起始纜水下無(wú)線控制脫扣裝置仿真分析和優(yōu)化

李 斌，孟祥偉，林宇航，甘惠良，魏作水，陳建長(zhǎng)，馬天亮

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

2.天津市精研工程機(jī)械傳動(dòng)有限公司，天津 300409

海底管道的鋪設(shè)是海洋油氣田開(kāi)發(fā)中的重要環(huán)節(jié)，海底管道在起始鋪設(shè)時(shí)，需要先將起始錨布置在海底預(yù)設(shè)計(jì)區(qū)域，并將起始錨與起始纜相連。在鋪管開(kāi)始時(shí)，起始纜的另一端通過(guò)鋪管船的托管架與海管起始端的管道終端結(jié)構(gòu)（PLET）相連，之后鋪管船沿預(yù)定路線前行，在起始錨提供的拉力下，逐步下放海管。鋪管過(guò)程結(jié)束后，將起始錨及起始纜回收[1]。目前，完成海管起始鋪設(shè)后需要潛水作業(yè)支持船RSV或DSV二次返回起始點(diǎn)，利用潛水員或ROV解開(kāi)起始纜，整個(gè)工作需要1天左右的時(shí)間[2]。本文設(shè)計(jì)了一種起始纜水下無(wú)線控制脫扣裝置，利用該裝置可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控解開(kāi)起始纜或綁在樁腿上的纜繩，施工效率可提升80%左右，極大節(jié)省了時(shí)間和設(shè)備資源。

1 脫扣裝置原理

脫扣裝置原理如圖1所示，裝置由7部分組成，分別為外筒1、水下通信裝置2、驅(qū)動(dòng)組件3、鎖緊塊4、推座5、推座固定連接座6、脫離筒7。

圖1 脫扣裝置原理

外筒起到整個(gè)脫扣裝置的固定和支撐作用；水下通信裝置直接固定在外筒上，在外筒內(nèi)部通過(guò)電纜與驅(qū)動(dòng)組件相連，用來(lái)接收脫扣信號(hào)；驅(qū)動(dòng)組件通過(guò)支架固定在外筒內(nèi)部，由電池、控制模塊、液壓泵和液壓油缸等組成，為脫扣裝置脫開(kāi)提供驅(qū)動(dòng)；外筒與脫離筒的連接與固定通過(guò)鎖緊塊實(shí)現(xiàn)，鎖緊塊設(shè)計(jì)有圓弧凸臺(tái)和斜面凸臺(tái)，外筒與脫離筒在其連接部位也設(shè)計(jì)了凸臺(tái)，其外形輪廓與鎖緊塊相同，使兩筒在接合的情況下能夠被鎖緊塊固定，鎖緊塊的位置由外筒內(nèi)部的圓弧凹槽和定位銷(xiāo)共同確定，鎖緊塊可以沿外筒的圓弧凹槽翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)的角度由推座控制；推座通過(guò)固定連接座固定在驅(qū)動(dòng)組件的液壓缸活塞桿上，隨活塞桿移動(dòng)，當(dāng)推座位于活塞桿最大伸長(zhǎng)量時(shí)，鎖緊塊被壓緊在脫離筒上，使脫離筒與外筒保持連接狀態(tài)，活塞桿收縮時(shí)，推座向收縮方向移動(dòng)，當(dāng)負(fù)載較大，脫離筒作用在鎖緊塊上的徑向分力足以克服脫離筒與推座之間的摩擦力時(shí)，鎖緊塊隨著推座移動(dòng)而翻轉(zhuǎn)；當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，脫離筒作用在鎖緊塊上的徑向分力小于靜摩擦力，為保證這種情況下也能夠使脫離筒脫開(kāi)，在鎖緊塊與推座的接觸面上設(shè)計(jì)了斜坡，當(dāng)推座移動(dòng)到斜坡位置時(shí)，會(huì)推動(dòng)鎖緊塊翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)脫開(kāi)。脫扣裝置的工作過(guò)程如下：該裝置在水下待機(jī)時(shí)，驅(qū)動(dòng)組件處于待機(jī)狀態(tài)減小功耗，液壓缸活塞桿伸出，使推座固定在鎖緊塊尾端，鎖緊塊在推座的固定下將外筒和脫離筒鎖緊在一起；當(dāng)水下通信裝置接收到脫扣信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)組件由待機(jī)狀態(tài)激活，控制液壓缸活塞桿收縮，推座隨活塞桿移動(dòng)，推動(dòng)鎖緊塊翻轉(zhuǎn)，當(dāng)鎖緊塊翻轉(zhuǎn)一定角度后，脫離筒在負(fù)載拉力作用下與外筒脫開(kāi)，實(shí)現(xiàn)起始纜脫扣。在負(fù)載拉力為539 kN時(shí)，驅(qū)動(dòng)組件能提供的最大脫扣拉力為58.8 kN。

