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水下可同收垂直卡爪连接器关键技术研究 摘要 海洋油气资源开采是未来各国争相研究的热点。管道连接技术是水下生产系统中一 项广泛应用的重要技术。各种形式的管道连接器也在实际的工程中得到应用。其中卡爪 式连接器作为一种快速连接方式日益受到重视。本文以实际项目为依托，对卡爪式连接 器中的一些关键技术做了一定研究。 论文对常用管道连接器的类型及各自特点做了简单介绍。针对1 5 0 0 m 水深和 3 4 5 m p 的工作条件，提出了适用于6 和1 8 管道的可回收式垂直卡爪连接器的设计 方案。本文将卡爪式连接器分成：安装工具、管道接头和底部对接设施三个部分。根据 每个部分的作用和特点对每个零部件的结构和尺寸做了具体的设计。并对其中的受力关 键部件做了有限元力学分析。在结构设计的基础上，论文对连接器的液压控制系统也进 行了初步的设计。 深水高压密封是连接器的核心问题。本文对深水环境下法兰密封的影响因素做了深 入分析，并提出了一种大尺寸管道用透镜垫圈的设计方法。结合连接器实际的工作情况， 确定了金属密封与o 型圈密封相结合的复合式密封方案。最后通过a n s y s 软件模拟和 最终的液压密封试验对设计的法兰和透镜垫圈的密封效果进行了验证。文章对连接器在 工作状态下可承受的拉力、弯矩以及扭矩等外载荷进行了分析，为连接器的抗冲击能力 提供了参考依据。 关键词：管道连接：卡爪式连接器；金属密封：液压控制系统；有限元分析 水下可同收乖育卡爪连接器关键技术研究 a b s t r a c t e x p l o r a t i o n o fo f f s h o r eo i la n dg a si sb e c o m i n ga l li n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hh o t s p o t f l o w l i n ec o n n e c t i o ni sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yt h a ti sw i d e l yu s e di nt h es u b s e ap r o d u c t i o n s y s t e m v a r i o u sf l o w l i n ec o n n e c t o r sh a v eb e e n i n s t a l l e di na c t u a lp r o j e c t s c o l l e tc o n n e c t o ri s c a u s i n gg r e a ta t t e n t i o na so n et y p eo fq u i c kc o n n e c t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e rr e s e a r c h e s s o m ec o r eq u e s t i o n sa b o u tt h et o i l e tc o n n e c t o rd e p e n d i n go nn a t i o n a ls c i e n c ep r o g r a m t h et y p e sa n de a c hf e a t u r eo ff l o w l i n ec o n n e c t o r sa r ei n t r o d u c e di np a p e r d e p e n d i n go n t h ew o r kc o n d i t i o no f1 5 0 0m e t e r sw a t e rd e p t ha n d3 4 5 m pw o r k i n gp r e s s u r e ，t h ep r o g r a m s o fs e p a r a t ev e r t i c a lc o l l e tc o n n e c t o rt h a tu s e df o r6 i n c ha n d1 8 i n c hp i p e sa l ed e s i g n e di nt h e p a p e r t h ec o n n e c t o ri su s u a l l yd i v i d e da st h r e ep a r t s ：r u n n i n gt o o l ，c o n n e c t o ra n dr e c e i v e s t r u c t u r e d i m e n s i o n so fe a c hp a r ta r ed e f i n e da c c o r d i n gt oi t sc h a r a c t e ra n df u n c t i o n s o m e i m p o r t a n tp a r t sa r ea n a l y s e db yu s i n g l i m i te l e m e n tm e t h o d a n dt