（机械电子工程专业论文）深水管道轴向对准工具关键技术研究.pdf

哈尔滨t 稗大学硕+ 学位论文 萱i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i imi i i i i i i i i 宣萱 摘要 轴向对准工具是深水油气管道安装和维修的专用机具，主要功能是调整 新管道与旧管道的相对位置，使其满足法兰连接机具的工作要求。该项技术 长期被国外公司垄断。 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 底管道水下回接技术研究”f 课题编号：2 0 0 6 a a 0 9 a 1 0 5 - 4 ) 。论文的主要任 务是针对一种能在水下3 0 0 0 m 对直径为2 4 的海底油气管道进行调整的轴向 对准工具的关键技术进行研究。目的在于设计并研制出具有自主知识产权的、 用于深水海底管道回接的轴向对准工具。 首先，论文在研究国内外轴向对准工具发展现状的基础上，提出了轴向 对准工具的总体方案，对机械本体结构进行了设计，分析了轴向对准工具在 水中的重心和浮心以及管道摆放的初始位置； 其次，论文对轴向对准工具的夹紧装置与调整装置进行了研究。包括对 夹紧装置结构的分析、液压缸推力的确定、夹紧液压缸的设计和基于薄壁理 论的管道强度的校核。并从横向调整和纵向调整两个方面对调整装置进行了 研究； 然后，论文对轴向对准工具的液压系统进行了设计，包括执行机构的参 数计算、液压泵的选型及液压回路的设计； 最后，论文利用有限元分析软件a n s y s 对管道及轴向对准工具主要零部 件进行了强度校核，并利用动力学分析软件a d a m s 对夹紧机构进了运动学 仿真。验证了机具结构的合理性。 关键词：管道连接；轴向对准工具；机械结构；液压系统 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 a b s t r a c t a x i a lf o r c ea n da l i g n m e n tt o o l ( a f a t ) i sas p e c i a le q u i p m e n tf o ri n s t a l l i n g a n dm a i n t a i n i n gt h eo i la n dg a sp i p e l i n e si nd e e pw a t e r i t sm a i nf u n c t i o ni st o a d j u s tt h ep o s i t i o nb e t w e e nt h en e wp i p e l i n e sa n dt h eo l dp i p e l i n e s ，a n dm e e tt h e w o r kr e q u i r e m e n t so ft h ef l a n g ec o n n c e t i o nt o o l i n g ( f c t ) t h et e c h n o l o g yh a s b e e nm o n o p o l i z e db yf o r e i g nc o m p a n i e sf o ra l o n gt i m e t h er e s e a r c hs u b j e c tc o m e sf r o mt h ep r o j e c t t h e s t u d yo f s u b m a r i n e p i p e l i n ec o n n e c t i o nt e c h n o l o g yi nd e e p w a t e r ( p r o j e c tn u m b e r ：2 0 0 6 a a 0 9 a 0 5 - 4 ) ， w h i c hi sas u b p r o j e c to ft h en a t i o n a l “8 6 3 ”p r o g r a m - t h el a y i n gt e c h n o l o g y o fs u b m a r i n ep i p e l i n e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c hf o rt h ek e yt e c h n o l o g y o fa f a t , w h i c hi su s e dt oa l i g nt h es u b m a r i n e 2 4 p i p e l i n eu n d e rt h ew a t e ro f 3 0 0 0 md e p t h t h ep u r p o s eo ft h et h e s i si st or & da f a tw i t hi n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t f i r s t l y , b a s e do nr e s e a r c ho ft h ed e v e l o p m e n ts