2 脫扣裝置動(dòng)力學(xué)分析

為了保證起始纜脫扣裝置能夠在驅(qū)動(dòng)組件最大拉力范圍內(nèi)正常完成脫扣動(dòng)作，需要對(duì)其脫扣所需拉力進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，若仿真得出的脫扣拉力大于設(shè)計(jì)拉力，則進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 仿真模型建立

應(yīng)用ADAMS軟件進(jìn)行起始纜脫扣裝置的動(dòng)力學(xué)分析。在建立動(dòng)力學(xué)分析模型前，先對(duì)模型做些簡(jiǎn)化[3]：第一，本次仿真分析的主要是脫扣動(dòng)作部分，由鎖緊塊和與其配合的筒體及推座組成，液壓部分和電氣部分不需考慮；第二，主要起固定及連接作用的部分，可以忽略；第三，外筒和脫離筒只保留連接部分，其余部分可簡(jiǎn)化；第四，由于推座形狀簡(jiǎn)單，為減少模型導(dǎo)入過(guò)程中實(shí)體表面識(shí)別不準(zhǔn)確，在ADAMS中建立圓環(huán)代替推座。

根據(jù)簡(jiǎn)化方案建立如圖2所示仿真模型，各部件連接關(guān)系如下：外筒通過(guò)固定副與地面連接；脫離筒建立相對(duì)于地面的移動(dòng)副，方向沿筒軸線指向脫離方向；推座建立相對(duì)于地面的移動(dòng)副，方向與脫離方向相反；鎖緊塊與筒體及推座之間通過(guò)接觸力連接，接觸力參數(shù)的設(shè)置對(duì)仿真結(jié)果影響很大，因此必須設(shè)置準(zhǔn)確[4]；在脫離筒上建立一個(gè)方向與脫離方向相同的力，作用點(diǎn)在筒口圓心處，模擬負(fù)載拉力，修改拉力進(jìn)行仿真可以模擬不同載荷下裝置的工作情況。在推座與地面間的移動(dòng)副上建立驅(qū)動(dòng)，模擬液壓系統(tǒng)對(duì)推座的脫扣拉力，選擇位移驅(qū)動(dòng)形式，該驅(qū)動(dòng)在移動(dòng)方向上的受力峰值就是完成脫扣動(dòng)作所需的最大拉力。

圖2 脫扣裝置動(dòng)力學(xué)模型

2.2 仿真分析

根據(jù)脫扣裝置的實(shí)際使用情況，設(shè)置仿真時(shí)的負(fù)載拉力由58.8 kN開(kāi)始增加，逐漸增加至滿載539 kN。讀取作用在推座上的峰值拉力，該峰值就是完成脫扣所需的脫扣拉力。由于作用在推座上的為位移驅(qū)動(dòng)，因此無(wú)論負(fù)載拉力為多大，模型都能正常完成脫扣，但是只有脫扣拉力小于設(shè)計(jì)拉力58.8 kN，才能看作是滿足設(shè)計(jì)要求。仿真曲線如圖3所示。

