起始纜水下無線控制脫扣裝置仿真分析和優化

李 斌，孟祥偉，林宇航，甘惠良，魏作水，陳建長，馬天亮

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

2.天津市精研工程機械傳動有限公司，天津 300409

海底管道的鋪設是海洋油氣田開發中的重要環節，海底管道在起始鋪設時，需要先將起始錨布置在海底預設計區域，并將起始錨與起始纜相連。在鋪管開始時，起始纜的另一端通過鋪管船的托管架與海管起始端的管道終端結構（PLET）相連，之后鋪管船沿預定路線前行，在起始錨提供的拉力下，逐步下放海管。鋪管過程結束后，將起始錨及起始纜回收[1]。目前，完成海管起始鋪設后需要潛水作業支持船RSV或DSV二次返回起始點，利用潛水員或ROV解開起始纜，整個工作需要1天左右的時間[2]。本文設計了一種起始纜水下無線控制脫扣裝置，利用該裝置可以實現無線遙控解開起始纜或綁在樁腿上的纜繩，施工效率可提升80%左右，極大節省了時間和設備資源。

1 脫扣裝置原理

脫扣裝置原理如圖1所示，裝置由7部分組成，分別為外筒1、水下通信裝置2、驅動組件3、鎖緊塊4、推座5、推座固定連接座6、脫離筒7。

圖1 脫扣裝置原理

外筒起到整個脫扣裝置的固定和支撐作用；水下通信裝置直接固定在外筒上，在外筒內部通過電纜與驅動組件相連，用來接收脫扣信號；驅動組件通過支架固定在外筒內部，由電池、控制模塊、液壓泵和液壓油缸等組成，為脫扣裝置脫開提供驅動；外筒與脫離筒的連接與固定通過鎖緊塊實現，鎖緊塊設計有圓弧凸臺和斜面凸臺，外筒與脫離筒在其連接部位也設計了凸臺，其外形輪廓與鎖緊塊相同，使兩筒在接合的情況下能夠被鎖緊塊固定，鎖緊塊的位置由外筒內部的圓弧凹槽和定位銷共同確定，鎖緊塊可以沿外筒的圓弧凹槽翻轉，翻轉的角度由推座控制；推座通過固定連接座固定在驅動組件的液壓缸活塞桿上，隨活塞桿移動，當推座位于活塞桿最大伸長量時，鎖緊塊被壓緊在脫離筒上，使脫離筒與外筒保持連接狀態，活塞桿收縮時，推座向收縮方向移動，當負載較大，脫離筒作用在鎖緊塊上的徑向分力足以克服脫離筒與推座之間的摩擦力時，鎖緊塊隨著推座移動而翻轉；當負載較小時，脫離筒作用在鎖緊塊上的徑向分力小于靜摩擦力，為保證這種情況下也能夠使脫離筒脫開，在鎖緊塊與推座的接觸面上設計了斜坡，當推座移動到斜坡位置時，會推動鎖緊塊翻轉，從而實現脫開。脫扣裝置的工作過程如下：該裝置在水下待機時，驅動組件處于待機狀態減小功耗，液壓缸活塞桿伸出，使推座固定在鎖緊塊尾端，鎖緊塊在推座的固定下將外筒和脫離筒鎖緊在一起；當水下通信裝置接收到脫扣信號后，驅動組件由待機狀態激活，控制液壓缸活塞桿收縮，推座隨活塞桿移動，推動鎖緊塊翻轉，當鎖緊塊翻轉一定角度后，脫離筒在負載拉力作用下與外筒脫開，實現起始纜脫扣。在負載拉力為539 kN時，驅動組件能提供的最大脫扣拉力為58.8 kN。

2 脫扣裝置動力學分析

為了保證起始纜脫扣裝置能夠在驅動組件最大拉力范圍內正常完成脫扣動作，需要對其脫扣所需拉力進行動力學仿真分析，若仿真得出的脫扣拉力大于設計拉力，則進行優化。

2.1 仿真模型建立

應用ADAMS軟件進行起始纜脫扣裝置的動力學分析。在建立動力學分析模型前，先對模型做些簡化[3]：第一，本次仿真分析的主要是脫扣動作部分，由鎖緊塊和與其配合的筒體及推座組成，液壓部分和電氣部分不需考慮；第二，主要起固定及連接作用的部分，可以忽略；第三，外筒和脫離筒只保留連接部分，其余部分可簡化；第四，由于推座形狀簡單，為減少模型導入過程中實體表面識別不準確，在ADAMS中建立圓環代替推座。

