螺旋升降式吸力錨艙蓋設(shè)計(jì)

趙曉磊，儲(chǔ)樂(lè)平，肖德明，王 磊，程吉林

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

海洋石油的開(kāi)采由淺海走向深海，錨固技術(shù)是其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3].目前主要的錨固系統(tǒng)有抓力錨、樁錨、吸力錨等.相比于另外兩種，吸力錨具有可承受垂向張力、定位精度高、安裝費(fèi)用低，可回收重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，因此在深海油氣資源的開(kāi)發(fā)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.

吸力錨艙蓋是吸力錨的關(guān)鍵部件之一，可安裝在吸力錨的頂面或側(cè)面，其主要作用是吸力錨經(jīng)海水飛濺區(qū)時(shí)排出內(nèi)部氣體和接觸海底自沉入泥過(guò)程中排出內(nèi)部海水.艙蓋的尺寸和結(jié)構(gòu)對(duì)吸力錨的整體性能和安裝操作具有重要影響.若艙蓋開(kāi)口尺寸過(guò)小，吸力錨下放過(guò)程經(jīng)過(guò)飛濺區(qū)時(shí)排出筒內(nèi)氣體的速度過(guò)慢，導(dǎo)致吸力錨下放速度變慢，且搖擺幅度增加，從而增加了吸力錨與船舶碰撞的風(fēng)險(xiǎn)；到達(dá)海底泥面后，若排水速度較慢，導(dǎo)致吸力錨自沉速度慢，將增加吸力錨傾斜的風(fēng)險(xiǎn).而艙蓋開(kāi)口過(guò)小，則會(huì)降低吸力錨安裝位置的強(qiáng)度[4-7].艙蓋的操作方式則對(duì)其開(kāi)口尺寸大小與水下操作便利性有著重要的影響.因此，本文創(chuàng)新性地提出了一種基于螺桿-螺母?jìng)鲃?dòng)原理的螺旋升降式吸力錨密封艙蓋.

1 吸力錨艙蓋方案分析

吸力錨艙蓋的主要密封形式有端面密封和徑向密封.根據(jù)密封形式不同，具有多種相對(duì)應(yīng)的鎖緊方式，主要有閂鎖式、卡爪式、卡扣式、螺旋升降式.下面對(duì)上述結(jié)構(gòu)原理和特點(diǎn)進(jìn)行分析.

1）閂鎖式結(jié)構(gòu). 閂鎖式鎖緊結(jié)構(gòu)應(yīng)用于端面密封艙蓋結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示.其密封原理為：ROV 機(jī)械手或者扭矩工具帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖閂與驅(qū)動(dòng)軸盤(pán)相連接，鎖閂隨驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而徑向展開(kāi)，并進(jìn)入閂槽.鎖閂為斜面結(jié)構(gòu)，進(jìn)入閂槽時(shí)受到閂槽的壓力，進(jìn)而壓緊密封蓋，實(shí)現(xiàn)艙蓋的密封.結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間較少，但鎖閂安裝精度要求高，鎖緊后不易自鎖，振動(dòng)情況下易松動(dòng).

2）卡爪式結(jié)構(gòu). 卡爪式鎖緊結(jié)構(gòu)應(yīng)用于端面密封艙蓋結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示.其密封原理為：ROV 操作密封蓋關(guān)閉后，機(jī)械手或者扭矩工具帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)螺母垂直向下運(yùn)動(dòng)，螺母與卡爪連接，帶動(dòng)卡爪驅(qū)動(dòng)端向下運(yùn)動(dòng)，卡爪鎖緊端向上翹起，并進(jìn)入閂槽，壓緊密封蓋.該結(jié)構(gòu)多為鈑金件，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工裝配要求較高.

