天然氣水合物樣品轉移裝置卡爪機構設計

溫明明,劉俊波,耿雪樵，肖　波,劉方蘭,盛　堰

(1.廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510075；2.浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021)

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天然氣水合物樣品轉移裝置卡爪機構設計

溫明明1,劉俊波2,耿雪樵1，肖波1,劉方蘭1,盛堰1

(1.廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510075；2.浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021)

摘要：樣品轉移卡爪是天然氣水合物保壓轉移裝置的重要關鍵部件，其功能是實現在維持內壓的情況下抓取并移動天然氣水合物樣品管?；诮档蛯悠返臄_動、提高抓取及脫離樣品管的成功率等因素考慮，提出一種結構精巧的樣品管抓取的卡爪機械結構，并對關鍵部件進行受力分析。實驗表明，該樣品管卡爪機構能夠有效抓取及脫離樣品管，該設備研制成功加快了樣品轉移裝置研制的進展。

關鍵詞：天然氣水合物；保壓轉移；卡爪；結構設計;結構分析

0引言

天然氣水合物是一種優質高效的燃料。據理論計算，1 m3飽和天然氣水合物在標準條件下可釋放出150～200 m3的甲烷氣體，是其他非常規氣源巖(諸如煤層氣、黑色頁巖)能量密度的10倍、常規天然氣能量密度的2～5倍[1]。我國南海和東海的天然氣水合物儲量豐富，研究及實現天然氣的有效采集，對我國具有巨大的經濟及戰略意義。

天然氣水合物穩定存在于一定的低溫高壓條件下。當開采巖心提升到常溫常壓的海面時，其中含有的天然氣水合物組分會全部或大部分分解，達不到原位勘探目的[2]。在“十五”、“十一五”863計劃支持下，我國現有的深海沉積物采樣器可以在深海取到天然氣水合物樣品并進行保壓[3—5]。為了更好研究天然氣水合物的物理性質，樣品在由甲板轉移到實驗室的過程中需要全程保壓，但是這一技術的提供主要由國外公司壟斷，國內暫無保壓轉移的設備，關鍵環節的缺乏導致研究效果不理想。

課題組目前正在研制海底天然氣水合物保壓樣品轉移裝置，其中與保壓取樣器樣品管對接的樣品管抓取裝置就是本課題的關鍵研制內容之一。本文提出了一種帶壓下的抓取樣品管的卡爪機構，其結構小巧，可嵌入樣品管內，抓取、脫離樣品管時快速可靠，通過對卡爪機構的有限元分析，并結合卡爪樣品管及拉管試驗，驗證了卡爪的抓取能力。

1保壓轉移裝置機構及工作原理

1.1保壓轉移裝置機構組成

保壓轉移裝置機構示意圖如圖1所示。保壓轉移裝置由樣品抓取及推送單元、切割及卡緊單元、球閥、聲波檢測單元、保壓取樣器依次連接而成。

圖1　保壓轉移裝置機構示意圖

1.2樣品保壓轉移實現過程

(1)對接過程：取樣器與深海沉積物保壓取樣轉移裝備對接，此時球閥均處于關閉狀態，系統進行加壓，系統壓力平衡后，打開球閥。

(2)抓取過程：卡爪機構依次穿過切割及卡緊單元、聲波檢測單元進入取樣器，卡牢樣品管。

(3)切割過程：卡爪機構帶動樣品管穿過切割及卡緊單元，在外置電機的作用下，刀頭由外而內切割樣品管。

(4)取樣器脫離過程：切割剩余的樣品管被頂回取樣器后，卡爪機構后退回樣品抓取及推送單元，關閉球閥，將取樣器與保壓轉移裝置分離，完成樣品保壓轉移。

2樣品管卡爪機構及工作原理

2.1卡爪機構設計

卡爪機構主要功能是抓取樣品管并進行回拉，在達到位置后實現自動脫扣，保證樣品管進入保壓儲存艙?？ㄗC構設計圖如圖2所示。卡爪以螺紋桿為依托，在螺紋桿左端通過頂桿轉軸連接頂桿，頂桿頂部安裝換針，再通過滑桿嵌入推筒十字槽，套上螺母套和給進轉頭，在特制螺釘的限位作用下旋轉給進轉頭來推進或回拉換針，達到抓取樣品管和脫扣的目的。

1.推筒　2.螺紋桿　3.螺母套　4.給進轉頭　5.特制螺釘

2.2工作原理

卡爪的工作過程如圖3所示?？ㄗぷ鬟^程主要分為前進、抓取、回拉、脫扣等4個步驟。

圖3　卡爪工作過程

(1)前進過程：卡爪初始狀態是頂桿連帶換針處于收縮狀態,卡爪前進時，給進轉頭不旋轉且與螺紋桿保持相對靜止，卡爪在外力推動下逐漸進入樣品管。

(2)抓取過程：當卡爪進入抓取狀態時，給進轉頭處于旋轉過程中，特制螺釘在限位槽中向卡爪尾部移動，直至限位槽末端時，停止旋轉給進轉頭，此時頂桿已與螺紋桿垂直，換針已深入樣品襯管。

