水下控制模塊安裝工具結構設計與對接精度分析

賈鵬, 王佐, 井元彬, 王文龍, 馬強, 李世平, 張錦埭

(1.哈爾濱工程大學 機電工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001; 2.中海石油(中國)有限公司湛江分公司, 廣東 湛江 524057)

據相關機構統計,全球待發現的石油和天然氣資源占54.5%和56.7%,主要分布在深海海域或北極[1],因此,在深海海域對油氣資源的開采至關重要。水下生產系統憑借其靈活高效、安全可靠等特點在海洋油氣開采領域中得到廣泛應用,改進關鍵技術,確保系統安全可靠也成為水下生產系統新的趨勢[2-3]。水下控制模塊(subsea control module,SCM)是水下生產設備的核心單元,其對水下生產設備進行控制、數據采集和傳輸,保證海洋資源穩定、可靠和開采[4]。我國水下生產系統發展較晚,在SCM等核心設備上已取得重大突破,并得到了良好的實踐驗證,但相關配套設備還不完整,為促進水下生產設備的國產化,SCM安裝工具的研究不可或缺。

目前,國外對SCM安裝工具的研究較早,技術相對成熟,在全球范圍內具有廣泛應用 。國外生產SCM安裝工具的公司主要有FMC、Aker、Cameron和GE等[5-7]。近兩年,國內也開展了對水下控制模塊安裝工具的研制工作,并且取得了一定的進展,包括重慶前衛公司的SCM送入工具等[8]。

本文對哈爾濱工程大學自主研制的水下控制模塊設計了一套SCM安裝工具,簡要介紹了安裝工具的結構設計,并對安裝過程進行了對接精度分析,能夠保證SCM順利安裝在水下管匯設施上。

1 安裝工具結構設計

1.1 SCM安裝工具整體結構布局

SCM安裝工具的操作對象為哈爾濱工程大學自主研制的水下控制模塊。SCM的直徑為890 mm,高度為1 855 mm,空氣中質量約為2.5 t,如圖1所示[9-10]。

圖1 SCM三維模型Fig.1 3D model of SCM

SCM安裝工具的直徑為1 425 mm,高約為3 341 mm,空氣中質量約為1.5 t,其機械結構主要包括提升單元、鎖緊單元、上頂盤(液壓系統)、下筒體和導向筒部件等。吊裝接口為ISO 13628-8標準中的Class4 ROV式旋轉扭矩插孔,如圖1所示,吊裝接口側面開設有環形溝槽用于同SCM安裝回收工具的鎖緊連接。

鎖緊單元通過鎖緊盤與提升單元連接;提升單元通過螺栓固定到上頂盤上,上頂盤上集成液壓系統,并通過液壓缸的活塞桿與下筒體連接;導向筒部件包括導向筒、水下控制模塊安裝基座(subsea control module mounting base, SCMMB)、機架等,該部件固定在管匯上,在管匯安裝時隨管匯一同下放至水下。圖2為SCM安裝工具三維模型。

圖2 SCM安裝工具三維模型Fig.2 3D model of SCM installation tool

1.2 提升單元結構設計

提升單元如圖3所示,主要由提升外殼和鎖緊盤組成,整體通過螺栓安裝在上頂盤上,實現SCM安裝工具(包含SCM質量)的吊裝。鎖緊盤與鎖緊單元的提升芯軸連接,并具有浮動功能。頂部吊口用于SCM安裝工具和SCM整體的吊裝。

圖3 提升單元三維模型Fig.3 3D model of lifting unit

1.3 鎖緊單元結構設計

鎖緊單元具備工具和SCM的鎖緊以及SCM與SCMMB的鎖緊功能[11]。

1)工具與SCM鎖緊。

工具與SCM鎖緊功能的實現主要由鎖緊開關、聯鎖開關、移動盤、長螺柱、鎖緊內芯以及鋼珠實現[12],如圖4所示。

圖4 工具與SCM鎖緊結構Fig.4 Tool and SCM locking structure

2)SCM與SCMMB鎖緊。

SCM與SCMMB之間的鎖緊主要通過鎖緊接口、錐齒輪、自適應套筒實現,如圖5所示。

圖5 SCM與SCMBB鎖緊結構Fig.5 SCM and SCMBB locking structure

1.4 下筒體結構設計

SCM安裝工具下筒體如圖6所示,主要由下筒體、導軌、導向鍵、導向裙、鎖緊和指示機構等組成,主要功能是實現工具與SCM、導向筒對接導向,以及工具與導向筒支架之間的鎖緊。

