水下多路液壓快速接頭的夾頭結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

陳再玉，王 豪，肖易萍，吳志星，肖德明，任廣新，陳家旺

(1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

隨著陸地油氣資源的枯竭，海洋油氣資源開采，尤其是深水油氣的開采，將成為世界油氣產(chǎn)業(yè)的主要經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)和加強(qiáng)海洋資源的開發(fā)利用是我國戰(zhàn)略規(guī)劃的主要內(nèi)容之一[1]。據(jù)美國地質(zhì)局統(tǒng)計(jì)，全球可開采的石油儲(chǔ)量約為5 390億桶，其中海洋石油儲(chǔ)量占比超過六成，深水海洋石油在其中占比接近一半。在我國，南海油氣儲(chǔ)量十分豐富，占全國儲(chǔ)量的1/3，主要集中在500 m以上的深水海域[2-3]。而目前，我國尚未完全掌握油氣資源深海開采技術(shù)，因此必須加快深海作業(yè)技術(shù)研究及裝備研制[4]。

深海油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)裝備之間的精準(zhǔn)連接是國際公認(rèn)的技術(shù)難題。水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括：采油樹、管匯、分離器以及海底管道等[5]。這些裝備在陸地上建造，在海底通過連接器完成連接，從而形成完整的水下生產(chǎn)系統(tǒng)。深海工作環(huán)境極其復(fù)雜，具有壓力高、溫度低、能見度低、洋流沖擊大等特點(diǎn)[6-7]，一般通過遙控潛水器(remotely operated vehicle，簡(jiǎn)稱ROV)輔助操作完成深海油氣田水下生產(chǎn)設(shè)備之間的連接[8]。

目前水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器技術(shù)被歐美幾家大型石油工程公司壟斷，如Cameron、FMC Technologies、Oil States、Subsea7、Saipem、Sonsub、Acergy等。這些公司有著長(zhǎng)期的技術(shù)積累，產(chǎn)品相對(duì)穩(wěn)定、可靠。在安裝、運(yùn)行、維護(hù)方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)[9]。我國深水連接器的相關(guān)研究尚處于起步階段，一些科研院校及企業(yè)進(jìn)行了相關(guān)研究，但并沒有形成系列化的、實(shí)際應(yīng)用在水下生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)品。特別是近年來，南海局勢(shì)緊張，為確保我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)，必須加快水下連接技術(shù)的研究，打破國外壟斷，掌握深海作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)[10-11]。

1 研究概述

1.1 水下連接器的發(fā)展概況及分類

目前深水連接器按照不同的結(jié)構(gòu)形式主要可以分為4類：螺栓法蘭式、卡箍式、卡壓式及彈性夾頭連接器。螺栓法蘭式連接器主要由對(duì)準(zhǔn)工具、接應(yīng)工具和螺栓連接工具組成，典型的系統(tǒng)有挪威Acergy公司的Matis深海法蘭連接系統(tǒng)以及美國Sonsub公司的BRUTUS系統(tǒng)[12-13]，國內(nèi)海洋石油工程股份有限公司也研制了一種深水法蘭自動(dòng)連接設(shè)備[14]。卡箍式連接器通過一根螺栓擰緊卡箍套，使卡箍通過一根螺栓擰緊卡箍瓣，使卡箍瓣通過內(nèi)部的斜面夾緊法蘭，從而將螺栓的擰緊力轉(zhuǎn)化為對(duì)法蘭的軸向壓緊力。目前主要的卡箍式連接器主要由挪威Aker公司和德國Vector公司生產(chǎn)[15-16]?？▔菏竭B接器主要用于海底管道維修連接，核心技術(shù)主要由美國的Hydratight公司、Oceaneering公司掌握，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于海底管道修復(fù)領(lǐng)域[17-18]。彈性夾頭連接器一般由液壓缸推動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)完成鎖緊和解鎖，可以獲得較大的預(yù)緊力，具有良好的自鎖性和連接可靠性[19]。通過對(duì)比，總結(jié)歸納出4種連接器各自的優(yōu)缺點(diǎn)。表1為4種深水連接器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