t a t u so ft h ea f a ta r o u dt h e w o r l d w i d e ，t h eg e n e r a ls c h e m eo ft h ea f a ti si n t r o d u c e d ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r ei s a l s od e s i g n e d ，t h ep o s i t i o no fc e n t e ro fg r a v i t ya n db u o y a n c yo ft h ea f a ta n dt h e p l a c e dp o s i t i o no f t h ep i p e l i n ea r ea n a l y s e d s e c o n d l y , t h ec l a m p i n gd e v i c ea n dt h ea l i g n m e n td e v i c ea r es t u d i e d ，a b o u t c l a m p i n gd e v i c es t r u c t u r ea n a l y s i s ，c y l i n d e rf o r c ed e t e r m i n a t i o n ，d e s i g no ft h e c l a m p i n gc y l i n d e r , s t r e n g t h c h e c k o ft h ep i p e l i n eb a s e do nt h e t h i n w a l l e d t h e o r y , a n ds t u d yo nt h ea l i g m n e n td e v i c ef r o mt w oa s p e c t s ：o n ei sh o r i z o n t a l a d j u s t m e n t ，a n o t h e ri sl o n g i t u d i n a la d j u s t m e n t t h i r d l y , h y d r a u l i cs y s t e mo ft h ea f a ti sd e s i g n e d ，a b o u tp a r a m e t e r c a l c u l a t i o no ft h eh y d r a u l i ca c t u a t o r , h y d r a u l i cp u m ps e l e c t i o na n dd e s i g no f h y d r a u l i cc i r c u i t 哈尔演丁程大学硕+ 学位论文 f i n a l l y , t h es t r e n g t ho ft h ep i p e l i n ea n dm a i np a r t so ft h ea f a ta r ec h e c k e d b yu s i n g t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r ea n s y s ，a n dt h ek i n e m a t i c s s i m u l a t i o no ft h e c l a m p i n gm e c h a n i s mi sc o m p l e t e db yu s i n gt h ed y n a m i c a n a l y s i ss o f t w a r ea d a m s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er a t i o n a l i t yo ft h es t r u c t u r e s a t i s f i e dt h er e q u i r m e n t so ft h ea f a t k e yw o r d s ：p i p e l i n ec o n n e c t i o n ：a x i a lf o r c ea n da l i g n m e n tt o o l ：m e c h a n i c a l s t r u c t u r e ：h y d r a u l i cs y s t e m 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己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，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：互娜 日期：嘶年2 月9 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( 日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、汇编等。 