陳再玉，王 豪，肖易萍，吳志星，肖德明，任廣新，陳家旺

(1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

隨著陸地油氣資源的枯竭，海洋油氣資源開采，尤其是深水油氣的開采，將成為世界油氣產(chǎn)業(yè)的主要經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)和加強(qiáng)海洋資源的開發(fā)利用是我國(guó)戰(zhàn)略規(guī)劃的主要內(nèi)容之一[1]。據(jù)美國(guó)地質(zhì)局統(tǒng)計(jì)，全球可開采的石油儲(chǔ)量約為5 390億桶，其中海洋石油儲(chǔ)量占比超過六成，深水海洋石油在其中占比接近一半。在我國(guó)，南海油氣儲(chǔ)量十分豐富，占全國(guó)儲(chǔ)量的1/3，主要集中在500 m以上的深水海域[2-3]。而目前，我國(guó)尚未完全掌握油氣資源深海開采技術(shù)，因此必須加快深海作業(yè)技術(shù)研究及裝備研制[4]。

深海油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)裝備之間的精準(zhǔn)連接是國(guó)際公認(rèn)的技術(shù)難題。水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括：采油樹、管匯、分離器以及海底管道等[5]。這些裝備在陸地上建造，在海底通過連接器完成連接，從而形成完整的水下生產(chǎn)系統(tǒng)。深海工作環(huán)境極其復(fù)雜，具有壓力高、溫度低、能見度低、洋流沖擊大等特點(diǎn)[6-7]，一般通過遙控潛水器(remotely operated vehicle，簡(jiǎn)稱ROV)輔助操作完成深海油氣田水下生產(chǎn)設(shè)備之間的連接[8]。

目前水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接器技術(shù)被歐美幾家大型石油工程公司壟斷，如Cameron、FMC Technologies、Oil States、Subsea7、Saipem、Sonsub、Acergy等。這些公司有著長(zhǎng)期的技術(shù)積累，產(chǎn)品相對(duì)穩(wěn)定、可靠。在安裝、運(yùn)行、維護(hù)方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)[9]。我國(guó)深水連接器的相關(guān)研究尚處于起步階段，一些科研院校及企業(yè)進(jìn)行了相關(guān)研究，但并沒有形成系列化的、實(shí)際應(yīng)用在水下生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)品。特別是近年來，南海局勢(shì)緊張，為確保我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)，必須加快水下連接技術(shù)的研究，打破國(guó)外壟斷，掌握深海作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)[10-11]。

1 研究概述

1.1 水下連接器的發(fā)展概況及分類

目前深水連接器按照不同的結(jié)構(gòu)形式主要可以分為4類：螺栓法蘭式、卡箍式、卡壓式及彈性?shī)A頭連接器。螺栓法蘭式連接器主要由對(duì)準(zhǔn)工具、接應(yīng)工具和螺栓連接工具組成，典型的系統(tǒng)有挪威Acergy公司的Matis深海法蘭連接系統(tǒng)以及美國(guó)Sonsub公司的BRUTUS系統(tǒng)[12-13]，國(guó)內(nèi)海洋石油工程股份有限公司也研制了一種深水法蘭自動(dòng)連接設(shè)備[14]。卡箍式連接器通過一根螺栓擰緊卡箍套，使卡箍通過一根螺栓擰緊卡箍瓣，使卡箍瓣通過內(nèi)部的斜面夾緊法蘭，從而將螺栓的擰緊力轉(zhuǎn)化為對(duì)法蘭的軸向壓緊力。目前主要的卡箍式連接器主要由挪威Aker公司和德國(guó)Vector公司生產(chǎn)[15-16]。卡壓式連接器主要用于海底管道維修連接，核心技術(shù)主要由美國(guó)的Hydratight公司、Oceaneering公司掌握，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于海底管道修復(fù)領(lǐng)域[17-18]。彈性?shī)A頭連接器一般由液壓缸推動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)完成鎖緊和解鎖，可以獲得較大的預(yù)緊力，具有良好的自鎖性和連接可靠性[19]。通過對(duì)比，總結(jié)歸納出4種連接器各自的優(yōu)缺點(diǎn)。表1為4種深水連接器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

