深水卡爪連接器防松機(jī)構(gòu)研究及試驗(yàn)分析

運(yùn)飛宏，王立權(quán)，劉軍，劉通，王仁華，賈鵬

(哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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深水卡爪連接器防松機(jī)構(gòu)研究及試驗(yàn)分析

運(yùn)飛宏，王立權(quán)，劉軍，劉通，王仁華，賈鵬

(哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對(duì)深水卡爪連接器在工作時(shí)受到外界環(huán)境干擾造成的松動(dòng)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了新型非螺紋防松機(jī)構(gòu)。根據(jù)深水卡爪連接器密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)防松機(jī)構(gòu)受力特性進(jìn)行分析，找出影響鎖緊效率的主要因素，確定了卡爪連接器防松機(jī)構(gòu)2個(gè)鎖緊配合的角度。對(duì)卡爪連接器密封結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行受力分析，得出卡爪連接器對(duì)拉力載荷的承載能力，計(jì)算出防松機(jī)構(gòu)增益系數(shù)及防松力。通過(guò)運(yùn)動(dòng)性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了防松壓塊及解鎖壓塊與防松滑塊之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系；通過(guò)等效受載試驗(yàn)，驗(yàn)證了防松機(jī)構(gòu)在外載下具有良好的防松性能。研制的防松機(jī)構(gòu)已經(jīng)在我國(guó)南海水下320 m進(jìn)行了示范應(yīng)用，有重要的理論意義和推廣價(jià)值。

深水卡爪連接器；防松機(jī)構(gòu)；非螺紋；鎖緊效率；增益系數(shù)；解鎖；防松性能；等效試驗(yàn)

由于陸地能源日漸枯竭，深海將會(huì)成為石油天然氣等傳統(tǒng)能源形式的主要供應(yīng)區(qū)域[1]。深水卡爪連接器是海洋油氣資源開(kāi)采系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的設(shè)備之一，深水卡爪連接器工作在超過(guò)1 500 m的深海，不僅受到結(jié)構(gòu)載荷的作用，還受到波浪、洋流等對(duì)跨接管沖擊而造成的外載荷影響[2]，因此良好的防松性能是其工作安全可靠的重要保證。

目前，國(guó)外一些石油工程公司的卡爪連接器防松技術(shù)已經(jīng)成熟，例如FMC、OilStates以及Cameron等公司，而我國(guó)在這方面的研究較少。文獻(xiàn)[3-4]是Cameron公司發(fā)明的卡爪連接器，文獻(xiàn)[5]是Cooper Industries公司發(fā)明的卡爪連接器，這些卡爪連接器采用的防松結(jié)構(gòu)均為螺紋連接，需要人在卡爪連接器的組裝過(guò)程中進(jìn)行螺紋擰緊的操作，從而實(shí)現(xiàn)防松的功能；由于人工操作只限于淺水，因此這種防松方式僅限于近海管道連接。文獻(xiàn)[6-7]是分別為Hughes Tool和Vetco Gray公司發(fā)明的卡爪連接器，采用的是液壓防松，這種防松方式需要液壓缸長(zhǎng)期工作在海底，造價(jià)高、可靠性低。李志剛等發(fā)明了一種螺紋傳動(dòng)防松機(jī)構(gòu)，這種防松方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但需要無(wú)人遙控潛水器(remote operated vehicle，ROV)在水下與操作接口精確對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行操作；由于深水能見(jiàn)度低，不方便ROV觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)需要較長(zhǎng)時(shí)間，增加了深水卡爪連接器安裝難度，安裝效率較低[8]。

針對(duì)深水卡爪連接器密封原理，本文設(shè)計(jì)了一種新型非螺紋傳動(dòng)防松機(jī)構(gòu)，并對(duì)其受力特性進(jìn)行分析，得出影響其鎖緊效率的關(guān)鍵參數(shù)；通過(guò)卡爪連接器可承受的最大拉力載荷驗(yàn)證防松機(jī)構(gòu)的鎖緊性能，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)性能及防松性能的驗(yàn)證。

1 深水卡爪連接器構(gòu)成

如圖1所示，深水卡爪連接器由底座下接頭和卡爪上接頭組成。底座下接頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要作用是將下法蘭固定在水下生產(chǎn)設(shè)施上?？ㄗι辖宇^結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要包含上法蘭、驅(qū)動(dòng)環(huán)、密封圈、卡爪等密封核心部件，以及防松機(jī)構(gòu)[9-11]。

