（机械电子工程专业论文）深海管道自动法兰连接机具关键技术研究.pdf

蛤尔滨工程大学硕士学健论文 摘要 随着世界石油资源的基灏衰竭，石油资源的野发已从陆地转渤海洋，从 浅海转向深海。论文主要内容是国家8 6 3 计划深水海底管道铺设技术予课 题的一部分，该课题对水下管道自动对接机具进行了深入的研究，从而在开 发深海麓源方蘑迈出重要一步。 论文研究了深水海底管道的水下回接技术，确定了系列边界条件，对 管道和法兰遴行了详缨於设计。深承海赢营道翅接系统主要是通过一个承下 机器人r o v 控制一整套对接置具自动完成管道的机械对接。 论文提毖了一种自动法兰连接机其方案，该槐具虫两部分组成，即螺母 库和螺栓库。螺母库存放螺母并拧紧螺母，螺栓库存放螺栓并插入螺栓。螺 母库安装在焊接有固定法兰( 普通法兰) 的一侧，螺检库安装在焊接有活动 法兰( 旋转环法兰 侧，遥过两个王其酶配合，完成螺栓翦张紧，实瑰管 道的法兰连接。 论文设计凄了种控律预紧及霞蓬替偿扳手系统，该系统豹拧紧方式和 常规方式不同，以一种逆向自动拧紧方式完成了深水海底管道法兰的连接。 该扳手系统主要韵设备秀拉馋颈紧扳誓，和普通扳手相比，它其有全塞动、 拉伸预紧、位置补偿和定力矩的特点，应用于海底管道法兰的对接。 通过a n s y s 和a d a m s 软件对扳警系统进行了静力学和运动学仿真，验 证了其结构强度的可靠性耜运动过程的合理性。 关键词：霭接系统；法兰连接巍吴；螺母库；螺栓摩；扳手 蛤尔滨工程大学硬士学便论文 f i i i i i i i i 。i 皇警 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ew e a r i n go u to fp e t r o l e u mr e s o u r c e ) t h ee x p l o i t a t i o no f p e t r o l e u mr e s o u r c eh a sb e e nf r o ml a n dt oo c e 3 n s h a l l o ws e at od e e ps e a 髓e r e s e a r c h i n gs u b j e c tr o o t e di nt h en a t i o n a l8 6 3s u b - p r o j e c t i th a dad e e pr e s e a r c h o nt h ea u t o m a t i ct o o lf o rs u b s e ap i p ec o n n e c t i o n ，a n dm a d ea ni m p o r t a n ts t e pi n e x p l o i t a t i o no fd e e ps e ae n e r g ys o u r c e s i tr e s e a r c h e dt h es u b - s e at i e - i ns y s t e mp r i m a r i l y , a s c e r t a i n e dt h eb o u n d a r y c o n d i t i o n ，a n dm a d ead e t a i l e dd e s i g no f p i p ea n df l a n g e 砌si n v e n t i o nr e l a t e dt o ad i v e r l c s sr i o - i ns y s t e m ，w h i c hu s e da nu n d e r w a t e rr o b o tr o v , a b b r e v i a t i o no f r e m o t e l yo p e r a t i o n a lv e h i c l e ，t oc o n t r o las e r i e so fr e l a t e dt o o l si nt h ew h o l e p r o c e s s 一 i tm v 锄t e da na u t o m a t i cf l a n g ec o n n e c t i o nt o o lw h i c hw a su s e dt oc o n n e c t t h eu n d e r w a t e rp i p e l i n ew i t hf l a n g e i ti sc o n s i s t e do fn u tm a g a z i n et o o la n db o l t m a g a z i n et o o l 。