(3)回拉過程：此過程與前進過程相似。在外力作用下，帶動卡爪回拉，由于換針已垂直頂入樣品管，從而帶動樣品管移動。此時卡爪各個零件間保持相對靜止，給進轉頭不旋轉。

(4)脫扣過程：此時在給進轉頭反轉作用下，螺紋桿相對推筒向卡爪尾部移動，通過頂桿轉軸及滑桿的作用將頂桿向推筒的十字槽內部拉，從而將頂桿頂部的換針拉出樣品管，達到脫扣目的。最后在外力拖動下將卡爪拉出樣品管，樣品襯管即與卡爪脫離。

3卡爪受力分析及仿真

3.1螺紋桿有限元分析

由于螺紋桿是卡爪安裝的受力基座，其力學性能的好壞直接影響到卡爪是否能有效抓取樣管。螺紋桿的力學有限元分析可分為2種情況，第1種是螺紋桿不動，給進轉頭運動帶動推筒運動，產生向前或向后的拉力使頂桿帶動換針脫出或插入樣品襯管；第2種是在螺紋桿已抓取好樣品襯管后受到螺紋桿裝置的拉動向后運動。

第1種工況情況，針對圖4(a)分析可知，螺紋桿受到的最大應力為59.2 MPa。

圖4　螺紋桿應力

第2種情況，由圖4(b)分析可知，螺紋桿所受最大應力為13.5 MPa，遠小于材料許用屈服強度620 MPa要求，但其直徑的大小還得考慮到螺紋桿推進過程的抗彎特性。

從圖4分析可知，2種情況下螺紋桿的設計均符合受力校核。

3.2給進轉頭有限元分析

給進螺母旋轉到限位位置后停止，在螺紋桿被回拉時，給進轉頭受到螺母套的作用向上提，此時以給進轉頭的螺紋面作為固定約束進行力學分析，施加1 500 N的力作用于被螺母套扣住的面，應力分析結果如圖5所示。從圖5分析可知，給進轉頭受到的最大應力為5.9 MPa，該值遠小于最大許用應力530 MPa，所以給進轉頭滿足受力校核。

3.3推筒有限元分析

在螺紋桿處于第2種運動狀態的時候，推筒處于臨界狀態，受到了滑桿對他向前的拉力，把與螺母套接觸面設為固定幾何體，滑桿對它有一種向前的推力作用，應力分析結果如圖6所示。從圖6中可知，推筒受到的最大應力為130 MPa，滿足最大許用應力530 MPa的校核要求。

圖5　給進轉頭應力分析圖

圖6　推筒應力分析圖

3.4換針有限元分析

由于換針尖端需要插入樣品管塑料壁，以頂桿固定螺紋面為固定約束進行受力分析。其換針針端受到最大的壓力為1 750 N，則其水平方向可獲得1 500 N的拉力。以此為受力初始條件進行應力分析，結果如圖7所示。由分析可知，換針產生的最大應力值為309 MPa，小于最大許用應力530 MPa，滿足設計受力校核。

4卡爪機構試驗

為驗證卡爪機構的實際力學特性，對其進行了卡爪機構的載重拉力試驗。試驗時在樣品管上對稱設置鉆孔并穿上鋼絲繩緊固，下端懸掛重力塊，逐步增加重力塊的重量，直至卡爪與樣品管脫離，記錄極限重量，從而反映換針的卡取樣品管效果。試驗過程中，從30 kg的重量開始加起，每加一次重塊停留15 min，直至達到300 kg，看看卡爪與樣品是否脫落。實驗表明，加重塊達到300 kg后，卡爪依舊沒有脫落,證明本卡爪的抓緊力是可靠的。

圖7　換針應力分析圖

5結論

(1)理論計算及有限元分析表明，該卡爪機構設計合理，滿足力學校核。

(2)試驗結果證明，卡爪機構能夠可靠抓取樣品管，不易脫落。

(3)卡爪機構小巧可靠，卡取樣品管方便有效，與保壓轉移其他裝置配合可實現天然氣水合物的保壓轉移。

參考文獻：

[1]張志杰,于興河,鄭秀娟，等. 天然氣水合物的開采技術及其應用[J].天然氣工業,2005,25 (4):128-130.

[2]孫志高，王如竹，等．天然氣水合物研究進展[J]．天然氣工業，2001,21(1)：93-96.

[3]秦華偉，陳鷹，顧臨怡,等.海底沉積物保真采樣技術研究進展[J].熱帶海洋學報,2009,28(4):42-48.

[4]李世倫，程毅，秦華偉，等.重力活塞式天然氣水合物保真取樣器的研制[J].浙江大學學報，2006，23(6)：888-892.

[5]程毅.天然氣水合物保真取樣技術研究[D].杭州：浙江大學，2006.

中圖分類號：P742

文獻標志碼：A

作者簡介：溫明明(1976—)，男，高級工程師，主要從事海洋地質和海洋物探。

基金項目：國家“863”高科技計劃資助項目(2013AA092503)

收稿日期：2015-10-28