作者( 签字) ：确皇 日期： 矿叩年月7 日 导师( 签字) ：嫩 卅年孑月d 日 i 哈尔滨丁稃大学硕+ 学伊论文 1 1 引言 第1 章绪论 据统计，世界海洋石油资源量占全球石油资源总量的3 4 ，全球海洋石 油蕴藏量约1 0 0 0 亿吨，其中己探明储量的为3 8 0 亿吨。目前，深水和超深水 海域的油气资源，正成为美国、英国、挪威、巴西等国竞相开发的热点。在 我国，海洋石油资源也相当丰富，经权威机构初步估算，整个南海的石油地 质储量大致在2 3 0 亿至3 0 0 亿吨，约占我国石油总资源量的三分之一，堪称 第二个波斯湾。但由于我国海洋石油业起步较晚，深海油气勘探的关键技 术和设备都比较落后，使得深海油气开发仍处于初级阶段。 “南海深水油气勘探开发关键技术及装备”是“十一五”8 6 3 计划海洋 技术领域重大项目之一。项目总体目标是：重点开发深水海域油气勘探技术 和装备，自主研发深水油气开发重大装备核心技术，突破深水钻井、采油、 工程和安全保障等关键技术，初步形成深水油气勘探开发技术能力，为我国 水深3 0 0 3 0 0 0 米的深水大中型油气田的勘探开发提供技术支撑。通过项目的 实施，掌握具有我国特色的、拥有自主知识产权的深海油气勘探开发核心技 术，培养深水油气勘探开发人才，打破国外的技术垄断，实现我国深海油气 勘探开发技术的跨越式发展口1 。 1 2 课题的来源、目的和意义 本课题来源于国家“8 6 3 项目“深水海底管道铺设技术”的子课题“深 水海底管道水下回接技术研究”( 课题编号：2 0 0 6 a a 0 9 a 1 0 5 - 4 ) ，该项目属于 重大专项“南海深水油气勘探开发关键技术及装备 的一个专题。 深水海底管道水下回接技术是深海管道铺设技术的重要组成部分，水下 回接技术是将新开发的生产管道并入已建的管网【3 1 。 哈尔滨t 稃7 ：学硕十学位论文 研究目的：从研究国外深水海底管道回接技术的现状入手，通过对轴向 对准机具实际作业环境和工作状况的分析，研究适合我国水下不同深度管道 连接设备，完成实验样机的研制，进行水池环境的模拟实验，为下一步工程 样机的开发提供实验数据和理论依据。 海洋油气开发装备是否先进，直接决定海洋油气资源开发水平的高低。 为了促进我国海洋油气资源的开发，降低海上石油开采的成本，急需研制出 具有自主知识产权的管道连接机具。轴向对准工具是管道连接机具中的主要 设备，其设计合理与否直接影响到管道的轴向对准精度。 本课题具有如下重要意义： ( 1 ) 在资源开发上 满足我国深水油气田开发工程的需要，填补国内深水海底管道铺设 技术的空白，提高了我国在深海管道回接领域的技术水平，促进了深水海域 油气资源的开发； ( 2 ) 在经济效益上 使用自己研制的产品，具有自主知识产权，大大降低了管网铺设的施工 费用和安装成本，也为后续维修带来方便； ( 3 ) 在安装工期上 使用具有自主知识产权的海洋施工设备，可形成自主海底管道铺设设备 系列，能缩短施工周期，提高管道铺设效率； ( 4 ) 在操作人员上 使用具有自主知识产权的海洋施工设备，可以培训国内操作人员，这样 既节省开支，又有效地保证了海上施工，同时也有利于设备的维护和改进。 1 3 国内外轴向对准工具的发展现状 为开发边际油田，国外越来越多地采用了浮式生产设施和水下回接技术。 目前所采用的水下回接的施工方法主要有机械联接和水下焊接，其中机械连 接方式适合深水海底管道回接卜5 1 。 2 131 国外轴向对准工具的发展现状 国外在深水管道回接领域近年来发展迅速，研究比较成熟的公司主要是 美国的s o n s u b 公司和英国的a c e r g y 公司。 131 1s o n s u b 公司的b r u t u s 系统 s o n s u b 公司专门从事海上石油和天然气运输工作，承担过英国、美国、 挪威、新加坡、意大利等国的石油管道铺设任务”，对铺设和维修石油天然 气管道有丰富的经验，深水铺设技术应用的较为熟练，成功研制了由r o v ( r e m o t e l y o p e r a t e du n d e r w a t e r v e h i c l e 远程遥控潜器) 辅助作业的主要 用于深海( 3 0 0 0 m 以浅) 管道连接的b r u t u s 回接系统，可实现硬管与硬管 之间的连接和立管与海底设各之间的连接。该系统已经在陆地和浅海( 水深 8 m ) 进行了一系列的试验。2 0 0 0 年第一次成功的实现了两条管径为1 6 。的管 线连接，以及1 0 软管与另一立管的连接”1 。 2 轴向对准工具2 螺拴库3 螺母库4 接应工具 酗1 1b r u t u s 系统 b r u t u s 系统主要由管道连接机具和法兰连接机具( f c l 二一f 1 卸g e c o n n c e t i o n t o o l i n g ) 组成( 如图11 所示) 。管道连接机具包括轴向对准工具 ( a f a t a x i a lf o r c ea n da l i g n m e n tt 0 0 1 ) 和接应工具( r f t r e a c n 加 f o r c et 0 0 1 ) 。主要功能是实现新管道与旧管道轴向的对准，达到法兰连接机 具的工作要求。