螺旋升降式吸力锚舱盖设计

赵晓磊，储乐平，肖德明，王 磊，程吉林

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

海洋石油的开采由浅海走向深海，锚固技术是其发展的关键技术之一[1-3].目前主要的锚固系统有抓力锚、桩锚、吸力锚等.相比于另外两种，吸力锚具有可承受垂向张力、定位精度高、安装费用低，可回收重复利用等优点，因此在深海油气资源的开发中得到了越来越广泛的应用.

吸力锚舱盖是吸力锚的关键部件之一，可安装在吸力锚的顶面或侧面，其主要作用是吸力锚经海水飞溅区时排出内部气体和接触海底自沉入泥过程中排出内部海水.舱盖的尺寸和结构对吸力锚的整体性能和安装操作具有重要影响.若舱盖开口尺寸过小，吸力锚下放过程经过飞溅区时排出筒内气体的速度过慢，导致吸力锚下放速度变慢，且摇摆幅度增加，从而增加了吸力锚与船舶碰撞的风险；到达海底泥面后，若排水速度较慢，导致吸力锚自沉速度慢，将增加吸力锚倾斜的风险.而舱盖开口过小，则会降低吸力锚安装位置的强度[4-7].舱盖的操作方式则对其开口尺寸大小与水下操作便利性有着重要的影响.因此，本文创新性地提出了一种基于螺杆-螺母传动原理的螺旋升降式吸力锚密封舱盖.

1 吸力锚舱盖方案分析

吸力锚舱盖的主要密封形式有端面密封和径向密封.根据密封形式不同，具有多种相对应的锁紧方式，主要有闩锁式、卡爪式、卡扣式、螺旋升降式.下面对上述结构原理和特点进行分析.

1）闩锁式结构. 闩锁式锁紧结构应用于端面密封舱盖结构，如图1（a）所示.其密封原理为：ROV 机械手或者扭矩工具带动驱动轴转动，锁闩与驱动轴盘相连接，锁闩随驱动轴的转动而径向展开，并进入闩槽.锁闩为斜面结构，进入闩槽时受到闩槽的压力，进而压紧密封盖，实现舱盖的密封.结构紧凑，占用空间较少，但锁闩安装精度要求高，锁紧后不易自锁，振动情况下易松动.

2）卡爪式结构. 卡爪式锁紧结构应用于端面密封舱盖结构，如图1（b）所示.其密封原理为：ROV 操作密封盖关闭后，机械手或者扭矩工具带动驱动轴转动，进而带动螺母垂直向下运动，螺母与卡爪连接，带动卡爪驱动端向下运动，卡爪锁紧端向上翘起，并进入闩槽，压紧密封盖.该结构多为钣金件，驱动结构复杂，加工装配要求较高.

3）卡扣式锁紧结构. 卡扣式锁紧结构应用于端面密封舱盖结构，如图1（c）所示. 其密封原理为：ROV 操作密封盖关闭后，扳动螺杆进入卡扣，随后转动螺杆，使螺母垂直方向移动，进而锁紧密封盖.该结构较简单，但操作步骤多，水下操作时增加操作难度，压紧点较少.

图1 三种吸力锚舱盖结构Fig.1 Three kinds of suction anchor hatch cover structure

4）螺旋升降式锁紧结构. 本文提出的螺旋升降式锁紧结构应用于径向密封舱盖结构，如图2 所示.其密封原理为：法兰和顶盖通过螺栓连接固定在一起，螺杆通过压盖顶紧在密封盖上，螺母固定在顶盖上.工作时，螺杆螺母相配合，螺母固定，ROV 操作螺杆转动并向下运动，通过压盖推动密封盖进入密封面，实现密封.

经对比分析（表1），螺旋升降式结构传动方式简单、密封均匀性好，下文对该种密封结构进行分析设计.