表1 4種深水連接器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab. 1 Comparison of advantages and disadvantages of 4 types of deepwater connectors

彈性卡爪式連接器具有較大的預(yù)緊力，較高的自鎖性和可靠性，且能夠?qū)崿F(xiàn)水下快速安裝，拆卸方便，節(jié)約水下作業(yè)時(shí)間，綜上所述具有優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性。因此，設(shè)計(jì)了一種彈性?shī)A頭鎖緊式液壓接頭連接器。通過顯式動(dòng)力學(xué)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；并研究夾頭鎖緊和脫開過程中所需ROV提供的軸向力，為ROV的選型提供理論依據(jù)；通過正交試驗(yàn)方法對(duì)彈性?shī)A頭關(guān)鍵部位的尺寸進(jìn)行研究，對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行分析，為合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)和工程依據(jù)。

1.2 彈性?shī)A頭式水下連接器的結(jié)構(gòu)及工作原理

設(shè)計(jì)的彈性?shī)A頭式水下連接器結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1左側(cè)為水下連接器的移動(dòng)端，右側(cè)為水下連接器的固定端。固定端一般固定在水下設(shè)備上(如采油樹)，裝有多個(gè)液壓公接頭。移動(dòng)端裝有多個(gè)液壓母接頭，由母船吊放至水下。工作時(shí)，ROV機(jī)械臂與移動(dòng)端的ROV接口對(duì)接，通過機(jī)械臂將移動(dòng)端沿著導(dǎo)向機(jī)構(gòu)向固定端方向推動(dòng)，使彈性?shī)A頭夾緊心軸，實(shí)現(xiàn)預(yù)鎖緊過程。此后，ROV攜帶專用的扭矩工具轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)軸，通過絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)夾頭套筒運(yùn)動(dòng)，使套筒夾緊彈性?shī)A頭和心軸，實(shí)現(xiàn)可靠鎖緊。

圖1 水下連接器的結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of underwater connector

2 預(yù)鎖緊過程動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.1 分析方法

彈性?shī)A頭與心軸鎖緊過程是水下連接器工作時(shí)最重要的環(huán)節(jié)之一。對(duì)該過程進(jìn)行分析能夠得到夾緊過程中夾頭所需要的軸向推力，為水下連接器的工作選取相配合的ROV。另一方面，通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)的方法對(duì)彈性?shī)A頭的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行研究，對(duì)結(jié)果進(jìn)行方差分析，為合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)和工程依據(jù)。

一般來說，材料選定時(shí)，影響彈性?shī)A頭性能的最主要因素是夾頭的幾何形狀和與心軸的配合尺寸。彈性?shī)A頭的主要工作部位是卡瓣，卡瓣是在夾頭軸向上開槽形成的有彈性的結(jié)構(gòu)。開槽數(shù)目、卡瓣長(zhǎng)度以及夾頭直徑都會(huì)影響夾頭的性能。增加開槽數(shù)目、增加卡瓣長(zhǎng)度以及減小卡瓣厚度都可以增加卡瓣的彈性和漲縮性，減小所需的推力，同時(shí)使卡瓣變軟，有利于提高定心精度，但是同時(shí)會(huì)導(dǎo)致彈性?shī)A頭的強(qiáng)度和連接的可靠性下降[20]?；贏BAQUS中的顯式動(dòng)力學(xué)(dynamics explicit)模塊，建立夾頭心軸的分析模型，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)(orthogonal experimental)，展開夾頭運(yùn)動(dòng)過程中關(guān)鍵參數(shù)的研究，定性分析影響夾頭性能的關(guān)鍵參數(shù)。