h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m i sa l s od e s i g n e db a s e do nt h es t r u c t u r e m e a lo fd e c pw a t e ra n dh i g hp r e s s u r ei st h ek e yp o i n to fe o m a e e t o r t h i sp a p e rh a s s t u d i e dt h ea f f e c t i o ne l e m e n t so fs e a l ，a n dp r o v i d e sad e s i g nm e t h o do fl a r g e s i z el e n sg a s k e t a c c o r d i n gt ot h er e a lw o r kc o n d i t i o n ，am u l t i p l es e a lp r o g r a mw h i c hc o m b i n e st h em e t a lt o m e t a ls e a la n d0r i n g ss e a li sd e f i n e d a tl a s t , t h r o u g ht h es i m u l a t i o no fa n s y ss o f tw a r e a n dr e a lh i g hp r e s s u r ee x p e r i m e n t ，t h es t r u c t u r eo ff l a n g ea n dg a s k e ti st e s t e d t h et o l e r a n c e o ft e n s i o n ，b e n d i n ga n dt o r s i o ni sc a l c u l a t e d ，a n dt h er e s u l t sc a l lb eu s e df o rt h ed e f e n c e a g a i n s ti m p a c t i o n k e yw o r d s ：f l o w l i n ec o n n e c t i o n ；e o l l e tc o n n e c t o r ；m e t a lt om e t a ls e a l ；h y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e m ；l i m i te l e m e n ta n a l y s i s 第1 苹绪论 第1 章绪论 1 1 引言 海洋中蕴藏着全球7 0 的油气资源。据美国地质调查局和国际能源机构估计，全球 深海区最终潜在石油储量有可能超过1 0 0 0 亿桶。2 0 1 0 年深海原油产量可达8 5 0 万桶日 ( 4 3 亿t 年) ，可满足全球石油需求的9 1 1 1 。中国在周边黄海、渤海、东海、南海海域也 发现了储量丰富的油气田。海底也分部着大量的矿产资源，各种常规金属和稀有金属资 源在海底分部广泛且储量巨大。随着陆地可开采资源的逐渐枯竭，海洋资源开发成为未 来各国竞争的热点，同时也成为国家未来经济发展的重要支撑点。过去限于技术的制约， 我国对于海洋资源的开发利用尤其是深海领域和国外很多国家相比有较大的技术差距。 现在随着国家经济实力的增加和技术的进步，海洋开发逐渐被提上日程。海洋开发和探 测对于国家发展具有重要的经济意义，同时对于保护我国海洋领土安全性也具有重要的 意义。我国也已经逐渐增加对海洋开发的支持力度1 2 1 。 与此同时海洋工程装备产业也迅猛发展，包括油气钻采平台、存储设施、工程船舶 在内的海工装备全球市场已经达到了数千亿美元的市场。在中国市场国内开发的目标 是，到2 0 2 0 年在南海深水区建成年产5 0 0 0 万t 油当量的生产能力。为了解决中国急速增长 的石油需求，中国高速增加海洋石油的开发，相关的工程装备需求也市场巨大。从业务 特点和产品类型来区分，海洋工程装备建造商可分为三大阵营。处于第一阵营的主要是 欧美一些大的公司，它们垄断着海洋工程装备开发、设计、工程总包及关键配套设备供 货；处在第二阵营的是新加坡和韩国，它们在总装建造领域处于领先地位；我国还处于 制造低端产品的第三阵营。因此从重要性和经济性来讲海洋开发都需要成为中国自主掌 握的关键领域【2 j 。 水下生产系统是海洋工程的一个重要部分。对于海洋石油开发领域的生产系统主要 包含有：水下完井、井口装置、采油树、管道系统以及各种控制运行设备。水下生产系 统中大量使用各种管道来完成连接、运输、控制等功能。管道连接成为一项基础而关键 的技术。快速、安全而又经济的连接方法是各国研究的热点。几十年来管道连接器相关 技术也一直在改进。随着材料、加工工艺，以及其它技术的进步，新的管道连接技术也 不断出现。可回收式快速管道连接器逐渐成为新的管道连接趋势1 3 1 。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 2 课题来源目的及意义 1 2 1 课题来源 水下连接器技术研究是中国海洋石油工程股份有限公司承担的总公司级课题“水下 分离器及相关技术研究 的研究内容之一。