圖6 下筒體結構三維模型Fig.6 3D model of lower cylinder structure

下筒體上焊有導軌,導軌上焊有導向鍵,導向鍵與導向筒上的導向槽配合,實現工具下放的導向對接功能;下筒體上設計鎖緊機構,保障SCM安裝和回收過程的安全可靠,其上的指示桿用來指示SCM電液接頭是否完成對接分離;下筒體上板上安裝均布的導向裙結構,補償下筒體和導向筒之間的周向誤差。

1.5 導向筒結構設計

導向筒部件如圖7所示,主要由導向筒、機架和作業板等組成。其主要功能為SCM安裝工具的導向對接、為潛水員提供作業支撐點。

圖7 導向筒部件三維模型Fig.7 3D model of guide cylinder components

導向筒主要由錐筒和直筒組成,直筒上開有導向槽和觀察孔,用來對SCM安裝工具進行導向以及觀察SCM電液接頭是否對接完成;作業板由4塊方板通過螺栓抱緊在導向筒上,在SCM安裝過程中,用于臨時放置光纖接頭和電接頭;機架由方鋼和機架板組成,其上裝有SCMMB。

2 安裝工具對接定位精度分析

SCM底部繼承大量的電氣、液壓接頭,安裝工具應將SCM定位到SCMMB上,實現電氣、液壓接頭的準確對接,保障水下采油設備的正常工作[13-15]。

SCM的對接定位過程如圖8所示。通過定位軸和定位套筒的相互約束來保證徑向和軸向定位精度,通過定位槽和定位鍵的相互約束來保證周向定位精度。保證下放SCM時的偏差小于SCM的對接精度要求[16]。

圖8 SCM對接定位示意Fig.8 SCM docking positioning diagram

SCM安裝過程中主要的對接定位部件如圖9所示,包括浮動機構、下筒體對接定位機構和導向筒對接定位機構。為了保證SCM的精準安裝,需要對各對接定位機構進行精度分析,得到各機構在安裝過程中產生的理論偏差以及偏差控制準則。

圖9 對接定位部件示意Fig.9 Schematic diagram of docking and positioning components

2.1 水下控制模塊安裝過程偏差控制準則

SCM的安裝在下筒體與導向筒鎖緊后進行,故不考慮下筒體下放時與導向筒之間的精度關系。下筒體落至導向筒后,SCM定位軸的最大徑向誤差和最大周向誤差為:

(1)

(2)

由于浮動機構需要補償由下筒體和導向筒產生的偏差,則有:

(3)

因此,安裝SCM過程產生的最大允許徑向偏差和最大周向允許偏差與SCM精對中的最大允許徑向偏差和最大允許周向偏差的關系為:

(4)

式中:λSCM-max為SCM精對中最大允許徑向偏差;φSCM-max為SCM精對中最大允許周向偏差。

只有滿足式(1)～(4),SCM才會順利安裝至SCMMB上。

2.2 浮動機構定位精度分析

浮動機構允許提升芯軸和鎖緊盤之間的相對運動可以分解為軸向傾斜、徑向移動和周向轉動。

1) 浮動機構軸向傾斜分析。

浮動機構的軸向傾斜角度受邊界條件的限制,如圖10所示。

圖10 浮動機構的最大傾斜角度Fig.10 Maximum title angle of floating mechanism

當提升芯軸僅受鎖緊盤限制時,提升芯軸的最大傾斜角度β1-max為:

(5)

式中:h1為鎖緊盤的有效高度;d1為鎖緊盤開口尺寸;d2為提升芯軸尺寸最小直徑。

當提升芯軸受提升外殼限制時,提升芯軸的最大傾斜角度β2-max為:

(6)

式中:h2為提升芯軸頂部高度;h3為提升外殼凹槽頂部至鎖緊盤凹槽底部垂直距離;d3為提升芯軸頂部直徑

2) 浮動機構徑向偏差和周向偏差。

浮動機構的水平截面圖如圖11所示,為防止浮動機構定位失效,需滿足條件為:

圖11 浮動機構水平截面Fig.11 Horizontal section of floating mechanism

(7)

因此,針對圖11所示幾何關系,可以得出浮動機構的徑向偏差為:

(8)

提升芯軸的最大周向偏差視為徑向移動和周向轉動,最終受鎖緊盤兩開孔平面的限制,如圖12所示。計算得到最大周向偏差角度φ1-max為:

圖12 浮動機構最大周向偏差示意Fig.12 Schematic diagram of maximum circumfer-ential deviation of floating mechanism

φ1-max=arcsin(s2/d1)-arctan(s1/l1)

(9)

