水下控制模塊應(yīng)急解鎖工具設(shè)計(jì)與分析

杜振偉，閆嘉鈺，王文聰，熊 濤，李 偉，胡 亮

（重慶前衛(wèi)科技集團(tuán)有限公司，重慶 401121）

0 引言

水下控制系統(tǒng)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，用于保障水下生產(chǎn)系統(tǒng)安全、高效的運(yùn)行，而水下控制模塊（Subsea Control Module，SCM）是水下控制系統(tǒng)中的核心部件，其零件精密，機(jī)構(gòu)復(fù)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(dāng)需要回收SCM時(shí)，如果SCM無法正常解鎖，則無法完成SCM的回收。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)專用于SCM應(yīng)急解鎖的工具。

水下控制系統(tǒng)（SCM）安裝工具的任務(wù)就是安裝和回收SCM模塊。本文針對(duì)重慶前衛(wèi)科技集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的QSCM Ⅱ代水下控制模塊鎖緊及解鎖要求，通過對(duì)SCM應(yīng)急鎖緊工作原理分析，開展SCM應(yīng)急解鎖工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并針對(duì)驅(qū)動(dòng)桿和連接螺紋等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)建立有限元分析模型，并進(jìn)行強(qiáng)度分析，保障應(yīng)急解鎖的可靠性和安全性。

1 SCM 鎖緊機(jī)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)

SCM鎖緊機(jī)構(gòu)見圖1，進(jìn)行SCM安裝時(shí)，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(jī)器人（Remote Operated Vehicle，ROV）扭矩工具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)Class 4連接桿，連接桿通過防轉(zhuǎn)鍵帶動(dòng)固定套筒旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)鎖塊套筒向上移動(dòng)，通過鎖塊套筒的向上移動(dòng)，帶動(dòng)鎖塊根據(jù)Class 4連接桿的型面變化而伸出，從而實(shí)現(xiàn)SCM與SCM安裝基座（Subsea Control Module Mounting Base，SCMMB）的鎖緊。

圖1 SCM鎖緊機(jī)構(gòu)示意

回收SCM時(shí)候，利用水下遙控機(jī)器人（ROV）攜帶的扭矩工具逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)Class 4連接桿，完成與鎖緊過程相反的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)SCM與SCMMB的解鎖。圖2中左側(cè)是SCM與SCMMB鎖緊狀態(tài)，右側(cè)是SCM與SCMMB解鎖狀態(tài)。

圖2 SCM 鎖緊機(jī)構(gòu)鎖塊示意

2 SCM 應(yīng)急解鎖工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過研究SCM鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理，針對(duì)SCM的解鎖過程，設(shè)計(jì)SCM應(yīng)急解鎖工具，結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 SCM 應(yīng)急解鎖工具結(jié)構(gòu)

通過ROV將本應(yīng)急解鎖工具與SCM頂部操作接口對(duì)接，然后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)ROV操作把手，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)桿與SCM連接桿的螺紋連接（見圖4）。然后通過ROV的液壓系統(tǒng)向本應(yīng)急解鎖工具的液壓缸注入壓力，活塞帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿及SCM Class4連接桿向上運(yùn)動(dòng)，以剪短剪切銷，直至Class 4連接桿完全從SCM鎖緊機(jī)構(gòu)中脫離，最終實(shí)現(xiàn)SCM與SCMMB的應(yīng)急解鎖。應(yīng)急解鎖過程中SCM應(yīng)急解鎖工具及SCM鎖緊機(jī)構(gòu)狀態(tài)見圖5。

圖4 SCM 應(yīng)急解鎖工具與SCM 鎖緊機(jī)構(gòu)連接

圖5 應(yīng)急解鎖過程中工具及鎖緊機(jī)構(gòu)狀態(tài)

3 驅(qū)動(dòng)桿力學(xué)特性分析

3.1 驅(qū)動(dòng)桿有限元模型構(gòu)建

旋轉(zhuǎn)ROV操作把手，驅(qū)動(dòng)桿端部螺栓與SCM連接桿的內(nèi)螺紋鎖緊連接。驅(qū)動(dòng)桿端部鎖緊狀態(tài)為螺栓螺母接觸，對(duì)于螺栓螺母接觸仿真通常采用實(shí)體建模、梁單元簡化和連接單元簡化等方法，其應(yīng)力分布精度依次下降。實(shí)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(zhǔn)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(jì)算量大。運(yùn)用有限元分析軟件ABAQUS，在螺栓螺母接觸定義中設(shè)置與實(shí)際螺紋相關(guān)參數(shù)，如螺距、牙型角、螺紋公稱直徑等，就可真實(shí)模擬螺栓螺母接觸。此方法螺紋接觸建模計(jì)算效率高也可獲得足夠精確的結(jié)果，故本文選擇在連接處添加螺紋作用模擬驅(qū)動(dòng)桿與SCM連接桿連接鎖定。

