趙曉磊，儲樂平，肖德明，王 磊，程吉林

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

海洋石油的開采由淺海走向深海，錨固技術(shù)是其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3].目前主要的錨固系統(tǒng)有抓力錨、樁錨、吸力錨等.相比于另外兩種，吸力錨具有可承受垂向張力、定位精度高、安裝費用低，可回收重復利用等優(yōu)點，因此在深海油氣資源的開發(fā)中得到了越來越廣泛的應用.

吸力錨艙蓋是吸力錨的關(guān)鍵部件之一，可安裝在吸力錨的頂面或側(cè)面，其主要作用是吸力錨經(jīng)海水飛濺區(qū)時排出內(nèi)部氣體和接觸海底自沉入泥過程中排出內(nèi)部海水.艙蓋的尺寸和結(jié)構(gòu)對吸力錨的整體性能和安裝操作具有重要影響.若艙蓋開口尺寸過小，吸力錨下放過程經(jīng)過飛濺區(qū)時排出筒內(nèi)氣體的速度過慢，導致吸力錨下放速度變慢，且搖擺幅度增加，從而增加了吸力錨與船舶碰撞的風險；到達海底泥面后，若排水速度較慢，導致吸力錨自沉速度慢，將增加吸力錨傾斜的風險.而艙蓋開口過小，則會降低吸力錨安裝位置的強度[4-7].艙蓋的操作方式則對其開口尺寸大小與水下操作便利性有著重要的影響.因此，本文創(chuàng)新性地提出了一種基于螺桿-螺母傳動原理的螺旋升降式吸力錨密封艙蓋.

1 吸力錨艙蓋方案分析

吸力錨艙蓋的主要密封形式有端面密封和徑向密封.根據(jù)密封形式不同，具有多種相對應的鎖緊方式，主要有閂鎖式、卡爪式、卡扣式、螺旋升降式.下面對上述結(jié)構(gòu)原理和特點進行分析.

1）閂鎖式結(jié)構(gòu). 閂鎖式鎖緊結(jié)構(gòu)應用于端面密封艙蓋結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示.其密封原理為：ROV 機械手或者扭矩工具帶動驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，鎖閂與驅(qū)動軸盤相連接，鎖閂隨驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動而徑向展開，并進入閂槽.鎖閂為斜面結(jié)構(gòu)，進入閂槽時受到閂槽的壓力，進而壓緊密封蓋，實現(xiàn)艙蓋的密封.結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間較少，但鎖閂安裝精度要求高，鎖緊后不易自鎖，振動情況下易松動.

2）卡爪式結(jié)構(gòu). 卡爪式鎖緊結(jié)構(gòu)應用于端面密封艙蓋結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示.其密封原理為：ROV 操作密封蓋關(guān)閉后，機械手或者扭矩工具帶動驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，進而帶動螺母垂直向下運動，螺母與卡爪連接，帶動卡爪驅(qū)動端向下運動，卡爪鎖緊端向上翹起，并進入閂槽，壓緊密封蓋.該結(jié)構(gòu)多為鈑金件，驅(qū)動結(jié)構(gòu)復雜，加工裝配要求較高.

3）卡扣式鎖緊結(jié)構(gòu). 卡扣式鎖緊結(jié)構(gòu)應用于端面密封艙蓋結(jié)構(gòu)，如圖1（c）所示. 其密封原理為：ROV 操作密封蓋關(guān)閉后，扳動螺桿進入卡扣，隨后轉(zhuǎn)動螺桿，使螺母垂直方向移動，進而鎖緊密封蓋.該結(jié)構(gòu)較簡單，但操作步驟多，水下操作時增加操作難度，壓緊點較少.

圖1 三種吸力錨艙蓋結(jié)構(gòu)Fig.1 Three kinds of suction anchor hatch cover structure

4）螺旋升降式鎖緊結(jié)構(gòu). 本文提出的螺旋升降式鎖緊結(jié)構(gòu)應用于徑向密封艙蓋結(jié)構(gòu)，如圖2 所示.其密封原理為：法蘭和頂蓋通過螺栓連接固定在一起，螺桿通過壓蓋頂緊在密封蓋上，螺母固定在頂蓋上.工作時，螺桿螺母相配合，螺母固定，ROV 操作螺桿轉(zhuǎn)動并向下運動，通過壓蓋推動密封蓋進入密封面，實現(xiàn)密封.

經(jīng)對比分析（表1），螺旋升降式結(jié)構(gòu)傳動方式簡單、密封均勻性好，下文對該種密封結(jié)構(gòu)進行分析設(shè)計.