表1 锁紧结构特征对比Tab.1 Comparison of locking structure features

2 螺旋升降式吸力锚舱盖原理设计

2.1 螺旋升降式锁紧结构原理

基于径向密封原理，吸力锚舱盖主要结构包括，顶盖、密封盖、法兰筒段、传动螺杆和传动螺母.其基本的装配和密封过程如图2 所示：顶盖与法兰筒段固定，传动螺母安装在顶盖上，传动螺杆与密封盖连接，转动螺杆，利用螺杆螺母副，螺母固定，螺杆产生垂直位移，进而带动密封盖垂直运动，进入（或离开）法兰密封面.

图2 螺旋升降式锁紧结构原理图Fig.2 Helical lifting lock structure

针对本方案，需要对法兰、密封盖、螺杆-螺母传动副等关键结构进行设计与校核.

2.2 螺旋升降式锁紧结构受力分析

如图3 所示，密封盖打开过程中，需要克服的轴向载荷为密封圈产生的摩擦力和密封盖的重力，螺杆上所受的垂向载荷为摩擦力和密封盖重力之和.密封盖关闭过程中，需要克服的轴向载荷为密封圈产生的摩擦力，螺杆上所受的垂向载荷为摩擦力与密封盖重力之差.对比两种工况受力，密封盖打开过程中螺杆所受的力更为苛刻.因此，在进行设计与强度过程中采用密封盖打开过程的载荷.

图3 启闭过程螺杆受力分析Fig.3 Force analysis of screw in opening and closing process

3 螺旋升降式吸力锚舱盖结构设计

基于对螺旋升降式吸力锚舱盖结构原理与受力的分析，设计了如图4 所示的吸力锚舱盖，主要结构包括法兰筒段、O 型圈密封结构、螺杆-螺母升降机构等，附属配套结构包括支撑套筒、起吊螺栓等.下面对主要结构进行详细设计与分析.

图4 吸力锚舱盖结构图Fig.4 Structure of suction anchor hatch cover

3.1 吸力锚舱盖法兰筒段结构

吸力锚舱盖法兰筒段主要用于与吸力锚主结构的连接、与密封盖的配合，其开口尺寸对排水、排气具有重要影响；为避免外部压力引起法兰筒段结构变形导致的密封盖操作过程中卡死等问题，法兰筒段整体强度必须满足入泥负压（0.5 MPa）的要求.

基于前期工程经验，本文设计舱盖筒段外径（D0）640 mm，最薄处厚度（t）20 mm，无支撑长度（L）200 mm，材料为ASTM A105 N（杨氏模量Ey≈200 GPa，最小屈服强度Sy≈250 MPa）.

1）计算弹性屈服应力Fhe[8-9].

2）计算屈服应力Fic.

最小屈服强度Sy=250 MPa

3）设计安全系数.

4）计算许用外部压力.

许用外部压力远远大于工作负压，因此法兰结构满足强度要求.

3.2 吸力锚舱盖密封结构

吸力锚在入泥过程中，舱盖必须满足密封要求，基于径向密封原理（如图5 所示），密封盖工作状态属于静密封.O 型橡胶密封圈具有良好的密封性，是一种压缩性密封圈，同时又具有自封能力，其适用的密封压力范围为1.33×10-5Pa ～400 MPa，根据材料特性不同，温度范围为-60 ～200 ℃.考虑到吸力锚入泥负压约为0.5 MPa，本文采用HNBR 材质的O 型圈进行密封可满足密封性能的要求.

法兰筒段与密封盖配合面的直径为600 mm，依据设计选型手册，选取内径d1=570 mm，线径d2=10 mm 的O 型圈，沟槽深度d= 8.6 mm，宽度w= 11.6 mm，沟槽底部直径d3= 582.8 mm. 分别计算密封圈安装伸长率和安装与压缩率：

密封圈安装伸长率

截面缩小率

密封圈拉伸后截面直径约d1′=9.83 mm，

密封圈安装预压缩率

经计算，预压缩率满足要求.

