0 引言

    隨著海洋石油天然氣工業的發展，深水區域的油氣資源不斷地被勘探和發現，水下生產系統已經成為一種重要的深水開發模式。與此同時，水下控制系統占據重要的地位，尤其是深水閥門的應用和需求量日趨增加。由于深水閘板閥長期工作在海水環境，在深水環境中操作人員無法進行現場操作，考慮水下閘板閥執行機構的故障安全性，大多數深水閘板閥都需要ROV輔助液壓執行機構控制閥門的開啟和關閉，因此，有必要為執行機構配備標準的ROV接口。

    水下閘板閥液壓執行機構與陸地閘板閥的液壓執行機構相比，結構原理基本相同，但工作環境不同，因此應主要考慮海水腐蝕及深水壓力對執行機構的影響。相比來講，我國對水下生產系統的研究起步較晚，目前在國內研究仍屬空白。通過對國外產品的分析研究，結果表明其閥門ROV接口多為移動式，ROV傳動機構的結構較復雜，不易制造。針對應用于深水1500m、油氣壓力為34.5MPa的Φ152.4mm（6in）管道的閘板閥，筆者設計了一種新型閘板閥ROV傳動機構，確定了傳動機構的總體方案，同時對關鍵部件螺桿進行了設計和分析，進一步驗證了設計方案的可行性。

    1 閘板閥ROV傳動機構簡介

    國外水下閘板閥ROV傳動機構的研發以及制造技術已經比較成熟，許多知名的海洋工程設備制造公司均有屬于自己知識產權的系列產品，并具有豐富的成功應用案例。如FMC公司的M3000系列（見圖1）、Cameron公司的Ring-O系列以及Mag-num公司的相關產品等。

1—ROV接口和可視指示機構；2—閥蓋；3—閥體；

4—補償室；5—活塞室；6—傳動機構總成。

圖1 FMC公司M3000閘板閥執行機構

    目前閘板閥工作原理大致相同，首先閘板閥配置相應的ROV傳動機構，ROV攜帶專用的旋轉工具與閥門上ROV端口配合。ROV傳動機構將ROV的驅動扭矩轉換為閘板開啟或關閉的驅動力。

    2 ROV傳動機構總體方案

    2.1 結構

    針對應用于深水1500m、油氣壓力為34.5MPa的Φ152.4mm管道的閘板閥，筆者設計了一種新型閘板閥ROV傳動機構，其具體的ROV傳動機構總體結構如圖2所示。

1—ROV接口；2—ROV接頭；3—傳動銷釘；4—執行機構上蓋體；

5—推力軸承；6—定位筒；7—螺紋軸；

8—勾筒；9—傳動螺母；10—傳動桿；11—彈簧。

圖2 閘板閥整體結構示意圖

    水下閘板閥液壓執行機構采用冗余控制形式，正常工作狀態下執行機構依靠液壓控制；當液壓系統出現故障，無法實現執行機構的正常功能時，將使用ROV操作，因此本方案設計的ROV接口如圖3所示。

圖3 ROV接口

    2.2 工作原理

    ROV操作閥門開啟時，首先ROV接口與ROV專用操作工具連接，在ROV專用工具逆時針驅動力矩的作用下，ROV接頭逆時針旋轉，驅動螺紋軸旋轉，螺紋軸與傳動螺母之間為梯形螺紋連接。由于傳動螺母具有正六邊形的外壁，其外面的定位筒同樣具有與之配合的正六邊形內腔，于是保證了傳動螺母在二者之間只能平動，不能旋轉，因此當螺紋軸在ROV操作扭矩的作用下旋轉時，傳動螺母只能向下運動，從而傳動螺母推動傳動桿以及活塞向下運動，實現閘板閥開啟。

    ROV操作閥門關閉時，首先ROV專用工具順時針旋轉，ROV接頭帶動螺紋軸旋轉，由于螺紋軸固定，所以傳動螺母將向上運動，為傳動桿讓出向上移動的空間。此時，勾筒在彈簧回復力的作用下帶動傳動軸以及活塞一起向上運動，實現閥門關閉。

    2.3 注意事項

    （1）由于油氣壓力為34.5MPa，閥門開啟時所需的驅動力較大，對于螺母絲杠結構，強度要求較高，所以梯形螺紋的直徑設計及校核是難點。

    （2）按照設計標準的相關要求，ROV逆時針擰動ROV接頭時執行機構使閘板閥開啟，ROV順時針擰動ROV接頭時執行機構使閘板閥關閉。因此，設計時應考慮螺母絲杠的旋向。