为了更好地实现由浅海到深海的跨越式发展 战略，海洋石油工程公司设立这个子课题。 1 2 2 课题目的 本课题的目的是对深水管道连接中采用的卡爪式连接器相关技术进行探索，逐步掌 握管道密封、连接器结构、安装工具的控制和试验检测等各方面知识。 其目标是研制出与1 5 0 0 m 水深配套的适用于6 管径和1 8 管径，操作压力达到 5 0 0 0 p s i 的可回收式垂直卡爪连接器的试验样机和工程样机。 1 2 3 课题意义 管道连接器是海洋石油工程中需要大量采用的设备，它涉及到材料、密封和水下作 业技术等不同领域，是一项复杂而关键的技术。但是国内对管道连接器的研究还处于起 步阶段，国内相关工程中采用的设备都是直接购买国外的。 本课题不仅可以对快速管道连接器的相关技术进行研究，最后结合工程实际需求造 出工程样机，而且可以借助项目培养国内的相关技术人员，争取自主掌握深水管道连接 的技术。同时也为今后进一步的深入研究做好铺垫。管道连接器中的涉及到的材料、密 封等知识也可以应用于水下生产系统的其它地方。借助于初期的项目研究，经过后续的 研发争取掌握管道快速连接器的设计、制造及检测等技术，最终实现相关产品的国产化。 所以管道连接器的研制具有广阔的市场需求和巨大的经济意义。 1 3 国内外研究现状 整个海洋工程领域欧美占据着主要的设计和先进制造领域。至于水下管道连接器技 术主要是欧美少数一些大的海洋工程公司拥有主流技术和工程经验1 5 1 。 国外最早从上个世纪四五十年代就已经开始进行管道连接器的研制，经过几十年的 发展已经形成了一系列的产品，并积累了丰富的工程经验。海洋工程装备制造业具有高 风险高投入的特点，所以少数几家大的工程公司占据着主要的市场份额。其中一些著名 的公司，如f m c 、a k e r s o l u t i o n s 等现在都能提供深水高压工作条件的管道连接器1 6 1 。 2 第1 章绪论 图1 1c a m e r o n 公司垂直管道连接器 c a m e r o n 公司在1 9 6 0 年就推出了自己的第一代液压驱动卡爪连接器，经过不断的 改进，现在产品范围和能力已经大大提高。1 9 9 9 年公司第一套垂直卡爪连接器安装， 2 0 0 2 年已经在全球范围内出售5 0 0 套卡爪垂直连接器。公司的产品尺寸范围，管道尺寸 最大达到2 0 ，工作压力达到1 5 0 0 0 p s i ，水深超过1 0 0 1 3 0 英尺。对于垂直卡爪连接器， c a m e r o n 产品允许底部承接装置中心线存在一定角度偏差。整个安装过程中从位姿调整 到液压控制许多步骤都依赖于r o v 的操作1 7 1 。图1 1 显示的是c a m e r o n 公司连接器。 图1 2f m c 公司垂直卡爪连接器的安装 f m c 公司管道连接器广泛应用于世界上水深最深、工作压力最高、管道直径最大 的工作条件。连接器的管道范围从2 到3 6 ，水深超过1 0 0 0 0 英尺，压力超过1 5 0 0 0 p s i ， 是世界上技术管道连接技术最为先进的公司之一。其它公司同样也能提供系列工作范围 的管道连接器。图1 2 显示的是该公司产品。 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 综合分析国外管道连接器产品可以发现不同公司的管道连接器基本工作原理都比 较接近，只是在一些关键功能的实现方法上各个公司都有自己独特的技术，相互之间不 能通用，没有统一的标准。 国外公司产品经过了长时间的研究和实际工程的检验，从设计到制造和检验各方面 积累了丰富的经验。产品也都经过实际海洋工程的应用，不断改进和优化，结构设计比 较合理，安全性相对较高。但是最终成本也相对较高。通过对国外卡爪式连接器产品的 调研和解读，可知1 8 管道5 0 0 0 p s i 工作压力用卡爪式连接器是国外先进水平的标准， 国外并非所有的连接器公司都能提供符合这个要求的成熟产品。课题所要求的技术指标 已经是国外先进水平的标准【7 l 。 总结可知国外连接器技术具有以下一些优势： 1 密封技术 在深水高温高压领域的密封技术，国外公司技术先进。国外公司在该领域目前大多 数采用的是自紧式金属密封，在透镜型金属密封圈的设计和使用上有自己的专利。同时 对于金属密封和非金属密封的联合作用方式，国外也有成熟的应用。国外的卡爪式管道 连接器在管道接头的内部都采用了双重密封来保证密封效果。金属密封作为主密封，用 来阻挡内部工作压力。外围还采用了非金属填充物作为第二重密封，用来阻挡海水，密 封外压。对于两种密封的结合方法，各个产品的实现方式不一样。 2 r o v 控制技术 国外的卡爪连接器产品大多数对r o v 的操作性能依赖很大。在密封圈的安放、液 压控制阀门的操控、初始安装姿态的精细调准等很多地方都需要机械手来辅助操作。 r o v 还要作为水下液压源提供动力，同时还负责检测连接后的密封效果。 3 结构设计 对于管道连接器的结构和优化方面，国外产品已经成熟。在几十年的研究和应用过 程中积累了大量的经验。在很多关键部件都经过大量的试验和实际的工程使用，结构上 极为合理。 国内对于陆地管道连接有一定的研究和经验，但是对于水下管道连接技术的研究只 是出于起步阶段，尤其是在深海领域更是出于探索阶段。