图5 径向密封示意图Fig.5 Schematic of piston seal

为保证密封性能，且考虑密封圈产生的摩擦力不能过大，本文在密封面上设置3 道密封圈，并对配合面进行抛光处理.

活塞式密封结构中为保证密封盖能顺利进入配合面，法兰筒段的配合面导入腔需设计一定的锥度，根据设计手册，锥角取20°，深度取4.5 mm，如图6所示.

图6 密封配合面导入腔结构Fig.6 Lead-in cavity structure

3.3 吸力锚舱盖螺旋升降机构

本文采用螺杆螺母副实现密封盖的启闭功能，因此需分析螺杆螺母副上所受的轴向载荷.根据2.2分析，密封盖打开过程中所受轴向力最大，为密封圈摩擦力和密封盖重力之和.

线径10 mm 的HNBR 密封圈，在预压缩率为12.5%的时候，线压缩力约为5 N/mm，密封盖外圈与密封面间隙为0.15 mm，计算可得：单圈密封圈产生的线压缩力约为：9 424.71 N.橡胶与钢之间的静摩擦系数约为0.8，3 道密封圈产生的摩擦力约为22 617.6 N.

密封盖的重量约为150 kg，因此，密封盖打开过程中，最大轴向力约为24 117.6 N，取1.5 倍安全系数，轴向载荷取F=36 000 N.

考虑螺杆螺母副的耐磨性和海底使用时关键结构的耐腐蚀性，螺杆和螺母分别采用F51 双相不锈钢和C95500 铝青铜.下面对螺杆螺母副进行设计与校核.

1）螺杆参数设计.

其中，整体式螺母ψ = 1.8；钢与青铜组成的滑动螺旋副比压Pp= 18 N/mm2. 依据GB/T 5796.1-4，选取螺杆中径为D2=42.5 mm，螺距P=3 mm.

2）螺母参数设计.

螺母高度H取75 mm，螺纹旋合圈数z=25，螺纹工作高度h=0.5P=1.5 mm.

3）耐磨性校核.

导程角

牙面滑动速度

螺杆螺母工作在低速状态下，许用比压选取合适.

4）梯形螺母自锁校核.

钢与青铜的摩擦系数μ = 0.9，梯形螺纹牙型角α=30°，由此可得当量摩擦角

γ=1.29°＜ρv=5.323 2°，满足自锁要求.

5）螺杆强度校核.

螺纹摩擦转矩

当量应力

螺杆许用应力

其中σs为双相不锈钢的屈服强度450 MPa.

σca ＜σp，因此，螺杆强度满足要求.

6）螺牙强度计算.

钢质螺杆螺牙强度高于青铜质螺母螺牙强度，故只计算螺母的螺牙强度.

抗剪强度

弯曲强度

其中，牙根宽度b=0.65；P=1.95 mm；d为螺纹大径44.5 mm；z为旋合圈数25；h为螺纹工作高度1.5 mm.

青铜的剪切强度和弯曲强度分别为30 MPa 和40 MPa，远大于计算所得螺牙所需承受的强度，因此，螺母螺牙的强度满足要求.

经过强度校核计算，螺旋升降机构的主要传动部件螺杆和螺母均满足要求.

3.4 吸力锚舱盖导向杆结构设计

为保证密封盖在进入法兰时不发生倾斜，避免“卡死”，在密封盖底部设计了导向杆，在密封盖进入法兰前，导向杆先进入法兰上的导向圈（如图4 标识处所示），进而保证密封盖能垂直进入法兰.

4 结 论

经过分析与计算校核，本文设计的吸力锚舱盖主要结构包括法兰筒段、密封盖、螺杆-螺母升降机构、上顶盖、螺栓、支撑套筒等结构.该结构通过转动螺杆手柄，实现密封盖的上下运动，采用径向密封原理，结构简单，操作方便，而且舱盖开口可完全打开，有利于吸力锚下水和入泥过程中气体、液体的排出.