為提高計(jì)算效率，將夾頭與心軸的三維模型等效為二維對(duì)稱模型進(jìn)行分析。并且對(duì)夾頭幾何模型做出簡(jiǎn)化。由于夾頭的支撐結(jié)構(gòu)不會(huì)在此過程發(fā)生較大形變，故在模型中去掉了夾頭右側(cè)的支撐部分以加快求解速度。其幾何模型如圖2所示。不改變心軸尺寸的情況下，影響推入力和夾頭應(yīng)力分布的設(shè)計(jì)因素主要有夾頭長(zhǎng)度L，側(cè)壁厚度h，夾頭內(nèi)徑與心軸外徑的距離d，以及推入速度v。圖2中a、b、c表示心軸與夾頭依次接觸的邊。進(jìn)行多因素、多參數(shù)試驗(yàn)時(shí)，若進(jìn)行全面試驗(yàn)，試驗(yàn)的規(guī)模很大，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)就是安排多因素試驗(yàn)、尋求最優(yōu)水平組合的一種高效試驗(yàn)方法。進(jìn)行正交試驗(yàn)具有均衡分散和整齊可比的特點(diǎn)，是由試驗(yàn)因素的全部水平組合進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)這部分試驗(yàn)結(jié)果的分析了解全面試驗(yàn)的情況，找出最優(yōu)的水平組合[21]。為研究選定因素對(duì)于運(yùn)動(dòng)過程中最大阻力以及最大應(yīng)力影響的顯著性，選定L、h、d、v四個(gè)因素，每個(gè)因素定為三個(gè)水平，設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)，正交表如表2所示，第10組為誤差組。

圖2 夾頭心軸幾何模型Fig. 2 The geometric model of the chuck mandrel

表2 四因素三水平正交表Tab. 2 Four-factor three-level orthogonal table

2.2 有限元模型建立和工況實(shí)現(xiàn)

由于在彈性?shī)A頭夾緊心軸的過程中，心軸的變形相對(duì)于夾頭來說很小，為提高計(jì)算效率，可將心軸設(shè)置為剛體。夾頭材料設(shè)置為S31803雙相不銹鋼，僅考慮材料的彈塑性。其屈服強(qiáng)度為450 MPa，抗拉強(qiáng)度為620 MPa，硬度290 HBW[22]?？梢哉J(rèn)為夾頭、心軸的安裝為完全軸對(duì)稱安裝，不存在偏心，材料沒有缺陷，沿整個(gè)周向呈現(xiàn)完全一致的安裝狀態(tài)。

接觸設(shè)置為面—面接觸，設(shè)置心軸表面為主面，夾頭表面為從面，避免夾頭網(wǎng)格侵入到心軸網(wǎng)格內(nèi)。采用罰函數(shù)法描述心軸與夾頭的表面接觸關(guān)系，切向接觸類型選擇罰摩擦接觸，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.15，摩擦模型為庫(kù)侖摩擦模型，法向接觸設(shè)置為硬接觸。為使計(jì)算更易收斂，單元類型選擇線性縮減積分單元CPS4R，該單元位移結(jié)果較精確，計(jì)算時(shí)間短，可將網(wǎng)格細(xì)分，不易發(fā)生剪切自鎖，可較好地避免網(wǎng)格過度變形等問題，適用于有較大變形的彈塑性分析。對(duì)接觸面進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，并完成網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。設(shè)置一個(gè)顯式動(dòng)力學(xué)分析步，通過設(shè)置不同的分析時(shí)間來實(shí)現(xiàn)不同相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的仿真，同時(shí)設(shè)置所需的場(chǎng)輸出和歷程輸出。約束設(shè)置為在心軸剛體的參考點(diǎn)處設(shè)置完全固定約束，同時(shí)約束彈性?shī)A頭側(cè)壁根部邊y軸方向位移及旋轉(zhuǎn)自由度，使得其只能沿x軸平動(dòng)，對(duì)彈性?shī)A頭施加x軸負(fù)方向35 mm的位移。