n mi sat o o lw h i c hc a r r i 嚣n u t sa n d 蝴s d o w nt ot h eb o l t s ， w h i l et h eb mi sat o o lw h i c hc 赳r r i e sb o l t sa n di n s e r t st h e mt oac o u p l eo ff l a n g e s o nt h eb e g i n n i n go fp i p ec o n n e c t i o n , t h en mi sd e p l o y e do i lt h ep i p ew e l d e d s w i v e lr i n gf l a n g e , a n dt h eb mi sd e p l o y e do nt h ep i p ew e l d e dc o m m o nf l a n g e i n t h ee n d , t h e p i p e sc a nb ec o n n e c t e dc l o s e l y 硒mt h ec o o p e r a t i o no f t h eb o t ht o o l s 。 i td e s i g n e dan e wa u t o m a t i cp u l l - t e n s i o n i n ga n dp o s i t i o nc o m p e n s a t i o n t i g h t o ns y s t e mw h i c hw a sd i f f e r e n tf r o mf o r m e rm e t h o d s i tu s e dac o n v e r s e t i g h t e nm e t h o dt oc o m p l e t et h ef l a n g ec o n n e c t i o nf o rd e e ps e ap i p e l i n e 强em o s t i m p o r t a n ti n s t r u m e n ti st h ep u l l - t e n s i o n i n gw r e n c hw i mt h ed i f f e r e n c ef r o m f o r m e r si nt h ea s p e c t so fa u t o m a t i s m ，t e n s i o n i n gm e t h o d ，p o s i t i o nc o m p e n s a t i o n , t o r q u ec o n t r o la n d t h ea p p l i c a t i o no fs u b - s e af l a n g e i tu s e das o r w a r ea n s y st os t a t i c sa n a l y s i sa n das o t b c c a r ea d a m st o k i n e m a t i c sa n a l y s i so ft h ew r e n c hs y s t e m ，a n dp m v e dt h ef r a m e w o r ki n t c n s i t y s r e l i a b i l i t ya n dm o v e m e n tp r o c e s s sr e a s o n a b l e n e s s 哈尔滨工程大学硕士学健论文 i lr l i l i it i i 一 _ i i l l i n l i 1 1 t 1 1 i 1 1 墨鼍萱i i 宣警嗣葺葺i i i 青警嗣_ k e yw o r d s ：d e - i ns y s t e m ：f l a n g ec o n n e c t i o nt o o l ：n u tm a g a z i n et o o l ： 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。