王道明，李志剛，姜瑛，王宇臣

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 前言

近年來，海洋石油工業(yè)正在加速從淺水區(qū)向深水區(qū)轉(zhuǎn)移，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在墨西哥灣平均水深1 500 m的深水開發(fā)中，水下生產(chǎn)系統(tǒng)占比已達(dá)85%，顯然水下生產(chǎn)系統(tǒng)已成為深水油氣田開發(fā)的一種主流模式。而水下連接器是構(gòu)建完整的水下生產(chǎn)系統(tǒng)必不可缺的重要一環(huán)。只有通過水下連接器，才能將水下井口、水下采油樹、水下管匯、水下油氣處理設(shè)施以及海底管線終端等水下生產(chǎn)設(shè)施連接起來，構(gòu)建成為完整的水下生產(chǎn)系統(tǒng)。因此，水下連接器相關(guān)技術(shù)是深水油氣田開發(fā)中的一項(xiàng)核心技術(shù)及重要保障。

水下連接技術(shù)難度大，涉及到機(jī)械加工技術(shù)、密封技術(shù)、液壓技術(shù)、水下作業(yè)工程技術(shù)、水下安裝技術(shù)以及油田保障技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù);集合了機(jī)械制造、海洋工程以及水下工程等多門學(xué)科技術(shù);深水水下連接系統(tǒng)工作環(huán)境苛刻，需要克服由內(nèi)部流體以及外部海水介質(zhì)帶來的溫度、壓力、腐蝕、熱應(yīng)力以及振動(dòng)沖擊等多方面、復(fù)雜性影響;還要考慮海底土壤環(huán)境對(duì)其安裝作業(yè)帶來挑戰(zhàn)。水下連接器的主要連接形式有卡爪式連接器、卡箍式連接器和螺栓法蘭式連接器3種［1］，在這3種形式中，卡爪式連接器是深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接應(yīng)用最多的連接形式，尤其在立式連接以及超深水管道連接中占據(jù)了主導(dǎo)地位?？ㄗκ竭B接器具備以下優(yōu)點(diǎn):連接可靠、連接速度快;ROV操作友好，可用的ROV工具多;對(duì)中誤差容忍度高。水下連接器價(jià)格昂貴，多年來，市場(chǎng)一直被FMC、Cameron、Aker Solutions等幾家國(guó)外公司所壟斷，而國(guó)內(nèi)的研究尚處于起步階段［2］。文中設(shè)計(jì)了一種卡爪式水下連接器，并利用SolidWorks/Motion對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真研究，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

卡爪式水下連接器的結(jié)構(gòu):卡爪式水下連接器由密封圈、上法蘭、下法蘭 (hub)、卡爪、驅(qū)動(dòng)環(huán)、頂蓋板及壁筒等部件組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 卡爪式水下連接器結(jié)構(gòu)示意圖

卡爪式水下連接器的工作原理:卡爪式水下連接器處于初始狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)環(huán)位于上部位置，卡爪處于張開狀態(tài)，如圖2所示。當(dāng)需要進(jìn)行密封連接時(shí)，連接器安裝工具在驅(qū)動(dòng)環(huán)的凸緣上加載豎直向下的力，使得驅(qū)動(dòng)環(huán)豎直向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)環(huán)接觸卡爪后，卡爪隨之旋轉(zhuǎn)，從最初的張開狀態(tài)逐漸閉合，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定位置后，卡爪將上、下法蘭卡緊，從而在上法蘭、密封圈和下法蘭間形成有效密封。連接器的密封狀態(tài)如圖3所示。

圖2 初始狀態(tài)

圖3 密封狀態(tài)

從初始狀態(tài)到密封狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)環(huán)豎直向下移動(dòng)了一定的距離，卡爪旋轉(zhuǎn)了θ°，如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)環(huán)與卡爪運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖

在設(shè)計(jì)中，根據(jù)驅(qū)動(dòng)環(huán)與卡爪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在SolidWorks的草圖中，分別把卡爪與驅(qū)動(dòng)環(huán)作成一個(gè)塊，根據(jù)二者間的相互制約關(guān)系，確定了從初始位置到密封位置驅(qū)動(dòng)環(huán)向下移動(dòng)了50 mm，卡爪旋轉(zhuǎn)的角度θ為12°。為了更好地研究驅(qū)動(dòng)環(huán)與卡爪間運(yùn)動(dòng)關(guān)系，以及驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，進(jìn)行了水下連接器的仿真研究。

2 仿真過程

SolidWorks軟件中的Motion插件，是專門進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析的一個(gè)工具，它可在裝配體中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的精確模擬［3－8］。文中基于 SolidWorks/Motion進(jìn)行了水下連接器的仿真研究，過程如下:

(1)將連接器各零部件進(jìn)行建模，并完成初始位置的裝配。完成裝配后將制約驅(qū)動(dòng)環(huán)和卡爪運(yùn)動(dòng)的一些配合進(jìn)行壓縮，使得驅(qū)動(dòng)環(huán)與卡爪的相應(yīng)自由度釋放，便于真實(shí)的模擬驅(qū)動(dòng)環(huán)與卡爪間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。由于研究的主要對(duì)象是驅(qū)動(dòng)環(huán)與卡爪，所以在這里將上、下法蘭與密封圈設(shè)置為固定。

(2)在SolidWorks插件選項(xiàng)中將SolidWorks Motion選中啟動(dòng)。

(3)在裝配體模型中選擇“新建算例”，并在算例類型中選擇“Motion分析”。

(4)定義接觸。將卡爪與驅(qū)動(dòng)環(huán)之間、卡爪與上法蘭之間、卡爪與下法蘭之間定義為實(shí)體接觸。

(5)施加驅(qū)動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)環(huán)上施加豎直向下的直線馬達(dá)，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)定驅(qū)動(dòng)環(huán)向下運(yùn)動(dòng)的距離為50 mm，時(shí)間為5 s。如圖5所示。

圖5 施加驅(qū)動(dòng)

(6)運(yùn)動(dòng)算例的計(jì)算。完成上述設(shè)置后，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)算例的計(jì)算。

3 仿真結(jié)果分析

計(jì)算完成后，可以看到驅(qū)動(dòng)環(huán)與卡爪間的運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫，圖6為連接器仿真過程示意圖。還可以從結(jié)果和圖解中顯示各部件的運(yùn)動(dòng)曲線，圖7為驅(qū)動(dòng)環(huán)的位移曲線，圖8為驅(qū)動(dòng)環(huán)的速度曲線，圖9為卡爪的角位移曲線。

圖6 連接器仿真過程圖

圖7 驅(qū)動(dòng)環(huán)位移曲線

圖8 驅(qū)動(dòng)環(huán)速度曲線

圖9 卡爪角位移曲線

從卡爪的角位移曲線 (圖9)可以看出:在0～0.6 s的時(shí)間內(nèi)，卡爪并未隨著驅(qū)動(dòng)環(huán)的下移而轉(zhuǎn)動(dòng)，這是因?yàn)樵诔跏嘉恢脮r(shí)，驅(qū)動(dòng)環(huán)下端與卡爪之間有一定的間距，這段時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)環(huán)下移尚未接觸到卡爪，所以卡爪沒有轉(zhuǎn)動(dòng);在0.6～5s的時(shí)間內(nèi)，驅(qū)動(dòng)環(huán)下端已接觸卡爪，卡爪隨驅(qū)動(dòng)環(huán)的下移而隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，直至卡爪達(dá)到密封狀態(tài)，并且從初始狀態(tài)到密封狀態(tài)，卡爪總共旋轉(zhuǎn)了12°，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性與合理性。

4 結(jié)論

根據(jù)水下管道的連接要求及特點(diǎn)，對(duì)水下連接器進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)驅(qū)動(dòng)環(huán)與卡爪間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了水下連接器設(shè)計(jì)的正確性與合理性。為進(jìn)一步研究與開發(fā)水下連接系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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