2.3 仿真結(jié)果分析

1) 運(yùn)動(dòng)過程分析

分析彈性?shī)A頭受到的反力結(jié)果，可見心軸在運(yùn)動(dòng)過程中受到的反力先沿著夾頭運(yùn)動(dòng)方向的反方向逐漸增大，達(dá)到最大值后反力迅速下降到一個(gè)較小的值，方向保持不變，之后反力方向變?yōu)榉聪颍⒅饾u減小到0。這一變化過程與彈性?shī)A頭夾緊心軸的實(shí)際過程相符合。在運(yùn)動(dòng)的初始階段，從彈性?shī)A頭觸碰到心軸的邊a開始，夾頭端部沿心軸斜面上升，夾頭前端會(huì)沿著斜面發(fā)生y方向位移，反力隨著夾頭前端y方向位移增大而增大。夾頭到達(dá)a、b兩邊的交點(diǎn)時(shí)，反力達(dá)到最大。此后夾頭與心軸的b邊接觸，彈性?shī)A頭與心軸接觸面積保持不變，所以此過程中所受的反力保持不變。當(dāng)夾頭運(yùn)動(dòng)到心軸b、c兩邊的交點(diǎn)時(shí)，夾頭端部由于失去支撐，有恢復(fù)到原來位置的趨勢(shì)，所以對(duì)心軸的c邊產(chǎn)生壓力，受到心軸c邊的反作用力方向垂直于接觸面，有沿著心軸運(yùn)動(dòng)方向的分力，此后隨著夾頭形狀的恢復(fù)，受到來自心軸的反力逐漸減小，直到夾頭與心軸不再接觸，反力減小到0。以第3組的運(yùn)動(dòng)過程為例，隨著夾頭的運(yùn)動(dòng)，反力變化過程如圖4所示，應(yīng)力變化過程如圖5所示。

圖4 正交試驗(yàn)第3組反力變化Fig. 4 Reaction force change of orthogonal test group 3

圖5 正交試驗(yàn)第3組應(yīng)力變化Fig. 5 Stress variation diagram of orthogonal test group 3

分析運(yùn)動(dòng)過程中夾頭的最大應(yīng)力，最大應(yīng)力出現(xiàn)于彈性?shī)A頭尾部與機(jī)座連接處。在階段1由于夾頭端部沿心軸a邊運(yùn)動(dòng)使得夾頭彎曲處應(yīng)力增大；進(jìn)入階段2后夾頭的形狀基本穩(wěn)定，所以最大應(yīng)力保持相對(duì)穩(wěn)定；進(jìn)入階段3后夾頭逐漸恢復(fù)，應(yīng)力逐漸減小，最后恢復(fù)原形。由最大應(yīng)力的數(shù)值來看，應(yīng)力最大值為第3組的133.37 MPa，運(yùn)動(dòng)結(jié)束后無殘余應(yīng)力，小于材料的屈服強(qiáng)度，材料變形處于彈性變形區(qū)間，強(qiáng)度完全滿足要求。

2) 結(jié)果方差分析

數(shù)值模擬結(jié)束后，分別以各組最大阻力和最大應(yīng)力為觀測(cè)值，進(jìn)行方差分析。數(shù)值模擬結(jié)果如表3所示。

表3 最大阻力和最大應(yīng)力仿真值Tab. 3 Results of maximum resistance and stress simulation calculation

在數(shù)據(jù)分析軟件SPSS中分別對(duì)最大阻力和最大應(yīng)力進(jìn)行單因素方差分析，方差分析模型選擇主效應(yīng)模型，即不考慮各因素之間的相互作用；分別設(shè)置最大阻力和最大應(yīng)力為因變量，L、H、h、d為固定因子即自變量，使用S-N-K 模型進(jìn)行事后對(duì)比，置信區(qū)間為95%(即α=0.05)，即當(dāng)顯著性水平小于0.05時(shí)，認(rèn)為該因素對(duì)于因變量影響較大[23]。結(jié)果分別如表4和表5所示，其中F為因素的均方差與誤差的均方差比值。

表4 最大阻力方差分析結(jié)果Tab. 4 Results of maximum resistance analysis of variance

表5 最大應(yīng)力方差分析結(jié)果Tab. 5 Results of maximum stress variance analysis

對(duì)于最大阻力，因素d的顯著性為0.041；對(duì)于最大應(yīng)力，d的顯著性為0.01，均小于α。而其他因素L、h、v的顯著性都大于α。說明夾頭與心軸的配合尺寸是影響夾緊過程阻力的最大因素。增大d會(huì)引起推入阻力和最大應(yīng)力的大幅度增大，但同時(shí)會(huì)使夾頭與心軸的鎖緊更為可靠，且最大應(yīng)力仍小于材料的屈服強(qiáng)度，研究按照第3組的參數(shù)設(shè)計(jì)夾頭和心軸。

