ROV扭矩工具系統研制與應用

摘要：ROV扭矩工具（TT）是深水水下油氣田開發過程中使用的水下機器人（ROV）作業裝備。ROV扭矩工具系統是以ROV為核心，包括扭矩工具本體和控制系統，其結構尺寸和工作能力與工作效率是影響水下作業的便利性與作業成本的關鍵因素。依托南海某氣田水下生產系統，參考ISO13628-8等規范，設計出具有多尺寸自適應接口、牙嵌離合換擋結構和鎖緊機構的扭矩工具及其控制系統。采用有限元分析軟件對扭矩工具關鍵部件進行仿真分析。完成了扭矩工具的樣機研制并進行測試。測試結果表明：水下ROV扭矩工具的鎖緊、解鎖功能，換擋功能，馬達閉環控制功能均可實現，技術參數滿足設計要求。研究成果對ROV扭矩工具及其控制系統的技術發展和產品開發均有借鑒意義。

關鍵詞：扭矩工具；有限元分析；測試技術；試驗驗證

中圖分類號：TE952文獻標識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.02.006

Structural Design and Simulation Study of the ROV Torque Tool

JIA Peng1， JING Yuanbin2， WANG Zhen1， ZHOU Jia2 ， LI Shiping2， ZENG Shanchuan2，

JIANG Kewei2， SUN Qin3 ， HAN Yunfeng3

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China

2. CNOOC （China） Zhanjiang Branch， Zhanjiang 524057， China; 3. CNOOC Research Institute

Co.， Ltd.， Beijing 100028，" China）

Abstract：ROV Torque Tool （TT） is an indispensable underwater robot （ROV） operation equipment during the development of deep-water underwater oil and gas fields. The ROV torque tool system is based on ROV， including one of the underwater operating tools of the torque tool body and the control system. Its structural size and work efficiency are key factors that affect the convenience and operating cost of underwater operations. In order to solve the above problems， relying on the underwater production system of a gas field in the South China Sea and referring to the international standard ISO13628-8 and other specifications， the torque tool and its control system with multi-dimensional adaptive interface， jaw clutch shift structure and locking mechanism were studied， and the key components of the torque tool were simulated and analyzed by using finite element analysis software. The prototype of the torque tool was developed and tested. The test results show that the locking and unlocking functions， gear shifting functions， and motor closed-loop control functions of the ROV torque tool can be realized， and the torque tool can meet the design requirements through the calibration test of the torque tool. The research results have the significance of the reference to the technologies and products of ROV torque tools and their control system.

Key words：ROV torque tool; finite element analysis; testing technology; test verification

隨著我國油氣開采向深水領域的發展，研制具有自主知識產權的水下生產設備及其配套設備有著深遠的意義［1-2］。我國深海ROV輔助作業的關鍵在于加速水下機器人作業系統的研制，擴大我國水下機器人的使用范圍，提高功能和實效性。ROV扭矩工具就是針對水下油氣生產系統操作接口的特點而設計的，配備有作業機械手和其他多種作業系統的水下機器人為核心，在深水環境下使ROV扭矩工具能夠對水下生產設備進行操作［3-5］。

國外對水下扭矩工具的研究經歷了由人工潛水員下水操作到深海使用ROV進行操作的發展歷程。目前，Zetechtics公司、Forum Energy Technologies公司［6］以及Oceaneering等公司已經生產出成熟的水下扭矩工具產品，并得到全世界海洋油氣公司的廣泛應用。我國自主設計研發的ROV扭矩工具還未有過應用于水下生產的先例［7］。依托我國“水下設施應急維修工具”科研項目，將ROV扭矩工具作為突破，進行技術研究和工程樣機研制，這對我國深水水下設施的應用研究具有重要意義［8］。

