水下控制模块锁紧机构设计

代广文，赵宏林，叶天源，段梦兰，徐时贤，朱军龙（．中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京049；．重庆前卫海洋石油工程设备有限责任公司，重庆40）

·设计计算·

水下控制模块锁紧机构设计

代广文1，赵宏林1，叶天源2，段梦兰1，徐时贤1，朱军龙1
（1．中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249；2．重庆前卫海洋石油工程设备有限责任公司，重庆401121）①

水下控制模块是水下采油树的重要组成部分，其长期处于水下高压状态，对其进行固定和锁紧至关重要。根据ISO 13628-8等相应规范，在考虑水下控制模块外形及锁紧力的基础上，利用Solidworks软件建模，对水下控制模块锁紧机构进行设计，同时利用经验公式对锁紧机构的强度进行计算。分析结果表明，设计的锁紧机构满足水下控制模块锁紧的需求。

水下控制模块；锁紧机构；结构；力学分析

水下控制模块（以下简称SCM）长期工作在海底，它的工作环境具有压力高、腐蚀性强、海水流动的特性［1］。为了使水下控制模块内部的元件不受外界海水环境的影响，需要为水下控制模块设计独立的封装系统，从而使内部元件与海水隔离、保证水下控制模块内部工作是一个稳定的环境，而锁紧装置的设计对于水下控制模块密封与固定起着至关重要的作用［2］。

关于水下控制模块的研制，国外公司有着比较成熟的技术，并对该技术进行垄断。Aker Solution公司设计的一种水下控制模块外形为圆柱式结构，采用单轴锁紧形式，并在连接底板上装有自封闭液压接头，避免配对接头脱开后控制液的泄漏，该装置适合于深水中使用。该公司另外一种水下控制模块整体为四方形结构，采用双锁紧轴的锁紧形式，锁紧可靠，适合于较浅海水使用［3］，如图1～2。FMC公司主要采用中间锁紧轴的形式锁紧，Cameron公司则采用锁紧块的方式进行锁紧［4］，如图3～4。但详细的外部形状及结构设计相关资料数据很少，相应的公司对外部实施严格保密。

本文针对1500m水深，对圆筒形水下控制模块锁紧机构进行分析研究，为形成具有自主知识产权的水下控制模块锁紧机构提供有力的技术支持。

图1　Aker Solution公司单轴锁紧式水下控制模块

图2　Aker Solution公司双轴锁紧式水下控制模块

图3　FMC公司水下控制模块（上部）及安装底座（下部）

图4　Cameron公司水下控制模块底部视图

1　结构组成

1．1 水下控制模块

通常，水下控制系统分为先导液压控制、直接液压控制、直接电液控制、顺序液压控制、复合电液控制和全电控制等几种类型［5］，本文的水下控制模块是基于复合电液控制方式进行设计。近几年来，蓄能器在圆形壳体内的SCM封装用的较多，而且技术已经成熟，故此次设计采用圆形外壳，蓄能器和水下电子模块（SEM）放在壳体内，且SEM采用冗余设置，这样给整个采油树节省了空间，提高了可靠性［6］。

SCM封装系统结构提供电力供给接口、与水上的通信接口、水下可回收的计量或生产压力控制模块的通信接口、与机具配合驱动解锁接口和吊装接口、以及起到压力补偿作用的皮囊［7］。为了提高封装系统的密封性能，封装系统的顶部结构与壳体采用焊接的方式连接，从而减少两者之间密封结构设计，提高了系统结构可靠性。中间壳体的设计采用圆柱形，能够避免应力集中在水中带来的损伤。设计时一方面要满足外压强度要求，另一方面必须根据海水环境的腐蚀条件，计算腐蚀余量，同时在壳体上采用机械结构指示的方法，并且与水下导向机构上的位置指示功能配合工作。封装系统底座与安装基座成镜像结构，配置许多功能接口，包括液压动力供给接口、液压控制功能接口、传感器数据采集接口。底座上的接口分布采用对称结构设计，防止锁紧时由于反力不平衡而产生弯矩，同时进行二次导向。底座上设置有两个导向结构对SCM下放进行一次导向。安装基座固定安装在水下采油树上，与SCM封装系统底座成镜像结构配置许多功能接口，主要是与底座成对出现的液压接口和电气接口，即基座上安装快速液压接头的公头和电接头的公头。图5为SCM结构示意图。

