水下控制模塊安裝工具結(jié)構(gòu)設計與對接精度分析

賈鵬, 王佐, 井元彬, 王文龍, 馬強, 李世平, 張錦埭

(1.哈爾濱工程大學 機電工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001; 2.中海石油(中國)有限公司湛江分公司, 廣東 湛江 524057)

據(jù)相關機構(gòu)統(tǒng)計,全球待發(fā)現(xiàn)的石油和天然氣資源占54.5%和56.7%,主要分布在深海海域或北極[1],因此,在深海海域?qū)τ蜌赓Y源的開采至關重要。水下生產(chǎn)系統(tǒng)憑借其靈活高效、安全可靠等特點在海洋油氣開采領域中得到廣泛應用,改進關鍵技術,確保系統(tǒng)安全可靠也成為水下生產(chǎn)系統(tǒng)新的趨勢[2-3]。水下控制模塊(subsea control module,SCM)是水下生產(chǎn)設備的核心單元,其對水下生產(chǎn)設備進行控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸,保證海洋資源穩(wěn)定、可靠和開采[4]。我國水下生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展較晚,在SCM等核心設備上已取得重大突破,并得到了良好的實踐驗證,但相關配套設備還不完整,為促進水下生產(chǎn)設備的國產(chǎn)化,SCM安裝工具的研究不可或缺。

目前,國外對SCM安裝工具的研究較早,技術相對成熟,在全球范圍內(nèi)具有廣泛應用 。國外生產(chǎn)SCM安裝工具的公司主要有FMC、Aker、Cameron和GE等[5-7]。近兩年,國內(nèi)也開展了對水下控制模塊安裝工具的研制工作,并且取得了一定的進展,包括重慶前衛(wèi)公司的SCM送入工具等[8]。

本文對哈爾濱工程大學自主研制的水下控制模塊設計了一套SCM安裝工具,簡要介紹了安裝工具的結(jié)構(gòu)設計,并對安裝過程進行了對接精度分析,能夠保證SCM順利安裝在水下管匯設施上。

1 安裝工具結(jié)構(gòu)設計

1.1 SCM安裝工具整體結(jié)構(gòu)布局

SCM安裝工具的操作對象為哈爾濱工程大學自主研制的水下控制模塊。SCM的直徑為890 mm,高度為1 855 mm,空氣中質(zhì)量約為2.5 t,如圖1所示[9-10]。

圖1 SCM三維模型Fig.1 3D model of SCM

SCM安裝工具的直徑為1 425 mm,高約為3 341 mm,空氣中質(zhì)量約為1.5 t,其機械結(jié)構(gòu)主要包括提升單元、鎖緊單元、上頂盤(液壓系統(tǒng))、下筒體和導向筒部件等。吊裝接口為ISO 13628-8標準中的Class4 ROV式旋轉(zhuǎn)扭矩插孔,如圖1所示,吊裝接口側(cè)面開設有環(huán)形溝槽用于同SCM安裝回收工具的鎖緊連接。

鎖緊單元通過鎖緊盤與提升單元連接;提升單元通過螺栓固定到上頂盤上,上頂盤上集成液壓系統(tǒng),并通過液壓缸的活塞桿與下筒體連接;導向筒部件包括導向筒、水下控制模塊安裝基座(subsea control module mounting base, SCMMB)、機架等,該部件固定在管匯上,在管匯安裝時隨管匯一同下放至水下。圖2為SCM安裝工具三維模型。

圖2 SCM安裝工具三維模型Fig.2 3D model of SCM installation tool

1.2 提升單元結(jié)構(gòu)設計

提升單元如圖3所示,主要由提升外殼和鎖緊盤組成,整體通過螺栓安裝在上頂盤上,實現(xiàn)SCM安裝工具(包含SCM質(zhì)量)的吊裝。鎖緊盤與鎖緊單元的提升芯軸連接,并具有浮動功能。頂部吊口用于SCM安裝工具和SCM整體的吊裝。