表1 4種深水連接器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab. 1 Comparison of advantages and disadvantages of 4 types of deepwater connectors

彈性卡爪式連接器具有較大的預(yù)緊力，較高的自鎖性和可靠性，且能夠?qū)崿F(xiàn)水下快速安裝，拆卸方便，節(jié)約水下作業(yè)時(shí)間，綜上所述具有優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性。因此，設(shè)計(jì)了一種彈性夾頭鎖緊式液壓接頭連接器。通過顯式動(dòng)力學(xué)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；并研究夾頭鎖緊和脫開過程中所需ROV提供的軸向力，為ROV的選型提供理論依據(jù)；通過正交試驗(yàn)方法對(duì)彈性夾頭關(guān)鍵部位的尺寸進(jìn)行研究，對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行分析，為合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)和工程依據(jù)。

1.2 彈性夾頭式水下連接器的結(jié)構(gòu)及工作原理

設(shè)計(jì)的彈性夾頭式水下連接器結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1左側(cè)為水下連接器的移動(dòng)端，右側(cè)為水下連接器的固定端。固定端一般固定在水下設(shè)備上(如采油樹)，裝有多個(gè)液壓公接頭。移動(dòng)端裝有多個(gè)液壓母接頭，由母船吊放至水下。工作時(shí)，ROV機(jī)械臂與移動(dòng)端的ROV接口對(duì)接，通過機(jī)械臂將移動(dòng)端沿著導(dǎo)向機(jī)構(gòu)向固定端方向推動(dòng)，使彈性夾頭夾緊心軸，實(shí)現(xiàn)預(yù)鎖緊過程。此后，ROV攜帶專用的扭矩工具轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)軸，通過絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)夾頭套筒運(yùn)動(dòng)，使套筒夾緊彈性夾頭和心軸，實(shí)現(xiàn)可靠鎖緊。

圖1 水下連接器的結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of underwater connector

2 預(yù)鎖緊過程動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.1 分析方法

彈性夾頭與心軸鎖緊過程是水下連接器工作時(shí)最重要的環(huán)節(jié)之一。對(duì)該過程進(jìn)行分析能夠得到夾緊過程中夾頭所需要的軸向推力，為水下連接器的工作選取相配合的ROV。另一方面，通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)的方法對(duì)彈性夾頭的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行研究，對(duì)結(jié)果進(jìn)行方差分析，為合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)和工程依據(jù)。

一般來說，材料選定時(shí)，影響彈性夾頭性能的最主要因素是夾頭的幾何形狀和與心軸的配合尺寸。彈性夾頭的主要工作部位是卡瓣，卡瓣是在夾頭軸向上開槽形成的有彈性的結(jié)構(gòu)。開槽數(shù)目、卡瓣長(zhǎng)度以及夾頭直徑都會(huì)影響夾頭的性能。增加開槽數(shù)目、增加卡瓣長(zhǎng)度以及減小卡瓣厚度都可以增加卡瓣的彈性和漲縮性，減小所需的推力，同時(shí)使卡瓣變軟，有利于提高定心精度，但是同時(shí)會(huì)導(dǎo)致彈性夾頭的強(qiáng)度和連接的可靠性下降[20]?；贏BAQUS中的顯式動(dòng)力學(xué)(dynamics explicit)模塊，建立夾頭心軸的分析模型，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)(orthogonal experimental)，展開夾頭運(yùn)動(dòng)過程中關(guān)鍵參數(shù)的研究，定性分析影響夾頭性能的關(guān)鍵參數(shù)。