1ROV扭矩工具設計背景

1.1ROV扭矩工具布置形式研究

根據扭矩工具操作水下設施的位置不同，可將扭矩工具的操作分為：①ROV機械手夾持操作（如圖1）；②使用與扭矩工具配套的導向座（FLOT），將扭矩工具固定在ROV框架底板的前部進行操作（如圖2）。ROV機械手夾持是使用ROV上的七功能機械手夾持工具上的T型手柄進行靈活操作，最終將工具插入水下設施的旋轉對接接口中，進行扭矩操作。其中手柄結構可根據操作接口的不同使用不同類型的接口，例如：魚尾型、T型、垂直型、D型等結構形式。導向座安裝操作的扭矩工具是在ROV框架的前方安裝固定支架，將扭矩工具安裝在導向座上，使用液壓系統控制導向座及扭矩工具的俯仰和旋轉運動。2種操作方式相比較，使用機械手控制扭矩工具既可以減輕ROV的負載重力，也可以擴大扭矩工具的操作空間范圍。因此設計的ROV扭矩工具使用機械手加持進行操作［9］。

1.2ROV及扭矩工具操作接口介紹

扭矩工具在水下作業，需要ROV為其提供電力、液壓和通信，因此設計扭矩工具需要使其能夠適配ROV所能提供的相關接口［10］。此外，扭矩工具在操作時需要插入旋轉對接接口中，該接口的尺寸和負載情況也是設計扭矩工具的前提（如圖3）。

我國深水油氣開發中使用的ROV主要來源于國外成熟產品，其中能夠操作扭矩工具的ROV均為作業型ROV，其為外界工具供應110～220 V AC電力；約為20.5 MPa（3 000 psi）的液壓壓力，5×10-4 m3/s（30lpm）的流量，具有以太網通訊系統［9］。ROV及其機械手的負載能力需能搭載扭矩工具控制系統和扭矩工具［11］。

ROV用扭矩工具的操作對象是旋轉對接接口。旋轉對接接口是由帶有頂部對接板的圓柱狀的旋轉對接插孔和末端受動方頭組成（如圖4），其中，對接插孔上有2個對稱布置的反旋轉槽口，提供反扭矩。末端受動方頭接受扭矩工具提供的驅動力矩，完成回轉運動［12-13］。

1.3扭矩工具設計指標

ROV扭矩工具系統的設計要求既要滿足工信部課題的技術指標，又要滿足國際標準ISO 13628-8中旋轉對接接口尺寸與最大設計扭矩的要求。表1是扭矩工具系統設計所參考的工信部的技術指標。根據設計指標可知，扭矩工具可以適配4個等級的操作接口，其特點是可以使工具實現一次下水，滿足多種接口的操作，有利于提升工作效率，大幅度降低水下的工作成本［14］。

2ROV扭矩工具及控制系統設計

2.1ROV扭矩工具液壓系統原理

ROV扭矩工具液壓原理如圖5所示。其中的進油口、回油口與ROV液壓動力源連接。270CC型補償器與液壓閥箱安裝在一起，為工具的控制閥箱提供壓力補償。370CC型補償器搭載在工具本體上，為工具內的元器件提供壓力補償。液壓閥箱共分為3路：一路由比例減壓閥、比例換向閥疊加組合而成，并在比例減壓閥的側面布置有螺紋孔，便于外接壓力傳感器，用于對扭矩工具工作的壓力進行監測；另外2路疊加閥組成相同，由減壓閥、直動式換向閥、雙單向節流閥組成，2組疊加閥分別控制扭矩工具的換擋和鎖緊液壓缸。

2.2ROV扭矩工具電控系統原理

扭矩工具的電控系統原理如圖6所示。控制系統內部由24 V電源為PLC及控制模塊、PD2閥用放大器、以及扭矩放大模塊提供電力。PLC直接控制各換向閥的開閉、比例閥的開啟；測取液壓閥箱中壓力傳感器的壓力值，測取扭矩工具中的減速器壓力值、編碼器的角度值；扭矩放大模塊將減速器反饋的扭矩值的弱電壓信號放大后傳遞到RS485模塊。各信號經匯總后傳輸到上位機界面［15］，便于水上工作人員實時監控和操作。

2.3扭矩工具總體結構設計

扭矩工具的總體結構如圖7所示。該工具由多尺寸自適應接口、鎖緊機構、換擋驅動機構和壓力補償器組成，使用電控液壓系統進行工具的控制，并能夠反饋工具的轉數和扭矩值。

2.3.1自適應接口

為滿足一次下水可完成與Class Ⅰ至Class Ⅳ的操作接口對接旋轉任務的要求，設計采用具有彈簧加載嵌套四葉式接口，可根據不同尺寸的對接接口方頭進行自適應的功能切換。