法兰连接机具包括螺栓库( b i t l 二b o i ti n s e r t i o na n d t e n s i o n i n g t 0 0 1 ) 和螺母库( n m n u t m a g a z i n e ) 。主要作用是将两个法兰 孔调整对准后，自动插入螺栓，并拧紧螺母，使新管道与旧管道连接到一起。 主要技术参数： 外形尺寸：3 5 3 xl m 干重：70 t 湿重：儿乎为0 牵引力：1 5 t ：4 0 t ( 液压绞车) 图i2b r u t u s 系统轴向对准t 具 b r u t u s 系统中的轴向对准工具( 如图1 2 所示) 是一个“主动”机具， 它与“被动”的接应工具配台工作，具有拖曳新旧管道接近并使其在轴向对 准的功能保证两个法兰螺柃连接的成功。工作过稗如图1 3 所示： 图13 轴向对准工具与接应工具的工作过程 ( 1 ) 管道被吊放到初始位置，该初始位置由管道连接机具的设计结构和 工作要求限定，r o v 搭载接应工具，将其吊放到海底，放置在旧管道上，调 整好位姿后，接应工具夹紧管道； ( 2 ) r o v 返回，搭载轴向对准工具，将其吊放在新管道上，调整好位 姿后，轴向对准工具夹紧管道； ( 3 ) 轴向对准工具拖曳新管道向接应工具方向运动，使其与旧管道之间 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的距离达到法兰连接机具的工作要求，两机具锁定相对位置。 轴向对准工具的调整装置( a l i g n m e n t t 0 0 1 ) 调整新管道在法兰面内的水 平与垂直方向位移，使其轴线与旧管道轴线对准，达到法兰连接机具的工作 要求。 1 3 i2 a c e n y 公司的d e e p m a t i s 系统 英国的a c e r g y 公司是一家全球性的海洋油气工程公司，主要从事海底立 管和浮管的检测和维修”。，该公司开发的d e e p m a t i s 系统( t h e d e e p m o d u l a r a d v a n c e dt i e i ns y s t e m ) 可以通过螺栓法兰连接的方法在海底对管径为 6 3 6 油气管道进行连接，操作水深可达3 0 0 0 m ”1 。该系统在水中接近0 浮 力状态，由r o v 辅助作业。通过不同的模块实现在管道连接过程中的不同 操作，主要包括对准装置、螺栓连接装置和定位装置( 如图14 所示) 。 对准装置2 螺栓连接装置3 定位装置4 浮力块 5 r o v 图14 d e e p m a t i s 系统 d e e pm a t i s 系统没有独立的轴向对准工具，管道的夹紧和轴向对准通 过对准装置实现。如图15 所示，对准装置中铰接的卡爪可以抓紧管道。四 哈尔滨t 稗歹：学硕十学位论文 个前后对称布置成v 型的液压缸和一个通过万向节连接的倾斜液压缸可实现 管道在5 个自由度( 3 个移动和2 个转动) 方向上的运动0 1 。 1 3 1 3 美国专利 图1 5 对准装置 g i o v a n n ic o r b e t t a 于2 0 0 4 年在美国申请了一个专利，名称为：m e t h o d a n da p p a 凡盯u sf o rg o n n e c t i n gu n d e r w a t e rc o n d u i t s ( 水下管 道连接理论及设备) 。该专利涉及到一种水下管道连接的理论和设备，尤其适 用于深水无潜水员协助工作时的管道连接，包括软管连接，硬管连接及软管 与硬管之间的连接1 。 专利中的轴向对准工具是一个钢结构设备，在管道连接过程中与接应工 具配合工作，实现管道的拖曳运动和两管道法兰的轴线对准，也可以用于软 管的拖曳工作。 如图1 6 所示，该轴向对准工具主要由牵引机构( 导向探头，牵引液压 缸) 、夹紧机构、接合机构等组成。 工作原理：通过连接机构把轴向对准工具与r o v 连接到一起；通过夹紧 6 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 机构使轴向对准工具定位在新管道上，并给管道施加足够大的夹紧力；通过 牵引机构中的导向探头与接应工具连接，牵引液压缸拖曳轴向对准工具向接 应工具靠近；法兰的轴线对准通过夹紧机构中的液压缸控制新管道的水平运 动和竖直运动来实现。 1 导向探头2 牵引液压缸3 夹紧机构4 连接机构5 管道6 钢架 图1 6 轴向对准工具结构图 1 3 2 国内轴向对准工具的发展现状 尽管我国在一些比较先进的油气工程装备方面己实现国产化，但绝大部 分关键技术仍然掌握在别人手里，国内厂商基本停留在钻采平台的制造上， 相关配套技术滞后，设备绝大多数由国外建造配套，严重制约了海洋油气的 规模开发。 目前，我国海洋油气资源开发仍主要集中在2 0 0 米水深以下的近海海 域，其可开采的后备石油资源已明显不足。大部分石油资源蕴藏在中深水海 哈尔滨丁稃大学硕十学伊论文 域2 1 ，但由于技术装备落后，尚不具备超过5 0 0 米深水作业的能力，深海油 气的规模开发几乎处于空白状态。 