為提高計(jì)算效率，將夾頭與心軸的三維模型等效為二維對(duì)稱模型進(jìn)行分析。并且對(duì)夾頭幾何模型做出簡(jiǎn)化。由于夾頭的支撐結(jié)構(gòu)不會(huì)在此過程發(fā)生較大形變，故在模型中去掉了夾頭右側(cè)的支撐部分以加快求解速度。其幾何模型如圖2所示。不改變心軸尺寸的情況下，影響推入力和夾頭應(yīng)力分布的設(shè)計(jì)因素主要有夾頭長(zhǎng)度L，側(cè)壁厚度h，夾頭內(nèi)徑與心軸外徑的距離d，以及推入速度v。圖2中a、b、c表示心軸與夾頭依次接觸的邊。進(jìn)行多因素、多參數(shù)試驗(yàn)時(shí)，若進(jìn)行全面試驗(yàn)，試驗(yàn)的規(guī)模很大，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)就是安排多因素試驗(yàn)、尋求最優(yōu)水平組合的一種高效試驗(yàn)方法。進(jìn)行正交試驗(yàn)具有均衡分散和整齊可比的特點(diǎn)，是由試驗(yàn)因素的全部水平組合進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)這部分試驗(yàn)結(jié)果的分析了解全面試驗(yàn)的情況，找出最優(yōu)的水平組合[21]。為研究選定因素對(duì)于運(yùn)動(dòng)過程中最大阻力以及最大應(yīng)力影響的顯著性，選定L、h、d、v四個(gè)因素，每個(gè)因素定為三個(gè)水平，設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)，正交表如表2所示，第10組為誤差組。

圖2 夾頭心軸幾何模型Fig. 2 The geometric model of the chuck mandrel

表2 四因素三水平正交表Tab. 2 Four-factor three-level orthogonal table

2.2 有限元模型建立和工況實(shí)現(xiàn)

由于在彈性夾頭夾緊心軸的過程中，心軸的變形相對(duì)于夾頭來說很小，為提高計(jì)算效率，可將心軸設(shè)置為剛體。夾頭材料設(shè)置為S31803雙相不銹鋼，僅考慮材料的彈塑性。其屈服強(qiáng)度為450 MPa，抗拉強(qiáng)度為620 MPa，硬度290 HBW[22]。可以認(rèn)為夾頭、心軸的安裝為完全軸對(duì)稱安裝，不存在偏心，材料沒有缺陷，沿整個(gè)周向呈現(xiàn)完全一致的安裝狀態(tài)。

接觸設(shè)置為面—面接觸，設(shè)置心軸表面為主面，夾頭表面為從面，避免夾頭網(wǎng)格侵入到心軸網(wǎng)格內(nèi)。采用罰函數(shù)法描述心軸與夾頭的表面接觸關(guān)系，切向接觸類型選擇罰摩擦接觸，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.15，摩擦模型為庫侖摩擦模型，法向接觸設(shè)置為硬接觸。為使計(jì)算更易收斂，單元類型選擇線性縮減積分單元CPS4R，該單元位移結(jié)果較精確，計(jì)算時(shí)間短，可將網(wǎng)格細(xì)分，不易發(fā)生剪切自鎖，可較好地避免網(wǎng)格過度變形等問題，適用于有較大變形的彈塑性分析。對(duì)接觸面進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，并完成網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。設(shè)置一個(gè)顯式動(dòng)力學(xué)分析步，通過設(shè)置不同的分析時(shí)間來實(shí)現(xiàn)不同相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的仿真，同時(shí)設(shè)置所需的場(chǎng)輸出和歷程輸出。約束設(shè)置為在心軸剛體的參考點(diǎn)處設(shè)置完全固定約束，同時(shí)約束彈性夾頭側(cè)壁根部邊y軸方向位移及旋轉(zhuǎn)自由度，使得其只能沿x軸平動(dòng)，對(duì)彈性夾頭施加x軸負(fù)方向35 mm的位移。