2.3.2鎖緊機構

ROV扭矩工具在水下工作，水中受力情況復雜。為保證扭矩工具與被操作接口穩定連接，需要設置鎖緊機構來防止工具與操作接口的脫離，并且為扭矩工具產生反扭矩，以抵抗工具自身的旋轉。

2.3.3換擋驅動機構

ROV扭矩工具應滿足標準ClassⅠ至ClassⅣ的扭矩輸出，1臺液壓馬達最大輸出轉矩600 N·m，只靠1臺液壓馬達直接驅動，無法滿足扭矩需求，因此，增設1臺減速器，實現減速增扭的作用。還需要設置有換擋機構進行高低擋位切換，2種扭矩輸出的傳遞路線如圖8所示。

2.4扭矩工具控制系統結構設計

控制系統搭載在ROV的承重框架上，其負載能力要求達到3 kN，需要考慮控制系統與ROV承重框架的連接方式和布局，以免影響ROV在水下的機動性和操作姿態。ROV扭矩工具控制系統把液壓控制系統［16］和電控系統組成（如圖9）。其中液壓控制系統由ROV提供的液壓動力分配到扭矩工具的液壓馬達、鎖緊液壓缸和換擋液壓缸；電控系統用于執行上位機的控制，并將工具反饋的信息傳遞到上位機。

2.5壓力補償方案

扭矩工具要在設計水深1 500 m的工況下工作，如果用耐壓殼體承受水下15 MPa的壓力，則殼體厚度將變大，整體結構和重力增大，影響ROV的操作性能。因此，將扭矩工具本體與液壓閥箱設計為可連接壓力補償器的結構形式，通過壓力補償可以減小殼體厚度，減輕結構質量［17］。

3扭矩工具及其控制系統關鍵技術

3.1ROV扭矩工具鎖緊機構有限元分析

ROV扭矩工具在水下工作過程中，液壓缸連桿帶動鎖緊塊伸出，鎖緊塊與操作接口的反旋轉槽口接觸，防止工具脫離。解鎖時，液壓缸連桿帶動鎖緊塊收回。同時，鎖緊機構本體也產生了抵消接口旋轉的反扭距，使工具與接口保持穩定對接。

根據設計要求，鎖緊液壓缸在鎖緊時可以提供標準的2 451.6 N鎖緊力，測試用3 922.7 N的鎖緊力。根據鎖緊機構的受力情況，單個鎖緊機構的受力為標準鎖緊力的1/2，并對鎖緊機構進行簡化，忽略液壓缸殼體和鎖緊機構外殼，將1 961.35 N的力施加到鎖緊塊的受力面。使用Ansys Workbench軟件對鎖緊機構進行靜力學仿真。圖10為鎖緊機構的應變云圖，其最大變形位置在鎖緊塊的突出部分，其最大變形量0.126 mm； 圖11為鎖緊機構的應力云圖，最大應力點在連桿的中部，最大應力為389.6 MPa，其余位置應力分布都較為均勻。經過計算，最大應力位置是由赫茲接觸應力引起的，所以液壓缸結構強度滿足使用要求。

3.2ROV扭矩工具多尺寸自適應接口技術

為滿足1次下水可完成與Class Ⅰ至Class Ⅳ的操作接口對接旋轉任務的要求，設計具有彈簧加載嵌套四葉式接口，可實據不同尺寸的對接接口方頭進行自適應的功能切換，如圖12所示。

自適應接口的對接工作原理為：工具的接頭插入旋轉對接接口后，鎖緊機構將工具與對接接口鎖定，工具接口與對應操作接口方頭對接。當工具與Class Ⅰ～Ⅱ的操作接口對接時，可以將執行器方頭直接插入最小四葉式接口中；當工具與Class Ⅲ方頭對接時，在Class Ⅰ～Ⅱ接口力的作用下，推動Class Ⅰ～Ⅱ接口縮回，小彈簧收縮；同理，當工具與Class Ⅳ方頭對接時，Class Ⅰ～Ⅱ2個接口分別回縮，并壓縮彈簧，Class Ⅳ方頭插入Class Ⅳ接口，在工具脫離操作接口后彈簧復位將接口推回初始位置。

