（机械制造及其自动化专业论文）新型水下法兰连接机具试验样机关键技术研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g yo fe x p e r i m e n t a l p r o t o t y p eo f n e wu n d e r w a t e r f l a n g ec o n n e c t i n gt o o l m o uw e i p r o f g u ol ib i n m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m e c h a n i c a l m a n f a c t u r i n ga u t o m a t i o n d e c e m b e r ，2 0 0 9 m a r c h ，2 0 1 0 h a r b i ne n g i n e e n n gu n i v e r s i t y “ 7 - 0 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。l ， 作者( 签字) ：励矽 日期： 沙细年专月以日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 。工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 留在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇 作者( 签字) ：彳巾 日期：弘阳年月心日 导师( 签字) ： 渺d 年；月纩日 _ 人 恤 | i j j 哈尔滨丁稗大学硕十学位论文 摘要 随着我国海洋石油工业逐渐从浅水区域向深海发展，迫切需要用于海底管道连 接的自动连接设备。水下法兰连接机具是海底管道连接设备中的核心设备，主要用 于连接管道法兰。本课题源自国家“8 6 3 ”项目“深水海底管道铺设技术子课题“深 水海管水下回接技术及a u t 检验设备国产化技术研究( 课题编号： 2 0 0 6 a a 0 9 a 1 0 5 - 4 ) 。本论文研究的主要内容是完成新型水下法兰连接机具试验样机 设计及相关技术分析。 首先，论文介绍了水下法兰连接机具的国内外发展概况，根据国内外机具的相 关技术和经验，通过对水下法兰连接机具第二代虚拟样机的分析，深入研究液压拉 伸法对法兰螺栓进行拉伸预紧的基本原理，按照a s m e 规范新方法对螺栓预紧力进 行分析、计算，结合水下法兰连接机具的工作环境和技术要求，提出了新型水下法 兰连接机具试验样机的总体设计方案。、 其次，根据新型水下法兰连接机具试验样机的总体结构方案，对其螺栓库、螺 母库及螺栓拉伸机构进行详细地分析与三维设计，同时完成关键零部件的结构强度 与刚度分析，通过虚拟装配和运动仿真验证结构设计的合理性；重点对螺母引入结 构进行原理分析，并运用仿真软件对其进行运动学仿真，通过螺母引入结构样机试 验，验证螺母引入结构设计的可行性；在法兰连接机具库体开合结构原理分析和动 力学仿真的基础上，对库体的开合结构进行优化设计。 最后，对处于预紧状态和压力试验状态下的法兰连接系统，分别进行紧密性分 析、可靠度分析与强度分析，研究法兰连接系统的密封性能以及预紧力和管道内压 对法兰密封性能的影响。 关键词：水下法兰连接机具；结构设计；结构静力学分析；运动学与动力学研究： 密封性能 - 阳 l i 1 c o n n e c t i o ne q u i p m e n t s ，w h i c ha r em a i n l yu s e dt oc o n n e c tp i p e l i n ef l a n g e s t h er e s e a r c h s u b j e c t i sn a m e d ”r e s e a r c ho nt i e - i n t e c h n i q u e sf o rd e e p w a t e rp i p e l i n e s a n d n a t i o n a l i z e dt e c h n o l o g yo f a u t i i i s p e c t i o ne q u i p m e n t s ”( n o 2 0 0 6 a a 0 9 a 10 5 4 ) ，w h i c h i so n eb r a n c ho f n a t i o n a l 8 6 3 ”刚鳅p i p e l i n el a y i n g t e c h n o l o g ya tt h e d e e ps e a t h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e ri st oc o m p l