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1、水下控制模块对接盘对中锁紧机构设计 梁斌 张鹏举 饶斌 美钻能源科技(上海)有限公司 摘 要： 对水下控制模块 (Subsea Control Module, SCM) 的功能、结构和安装对接过程进行分析, 设计一套利用机械死点的滑块连杆机构为工作原理的新型的水下控制模块对中锁紧机构, 从而实现水下控制模块各个快插的连接, 为采油树水下控制模块及相关产品的国产化开发应用积累了经验。关键词： 水下控制模块 (SCM) ; 对中; 锁紧; 解锁; 机构设计; 作者简介：梁斌 (1975-) , 男, 高级工程师基金：工业和信息化部科研项目 (2014509号文) “水下控制系统对接盘、锁紧机构研制
2、”Design of Center-Aligning and Locking Mechanism in Subsea Control ModuleLIANG Bin ZHANG Pengju RAO Bin MSP/DRILEX (Shanghai) Co., Ltd.; Abstract： The function, structure and installation of the Subsea Control Module (SCM) are analyzed.A new set of center-aligning and locking mechanism with a dead p
3、oint and slider linkage as executive mechanism is designed, which enables the connection of all couplings in SCM.It provioles experience for the localization development and application of the SCM of the subsea X-mas tree and its related products.Keyword： Subsea Control Module (SCM) ; center-alignin
4、g; locking; unlocking; mechanism design; 0 引言在海洋油气田 (特别是深水/超深水油气田) 的勘探开发过程中, 石油、天然气的产量控制、分离处理和海底长距离输送等操作均通过水下生产系统完成, 并在水下生产控制系统的控制下, 实现从海底输送到海面依托设备或陆上终端设备。水下控制系统是水下生产系统的重要组成部分, 为保证水下油气田的安全运行, 须对水下生产控制系统进行安全有效的控制1-4。水下控制模块 (Subsea Control Module, SCM) 是水下生产系统的控制核心部件之一, 它根据水面发出的控制指令实现相应的水下监控。SCM 安装在水下
5、采油树等设备的水下控制模块基座 (Subsea Control Module Mounting Base, SCMMB) 上, SCM 控制采油树上安装的液控闸阀和水面控制井下的安全阀, 同时监控采油树上安装的生产或环空侧的压力传感器、压力温度传感器及井下压力温度传感器等。水下控制系统对接盘及其锁紧机构是水下控制系统的关键技术。目前国际主流的 SCM, 在水下安装过程中大都通过水下遥控机器人 (Remotely Operated Vehicle, ROV) 辅助, 使用钢丝绳便能完成 SCM 的水下安装和取回。SCM 须具备可回收和重复安装的功能, 可通过水下控制系统对接盘的水下对接 (SCM