按照国家石油发展规划，2 0 0 4 年 - - 2 0 1 0 年间，我国海洋石油开发将迎来 一个高速发展期，中国海洋石油工程股份有限公司已成立相关课题组对深水 管道连接技术进行深入的分析研究，该课题己被列入国家“8 6 3 项目重大课 题。相信在不久的将来，中国会研制出具有自主知识产权的管道连接机具， 并将会在未来的深海油气管道铺设技术发展方面起到积极的推动作用。 1 4 论文主要研究内容 本论文主要依据深水海底管道水下回接技术研究任务，针对2 4 管道进 行轴向对准工具的设计。 主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 对轴向对准工具的总体方案进行研究：在对轴向对准工具设计条件 进行分析的基础上，提出轴向对准工具的总体方案，并对机具的机械本体结 构进行设计。根据机具工作要求研究了其重心和浮心的位置以及管道摆放的 初始位置； ( 2 ) 对轴向对准工具的主要结构进行研究：包括对夹紧装置结构的研究、 液压缸推力的确定、夹紧液压缸的设计。并从横向调整和纵向调整两个方面 对调整装置进行设计； ( 3 ) 对轴向对准工具的液压系统进行研究：包括液压元件的选型、液压 系统工作过程分析和液压回路设计； ( 4 ) 对管道及轴向对准工具的主要零部件进行强度分析：结合计算机分 析软件对管道和轴向对准工具主要受力零部件进行强度校核，保证机具工作 的安全性和稳定性； ( 5 ) 对轴向对准工具进行运动学分析：运用计算机仿真软件对机具的夹 紧机构进行运动学仿真，验证其结构的合理性。 8 哈尔滨工稃大学硕十学伶论文 第2 章深水管道轴向对准工具总体方案 轴向对准工具是深水管道连接机具，由于管道在水下运动时受到静水压 力、浮力及流载荷的作用，所以轴向对准工具的设计要求不同于普通的陆地 上的设备。在对总体方案进行研究的基础上，合理设计机械本体结构是保证 机具能够工作的前提。机具在水下的重心和浮心的相对位置影响其吊放及工 作时的稳定性和可靠性。 2 1 轴向对准工具设计条件 2 1 1 设计要求 此设计依据与海洋石油工程股份有限公司签订的“国家高技术研究发展 计划( 8 6 3 计划) 课题任务合同书 而进行的。轴向对准工具主要用于在水 下3 0 0 0 m 铺设或维修管道时对其进行轴向对准。 轴向对准工具的设计要求为： ( 1 ) 能够在3 0 0 0 m 水深的海域进行工作； ( 2 ) 海底管道直径为2 4 ( d n 6 0 0 m m ) ； ( 3 ) 连接管道的轴向对准精度为1 0 m m ； ( 4 ) 研制出具有自主知识产权的轴向对准工具试验样机。 2 1 2 管道参数 海底管道在结构形式上主要有四种：双导以钢管保温结构、单层钢管结 构、单层钢管带混凝土涂层结构和子母管结构。 我国目前铺设的海底管道，一部分完全从国外进口，一部分按国外标准 国内生产。用的较多的有a pi5 l x 5 6 、a pi5 l x 3 2 型钢材，还有的采用国 产钢材1 6 m n t l 3 1 。 9 本课题采用单层钢管。钢管材料为x 5 6 ，抗拉强度4 9 0 m p a ，屈服强度 3 8 5 m p a 。管道参数如表2 1 所示。 表21 管道参数 管道型号外径壁厚管道长度材质密度 2 4 6 1 0 r n m5 2 m m 1 2 m78 1 0 k g m 根据轴向对准工具的设计要求以及法兰连接机具的工作要求，新管道与 旧管道连接的一端应安装旋转法兰，材料为0 c r l 8 n i l 0 t i 。管道与法兰( 以 下简称为管道) 结构如图2 1 所示。 2 1 3 环境载荷 图2 1 管道结构图 环境载荷是由于自然环境作用而发生的作用在结构上的载荷，如风载荷、 海流载荷、波浪载荷、冰载荷和地震载荷等。还包括波浪和潮汐变化引起的 水位变化产生的作用在结构物上的浮力与静水压力的变化1 。管道在深海接 近海底运动时，主要受到的环境载荷是海水对管道的浮力、静水压力和海流 力。 2 1 - 3 1 浮力 根据p r o e 软件计算得出： 管道体积：v = 1 4 4 m 3 管道质量：m = 1 1 2 t 管道完全置于水中所受到的浮力为 l o 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 & = p g v ( 2 1 ) 式中： 咚 管道浮力，蝌 p 海水的平均密度，1 0 2 5 t m 3 g 重力加速度，9 8 n k g y 管道体积，r n 3 求得：= p g v = 1 0 2 5 x 9 8 x 1 4 4 = 1 4 5 k n 2 1 3 2 静水压力 静水压力是由均质流体作用于一个物体上的压力。这是一种全方位的力， 并均匀地施向物体表面的各个部位。静水压力增大，会使受力物体的体积缩 小，但不会改变其形状。 由于法兰的厚度与管道的长度之比为1 ：3 0 ，分析静水压力时将其简化。 在轴向对准工具工作过程中，管道是非密封的，当其完全浸入水中后，所受 到的静水压力如图2 2 所示。 