圖1 深水卡爪連接器Fig.1 Deepwater collet connector

進(jìn)行水下作業(yè)時(shí)，深水卡爪連接器安裝工具攜帶卡爪上接頭下放，與底座下接頭完成對(duì)接后，安裝工具對(duì)驅(qū)動(dòng)環(huán)進(jìn)行加載，驅(qū)動(dòng)環(huán)向下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)卡爪張開(kāi)，卡爪抱緊上、下法蘭后，安裝工具上的防松液壓缸對(duì)2個(gè)防松機(jī)構(gòu)進(jìn)行加載，加載完成后安裝工具撤離，深水卡爪連接器完成安裝。深水卡爪連接器的密封核心部件由上、下法蘭與密封圈組成，上下法蘭壓緊密封圈實(shí)現(xiàn)密封。依靠驅(qū)動(dòng)環(huán)內(nèi)壁與卡爪背部摩擦自鎖以及防松機(jī)構(gòu)鎖緊力保證卡爪連接器在外載荷下的可靠性[12]。

2 卡爪連接器防松原理

2.1 卡爪連接器防松機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)螺紋式防松機(jī)構(gòu)依靠擰緊螺紋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)防松，設(shè)計(jì)的新型防松機(jī)構(gòu)依靠由防松壓塊、防松滑塊和防松柱組成的兩道自鎖結(jié)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)防松。如圖1、2所示，防松機(jī)構(gòu)箱體安裝在卡爪接頭頂蓋上，防松柱固定在驅(qū)動(dòng)環(huán)上。當(dāng)防松壓塊被防松液壓缸活塞桿加載時(shí)，連接防松壓塊和解鎖壓塊的鏈條便將解鎖壓塊提起，防松滑塊兩側(cè)的滑動(dòng)導(dǎo)向螺栓帽起到導(dǎo)向的作用，這時(shí)防松滑塊便在防松壓塊的推動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng)，直到防松壓塊運(yùn)動(dòng)到底端，使防松滑塊便防松柱壓緊。設(shè)計(jì)的防松滑塊與箱體連接的方式是滑動(dòng)副，為了減小機(jī)構(gòu)的體積，防松滑塊設(shè)計(jì)的十分緊湊，為了安裝與定位，其滑動(dòng)導(dǎo)向裝置采用螺栓帽代替滑塊。

圖2 防松機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of loose-proof mechanism

2.2 防松機(jī)構(gòu)受力特性分析與自鎖配合設(shè)計(jì)

深水卡爪連接器由驅(qū)動(dòng)環(huán)施加在卡爪背部錐面的壓力間接實(shí)現(xiàn)密封，驅(qū)動(dòng)環(huán)僅需提供很小的摩擦力就能使密封結(jié)構(gòu)保持密封狀態(tài)，只有在受到干擾力時(shí)驅(qū)動(dòng)環(huán)有向上運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，防松機(jī)構(gòu)產(chǎn)生鎖緊力。其受力狀態(tài)如圖3、4所示。

圖3 有干擾力下自鎖配合I受力分析Fig.3 Mechanical analysis of self-locking cooperation I under exciting force

圖4 有干擾力下自鎖配合II受力分析Fig.4 Mechanical analysis of self-locking cooperation II under exciting force

卡爪連接器受干擾力情況下，防松壓塊具有相對(duì)于防松滑塊沿自鎖斜面I斜向上的速度趨勢(shì)。防松壓塊受到來(lái)自防松機(jī)構(gòu)箱體鎖緊摩擦力F1、防松機(jī)構(gòu)箱體支反力Q1、摩擦力f21和支反力N1，其中f21和N1可合成防松滑塊的作用力R1，自鎖配合I摩擦角為φ1，斜面傾斜角度為λ1。假設(shè)防松壓塊斜向上速度為勻速運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)1與R1力學(xué)關(guān)系為

F1=R1sin(λ1-φ1)

(1)

圖4為自鎖配合II受力分析圖，防松滑塊具有相對(duì)于防松柱沿自鎖斜面II斜向下的速度趨勢(shì)。防松滑塊受到來(lái)自防松壓塊的作用力F2、防松機(jī)構(gòu)

箱體支反力Q2以及來(lái)自防松柱的作用力R2，R2由摩擦力f32和支反力N2合成，自鎖配合II摩擦角為φ2，斜面傾斜角度為λ2。假設(shè)防松壓塊斜向上速度為勻速運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)2與R2力學(xué)關(guān)系為

(2)