国内的项目目前采用的管道连 接器都是直接购买国外产品，国内的研制也基本是从仿制和参考国外产品的结构开始， 关键技术处于积累阶段。在国家相关计划和基金的支持下，国内部分公司和科研院所都 在进行深水管道连接技术的研究，争取在十一五期间取得突破，掌握相关技术。 4 第l 章绪论 1 4 管道连接器的分类 1 4 1 常用管道连接器的类型 1 管道连接器按照管道位置形式的不同可以分为水平连接和垂直连接。水平连接是 指安装完成后被连接的弯管位于水平平面内，而垂直连接完成后，弯管处于竖直平面内。 水平连接和垂直连接管道接头部分的结构基本一致，但是由于连接方位的不同，所以外 部安装工具的结构有很大区别f 9 1 。 图1 3 管道水平连接 图1 4 管道竖真连接 2 管道连接器根据安装工具的不同可以分为可回收式连接和不可回收式连接。其中 不可回收式连接又叫做一体式连接，即安装工具和管道接头形成一体，安装完成以后都 留在海底。而可回收式连接器的安装工具和管道接头是可以分离解锁的，安装工具带着 管道接头下放到水底并推动完成连接，连接完成以后安装工具需要进行回收，撤回到陆 地，安装工具可以反复使用。可回收式与不可回收式连接器在管道的接头结构和密封原 理上是一致的。只是在连接方式上存在区别。可回收式连接留在海底工作的设备较少， 所以在安全性和经济性上比不可回收式要好，但是技术要求较高1 9 1 。 图1 5 不可回收式连接器图1 6 可回收式连接器 3 管道连接器按照接头的连接原理不同大体上有螺栓法兰连接、卡箍式连接、卡爪 式连接和销孔式连接等几种连接方式。每种连接方式都有自己的特点和适用范围。其中 5 昌量 哈尔滨工程火学硕十学位论文 螺栓法兰和卡箍式连接的工作原理极为相近，并且在连接方法上也比较一致，都需要专 门的水下机具来拧紧预紧螺栓，提供密封力。 矧1 7 螺栓法兰迮接图1 8 卡箍式连接 螺栓法兰连接是通过螺栓将两管道末端的法兰固定在一起，并通过螺栓来承受轴向 载荷提供预紧力。卡箍式连接通过卡箍内部和法兰外部的型面配合使上下法兰固定连 接，轴向载荷主要由卡箍的型面来承担，通过型面变形来提供预紧力。这两种连接方法 是最早出现的一类方法，发展至今较为成熟。在关键部件法兰和密封圈的设计上都有严 密的标准可以查询，可以根据工作的压力条件直接选用标准件，这样就降低了管道接头 部分的难度。这两种连接方式都需要适用大量的螺栓来提供预紧力，这些螺栓可以是标 准螺栓。对于法兰的拧紧需要专门的螺栓法兰连接机具来操纵，精确达到控制要求，难 度较大。螺栓法兰连接需要机具逐个对法兰进行操作，所以连接过程比较费时，增加了 水下作业的成本。而且螺栓法兰连接方式连接完成后还需要其它装置对连接的密封性能 进行压力测试，更换了作业机具，对母船的操作和水下的控制都增加了难度，属于一种 比较传统的连接方式。同时，能够缩短作业时间的快速连接方式正在成为研究的趋势， 这种传统连接方式正在减少使用1 9 1 。 销孔式连接的主要特点是连接迅速，需要的操作时间较短。连接器的结构较为简单。 当上下接头的位置到达指定的位置是，通过定位销将接头固定锁紧，并提供密封所需的 外力。但是销轴式连接的接头本身需要带有液压缸，负责将接头压紧到指定位置，然后 销轴才能工作。液压设备需要和接头一起留在海底工作，这样增加了总体的成本。所以 销轴式连接只是在浅水部分有一些使用。在深水和高压的环境下这种连接方式的密封性 能就达不到要求1 9 1 。 6 第1 章绪论 图1 9 卡爪式连接图1 1 0 销孔式连接 卡爪式连接是快速连接方式的一种典型结构。在工作原理上与卡箍式连接较为接 近，但是连接过程所需的时间较短，总成本较低，技术要求较高i g l 。 1 4 2 可回收式垂直卡爪连接器的特点 本论文就是针对6 和1 8 管道用可回收式垂直卡爪连接器的相关技术进行研究。 这种形式的连接器主要具有以下几个特点：第一，卡爪式连接器属于快速连接技术。和 其它连接方式相比较，这种连接方式可以极大地缩短水下作业时间，国外的先进水平已 经达到三十m i n 以内完成1 0 0 0 m 深水连接。第二，由于安装工具回收后重复利用，这 样虽然加大了技术难度，但是却有效降低了成本。而且缩短水下和水面的作业时间也能 减少费用，具有明显的经济优势。第三，由于安装完成以后只有机械的接头部分留在海 底长时间工作，而所有的液压设备都随着安装工具回到陆地，所以降低了海底设备出现 事故的风险，增加了生产系统的安全性。 基于以上的优点，这种可回收式垂直卡爪连接器一直受到重视，快速连接技术也成 为未来连接器发展的趋势。随着其它相关技术的不断进步，卡爪式连接的安全性也越来 越高。不断有成熟的产品设计出来并得到应用，但是卡爪式连接的很多关键地方都未形 成成熟统一的标准，和其它几种连接方式相比较卡爪式连接的技术要求更高，而且安全 性需要经过长期检验。 1 5 本文主要研究内容和方法 基于“水下分离器及相关技术研究”课题的需要，本论文的研究内容和方法主要包 括以下几个方面： 1 调研分析国内外相关研究现状。总结国外现有产品和技术的特点和关键技术，选 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 定水下连接器的合适类型，并制定可行的设计方案。 