图5　水下控制模块（SCM）结构示意

1．2 锁紧机构

封装系统锁紧机构为水下控制模块与安装基座对接过程提供原动力，图6为锁紧机构示意图。锁紧机构主要包括锁紧套筒和机具驱动的锁紧杆。锁紧套筒顶端和底端分别采用法兰与封装系统顶部底座连接，即锁紧套筒与封装系统是刚性连接的。锁紧杆设计时，类似阶梯轴结构。锁紧杆安装于锁紧套筒的内部，贯穿锁紧套筒。锁紧套筒的顶端内部和底端内部与锁紧杆之间采用多道密封结构，防止海水进入锁紧杆与锁紧套筒之间的环形空间。

图6　锁紧机构示意

2　锁紧机构的结构设计

2.1 SCM锁紧机构设计目的和要求

当在水下对SCM进行安装维修拆除时，由于SCM底座与安装基座之间有很多的液压接头、电接头，一方面对SCM进行水下安装时，单靠SCM的自身重力无法压紧，必须借助于外力压紧SCM底座与安装基座各种接头；另一方面，对SCM进行拆除时，由于提升工具的提升力较大，容易损坏接头，也必须借助于锁紧装置使SCM底座与安装基座各个接头安全分离。

锁紧装置的设计需考虑强度要求和其受力情况以及密封性能，由于SCM的锁紧装置直接与海水接触，采用合理的密封型式，安全、可靠、有效地保证海水不会进入SCM封装腔内，锁紧装置的锁紧杆的设计必须与安装基座结构相对应，能够准确进行连接。

2.2 SCM锁紧机构主体结构设计

图7是锁紧机构的顶部结构，ROV接口是根据标准ISO13628-8（2002）-水下生产系统ROV接口进行设计，选用的规格是CLASS 4［8］。ROV转动杆上部是方头，用于和ROV扭转工具的配合，中间是一段圆柱体，将ROV接口和锁紧套筒通过螺栓连接后，圆柱体限定在ROV接口和锁紧套筒的中间空隙内，防止ROV转动杆轴向窜动。ROV转动杆下部是一段螺柱，会与锁紧杆进行连接，当ROV操作工具驱动ROV转动杆时，会带动锁紧杆进行轴向移动。又由于锁紧杆导向键对锁紧杆进行周向固定，所以可以防止锁紧杆转动。螺纹在转动时，还会在锁紧杆内部产生较大的气压，会对锁紧杆产生破坏作用，因此在锁紧杆的中心钻出一个直径15mm的通孔。同时，在锁紧杆和锁紧套筒之间还设置了两道密封，位于锁紧杆导向键上面，这样既保证了锁紧机构的密封效果，还具有防腐蚀的效果。

图8是锁紧块将水下控制模块锁紧在安装基座上的示意图。图中左侧锁块是开锁闭合状态，图中右侧锁块是锁紧张开状态。固定吊臂是焊定在锁紧套筒上面的，在锁紧套筒的圆周上共有4个固定吊臂，两两呈对称状态。锁紧套筒是固定不动的，而锁紧杆在锁紧套筒里滑动，此时会带动与锁紧杆通过销钉连接的转动臂。锁紧杆的外端又通过销钉与转动块连接在一起，所以转动臂运动时，会驱动转动块旋转。当转动块由闭合状态转变为张开状态时，就会实现对水下控制模块的锁紧。

图7　锁紧机构顶部结构

图8　基座锁紧块结构示意

2.3 SCM锁紧机构的锁紧与开锁

当安装SCM时，把需要安装的SCM下放到安装基座上面，利用定位系统把锁紧杆插入到安装基座里面，利用ROV操作工具使ROV转动杆顺时针转动，ROV转动杆与锁紧杆通过螺纹连接，由于锁紧杆与锁紧套筒之间通过导向键实现了周向固定，所以锁紧杆只能在导向套筒中向下移动。由于SCM的自身重力无法使SCM底座的接头与安装基座接头连接，通过螺纹的相对运动，锁紧杆向下运动，从而把锁紧块压入安装基座的锁紧槽内，锁紧块张开与安装基座实现完全贴合，从而实现SCM与安装基座完全安装。

当拆除SCM时，利用ROV操作工具使ROV转动杆逆时针转动，实现解锁过程与锁紧过程相反。对于顶端密封，密封材料安装在锁紧杆上，对于底端密封，密封材料安装在锁紧套筒内壁上。锁紧机构工作时，锁紧套筒不旋转，锁紧杆旋转过程中通过导向键实现直线运动，由于锁紧套筒与封装系统是刚性连接，所以整个封装系统沿着轴向向上运动，实现安装底座与安装基座分离。锁紧杆可以向两个相反的方向移动，其中一个方向可以用于拆除控制模块，另一个可以用于控制模块与基座的安装。