根據簡化方案建立如圖2所示仿真模型，各部件連接關系如下：外筒通過固定副與地面連接；脫離筒建立相對于地面的移動副，方向沿筒軸線指向脫離方向；推座建立相對于地面的移動副，方向與脫離方向相反；鎖緊塊與筒體及推座之間通過接觸力連接，接觸力參數的設置對仿真結果影響很大，因此必須設置準確[4]；在脫離筒上建立一個方向與脫離方向相同的力，作用點在筒口圓心處，模擬負載拉力，修改拉力進行仿真可以模擬不同載荷下裝置的工作情況。在推座與地面間的移動副上建立驅動，模擬液壓系統對推座的脫扣拉力，選擇位移驅動形式，該驅動在移動方向上的受力峰值就是完成脫扣動作所需的最大拉力。

圖2 脫扣裝置動力學模型

2.2 仿真分析

根據脫扣裝置的實際使用情況，設置仿真時的負載拉力由58.8 kN開始增加，逐漸增加至滿載539 kN。讀取作用在推座上的峰值拉力，該峰值就是完成脫扣所需的脫扣拉力。由于作用在推座上的為位移驅動，因此無論負載拉力為多大，模型都能正常完成脫扣，但是只有脫扣拉力小于設計拉力58.8 kN，才能看作是滿足設計要求。仿真曲線如圖3所示。

圖3 不同負載下脫扣所需拉力仿真曲線

脫扣裝置在負載58.8 kN時，脫扣拉力就達到了47.4 kN，處于較大的水平。負載拉力117.6 kN時，脫扣拉力為59.6 kN，超出了最大驅動拉力，說明裝置此時已經無法完成脫扣。負載拉力為539.6 kN時，脫扣拉力為111.1 kN，約為最大驅動拉力的2倍。脫扣裝置在負載大于117.6 kN時無法完成脫扣，說明目前的設計不能滿足需求。負載拉力每增加58.8kN，脫扣拉力增加并不大，在9.8kN左右。按照此規律測算，當負載為0時，脫扣拉力應為39.2 kN左右，這說明脫扣裝置自身存在阻力，阻礙脫扣動作完成，必須進行優化。

3 脫扣裝置靜平衡分析與優化

3.1 脫扣裝置靜平衡分析

對裝置脫扣過程中的受力進行分析：負載拉力通過掛鉤分配在8個鎖緊塊上，由于鎖緊塊與掛鉤接觸面為斜面，因此其受力可分解為水平指向脫離方向的軸向力和垂直指向脫離筒軸線的徑向力；徑向力將鎖緊塊壓緊在推座上，驅動組件在拉動推座移動時，其拉力主要用來克服鎖緊塊與推座間的摩擦力；負載越大，徑向力越大，則摩擦力越大，脫扣拉力也越大。當負載為0時，鎖緊塊不受徑向力，鎖緊塊與推座間不應存在摩擦力。因此對裝置進行靜平衡分析，觀察負載為0且推座沒有移動情況下各部位受力。

靜平衡仿真鎖緊塊受力如圖4所示，紅色直線表示鎖緊塊與掛鉤之間的力，白色直線代表鎖緊塊與外筒之間的力，黃色直線代表鎖緊塊與推座之間的力。

圖4 靜平衡狀態下鎖緊塊受力示意

在負載為0時，鎖緊塊與筒體及推座之間都有力存在，各部位受力峰值見表1。這些力表明鎖緊塊處于被筒體和推座擠壓的狀態，因此負載為0時，就需要較大脫扣拉力。該狀態主要是鎖緊塊與其他部件配合尺寸設計不合理導致的，不僅會導致脫扣所需拉力增大，在實際使用中也可能出現安裝困難等問題。

表1 鎖緊塊靜平衡受力數值

3.2 脫扣裝置優化

穿透深度是ADAMS軟件根據受力計算出的部件互相嵌入深度，可以近似的認為是干涉量[5]。鎖緊塊與筒體接觸部分最大穿透深度為0.178 mm，與脫離筒部分最大穿透深度為0.188 mm，與推座部分最大穿透深度為0.279 mm。