式中：λ1為自鎖配合I斜面角度；λ2為自鎖配合II斜面角度；φ1為自鎖配合I摩擦角，8°30′；φ2為自鎖配合II摩擦角，8°30′。

F2與R1互為作用力反作用力，可得出F1與R2關(guān)系為

F1=R2sin(λ2-φ2)tan(λ1-φ1)

(3)

若無(wú)摩擦力作用，則理想鎖緊力為

F0=R2sinλ2tanλ1

(4)

因此防松機(jī)構(gòu)解鎖效率為

(5)

只有在η1≤0時(shí)機(jī)構(gòu)能夠完成自鎖。

圖5為機(jī)構(gòu)進(jìn)行鎖緊動(dòng)作時(shí)自鎖配合I與自鎖配合II受力分析圖。與上述分析同理，可以得出鎖緊傳動(dòng)效率：

(6)

圖5 鎖緊時(shí)防松機(jī)構(gòu)受力分析Fig.5 Mechanical analysis of the loose-proof mechanism in the locking state

防松機(jī)構(gòu)不僅需要保證在受干擾力的情況下自鎖即η1≤0，還需要確保在進(jìn)行鎖緊動(dòng)作時(shí)傳動(dòng)效率η2≥0[13-15]。因防松機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)限制，引入結(jié)構(gòu)約束條件λ1+λ2≤50°。通過(guò)綜合以上3個(gè)限制條件，可以得出λ1與λ2的取值范圍如圖6所示。根據(jù)卡爪連接器結(jié)構(gòu)特性，選取λ1=20°，λ2=3°。

設(shè)計(jì)的防松滑塊兩側(cè)有λ1=20°傾角，方便防松壓塊及解鎖壓塊運(yùn)動(dòng)，同時(shí)不會(huì)發(fā)生自鎖；防松滑塊的底端是λ2=3°傾角，既可以保證防松滑塊順利的壓到防松柱上，也可以保證在沒(méi)有來(lái)自解鎖塊的作用時(shí)自鎖；若驅(qū)動(dòng)環(huán)因外界干擾的作用向防松機(jī)構(gòu)施加作用力，由于防松滑塊兩側(cè)的導(dǎo)向螺栓帽是卡在防松箱體里的，因此不僅不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，反而會(huì)壓緊防松柱，起到防松作用。

圖6 λ1、λ2取值范圍Fig.6 Value ranges of λ1 and λ2

3 防松機(jī)構(gòu)性能分析

跨接管因內(nèi)部油氣沖擊，對(duì)卡爪連接器產(chǎn)生各種載荷，其中拉力載荷會(huì)使卡爪連接器驅(qū)動(dòng)環(huán)具有向上解鎖的趨勢(shì)，此時(shí)防松機(jī)構(gòu)起到主要的防松作用。但當(dāng)此拉力載荷過(guò)大時(shí)，卡爪連接器密封結(jié)構(gòu)會(huì)直接產(chǎn)生斷裂破壞，密封結(jié)構(gòu)失效。因此為驗(yàn)證防松機(jī)構(gòu)鎖緊性能，需判斷卡爪連接器所能承受最大拉力載荷。

3.1 卡爪連接器承受最大拉力分析

圖7 卡爪連接器密封部件受力分析Fig.7 Mechanical analysis of the sealing structure of the collet connector

由圖7看出，拉力載荷經(jīng)過(guò)上下法蘭的傳導(dǎo)直接作用在卡爪上，卡爪的強(qiáng)度直接決定連接器的最大承拉載荷。如圖8所示，對(duì)于a-a截面，在工作狀態(tài)下，由于外部拉力與密封軸向力Q01的共同作用，使得a-a環(huán)向截面的受力狀態(tài)呈現(xiàn)拉伸——彎曲復(fù)合狀態(tài)。根據(jù)疊加原理，a-a環(huán)向截面的當(dāng)量應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足：

σoa=σma+σa≤[σz]t

(7)

(8)

式中：H0為力臂；D1為中性面直徑；δ為單個(gè)卡爪旋轉(zhuǎn)角度；n為周向卡爪數(shù)量，n=12；S1為厚度。

a-a環(huán)向截面的拉應(yīng)力σa為[16]

(9)

式中：D0為外直徑，mm；D2為內(nèi)直徑，mm。

通過(guò)計(jì)算a-a截面的所允許的當(dāng)量應(yīng)力，計(jì)算出卡爪連接器所允許的最大拉力載荷FL=238.7kN。

圖8 卡爪危險(xiǎn)截面Fig.8 Dangerous section of the collet

3.2 防松機(jī)構(gòu)性能分析

根據(jù)前期研究知，卡爪連接器密封圈所需最小軸向預(yù)緊力Q0=39.7 kN[17]。將圖7各部件受力分析簡(jiǎn)化，得到圖9。由圖9(a)上法蘭所受各力關(guān)系可得