圖3 提升單元三維模型Fig.3 3D model of lifting unit

1.3 鎖緊單元結(jié)構(gòu)設計

鎖緊單元具備工具和SCM的鎖緊以及SCM與SCMMB的鎖緊功能[11]。

1)工具與SCM鎖緊。

工具與SCM鎖緊功能的實現(xiàn)主要由鎖緊開關、聯(lián)鎖開關、移動盤、長螺柱、鎖緊內(nèi)芯以及鋼珠實現(xiàn)[12],如圖4所示。

圖4 工具與SCM鎖緊結(jié)構(gòu)Fig.4 Tool and SCM locking structure

2)SCM與SCMMB鎖緊。

SCM與SCMMB之間的鎖緊主要通過鎖緊接口、錐齒輪、自適應套筒實現(xiàn),如圖5所示。

圖5 SCM與SCMBB鎖緊結(jié)構(gòu)Fig.5 SCM and SCMBB locking structure

1.4 下筒體結(jié)構(gòu)設計

SCM安裝工具下筒體如圖6所示,主要由下筒體、導軌、導向鍵、導向裙、鎖緊和指示機構(gòu)等組成,主要功能是實現(xiàn)工具與SCM、導向筒對接導向,以及工具與導向筒支架之間的鎖緊。

圖6 下筒體結(jié)構(gòu)三維模型Fig.6 3D model of lower cylinder structure

下筒體上焊有導軌,導軌上焊有導向鍵,導向鍵與導向筒上的導向槽配合,實現(xiàn)工具下放的導向?qū)庸δ?下筒體上設計鎖緊機構(gòu),保障SCM安裝和回收過程的安全可靠,其上的指示桿用來指示SCM電液接頭是否完成對接分離;下筒體上板上安裝均布的導向裙結(jié)構(gòu),補償下筒體和導向筒之間的周向誤差。

1.5 導向筒結(jié)構(gòu)設計

導向筒部件如圖7所示,主要由導向筒、機架和作業(yè)板等組成。其主要功能為SCM安裝工具的導向?qū)?、為潛水員提供作業(yè)支撐點。

圖7 導向筒部件三維模型Fig.7 3D model of guide cylinder components

導向筒主要由錐筒和直筒組成,直筒上開有導向槽和觀察孔,用來對SCM安裝工具進行導向以及觀察SCM電液接頭是否對接完成;作業(yè)板由4塊方板通過螺栓抱緊在導向筒上,在SCM安裝過程中,用于臨時放置光纖接頭和電接頭;機架由方鋼和機架板組成,其上裝有SCMMB。

2 安裝工具對接定位精度分析

SCM底部繼承大量的電氣、液壓接頭,安裝工具應將SCM定位到SCMMB上,實現(xiàn)電氣、液壓接頭的準確對接,保障水下采油設備的正常工作[13-15]。

SCM的對接定位過程如圖8所示。通過定位軸和定位套筒的相互約束來保證徑向和軸向定位精度,通過定位槽和定位鍵的相互約束來保證周向定位精度。保證下放SCM時的偏差小于SCM的對接精度要求[16]。

圖8 SCM對接定位示意Fig.8 SCM docking positioning diagram

SCM安裝過程中主要的對接定位部件如圖9所示,包括浮動機構(gòu)、下筒體對接定位機構(gòu)和導向筒對接定位機構(gòu)。為了保證SCM的精準安裝,需要對各對接定位機構(gòu)進行精度分析,得到各機構(gòu)在安裝過程中產(chǎn)生的理論偏差以及偏差控制準則。

圖9 對接定位部件示意Fig.9 Schematic diagram of docking and positioning components

2.1 水下控制模塊安裝過程偏差控制準則

SCM的安裝在下筒體與導向筒鎖緊后進行,故不考慮下筒體下放時與導向筒之間的精度關系。下筒體落至導向筒后,SCM定位軸的最大徑向誤差和最大周向誤差為:

(1)

(2)

由于浮動機構(gòu)需要補償由下筒體和導向筒產(chǎn)生的偏差,則有:

(3)

因此,安裝SCM過程產(chǎn)生的最大允許徑向偏差和最大周向允許偏差與SCM精對中的最大允許徑向偏差和最大允許周向偏差的關系為:

(4)