e t ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ed e s i g no fn e w u n d e r w a t e rf l a n g ec o n n e c t i n gt o o t sa n dr e l a t e dt e c h n i c a la n a l y s i s f i r s t l y , t h ei n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i cd e v e l o p m e n to ft h eu n d e r w a t e rf l a n g e c o n n e c t i n gt o o l si si n u o & r e di nt h ep a p e ra c c o r d i n gt ot h er e l e v a n tt e c h n o l o g ya n d e x p e r i e n c e so ft h er e s e a r c ho l l t o o l sa th o m ea n da b r o a d , t j a r o u g ht h e a n a l y s i so f s e c o n d - g e n e r a t i o np r o t o t y p e0 fm eu n d e r w a t e rf l a n g ec o n n e c t i n gt o o l s ，t h ep a p e rd e e p l y s t u d i e st h eb a s i cp r i n c i p l eo f h y d r a u l i ct e n s i o nm e t h o dt os t r e t c ha n dp r e - t i g h t e nt h ef l a n g e b o l t , a sw e l lt h ep a p e ra n a l y z e sa n dc a l c u l a t e st h eb o l tm - t i g h t e m gf o r c ew i t ht h en e w s t a n d a r dm e t h o do fa s m e ，c o m b m i n gw o r ke n v i r o n m e n ta n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so f t h eu n d e r w a t e rf l a n g ee o n n e c t 吨t o o l s ，a n dt h e np u t sf o r w a r dt h eo v e r a l ld e s i g np r o g r a m o f e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ed e s i g no f t l en e wu n d e r w a t e rf l a n g ec o n n e c t i n gt o o l s s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h eo v e r a l ls m l c t u r a lp r o g r a mo f t h en e w u n d e r w a t e rf l a n g e ，t h e p a p e ra n a l y z 燃a n dn l a l ( e st h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g no fb o l tt o o l ，n u tt o o la n db o l tt e n s i o n m e c h a n i s mi nd e t a i l , a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e ra l s om 址( 懿s m l c t u r a ls n 脚a n ds t i f f n e s s a n a l y s i so ft h ek e yp a r t s ，t ov e r i f yt h er a t i o n a l i t yo ft h es m l c t t w a ld e s i g nt s 妁u g hv i r t u a l a s s e m b l ya n dk i n e m a t i c ss i m u l a t i o n ；t h ep a p e