(10)

(11)

Q01=R01sin(α+ρ)

(12)

Q13=R13sin(β-ρ)

(13)

式中：α為法蘭密封面錐角，20°；β為法蘭錐頸傾角，30°；γ為卡爪背部?jī)A角，3°；ρ為摩擦角，8°30′。

由圖9(b)卡爪所受各力之間關(guān)系可得

(14)

(15)

Q23=R23sin(β-ρ)

(16)

由圖9(c)下法蘭所受各力之間關(guān)系可得

(17)

Q02=R02sin(α+ρ)

(18)

將計(jì)算出的最大拉力載荷FL=238.7kN代入式(10)～(18)，可求得Q01=49.88kN，Q02=40.54kN，R34=R43=215.68kN。可見(jiàn)上法蘭及下法蘭對(duì)密封圈的軸向預(yù)緊力Q01與Q02均大于卡爪連接器密封圈所需最小軸向預(yù)緊力Q0=39.7kN，證明在極限拉力載荷作用下，密封并未失效。同時(shí)，

如圖7所示，防松柱的豎直方向的力的平衡方程為

φ2-λ2)

(19)

由式(3)、(10)、(15)和(19)可以推導(dǎo)出最大拉力載荷與防松所需摩擦力的比值，即防松機(jī)構(gòu)增益系數(shù)K：

[sin(2β-2ρ)sin(γ+ρ)tan(λ1-φ1)·

(20)

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出K=790.81，F(xiàn)1=0.31kN。說(shuō)明當(dāng)卡爪連接器在工作狀態(tài)承受最大拉力載荷時(shí)，防松壓塊僅需提供很小的鎖緊摩擦力就可以阻止驅(qū)動(dòng)環(huán)的向上運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，保證卡爪連接器的密封可靠性。

圖9 密封元件間的受力關(guān)系簡(jiǎn)圖Fig.9 Force relation figure between sealing components

4 卡爪連接器防松試驗(yàn)

4.1 防松機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)

如圖10所示，由專(zhuān)用的防松機(jī)構(gòu)測(cè)試裝置對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)。防松液壓缸及鎖緊液壓缸內(nèi)置位移傳感器，可測(cè)量防松壓塊、解鎖壓塊的運(yùn)動(dòng)位移；測(cè)試裝置內(nèi)置接觸式位移傳感器，可測(cè)量防松滑塊的運(yùn)動(dòng)位移。防松及解鎖試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如圖11所示。從圖中可以看出，防松壓塊最大運(yùn)動(dòng)距離約為41.21 mm，防松滑塊的位移與其基本成正比，初始由于接觸不均勻的問(wèn)題略有微小波動(dòng)，防松滑塊位移為5 mm以后，防松壓塊勻速移動(dòng)。由于試驗(yàn)銜接比較緊湊，在解鎖試驗(yàn)中，解鎖壓塊與防松滑塊的初始接觸并無(wú)其他因素干擾，因此隨著解鎖壓塊的運(yùn)動(dòng)，防松滑塊在整個(gè)解鎖過(guò)程中均為勻速運(yùn)動(dòng)，并無(wú)波動(dòng)，其最大位移也為41.21 mm。同時(shí)，從圖中還可以看出，防松與解鎖的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是完全對(duì)稱(chēng)的，驗(yàn)證了防松機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。

圖10 防松機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)測(cè)試裝置Fig.10 Motion performance test equipment of the loose-proof mechanism

4.2 防松機(jī)構(gòu)等效受載試驗(yàn)

第3節(jié)中分析出，防松機(jī)構(gòu)在卡爪連接器承受拉力時(shí)起到重要的防松作用?？ㄗB接器可承受的最大拉力為238.7 kN。如圖12所示，使用卡爪連接器安裝工具的加載環(huán)對(duì)卡爪上接頭施加拉力，可等效于跨接管對(duì)連接器施加力。

通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作壓力從而調(diào)整加載環(huán)作用在卡爪上接頭的力。試驗(yàn)從0 kN拉力開(kāi)始加載，每次增加238.7 kN；每次施加拉力后，利用液壓泵對(duì)卡爪連接器內(nèi)部腔體注入高壓油，直至連接器的額定工作壓強(qiáng)34.5 MPa，保壓1 h，記錄保壓后的壓力值。同時(shí)，根據(jù)ISO 21329中對(duì)于內(nèi)壓測(cè)試的要求，需要測(cè)試34.5 MPa的1.5倍(51.75 MPa)[18]，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均記錄在表1中。