2.3 導向筒定位機構定位精度分析

導向筒、下筒體和SCM之間的配合關系可視為“雙導向鍵”定位機構,水平截面如圖13所示。

圖13 “雙導向鍵”定位機構示意Fig.13 “Double guide key” positioning mechanism

圖13中,H1為SCM導向鍵表面至圓心的距離;H2為下筒體導向槽底面至圓心的距離;H3為下筒體導向鍵表面至圓心的距離;H4為下筒體導向槽平面至圓心的距離;H5為導向筒導向槽頂點至圓心的距離;D1為SCM直徑;D2為SCM閥板直徑;D3為下筒體內徑;D4為下筒體外徑;D5為導向筒內徑;D6為導向筒外徑;L1為SCM導向鍵寬度;L2為下筒體導向槽寬度;L4為下筒體導向鍵寬度;L5為導向筒導向槽寬度。

安裝SCM過程中,在下筒體導向裙的補償下,下筒體的移動范圍為:

(10)

將下筒體和導向筒定位機構簡化為圖14所示。由圖14(a)所示,γ是下筒體逆時針旋轉的最大角度,通過求解可得:

圖14 下筒體徑向移動后旋轉截面Fig.14 Section view of rotation after radial movement of lower cylinder

(11)

由圖14(b)所示,α是下筒體順時針旋轉的最大角度,通過求解可得:

(12)

定義逆時針為負值,順時針為正值。則下筒體徑向移動后的可旋轉范圍為:

-γ≤φ0≤α

(13)

則下筒體允許的最大旋轉角度為:

φ0-max=max(γ,α)

(14)

2.4 下筒體對接定位機構定位精度分析

SCM移動后再進行旋轉時可能受到下筒體導向槽底面和平面的約束,故需限制H2和H4的最小值。當SCM移動到一個位置時,最大周向轉角的位置可能為H2和H4的極限位置,此時的SCM和下筒體定位機構的水平截面見圖15(a)。

圖15 SCM和導向筒機構的水平截面Fig.15 Horizontal section of SCM and lower cylinder mechanism

為了防止周向定位失效,需要滿足:

(15)

在不受浮動機構影響時,H4受SCM位置的影響,滿足:

(16)

在受浮動機構影響時,H4滿足:

(17)

由圖15(b)可知,當SCM逆時針旋轉至最大值σ1-max時,有:

(18)

如圖15(c)所示旋轉極限位置局部放大圖,有:

(19)

結合式(15)～(17)以及幾何關系可知H2的取值范圍為:

(20)

SCM的徑向移動和周向轉動情況因鍵間隙與軸間隙的關系而定,需要對2種情況進行分析。

1)鍵間隙大于軸間隙。

當鍵間隙大于軸間隙,即D3-D2

(21)

SCM在此定位方式下的最大周向偏差狀態可視為SCM先徑向移動至與下筒體內壁相切,然后繞SCM中心O2進行順時針或逆時針旋轉至與導向槽接觸,如圖15(b)所示。當SCM圓心在第1和第4象限時,SCM逆時針最大旋轉角度為最大允許周向偏差;當圓心在第2和第3象限時,SCM順時針最大旋轉角度為最大允許周向偏差。

根據上述原理,圓心坐標滿足:

(22)

通過求解式(18)得到周向偏差為:

(23)

將SCM圓心在移動范圍內的每個點通過數值計算,求得最大允許周向偏差σ1-max。

2)軸間隙大于鍵間隙。

當軸間隙大于鍵間隙,即D3-D2>L2-L1時,SCM在徑向上既要考慮下筒體內壁的約束外,還要考慮受導向槽的約束。此時SCM的運動情況見圖16。圖16(a)為SCM位于理想位置時的示意圖;圖16(b)為SCM向左運動到下筒體導向槽和SCM導向鍵剛剛接觸位置;圖16(c)為SCM繞頂點進行旋轉至SCM閥板與下筒體內壁接觸。

圖16 軸間隙大于鍵間隙時位置變化的水平截面Fig.16 Horizontal section with position change when shaft clearance is greater than key clearance

當SCM處于圖16(a)情況時,此時SCM導向鍵僅受導向槽限制,SCM的圓心O2(x2,y2)滿足:

(24)

由幾何關系可得SCM的最大周向偏差為:

(H1+y2-H4)tanσ2-max+L1/cosσ2-max=L2

(25)

當SCM處于圖16(c)時,SCM的周向偏差可視為SCM先通過徑向移動至導向槽側壁,然后繞SCM導向鍵頂點順時針或逆時針旋轉,此時SCM通過導向槽側壁和下筒體內壁共同限制。

SCM圓心O2(x2,y2)滿足:

(26)