rp u t st h ee m p h a s e s0 1 1t h ep r i n c i p l e 删y s i s o ft h el e a d - i nd e v i c eo fn u t s ，a n du s e ss i m u l a t i o ns o f tw a l e st oc a r r yo u tk i n e m a t i c s - i p 哈尔溟丁稃大学硕十学何论文 s i m u l a t i o no f 吒a n dt h e nt ov e n f yt h ef e a s i b i l i t yl e a d - i ns t r u c t u r a ld e s i g no fn u t s 蚰o u g h t h ee x p e r i r n e n m lp r o t o t y p eo ft h e l e a d - i nd e v i c eo fn u t st e s t i n go fn u t s ；b a s e do nt h e o n - - - - o f fs l r u c t u r eo ff l a n g ec o n n e c t i n gt o o l sa n dk i n e m a t i c ss i m u l a t i o n , t h ep a p e rm a k e s o p t i m a ld e s i g no f p r e s s u r ep o i n t so f t h eo n - - o f f s m m u r e f i n a l l y , a s 衙位f l a n g ec o n n c c 魄s y s m ui nt h ep r e - a g h 咖s t a t ea n dp r e s s u r e t e s t i n gs t a t e 9t h ep a p e rr e s p e c t i v e l ym a k e sa g h m e s sa n a l y s i s ，r e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n d 蚰唧a n ds t i f f n e s sa n a l y s i so ft h ef l a n g ec o n n e c t i n gs y s t e r n ，t or e s e a r c ht h es e a l i n g p e r f o n m n c eo ff l a n g ec o n n e c 吨s y s t e m , p r e r a g h m a t n gf o r c ea n dt h ee f f e c to fi n t e r n a l p r e s s u r eo f p i p e l i n eo nt h en 孤l 萨a h n gp c d - 0 i m 锄c e k e yw o r d s ：u n d e r w a t e rf l a n g ec o n n e c t i n gt o o l s ；s m m m a ld e s i g n ；s t a t i cs m l c t u r a l 删y s i s ；d y n a m i c sa n dk i n e m a t i c ss t u d y ；, s e a l i n gp e r f o r m a n c e 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1引言1 1 2 课题来源、目的及意义1 1 2 1 课题来源1 1 2 2 课题研究目的2 1 2 3 课题研究意义2 1 3 国内外水下法兰连接机具的发展概况2 1 3 1 国外水下法兰连接机具发展概况2 1 3 2 国内水下法兰连接机具发展概况6 1 4 论文的主要研究内容9 第2 章新型水下法兰连接机具的总体方案研究11 2 1 引言3 二1 1 2 2 新型水下法兰连接机具试验样机的总体方案设计l l 2 2 1 新型水下法兰连接机具试验样机工作前提条件分析1l 2 2 2 法兰连接系统相关参数分析12 2 2 3 水下法兰螺栓预紧方案分析1 4 2 2 4a s m e 新规范设计螺栓预紧力1 6 2 3 新型水下法兰连接机具试验样机总体结构方案2 0 2 3 1 新型水下法兰连接机具试验样机总体结构。2 0 2 3 2 新型水下法兰连接机具试验样机技术要求2 2 2 3 3 新型水下法兰连接机具试验样机工作流程2 3 2 4 本章小结2 4 第3 章新型水下法兰连接机具的结构设计与分析2 5 3 1 引言2 5 3 2 水下法兰连接机具结构设计2 5 3 2 1 螺栓库结构设计2 5 3 2 - 2 螺母库结构设计2 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 3 2 3 螺栓拉1 0 0 j o l 构结构设计3 0 3 3 库体结构静力学结构分析。