圖3 不同負(fù)載下脫扣所需拉力仿真曲線

脫扣裝置在負(fù)載58.8 kN時(shí)，脫扣拉力就達(dá)到了47.4 kN，處于較大的水平。負(fù)載拉力117.6 kN時(shí)，脫扣拉力為59.6 kN，超出了最大驅(qū)動(dòng)拉力，說(shuō)明裝置此時(shí)已經(jīng)無(wú)法完成脫扣。負(fù)載拉力為539.6 kN時(shí)，脫扣拉力為111.1 kN，約為最大驅(qū)動(dòng)拉力的2倍。脫扣裝置在負(fù)載大于117.6 kN時(shí)無(wú)法完成脫扣，說(shuō)明目前的設(shè)計(jì)不能滿足需求。負(fù)載拉力每增加58.8kN，脫扣拉力增加并不大，在9.8kN左右。按照此規(guī)律測(cè)算，當(dāng)負(fù)載為0時(shí)，脫扣拉力應(yīng)為39.2 kN左右，這說(shuō)明脫扣裝置自身存在阻力，阻礙脫扣動(dòng)作完成，必須進(jìn)行優(yōu)化。

3 脫扣裝置靜平衡分析與優(yōu)化

3.1 脫扣裝置靜平衡分析

對(duì)裝置脫扣過(guò)程中的受力進(jìn)行分析：負(fù)載拉力通過(guò)掛鉤分配在8個(gè)鎖緊塊上，由于鎖緊塊與掛鉤接觸面為斜面，因此其受力可分解為水平指向脫離方向的軸向力和垂直指向脫離筒軸線的徑向力；徑向力將鎖緊塊壓緊在推座上，驅(qū)動(dòng)組件在拉動(dòng)推座移動(dòng)時(shí)，其拉力主要用來(lái)克服鎖緊塊與推座間的摩擦力；負(fù)載越大，徑向力越大，則摩擦力越大，脫扣拉力也越大。當(dāng)負(fù)載為0時(shí)，鎖緊塊不受徑向力，鎖緊塊與推座間不應(yīng)存在摩擦力。因此對(duì)裝置進(jìn)行靜平衡分析，觀察負(fù)載為0且推座沒(méi)有移動(dòng)情況下各部位受力。

靜平衡仿真鎖緊塊受力如圖4所示，紅色直線表示鎖緊塊與掛鉤之間的力，白色直線代表鎖緊塊與外筒之間的力，黃色直線代表鎖緊塊與推座之間的力。

圖4 靜平衡狀態(tài)下鎖緊塊受力示意

在負(fù)載為0時(shí)，鎖緊塊與筒體及推座之間都有力存在，各部位受力峰值見(jiàn)表1。這些力表明鎖緊塊處于被筒體和推座擠壓的狀態(tài)，因此負(fù)載為0時(shí)，就需要較大脫扣拉力。該狀態(tài)主要是鎖緊塊與其他部件配合尺寸設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的，不僅會(huì)導(dǎo)致脫扣所需拉力增大，在實(shí)際使用中也可能出現(xiàn)安裝困難等問(wèn)題。

表1 鎖緊塊靜平衡受力數(shù)值

3.2 脫扣裝置優(yōu)化

穿透深度是ADAMS軟件根據(jù)受力計(jì)算出的部件互相嵌入深度，可以近似的認(rèn)為是干涉量[5]。鎖緊塊與筒體接觸部分最大穿透深度為0.178 mm，與脫離筒部分最大穿透深度為0.188 mm，與推座部分最大穿透深度為0.279 mm。

為了消除靜平衡狀態(tài)下鎖緊塊受力，根據(jù)仿真穿透量，在鎖緊塊與外筒和掛鉤接觸面分別增加0.2 mm間隙，鎖緊塊與推座接觸面增加0.3 mm間隙。進(jìn)行靜平衡仿真，受力示意如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后鎖緊塊受力示意

增加間隙的情況下，只有鎖緊塊圓弧部分存在受力情況，但受力較小僅為58 N，可能是建模中幾何誤差導(dǎo)致的，可以忽略。

對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行不同負(fù)載情況下的仿真，脫扣拉力見(jiàn)圖6。

圖6 優(yōu)化后脫扣所需拉力曲線

優(yōu)化后，負(fù)載拉力為58.8 kN時(shí)的脫扣拉力由優(yōu)化前的47.4kN減小到5.8 kN，減小量為41.7 kN，優(yōu)化效果明顯。在不同負(fù)載的情況下，脫扣拉力減小的平均值為38.1 kN，與2.2節(jié)分析的優(yōu)化前0負(fù)載脫扣拉力39.2 kN很接近，可以認(rèn)為此時(shí)已經(jīng)完全消除了自身干涉。但是在負(fù)載為465.5 kN時(shí)，脫扣拉力為70.7 kN，仍大于設(shè)計(jì)值58.8 kN，無(wú)法完成脫扣。裝置還需要繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。