3) 三維模型分析

以第3組數(shù)據(jù)尺寸建立三維模型，其余設(shè)置與二維仿真基本保持一致，進(jìn)行進(jìn)一步分析計(jì)算。分析上述運(yùn)動(dòng)過程，可知夾頭鎖緊所需的推力在夾頭與心軸b、c邊交點(diǎn)接觸時(shí)所受到的反力最大，所以要將夾頭順利推入，ROV所能提供的推力必須大于夾頭所受的最大阻力。三維模型運(yùn)動(dòng)過程如圖6所示，反力變化曲線如圖7所示。結(jié)果顯示，反力的變化趨勢(shì)與二維仿真模型的變化趨勢(shì)基本吻合，最大反力為470 N；應(yīng)力最大值為227 MPa，最大應(yīng)力的位置與二維仿真模型相符合。

圖6 三維模型數(shù)值計(jì)算Fig. 6 Numerical calculation of 3D model

圖7 三維仿真模型反力變化結(jié)果Fig. 7 Results of 3D simulation model reaction force

3 試驗(yàn)測(cè)試

完成仿真計(jì)算后，設(shè)計(jì)制造水下連接器的樣機(jī)，搭建水下連接器的對(duì)接預(yù)鎖緊試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試對(duì)接力的大小。試驗(yàn)平臺(tái)組成如圖8所示。固定端固定在固定架上；機(jī)械臂通過標(biāo)準(zhǔn)ROV對(duì)接工具與水下連接器的移動(dòng)端對(duì)接，以不同的速度進(jìn)行預(yù)鎖緊動(dòng)作，力傳感器記錄所產(chǎn)生的反力。試驗(yàn)過程如圖9所示，結(jié)果數(shù)據(jù)如表6所示。

圖8 水下連接器對(duì)接預(yù)鎖緊力試驗(yàn)平臺(tái)Fig. 8 Underwater connector mating pre-clamping force test platform

圖9 水下連接器對(duì)接過程試驗(yàn)Fig. 9 Underwater connector mating process experiment

表6 推入測(cè)試結(jié)果Tab. 6 Push test results

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，推動(dòng)速度越大，所受到的最大阻力就越大。這是由于彈性?shī)A頭的徑向擴(kuò)張速度隨著夾頭軸向運(yùn)動(dòng)速度的提高而增大，這會(huì)導(dǎo)致推入阻力的明顯增大。以5 mm/s的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果451 N小于三維模型計(jì)算結(jié)果470 N，差值約為3.6%，產(chǎn)生這種差異的原因可能是機(jī)構(gòu)表面潤(rùn)滑條件不同，接觸處罰摩擦摩擦系數(shù)的設(shè)置與實(shí)際有差距。

4 結(jié) 語

1) 設(shè)計(jì)了一種基于彈性?shī)A頭鎖緊式原理的新型水下連接器結(jié)構(gòu)，并基于ABAQUS對(duì)夾頭夾緊心軸的過程進(jìn)行了分析，詳細(xì)介紹了分析過程中關(guān)鍵步驟的設(shè)置；采用二維對(duì)稱模型選取夾頭夾緊心軸的一個(gè)截面來研究問題，大大提高了計(jì)算效率；并且得出夾頭夾緊心軸運(yùn)動(dòng)過程的三個(gè)階段以及各個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)特征。

2) 為優(yōu)化夾頭的結(jié)構(gòu)，采用正交試驗(yàn)的方法對(duì)水下多路液壓接頭夾頭的關(guān)鍵部分尺寸進(jìn)行了四因素三水平的正交測(cè)試，保證結(jié)果準(zhǔn)確性的條件下大大提高了試驗(yàn)的效率，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了單因素方差分析，得出夾頭夾緊心軸這一過程中影響推入阻力的最主要因素，研究結(jié)果表明，影響推入阻力的最顯著因素是夾頭內(nèi)徑與心軸外徑之間的距離。

3) 搭建了水下連接器的試驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)預(yù)鎖緊過程進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。為彈性?shī)A頭的設(shè)計(jì)分析提供了原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。