l 零鐾霉争 舞然 ，、 图2 2 管道受到的静水压力不意图 管道在海水中受到的静水压强为： p j = p g h ( 2 - 2 ) 式中：p 海水的平均密度，1 0 2 5 t m 3 g 重力加速度，9 8 n k g h 水深，m 根据公式( 2 2 ) ，静水压强与水深成正比，即在同一水平面上，管道所 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 受到的压强相等。从图2 2 中可以看出，管道轴向的静水压力即为其两端受 到的压力之差，该力大小相等，方向相反，可互相抵消。管道径向的静水压 力可以根据海水作用在其内壁和外壁的压强之差进行分析。径向截面为圆形， 关于水平中心线和竖直中心线均对称，将管道从水平中心线所在的水平面分 成两部分，其上部与下部的静水压力同样可互相抵消。即管道在非密封的情 况下完全浸入水中时，其静水压力为0 。 在图示1 点处管道受到的内外压差最大：瓴眦= 5 2 2 x 1 0 - 5m p a ，该值 远远小于管道的抗压强度，故静水压力对管道的影响可以不考虑。 2 1 3 3 海流力 计算海流力时，常将海流视为稳定的流动。稳定流作用在结构物离海底 高度为z 处的单位高度上的水平拖曳力为： 1 昂= 去p g 彳u 2 ( 2 - 3 ) 二 式中： 昂 水流力标准值，k n ( 厂水流设计流速，m s g 水流阻力系数，按表2 2 选取 p 水密度，t m 3 。淡水取1 0 ，海水取1 0 2 5 彳计算构件在与流向垂直平面上的投影面积卯，m 2 表2 2 水流阻力系数g 1 2 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 流速沿高度的分布，在实测资料不足时，可参照下列算式： 对潮流深度z 处流速为： 蜘 ( 2 _ 4 ) 式中：u 盯表面流速 d 水深 z 海底以上的高度 对近岸风海流深度z 处流速为： u z w - 矽 q - 5 ) 式中： 虬矿 表面风海流速q 如果同时存在几种海流，其流速取合成值。 轴向对准工具在水下3 0 0 0 m 作业时，管道距海底的高度z 很近。公式( 2 - 4 ) 和( 2 5 ) 中的潮流流速和风海流流速与z 成正比，即海流作用在管道上的流 速很小，可以忽略。 轴向对准工具对管道进行调整时，考虑工作条件及精度要求，选取横向 和纵向运动速度相同：v l = 0 0 0 1 m s 。根据相对运动原理，可认为管道的运 动速度即为水流的设计速度。参照表2 2 选取：= 0 7 3 。 由公式( 2 - 3 ) ，求得e l = 2 7 4 x 1 0 - 6 k n 。 轴向对准工具拖曳管道向接应工具靠近时，初步选定管道运动速度为： h = 0 0 1 m s 。管道与流向垂直平面上的投影面积为法兰端面面积。对比瓦， 拖曳时管道受到的海流力瓦：的值也很小。 所以，轴向对准工具在3 0 0 0 m 水深接近海床工作，且当管道的运动速度 很小时，海流力远远小于管道的重力及浮力，设计过程中可以忽略不计。 2 1 4 深水环境对轴向对准工具性能的影响 由于轴向对准工具的作业条件是深水，环境对机具性能具有一定的影响， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 主要包括以下几点： ( 1 ) 深水密封问题。包括静密封和动密封，通过密封阻止海水侵蚀液压 系统7 1 ； ( 2 ) 水压力自动补偿问题。当水深不断增加时，作业系统中个部件承受 的外压增大，需要对液压动力源进行压力补偿”m ； ( 3 ) 机具在海水环境中工作，需要对材料进行防腐处理； ( 4 ) 为减轻机具在水中的重量，需要适当选择耐压的深水浮力材料； ( 5 ) 机具是由r o v 吊放在管道上的，需要考虑到机具在吊放过程中的 重心与浮心问题，确保机具处于稳定状态。 2 2 轴向对准工具的总体方案 2 2 1 工作原理 轴向对准工具的设计工作环境为3 0 0 0 m 水深，工作压力为3 0 m p a ，工作 过程中无法潜人协助，需远程控制自动完成。通过对国外相关技术的研究以 及对实际作业环境和工作状况的分析，轴向对准机具主要应具备以下三个功 能： ( 1 ) 夹紧管道； ( 2 ) 与接应机具连接并锁紧； ( 3 ) 对管道的相对位置进行调整，使其与旧管道的对准精度达到要求。 轴向对准工具是深水管道回接系统的机具之一，工序安排在管道连接的 中间环节，保证其正常工作的前提条件有以下几点： ( 1 ) 应配有管道引导装置，能够在新管道向水下吊放时，保证其与旧管 道的距离在轴向对准工具设计工作范围内； ( 2 ) h 架辅助对接，对管道进行初定位，使新管道的轴线相对于旧管道 的轴线位置满足机具的调整要求； ( 3 ) r o v 协助轴向对准工具工作，包括检测、监视、功能等外部动作。 1 4 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 轴向对准工具工作过程： ( 1 ) 新管道通过引导装置被吊放到海底，使两个管道的距离在轴向对准 工具拖曳范围内； ( 2 ) h 架夹住管道，对两个管道的同轴度进行粗调，使其在轴向对准工 具的调整范围内。 ( 3 ) r o v 携带轴向对准机具到安装有旋转法兰一侧的新管道上方； ( 4 ) r o v 将轴向对准工具放置在管道上，检测定位合理后，夹紧管道 并锁紧，保证机具与管道的相对位置； ( 5 ) 轴向对准工具与接应机具连接锁紧并拖曳新管道，使其法兰面与旧 管道法兰面的距离达到法兰连接机具的工作要求； ( 6 ) 轴向对准工具对新管道的轴线位置进行精确的横向和纵向调整，使 法兰对正的同轴度达到法兰连接机具的精度要求； ( 7 ) 调整完成后，锁定管道在当前位置，使其与旧管道相对位置固定， 进行法兰连接。 2 2 2 总体方案研究 综合考虑根据轴向对准工具的设计条件及工作原理，得到以下的总体方 案： ( 1 ) 驱动方式：采用液压驱动。水下作业机具主要有三种驱动方式”叼： 电力驱动、气压驱动和液压驱动。电力驱动对机具系统的绝缘性要求很高， 且3 0 0 0 m 水深的压力为3 0 m p a ，对电机的密封要求较高；气压驱动只能应用 在工作条件为4 5 m 以浅的水下机具，效率低，可靠性差； ( 2 ) 动力执行元件：轴向对准工具在作业过程中需要实现管道的夹持动 作、管道的拖曳动作、与接应工具的锁紧动作以及管道的横向调整和纵向调 整动作，均采用液压缸为执行元件； ( 3 ) 动力源放置：轴向对准工具所需的液压动力源搭载在r o v 上，由 安装在两个机具上的对接装置实现压力油的供给： 1 5 哈尔滨t 程歹：学硕十学位论文 ( 4 ) 轴向对准工具的主要组成：轴向对准工具是一个实现管道在水下三 维运动的机具。根据轴向对准工具的工作过程，所设计的机具主要包括：夹 紧装置、连接锁紧装置和调整装置； ( 5 ) 固定方式：轴向对准工具工作时，机具被放置在管道上，采用与管 道管径相同的圆弧型定位，通过夹紧装置实现与管道之间的固定； ( 6 ) 操作方式：在3 0 0 0 的水下，潜水员无法潜入协助进行机具的工作， 故采用r o v 机械手辅助操作的方式。 ( 7 ) 防腐和密封：由于轴向对准工具是在水下进行工作，且要求工作精 度较高，为确保机具的工作性能和使用寿命，必须对机具和控制阀箱进行防 腐和密封。 2 2 3 设计技术参数 ( 1 ) 机具进行连接的管道外径：矽6 1 0 r l l l t l ； ” ( 2 ) 水下作业最大深度：3 0 0 0 m ； ( 3 ) 机具规格( 长宽高) ：( 7 4 8 1 8 9 8 1 ) 3 9 7 8 2 2 2 1 m m ； ( 4 ) 机具空气中净重： 不含r o v 连接架、控制阀箱及浮力材料：7 7 2 t ； 含r o v 连接架和控制阀箱( 配重0 4 t ) ，不含浮力材料：9 2 6 t ； 含r o v 连接架、控制阀箱( 配重0 4 t ) 及浮力材料：1 6 8 7 t ； ( 5 ) 机具水中重量： 含r o v 连接架和控制阀箱( 配重0 4 t ) ，不含浮力材料：8 1 t ； ( 6 ) 机具水中去除浮力( 主机浮力及浮力材料浮力) 后重量：0 0 6 t ； ( 7 ) 允许管道摆放的水平轴向距离：1 5 m ； ( 8 ) 管道法兰面水平及垂直调整距离：水平1 0 0 m m 、垂直1 0 0 m m ； ( 9 ) 允许与接应工具轴向相对转角：2 。； ( 1 0 ) 液压动力源额定压力：1 6 m p a 。 1 6 哈尔滨工程大学硕十学伊论文 2 3 轴向对准工具机械本体结构 2 3 1 总体装配图 轴向对准工具的整体结构如图2 3 所示。根据机具的工作原理，整体结 构主要由五个部分组成：调整装置、夹紧装置、连接锁紧装置、主体钢架和 r o v 连接架。液压控制阀箱安装在机械本体上。 1 连接锁紧装置2 主体钢架3 r o v 连接架4 液压控制阀箱5 调整装置6 夹紧装置 图2 3 轴向对准工具整体结构图 2 3 2 夹紧装置与调整装置 夹紧装置与调整装置是轴向对准工具的核心部分，如图2 4 所示。主要 作用是夹紧管道，给管道以足够的夹紧力，调整新管道使其与旧管道轴线对 正，并保持固定的位置，达到法兰连接机具工作要求的精度。 图2 4 中3 、4 、5 、6 、7 、8 构成轴向对准工具的夹紧装置。r o v 携带 机具到管道附近，夹紧液压缸工作，活塞杆拉动卡爪张开，机具被放置在新 管道上。通过定位环与管道定位，确定机具的位置达到要求后，卡爪闭合夹 紧管道，并给管道施加足够的夹紧力。 图2 4 中1 、2 、9 、1 0 、1 1 、1 2 、1 3 构成了轴向对准工具的调整装置。 调整装置是由横向调整装置和纵向调整装置两部分组成。分别实现管道在法 兰面内的上下运动和左右运动。纵向调整时，纵向调整液压缸工作，通过连 1 7 哈尔滨工程大学硕士学伊论文 ii 一 i 宣i i i 萱i i 盲i i i 置 接梁带动夹紧装置沿纵向导轨上下运动。横向调整时，横向调整液压缸工作， 通过连接臂带动滑动方箱以及安装在滑动方箱上的纵向调整装置和夹紧装置 一起水平运动。从而实现管道的纵向位置和横向位置的调整，使管道的轴向 对准精度达到要求。 t2j5，_q 4 胡 1 横梁2 横导轨3 夹紧主板4 卡爪5 夹紧液压缸6 轴端挡板7 夹紧缸支架 8 定位环9 纵向调整液压缸1 0 纵导轨1 1 滑动方箱1 2 横向调整液压缸1 3 连接臂 图2 4 夹紧装置与调整装置 1 8 哈尔滨t 挥大学硕士学伊论文 2 3 3 连接锁紧装置 连接锁紧装置是将轴向对准工具与接应工具连接到一起的装置。