2.3 仿真結(jié)果分析

1) 運(yùn)動(dòng)過程分析

分析彈性夾頭受到的反力結(jié)果，可見心軸在運(yùn)動(dòng)過程中受到的反力先沿著夾頭運(yùn)動(dòng)方向的反方向逐漸增大，達(dá)到最大值后反力迅速下降到一個(gè)較小的值，方向保持不變，之后反力方向變?yōu)榉聪?，并逐漸減小到0。這一變化過程與彈性夾頭夾緊心軸的實(shí)際過程相符合。在運(yùn)動(dòng)的初始階段，從彈性夾頭觸碰到心軸的邊a開始，夾頭端部沿心軸斜面上升，夾頭前端會(huì)沿著斜面發(fā)生y方向位移，反力隨著夾頭前端y方向位移增大而增大。夾頭到達(dá)a、b兩邊的交點(diǎn)時(shí)，反力達(dá)到最大。此后夾頭與心軸的b邊接觸，彈性夾頭與心軸接觸面積保持不變，所以此過程中所受的反力保持不變。當(dāng)夾頭運(yùn)動(dòng)到心軸b、c兩邊的交點(diǎn)時(shí)，夾頭端部由于失去支撐，有恢復(fù)到原來位置的趨勢(shì)，所以對(duì)心軸的c邊產(chǎn)生壓力，受到心軸c邊的反作用力方向垂直于接觸面，有沿著心軸運(yùn)動(dòng)方向的分力，此后隨著夾頭形狀的恢復(fù)，受到來自心軸的反力逐漸減小，直到夾頭與心軸不再接觸，反力減小到0。以第3組的運(yùn)動(dòng)過程為例，隨著夾頭的運(yùn)動(dòng)，反力變化過程如圖4所示，應(yīng)力變化過程如圖5所示。

圖4 正交試驗(yàn)第3組反力變化Fig. 4 Reaction force change of orthogonal test group 3

圖5 正交試驗(yàn)第3組應(yīng)力變化Fig. 5 Stress variation diagram of orthogonal test group 3

分析運(yùn)動(dòng)過程中夾頭的最大應(yīng)力，最大應(yīng)力出現(xiàn)于彈性夾頭尾部與機(jī)座連接處。在階段1由于夾頭端部沿心軸a邊運(yùn)動(dòng)使得夾頭彎曲處應(yīng)力增大；進(jìn)入階段2后夾頭的形狀基本穩(wěn)定，所以最大應(yīng)力保持相對(duì)穩(wěn)定；進(jìn)入階段3后夾頭逐漸恢復(fù)，應(yīng)力逐漸減小，最后恢復(fù)原形。由最大應(yīng)力的數(shù)值來看，應(yīng)力最大值為第3組的133.37 MPa，運(yùn)動(dòng)結(jié)束后無殘余應(yīng)力，小于材料的屈服強(qiáng)度，材料變形處于彈性變形區(qū)間，強(qiáng)度完全滿足要求。

2) 結(jié)果方差分析

數(shù)值模擬結(jié)束后，分別以各組最大阻力和最大應(yīng)力為觀測(cè)值，進(jìn)行方差分析。數(shù)值模擬結(jié)果如表3所示。

表3 最大阻力和最大應(yīng)力仿真值Tab. 3 Results of maximum resistance and stress simulation calculation

在數(shù)據(jù)分析軟件SPSS中分別對(duì)最大阻力和最大應(yīng)力進(jìn)行單因素方差分析，方差分析模型選擇主效應(yīng)模型，即不考慮各因素之間的相互作用；分別設(shè)置最大阻力和最大應(yīng)力為因變量，L、H、h、d為固定因子即自變量，使用S-N-K 模型進(jìn)行事后對(duì)比，置信區(qū)間為95%(即α=0.05)，即當(dāng)顯著性水平小于0.05時(shí)，認(rèn)為該因素對(duì)于因變量影響較大[23]。結(jié)果分別如表4和表5所示，其中F為因素的均方差與誤差的均方差比值。

表4 最大阻力方差分析結(jié)果Tab. 4 Results of maximum resistance analysis of variance

表5 最大應(yīng)力方差分析結(jié)果Tab. 5 Results of maximum stress variance analysis

對(duì)于最大阻力，因素d的顯著性為0.041；對(duì)于最大應(yīng)力，d的顯著性為0.01，均小于α。而其他因素L、h、v的顯著性都大于α。說明夾頭與心軸的配合尺寸是影響夾緊過程阻力的最大因素。增大d會(huì)引起推入阻力和最大應(yīng)力的大幅度增大，但同時(shí)會(huì)使夾頭與心軸的鎖緊更為可靠，且最大應(yīng)力仍小于材料的屈服強(qiáng)度，研究按照第3組的參數(shù)設(shè)計(jì)夾頭和心軸。