驅(qū)動(dòng)桿與SCM連接桿網(wǎng)格劃分選用C3D8R六面體單元，驅(qū)動(dòng)桿六面體網(wǎng)格具有51 587個(gè)節(jié)點(diǎn)，45 264個(gè)單元；SCM連接桿六面體網(wǎng)格具有20 315個(gè)節(jié)點(diǎn)，17 948個(gè)單元，有限元模型見圖6。驅(qū)動(dòng)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(qiáng)度為517 MPa。驅(qū)動(dòng)桿連接螺紋規(guī)格為M20×2.5。

圖6 驅(qū)動(dòng)桿連接有限元模型

3.2 約束載荷施加

靜力學(xué)分析時(shí)為避免出現(xiàn)剛體位移需要對(duì)模型的自由度進(jìn)行限制。SCM連接桿底部完全固定，為確保驅(qū)動(dòng)桿單一軸向加載不受影響，驅(qū)動(dòng)桿頂端保留z軸移動(dòng)自由度，限制其余自由度。根據(jù)工況分析，驅(qū)動(dòng)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(jìn)行加載。SCM連接桿中發(fā)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(qū)動(dòng)桿解鎖工況下最大軸向力Fmax=15 028.2 N。驅(qū)動(dòng)桿軸肩下表面中心設(shè)置載荷參考點(diǎn)，將軸肩下表面耦合至載荷參考點(diǎn)，載荷參考點(diǎn)沿z軸正向加載最大軸向力Fmax，加載幅值默認(rèn)為斜坡加載，模型邊界條件設(shè)置見圖7[4]。

圖7 模型邊界條件示意圖

3.3 螺紋接觸設(shè)置

據(jù)3.1節(jié)所述，驅(qū)動(dòng)桿與SCM連接桿連接處添加螺紋作用模擬驅(qū)動(dòng)桿與SCM連接桿連接鎖定。驅(qū)動(dòng)桿與SCM連接桿連接處設(shè)置為面-面接觸，SCM連接桿相對(duì)于驅(qū)動(dòng)桿剛度較大，故SCM連接桿連接孔內(nèi)表面設(shè)置為接觸主面，驅(qū)動(dòng)桿連接軸外表面設(shè)置為接觸從面。連接處添加螺紋作用，設(shè)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(shè)置為摩擦系數(shù)0.15，法向行為設(shè)置為硬接觸。

3.4 結(jié)果分析

最大軸向力Fmax加載后驅(qū)動(dòng)桿等效應(yīng)力云圖如圖8所示。最大應(yīng)力位于驅(qū)動(dòng)桿最細(xì)軸頸處，最大應(yīng)力為91.736 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度517.000 MPa，故驅(qū)動(dòng)桿滿足強(qiáng)度要求。

圖8 驅(qū)動(dòng)桿等效應(yīng)力云圖

驅(qū)動(dòng)桿螺紋連接處等效應(yīng)力云圖、接觸壓力云圖見圖9和圖10。螺紋連接處整體的應(yīng)力分布呈啞鈴狀，應(yīng)力分布不均勻，起始端螺紋應(yīng)力較大，最大應(yīng)力為85.055 MPa，小于螺紋材料的屈服強(qiáng)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(yīng)力[σ]=0.6σs=310.2 MPa，故驅(qū)動(dòng)桿連接螺紋強(qiáng)度滿足要求。

圖9 螺紋連接等效應(yīng)力云圖

圖10 螺紋連接接觸壓力云圖

4 SCM 應(yīng)急解鎖工具調(diào)試

SCM應(yīng)急解鎖工具下水前必須進(jìn)行功能測(cè)試（見圖11），以降低該工具水下操作出現(xiàn)故障的幾率。功能測(cè)試中主要是接口測(cè)試，并由ROV完成模擬測(cè)試動(dòng)作，首先確認(rèn)應(yīng)急解鎖工具與SCM頂部操作接口對(duì)接無誤；然后確認(rèn)應(yīng)急解鎖工具驅(qū)動(dòng)桿與SCM Class4連接桿螺紋連接無誤[5]。

圖11 SCM 應(yīng)急解鎖工具現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

5 結(jié)論

本文提出SCM應(yīng)急解鎖工具的設(shè)計(jì)，闡述SCM應(yīng)急解鎖工具工作原理，并針對(duì)解鎖機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿提升能力進(jìn)行分析及計(jì)算，為以后水下控制模塊及相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。通過研究與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試得出以下結(jié)論：

1）該工具與SCM頂部ROV操作接口的配合簡單，ROV進(jìn)行水下對(duì)接易實(shí)現(xiàn)；該工具驅(qū)動(dòng)桿與SCM Class4連接桿通過螺紋連接，ROV機(jī)械手易操作；應(yīng)急解鎖時(shí)通過液壓的方式剪斷剪切銷，穩(wěn)定可靠。

2）驅(qū)動(dòng)桿最大應(yīng)力位于最細(xì)軸頸處，最大應(yīng)力為91.736 MPa ， 遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)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(yīng)力。最后，SCM應(yīng)急解鎖工具進(jìn)行調(diào)試，滿足設(shè)計(jì)要求。