(guò)水下連接器結(jié)構(gòu)相互接觸面進(jìn)行傳遞，最終加載到金屬密封環(huán)上，進(jìn)而擠壓金屬密封環(huán)，在實(shí)現(xiàn)鎖緊的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了密封。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)零部件進(jìn)行受力分析，研究接觸面之間的載荷傳遞關(guān)系，可以建立預(yù)緊力與密封接觸載荷之間的理論關(guān)系，如式3所示[20]，用以指導(dǎo)液壓參數(shù)設(shè)計(jì)以及轂座卡爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖9 二次鎖緊機(jī)構(gòu)Fig. 9 Re-locking mechanism

式中，F(xiàn)為預(yù)緊力，N；Dq為驅(qū)動(dòng)環(huán)外直徑，m；b為接觸半寬度，m；pmax為最大接觸壓力，Pa；α為接觸面之間的傾斜角，rad；φ為摩擦角，rad；η為機(jī)械傳遞效益比，無(wú)量綱。

4)以降低鎖緊力為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型

調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)使所提供的預(yù)緊力盡可能小但同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)密封，是工程設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)。根據(jù)所建立的力學(xué)傳遞關(guān)系模型，選取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)作為待優(yōu)化變量，加以約束條件，選取機(jī)械傳遞效益比為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，使結(jié)構(gòu)在滿足密封性要求的前提下盡可能減小鎖緊力，最終建立起的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如式4所示[22]。

式中，α2g，α2，α3為待優(yōu)化的角度設(shè)計(jì)變量，°；μ2為摩擦角，°。

2.3 定位對(duì)中關(guān)鍵技術(shù)

水下連接器公接頭隨管匯、采油樹(shù)等設(shè)施首先下放到位，緊接著母接頭隨跨接管下放，此過(guò)程需要完成兩個(gè)對(duì)接體的定位，實(shí)現(xiàn)初步配合。隨后，需要完成公接頭的軸心線和母接頭的軸心線對(duì)中。定位對(duì)中完成后，連接器才能順利實(shí)現(xiàn)鎖緊和密封。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了雙重對(duì)中方案(見(jiàn)圖10)，第一重為喇叭口結(jié)構(gòu)的安裝工具底座與對(duì)中座配合以實(shí)現(xiàn)粗對(duì)中，第二重為上下轂座榫槽結(jié)構(gòu)配合以實(shí)現(xiàn)精對(duì)中。

圖10 粗對(duì)中與精度中Fig. 10 Coarse alignment and Accurate alignment

2.4 液壓控制關(guān)鍵技術(shù)

驅(qū)動(dòng)環(huán)板的運(yùn)動(dòng)依靠安裝工具上的3～4個(gè)液壓缸共同推動(dòng)，必須保證液壓缸組能夠同步運(yùn)動(dòng)，否則驅(qū)動(dòng)環(huán)板將會(huì)傾斜運(yùn)動(dòng)，與導(dǎo)向柱發(fā)生干涉致使無(wú)法鎖緊連接器(如圖11所示)。通過(guò)仿真軟件AMESim建立了驅(qū)動(dòng)環(huán)液壓系統(tǒng)仿真模型(如圖12所示)，分析了分流集流閥的使用對(duì)液壓缸同步動(dòng)作的影響，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，提出增強(qiáng)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步性能的方案和措施[23]。

3 待解決技術(shù)問(wèn)題探討

從已有的研究工作來(lái)看，水下連接器的國(guó)產(chǎn)化研制仍需從設(shè)計(jì)方面考慮解決以下技術(shù)問(wèn)題：

3.1 密封技術(shù)問(wèn)題

①接觸面間微觀泄漏量是判定密封效果的最直接參數(shù)指標(biāo)，雖然已對(duì)泄漏量計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)，但是并未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。下一步的研究工作應(yīng)當(dāng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，以實(shí)測(cè)值驗(yàn)證理論計(jì)算，并探究泄漏量與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系；

圖11 傾斜的環(huán)板導(dǎo)致干涉現(xiàn)象Fig. 11 Interference induced by the inclined ring plate

圖12 液壓系統(tǒng)仿真模型圖Fig. 12 Simulation model of hydraulic system

②密封的間接指標(biāo)為接觸寬度和接觸壓力，雖然已得到透鏡式密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)與接觸壓力和接觸寬度的理論關(guān)系，但仍需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。進(jìn)一步的研究工作應(yīng)當(dāng)建立全尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)或縮比尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。由于金屬密封是面對(duì)面直接接觸，所以用實(shí)驗(yàn)方法直接測(cè)定接觸面的壓力分布以及接觸寬度比較困難，能否尋找到替代方法是實(shí)驗(yàn)研究首先要解決的問(wèn)題。此外，僅僅以加壓、保壓和測(cè)試壓力變化的形式所開(kāi)展的密封試驗(yàn)并不能用于驗(yàn)證參數(shù)理論關(guān)系，必須對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行測(cè)量；

③錐面密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)與接觸寬度和接觸壓力的理論關(guān)系至今尚未獲得，可通過(guò)簡(jiǎn)化接觸區(qū)域壓力分布形式，離散求解結(jié)構(gòu)部件在假定壓力載荷下的平衡方程，探究載荷與變形的理論關(guān)系，并輔以試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，形成錐形密封結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)方法；

④在形成的載荷變形理論基礎(chǔ)上，提煉結(jié)構(gòu)參數(shù)和密封參數(shù)的概率分布模型，建立密封功能函數(shù)方程，分析計(jì)算密封的可靠性；探究連接器工作狀態(tài)下載荷時(shí)程變化，建立密封參數(shù)的疲勞累積損傷分析計(jì)算模型，預(yù)測(cè)水下連接器的密封壽命；