3) 三維模型分析

以第3組數(shù)據(jù)尺寸建立三維模型，其余設(shè)置與二維仿真基本保持一致，進(jìn)行進(jìn)一步分析計(jì)算。分析上述運(yùn)動(dòng)過程，可知夾頭鎖緊所需的推力在夾頭與心軸b、c邊交點(diǎn)接觸時(shí)所受到的反力最大，所以要將夾頭順利推入，ROV所能提供的推力必須大于夾頭所受的最大阻力。三維模型運(yùn)動(dòng)過程如圖6所示，反力變化曲線如圖7所示。結(jié)果顯示，反力的變化趨勢(shì)與二維仿真模型的變化趨勢(shì)基本吻合，最大反力為470 N；應(yīng)力最大值為227 MPa，最大應(yīng)力的位置與二維仿真模型相符合。

圖6 三維模型數(shù)值計(jì)算Fig. 6 Numerical calculation of 3D model

圖7 三維仿真模型反力變化結(jié)果Fig. 7 Results of 3D simulation model reaction force

3 試驗(yàn)測(cè)試

完成仿真計(jì)算后，設(shè)計(jì)制造水下連接器的樣機(jī)，搭建水下連接器的對(duì)接預(yù)鎖緊試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試對(duì)接力的大小。試驗(yàn)平臺(tái)組成如圖8所示。固定端固定在固定架上；機(jī)械臂通過標(biāo)準(zhǔn)ROV對(duì)接工具與水下連接器的移動(dòng)端對(duì)接，以不同的速度進(jìn)行預(yù)鎖緊動(dòng)作，力傳感器記錄所產(chǎn)生的反力。試驗(yàn)過程如圖9所示，結(jié)果數(shù)據(jù)如表6所示。

圖8 水下連接器對(duì)接預(yù)鎖緊力試驗(yàn)平臺(tái)Fig. 8 Underwater connector mating pre-clamping force test platform

圖9 水下連接器對(duì)接過程試驗(yàn)Fig. 9 Underwater connector mating process experiment

表6 推入測(cè)試結(jié)果Tab. 6 Push test results

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，推動(dòng)速度越大，所受到的最大阻力就越大。這是由于彈性夾頭的徑向擴(kuò)張速度隨著夾頭軸向運(yùn)動(dòng)速度的提高而增大，這會(huì)導(dǎo)致推入阻力的明顯增大。以5 mm/s的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果451 N小于三維模型計(jì)算結(jié)果470 N，差值約為3.6%，產(chǎn)生這種差異的原因可能是機(jī)構(gòu)表面潤(rùn)滑條件不同，接觸處罰摩擦摩擦系數(shù)的設(shè)置與實(shí)際有差距。

4 結(jié) 語

1) 設(shè)計(jì)了一種基于彈性夾頭鎖緊式原理的新型水下連接器結(jié)構(gòu)，并基于ABAQUS對(duì)夾頭夾緊心軸的過程進(jìn)行了分析，詳細(xì)介紹了分析過程中關(guān)鍵步驟的設(shè)置；采用二維對(duì)稱模型選取夾頭夾緊心軸的一個(gè)截面來研究問題，大大提高了計(jì)算效率；并且得出夾頭夾緊心軸運(yùn)動(dòng)過程的三個(gè)階段以及各個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)特征。

2) 為優(yōu)化夾頭的結(jié)構(gòu)，采用正交試驗(yàn)的方法對(duì)水下多路液壓接頭夾頭的關(guān)鍵部分尺寸進(jìn)行了四因素三水平的正交測(cè)試，保證結(jié)果準(zhǔn)確性的條件下大大提高了試驗(yàn)的效率，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了單因素方差分析，得出夾頭夾緊心軸這一過程中影響推入阻力的最主要因素，研究結(jié)果表明，影響推入阻力的最顯著因素是夾頭內(nèi)徑與心軸外徑之間的距離。

3) 搭建了水下連接器的試驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)預(yù)鎖緊過程進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。為彈性夾頭的設(shè)計(jì)分析提供了原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。