如图2 5 所示。当两机具较远时，拖曳液压缸工作，推动伸缩杆伸出使探头插入到接 应工具上的探孔内。达到预定位置后，锁紧液压缸工作，推动伸缩椎体向前 运动，伸缩椎体上的t 型槽与导柱相对运动，使导柱从探头上的孔上伸出， 插入到探孔上的相应锁孔，完成轴向对准工具与接应工具的锁紧。然后拖曳 液压缸活塞杆回拉，拖曳轴向对准工具带动管道向接应工具靠近，使两管道 直接的距离达到法兰连接机具的工作要求。 b 由 1 探头2 导柱3 1 申缩椎体4 调节杆5 锁紧缸安装法兰6 前臂法兰 7 锁紧液压缸8 - f 申缩杆9 前耳环1 0 铰轴耳环 11 拖曳液压缸 图2 5 连接锁紧装置 2 3 4 机架 机架是整个机具的基体部分，承载机具所有的重量。因此，合理设计机 架的结构才能保证整个机具工作的稳定性。机架包括两个部分：主体钢架和 r o v 连接架。 图2 6 为主体钢架，由空心方钢管焊接而成。通过横梁法兰与调整装置 中的横梁连接，构成空间桁架结构，稳定性较好。 图2 7 为r o v 连接架，通过连接法兰与主体钢架连接。该设计即保证 了r o v 连接时的结构要求，也使钢架的重心与轴向对准工具的重心重合， 1 9 哈尔滨工稗大学硕十学伊论文 保证吊放的平稳性。并在连接钢架下方设计了平台，用以安装控制阀箱。 l l 。前臂梁2 弯梁3 横梁法兰4 空间交叉钢架5 底座6 连接法兰7 立梁 图2 6 主体钢架 ，： d 向 ，。 i ll i l 吨r1 u _ j - - 一 一 历 己j 一 乏 门 i 一 广 - - - - i l 一 l l 1 连接法兰2 夕h 框架3 连接钢架4 控制阀箱平台 图2 7r o v 连接架 2 4 轴向对准工具重心、浮心 2 4 1 轴向对准工具的吊放 在轴向对准工具作业过程中，机具是由r o v 携带到水下的。其吊放方 2 0 哈尔滨工程了：学硕十学佗论文 式如下： ( 1 ) 在母船上，r o v 通过其爪式装置与轴向对准工具的r o v 连接架 进行连接。 ( 2 ) 同时，r o v 上搭载的油源通过对接油口与轴向对准工具上的控制 阀箱油口进行连接。 ( 3 ) r o v 同轴向对准工具一同被吊放到水下。 为保证吊放过程中的平稳性，机具与r o v 吊放的受力点在r o v 连接架 对接油口的中心线上。 2 4 2 重心和浮心位置 轴向对准工具在水下作业时，为减小所需的动力及保证工作的平稳性， 应在机具上安装浮力材料，使其在水中的重力接近于o 口哪。而且，为了使轴 向对准工具稳定运行，应确保具有一定的稳心高度。 2 4 2 1 浮力材料 浮力材料分为液体浮力材料和固体浮力材料。液体浮力材料大多以汽油 作为提供浮力的介质，其原因有以下几点：汽油容易获得且成本相当低；汽 油尽管在浅水中没有空气所提供的浮力大，但它在任何深度下都能保留大部 分浮力；其密度要比海水小得多。但它也存在一些缺点：有易燃性，后勤保 障困难口。 固体浮力材料是目前应用较多的浮力材料，它主要由填充材料和粘结剂 组成，填充材料有中空玻璃微球、树脂微球和碳微球等瞄，粘结剂多采用环 氧树脂，这种合成材料应具备以下特点： ( 1 ) 密度低，一般密度不大于o 7 ，因为大于此值会使浮力材料体积大 大增加； ( 2 ) 不与水反应，更不溶于水，吸水率低； ( 3 ) 能承受高的静水压力； 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 体积弹性模量与海水相近或高于海水； ( 5 ) 不应是可燃的和有毒的。 在水下作业机具上加装浮力材料不仅可以减小机具在水中的重力，还可 以通过调整浮力材料的位置调整机具的纵倾和横倾。 随着机具潜深的增加，浮力材料的体积有所减小，因而浮力有所降低。 参照国外产品选取浮力材料，该浮力材料可用在r o v 、软管或者立管、海底 系泊浮筒、深水管道及水下机具上。具有很好的抗压性能，可以用在深水操 作，最深可达4 0 0 0 m 。该浮力材料在水下3 0 0 0 m 的密度为5 0 0 k g m 3 ，在二十 年后浮力失效仅为3 ，性能良好。如图2 8 所示1 ”1 。 denslty“一-tlb , r e f h 口州 2 422 重心位置 圈28 复合泡沫塑料的密度与寿命 如图2 9 所示，轴向对准工具的基础坐标系( 0 a ，x a ，y a ，z a ) 取在初 始位置时管道的轴线上，坐标原点取在轴线与主体钢架前臂粱截面的交点上。 为保证吊放平稳，应使机具的重心与吊放中心在y 向上的坐标重合。 一l【j山(1掣u j _ 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为方便分析，在吊放中心轴线上，建立相对坐标系( 0 b ，x b ，y 。，z b ) ， 相对坐标系的坐标原点0 i 取在吊放r o v 连接架上表面对接油口位置。即叭 点的绝对坐标为( 0 ，i 4 1 0 ，一3 9 6 0 ) ，单位：m m 。 盛 l 浮力块2 机具3 浮心4 重心 图2 9 轴向对准工具坐标系 用p r o e 软件中的质量属性命令对轴向对准