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(美鉆能源科技(上海)有限公司， 上海 200943)

水下控制模塊對接盤對中鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁斌，張鵬舉，饒斌

(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海200943)

對水下控制模塊(Subsea Control Module, SCM)的功能、結(jié)構(gòu)和安裝對接過程進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一套利用機(jī)械死點(diǎn)的滑塊連桿機(jī)構(gòu)為工作原理的新型的水下控制模塊對中鎖緊機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)水下控制模塊各個(gè)快插的連接，為采油樹水下控制模塊及相關(guān)產(chǎn)品的國產(chǎn)化開發(fā)應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

水下控制模塊(SCM)；對中；鎖緊；解鎖；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引 言

在海洋油氣田 ( 特別是深水/超深水油氣田) 的勘探開發(fā)過程中，石油、天然氣的產(chǎn)量控制、分離處理和海底長距離輸送等操作均通過水下生產(chǎn)系統(tǒng)完成，并在水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的控制下，實(shí)現(xiàn)從海底輸送到海面依托設(shè)備或陸上終端設(shè)備。水下控制系統(tǒng)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，為保證水下油氣田的安全運(yùn)行，須對水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行安全有效的控制[1-4]。

水下控制模塊(Subsea Control Module， SCM)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制核心部件之一，它根據(jù)水面發(fā)出的控制指令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的水下監(jiān)控。SCM安裝在水下采油樹等設(shè)備的水下控制模塊基座(Subsea Control Module Mounting Base， SCMMB)上，SCM控制采油樹上安裝的液控閘閥和水面控制井下的安全閥，同時(shí)監(jiān)控采油樹上安裝的生產(chǎn)或環(huán)空側(cè)的壓力傳感器、壓力溫度傳感器及井下壓力溫度傳感器等。水下控制系統(tǒng)對接盤及其鎖緊機(jī)構(gòu)是水下控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。目前國際主流的SCM，在水下安裝過程中大都通過水下遙控機(jī)器人(Remotely Operated Vehicle， ROV)輔助，使用鋼絲繩便能完成SCM的水下安裝和取回。SCM須具備可回收和重復(fù)安裝的功能，可通過水下控制系統(tǒng)對接盤的水下對接(SCM和SCMMB的水下對接)實(shí)現(xiàn)。對接盤對接完成后進(jìn)行機(jī)械鎖緊，即完成各類水下液壓快插和水下電連接器的連接，以便更好地實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制功能[5-7]。

本項(xiàng)目針對500 m水深水下控制系統(tǒng)的需求，突破深水環(huán)境下深水控制系統(tǒng)對接盤和鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造、測試關(guān)鍵技術(shù)，完成500 m深水控制系統(tǒng)對接盤、鎖緊機(jī)構(gòu)工程樣機(jī)的研制[8]。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SCM采用的模塊化設(shè)計(jì)以及整體安裝、取回方式，使其成為一種可回收并且可以重復(fù)使用的獨(dú)立單元設(shè)備，在深水中通過ROV的輔助將水下控制模塊安裝并鎖緊到水下采油樹等設(shè)備上。SCM設(shè)置有導(dǎo)向?qū)χ醒b置，便于SCM與SCMMB進(jìn)行自動(dòng)對中，同時(shí)可以有效防止出現(xiàn)多路液壓/電氣接頭的錯(cuò)插。在SCM底部安裝定位銷的基礎(chǔ)上增加引導(dǎo)裝置，引導(dǎo)裝置在對接盤對接前實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)定位。

對接盤上安裝有6個(gè)四通快插、3個(gè)回油液壓快插、1套4芯濕式插拔電連接器、1套12芯濕式插拔電連接器，可以實(shí)現(xiàn)多路液壓/電氣接頭的自動(dòng)對中及鎖緊。機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)是SCM的關(guān)鍵部件：在運(yùn)輸過程中可以通過鎖緊機(jī)構(gòu)將SCM鎖緊在運(yùn)輸框架上，在方便運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)降低底板上安裝的各類液壓和電氣接頭等重要零部件遭到損壞的可能性；在安裝過程中，通過ROV給鎖緊機(jī)構(gòu)施加一個(gè)軸向力使液壓/電氣接頭完全配合安裝到位，實(shí)現(xiàn)多路液壓/電氣回路導(dǎo)通。對接盤鎖緊機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 對接盤鎖緊機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)

圖2 上對接盤俯視圖

上對接盤俯視圖如圖2所示，下對接盤俯視圖如圖3所示。上下對接盤上設(shè)置有兩級導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，其中上對接盤外形結(jié)構(gòu)與SCMMB的4根保護(hù)支架形成初級導(dǎo)向，而上對接盤導(dǎo)向桿與下對接盤上的導(dǎo)向筒形成精確導(dǎo)向，通過兩級導(dǎo)向，能夠確保上、下對接盤的良好對中。對中完成后，利用1套滑塊連桿機(jī)構(gòu)和機(jī)械死點(diǎn)完成鎖緊。圖1中的鎖緊機(jī)構(gòu)向簡化圖如圖4所示。