3 2 3 3 1 上库体基架结构分析3 3 3 3 2 左库体基架结构分析3 6 3 4 j 、l 右3 8 第4 章新型水下法兰连接机具运动与动力学研究3 9 4 1 引言3 9 4 1 螺母引入结构运动分析3 9 4 2 1 螺母引入运动工作原理3 9 4 2 2 螺母引入结构运动学仿真。4 0 4 2 3 螺母引入试验样机结构设计4 3 4 2 4 螺母引入结构样机参数4 4 4 2 5 螺母引入结构样柳 式验4 5 4 3 库体开合结构动力学分析4 6 4 3 1 库体开合结构工作原理4 6 4 3 2 库体开合结构动力学仿真4 8 4 3 - 3 库体开合结构优化设计5 l 4 4 ，j 、结5 4 第5 章法兰连接系统的密封陛能研究5 6 5 1 引言5 6 5 2 法兰连接系统的紧密性分析5 6 5 2 1 垫片变形量计算5 6 5 2 2 螺栓变形量计算5 7 5 2 3 法兰轴向变形量计算5 9 5 2 a 法兰连接系统的变形协调方程6 2 5 2 5 法兰连接系统的紧密性设计。6 2 5 3 法兰连接系统的可靠度分析6 3 5 3 1 垫片密封可靠度计算6 4 5 3 2 螺栓强度可靠度计算6 5 哈尔滨工程大学硕十学位论文 5 3 3 法兰强度可靠度计算6 6 5 4 法兰连接系统的有限元分析6 8 5 4 1 建立法兰连接系统分析模型6 8 5 4 2 预紧状态下法兰连接系统结构分析6 9 5 4 3 压力试验状态下法兰连接系统结构分析7 l 5 5小结7 2 结论。7 3 参考文献7 5 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 0 j 定谢8 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1引言 第1 章绪论 2 1 世纪以来，各国对石油资源的需求持续上涨，供需趋于紧张。随着我 国工业现代化的快速发展，特别是汽车产业的迅猛发展，国民对石油的需求 量逐渐增加，我国由石油净出口国逐渐变为石油净进口大国。目前，我国石 油主要来源于国内石油的开采和国外石油的进口，但更多地依赖于石油进口， 由于石油进口易受国外政治军事环境以及诸多安全因素的影响，所以向深海 要油气成为我国石油发展战略的主要方向之一。同时，深海油气开采成本的 下降和建设周期的缩短，也为我国石油开采向深水发展创造了有利条件1 。 我国海洋油气资源产业化前景可观。从改革开放之初，在国家相应政策 的鼓励下，国家石油公司通过引进、消化、吸收国外先进技术和自主创新， 不断研究出海洋石油勘探开发的核心技术，同时也培养了一批海洋石油的优 秀人才。根据石油资源的评价结果，我国海洋油气资源比较丰富，海洋石油 资源量为2 4 6 亿吨，占全国石油资源量的2 3 。然而，受到海洋石油开采技 术的发展限制，我国海上大油田数量仅占世界海上主要海上油田数量的 3 1 ，海上原油产量占世界海上原油产量的比例为2 4 ，海上石油累计产量 所占份额更低，仅为1 b 。 1 2 课题来源、目的及意义 1 2 1 课题来源 本课题来源于中国海洋石油工程股份有限公司承担的“十一五”期间国 家“8 6 3 重点项目的子课题“深水海底管道铺设技术及a u t 检测设备 国产化技术研究 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 2 课题研究目的 本课题的研究目的是研制出具有自主知识产权的新型水下法兰连接机具 试验样机，使其能在水下进行管道法兰连接试验，并使所连接管道的密封性 能满足要求。 1 2 3 课题研究意义 世界海洋石油工业的总趋势是向深海发展，然而我国海洋石油工业的深 海技术与世界先进水平相比还存在较大差距，国外油田开发的作业水深为 3 0 0 0 米，而我国石油工业在这一方面的能力相当欠缺，作业水深只达3 3 0 米 口1 。然而，我国在深水区域的石油开发作业主要靠租借国外的相关产品和设 备，此费用极其昂贵，严重阻碍了我国石油开采的发展，所以我国石油工业 要向深海发展就必须开发具有我国自主知识产权的相关技术，努力缩短与国 外先进技术的差距。 水下法兰连接机具的研究填补了我国在此项技术领域的空白，并且此项 技术研究拥有自主知识产权，将其应用于海底管道连接工程中，能在很大程 度上降低石油开发成本，并在一定程度上促进我国深海石油开发技术的发展。 1 3国内外水下法兰连接机具的发展概况 1 3 1国外水下法兰连接机具发展概况 国外的水下法兰连接机具主要有瑞士的a l l s e a s 公司的专利技术、美国的 s o n s u b 公司开发的b r u t u s 系统、挪威a c e r g y 公司研制的m a t i s 系统等。 