圖11 防松及解鎖試驗(yàn)位移曲線Fig.11 Displacement curves of locking and unlocking experiment

圖12 防松機(jī)構(gòu)等效受載試驗(yàn)裝置Fig.12 Equipment of the experiment of equivalent load of the loose-proof mechanism

Table 1 Data of the experiment of equivalent load of the loose-proof mechanism

拉力載荷/238.7kN34.5MPa保壓值/MPa51.8MPa保壓值/MPa034.551.810%34.551.820%34.551.830%34.551.840%34.551.850%34.551.860%34.551.870%34.551.880%34.551.890%34.551.8100%34.551.8

由于51.75 MPa在測(cè)量表中不容易讀出，因此使用51.8 MPa代替。如表1所示，34.5 MPa及51.8 MPa內(nèi)壓時(shí)，從最大拉力的10%開(kāi)始至100%，均無(wú)壓降，符合驗(yàn)收準(zhǔn)則。

5 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)防松機(jī)構(gòu)的受力特性進(jìn)行分析，得到能夠抵抗干擾力的2組自鎖配合面的角度取值范圍，并根據(jù)卡爪連接器結(jié)構(gòu)特性選取防松機(jī)構(gòu)2個(gè)鎖緊配合的角度：λ1=20°、λ2=3°。

2)對(duì)處于工作狀態(tài)和拉力載荷作用下的卡爪連接器進(jìn)行了受力分析，得到各密封部件間力的傳導(dǎo)關(guān)系，并計(jì)算出卡爪連接器可承受的最大拉力載荷：FL=238.7 kN；以最大拉力載荷為干擾，推導(dǎo)出防松機(jī)構(gòu)的增益系數(shù)：K=790.81，最大拉力所需的防松力：F1=0.31 kN。

3)通過(guò)卡爪連接器的防松機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能試驗(yàn)，測(cè)試出防松壓塊及解鎖壓塊的最大運(yùn)動(dòng)距離約為41.21 mm，且兩種壓塊的位移與防松滑塊的位移成正比，同時(shí)，防松壓塊與解鎖壓塊的運(yùn)動(dòng)過(guò)程完全對(duì)稱(chēng)；通過(guò)防松機(jī)構(gòu)等效受載試驗(yàn)，驗(yàn)證了防松機(jī)構(gòu)在卡爪連接器可承受的最大拉力238.7 kN下，有良好的防松性能，可以保證卡爪連接器在34.5 MPa及51.8 MPa時(shí)均有著良好的密封性能。

研制的深水卡爪連接器防松機(jī)構(gòu)已經(jīng)在我國(guó)南海320 m水深進(jìn)行了示范應(yīng)用，并取得了成功。由于其具有良好的防松性能，也可以廣泛應(yīng)用于其他類(lèi)型的水下連接器防松機(jī)構(gòu)。

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Research and experiment analysis on the loose-proof mechanism of the deepwater collet connector

YUN Feihong， WANG Liquan， LIU Jun， LIU Tong， WANG Renhua， JIA Peng

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China)

A new type of non-thread locking mechanism was designed to resist the loosening that occurs when external forces act on the deep-water collet connector. Due to the characteristics of the sealed structure of the deep-water collet connector， mechanical characteristics of the locking mechanism were analyzed; the main factors influencing the efficiency of locking were found， and two locking matching angles of the locking mechanism were confirmed. Based on the mechanical analysis for the sealed structure of the deep-water collet connector， the tension bearing capacity of the connector was attained. In addition， the gain coefficient and the locking force of the mechanism were calculated. The kinematic relations between the locking block， unlocking block， and the locking sliding block were verified by an experiment on motion performance. By the experiment of equivalent load， the excellent locking performance of the loose-proof mechanism under the external applied load was validated. The locking mechanism was verified 320 m below the water surface in the South China Sea， which has important theoretical significance and popularization value.

deep-water collet connector; locking mechanism; non-thread; locking efficiency; gain coefficient; locking performance; equivalent test

2016-05-16.

日期：2017-04-26.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279042)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51305088).

運(yùn)飛宏(1988-)， 女，博士研究生； 王立權(quán)(1957-)， 男， 教授，博士生導(dǎo)師.

運(yùn)飛宏，E-mail: yfh88818@163.com.

10.11990/jheu.201605052

TE94

A

1006-7043(2017)05-0771-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170426.1047.032.html