水下控制模塊應急解鎖工具設計與分析

杜振偉，閆嘉鈺，王文聰，熊 濤，李 偉，胡 亮

（重慶前衛科技集團有限公司，重慶 401121）

0 引言

水下控制系統是水下生產系統的重要組成部分，用于保障水下生產系統安全、高效的運行，而水下控制模塊（Subsea Control Module，SCM）是水下控制系統中的核心部件，其零件精密，機構復雜，成本較高[1-3]。因此，保障SCM水下的安全安裝和回收顯得尤為重要。特別是當需要回收SCM時，如果SCM無法正常解鎖，則無法完成SCM的回收。因此，需要設計一個專用于SCM應急解鎖的工具。

水下控制系統（SCM）安裝工具的任務就是安裝和回收SCM模塊。本文針對重慶前衛科技集團有限公司生產的QSCM Ⅱ代水下控制模塊鎖緊及解鎖要求，通過對SCM應急鎖緊工作原理分析，開展SCM應急解鎖工具結構設計，并針對驅動桿和連接螺紋等關鍵結構建立有限元分析模型，并進行強度分析，保障應急解鎖的可靠性和安全性。

1 SCM 鎖緊機構主體結構

SCM鎖緊機構見圖1，進行SCM安裝時，通過SCM安裝回收工具將SCM下放到安裝基座上，SCM通過自身重量座放到位，利用水下遙控機器人（Remote Operated Vehicle，ROV）扭矩工具順時針旋轉Class 4連接桿，連接桿通過防轉鍵帶動固定套筒旋轉，從而驅動鎖塊套筒向上移動，通過鎖塊套筒的向上移動，帶動鎖塊根據Class 4連接桿的型面變化而伸出，從而實現SCM與SCM安裝基座（Subsea Control Module Mounting Base，SCMMB）的鎖緊。

圖1 SCM鎖緊機構示意

回收SCM時候，利用水下遙控機器人（ROV）攜帶的扭矩工具逆時針旋轉Class 4連接桿，完成與鎖緊過程相反的動作，實現SCM與SCMMB的解鎖。圖2中左側是SCM與SCMMB鎖緊狀態，右側是SCM與SCMMB解鎖狀態。

圖2 SCM 鎖緊機構鎖塊示意

2 SCM 應急解鎖工具結構設計

通過研究SCM鎖緊機構的結構及工作原理，針對SCM的解鎖過程，設計SCM應急解鎖工具，結構見圖3。

圖3 SCM 應急解鎖工具結構

通過ROV將本應急解鎖工具與SCM頂部操作接口對接，然后順時針旋轉ROV操作把手，實現驅動桿與SCM連接桿的螺紋連接（見圖4）。然后通過ROV的液壓系統向本應急解鎖工具的液壓缸注入壓力，活塞帶動驅動桿及SCM Class4連接桿向上運動，以剪短剪切銷，直至Class 4連接桿完全從SCM鎖緊機構中脫離，最終實現SCM與SCMMB的應急解鎖。應急解鎖過程中SCM應急解鎖工具及SCM鎖緊機構狀態見圖5。

圖4 SCM 應急解鎖工具與SCM 鎖緊機構連接

圖5 應急解鎖過程中工具及鎖緊機構狀態

3 驅動桿力學特性分析

3.1 驅動桿有限元模型構建

旋轉ROV操作把手，驅動桿端部螺栓與SCM連接桿的內螺紋鎖緊連接。驅動桿端部鎖緊狀態為螺栓螺母接觸，對于螺栓螺母接觸仿真通常采用實體建模、梁單元簡化和連接單元簡化等方法，其應力分布精度依次下降。實體建模又有3種方法，分別是完全螺紋建模、圓柱體建模并在連接處添加螺紋作用約束和圓柱體建模并在連接處添加綁定約束，其準確度和建模難度也依次下降。完全螺紋建模精確度較高，但建模難度較大，效率較低；接觸收斂困難，計算量大。運用有限元分析軟件ABAQUS，在螺栓螺母接觸定義中設置與實際螺紋相關參數，如螺距、牙型角、螺紋公稱直徑等，就可真實模擬螺栓螺母接觸。此方法螺紋接觸建模計算效率高也可獲得足夠精確的結果，故本文選擇在連接處添加螺紋作用模擬驅動桿與SCM連接桿連接鎖定。