為了消除靜平衡狀態下鎖緊塊受力，根據仿真穿透量，在鎖緊塊與外筒和掛鉤接觸面分別增加0.2 mm間隙，鎖緊塊與推座接觸面增加0.3 mm間隙。進行靜平衡仿真，受力示意如圖5所示。

圖5 優化后鎖緊塊受力示意

增加間隙的情況下，只有鎖緊塊圓弧部分存在受力情況，但受力較小僅為58 N，可能是建模中幾何誤差導致的，可以忽略。

對優化后的模型進行不同負載情況下的仿真，脫扣拉力見圖6。

圖6 優化后脫扣所需拉力曲線

優化后，負載拉力為58.8 kN時的脫扣拉力由優化前的47.4kN減小到5.8 kN，減小量為41.7 kN，優化效果明顯。在不同負載的情況下，脫扣拉力減小的平均值為38.1 kN，與2.2節分析的優化前0負載脫扣拉力39.2 kN很接近，可以認為此時已經完全消除了自身干涉。但是在負載為465.5 kN時，脫扣拉力為70.7 kN，仍大于設計值58.8 kN，無法完成脫扣。裝置還需要繼續進行優化。

影響脫扣拉力的主要因素有材料屬性、接觸面的粗糙度、鎖緊塊與各部件的間隙等。由于調整鎖緊塊與各部件間隙只需調整鎖緊塊尺寸參數，相較其他影響因素容易實現，因此仍然選擇調整尺寸進行優化。鎖緊塊與各部件的接觸面中，與推座接觸面形狀最規則，受力也簡單，比較容易判斷尺寸變化對受力的影響，因此選擇增加該部分接觸面間隙進行優化脫扣拉力。在已優化的基礎上繼續增加鎖緊塊與推座間隙并進行仿真，結果見圖7。

圖7 增加推座間隙后脫扣所需拉力曲線

當鎖緊塊與推座間的間隙增加至0.5 mm時，負載539 kN情況下脫扣拉力為52.1 kN，小于設計拉力58.8 kN，能夠正常完成脫扣動作。

4 試驗驗證

為了驗證仿真結果的準確性，搭建了脫扣裝置的試驗樣機（見圖8），該樣機省略了水下通訊組件和驅動組件，外筒和脫離筒只保留了連接部分，用兩臺拉力千斤頂分別與推座和脫離筒相連，模擬脫扣拉力和負載拉力。

圖8 脫扣裝置試驗樣機

調整試驗裝置的拉力千斤頂，使負載拉力由58.8 kN逐漸增加至294 kN，進行多次試驗，脫扣拉力曲線見圖9。

圖9 脫扣拉力試驗與仿真曲線

負載為58.8 kN時，試驗脫扣拉力為6.3 kN，大于仿真脫扣拉力；隨著負載拉力增加，試驗與仿真脫扣拉力的差異減小，至負載約127 kN時二者差異為0；負載繼續增加，試驗與仿真脫扣拉力差異開始增大，且試驗值小于仿真值，至負載265 kN時，二者差異達到最大，為6.7 kN；負載由265 kN繼續增加，仿真與試驗差異基本保持不變，穩定在6.7 kN左右。通過對比發現，在負載較小時，試驗曲線的增長率小于仿真曲線，負載達到265 kN后，二者增長率趨于一致。整體來看二者脫扣拉力數值差異不大，根據試驗結果計算不同負載拉力下的平均仿真精度為85.6%，說明仿真結果準確性較高。

5 結論

本文提出了一種起始纜自動脫扣裝置，可以在海管鋪設作業中提升效率、節約設備。為了驗證自動脫扣裝置能否滿足要求，建立了該裝置設計狀態的動力學模型，并進行了仿真分析。分析結果表明：該裝置設計狀態不能滿足使用需求。根據仿真結果進行了分析，并制定了優化方案。對優化后的動力學模型又進行仿真，仿真結果顯示：通過優化，自動脫扣裝置在最大負載的情況下能夠在設計脫扣拉力范圍內完成脫扣，滿足使用要求。為了驗證仿真分析的準確性，搭建了脫扣裝置的模擬試驗裝置，進行了脫扣試驗，試驗結果與仿真結果很接近，根據試驗結果計算的仿真精度為85.6%，說明仿真分析有較高的準確性。