    （3）計算出扭矩后，由于ROV有標準的配套工具，應根據標準ISO13628—8的相關規定選型。

    （4）執行機構內腔為液體填充，因此設計時定位筒和傳動桿之間應為間隙配合，且在定位筒上部開有相應通孔，防止因液體流動不暢而產生較大阻尼而影響其功能。

    （5）螺桿工作時旋轉，因此在螺桿處設置止推軸承，防止因摩擦損壞機構。

    （6）ROV接口與內腔為配合式，且1500m水深時壓力較大，應在該處設置高壓密封圈。

    3 ROV傳動機構螺桿設計計算

    針對應用于深水1500m、油氣壓力為34.5MPa的Φ152.4mm管道的閘板閥，確定傳動機構的類型為滑動螺旋傳動，該機構具有結構簡單、緊湊，易于加工和安裝等優點。設計滑動螺旋傳動的螺紋為梯形螺紋，其工藝性好，牙根強度高，對中性好，是最常用的傳動螺紋。根據旋向要求設計螺紋為左旋螺紋。滑動螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態等因素有關。其中最主要的因素是螺紋工作面上的壓力，壓力越大螺旋副間越容易形成過度磨損。因此，螺紋中徑d2應滿足公式：

       （1）

    式中，Q為螺桿的軸向力，出于安全設計考慮，傳動效率取0.8，則Q=387.66kN。由于要求傳動精度較高，載荷較大，壽命較長，故取Φ=4；［p］為材料的許用應力，［p］=18MPa；將參數帶入式（1）得d₂≥58.70mm。根據公式算得螺紋中徑d₂后，再按國家標準選取相應的螺紋公稱直徑d及螺距p。查得d=65.0mm，d₂=63.0mm，p=4.0mm，d₁=60.5mm。

    螺紋幾何參數確定后，對于具有自鎖性要求的螺旋副，還應校核螺旋副是否滿足自鎖條件，即：

    ψ≤φ_v    （2）

    其中ψ為螺紋中徑升角，φ_v為螺旋副的當量摩擦角。ψ和φ_v計算式為：

        （3）

        （4）

    式中螺紋頭數n=1；摩擦因數f=0.08；梯形螺紋的牙型角α=30°。計算得ψ=1.16°，φv=5.28°，滿足ψ≤φ_v，即螺旋副滿足自鎖條件。

    螺桿的受力較大，需進行強度計算。螺桿工作時承受軸向壓力（或拉力）Q和扭矩T的作用，因此校核螺桿強度時，應根據第四強度理論求出危險截面的計算應力σ_ca，其強度條件為：

        （5）

    ［σ］為螺桿材料的許用應力，取［σ］=280MPa。計算得σ_ca=145.68MPa，可知σ_ca＜［σ］，即螺桿強度滿足要求。

    4 ROV傳動機構的仿真及分析

    ROV傳動機構具有梯形螺紋這種復雜的三維模型，而在Recurdyn中建模比較麻煩，所以事先在Solidworks建立好模型，再導入Recurdyn中，之后添加零件的質量特性。

    由于ROV傳動機構的關鍵是螺紋傳動，螺紋強度的保證至關重要。為了驗證傳動機構在最危險工況下仍能安全工作，設置模型的約束條件，如圖4所示。定位筒固定，傳動螺母與定位筒內六角面對齊且設置為接觸約束，即螺母可以平移，不能旋轉；螺紋軸與螺母為梯形螺紋約束；ROV接頭與螺紋軸通過銷釘傳動，設置為接觸約束；軸承和軸承座與螺紋軸為接觸約束；設置ROV接頭的角速度為25.12rad/s，保證在最短時間（10s）之內正好運動1個行程；考慮持續最大負載的情況進行模擬，在螺母下表面施加387.66kN的恒力；對整體模型施加重力進行仿真。

圖4 模型約束

    在仿真中，首先希望了解螺母的速度、位移與時間的對應關系；其次計算出ROV接頭的驅動力矩以進行數值驗證和ROV選型；最后測出螺母絲杠的軸向力，同時與計算結果進行對比分析。仿真結果如圖5～圖8所示。

圖5 螺母速度

圖6 螺母的位移

    從圖5和圖6可以看出，在10s時螺母以16mm/s勻速運動了160mm，正好是閥門的設計行程，符合設計要求。從圖7可以看出，ROV接頭的驅動力矩為1389.8N·m，由于其受到自身重力的作用，與之前計算的扭矩1378.5N·m相比，差值在數量級上可以忽略不計，因此同樣滿足設計要求。從圖8可以看出，螺母絲杠結構的軸向力為387.476kN，由于其受到自身重力的作用，與之前計算用的軸向力相比，差值在數量級上可以忽略不計，所以同樣滿足設計要求。從仿真分析結果可以看出，螺桿強度滿足設計要求，進一步驗證了設計的合理性。

圖7 ROV接頭的驅動力矩

圖8 螺桿的軸向力

    5 結束語

    針對應用于深水1500m、油氣壓力為134.5MPa的Φ152.4mm管道的閘板閥，設計了一種新型閘板閥ROV傳動機構。該機構具有結構簡單緊湊、功能可靠等優點，解決了深水惡劣條件下難以密封、難以承載較大開啟力等設計難題，提出了新型ROV傳動機構設計方法，并結合設計實例對螺桿進行數值設計計算。通過對ROV傳動機構整體的運動學和動力學仿真結果分析，進一步驗證了設計的合理性和可行性。ROV傳動機構的設計和分析方法為深水閥門的設計及樣機的研制奠定了理論基礎。