影響脫扣拉力的主要因素有材料屬性、接觸面的粗糙度、鎖緊塊與各部件的間隙等。由于調(diào)整鎖緊塊與各部件間隙只需調(diào)整鎖緊塊尺寸參數(shù)，相較其他影響因素容易實(shí)現(xiàn)，因此仍然選擇調(diào)整尺寸進(jìn)行優(yōu)化。鎖緊塊與各部件的接觸面中，與推座接觸面形狀最規(guī)則，受力也簡(jiǎn)單，比較容易判斷尺寸變化對(duì)受力的影響，因此選擇增加該部分接觸面間隙進(jìn)行優(yōu)化脫扣拉力。在已優(yōu)化的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加鎖緊塊與推座間隙并進(jìn)行仿真，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 增加推座間隙后脫扣所需拉力曲線

當(dāng)鎖緊塊與推座間的間隙增加至0.5 mm時(shí)，負(fù)載539 kN情況下脫扣拉力為52.1 kN，小于設(shè)計(jì)拉力58.8 kN，能夠正常完成脫扣動(dòng)作。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，搭建了脫扣裝置的試驗(yàn)樣機(jī)（見(jiàn)圖8），該樣機(jī)省略了水下通訊組件和驅(qū)動(dòng)組件，外筒和脫離筒只保留了連接部分，用兩臺(tái)拉力千斤頂分別與推座和脫離筒相連，模擬脫扣拉力和負(fù)載拉力。

圖8 脫扣裝置試驗(yàn)樣機(jī)

調(diào)整試驗(yàn)裝置的拉力千斤頂，使負(fù)載拉力由58.8 kN逐漸增加至294 kN，進(jìn)行多次試驗(yàn)，脫扣拉力曲線見(jiàn)圖9。

圖9 脫扣拉力試驗(yàn)與仿真曲線

負(fù)載為58.8 kN時(shí)，試驗(yàn)脫扣拉力為6.3 kN，大于仿真脫扣拉力；隨著負(fù)載拉力增加，試驗(yàn)與仿真脫扣拉力的差異減小，至負(fù)載約127 kN時(shí)二者差異為0；負(fù)載繼續(xù)增加，試驗(yàn)與仿真脫扣拉力差異開(kāi)始增大，且試驗(yàn)值小于仿真值，至負(fù)載265 kN時(shí)，二者差異達(dá)到最大，為6.7 kN；負(fù)載由265 kN繼續(xù)增加，仿真與試驗(yàn)差異基本保持不變，穩(wěn)定在6.7 kN左右。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在負(fù)載較小時(shí)，試驗(yàn)曲線的增長(zhǎng)率小于仿真曲線，負(fù)載達(dá)到265 kN后，二者增長(zhǎng)率趨于一致。整體來(lái)看二者脫扣拉力數(shù)值差異不大，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算不同負(fù)載拉力下的平均仿真精度為85.6%，說(shuō)明仿真結(jié)果準(zhǔn)確性較高。

5 結(jié)論

本文提出了一種起始纜自動(dòng)脫扣裝置，可以在海管鋪設(shè)作業(yè)中提升效率、節(jié)約設(shè)備。為了驗(yàn)證自動(dòng)脫扣裝置能否滿足要求，建立了該裝置設(shè)計(jì)狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真分析。分析結(jié)果表明：該裝置設(shè)計(jì)狀態(tài)不能滿足使用需求。根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，并制定了優(yōu)化方案。對(duì)優(yōu)化后的動(dòng)力學(xué)模型又進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示：通過(guò)優(yōu)化，自動(dòng)脫扣裝置在最大負(fù)載的情況下能夠在設(shè)計(jì)脫扣拉力范圍內(nèi)完成脫扣，滿足使用要求。為了驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性，搭建了脫扣裝置的模擬試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了脫扣試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果很接近，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的仿真精度為85.6%，說(shuō)明仿真分析有較高的準(zhǔn)確性。