2 结合课题需求，对水下生产系统的相关标准进行详细的梳理和解读，找出对连接 器设计具有指导作用的标准规范，掌握规范中的指导内容。 3 结合课题要求研究水下管道高压密封的相关技术和原理，探索可靠合理的密封计 算和设计方法。针对1 5 0 0 m 水深和3 4 5 m p 的工作条件，制定和理的密封方案，找出影 响密封的关键因素，最终设计出满足工作要求的密封结构。 4 针对卡爪式连接器的特点，设计出6 和1 8 管道用连接器的总体结构方案。并 且设计出管道接头部分的详细结构和尺寸，对连接器用可回收安装工具的作用原理和具 体部件结构做出设计。结合连接器的工作过程，设计出连接器系统的液压原理方案，对 连接器的控制方式进行制定。 5 对连接器的可承受冲击外载荷进行分析计算，初步确定连接器抗外载荷指标。运 用c a d 、p r o e n g i n e e r 等软件对结构进行三维设计仿真。并运用其它软件和方法对连 接器中的关键部件运动进行模拟，运用a n s y s 软件对连接器的接头密封进行模拟分析， 检验密封接头结构设计和材料选择的合理性。并对其它关键部件做出力学分析。 6 制定合理的液压试验方案，对所设计的密封结构的可靠性进行验证。 8 第2 章连接器总体方案 第2 章连接器总体方案 连接器的整体设计包含了机械结构设计和液压控制系统设计两部分。液压控制元件 布置安放在安装工具上。连接器借助于r o v 的水下操作，通过液压控制系统控制机械 装置的运动，完成管道的对接。 图2 1 连接器系统组成 2 1 连接器结构设计 可回收式垂直卡爪连接器总体结构大致分为三个部分：外部安装工具、管道末端接 头、海底固定设施上的管道接口。其中安装工具和管道接头在陆地进行安装。 安装1 二具 管道接头 对接设施 图2 2 可回收垂直管道连接器的组成 连接器整体组成如图2 2 所示。管道接头和需要进行连接的管道进行焊接，管道的 形式可以是刚性管或柔性管。管道接头和安装工具相配合，在海底完成连接工作。海底 9 哈尔滨t 稗大学硕士学位论文 固定设施接口是承接部分，管道接头和它配合并形成密封。 这三个部分中管道末端接头和海底固定设施的接口是需要留在海底长期工作的，安 装工具在安装完成后回收到陆地。 连接器的工作条件是1 5 0 0 m 的深水下。在陆地上将连接器和管道的末端装配完毕， 然后通过绳索将连接器从母船上缓慢下放到海底开始安装，安装过程结束后还要将安装 工具回收到母船上。安装工具下放之前，海底接口上有压力保护装置覆盖在上面，保护 接口法兰的高精度加工表面。安装开始时，预先取下保护装置，然后开始连接过程。三 个部分协调动作完成连接过程l - 2 1 。具体的连接步骤如下： ( 1 ) 管道接头和安装工具在陆地装配并进行检验之后一起通过绳索下放到海底。 ( 2 ) r o v 辅助调整连接器的姿态，使安装工具底部导向体和接口的外围结构相配 合，安装工具通过重力缓慢坐落到海底固定设施的接口上。 ( 3 ) r o v 通过操作面板开始控制软着陆液压缸带动下法兰低速下降，直到上下法 兰端面的距离处于密封配合位置处停止。 ( 4 ) r o v 使用专门的工具，将密封圈安放到底部接口法兰的端面上。 ( 5 ) 第二组液压缸向下运动推动压迫装置使动卡爪闭合，直到压迫装置运动到指定 位置处停止。 ( 6 ) r o v 打开密封检测控制阀门，对连接器系统进行密封压力测试，观测连接的 密封效果。 ( 7 ) 密封测试结束后安装工具和接头之间的锁紧装置解锁，二者脱离连接。安装工 具向上运动。 ( 8 ) 安装船收回绳索，带动整个安装工具脱离水面。 2 2 管道接头结构设计 管道接头部分是整个连接器的核心部分，承担着主要的工作载荷。管道接头焊接在 管道的末端。接头的主体是一个非标准法兰，法兰的外围共有十二瓣卡爪排列在四周， 卡爪外围是负责驱动的环形体。法兰的顶部是顶盖。接头在密封材料的选择，抗外部弯 扭力以及尺寸结构方面都有性能要求。在设计时需要综合考虑相关因素。 法兰顶部和管道末端焊接在一起。法兰类型属于非标准法兰，法兰颈部是阶梯形式。 顶盖和法兰颈部采用螺栓连接。卡爪的内表面和法兰环部的外表面都是3 0 。倾斜角配 合，卡爪围绕着法兰进行转动，如图2 3 所示。 1 0 第2 章连接器总体方案 管道 法兰 顶盖 驱动环 卡爪 图2 3 管道接头结构 法兰的内径和管道的内径基本相同，这样在使用工具清理管道内壁水合物等杂质时 不会产生阻碍。闭合动作完成后，驱动环需要由外力将它保持在固定位置，这样即使受 到外部载荷的冲击管道接头仍能保持在闭合状态下。顶盖顶部有四个螺栓孔，卡爪闭合 后，用机械手操作将四个螺柱拧到固定位置，靠机械装置来限定驱动环的最终位置1 1 1 l 。 图2 4 接头顶盖结构 如图2 4 所示，顶盖上部有环形槽，安装工具伸出夹紧杆到槽内，安装工具夹紧顶 盖。顶盖和法兰之间是螺栓连接，安装工具通过和顶盖配和加紧了整个管道接头。 驱动环是用来推动卡爪闭合的环形体。它的下部有一圈凸沿，安装工具内部有锁紧 液压装置和凸沿配合，控制驱动环的运动。在上下法兰端面完成对接以后，液压缸推动 驱动环竖直向下运动，驱动环内表面推动卡爪外表面，迫使卡爪转动闭合。驱动环和顶 盖之间是间隙配合的形式i - 3 1 。 哈尔滨1 ：程人学硕士学位论文 角度1 角度2 角度3 图2 5 驱动环结构 如图2 5 所示，驱动环的内表面共有三个倾斜角度。