此時,SCM最大的周向旋轉角度同式(23)。

3 安裝工具對接精度數值分析

在水下控制模塊的安裝過程中,SCM的精確對接至關重要。根據第2節中對SCM安裝過程建立的各對數學模型,通過MATLAB數值計算分析理論設計參數與偏差的影響關系,并計算得到理論設計參數下的偏差,與精度要求進行比較,驗證設計的可靠性。SCM安裝工具設計參數見表1,對接允許誤差參數見表2。

表1 SCM安裝工具設計參數Table 1 SCM installation tool design parameters

表2 對接允許誤差參數Table 2 Allowable error parameters for docking

由于導向筒固定在水下管匯中,在上述取值中,SCM的最大徑向偏差為30 mm,小于SCM對接允許的最大徑向偏差50 mm,因此在數值計算分析中主要考慮周向偏差。

3.1 浮動機構對接精度數值分析

浮動機構的軸向傾斜、徑向移動和周向轉動影響SCM安裝過程的補償。因此,對2.2節中浮動機構的建模進行數值計算分析。得到最大傾斜角度β1-max關于h1和d1～d2的變化曲線如圖17和圖18所示。由圖17和圖18可知,d1-d2對βmax影響較大,d1-d2越大,βmax越大;h1對βmax的影響較小。通過計算得出最大軸向傾斜角度為2.65°;徑向偏差為2 mm;最大周向偏差為7.07°。

圖17 定位槽底部示意Fig.17 Schematic diagram of positioning groove bottom

圖18 SCM旋轉示意Fig.18 SCM rotation diagram

3.2 下筒體定位機構對接精度分析

當鍵間隙大于軸間隙時,由式(23)可知,σ1受L2和x2影響,通過數值計算仿真得到σ1受L2和x2影響的曲線如圖19所示。當x2受浮動機構徑向偏差e1影響時,通過數值計算仿真得到σ1受L2和y2影響的曲線如圖20所示。

圖19 受軸間隙影響Fig.19 Affected by shaft clearance

圖20 受浮動機構徑向偏差影響Fig.20 Affected by radial deviation of floating mechanism

由圖19和圖20所示,當L2確定時,σ1隨x2的增大而減小;當x2確定時,σ1隨L2的增大而增大。由于浮動機構的徑向偏差小于SCM和導向筒之間的軸間隙,因此圖20更具有參考意義。由式(23)求得此參數下最大旋轉角度為7.16°。

當軸間隙大于鍵間隙時,SCM通過導向槽和下筒體內壁共同限制,此時與鍵間隙大于軸間隙情況相同,見式(23)和圖19所示;當SCM旋轉角度僅受導向槽影響時,根據式(25)得σ1受L2和y2的影響,當L2確定時,曲線如圖21所示。

圖21 僅受導向槽限制Fig.21 Limited by guide groove

由圖19所示,當L2確定時,σ1隨x2的增大而減小,且趨勢較明顯;當x2確定時,σ1隨L2的增大而增大,且趨勢較緩。由圖21所示,σ1隨y2的增大而減小。

3.3 導向筒定位機構對接精度分析

當下筒體的旋轉角度受導向裙的影響時,此時鍵間隙大于軸間隙,通過數值仿真計算可得φ0與L5之間的關系,如圖22所示,由圖22可知φ0隨L5的增加而增加,角度較小;確定L5,在下筒體圓心的移動范圍內的φ0對應的數值如圖23所示,其最大角度為1.2°。

圖23 受下筒體移動范圍影響曲線Fig.23 Curve affected by the moving range of lower cylinder

3.4 設計參數驗證

基于上述分析,在此設計參數下,SCM安裝工具安裝SCM過程中的對接精度見表3。

表3 對接精度參數Table 3 Parameters of docking accuracy

將計算得到的對接精度參數代入式(1)～(4)中,計算得到各精度參數滿足SCM安裝工具設計要求,說明在此設計參數下安裝工具能夠完成SCM的精確安裝。

4 結論

1)針對水下控制模塊的安裝要求,設計了一套水下100米級的水下控制模塊安裝工具,針對安裝工具各部分所需的功能,完成了安裝工具各部分的結構設計。

2)針對水下控制模塊的安裝精度要求,對安裝過程中的浮動機構、下筒體對接定位機構和導向筒對接定位機構進行數學建模與對接精度分析,求解影響安裝精度的各個參數以及各參數與安裝精度的之間的關系

3)對安裝過程各結構建立的數學模型進行數值計算分析,求解得到在此設計參數下的安裝精度以及他們之間的影響關系,驗證了設計參數的有效性,保證安裝工具能夠實現SCM的精確下放。