圖3 下對接盤俯視圖 圖4 鎖緊機(jī)構(gòu)簡化圖

鎖緊機(jī)構(gòu)自由度為

式中：活動(dòng)件數(shù)n=3；低副個(gè)數(shù)P1=4；高副個(gè)數(shù)Ph=0；計(jì)算得自由度F=1，恰好等于原動(dòng)件(提升芯軸)個(gè)數(shù)，即該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定。

當(dāng)主動(dòng)件提升芯軸壓到最低點(diǎn)時(shí)，此時(shí)左、右2個(gè)鎖緊塊平面恰好貼到下面板下端面，且兩連桿處于共線狀態(tài)，即呈180°，此時(shí)提升芯軸與連桿鉸接點(diǎn)形成機(jī)械死點(diǎn)，即上、下對接盤除了原動(dòng)件(提升芯軸)上下移動(dòng)，在各類外力干擾下，仍可保持鎖緊狀態(tài)。

2 對接盤對接鎖緊及對接過程

圖5 對接盤鎖緊狀態(tài)

圖6 鎖緊機(jī)構(gòu)狀態(tài)指示帶

圖7 對接盤解鎖狀態(tài)

SCM正常安裝鎖緊到SCMMB上后，鎖緊機(jī)構(gòu)的作用力可以解決SCM受到ROV的意外碰撞導(dǎo)致液壓/電氣接頭損傷的可能性。通過ROV提供反向的軸向力可以對鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行解鎖操作，以便從水下取回SCM，并能夠最大化地保證水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。上、下對接盤分別裝配有液壓/電氣插拔連接器的各路公頭和母頭，通過鎖緊機(jī)構(gòu)上提升芯軸的上下軸向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上、下對接盤的鎖緊與解鎖，同時(shí)實(shí)現(xiàn)液壓/電氣接頭的連接與脫開。

2.1 對接盤對接鎖緊機(jī)理

SCM頂部為鎖緊機(jī)構(gòu)提升芯軸把手，通過螺紋與提升芯軸連接。提升芯軸下端通過銷軸與3根連桿鉸接，3根連桿以同樣形式與左右一對鎖塊鉸接。通過SCM多功能下入工具(Multi Purpose Running Tool, MPRT)對提升芯軸把手施加一個(gè)向下的力，將提升芯軸向下壓緊，直至芯軸把手斜面與頂部導(dǎo)向筒的限位斜面相接觸。此時(shí)，左右鎖塊撐起，兩鎖緊面呈180°，從而使鎖緊塊扣緊下對接盤底面，實(shí)現(xiàn)上、下對接盤的對接鎖緊。對接盤對接鎖緊過程如圖5所示。

在整個(gè)機(jī)構(gòu)整體垂直下降時(shí)(此時(shí)鎖緊機(jī)構(gòu)的兩鎖塊處于收緊狀態(tài))，上對接盤下端面的2個(gè)導(dǎo)向穿過下對接盤上的導(dǎo)向筒實(shí)現(xiàn)對中。在下對接盤中部有一矩形通孔，2個(gè)鎖緊塊也同時(shí)穿過此矩形通孔。液壓四通快插相接，繼續(xù)對提升芯軸施加壓力，鎖緊機(jī)構(gòu)撐起鎖緊塊，并扣緊下對接盤，完成各個(gè)連接器的對接。

在提升芯軸把手設(shè)有上、下2條黃色指示帶，分別指示整個(gè)機(jī)構(gòu)處于鎖緊和解鎖狀態(tài)，便于ROV觀測對接盤狀態(tài)，鎖緊機(jī)構(gòu)狀態(tài)指示帶，如圖6所示。

2.2 對接盤解鎖脫開機(jī)理

對接盤解鎖脫開機(jī)理與鎖緊機(jī)理相反，通過MPRT對提升芯軸把手施加1個(gè)向上的力，將提升芯軸把手向上提起，直至提升芯軸的斜面與芯軸套筒內(nèi)的限位斜面相接觸，此時(shí)2個(gè)鎖緊塊收回，兩鎖緊面相互平行，實(shí)現(xiàn)對接盤解鎖。然后通過提升芯軸將整個(gè)對接盤提起，實(shí)現(xiàn)上、下對接盤脫開。在整個(gè)回收上升過程中，可從下對接盤的中心矩形孔收回對接盤鎖緊機(jī)構(gòu)，完成上、下對接盤的解鎖。對接盤解鎖狀態(tài)如圖7所示。