因為將扭轉工具接口與末端執行器方頭之間的面接觸改為線接觸，大幅增加了接觸應力，因此必須對其受力進行分析。在Ansys Workbench軟件靜力學分析中首先將模型進行簡化，只保留接口與方頭的模型， 分別為3種尺寸的接口加載271、1 355及2 711 N·m的轉矩載荷，仿真結果如圖13所示，3種尺寸接口的等效應力最大值分別是550、740.74、1026 MPa。

對比等效應力圖中應力分布，發現其表面應力小于其零件最大應力，即最大應力點并不在接觸面表面，而位于零件內部，這種現象為發生Hertz接觸引起的次表層應力。

3.3ROV扭矩工具換擋驅動技術研究

驅動機構主要由液壓馬達、換擋機構、減速器3部分組成。其中，液壓馬達動力由ROV動力源提供；換擋機構主要由換擋指示桿、換擋液壓缸、聯軸器（帶有梯形牙嵌離合）、雙牙嵌滑塊（兩端均為牙嵌離合）組成；減速器設計為傳動比5∶1的行星齒輪減速器。

工具在低扭矩擋位工作時（如圖14），換擋液壓缸收回，換擋滑塊小端與聯軸器上的牙嵌嚙合，由液壓馬達驅動聯軸器，帶動換擋滑塊、減速器外殼與聯軸器同步旋轉，減速器不起增扭的作用，實現低扭矩的功能。

工具在高扭矩擋位工作時（如圖15），換擋液壓缸伸出，換擋滑塊帶動牙嵌離合齒與工具外殼的牙嵌齒嚙合聯接，將減速器與工具本體聯接，此時液壓馬達驅動聯軸器，帶動減速器中心輪旋轉，實現減速增扭的功能。

4ROV扭矩工具測試技術

通過對扭矩工具進行測試，以驗證扭矩工具的功能實現情況，使工具能夠滿足水下環境使用的要求。扭矩工具的測試要求以API 17D［17］為基礎，同時控制扭矩工具保持高扭矩多圈數的操作，以滿足實際情況下工作多年的水下設施發生銹蝕等工況要求。

4.1工廠測試技術

ROV扭矩工具的FAT出廠驗收測試是對扭矩工具功能實現情況和性能的最基本的檢驗，合理的試驗程序和驗收標準對ROV扭矩工具的質量控制和性能保至關重要。參考API 17D規范，規定了ROV扭矩工具的操作對象，包括工具的負載范圍、操作對象的接口等級和尺寸。扭矩工具的測試嚴格按照標準及相關要求執行。

4.1.1扭矩工具功能測試

根據液壓原理圖可知，扭矩工具有鎖緊、解鎖、換擋、控制液壓馬達功能。鎖緊功能在液壓缸伸出后鎖緊塊伸出，可以提供2 451.6 N的力；換擋功能則需要測試其換擋便利性，通過換擋放大液壓馬達輸出扭矩的范圍；控制液壓馬達功能需要滿足開環控制和位置閉環控制功能，使工具旋轉指定圈數。

4.1.2扭矩工具扭矩標定測試

根據扭矩工具的主要操作對象，要控制扭矩工具準確穩定地向被操作設備提供驅動扭矩，則需要對扭矩工具在功能測試之后進行扭矩標定測試。測試要求將扭矩工具插入配備有靜態扭矩傳感器的旋轉對接接口，控制扭矩工具分別進行正轉和反轉操作，逐漸調節壓力和流量，觀察并記錄標定傳感器的顯示數據以及比例減壓閥的開度，并為在水下操作與控制提供數據參考。

4.2高壓艙測試

由于ROV扭矩工具設計水深為1 500 m，所以扭矩工具及其控制系統需要承受來自相應水深的環境壓力，所以高壓艙模擬試驗是必須要進行的一項試驗。該試驗決定了所設計的扭矩工具能否滿足工作水深的設計要求。試驗時使用扭矩工具操作相應的水下閥門，以驗證水下工作時工具提供的扭矩能力。高壓艙測試需在FAT試驗之后進行，并在試驗前對扭矩工具外殼進行陽極氧化處理、對裸露的液壓馬達進行噴涂防腐漆的處理。此外，高壓艙測試之前需將有壓力補償的工具和液壓閥箱預充硅油。根據設計要求需要將扭矩工具及其系統接入電力和液壓源，實時觀測扭矩工具在艙內的工作與反饋情況，并記錄相應的測試數據。

