卡爪式水下连接器的设计与仿真分析

王道明，李志刚，姜瑛，王宇臣

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 前言

近年来，海洋石油工业正在加速从浅水区向深水区转移，据统计，在墨西哥湾平均水深1 500 m的深水开发中，水下生产系统占比已达85%，显然水下生产系统已成为深水油气田开发的一种主流模式。而水下连接器是构建完整的水下生产系统必不可缺的重要一环。只有通过水下连接器，才能将水下井口、水下采油树、水下管汇、水下油气处理设施以及海底管线终端等水下生产设施连接起来，构建成为完整的水下生产系统。因此，水下连接器相关技术是深水油气田开发中的一项核心技术及重要保障。

水下连接技术难度大，涉及到机械加工技术、密封技术、液压技术、水下作业工程技术、水下安装技术以及油田保障技术等多项技术;集合了机械制造、海洋工程以及水下工程等多门学科技术;深水水下连接系统工作环境苛刻，需要克服由内部流体以及外部海水介质带来的温度、压力、腐蚀、热应力以及振动冲击等多方面、复杂性影响;还要考虑海底土壤环境对其安装作业带来挑战。水下连接器的主要连接形式有卡爪式连接器、卡箍式连接器和螺栓法兰式连接器3种［1］，在这3种形式中，卡爪式连接器是深水水下生产系统连接应用最多的连接形式，尤其在立式连接以及超深水管道连接中占据了主导地位。卡爪式连接器具备以下优点:连接可靠、连接速度快;ROV操作友好，可用的ROV工具多;对中误差容忍度高。水下连接器价格昂贵，多年来，市场一直被FMC、Cameron、Aker Solutions等几家国外公司所垄断，而国内的研究尚处于起步阶段［2］。文中设计了一种卡爪式水下连接器，并利用SolidWorks/Motion对其进行运动仿真研究，验证设计的正确性。

1 结构及工作原理

卡爪式水下连接器的结构:卡爪式水下连接器由密封圈、上法兰、下法兰 (hub)、卡爪、驱动环、顶盖板及壁筒等部件组成，其结构示意图如图1所示。

图1 卡爪式水下连接器结构示意图

卡爪式水下连接器的工作原理:卡爪式水下连接器处于初始状态时，驱动环位于上部位置，卡爪处于张开状态，如图2所示。当需要进行密封连接时，连接器安装工具在驱动环的凸缘上加载竖直向下的力，使得驱动环竖直向下运动，当驱动环接触卡爪后，卡爪随之旋转，从最初的张开状态逐渐闭合，当到达一定位置后，卡爪将上、下法兰卡紧，从而在上法兰、密封圈和下法兰间形成有效密封。连接器的密封状态如图3所示。

图2 初始状态

图3 密封状态

从初始状态到密封状态，驱动环竖直向下移动了一定的距离，卡爪旋转了θ°，如图4所示。

图4 驱动环与卡爪运动关系图

在设计中，根据驱动环与卡爪的运动关系，在SolidWorks的草图中，分别把卡爪与驱动环作成一个块，根据二者间的相互制约关系，确定了从初始位置到密封位置驱动环向下移动了50 mm，卡爪旋转的角度θ为12°。为了更好地研究驱动环与卡爪间运动关系，以及验证设计的正确性，进行了水下连接器的仿真研究。

2 仿真过程

SolidWorks软件中的Motion插件，是专门进行运动仿真分析的一个工具，它可在装配体中进行运动学及动力学的精确模拟［3－8］。文中基于 SolidWorks/Motion进行了水下连接器的仿真研究，过程如下:

(1)将连接器各零部件进行建模，并完成初始位置的装配。完成装配后将制约驱动环和卡爪运动的一些配合进行压缩，使得驱动环与卡爪的相应自由度释放，便于真实的模拟驱动环与卡爪间的运动关系。由于研究的主要对象是驱动环与卡爪，所以在这里将上、下法兰与密封圈设置为固定。

(2)在SolidWorks插件选项中将SolidWorks Motion选中启动。

(3)在装配体模型中选择“新建算例”，并在算例类型中选择“Motion分析”。

(4)定义接触。将卡爪与驱动环之间、卡爪与上法兰之间、卡爪与下法兰之间定义为实体接触。

(5)施加驱动。在驱动环上施加竖直向下的直线马达，根据设计参数，设定驱动环向下运动的距离为50 mm，时间为5 s。如图5所示。

图5 施加驱动

(6)运动算例的计算。完成上述设置后，进行运动算例的计算。

3 仿真结果分析

计算完成后，可以看到驱动环与卡爪间的运动仿真动画，图6为连接器仿真过程示意图。还可以从结果和图解中显示各部件的运动曲线，图7为驱动环的位移曲线，图8为驱动环的速度曲线，图9为卡爪的角位移曲线。

图6 连接器仿真过程图

图7 驱动环位移曲线

图8 驱动环速度曲线

图9 卡爪角位移曲线

从卡爪的角位移曲线 (图9)可以看出:在0～0.6 s的时间内，卡爪并未随着驱动环的下移而转动，这是因为在初始位置时，驱动环下端与卡爪之间有一定的间距，这段时间内驱动环下移尚未接触到卡爪，所以卡爪没有转动;在0.6～5s的时间内，驱动环下端已接触卡爪，卡爪随驱动环的下移而随之转动，直至卡爪达到密封状态，并且从初始状态到密封状态，卡爪总共旋转了12°，验证了设计的正确性与合理性。

4 结论

根据水下管道的连接要求及特点，对水下连接器进行了机构设计，并对驱动环与卡爪间的运动关系进行了仿真分析，验证了水下连接器设计的正确性与合理性。为进一步研究与开发水下连接系统奠定了坚实的基础。

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