3 鎖緊機(jī)構(gòu)分析計(jì)算

3.1 鎖緊與解鎖操作力計(jì)算

水下對接盤鎖緊機(jī)構(gòu)總重為

式中：Nst為四通快插數(shù)量；Nyy為水下插拔式液壓接頭數(shù)量；Mst為四通快插重量；Myy為水下插拔式液壓接頭重量；Md4為4芯電氣接頭重量；Md12為12芯電氣接頭重量；Mds為對接盤、鎖緊機(jī)構(gòu)自身重量。

本文采用6個(gè)四通快插、3個(gè)液壓快插、1個(gè)4芯電氣接頭、1個(gè)12芯電氣接頭。查閱產(chǎn)品手冊可知：四通快插重量為Mst=19 kg；水下插拔式液壓接頭重量Myy=2.5 kg；4芯電氣接頭重量為Md4=3.9 kg；12芯電氣接頭重量為Md12=4.25 kg；對接盤鎖緊機(jī)構(gòu)自身重量為Mds=471.47 kg。因此，水下對接盤鎖緊機(jī)構(gòu)總重量為Mz=601.12 kg

一般情況(不考慮浮力、重力和非密封結(jié)構(gòu)的密封)下，水下對接盤鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊力為

式中：Nst為四通快插數(shù)量；Fcb為四通快插插拔力；Nyy為水下插拔式液壓接頭數(shù)量；Fyy為水下插拔式液壓彈簧推力；F4為4芯電氣接頭插合力；F12為12芯電氣接頭插合力。

查閱產(chǎn)品手冊可知：Fcb=618.481 N；Fyy=197 N；F4=400 N；F12=650 N。因此，水下對接盤鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊力為Fsj=5.352 kN?？紤]重力和浮力的作用，軸向力(向下)為

式中：Mz為水下對接盤、鎖緊機(jī)構(gòu)總重；g為重力；ρt為金屬材料密度；ρs為水密度。

本文所選用金屬材料的密度ρt=7.85×103kg/m3，因此軸向力(向下)為Fza=5.123 kN?？紤]重力和浮力的作用，水下對接盤鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖緊力(下壓力)為

式中：Fsj為鎖緊解鎖力；Fza為軸向力(向下)。

由式(5)可知：Fsja=229 N?？紤]浮力和重力，水下對接盤最大解鎖力為

式中：Nst為四通快插數(shù)量；Fcb為四通快插插拔力；Fza為軸向力(向下)。

由式(6)可知：Fza=5.123 kN；查閱數(shù)據(jù)手冊可知Fcb=618.481 N。因此，水下對接盤最大鎖緊力為Fjs=8.834 kN。水下對接盤、鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊與解鎖操作力為

式中：Fsj為水下對接盤、鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊力；Fsja為水下對接盤、鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊力(下壓力)；Fsj為水下對接盤最大解鎖力。

水下對接盤鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊與解鎖操作力為Fcz=8.834 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。在四通閥體存在貼合力的情況下，四通快插瞬時(shí)拔出力為

式中：Fcb為四通快插插拔力；Fbtth為四通閥體貼合力。

查閱產(chǎn)品手冊可知四通閥體貼合力Fbtth=1.410×104N，因此，F(xiàn)bbt=1.472×104N。在密封壓蓋存在貼合力的情況下，四通快插瞬時(shí)拔出力為

式中：Fcb為四通快插插拔力；Fygth為密封壓蓋貼合力。

查閱產(chǎn)品手冊可知：密封壓蓋貼合力Fygth=3.837×104N，因此在密封壓蓋存在貼合力的情況下,四通快插瞬時(shí)拔出力為Fbyg=3.900×104N?？紤]非密封貼合面形成密封，在四通閥體存在貼合力的情況下，瞬時(shí)解鎖力為

式中：Nst為四通快插數(shù)量；Fbbt為在四通閥體存在貼合力的情況下四通快插瞬時(shí)拔出力；Fza為軸向力(向下)。

查閱產(chǎn)品手冊可知：在四通閥體存在貼合力的情況下，四通快插瞬時(shí)拔出力Fbbt=1.472×104N。因此，在四通閥體存在貼合力的情況下，瞬時(shí)解鎖力為Fjsbt=93.443 kN。

在密封壓蓋存在貼合力的情況下，瞬時(shí)解鎖力為

式中：Nst為四通快插數(shù)量；Fbyg為在密封壓蓋存在貼合力的情況下，四通快插瞬時(shí)拔出力；Fza為軸向力(向下)。

查閱產(chǎn)品手冊可知：在密封壓蓋存在貼合力的情況下，四通快插瞬時(shí)拔出力Fbyg=3 900×104N。因此，在密封壓蓋存在貼合力的情況下，瞬時(shí)解鎖力為Fjsyg=239.123 kN