5ROV扭矩工具功能測試試驗

5.1ROV扭矩工具鎖緊和解鎖功能試驗

為測試扭矩工具的鎖緊、解鎖功能，確保工具能夠提供足夠的縮緊力，使工具穩定鎖定在水下油氣設施的操作接口，測試情況如圖16～17所示。將扭矩工具與控制系統、上位機進行連接，通過上位機控制鎖緊、解鎖功能，通過調節鎖緊液壓缸油路的減壓閥，設定減壓閥壓力10 MPa，以保證鎖緊時鎖緊力大于2 451.6 N。

5.2ROV扭矩工具擋位切換功能試驗

換擋機構由液壓缸驅動，在初始條下，牙嵌在低扭矩擋位，其離合器小端的7個梯形牙嵌齒嚙合，大端9個牙嵌齒脫離嚙合。因此在換至高扭矩擋位時需要液壓馬達轉動一定角度，使大端牙嵌齒與減速器輸入端的牙嵌齒嚙合，最終嚙合是否完全需參考換擋指示桿的位置，如圖18～19所示。

換擋時調節該回路的減壓閥分別到5、8、10 MPa，觀察其換擋工作情況。觀察到壓力在5 MPa時，既可以完成換擋功能，又能保證換擋機構沖擊力小。

5.3ROV液壓馬達控制功能試驗

液壓馬達設計有開環控制和位置閉環控制2種控制功能。根據換擋試驗即可知道可以直接驅動液壓馬達旋轉。其工作原理是：在水下工作前先確定工具的轉向，包括正轉、反轉2種情況；然后根據被操作對象的設計扭矩等，設置對應的極限扭矩值和需要操作的圈數；再按照水下作業操作流程，先設置初始壓力，并判斷工具是否旋轉，若工具不工作，則逐漸增加比例閥的開度，調節輸出壓力，直至工具轉動；工具轉到指定圈數后，自動停止，完成操作。

如圖20～21所示，液壓馬達轉到20圈時，控制馬達的比例減壓閥和比例換向閥會觸發清零，圈數顯示近似到達20圈，其原因是在控制程序中預設圈數首先被轉化為增量編碼器脈沖數，同時以此脈沖數加減一定數值作為旋轉停止范圍，在其范圍內均可認為到達預設圈數，閉環控制功能滿足要求。

5.4扭矩工具標定試驗

扭矩標定試驗是確保所設計的扭矩工具能夠滿足對應扭矩輸出需求的關鍵試驗，標定所得到扭矩工具的驅動扭矩值及其反饋數據的對應情況，決定扭矩輸出與反饋的精確程度。

為了對扭矩工具進行標定試驗，需先將扭矩工具插入帶有靜態扭矩傳感器的旋轉對接接口中，并將工具鎖緊，之后驅動液壓馬達分別進行正、反轉，逐級增加控制比例減壓閥的開度，逐漸增大液壓馬達的工作壓力，讀取扭矩工具反饋的扭矩值，并與靜態傳感器的讀數進行對比，測試照片如圖22所示。

將扭矩工具與傳感器顯示的數據進行對比，得到扭矩工具在當前泵所能提供的壓力工作條件下能夠輸出2 700 N·m的扭矩。圖23～24為扭矩工具反饋值與傳感器返回數值的對比，可知隨著扭矩越大，傳感器值與扭矩工具反饋值間的誤差越小。受泵工作能力的影響，正反轉得到的扭矩輸出值隨閥開度近似呈線性增加。通過對比可知，扭矩值的最大誤差出現在開度為0～30%以內的區間，誤差最大為8%，其余部分的誤差均小于5%，因此該扭矩工具滿足設計和測試要求。