式中:λSCM-max為SCM精對中最大允許徑向偏差;φSCM-max為SCM精對中最大允許周向偏差。

只有滿足式(1)～(4),SCM才會順利安裝至SCMMB上。

2.2 浮動機構(gòu)定位精度分析

浮動機構(gòu)允許提升芯軸和鎖緊盤之間的相對運動可以分解為軸向傾斜、徑向移動和周向轉(zhuǎn)動。

1) 浮動機構(gòu)軸向傾斜分析。

浮動機構(gòu)的軸向傾斜角度受邊界條件的限制,如圖10所示。

圖10 浮動機構(gòu)的最大傾斜角度Fig.10 Maximum title angle of floating mechanism

當提升芯軸僅受鎖緊盤限制時,提升芯軸的最大傾斜角度β1-max為:

(5)

式中:h1為鎖緊盤的有效高度;d1為鎖緊盤開口尺寸;d2為提升芯軸尺寸最小直徑。

當提升芯軸受提升外殼限制時,提升芯軸的最大傾斜角度β2-max為:

(6)

式中:h2為提升芯軸頂部高度;h3為提升外殼凹槽頂部至鎖緊盤凹槽底部垂直距離;d3為提升芯軸頂部直徑

2) 浮動機構(gòu)徑向偏差和周向偏差。

浮動機構(gòu)的水平截面圖如圖11所示,為防止浮動機構(gòu)定位失效,需滿足條件為:

圖11 浮動機構(gòu)水平截面Fig.11 Horizontal section of floating mechanism

(7)

因此,針對圖11所示幾何關系,可以得出浮動機構(gòu)的徑向偏差為:

(8)

提升芯軸的最大周向偏差視為徑向移動和周向轉(zhuǎn)動,最終受鎖緊盤兩開孔平面的限制,如圖12所示。計算得到最大周向偏差角度φ1-max為:

圖12 浮動機構(gòu)最大周向偏差示意Fig.12 Schematic diagram of maximum circumfer-ential deviation of floating mechanism

φ1-max=arcsin(s2/d1)-arctan(s1/l1)

(9)

2.3 導向筒定位機構(gòu)定位精度分析

導向筒、下筒體和SCM之間的配合關系可視為“雙導向鍵”定位機構(gòu),水平截面如圖13所示。

圖13 “雙導向鍵”定位機構(gòu)示意Fig.13 “Double guide key” positioning mechanism

圖13中,H1為SCM導向鍵表面至圓心的距離;H2為下筒體導向槽底面至圓心的距離;H3為下筒體導向鍵表面至圓心的距離;H4為下筒體導向槽平面至圓心的距離;H5為導向筒導向槽頂點至圓心的距離;D1為SCM直徑;D2為SCM閥板直徑;D3為下筒體內(nèi)徑;D4為下筒體外徑;D5為導向筒內(nèi)徑;D6為導向筒外徑;L1為SCM導向鍵寬度;L2為下筒體導向槽寬度;L4為下筒體導向鍵寬度;L5為導向筒導向槽寬度。

安裝SCM過程中,在下筒體導向裙的補償下,下筒體的移動范圍為:

(10)

將下筒體和導向筒定位機構(gòu)簡化為圖14所示。由圖14(a)所示,γ是下筒體逆時針旋轉(zhuǎn)的最大角度,通過求解可得:

圖14 下筒體徑向移動后旋轉(zhuǎn)截面Fig.14 Section view of rotation after radial movement of lower cylinder

(11)

由圖14(b)所示,α是下筒體順時針旋轉(zhuǎn)的最大角度,通過求解可得:

(12)

定義逆時針為負值,順時針為正值。則下筒體徑向移動后的可旋轉(zhuǎn)范圍為:

-γ≤φ0≤α

(13)

則下筒體允許的最大旋轉(zhuǎn)角度為:

φ0-max=max(γ,α)

(14)

2.4 下筒體對接定位機構(gòu)定位精度分析

SCM移動后再進行旋轉(zhuǎn)時可能受到下筒體導向槽底面和平面的約束,故需限制H2和H4的最小值。當SCM移動到一個位置時,最大周向轉(zhuǎn)角的位置可能為H2和H4的極限位置,此時的SCM和下筒體定位機構(gòu)的水平截面見圖15(a)。