1 瑞士a l l s e a s 公司的专利技术 目前，瑞士的a l l s e a s 公司只有相关的专利技术，没有产品和相应的工程 应用，其专利技术的结构如图1 1 所示。a l l s e a s 公司专利技术由h 架、r o v 、 螺栓库和螺母库等部分组成。其工作过程是将待连接管道的轴心对齐，通过 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 设备将管道法兰的螺栓孔对齐，然后通过螺栓库、螺母库将螺栓插入法兰孔， 并锁紧预紧力【3 1 。 图1 1a l l s e a s 公司的专利总体图 a l l s e a s 公司专利的管道调整工具如图1 2 所示，管道调整工具主要由h 架、卡爪等构成，其主要功能是将两个待连接的管道从海底上抬起一定的高 度，并能横纵向移动管道，从而实现管道的对齐。管道调整工具的结构特点 使其能在具有一定坡度的海底表面处调整管道。 图1 2a l l s e a s 公司专利的管道调整机具图1 3a l l s e a s 公司专利的螺母库 螺母库结构如图1 3 所示，螺母库体的整体结构为三瓣式结构，它通过 液压缸实现左右两个库体的开合运动。螺母库由套筒扳手、液压马达、液压 拉伸器等部分构成，液压拉伸器对螺栓进行拉伸，液压马达对螺栓拉伸产生 的预紧力进行锁紧，实现法兰螺栓的连接。 2 美国s o n s u b 公司的法兰连接系统 s o n s u b 公司在水下管道连接方面拥有十分成熟的技术，从上世纪九十年 哈尔滨工程大学硕十学位论文 代初期该公司就对水下管道对接进行相关研究。该公司的b r u t u s 系统能够在 无潜水员的条件下实现深水管道连接，其最大工作水深为3 0 0 0 m ，最大连接 管径为2 4 i n c h ，该公司曾成功应用此系统于2 0 0 0 年夏天在挪威外海4 0 0 m 深 处完成了1 6 i n c h 管道法兰连接，此系统具有工程应用经验一1 。 b r u t u s 系统由轴向对准工具、接应工具、r o v 、水下法兰连接机具等组 成，如图1 4 所示，该系统的接应工具、轴向对准工具和水下法兰连接机具 都有与r o v 的接口【町吨q 。通过此接口，r o v 能控制b r u t u s 系统中的各种机具， 实现对管道法兰的连接。轴向对准工具和接应工具对两个待连接的管道进行 横纵调整，使其两根管道的轴心对齐。管道轴心对齐是水下法兰连接机具进 行管道法兰连接工作的必要前提。法兰连接的实际工程应用状态，如图1 5 所示。 图1 4b r u t u s 系统 图1 5b r u t u s 系统连接法兰 4 哈尔滨工程大学硕十学何论文 皇i 置昌暑| i 宣置i e 置j i 毒暑寓i 置置宣萱宣宣i 葺i 宣置暑暑宣i i ；i 葺葺昌i i i 宣i i i i 薯置薯曩暑i 薯i 置i i i i l 水下法兰连接机具由螺栓库与螺母库等组成，如图1 6 和图1 7 所示。螺 栓库的主要功能是携带螺栓，调整固定法兰与旋转法兰的螺栓孔对齐，并将 其所携带的螺栓插入固定法兰和旋转法兰中，并配合螺母库，将螺栓拉伸预 紧。螺栓库上安装有2 个探针，能够伸出预定长度，螺栓库通过探针先后插 入旋转法兰和固定法兰的螺栓孔，周向调整旋转法兰螺栓孔，使螺栓库的螺 栓插入两个法兰中。螺母库的主要功能是携带螺母，并将其所携带的螺母拧 入对应的螺栓，同时，螺母库与螺栓库二者配合运动，将所有螺栓拉伸预紧。 当法兰连接工作完成后，所有机具顺利地撤离管道连接现场，并实现回收再 利用。 图1 6 螺栓库图1 7 螺母厍 3 挪威a c e r g y 公司的产品 挪威a c e r g y 公司的水下管道连接技术也比较成熟，其研制的产品是m a t i s 系统。该公司曾于2 0 0 0 年1 0 月在北海的g u l l f a k s 水深2 1 5 米处，应用m a t i s 系统完成了2 2 i n c h 到2 4 i n c h 管道法兰的连接，并于2 0 0 1 年1 0 月在西非安哥 拉的g i r a s s o l1 4 0 0 米处，完成了1 2 i n c h 的管道法兰连接，其最大工作水深可 达3 0 0 0 米斗【9 】o m a t i s 系统由管道调整机构、r o v 接口和水下法兰连接机具等组成，如 图1 8 所示。管道调整机构的主要功能是对管道的轴心位置进行调整，其调 整状态如图1 9 所示。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图1 8a e e r g y 公司的m a t i s 系统图1 9 吊放m a t i s 系统 水下法兰连接机具的主要功能是携带螺栓螺母，并将其所携带的螺栓插 入待连接法兰螺栓孔中，然后将螺栓拉伸预紧。