角度1 是根据卡爪的上端倾斜 角度来确定的。在张开时角度1 所在的斜面和卡爪的上端接触，推动卡爪张开。角度2 和卡爪的背面斜角大小一致，这个角度是根据驱动环在摩擦力作用下自锁需要的角度， 这样在内压的作用下驱动环有向上运动的趋势，但是不会发生运动。角度3 是根据卡爪 在运动过程中为了避免卡爪和驱动环发生体积干涉而设计的倾斜角。驱动环的底部凸沿 和安装工具上的卡紧装置相连接，这样由安装工具上的液压缸来控制驱动环的上下运 动。卡爪的位置由驱动环确定。当驱动环向上运动时，驱动环的上部内表面和卡爪的上 端外沿相接触，带动卡爪张开。当驱动环向下运动时，内表面推动卡爪完成闭合动作。 这样通过控制驱动环的直线运动的位移和速度，从而间接控制了卡爪转动i 2 1 。 管道接头部分需要留在海底长期工作，所以对它的密封、腐蚀、加工、运输各个方 面都有严格要求。其中法兰和卡爪作为主要的受力部件，在结构上属于非标准件，没有 设计依据可以参照，在设计时需要综合考虑受力和运动各种因素。 2 2 1 非标准法兰结构设计 法兰可以分为整体式法兰、活套法兰和螺纹法兰。卡爪式法兰属于整体法兰的一类。 卡爪式法兰在结构上不同于标准的螺栓法兰和卡箍式法兰，在现行的标准中并未有对它 明确的规范，属于非标准法兰，需要进行自主设计。卡爪式法兰的外形轮廓和卡箍式法 兰比较相近，外部和卡爪配合，内部和垫圈配合。 图2 6 显示的是卡爪式法兰的结构形式，图2 7 显示的是标准的螺栓法兰。这两种 法兰的工作原理基本一致，不同之处在于卡爪法兰依靠卡爪夹紧上下法兰。而后者依靠 螺栓提供预紧力，夹紧上下法兰。在卡爪式法兰的设计是在标准螺栓法兰的基础上进行 改进。整体式法兰可以看成是由环板、锥颈、圆筒三个部分组成。卡爪式法兰在法兰环 部和端面配合形式等地方与标准法兰不同l t o l 。 1 2 第2 章连接器总体方案 、 、 、 髟 ：三i 鹨虞 1_ 图2 6 卡爪式高压法兰 图2 7 标准螺栓法兰 卡爪式法兰的环部上表面是斜面，倾斜角度按照标准的卡箍式法兰可以采用3 0 。 角，卡爪在工作过程中就会绕着这个3 0 。的斜面进行转动。同时斜面增加了法兰在环部 的厚度，可以有效地降低环部的应力集中，增强环部的抗拉伸和弯扭强度。和标准的螺 栓法兰相比较，卡爪式法兰的颈部也比标准法兰厚很多，这是由法兰和其它部件的配合 需要决定的。所以相同管径的法兰中，卡爪式法兰的形体尺寸要大于标准的螺栓法兰a 法兰的内径是根据管道的内径来确定的，所以需要先计算管道的内径。法兰的内径 尺寸取和管道内径最接近的整数。这样在实际工程中不会阻碍管道内部物体的运动。管 道的外径尺寸具有确定的尺寸规格，在每一个外径尺寸下都有一系列的壁厚值，使用者 根据实际工作条件的不同来选用满足要求的管道壁厚。以下是以6 管道壁厚计算为例， 参照s h 3 0 5 9 2 0 0 1 石油化工管道设计器材选用通则中第八节所给出的直管壁厚计算 方法嘲。 n 当s 。s 丝时，管道的计算壁厚按下式计算： s 。一丽p d o ( 2 - 1 ) 式中：s n 一管子的计算壁厚，m i l l 。 卜设计压力( m p a ) ，管道工作压力3 4 5 m p 。 d 0 一管子外径( r a m ) ，6 管道的外径是6 6 2 5 i n = 1 6 8 2 7 5 m m 。 西卜一设计温度下管子材料的许用应力，m p a 。 管子材料是x 6 5 ，在1 3 0 。c 的设计温度下，材料的需用应力是4 3 8 m p 。 妒焊缝系数，对无缝钢管取1 卜瑚度对计算管子壁厚公式的修正系数。从s h 3 0 5 9 2 0 0 1 的相关表格中可以 哈尔滨j f ：程人学硕士学位论文 查到设计温度低于4 8 2 时，修正系数取0 4 。 卜包括附加裕量在内的管道壁厚，m m 。 c - 管子壁厚的附加裕量( 包括腐蚀裕量、管道壁厚负偏差和螺纹深度等影响) 。 将以上参数带入公式中，可以得到s 。= 6 4 1 m m 。 最终管道壁厚的值为： s = s o + c ( 2 2 ) 根据实际的海底环境和工作介质的性能合理的确定腐蚀裕量，就可以最终确定管道 的壁厚值。根据管道外径和壁厚算出管道的内径，然后根据管道内径值来确定法兰内径 的大小。 2 2 2 卡爪结构设计和受力分析 ( 1 ) 卡爪结构设计 卡爪的功能是通过外部挤压向法兰提供密封预紧轴向力。不同类型的卡爪基本原理 都是一样的，但是在卡爪的具体机构形式上有一定不同。 图2 8 一体式卡爪图2 9 背部凹槽式卡爪 卡爪的基本结构如图2 8 所示。其中卡爪的内部是与法兰的外表面严格配合的。当 法兰的结构确定以后，卡爪的内侧部分的尺寸和形状也相应确定。 卡爪的外表面需要和驱动环直接接触并形成尺寸上的配合。有的设计中为了避免卡 爪转动过程中和外部推动提发生干涉，在卡爪的外表面设计凹面。图2 9 显示的就是这 种形式的卡爪。卡爪的右端与上法兰的型面接触部分会影响卡爪的动作。卡爪的转动也 是绕着自身内侧和法兰的某个配合点的转动。在卡爪的转动过程中配合处可能发生应力 集中破坏，所以卡爪的内侧不是简单的转动配合。不同的公司产品对右部配合处的处理 方法不一样。卡爪的运动轨迹也与配合处的位置有关【- 8 1 。 综合各种因素，最终确定如图2 1 0 所示的卡爪结构。 