圖15 SCM和導向筒機構(gòu)的水平截面Fig.15 Horizontal section of SCM and lower cylinder mechanism

為了防止周向定位失效,需要滿足:

(15)

在不受浮動機構(gòu)影響時,H4受SCM位置的影響,滿足:

(16)

在受浮動機構(gòu)影響時,H4滿足:

(17)

由圖15(b)可知,當SCM逆時針旋轉(zhuǎn)至最大值σ1-max時,有:

(18)

如圖15(c)所示旋轉(zhuǎn)極限位置局部放大圖,有:

(19)

結(jié)合式(15)～(17)以及幾何關系可知H2的取值范圍為:

(20)

SCM的徑向移動和周向轉(zhuǎn)動情況因鍵間隙與軸間隙的關系而定,需要對2種情況進行分析。

1)鍵間隙大于軸間隙。

當鍵間隙大于軸間隙,即D3-D2

(21)

SCM在此定位方式下的最大周向偏差狀態(tài)可視為SCM先徑向移動至與下筒體內(nèi)壁相切,然后繞SCM中心O2進行順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)至與導向槽接觸,如圖15(b)所示。當SCM圓心在第1和第4象限時,SCM逆時針最大旋轉(zhuǎn)角度為最大允許周向偏差;當圓心在第2和第3象限時,SCM順時針最大旋轉(zhuǎn)角度為最大允許周向偏差。

根據(jù)上述原理,圓心坐標滿足:

(22)

通過求解式(18)得到周向偏差為:

(23)

將SCM圓心在移動范圍內(nèi)的每個點通過數(shù)值計算,求得最大允許周向偏差σ1-max。

2)軸間隙大于鍵間隙。

當軸間隙大于鍵間隙,即D3-D2>L2-L1時,SCM在徑向上既要考慮下筒體內(nèi)壁的約束外,還要考慮受導向槽的約束。此時SCM的運動情況見圖16。圖16(a)為SCM位于理想位置時的示意圖;圖16(b)為SCM向左運動到下筒體導向槽和SCM導向鍵剛剛接觸位置;圖16(c)為SCM繞頂點進行旋轉(zhuǎn)至SCM閥板與下筒體內(nèi)壁接觸。

圖16 軸間隙大于鍵間隙時位置變化的水平截面Fig.16 Horizontal section with position change when shaft clearance is greater than key clearance

當SCM處于圖16(a)情況時,此時SCM導向鍵僅受導向槽限制,SCM的圓心O2(x2,y2)滿足:

(24)

由幾何關系可得SCM的最大周向偏差為:

(H1+y2-H4)tanσ2-max+L1/cosσ2-max=L2

(25)

當SCM處于圖16(c)時,SCM的周向偏差可視為SCM先通過徑向移動至導向槽側(cè)壁,然后繞SCM導向鍵頂點順時針或逆時針旋轉(zhuǎn),此時SCM通過導向槽側(cè)壁和下筒體內(nèi)壁共同限制。

SCM圓心O2(x2,y2)滿足:

(26)

此時,SCM最大的周向旋轉(zhuǎn)角度同式(23)。

3 安裝工具對接精度數(shù)值分析

在水下控制模塊的安裝過程中,SCM的精確對接至關重要。根據(jù)第2節(jié)中對SCM安裝過程建立的各對數(shù)學模型,通過MATLAB數(shù)值計算分析理論設計參數(shù)與偏差的影響關系,并計算得到理論設計參數(shù)下的偏差,與精度要求進行比較,驗證設計的可靠性。SCM安裝工具設計參數(shù)見表1,對接允許誤差參數(shù)見表2。

表1 SCM安裝工具設計參數(shù)Table 1 SCM installation tool design parameters

表2 對接允許誤差參數(shù)Table 2 Allowable error parameters for docking

由于導向筒固定在水下管匯中,在上述取值中,SCM的最大徑向偏差為30 mm,小于SCM對接允許的最大徑向偏差50 mm,因此在數(shù)值計算分析中主要考慮周向偏差。