水下法兰连接机具主要由机 械手、螺栓库、螺母库、密封垫片库、螺栓插入机构和螺母拧紧机构等构成， 如图1 1 0 所示。 图1 1 0 水下法兰连接机具结构图 1 3 2国内水下法兰连接机具发展概况 国内在浅水域的管道连接一般是在潜水员辅助下进行，管道的连接方式 通常有水下焊接法和水下机械连接法等们。目前，由于饱和潜水的水深为6 5 0 m ，对于更深水域的管道法兰连接，我国还没有工程应用。 在国家“8 6 3 项目的支持下，哈尔滨工程大学对水下法兰连接技术相关 技术进行了研究，已经完成了第一代机具与第二代机具的虚拟样机研究工作， 试验样机正处于研制阶段。 1 水下法兰连接系统第一代虚拟样机1 6 1 管道、法兰2 螺栓库3 螺母库 图1 11 水下法兰连接系统第一代虚拟样机 该原理样机主要有以下缺陷：水下法兰连接机具的螺栓库和螺母库两者 不能实现同步旋转运动；螺栓与螺母轴心对齐的可靠性较低，即螺母不能顺 利地拧入螺栓；库体两瓣式的开合结构需要较大的开合空间与开合作用力； 其扳手对螺栓拉伸预紧的精度较低。 2 水下法兰连接机具的第二代虚拟样机 水下法兰连接系统的第二代虚拟样机由轴向对准工具、接应工具、h 架 以及水下法兰连接机具等组成习，如图1 1 2 所示： 1 轴向接应工具2 水下法兰连接机具3 轴向对准工具4 海底管道5 h 架 图1 1 2 水下法兰连接系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 水下法兰连接机具的第二代虚拟样机借鉴了第一代虚拟样机和国外的相 关技术经验，对第一代原理样机进行了相关技术改进，提高了螺栓库和螺母 库的周向运动同步性等。 水下法兰连接机具主要由外框架、内框架、螺栓库和螺母库等组成，如 图1 1 3 所示。外框架的主要功能携带内框架、螺栓库和螺母库，并通过卡爪 将机具固定在待连接的两根管道上，r o v 与外框架接口连接，控制整个机具 的工作过程。内框架的主要功能是携带螺栓库、螺母库，并周向调整螺栓库 和螺母库，将固定法兰与旋转法兰的螺栓孔对齐，使得螺栓库的螺栓能顺利 通过螺栓孔。螺栓库的主要功能是携带螺栓，拉伸螺栓，并锁紧预紧力。螺 母库的主要功能是携带螺母，将螺母拧上螺栓。水下法兰连接机具完成管道 法兰连接后，机具能撤离管道，以实现回收。 图1 1 3 水下法兰连接机具第二代虚拟样机 通过对水下法兰连接机具虚拟样机的结构进行分析，其结构存在以下三 个方面的不足： 1 内框架的结构设计方面 内框架在对螺栓库和螺母库进行周向旋转时，容易形成互锁，对内框架 两端液压缸的同步性要求很高，螺栓库、螺母库旋转精度低；螺栓库和螺母 库在内框架的两根平行的圆导轨上平移运动时，与圆导轨外表面的移动阻力 过大，易造成轴向移动锁紧，各个库体轴向移动的可靠性低；由于螺栓库和 螺母库重量较大，其对圆导轨的作用力较大，同时使其沿竖直方向的变形量 8 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 过大，影响螺栓、螺母的轴心对齐：在螺栓插入旋转法兰螺栓孔的过程中， 由于内框架旋转的控制精度低，螺栓与对应的法兰螺栓孔轴心对齐的难度很 高，导致可靠性较低。 2 调整法兰螺栓孔对齐原理方面 在调整旋转法兰与固定法兰螺栓孔对齐的过程中，由于携带螺栓的螺栓 库不具备周向运动的柔性，即在外力作用下，螺栓库不具备自由周向旋转的 特性，当螺栓与螺栓孔轴心完全对齐时，螺栓才能从旋转法兰的螺栓孔插入 固定法兰的螺栓孔中，需要增加检测螺栓孔对齐的设备：在调整法兰螺栓孔 对齐的过程中，利用螺栓表面与螺栓孔表面的接触应力，使旋转法兰旋转， 螺栓的螺纹会损坏，使得螺母拧入螺栓的难度增加。 3 螺栓库、螺母库的原理设计方面 在螺栓和螺母的连接方式中，对用于法兰连接的每个螺栓两端都需使用 液压马达来将其拧紧，导致液压马达的数量增加一倍，而库体上液压马达的 布置空间十分拥挤，基架结构强度低其对液压油源的需求量也随之增加； 在螺栓库对螺栓进行拉伸的过程中，每个螺栓都对应安装液压拉伸器，这势 必造成液压拉伸器在螺栓孔中心圆周上的布置空间变得紧张，导致安装液压 拉伸器的基架结构强度可靠性低，同时也增加了其对液压油源的需求；螺栓 库同时安装有液压拉伸器和液压马达，使得螺栓库布置空间不足，这样易发 生干涉。 1 4 论文的主要研究内容 论文主要根据国家“8 6 3 项目 的要求，针对1 4 i n c h 的水下管道法兰， 设计专用的法兰连接机具，并对应用该机具连接后的法兰连接系统进行密封 性能研究。 本论文的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 论文介绍了水下法兰连接机具的国内外发展概况，对典型的水下法兰 连接机具的结构特点进行分析，并对第一代与第二代水下法兰连接机 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 具的原理和结构进行分析。 ( 2 ) 根据管道法兰的相关参数、法兰螺栓预紧的方案以及应用a s m e 新 规范设计螺栓预紧力等，针对第二代水下法兰连接机具的设计不足之 处，确定了新型水下法兰连接机具试验样机的总体结构方案，并对其 水下法兰连接机具的工作流程和技术要求进行分析。 ( 3 ) 根据新型水下法兰连接机具试验样机的总体方案，对螺母库、螺栓库 以及螺栓拉伸机构进行三维结构设计，并对螺母库的基架进行强度与 刚度分析。 ( 4 ) 根据机具工作过程中的螺母引入结构运动原理，对其结构方案进行运 动学仿真，并模拟其运动过程进行样机结构设计与螺母引入试验，确 保结构方案的合理性。对螺母库体的开合结构进行运动分析和动力学 仿真，并对结构受力点进行优化设计。 ( 5 ) 对法兰连接的密封性能进行分析，包括法兰连接系统中的紧密性、法 兰连接的可靠度和法兰连接的强度，以确保新型水下法兰连接机具所 连接的法兰连接系统具有预期的密封性能，能可靠地应用于海底管道 连接工程。 1 0 管道法兰连接是石油管道连接的重要连接方法之一。由于水下作业环境 恶劣，受水下环境和水下压力的限制，潜水员无法到达深水区域，只能通过 水下自动连接设备的远程控制对石油管道进行自动连接。新型水下法兰连接 机具是水下自动连接设备中的核心机具，通过对新型水下法兰连接机具的远 程控制，在其它水下摄像设备的辅助下，按照管道法兰连接的作业顺序，对 海底管道进行法兰螺栓连接。 2 2 新型水下法兰连接机具试验样机的总体方案设计 2 2 1新型水下法兰连接机具试验样机工作前提条件分析 通过对国外法兰连接的相关技术原理以及水下法兰连接系统的第二代虚 拟样机进行分析，水下法兰连接系统应包括众多机具，如具有粗对准管道功 能的h 架、具有调整管道位姿功能的轴向对接机具与接应工具、水下法兰连 接机具等。水下法兰连接机具的连接工作是整个法兰连接系统操作中的最后 关键环节，位于管道轴心对齐之后。 为了体现新型水下法兰连接机具试验样机在整个连接系统中的功能，保 证机具进行法兰螺栓连接的可靠性。所以，在进行管道法兰连接前，法兰、 管道、垫片等，需满足如下前提条件： ( 1 ) 两根管道的轴心应对齐，管道支架保证两法兰的轴心对齐偏差小于 0 5 n n ： ( 2 ) 管道与法兰焊接后，保证二者同轴度偏差小于士o 1 衄； ( 3 ) 法兰螺栓孔中心圆相对于管道轴心误差小于o 8 l l 】 【n ； ( 4 ) 法兰螺栓孔中心圆直径偏差小于1 6 m m ，螺孔间距偏差小于 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o 8 m m ： ( 5 ) 对两根管道进行轴向与周向固定，在法兰螺栓连接中，管道不会发生 转动或移动； ( 6 ) 水下环境可视度大于1 5 m ； ( 7 ) 两法兰间已放置金属八角形垫片； ( 8 ) 水下摄像设备能实时观测机具运动，以辅助控制机具工作。 2 2 2 法兰连接系统相关参数分析 新型水下法兰连接机具是根据管道、法兰和金属垫片的标准，以及对法 兰连接系统进行压力试验时的打压值等来进行结构研究设计的。按照相关标 准选择管道、法兰和金属垫片等，新型水下法兰连接机具才能可靠地实现相 关功能，保证法兰连接的密封性能。所以，合理地选择管道、法兰以及垫片， 是新型水下法兰连接机具正常工作的重要条件之一。 国际上通用的石油管道法兰标准主要有美国的a s m e 标准、德国的d i n 标准、日本的j i s 标准等。国内石油管道标准主要有国家标准( g b ) 、机械 行业标准，石化标准( s h ) 等。新型水下法兰连接机具试验样机连接试验所 用的石油管道、垫片、固定法兰和旋转法兰是根据a s m e 标准进行选择。 1 管道参数 根据课题合同，管道的压力等级为c l a s s9 0 0 ，公称直径为1 4 i n c h ，按 照a s m e 规范，并根据石化标准，管道的外径d 为3 5 6 m m ，材料选取2 0 号 钢，抗拉极限o b 为4 1 0 m p a ，屈服极限o 。为2 4 5 m p a ，其壁厚应至少大于 1 2 m m 【13 1 。 管道理论壁厚s 可按受内压直管的壁厚计算公式来进行计算，当s d 6 或p o 0 3 8 5 时，计算公式为： s = 二一三兰里c 1 + c ( 2 1 ) 2 + p 。 式中：p _ 表示设计压力，m p a o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 口一表示管道外径，n l m ： 仃1 表示设计温度下材料的许用应力，m p a ； 表示焊缝系数，对于无缝钢管，中= 1 ： c l 表示腐蚀余量，i t l l r l ； c ，表示管子壁厚负偏差，m m ； 代入相关参数，得出理论壁厚s = 1 6 9 m m 。 