6、 和 SCMMB 的水下对接) 实现。对接盘对接完成后进行机械锁紧, 即完成各类水下液压快插和水下电连接器的连接, 以便更好地实现各个控制功能5-7。本项目针对 500m 水深水下控制系统的需求, 突破深水环境下深水控制系统对接盘和锁紧机构的设计、制造、测试关键技术, 完成 500m 深水控制系统对接盘、锁紧机构工程样机的研制8。1 总体结构设计SCM 采用的模块化设计以及整体安装、取回方式, 使其成为一种可回收并且可以重复使用的独立单元设备, 在深水中通过 ROV 的辅助将水下控制模块安装并锁紧到水下采油树等设备上。SCM 设置有导向对中装置, 便于 SCM 与 SCMMB 进行自动对中,
7、同时可以有效防止出现多路液压/电气接头的错插。在 SCM 底部安装定位销的基础上增加引导装置, 引导装置在对接盘对接前实现引导定位。对接盘上安装有 6 个四通快插、3 个回油液压快插、1 套 4 芯湿式插拔电连接器、1 套 12 芯湿式插拔电连接器, 可以实现多路液压/电气接头的自动对中及锁紧。机械锁紧机构是 SCM 的关键部件:在运输过程中可以通过锁紧机构将 SCM 锁紧在运输框架上, 在方便运输的同时降低底板上安装的各类液压和电气接头等重要零部件遭到损坏的可能性;在安装过程中, 通过 ROV 给锁紧机构施加一个轴向力使液压/电气接头完全配合安装到位, 实现多路液压/电气回路导通。对接盘锁紧
8、机构总体结构如图 1 所示。图 1 对接盘锁紧机构总体结构 下载原图图 2 上对接盘俯视图 下载原图上对接盘俯视图如图 2 所示, 下对接盘俯视图如图 3 所示。上下对接盘上设置有两级导向机构, 其中上对接盘外形结构与 SCMMB 的 4 根保护支架形成初级导向, 而上对接盘导向杆与下对接盘上的导向筒形成精确导向, 通过两级导向, 能够确保上、下对接盘的良好对中。对中完成后, 利用 1 套滑块连杆机构和机械死点完成锁紧。图 1 中的锁紧机构向简化图如图 4 所示。图 3 下对接盘俯视图 下载原图图 4 锁紧机构简化图 下载原图锁紧机构自由度为式中:活动件数 n=3;低副个数 P1=4;高副个数
9、 Ph=0;计算得自由度 F=1, 恰好等于原动件 (提升芯轴) 个数, 即该机构运动状态稳定。当主动件提升芯轴压到最低点时, 此时左、右 2 个锁紧块平面恰好贴到下面板下端面, 且两连杆处于共线状态, 即呈 180, 此时提升芯轴与连杆铰接点形成机械死点, 即上、下对接盘除了原动件 (提升芯轴) 上下移动, 在各类外力干扰下, 仍可保持锁紧状态。2 对接盘对接锁紧及对接过程SCM 正常安装锁紧到 SCMMB 上后, 锁紧机构的作用力可以解决 SCM 受到 ROV 的意外碰撞导致液压/电气接头损伤的可能性。通过 ROV 提供反向的轴向力可以对锁紧机构进行解锁操作, 以便从水下取回 SCM, 并
10、能够最大化地保证水下生产控制系统的正常运行。上、下对接盘分别装配有液压/电气插拔连接器的各路公头和母头, 通过锁紧机构上提升芯轴的上下轴向运动, 实现上、下对接盘的锁紧与解锁, 同时实现液压/电气接头的连接与脱开。图 5 对接盘锁紧状态 下载原图2.1 对接盘对接锁紧机理SCM 顶部为锁紧机构提升芯轴把手, 通过螺纹与提升芯轴连接。提升芯轴下端通过销轴与 3 根连杆铰接, 3 根连杆以同样形式与左右一对锁块铰接。通过 SCM多功能下入工具 (Multi Purpose Running Tool, MPRT) 对提升芯轴把手施加一个向下的力, 将提升芯轴向下压紧, 直至芯轴把手斜面与顶部导向筒的
11、限位斜面相接触。此时, 左右锁块撑起, 两锁紧面呈 180, 从而使锁紧块扣紧下对接盘底面, 实现上、下对接盘的对接锁紧。对接盘对接锁紧过程如图 5 所示。在整个机构整体垂直下降时 (此时锁紧机构的两锁块处于收紧状态) , 上对接盘下端面的 2 个导向穿过下对接盘上的导向筒实现对中。在下对接盘中部有一矩形通孔, 2 个锁紧块也同时穿过此矩形通孔。液压四通快插相接, 继续对提升芯轴施加压力, 锁紧机构撑起锁紧块, 并扣紧下对接盘, 完成各个连接器的对接。在提升芯轴把手设有上、下 2 条黄色指示带, 分别指示整个机构处于锁紧和解锁状态, 便于 ROV 观测对接盘状态, 锁紧机构状态指示带, 如图