⑤對(duì)于雙重密封，建立有限元分析模型，討論不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸組合所能達(dá)到的密封效果，探究金屬密封與非金屬密封之間耦合效應(yīng)。

3.2 鎖緊技術(shù)問(wèn)題

①進(jìn)行預(yù)緊力與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的理論關(guān)系研究，實(shí)現(xiàn)由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)直接計(jì)算得到預(yù)緊力，然后反饋到液壓系統(tǒng)中，設(shè)定液壓參數(shù)；

②進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)的參數(shù)選取問(wèn)題研究，該問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是要求水下連接器最外部的驅(qū)動(dòng)環(huán)外徑尺寸不變，只改變內(nèi)部的密封環(huán)、轂座、卡爪的結(jié)構(gòu)尺寸以實(shí)現(xiàn)不同尺寸管徑的連接，針對(duì)該問(wèn)題需要研究鎖緊機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，為系列化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

3.3 定位對(duì)中技術(shù)問(wèn)題

①進(jìn)行隨機(jī)偏差參數(shù)對(duì)密封效果影響規(guī)律的研究。理想上公接頭和母接頭的軸心線在一條直線上，但實(shí)際安裝過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)一定偏差。在安裝偏差存在時(shí)，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、密封性能、鎖緊性能都會(huì)發(fā)生變化，需要研究偏差參數(shù)與密封參數(shù)或變形參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)行密封可靠性分析。需要研究偏差參數(shù)存在情況下結(jié)構(gòu)的受力變化狀況，分析其對(duì)鎖緊特性的影響。

②進(jìn)行對(duì)中控制參數(shù)模型研究。建立對(duì)中過(guò)程下放深度與偏轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系，探討結(jié)構(gòu)的最大允許安裝傾斜角以及最大允許偏差角，提出控制偏差參數(shù)的設(shè)計(jì)方案以及措施，保證順利實(shí)現(xiàn)對(duì)中安裝。建立轂座對(duì)接結(jié)構(gòu)的對(duì)中偏離簡(jiǎn)化模型，提出偏差參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的控制方程，優(yōu)化相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.4 液壓控制技術(shù)問(wèn)題

通過(guò)鎖緊結(jié)構(gòu)理論計(jì)算，獲得符合實(shí)際情況的力學(xué)參數(shù)，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，研究系統(tǒng)的同步性能并提出改善同步性能的措施。構(gòu)建液壓控制系統(tǒng)閉環(huán)回路，提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的抗干擾能力以及精準(zhǔn)控制能力。研究提高液壓元器件穩(wěn)定性的方案，保證液壓缸組同步、平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

FMC、Cameron、Oil States、GE Vetco Grey以及Aker Solutions等國(guó)外五大公司的深水水下連接器技術(shù)成熟，產(chǎn)品類型呈現(xiàn)系列化和多樣化特點(diǎn)，壟斷全球市場(chǎng)。而國(guó)內(nèi)水下連接器技術(shù)尚處于起步階段，僅有個(gè)別科研院校和企事業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)此開(kāi)展了技術(shù)研究，距離全面工業(yè)應(yīng)用還任重而道遠(yuǎn)。

隨著深水油氣田的不斷開(kāi)發(fā)，水下連接器的應(yīng)用前景廣闊，打破國(guó)外市場(chǎng)壟斷，實(shí)現(xiàn)水下連接器國(guó)產(chǎn)化具有重大意義。在國(guó)產(chǎn)化的研制過(guò)程中，需要解決設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和安裝等諸多方面的技術(shù)問(wèn)題。本文著重探討了設(shè)計(jì)研究方面的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了剖析。尤其值得強(qiáng)調(diào)的是在進(jìn)行水下連接器產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)時(shí)，需要形成理論設(shè)計(jì)方法，而非只用有限元仿真方法進(jìn)行模擬計(jì)算。此外，保證國(guó)產(chǎn)連接器的安全可靠性和使用壽命仍是研制工作的重中之重。

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Key design technologies for developing China’s own subsea connectors

ZHANG Kang1, HONG Yi2, DUAN Menglan1, LUO Xiaolan1, HOU Guangxin2, XU Xiaolei3
1 Institute for Ocean Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China
2 China National Offshore Oil Corporation Research Institute, Beijing 100028, China
3 RG Petro-machinery Group Co., Ltd., Nanyang 473000, China

Developing Chinese subsea production facilities is one of the major strategies of the nation’s exploration and development of deep-water oil and gas. The subsea connector is the key connection equipment of subsea production systems. Based on the structural functions and application features of subsea connectors, the common technical problems are presented here. The key technologies needed to be studied for developing Chinese subsea connectors are discussed around the four aspects of sealing technology, locking technology, alignment technology and hydraulic control technology. The key sealing and locking technologies are outlined. The unsolved technical issues are summarized and suggestions for some related solutions are proposed.

subsea connectors; design; key technologies; sealing; locking

10.3969/j.issn.2096-1693.2017.01.012

(編輯 馬桂霞)

*通信作者, mlduan@cup.edu.cn

2016-09-07

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFC0303700)和國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題(2016ZX05028-003-005)資助

張康, 洪毅, 段夢(mèng)蘭, 羅曉蘭, 侯廣信, 徐曉磊. 深水水下連接器國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù). 石油科學(xué)通報(bào), 2017, 01: 123-132

ZHANG Kang, HONG Yi, DUAN Menglan, LUO Xiaolan, HOU Guangxin, XU Xiaolei. Key design technologies of developing China’s own subsea connectors. Petroleum Science Bulletin, 2017, 01: 123-132. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2017.01.012