1 4 第2 章连接器总体方案 q l v d 图2 1 0 新型卡爪结构 与传统结构相比本设计有两个地方有所改进。第一，较大的改进了卡爪上下部分的 长度结构。经过不同比例的设计比较，长度比控制在1 5 是合适的。这样在控制卡爪的 绝对长度的同时，有效地减小卡爪张开与闭合状态的干涉区间，使干涉点的位置尽量沿 背部斜面下移。第二，卡爪的背部采用了整体斜面结构。采用这种斜面式结构，外部驱 动环和卡爪的接触面之间形成配合。而且可以阻止卡爪闭合状态下驱动环由于自身重力 而下降的趋势。斜面的角度需要根据卡爪和驱动环之间的摩擦系数来确定。誊 ( 2 ) 卡爪受力分析 卡爪在工作状态下内部和法兰配合，向法兰施加预紧力。背部靠驱动环定位，保证 位置不发生变化。卡爪与法兰配合面以及和驱动环接触面都会发生受力变形。 霉 图2 1 1 卡爪工作状态 图2 1 1 示状态为卡爪的正常工作状态。此时液压缸推动驱动环竖直向下运动，驱动 环推动卡爪产生沿斜面的水平运动，卡爪通过配合型面对法兰施加密封所需轴向力。法 兰密封所需的轴向力数值可以通过a s m e 规范中规定的方法计算出来。预紧力和推动 驱动环的液压缸推力之间有固定的关系嘲。 1 5 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 图2 1 2 卡爪受力示意图图2 1 3 驱动环受力示意图 图2 1 3 和2 1 4 所示的就是卡爪和驱动环受力分析图。卡爪静止时由于内压的作用， 法兰会对卡爪施加反向的作用力使卡爪产生张开趋势。所以卡爪背部与驱动环贴合处受 到沿着斜面向下的静摩擦力f 5 阻碍卡爪的运动趋势。摩擦力f 5 的竖直方向的分力，大于 正压力f l 竖直向上的分力( 需要乘以安全系数2 ) 时就形成自锁。根据物体静力平衡时 受力分析可得： 2 f 4s mas 从c o s a ( 2 3 ) t a n as 0 5 肛 as2 8 6 2 0 角度a 是卡爪设计时背面倾斜角度的重要参数，结算结果表明只要角度在2 8 6 2 。 以内，卡爪就会发生白锁。根据实际情况，选取a = 2 。 法兰对卡爪的反作用力j f l 与卡爪施加的轴向预紧力存在如下关系： 厂lc o s 3 0 。一7 4 8 t ( 2 - 4 ) ，l = 8 6 3 7 4 t 水平方向总力： 摩擦系数取0 1 ，则： 水平方向受力平衡： ，3 2 f lt a n 3 0 。 ( 2 - 5 ) = 2 x 8 6 3 7 4 x t a n 3 0 0 = 9 6 7 3 6 t ，5 1 0 1 ，4 1 6 ( 2 6 ) 第2 苹连接器总体方案 厂4c o s 2 。一九s i n2 。一厂3 ( 2 7 ) 将式2 5 、2 - 6 结果代入式2 7 中得：厶；9 6 7 6 2 t 竖直方向受力平衡，求得液压缸推力： f 一，4s i n2 。+ ，5c o s 2 。 ( 2 - 8 ) - - 0 1 3 4 8 f 4 - - 1 3 0 4 7 t 其中，彳卡爪背面倾斜角，2 0 f - 夜压缸推力 五上法兰反力 居一下法兰反力 舟一水平方向总力 弦一驱动环对卡爪施加的压力 。卜驱动环和卡爪之间的摩擦力 ? ，卜钥对钢摩擦系数取0 1 从计算出的液压缸推力与卡爪产生预紧力之间的关系可以看出，卡爪通过斜面配合 能够放大作用力。即用较小的初始轴向推力就可以产生较大的轴向预紧力刚。 2 3 底部接口结构设计 底部接口是海底固定设备如采油树、管汇、管道末端集合设备等设施上与管道接头 相配合的部分。它的主体是个轮毂式的法兰，它和接头的法兰配合形成管道法兰密封 的主体结构。 密封圈 轮毂式法兰 连接圆盘 固定底座 图2 1 4 底部接口结构 如图2 1 4 所示，垫圈坐落在法兰的配合面上，在上下两个法兰之间被压迫产生密封 1 7 哈尔滨_ r ：程人学硕士学位论文 作用。连接圆盘是两个半圆形的薄板结构，刚好卡到下法兰的外形槽内，和螺栓一起将 下法兰刚性连接到固定底座上。轮毂式法兰的末端和管道焊接。固定底座的底部是螺栓 孔，通过螺栓将这个底座刚性连接到海底设施上。固定底座的外形还要和安装工具下部 的导向锥相配合，可以辅助完成安装工具的初始导向定位。安装工具整体坐落在这个底 座上，这样固定底座承担着安装工具和接头的整体重量。同时底座的上端凸沿还要和安 装工具有配合灾紧功能，防止安装过程中产生晃动。 图2 1 5 卡爪闭合前图2 1 6 卡爪闭合后 图2 1 5 和图2 1 6 显示的是管道接头和底部接口之间的连接配合关系。从图中可以 看到上下法兰的内表面都是和中间的密封圈进行配合。法兰的夹紧力靠卡爪的结构变形 来提供。连接时驱动环推动卡爪闭合，连接完成后驱动环需要保持在下端位置完全限定 卡爪的自由度。r o v 将拧紧四个螺柱直到螺柱的下表面和驱动环相接触，依靠螺柱来 限定驱动环的运动。 2 4 安装工具结构设计 安装工具作为整个连接器系统的执行机构和控制机构，集合了大量的液压元件和机 械装置。安装工具作为需要回收的装置，在材料上的要求要低于海底工作部分，但是结 构较为复杂。因为安装工具内部和管道接头锁紧连接，管道需要在其内部轴向移动，所 以安装工具的侧面需要设计缺口。 