表1 鎖緊結(jié)構(gòu)特征對比Tab.1 Comparison of locking structure features

2 螺旋升降式吸力錨艙蓋原理設(shè)計

2.1 螺旋升降式鎖緊結(jié)構(gòu)原理

基于徑向密封原理，吸力錨艙蓋主要結(jié)構(gòu)包括，頂蓋、密封蓋、法蘭筒段、傳動螺桿和傳動螺母.其基本的裝配和密封過程如圖2 所示：頂蓋與法蘭筒段固定，傳動螺母安裝在頂蓋上，傳動螺桿與密封蓋連接，轉(zhuǎn)動螺桿，利用螺桿螺母副，螺母固定，螺桿產(chǎn)生垂直位移，進而帶動密封蓋垂直運動，進入（或離開）法蘭密封面.

圖2 螺旋升降式鎖緊結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Helical lifting lock structure

針對本方案，需要對法蘭、密封蓋、螺桿-螺母傳動副等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與校核.

2.2 螺旋升降式鎖緊結(jié)構(gòu)受力分析

如圖3 所示，密封蓋打開過程中，需要克服的軸向載荷為密封圈產(chǎn)生的摩擦力和密封蓋的重力，螺桿上所受的垂向載荷為摩擦力和密封蓋重力之和.密封蓋關(guān)閉過程中，需要克服的軸向載荷為密封圈產(chǎn)生的摩擦力，螺桿上所受的垂向載荷為摩擦力與密封蓋重力之差.對比兩種工況受力，密封蓋打開過程中螺桿所受的力更為苛刻.因此，在進行設(shè)計與強度過程中采用密封蓋打開過程的載荷.

圖3 啟閉過程螺桿受力分析Fig.3 Force analysis of screw in opening and closing process

3 螺旋升降式吸力錨艙蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于對螺旋升降式吸力錨艙蓋結(jié)構(gòu)原理與受力的分析，設(shè)計了如圖4 所示的吸力錨艙蓋，主要結(jié)構(gòu)包括法蘭筒段、O 型圈密封結(jié)構(gòu)、螺桿-螺母升降機構(gòu)等，附屬配套結(jié)構(gòu)包括支撐套筒、起吊螺栓等.下面對主要結(jié)構(gòu)進行詳細設(shè)計與分析.

圖4 吸力錨艙蓋結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of suction anchor hatch cover

3.1 吸力錨艙蓋法蘭筒段結(jié)構(gòu)

吸力錨艙蓋法蘭筒段主要用于與吸力錨主結(jié)構(gòu)的連接、與密封蓋的配合，其開口尺寸對排水、排氣具有重要影響；為避免外部壓力引起法蘭筒段結(jié)構(gòu)變形導致的密封蓋操作過程中卡死等問題，法蘭筒段整體強度必須滿足入泥負壓（0.5 MPa）的要求.

基于前期工程經(jīng)驗，本文設(shè)計艙蓋筒段外徑（D0）640 mm，最薄處厚度（t）20 mm，無支撐長度（L）200 mm，材料為ASTM A105 N（楊氏模量Ey≈200 GPa，最小屈服強度Sy≈250 MPa）.

1）計算彈性屈服應力Fhe[8-9].

2）計算屈服應力Fic.

最小屈服強度Sy=250 MPa

3）設(shè)計安全系數(shù).

4）計算許用外部壓力.

許用外部壓力遠遠大于工作負壓，因此法蘭結(jié)構(gòu)滿足強度要求.

3.2 吸力錨艙蓋密封結(jié)構(gòu)

吸力錨在入泥過程中，艙蓋必須滿足密封要求，基于徑向密封原理（如圖5 所示），密封蓋工作狀態(tài)屬于靜密封.O 型橡膠密封圈具有良好的密封性，是一種壓縮性密封圈，同時又具有自封能力，其適用的密封壓力范圍為1.33×10-5Pa ～400 MPa，根據(jù)材料特性不同，溫度范圍為-60 ～200 ℃.考慮到吸力錨入泥負壓約為0.5 MPa，本文采用HNBR 材質(zhì)的O 型圈進行密封可滿足密封性能的要求.

法蘭筒段與密封蓋配合面的直徑為600 mm，依據(jù)設(shè)計選型手冊，選取內(nèi)徑d1=570 mm，線徑d2=10 mm 的O 型圈，溝槽深度d= 8.6 mm，寬度w= 11.6 mm，溝槽底部直徑d3= 582.8 mm. 分別計算密封圈安裝伸長率和安裝與壓縮率：

密封圈安裝伸長率

截面縮小率

密封圈拉伸后截面直徑約d1′=9.83 mm，

密封圈安裝預壓縮率

經(jīng)計算，預壓縮率滿足要求.

