深水水下控制模块设计及应用试验

摘要

水下控制模块是水下生产系统的核心部分，主要负责对整个水下生产系统进行监测及控制。国内对水下控制模块的研究起步较晚，且与国外有较大的差距。本文针对水下控制模块液压系统及机械结构关键技术进行了详细设计与分析，成功研制出一台水下控制模块试验样机，并对其关键性能进行了测试。
　　论文对水下控制系统的主要形式以及国内外主要公司的水下控制模块进行了介绍，通过对比国内外水下控制模块的主要形式，提出了水下控制模块的总体方案，包括液压系统总体方案和机械结构总体方案。根据设计要求确定了液压系统及机械机构的基本形式，并对水下控制模块进行了三维建模，在模型的基础上对主要结构进行详细的介绍。
　　根据水下阀门执行器快速开启及关断的特点，对执行器进行了建模与计算，进而对液压系统进行了详细设计，确定了各个管线的直径，重点对脐带缆中液压软管进行理论建模，推导出液压软管的液阻特性，并利用液阻特性对液压软管的管径进行了优化，在满足工作压力的前提下于压力损失与管线质量之间选取了最优解；分析了回油路压力补偿器对液压执行器控制的影响。并对液压系统的压力补偿器及各种工况进行的建模与仿真，验证了液压系统设计的合理性。
　　对水下控制模块液压系统结构进行了设计，确定了其布局及关键元件的结构；确定了水下控制模块壳体的结构及压力补偿装置的体积；应用响应面方法及多目标遗传算法对水下电子模块壳体尺寸进行了优化，在保证壳体强度的前提下有效减轻了耐压壳体的质量；针对水下控制模块需要在水下机器人的辅助下进行安装及更换的特点，设计了一套对接锁紧机构，对其对接精度进行了分析，并通过计算选取了水下机器人操作接口等级及转速。
　　进行了水下控制模块样机试验，具体包括液压系统试验、密封及压力测试、对接锁紧试验及对水下分离器的控制试验。通过试验证明，水下控制模块液压系统工作性能良好，能够满足工作压力，水下控制模块能够控制执行器开关；水下控制模块壳体及水下电子模块的壳体密封性能能够满足设计要求；水下控制模块能够通过人工及ROV操作工具进行对接与锁紧；水下控制模块能够正常控制及监控分离器系统工作，并且能够保证分离器内部的液位及压力稳定在设定值附近。

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第1章 绪论

1.1 课题来源、目的及研究意义

1.2 水下生产控制系统的发展过程

1.3 水下控制模块的发展现状

1.4 主要研究内容

第2章 水下控制模块总体方案研究

2.1 水下控制模块在水下控制系统中的作用

2.2 水下控制模块设计要求

2.3 水下液压控制系统方案设计

2.4 水下控制模块机械结构方案设计

2.5 本章小结

第3章 水下控制模块液压系统设计与分析

3.1 执行机构的分析

3.2 蓄能器的计算

3.3 海底液压传输管线设计

3.4 脐带缆液压软管分析

3.5 液压系统压力补偿装置研究

3.6 液压系统仿真分析

3.7 本章小结

第4章 水下控制模块关键结构研究

4.1 液压系统结构设计

4.2 水下控制模块壳体及压力补偿装置分析与设计

4.3 水下电子模块壳体设计与优化

4.4 水下控制模块对接锁紧机构分析

4.5 本章小结

第5章 水下控制模块应用试验

5.1 水下控制模块液压系统试验

5.2 水下控制模块密封及压力测试

5.3 水下控制模块对接锁紧试验

5.4 水下控制模块对水下分离器控制试验

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