3.1 浮動機構(gòu)對接精度數(shù)值分析

浮動機構(gòu)的軸向傾斜、徑向移動和周向轉(zhuǎn)動影響SCM安裝過程的補償。因此,對2.2節(jié)中浮動機構(gòu)的建模進行數(shù)值計算分析。得到最大傾斜角度β1-max關于h1和d1～d2的變化曲線如圖17和圖18所示。由圖17和圖18可知,d1-d2對βmax影響較大,d1-d2越大,βmax越大;h1對βmax的影響較小。通過計算得出最大軸向傾斜角度為2.65°;徑向偏差為2 mm;最大周向偏差為7.07°。

圖17 定位槽底部示意Fig.17 Schematic diagram of positioning groove bottom

圖18 SCM旋轉(zhuǎn)示意Fig.18 SCM rotation diagram

3.2 下筒體定位機構(gòu)對接精度分析

當鍵間隙大于軸間隙時,由式(23)可知,σ1受L2和x2影響,通過數(shù)值計算仿真得到σ1受L2和x2影響的曲線如圖19所示。當x2受浮動機構(gòu)徑向偏差e1影響時,通過數(shù)值計算仿真得到σ1受L2和y2影響的曲線如圖20所示。

圖19 受軸間隙影響Fig.19 Affected by shaft clearance

圖20 受浮動機構(gòu)徑向偏差影響Fig.20 Affected by radial deviation of floating mechanism

由圖19和圖20所示,當L2確定時,σ1隨x2的增大而減小;當x2確定時,σ1隨L2的增大而增大。由于浮動機構(gòu)的徑向偏差小于SCM和導向筒之間的軸間隙,因此圖20更具有參考意義。由式(23)求得此參數(shù)下最大旋轉(zhuǎn)角度為7.16°。

當軸間隙大于鍵間隙時,SCM通過導向槽和下筒體內(nèi)壁共同限制,此時與鍵間隙大于軸間隙情況相同,見式(23)和圖19所示;當SCM旋轉(zhuǎn)角度僅受導向槽影響時,根據(jù)式(25)得σ1受L2和y2的影響,當L2確定時,曲線如圖21所示。

圖21 僅受導向槽限制Fig.21 Limited by guide groove

由圖19所示,當L2確定時,σ1隨x2的增大而減小,且趨勢較明顯;當x2確定時,σ1隨L2的增大而增大,且趨勢較緩。由圖21所示,σ1隨y2的增大而減小。

3.3 導向筒定位機構(gòu)對接精度分析

當下筒體的旋轉(zhuǎn)角度受導向裙的影響時,此時鍵間隙大于軸間隙,通過數(shù)值仿真計算可得φ0與L5之間的關系,如圖22所示,由圖22可知φ0隨L5的增加而增加,角度較小;確定L5,在下筒體圓心的移動范圍內(nèi)的φ0對應的數(shù)值如圖23所示,其最大角度為1.2°。

圖23 受下筒體移動范圍影響曲線Fig.23 Curve affected by the moving range of lower cylinder

3.4 設計參數(shù)驗證

基于上述分析,在此設計參數(shù)下,SCM安裝工具安裝SCM過程中的對接精度見表3。

表3 對接精度參數(shù)Table 3 Parameters of docking accuracy

將計算得到的對接精度參數(shù)代入式(1)～(4)中,計算得到各精度參數(shù)滿足SCM安裝工具設計要求,說明在此設計參數(shù)下安裝工具能夠完成SCM的精確安裝。

4 結(jié)論

1)針對水下控制模塊的安裝要求,設計了一套水下100米級的水下控制模塊安裝工具,針對安裝工具各部分所需的功能,完成了安裝工具各部分的結(jié)構(gòu)設計。

2)針對水下控制模塊的安裝精度要求,對安裝過程中的浮動機構(gòu)、下筒體對接定位機構(gòu)和導向筒對接定位機構(gòu)進行數(shù)學建模與對接精度分析,求解影響安裝精度的各個參數(shù)以及各參數(shù)與安裝精度的之間的關系

3)對安裝過程各結(jié)構(gòu)建立的數(shù)學模型進行數(shù)值計算分析,求解得到在此設計參數(shù)下的安裝精度以及他們之間的影響關系,驗證了設計參數(shù)的有效性,保證安裝工具能夠?qū)崿F(xiàn)SCM的精確下放。