6結論

1）研制的ROV扭矩工具結構合理、性能可靠，適用于符合ISO13628-8標準的旋轉對接接口，可提供0～2 711 N·m的扭矩。

2）根據扭矩工具及其控制系統的設計指標，設計出了液壓與電氣的控制系統。

3）使用有限元分析方法對扭矩工具的鎖緊機構、自適應接口進行了靜力學分析，計算得到鎖緊結構在3 922.7 N的鎖緊力作用下最大應力為389.6 MPa。最大變形量在鎖緊塊上，為0.126 mm；對接口的靜力學分析，得到了3個不同尺寸的扭矩工具接口在輸出極限扭矩時接口產生的最大應力為1 026.5 MPa。根據應力云圖觀測到接口表面出現了Hertz接觸引起的次表層應力；采用雙牙嵌離合換擋驅動，該關鍵技術滿足使用要求

4）根據ISO13628-8標準和API 17D標準，對扭矩工具的測試技術進行研究，提出了工廠測試扭矩工具鎖緊、解鎖功能、換擋功能，及馬達閉環控制功能的測試方案。根據工具需要工作在水下1 500 m的要求，設計扭矩工具的高壓艙測試技術方案。

5）通過工廠測試試驗證明：該扭矩工具滿足設計所需的各項功能，具有多尺寸自適應的能力，可以降低水下油氣生產的成本，提高工作效率，并為我國在水下作業領域的技術研發能力提供支持。

參考文獻：

［1］任克忍， 王定亞， 周天明， 等. 海洋石油水下裝備現狀及發展趨勢［C］// 2008年石油裝備學術年會暨慶祝中國石油大學建校55周年學術研討會， 2008.

［2］李志剛，賈鵬，王洪海，等.水下生產系統發展現狀和研究熱點［J］.哈爾濱工程大學學報，2019，40（5）：944-952.

［3］賈承造， 龐雄奇， 姜福杰. 中國油氣資源研究現狀與發展方向［J］. 石油科學通報， 2016（1）：2-23.

［4］李志剛，姜瑛，王立權. 水下油氣生產系統基礎［M］. 北京：科學出版社， 2018.

［5］江凱賢，崔相魯.ROV扭矩扳手在水下工程施工中的應用［J］.中國石油和化工標準與質量，2020，40（3）：104-105.

［6］Anonymous." Third generation torque tool［J］. Ocean News amp; Technology， 2014，20（4）：25-26.

［7］余征宇， 帥天成. ROV用扭矩扳手系統［J］. 科技傳播， 2013， 5（6）： 224-225.

［8］沈克， 嚴允， 晏紅文. 我國深海作業級ROV技術現狀及發展展望 ［J］. 控制與信息技術， 2020（3）： 1-7.

［9］張曉， 王濤， 伏學海， 等. ROV攜帶大型工具的作業風險分析［J］. 中國石油和化工標準與質量， 2014， 34（8）： 76-77.

［10］胡夏琦， 張寧， 唐咸弟， 等. 由ROV可操作性看水下生產系統的設計優化［J］. 新技術新工藝， 2016（4）： 57-60.

［11］任峰， 張瑩， 張麗婷， 等. “海龍Ⅲ”號ROV系統深海試驗與應用研究［J］. 海洋技術學報， 2019， 38（2）： 30-35.

［12］韓超，姜潔.ROV外接工具及其接口研究［J］.中國石油和化工標準與質量，2022，42（3）：106-107.

［13］王杰文， 齊兵兵， 黃佳瀚， 等. ROV及外接設備接口研究［J］. 機械工程師， 2015（8）： 110-112.

［14］Zhang L， Li Y， Meng Y， et al. Installation and Docking Technology of Control Module for Subsea Production System［C］//.Proceedings of 2nd International Conference on Mechanical， Electronic， Control and Automation Engineering （MECAE 2018），2018：361-367.

［15］Liu J， Xu J J. The Research of Monitoring System for Coal Bunker Based on a New Material Level Meter［J］. Applied Mechanics and Materials， 2014（1228）：279-282.

［16］郭培紅，朱建安. 板式閥塊三維外形圖CAD系統的開發與實現 ［J］. 焦作工學院學報， 1996，15（3）： 93-96.

［17］孟慶鑫， 王茁， 魏洪興，等. 深水液壓動力源壓力補償器研究 ［J］. 船舶工程， 2000（2）： 60-61.

［18］API 17D-2011：Design and Operation Of Subsea Production Systems——Subsea Wellhead and Tree Equipment ［S］.