12、6 所示。图 6 锁紧机构状态指示带 下载原图2.2 对接盘解锁脱开机理对接盘解锁脱开机理与锁紧机理相反, 通过 MPRT 对提升芯轴把手施加 1 个向上的力, 将提升芯轴把手向上提起, 直至提升芯轴的斜面与芯轴套筒内的限位斜面相接触, 此时 2 个锁紧块收回, 两锁紧面相互平行, 实现对接盘解锁。然后通过提升芯轴将整个对接盘提起, 实现上、下对接盘脱开。在整个回收上升过程中, 可从下对接盘的中心矩形孔收回对接盘锁紧机构, 完成上、下对接盘的解锁。对接盘解锁状态如图 7 所示。3 锁紧机构分析计算3.1 锁紧与解锁操作力计算图 7 对接盘解锁状态 下载原图水下对接盘锁紧机构总重为式中:N st
13、为四通快插数量;N yy为水下插拔式液压接头数量;M st为四通快插重量;Myy为水下插拔式液压接头重量;M d4为 4 芯电气接头重量;M d12为 12 芯电气接头重量;M ds为对接盘、锁紧机构自身重量。本文采用 6 个四通快插、3 个液压快插、1 个 4 芯电气接头、1 个 12 芯电气接头。查阅产品手册可知:四通快插重量为 Mst=19kg;水下插拔式液压接头重量Myy=2.5kg;4 芯电气接头重量为 Md4=3.9kg;12 芯电气接头重量为 Md12=4.25kg;对接盘锁紧机构自身重量为 Mds=471.47kg。因此, 水下对接盘锁紧机构总重量为Mz=601.12kg一般情
14、况 (不考虑浮力、重力和非密封结构的密封) 下, 水下对接盘锁紧机构锁紧力为式中:N st为四通快插数量;F cb为四通快插插拔力;N yy为水下插拔式液压接头数量;Fyy为水下插拔式液压弹簧推力;F 4为 4 芯电气接头插合力;F 12为 12 芯电气接头插合力。查阅产品手册可知:F cb=618.481N;Fyy=197N;F4=400N;F12=650N。因此, 水下对接盘锁紧机构锁紧力为 Fsj=5.352kN。考虑重力和浮力的作用, 轴向力 (向下) 为式中:M z为水下对接盘、锁紧机构总重;g 为重力; t为金属材料密度; s为水密度。本文所选用金属材料的密度 t=7.8510kg
15、/m, 因此轴向力 (向下) 为Fza=5.123kN。考虑重力和浮力的作用, 水下对接盘锁紧机构的锁紧力 (下压力) 为式中:F sj为锁紧解锁力;F za为轴向力 (向下) 。由式 (5) 可知:F sja=229N。考虑浮力和重力, 水下对接盘最大解锁力为式中:N st为四通快插数量;F cb为四通快插插拔力;F za为轴向力 (向下) 。由式 (6) 可知:F za=5.123kN;查阅数据手册可知 Fcb=618.481N。因此, 水下对接盘最大锁紧力为 Fjs=8.834kN。水下对接盘、锁紧机构锁紧与解锁操作力为式中:F sj为水下对接盘、锁紧机构锁紧力;F sja为水下对接盘、
16、锁紧机构锁紧力 (下压力) ;F sj为水下对接盘最大解锁力。水下对接盘锁紧机构锁紧与解锁操作力为 Fcz=8.834kN, 满足设计要求。在四通阀体存在贴合力的情况下, 四通快插瞬时拔出力为式中:F cb为四通快插插拔力;F btth为四通阀体贴合力。查阅产品手册可知四通阀体贴合力 Fbtth=1.41010N, 因此, F bbt=1.47210N。在密封压盖存在贴合力的情况下, 四通快插瞬时拔出力为式中:F cb为四通快插插拔力;F ygth为密封压盖贴合力。查阅产品手册可知:密封压盖贴合力 Fygth=3.83710N, 因此在密封压盖存在贴合力的情况下, 四通快插瞬时拔出力为 Fbyg=3.90010N。考虑非密封贴合面形成密封, 在四通阀体存在贴合力的情况下, 瞬时解锁力为式中:N st为四通快插数量;F bbt为在四通阀体存在贴合力的情况下四通快插瞬时拔出力;F za为轴向力 (向下) 。查阅产品手册可知:在四通阀体存在贴合力的情况下, 四通