3）卡扣式鎖緊結(jié)構(gòu). 卡扣式鎖緊結(jié)構(gòu)應(yīng)用于端面密封艙蓋結(jié)構(gòu)，如圖1（c）所示. 其密封原理為：ROV 操作密封蓋關(guān)閉后，扳動(dòng)螺桿進(jìn)入卡扣，隨后轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿，使螺母垂直方向移動(dòng)，進(jìn)而鎖緊密封蓋.該結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但操作步驟多，水下操作時(shí)增加操作難度，壓緊點(diǎn)較少.

圖1 三種吸力錨艙蓋結(jié)構(gòu)Fig.1 Three kinds of suction anchor hatch cover structure

4）螺旋升降式鎖緊結(jié)構(gòu). 本文提出的螺旋升降式鎖緊結(jié)構(gòu)應(yīng)用于徑向密封艙蓋結(jié)構(gòu)，如圖2 所示.其密封原理為：法蘭和頂蓋通過(guò)螺栓連接固定在一起，螺桿通過(guò)壓蓋頂緊在密封蓋上，螺母固定在頂蓋上.工作時(shí)，螺桿螺母相配合，螺母固定，ROV 操作螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)壓蓋推動(dòng)密封蓋進(jìn)入密封面，實(shí)現(xiàn)密封.

經(jīng)對(duì)比分析（表1），螺旋升降式結(jié)構(gòu)傳動(dòng)方式簡(jiǎn)單、密封均勻性好，下文對(duì)該種密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì).

表1 鎖緊結(jié)構(gòu)特征對(duì)比Tab.1 Comparison of locking structure features

2 螺旋升降式吸力錨艙蓋原理設(shè)計(jì)

2.1 螺旋升降式鎖緊結(jié)構(gòu)原理

基于徑向密封原理，吸力錨艙蓋主要結(jié)構(gòu)包括，頂蓋、密封蓋、法蘭筒段、傳動(dòng)螺桿和傳動(dòng)螺母.其基本的裝配和密封過(guò)程如圖2 所示：頂蓋與法蘭筒段固定，傳動(dòng)螺母安裝在頂蓋上，傳動(dòng)螺桿與密封蓋連接，轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿，利用螺桿螺母副，螺母固定，螺桿產(chǎn)生垂直位移，進(jìn)而帶動(dòng)密封蓋垂直運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入（或離開(kāi)）法蘭密封面.

圖2 螺旋升降式鎖緊結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Helical lifting lock structure

針對(duì)本方案，需要對(duì)法蘭、密封蓋、螺桿-螺母?jìng)鲃?dòng)副等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核.

2.2 螺旋升降式鎖緊結(jié)構(gòu)受力分析

如圖3 所示，密封蓋打開(kāi)過(guò)程中，需要克服的軸向載荷為密封圈產(chǎn)生的摩擦力和密封蓋的重力，螺桿上所受的垂向載荷為摩擦力和密封蓋重力之和.密封蓋關(guān)閉過(guò)程中，需要克服的軸向載荷為密封圈產(chǎn)生的摩擦力，螺桿上所受的垂向載荷為摩擦力與密封蓋重力之差.對(duì)比兩種工況受力，密封蓋打開(kāi)過(guò)程中螺桿所受的力更為苛刻.因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)與強(qiáng)度過(guò)程中采用密封蓋打開(kāi)過(guò)程的載荷.

圖3 啟閉過(guò)程螺桿受力分析Fig.3 Force analysis of screw in opening and closing process

3 螺旋升降式吸力錨艙蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于對(duì)螺旋升降式吸力錨艙蓋結(jié)構(gòu)原理與受力的分析，設(shè)計(jì)了如圖4 所示的吸力錨艙蓋，主要結(jié)構(gòu)包括法蘭筒段、O 型圈密封結(jié)構(gòu)、螺桿-螺母升降機(jī)構(gòu)等，附屬配套結(jié)構(gòu)包括支撐套筒、起吊螺栓等.下面對(duì)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)與分析.