通過以上計(jì)算分析，在非密封貼合面形成密封的情況下，水下對接盤鎖緊機(jī)構(gòu)均不滿足鎖緊、解鎖操作力小于50 kN且應(yīng)急解脫力小于80 kN的要求。因此，在水下使用的過程中，應(yīng)嚴(yán)禁非密封貼合面形成密封(在貼合面未作處理的情況下，應(yīng)避免在水下長期使用，導(dǎo)致貼合面緊密貼合)。非密封貼合面應(yīng)做涂層，且表面粗糙度不易過高。

3.2 提升芯軸與提升芯軸把手提升能力計(jì)算

提升芯軸為整個(gè)鎖緊機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件，故整個(gè)鎖緊及解鎖均由且僅由提升芯軸提供動(dòng)力，故有必要對其提升能力進(jìn)行分析計(jì)算。由圖1可知，提升芯軸與提升芯軸把手通過螺紋連接，螺紋承壓面積為

式中：dts為螺紋外徑；dts1為螺紋小徑；Lts為嚙合距離設(shè)計(jì)長度；pts為節(jié)距。

螺紋規(guī)格為M68-4.0；節(jié)距pts=4 mm。查表得：螺紋外徑dts=68 mm；螺紋小徑dts1=63.670 mm。其嚙合距離設(shè)計(jì)長度Lts=35 mm。因此，可計(jì)算得出承壓面積為Atsy=3.918×103mm2。螺紋抗剪面積為

式中：dts2為螺紋中徑；Lts為嚙合距離設(shè)計(jì)長度。

可查表得：螺紋中徑dts2=65.402 mm。因此，計(jì)算出抗剪面積為Atsj=3.596×103mm2。螺紋等效面積為

式中：Atsy為承壓面積；Atsj為抗剪面積。

計(jì)算得等效面積為Atsl=1.634×103mm2。提升芯軸危險(xiǎn)截面面積為

式中：ODxz為提升芯軸外徑；IDxz為提升芯軸小徑。

根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸可知：提升芯軸尺寸為ODxz=80 mm，IDxz=70 mm。計(jì)算得提升芯軸危險(xiǎn)截面面積為Axz=1.178×103mm2。另外，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用工況及材料特性綜合考慮，其許用應(yīng)力為

式中：σtsy為材料屈服強(qiáng)度較低的最小屈服強(qiáng)度。

根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)，提升芯軸及提升芯軸把手中，材料屈服強(qiáng)度較低的最小屈服強(qiáng)度為σtsy=207 MPa，故其許用應(yīng)力為σts=138 MPa。提升芯軸最大允許的提升力為

式中：Atsl為等效面積；Axz為危險(xiǎn)截面面積。

計(jì)算得出提升芯軸最大允許的提升力為Fts=162.6 kN。通過計(jì)算得到提升芯軸的尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

本文提出水下控制模塊對接盤對中鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，闡述對接盤對中鎖緊及解鎖的工作原理，并針對鎖緊機(jī)構(gòu)提升能力進(jìn)行分析及計(jì)算，得出如下結(jié)論：

(1) 對中鎖緊機(jī)構(gòu)的對中過程采用二級對中，精度較高，可實(shí)現(xiàn)上對接盤水下控制模塊與下對接盤各類快插的良好對接。

(2) 對中鎖緊機(jī)構(gòu)采用自由度為1的滑塊連桿機(jī)構(gòu)，僅可通過提升芯軸(原動(dòng)件)控制整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可靠；對中鎖緊機(jī)構(gòu)鎖定時(shí)，兩連桿呈180°，利用機(jī)械死點(diǎn)鎖緊，其他干擾外力均可抵消，鎖定狀態(tài)穩(wěn)定，可保證水下控制模塊在工作中運(yùn)行穩(wěn)定。

(3) 根據(jù)提升芯軸和提升芯軸把手連接形式、相關(guān)尺寸及材料選擇，分析計(jì)算出提升芯軸提升(下壓)能力，可供實(shí)際應(yīng)用參考。

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DesignofCenter-AligningandLockingMechanisminSubseaControlModule

LIANG Bin， ZHANG Pengju， RAO Bin

(MSP/DRILEX (Shanghai) Co., Ltd.， Shanghai 200943，China)

The function ,structure and installation of the Subsea Control Module(SCM)are analyzed. A new set of center-aligning and locking mechanism with a dead point and slider linkage as executive mechanism is designed, which enables the connection of all couplings in SCM. It provioles experience for the localization development and application of the SCM of the subsea X-mas tree and its related products.

Subsea Control Module(SCM); center-aligning; locking; unlocking; mechanism design

1001-4500(2017)06-0038-06

2017-06-20

工業(yè)和信息化部科研項(xiàng)目(2014[509]號文)“水下控制系統(tǒng)對接盤、鎖緊機(jī)構(gòu)研制”

梁 斌(1975-)，男，高級工程師

TE953

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