除文中已 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。 作者( 签字) ： 目期：移年弓月7 e l 蹬尔滨工程大警硕士学健论文 第 章绪论 1 ， 引言 人类辩石油的臀罄交大震，深永磊油将是岽来全球石油战略酶重点之。 敷威预测称，全球深水石油的资源量( 即有潜力成为可采储量) 约是目前垒球 9 1 0 亿耩霹采石漆赭量蕊麓左右，鄹2 0 0 琵撩，藿囊予受裁予落后黧技术 和设备，遮块宝藏对于中国而言依然保持着神秘。 据统计，世雾海洋葛赣资澡量占全臻善熬资源慧量懿3 蒜，垒薄海洋石漓 蕴藏量约1 0 0 0 亿吨，其中已探明储量的为3 8 0 亿吨。在我国，海洋石油资源也 相当丰富，经毅藏帆梅餐步倍冀，整个南海豹石漕地震储爨大致在2 3 0 亿至3 亿吨，约占我国石油总资源餐的三分之一，堪称第二个波薪湾瓣。因此，中 圜必须建立自己的深海船队，斥巨资对设备熨新换代。目前，中国在包括尼 瞬程亚、露度尼舔驻纛菲禧宾等匿鹃一些深永海域已经通过台捧或鑫营瓣方 式进行勘探开发，坚持自主研究与国际合作研究相结合，中国酩经建有深水 互翟实验室鬻深承勘探实验室。我窝在海洋磊濑装备建造寿垂技零曼经爨趋 成熟，有网内外多个平台、船体的建造经验，已成为浮式生产储油装置( f p s o ) 的设诗、魈造彝实际塞震大鼹，在戴镁壤，我因总体技术水平泌达到世界先 进水平鳓。 。2 课题来源露的及意义 。2 。 课题来源 本课题隶属于圜家“8 6 3 一重点项目，是中国海洋石油工程股份有限公司 黎接嚣深承海底管道穗设搜拳之涤拳海赢警道承下霉攘技寒爱越建 检验设备阑产化技术研究的子课题。 1 2 2 课题研究营的 本课题豹研究黯豹是研制出具有邋主知识产权韵深水海底管道的自动对 篁尘鋈：型奎茎竺：耋堡鎏圣 接装置。 1 2 3 课题研究意义 边际油田的开发是海洋石油发展的方向。水下回接技术是将新开发的生产 管道并入已建的管网，充分利用已建设施，使边际小油田开发变得经济有效。 目前我国水下管道铺设及回接工具都是从国外租来的，使用一次达几十 万美元，还需雇佣外方操作人员，费用高而且工期不易控制。随着我国向深 水领域的发展，研制出具有自主知识产权的回接工具，可以降低使用成本， 缩短施工周期，培养高技术人才，冲破先进国家的技术垄断缩短与先进国 家的差距。 1 3 国内外水下回接技术的发展概况 131 国外水下回接技术发展概况 国外以美国和挪威为首的水下回接技术已经相当成熟，有一整套的水下 作业系统工具，并有了实际的应用。 1 美国s o n s u b 公司在水下领域有着悠久的历史，在水下管道同接方面，他 们采取了无潜水人员实现水下管道对接的技术。该系统丰要由r o v ( 如图11 所示) 和一系列对接工具组成。其中r o v 控制整个回接的过程。通过水上操 控船把r o v 和一些对接工具带到目标位置的水面。再通过绳索或起重架把它 们送到水下需要对接管道的位置。然后完全由r o v 控制这些工具，实现管道 的对接 3 1 。 壁 隹【阎匿鋈乏i ”仁 ! 罐桫j 哈筇滨工程丈学硕士学位论文 r o v 即r e m o t e l yo d e r a i c dv e h i c l e ( 远程操作小车) ，简而言之是个集 运动、控制、检测、监视等于体的水下机器人，具有快速、高精度运动和 精确测量等基本功能。s o n s u b 公司的r o v 已经在水下领域有了长足的进步， 并且曰趋成熟，成为水下作业最重要的智能机器人。 接应工具( r e a c t i o n t 0 0 1 ) 和轴向对准工具( 商a l f o r c e t 0 0 1 ) 用以固定安 装到被连接的两个管道上，然后通过r o v 控制绞车，把轴向对准工具和接应 工具拖拽靠近，把两管道轴向距离控制在预设的范围之内，如图1 2 所示。 图1 2 接应工具与轴向对准工具 螺母库( n u t m 哪i n e ) 和螺栓插入与张紧工具( b o l t i n s e r t i o n 如d t e i l s i o n i n g t 0 0 1 ) 统称为法兰连接机具。在管道被接应工具和轴向对准工具精确对齐之后， r o v 就携带螺母库和螺栓插入与张紧工具分别安装到两个管道上，其中，螺 母库( 如图1 3 所示) 安装到固定法兰一侧，螺栓插入与张紧工具( 如图14 所示) 安装到活动法兰一侧。 