圖5 徑向密封示意圖Fig.5 Schematic of piston seal

為保證密封性能，且考慮密封圈產(chǎn)生的摩擦力不能過大，本文在密封面上設(shè)置3 道密封圈，并對配合面進行拋光處理.

活塞式密封結(jié)構(gòu)中為保證密封蓋能順利進入配合面，法蘭筒段的配合面導入腔需設(shè)計一定的錐度，根據(jù)設(shè)計手冊，錐角取20°，深度取4.5 mm，如圖6所示.

圖6 密封配合面導入腔結(jié)構(gòu)Fig.6 Lead-in cavity structure

3.3 吸力錨艙蓋螺旋升降機構(gòu)

本文采用螺桿螺母副實現(xiàn)密封蓋的啟閉功能，因此需分析螺桿螺母副上所受的軸向載荷.根據(jù)2.2分析，密封蓋打開過程中所受軸向力最大，為密封圈摩擦力和密封蓋重力之和.

線徑10 mm 的HNBR 密封圈，在預壓縮率為12.5%的時候，線壓縮力約為5 N/mm，密封蓋外圈與密封面間隙為0.15 mm，計算可得：單圈密封圈產(chǎn)生的線壓縮力約為：9 424.71 N.橡膠與鋼之間的靜摩擦系數(shù)約為0.8，3 道密封圈產(chǎn)生的摩擦力約為22 617.6 N.

密封蓋的重量約為150 kg，因此，密封蓋打開過程中，最大軸向力約為24 117.6 N，取1.5 倍安全系數(shù)，軸向載荷取F=36 000 N.

考慮螺桿螺母副的耐磨性和海底使用時關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性，螺桿和螺母分別采用F51 雙相不銹鋼和C95500 鋁青銅.下面對螺桿螺母副進行設(shè)計與校核.

1）螺桿參數(shù)設(shè)計.

其中，整體式螺母ψ = 1.8；鋼與青銅組成的滑動螺旋副比壓Pp= 18 N/mm2. 依據(jù)GB/T 5796.1-4，選取螺桿中徑為D2=42.5 mm，螺距P=3 mm.

2）螺母參數(shù)設(shè)計.

螺母高度H取75 mm，螺紋旋合圈數(shù)z=25，螺紋工作高度h=0.5P=1.5 mm.

3）耐磨性校核.

導程角

牙面滑動速度

螺桿螺母工作在低速狀態(tài)下，許用比壓選取合適.

4）梯形螺母自鎖校核.

鋼與青銅的摩擦系數(shù)μ = 0.9，梯形螺紋牙型角α=30°，由此可得當量摩擦角

γ=1.29°＜ρv=5.323 2°，滿足自鎖要求.

5）螺桿強度校核.

螺紋摩擦轉(zhuǎn)矩

當量應力

螺桿許用應力

其中σs為雙相不銹鋼的屈服強度450 MPa.

σca ＜σp，因此，螺桿強度滿足要求.

6）螺牙強度計算.

鋼質(zhì)螺桿螺牙強度高于青銅質(zhì)螺母螺牙強度，故只計算螺母的螺牙強度.

抗剪強度

彎曲強度

其中，牙根寬度b=0.65；P=1.95 mm；d為螺紋大徑44.5 mm；z為旋合圈數(shù)25；h為螺紋工作高度1.5 mm.

青銅的剪切強度和彎曲強度分別為30 MPa 和40 MPa，遠大于計算所得螺牙所需承受的強度，因此，螺母螺牙的強度滿足要求.

經(jīng)過強度校核計算，螺旋升降機構(gòu)的主要傳動部件螺桿和螺母均滿足要求.

3.4 吸力錨艙蓋導向桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

為保證密封蓋在進入法蘭時不發(fā)生傾斜，避免“卡死”，在密封蓋底部設(shè)計了導向桿，在密封蓋進入法蘭前，導向桿先進入法蘭上的導向圈（如圖4 標識處所示），進而保證密封蓋能垂直進入法蘭.

4 結(jié) 論

經(jīng)過分析與計算校核，本文設(shè)計的吸力錨艙蓋主要結(jié)構(gòu)包括法蘭筒段、密封蓋、螺桿-螺母升降機構(gòu)、上頂蓋、螺栓、支撐套筒等結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)通過轉(zhuǎn)動螺桿手柄，實現(xiàn)密封蓋的上下運動，采用徑向密封原理，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，而且艙蓋開口可完全打開，有利于吸力錨下水和入泥過程中氣體、液體的排出.