这种安装工具属于深海水下液压系统，它的工作需要一种储能效率较高的不间断液 压能供给装置，保证在遇到紧急情况时仍能独立供能支持连接的完成。 安装工具主要包含了如图2 1 7 所示的部件。它的主体结构是底部的导向体和三根支 撑立柱。两个圆盘负责承载管道和接头重量，圆盘可以沿着立柱移动，带动管道接头下 放。同时液压装置也安放在顶部的固定环和中间的移动环上。安装工具通过顶部的吊环 1 8 趣t 第2 章连接器总体方案 和绳索相连接，缓慢下放到海底。当连接完成后也通过绳索将安装工具吊回到水面。 6 7 8 9 1 2 1 一吊装环2 一项盘3 一上承载盘4 一卜承载盘 5 一导向体6 一r o v 操控板7 一液压缸8 一支撑立柱9 一推动杆 图2 1 7 安装工具结构 ： 安装工具的液压控制系统是通过r o v 操作控制阀来实现作用的，这样安装工具在 连接过程中可以按照预先设定的动作顺序控制整个过程。液压系统需要的水下液压源， 需要借助r o v 自带的液压源，同时供给r o v 和安装工具的液压使用需求鲫。 二 2 4 1 吊装环结构 吊装环是绳索系到其项部，通过拉动吊装环带动整个安装工具的下放和回收。吊装 环的底部和推动液压缸的顶部相连接，会随着上盘的运动而一起运动。 图2 1 8 吊装环结构简图 吊装环上部的孔是穿过绳索用的，下部有一圈凸沿，凸沿的外径大于顶盘的内径。 1 9 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 所以吊装环的装配需要通过安装工具的缺口部分侧放进去，然后转动到合适位置，进行 固定连接。吊装环需要通过安装工具的缺口进入其内部，所以吊装环采用的是侧面并不 闭合的圆筒结构，这样减小吊装环的体积，使它的安装更加方便。 2 4 2 承载盘结构 承载盘共有上下两个，结构基本一样。上承载盘和软着陆液压缸末端固定连接，下 承载盘和和推动液压缸末端固定连接。承载盘的中间内部钻有阶梯孔，从孔内伸出液压 驱动的销，插入顶盖上部的环形槽内，这样安装工具就卡紧了接头。上下承载盘分别和 两组液压缸的末端固定连接，液压缸的运动控制承载盘运动，承载盘运动又带动管道接 头的运动。 上下两个承载体并不是固接成一个整体，当上承载体向下运动时会通过定位板置推 动下承载体一起运动，保证两个承载盘运动的同步性。 菖k 。，鬃溺 髓? 卜么曩 一 i i 盱嗣 黪。灞 k 曩翟 ， l 曩 ! 露 貉盔。v 蓬霾 i l 鼍量 r ( 畿漓 豢翰_ 锁紧杆 图2 1 9 承载盘结构 承接体内部安装有三个液压锁紧结构，这三个锁紧机构和管道接头的上部的突沿， 以及驱动环的突沿相配合，将整个接头固定在承接体的内部。锁紧装置是由液压控制的， 在锁紧状态时靠弹簧使推动杆前进和接头的凹槽相配合，实现了接头就被固定在承载体 内。对接完成以后安装工具需要回收，这时从油孔内注入高压油液，迫使弹簧压缩，驱 动杆往回运动，完成解锁。此时可以通过顶部的吊装工具安全地将安装工具回收。 2 4 3 导向体结构设计 导向体的作用是在安装工具下放到海底时，通过底部的锥形面与接口部分形成初始 导向和定位，以便于安装。导向锥体的底部漏斗形的倾角是4 5 。，安装工具的三个支撑 柱体与导向体采取固定连接的形式。连接器的总重量都由导向体来支撑。导向体的尺寸 与底部接头的外形尺寸相匹配。 2 0 第2 章连接器总体方案 导向体整体做成锥形，在对接时有利于暗转工具和接口的对准。在安装工具下放到 指定位置以后，为了防止安装工具和底部接口之间产生相对转动或者晃动，二者之间需 要有机械装置限定自由度，实现安装工具的完全定位。 图2 2 0 和图2 2 1 分别现实的是对接前后导向体和底部接口之间的位置关系。安装 工具初始到达海底时，还要借助r o v 来调整安装工具的姿态，使导向体和接口达到图 2 2 0 所显示的初始位置。在r o v 和导向体的联合作用下，允许海底设施的位置不在水 平面内，即连接器系统能够承受一定的安装倾角误差。 图2 2 0 导向体定位前图2 2 1 导向体定位后 2 4 4 其它部件 安装工具的其它部件包括顶部圆盘、r o v 操作板、立柱以及一些推动连杆，还有 各种液压缸和控制阀门。有些部件结构较为简单，但是在连接器工作过程中起到定位、 带动、和同步运动等功能。例如上下承载盘之间的定位板，在回收过程中会起到定位作 用。立柱的上下两端是阶梯轴的形式，且带有螺纹。这样立柱和顶部圆盘以及底部导向 体的配合孔之间可以靠轴肩定位，同时依靠轴肩的平面度来保证连接的同轴度1 2 4 1 。 顶部圆盘和立柱之间固定连接，它和立柱以及底部的导向体三者构成安装工具的固 定框架。软着陆液压缸的末端通过螺栓法兰和顶部圆盘固定连接。在连接器下放的过程 中，软着陆液压缸承担着管道和接头的全部重量。所以液压缸和圆盘的连接处受力较大， 需要保证结构的强度。图2 2 2 显示的是顶部圆盘结构。 图2 2 2 顶部圆盘结构 r o v 操控面板是固定连接在安装工具上，这个面板主要是各种控制阀和液压管线 2 1 哈尔滨工程大学硕十学位论文 的集中布置的地方。安装过程中需要借助于r o v ，通过控制操控面板上的阀门开关来 实现液压缸运动的控制。可以通过监视操作面板上压力表及其它测试元件的读数来判定 连接器的运动位置。 2 5 连接器液压控制系统设计 在安装工具上总共固定连接了十二个液压缸。安装工具通过这十二个液压缸完