蒸 燮 图13 螺母库 巨 图1 4 螺栓插入与张紧工具 螺母库主要要来拧紧螺母，螺栓库主要用来调节活动法兰孔和固定法兰 孔的对齐，并插入螺栓实现螺栓的拉伸张紧” 。螺母库框架为两半形式，通 过内部液压驱动的开台装置，实现螺母库包络到被连接管道之上，最终实现 拧紧螺母。螺栓插入与张紧工具主要用来插入螺栓和张紧螺栓，也为两半形 式，通过液压驱动的开合装置实现开合，在调完孔之后插入螺栓，并与螺母 库一起配合实现螺栓的拉伸张紧，最终拧紧螺母。 2s o n s u b 公司的b r u t u s 系统和上述工具( 专利) 相差不多，过程也一 样，并且用于实际的水下作业。 目前所用的法兰分为两种形式，一种是固定法兰，一种是活动法兰( s w i v e l r i n gf l a n g e ) ，也可以叫做旋转环法兰该法兰孔的外缘部分可以绕着轴心旋 转以对孔，这个对孔动作由螺栓插入与张紧工具来完成。 螺母库如图1 5 所示，该螺母库和上述专利螺母库的不同点在于其框架为 三瓣结构形式，螺栓插入与张紧工具如图1 6 所示。 图1 5 螺母库图1 6 螺栓插入与张紧工具 哈名：滨：1 。程大学硕十学位论文 该法兰连接机具的两个主要工具螺母库和螺栓插入与张紧工具都有一个 拧螺栓的过程，此工具可咀用双头螺柱来连接法兰，螺母库一端只需拧紧该 侧的螺母( 小功率) ，而螺栓插入与张紧工具侧执行拉伸螺栓变形之后再 拧紧螺母( 大功率旖加预紧力) 。 3 a l l s e a s g r o u p 公司的螺母库和s o n s u b 公司的螺母库框架结构一样，也为 三瓣结构形式，如图17 所示。 该公司的螺栓插入与张紧工具的原理与s o n s u b 公司的也几乎一样，如图 18 所示，左侧为螺母库，右侧为螺栓插入与张紧工具。 羽宣笛蜒 图17a l l s e a sg m u p 的螺母库图1 8 法兰连接主视图 该螺栓插入与张紧工具中的螺母拧紧形式如图1 9 所示，螺栓为特制，其 长度比正常的螺栓要长一些，端部做成多圈凹槽形以便让一对夹具模块夹 住该螺栓，由于螺纹的节距很小，不便于夹具夹持，此时在螺栓的端部做成 大的凹槽，便于夹具就可以夹住螺栓。通过液乐油的输入，该装置就可以夹 住螺栓，并实现轴向的拉伸，同时左端的拧螺母装置又可以继续拧入螺母， 最后卸载，螺母就可以在给定的预紧力下张紧螺栓了”1 。 图1 9 螺栓张紧方式 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 2 国内水下回接技术发展概况 国内3 0 0 0 米水下回接技术处于起步阶段，没有现成的设备工具，通过租 借美国或挪威等国家的水下作业工具进行回接。对于水深5 0 0 米以内的管道回 接大多是通过潜水员的直接操纵或以水下密封仓作为作业空间实施对接，此 类海底管道的安装，啻内普遍采用整条管线在陆上连接成形，然后密封管线 两端，将钢管拖入水中，借管的浮力把管浮运拖到安装地点，再将管解除密 封灌水沉入承中，起重船囊己会调整安装位置使管落入基槽完成安装翻。 1 。4 论文主要研究内容 一 本论文研究内容是回接过程最后一步深水海底管道自动法兰连接机 具的研究，重点是拉伸预紧及位置补偿方法的研究，主要完成以下工作： 1 初始条件的确定。本论文的初始设计参数是海洋石油工程股份有限公 司给出的两个基本参数，即3 0 0 0 米水深和2 4 英寸管道。根据给出参数，查 阕相关资料确定边界条件，包括设计压力，管道尺寸，管道和法兰压力等级， 法兰形式等等； 2 自动法兰连接机具的研究与设计。根据国外水下翻接工具实际作业状 况，确定了自动法兰连接机其的总体设计方案，并根据该方案对自动法兰连 接机具的结构进行了设计，包括两个部分即螺母库和螺栓库的设计； 3 拉伸预紧及位置补偿方法的研究和设计。包括运动链分析，补偿分析。 和误差分析等： 4 。对拉伸预紧及位置补偿扳手系统进行a n s y s 静力学分析和纽触涯s 运动学分析。 6 蛤尔滨工程大学硕士学位沦文 第2 章自动法兰连接机具总体方案研究 2 。_ l 引言 自动法兰连接机具是在两管道已贴近且轴向对齐基础上实现管道的滚兰 对接。该工具在整个工作过程中与外郏设备有着密切的关系，是一个统一体， 整个过程受到r o v 的控翎，受到接应工具耦辅向对准工具的囊接制约，任 何环节达不到预期的精度，最终会导致管道的对接失败。该章首先介绍了回 接的整个过程，然羼进褥了管道和法兰设诗，最后鞠确了耋动法兰连接机具 的总体设计方案。 