3　锁紧机构力学分析

为了保证设计的锁紧机构能够安全可靠地工作，对锁紧机构的主要受力部件锁紧块进行了力学分析。整个锁紧机构安全性能最差的地方是转动臂与固定吊臂与销钉进行连接的部分，所以需要对销钉以及销孔进行校核，而锁紧杆上的销孔和销钉尺寸选取较大，安全性较高，不必对其进行校核。计算中选取的材料为60CrMnBA热轧弹簧钢，其抗拉强度为1225MPa，屈服强度为1 080 MPa。取基座锁紧块的右半部分进行受力分析，如图9所示。已知，Fq＝5000N，L＝77mm，H＝35mm，λ＝71．8°，d＝8mm，b1＝10mm，b2＝8mm。

由力学分析知：

式中：Fq是安装基座对转动块的反作用力；Fa是转动臂对转动块施加的力；L是转动块的长度；H是固定吊臂销孔与转动臂销孔之间的距离；λ是转动臂与竖直方向的夹角；d为固定吊臂锁孔与转动臂销孔的直径和销钉直径；b1为转动臂销孔宽度，此时将锁紧杆固定。

由式（1）～（2）得知，Fa＝5 789．47 N，从而求得转动臂销孔受到挤压应力为σz＝36．2 MPa＜1 080 MPa，因此符合要求。2

式中：b2为固定吊臂销孔的宽度；σd为吊孔的挤压应力；σx为销钉的剪切应力；FL是固定吊臂的支反力。

由式（3）～（5）求得，FL＝8 744．45 N，σd＝68．3MPa＜1080MPa，满足要求；销钉承受最大的剪切应力为σx＝87．03MPa＜1080MPa，同样满足强度要求。

图9　基座锁紧块受力分析

4　结论

1） 本文通过螺纹旋转和锁紧块锁紧的配合方式，对圆筒形水下控制模块的锁紧机构进行设计及校核，从原理上分析了水下控制模块锁紧的要求。

2） 该锁紧机构在水下控制模块上具有广阔的应用前景，但是需要进行多次试验，才能保证其安全性和可靠性。

3） 对于今后的水下控制模块锁紧机构来说，应该针对多种外形的水下控制模块及多种锁紧方式进行研究，这样才能真正实现水下装备国产化。

［1］ Mike Bavidge．Husky Liwan Deepwater subsea control system［C］／／Offshore Technology Conference，Hous-ton，USA，2013．

［2］ Broadbent P A．Controls Reliability And Early Life of Field Failure of Subsea Control Modules［C］／／Society of Underwater Technology，Aberdeen，UK，2010．

［3］ 张丰功，王定亚，李磊．水下控制模块的技术分析与发展建议［J］．石油机械，2013，41（6）：59-62．

［4］ 朱高磊，赵宏林，段梦兰，等．水下采油树控制模块设计要素分析［J］．石油矿场机械，2013，42（10）：1-6．

［5］ 张鹏举，梁斌，刘康，等．水下控制模块总体设计的研究［J］．机电产品开发与创新，2014，27（6）：113-115．

［6］ 王俊明．测试用水下采油树控制模块研制［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013．

［7］ Onesubsea．Liwan Subsea Production Controls［Z］．2013．

［8］ ISO 13628-8．Remotely Operated Vehicle（ROV）inter-faces on subsea production systems［S］．2002．

Design of Subsea Control Module Locking Mechanism

DAI Guangwen1，ZHAO Honglin1，YE Tianyuan2，DUAN Menglan1，XU Shixian1，ZHU Junlong1
（1．Of fshore Oil&Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2．Chongqing Qianwei Offshore Petroleum Engineering&Equipment Co．，Ltd．，Chongqing 401121，China）

The subsea controlmodule（SCM）is an important part of the subsea tree，which is long-term in a state of high pressure underwater，it is crucial to fix and lock the SCM．This article will be according to the relevant norms such as ISO 13628-8，considering the underwater controlmod-ule shape and clamping force，on the basis of using solidworksmodeling to carry on the design of subsea controlmodule lockingmechanism．At the same time，we will use the empirical formula to calculate the strength of the lockingmechanism，the strength of the lockingmechanism is in the permitted range．The calculation results show that the designed lockingmechanismmeets the loc-king needs of the subsea controlmodule．

subsea controlmodule；lockingmechanism；structure；mechanical analysis

TE952

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．006

1001－3482（2015）08－0026－05

①2015－02－15

“国家发改委2013年海洋工程装备研发及产业化专项”之“水下采油树研发及产业化”（F13QW）

代广文（1989-），男，河北沧州人，硕士研究生，主要研究方向为海洋油气装备，Email：1163010539＠qq．com。