圖4 吸力錨艙蓋結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of suction anchor hatch cover

3.1 吸力錨艙蓋法蘭筒段結(jié)構(gòu)

吸力錨艙蓋法蘭筒段主要用于與吸力錨主結(jié)構(gòu)的連接、與密封蓋的配合，其開(kāi)口尺寸對(duì)排水、排氣具有重要影響；為避免外部壓力引起法蘭筒段結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的密封蓋操作過(guò)程中卡死等問(wèn)題，法蘭筒段整體強(qiáng)度必須滿足入泥負(fù)壓（0.5 MPa）的要求.

基于前期工程經(jīng)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)艙蓋筒段外徑（D0）640 mm，最薄處厚度（t）20 mm，無(wú)支撐長(zhǎng)度（L）200 mm，材料為ASTM A105 N（楊氏模量Ey≈200 GPa，最小屈服強(qiáng)度Sy≈250 MPa）.

1）計(jì)算彈性屈服應(yīng)力Fhe[8-9].

2）計(jì)算屈服應(yīng)力Fic.

最小屈服強(qiáng)度Sy=250 MPa

3）設(shè)計(jì)安全系數(shù).

4）計(jì)算許用外部壓力.

許用外部壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作負(fù)壓，因此法蘭結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求.

3.2 吸力錨艙蓋密封結(jié)構(gòu)

吸力錨在入泥過(guò)程中，艙蓋必須滿足密封要求，基于徑向密封原理（如圖5 所示），密封蓋工作狀態(tài)屬于靜密封.O 型橡膠密封圈具有良好的密封性，是一種壓縮性密封圈，同時(shí)又具有自封能力，其適用的密封壓力范圍為1.33×10-5Pa ～400 MPa，根據(jù)材料特性不同，溫度范圍為-60 ～200 ℃.考慮到吸力錨入泥負(fù)壓約為0.5 MPa，本文采用HNBR 材質(zhì)的O 型圈進(jìn)行密封可滿足密封性能的要求.

法蘭筒段與密封蓋配合面的直徑為600 mm，依據(jù)設(shè)計(jì)選型手冊(cè)，選取內(nèi)徑d1=570 mm，線徑d2=10 mm 的O 型圈，溝槽深度d= 8.6 mm，寬度w= 11.6 mm，溝槽底部直徑d3= 582.8 mm. 分別計(jì)算密封圈安裝伸長(zhǎng)率和安裝與壓縮率：

密封圈安裝伸長(zhǎng)率

截面縮小率

密封圈拉伸后截面直徑約d1′=9.83 mm，

密封圈安裝預(yù)壓縮率

經(jīng)計(jì)算，預(yù)壓縮率滿足要求.

圖5 徑向密封示意圖Fig.5 Schematic of piston seal

為保證密封性能，且考慮密封圈產(chǎn)生的摩擦力不能過(guò)大，本文在密封面上設(shè)置3 道密封圈，并對(duì)配合面進(jìn)行拋光處理.

活塞式密封結(jié)構(gòu)中為保證密封蓋能順利進(jìn)入配合面，法蘭筒段的配合面導(dǎo)入腔需設(shè)計(jì)一定的錐度，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，錐角取20°，深度取4.5 mm，如圖6所示.

圖6 密封配合面導(dǎo)入腔結(jié)構(gòu)Fig.6 Lead-in cavity structure

3.3 吸力錨艙蓋螺旋升降機(jī)構(gòu)

本文采用螺桿螺母副實(shí)現(xiàn)密封蓋的啟閉功能，因此需分析螺桿螺母副上所受的軸向載荷.根據(jù)2.2分析，密封蓋打開(kāi)過(guò)程中所受軸向力最大，為密封圈摩擦力和密封蓋重力之和.