驅動桿與SCM連接桿網格劃分選用C3D8R六面體單元，驅動桿六面體網格具有51 587個節點，45 264個單元；SCM連接桿六面體網格具有20 315個節點，17 948個單元，有限元模型見圖6。驅動桿、SCM連接桿材料4130 75K，彈性模量為2 1 1 G P a，泊松比為0.28，屈服強度為517 MPa。驅動桿連接螺紋規格為M20×2.5。

圖6 驅動桿連接有限元模型

3.2 約束載荷施加

靜力學分析時為避免出現剛體位移需要對模型的自由度進行限制。SCM連接桿底部完全固定，為確保驅動桿單一軸向加載不受影響，驅動桿頂端保留z軸移動自由度，限制其余自由度。根據工況分析，驅動桿在解鎖工況下的受力最大，因此選取該工況最大軸向力進行加載。SCM連接桿中發生剪切破壞最大軸向載荷F為14 808.2 N，SCM連接桿重力G為220 N，故驅動桿解鎖工況下最大軸向力Fmax=15 028.2 N。驅動桿軸肩下表面中心設置載荷參考點，將軸肩下表面耦合至載荷參考點，載荷參考點沿z軸正向加載最大軸向力Fmax，加載幅值默認為斜坡加載，模型邊界條件設置見圖7[4]。

圖7 模型邊界條件示意圖

3.3 螺紋接觸設置

據3.1節所述，驅動桿與SCM連接桿連接處添加螺紋作用模擬驅動桿與SCM連接桿連接鎖定。驅動桿與SCM連接桿連接處設置為面-面接觸，SCM連接桿相對于驅動桿剛度較大，故SCM連接桿連接孔內表面設置為接觸主面，驅動桿連接軸外表面設置為接觸從面。連接處添加螺紋作用，設置螺紋角60°，螺距2.5 mm，螺紋公稱直徑20.0 mm。接觸屬性切向行為設置為摩擦系數0.15，法向行為設置為硬接觸。

3.4 結果分析

最大軸向力Fmax加載后驅動桿等效應力云圖如圖8所示。最大應力位于驅動桿最細軸頸處，最大應力為91.736 MPa，遠小于材料屈服強度517.000 MPa，故驅動桿滿足強度要求。

圖8 驅動桿等效應力云圖

驅動桿螺紋連接處等效應力云圖、接觸壓力云圖見圖9和圖10。螺紋連接處整體的應力分布呈啞鈴狀，應力分布不均勻，起始端螺紋應力較大，最大應力為85.055 MPa，小于螺紋材料的屈服強度；螺紋連接最大接觸壓力位于末端螺紋處，為24.176 MPa，小于螺紋材料的許用擠壓應力[σ]=0.6σs=310.2 MPa，故驅動桿連接螺紋強度滿足要求。

圖9 螺紋連接等效應力云圖

圖10 螺紋連接接觸壓力云圖

4 SCM 應急解鎖工具調試

SCM應急解鎖工具下水前必須進行功能測試（見圖11），以降低該工具水下操作出現故障的幾率。功能測試中主要是接口測試，并由ROV完成模擬測試動作，首先確認應急解鎖工具與SCM頂部操作接口對接無誤；然后確認應急解鎖工具驅動桿與SCM Class4連接桿螺紋連接無誤[5]。

圖11 SCM 應急解鎖工具現場測試

5 結論

本文提出SCM應急解鎖工具的設計，闡述SCM應急解鎖工具工作原理，并針對解鎖機構驅動桿提升能力進行分析及計算，為以后水下控制模塊及相關產品的設計優化提供參考。通過研究與現場調試得出以下結論：

1）該工具與SCM頂部ROV操作接口的配合簡單，ROV進行水下對接易實現；該工具驅動桿與SCM Class4連接桿通過螺紋連接，ROV機械手易操作；應急解鎖時通過液壓的方式剪斷剪切銷，穩定可靠。

2）驅動桿最大應力位于最細軸頸處，最大應力為91.736 MPa ， 遠小于材料屈服強度517.000 MPa；螺紋連接最大接觸壓力位于末端螺紋處，為24.176 MPa，小于螺紋材料的許用擠壓應力。最后，SCM應急解鎖工具進行調試，滿足設計要求。