按压力等级计算壁厚等级公式町： p s c h = 击x 1 0 0 0 ( 2 2 ) 盯1 、 式中： 表示壁厚等级； 尸表示设计压力： 【仃】7 表示材料许用应力。 将参数代入上式，并根据石化标准，按照壁厚系列，选取s c h = 8 0 。 2 法兰参数 本试验样机连接管道所选用的法兰有两类，即固定法兰与旋转法兰，密 封面形式为环槽面。 ( 1 ) 固定法兰 按照a s m e 规范，选择压力等级为c l a s s 9 0 0 ，公称直径d 为1 4 i n c h ，参 照石化标准，即为压力等级为1 5 m p a 、公称直径为3 5 0 m m 的对焊型法兰， 如图2 1 所示。法兰共有2 0 个螺栓孔，材料1 5c rm n ，抗拉强度o b 为7 8 5 m p a ， 屈服强度o 。为5 9 0 m p a 。 图2 1 固定法兰 ( 2 ) 旋转法兰 图2 2 旋转法兰 哈尔滨工程大学硕士学位论文 与固定法兰类似，参照石化标准，选择压力等级为1 5 m p a ，公称直径d 为3 5 0 m m 的旋转法兰，材料1 5c rm n ，抗拉强度哪为7 8 5 m p a ，屈服强度瓯 为5 9 0 m p a ，如图2 2 所示。旋转法兰的内圈与管道焊接固定，外圈绕着内圈 旋转，通过旋转法兰绕着内圈旋转，实现旋转法兰的螺栓孔与固定法兰的螺 栓孔对齐。 3 垫片的选择 按照a s m e 压力容器与管道的相关规范，根据法兰环槽面密封形式，选 用八角形金属环垫，环号为r 6 1 ，材料为6 5 m n ，如图2 3 所示： n 、o _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ l - _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ o _ _ - - _ _ - _ - - i - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ 0 0 o m r 图2 3 金属八角形垫片 2 2 3水下法兰螺栓预紧方案分析 螺栓预紧方法通常有扭矩拧紧法、旋转角度拧紧法和液压拉伸拧紧法等 u 钉。扭矩拧紧法是利用施加到螺母上的扭矩来控制螺栓预紧力，此种方法对 于输入的扭矩需要较精确的控制。旋转角度拧紧法是利用螺母的旋转角度， 控制其预紧力。液压拉伸预紧法是将待连接的螺栓拉伸到指定的长度，然后 锁紧预紧力。 结合液压拉伸器的优点与机具的主要工作环境，以及液压系统受到油源 容量限制，并根据各种螺栓预紧方法的相应特点，扭矩拧紧法和旋转角度拧 紧法所需要的油源超出r o v 所提供的油源范围，而液压拉伸拧紧法所需要 的油源量较少，结合样机的机械本体结构，采用液压拉伸器对螺栓进行拉伸， 使法兰连接具有一定的密封性能。 1 水下法兰螺栓液压拉伸法原型嘲 在新型水下法兰连接机具试验样机中，采用四个螺栓液压拉伸器，对2 0 个螺栓按对称顺序进行3 次循环拉伸。水下法兰螺栓的预紧方案原理，如图 2 4 所示( 本图将隐藏固定法兰和螺母库体等部分) 。在机具对螺栓进行拉伸前， 螺母3 已沿螺栓1 拧至旋转法兰2 的端面，螺母9 在套筒扳手1 0 的作用下， 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 也沿螺栓1 拧至液压拉伸器8 活塞缸的端面。当对螺栓1 进行液压拉伸时， 利用经过增压泵增压的高压油，从液压拉伸器的进油口6 进入液压拉伸器8 中，并作用于液压拉伸器8 的活塞缸，使其将螺母9 沿螺栓l 轴向方向发生 位移，利用螺母9 和螺栓1 的自锁功能，使螺栓1 发生轴向弹性变形，直至 进入液压拉伸器的油口6 的油液压力增加到指定值。此时，螺母3 与旋转法 兰2 的端面出现间隙，启动液压马达5 ，通过齿轮传动，使套筒扳手4 将螺 母3 拧至旋转法兰端面，即锁紧螺栓预紧力。当液压拉伸器8 完成对螺栓l 拉伸时，液压马达1 l 通过套筒扳手1 0 ，将螺母9 从螺栓1 上拧出，以拧下 一组螺栓。 1 螺栓2 旋转法兰3 螺母4 套简扳手5 液压马达6 7 液压拉伸器进出油口 8 液压拉伸器9 螺母1 0 套筒扳手l l 液压马达 图2 4 螺栓液压拉伸器 2 液压拉伸工作压力计算 液压拉伸器的工作压力与螺栓变形量按照公式( 2 3 ) 进行计算： =等争e(2-3)p2 丁亍己 式中：址、表示螺栓的拉伸量、螺栓的总长； 血表示螺栓的截面积； a 表示液压拉伸器活塞的液压面积； e 表示螺栓的弹性模量。 通过控制液压回路，就能精确地控制螺栓的拉伸长度，即能精确地控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 螺栓拉伸预紧力。 3 液压拉伸器的使用方法 螺栓预紧时应按照以下方法进行嗍1 8 1 ： ( 1 ) 在加压时，应逐