線徑10 mm 的HNBR 密封圈，在預(yù)壓縮率為12.5%的時(shí)候，線壓縮力約為5 N/mm，密封蓋外圈與密封面間隙為0.15 mm，計(jì)算可得：?jiǎn)稳γ芊馊Ξa(chǎn)生的線壓縮力約為：9 424.71 N.橡膠與鋼之間的靜摩擦系數(shù)約為0.8，3 道密封圈產(chǎn)生的摩擦力約為22 617.6 N.

密封蓋的重量約為150 kg，因此，密封蓋打開(kāi)過(guò)程中，最大軸向力約為24 117.6 N，取1.5 倍安全系數(shù)，軸向載荷取F=36 000 N.

考慮螺桿螺母副的耐磨性和海底使用時(shí)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性，螺桿和螺母分別采用F51 雙相不銹鋼和C95500 鋁青銅.下面對(duì)螺桿螺母副進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核.

1）螺桿參數(shù)設(shè)計(jì).

其中，整體式螺母ψ = 1.8；鋼與青銅組成的滑動(dòng)螺旋副比壓Pp= 18 N/mm2. 依據(jù)GB/T 5796.1-4，選取螺桿中徑為D2=42.5 mm，螺距P=3 mm.

2）螺母參數(shù)設(shè)計(jì).

螺母高度H取75 mm，螺紋旋合圈數(shù)z=25，螺紋工作高度h=0.5P=1.5 mm.

3）耐磨性校核.

導(dǎo)程角

牙面滑動(dòng)速度

螺桿螺母工作在低速狀態(tài)下，許用比壓選取合適.

4）梯形螺母自鎖校核.

鋼與青銅的摩擦系數(shù)μ = 0.9，梯形螺紋牙型角α=30°，由此可得當(dāng)量摩擦角

γ=1.29°＜ρv=5.323 2°，滿足自鎖要求.

5）螺桿強(qiáng)度校核.

螺紋摩擦轉(zhuǎn)矩

當(dāng)量應(yīng)力

螺桿許用應(yīng)力

其中σs為雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度450 MPa.

σca ＜σp，因此，螺桿強(qiáng)度滿足要求.

6）螺牙強(qiáng)度計(jì)算.

鋼質(zhì)螺桿螺牙強(qiáng)度高于青銅質(zhì)螺母螺牙強(qiáng)度，故只計(jì)算螺母的螺牙強(qiáng)度.

抗剪強(qiáng)度

彎曲強(qiáng)度

其中，牙根寬度b=0.65；P=1.95 mm；d為螺紋大徑44.5 mm；z為旋合圈數(shù)25；h為螺紋工作高度1.5 mm.

青銅的剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別為30 MPa 和40 MPa，遠(yuǎn)大于計(jì)算所得螺牙所需承受的強(qiáng)度，因此，螺母螺牙的強(qiáng)度滿足要求.

經(jīng)過(guò)強(qiáng)度校核計(jì)算，螺旋升降機(jī)構(gòu)的主要傳動(dòng)部件螺桿和螺母均滿足要求.

3.4 吸力錨艙蓋導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證密封蓋在進(jìn)入法蘭時(shí)不發(fā)生傾斜，避免“卡死”，在密封蓋底部設(shè)計(jì)了導(dǎo)向桿，在密封蓋進(jìn)入法蘭前，導(dǎo)向桿先進(jìn)入法蘭上的導(dǎo)向圈（如圖4 標(biāo)識(shí)處所示），進(jìn)而保證密封蓋能垂直進(jìn)入法蘭.

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)分析與計(jì)算校核，本文設(shè)計(jì)的吸力錨艙蓋主要結(jié)構(gòu)包括法蘭筒段、密封蓋、螺桿-螺母升降機(jī)構(gòu)、上頂蓋、螺栓、支撐套筒等結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿手柄，實(shí)現(xiàn)密封蓋的上下運(yùn)動(dòng)，采用徑向密封原理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，而且艙蓋開(kāi)口可完全打開(kāi)，有利于吸力錨下水和入泥過(guò)程中氣體、液體的排出.