2 2 深水海底管道回接过程 深水海赢管道的对接，由于受到水深3 0 0 0 米因素的制约，不可能采取潜 水员作业形式，也不便采取水下密封仓作监形式。它采用一种无潜水员的自 动回接方法，通过个水下机器人r o v ( r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ) 控制一 整套对接工具完成管道蕊法兰对接。这其孛包括一系列的工具，麴接应王具 ( r e a c t i o nt 0 0 1 ) 、轴向对准工具( a x i a lf o r c et 0 0 1 ) 、螺母库( n u tm a g a z i n e t 0 0 1 ) 、蠓栓库( b o l tm a g a z i n et 0 0 1 ) 耦接西模块、壬重架、密封工具等等1 8 , 9 1 。 总体回接过程如下： l 。海上操控船装载所有耀接工具预先定位到冒接地点的水上，然后把所 有设备传送到水下回接地点，准备进行对接任务，如图2 1 所示。 2 。把接应工具和轴囱对准工具传送到对应熬管道辫 孛，如图2 。2 所示。 管道i管蝴 = 鲁= = = = 篙= = 嗣鲞翟= = = = = = 士= = j 图2 1 准备阶段 接应工舆轴向对准工具 幽运鱼能 鬈d = = = = = 茹警= = 爿缸= = = = = = = 巴= 皇 图2 2 传送w 具 3 。r o v 与接曩滑块固结，把接应王具定位到管道l 上，如图2 3 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 r o v 脱离接应工具，把轴向对准工具安装到管道2 上，如图2 4 所示。 r o v 图2 3 安装接应工具图2 。4 安装轴向对准工具 5 r o v 脱离轴向对准工其，运用其上的机械手把与轴向对准工具连接的 刺入锚( 刺入锚在缆绳的端口) 插入接应工具相对应的插口，如图2 。5 所示。 6 r o v 携带绞盘与轴向对准工具连接，通过绞盘的旋转拉伸缆绳，实现 两个管道的拖拽靠近，如图2 6 所示。 管道1管道2 圈2 5 缆绳插入图2 。6 拖拽管道 7 拖拽缆绳使得两管道靠近，再运用轴向对准工具上的微调设备使得两 管道的同轴度达到一定精度，以便进行下一步的操作，如图2 7 所示。 8 撤走r o v 等工具，管道轴向对齐，如图2 8 所示。 图2 7 管道微调圈2 。8 管道对齐 9 。r o v 携带着螺母库和螺栓库分别定位到两个管道上，其中螺母库定位 到霉定法兰一侧，螺栓库定位到活动法兰一侧，如图2 9 所示。 1 0 r o v 控制螺栓库调节法兰孔对齐并插入螺栓，再控制螺母库对孔并 拧紧螺母，如图2 1 0 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 青t f m lm l 一 i i - wi m 宣薯 接口滑块 图2 9 安装法兰连接工具图2 1 0 拧紧螺母 1 1 螺栓拧紧完毕后，准备撤离工具，如图2 1 l 所示。 1 2 r o v 固结上接口滑块与接应工具和轴向对准工具结合，把它们一一 从管道上卸载下来，如图2 1 2 所示。 接应工其轴自对准工具 图2 1 1 准备撤离图2 1 2 卸载工具 1 3 所有连接工具都完成了任务，开始撤离，如图2 1 3 所示。 1 4 最后通过r o v 把所有对接工具都撤离到水上操控船，或继续进行下 一个对接任务，如图2 1 4 。 接应工具轴向对 管道1营遒2 管道l 管道2 图2 1 3 卸载完毕图2 1 4 回收工具 2 3 总体方案设计 2 3 1 管道和法兰设计 9 一垂 哈尔滨工程大学硕士学位论文 it i l l ii i i ii i i i i i i 一 2 3 1 1 管道设计 1 管道标准和类型 ( 1 ) 管道设计压力 查阅海洋油气管道工程：集油管是连接平台与平台之间的管道或管 束，管内介质靠泵或压缩机加压流动，工作压力一般为6 9 9 7 m ，a ，管径为 2 0 3 - 4 0 6 m m ( 8 1 6 英寸) ；苏联输油管技术经济指标：对于管外径6 3 0 r a m 的管道，经济的原油管道压力为5 2 6 2 m p a ；已开工的俄罗新东西伯利亚 一太平洋输油管道最高工作压力达1 4 m p a t l 0 】；1 9 9 8 。2 0 0 2 ，镇海炼化股份 有限公司至萧山油库段管径3 5 5 6 m m ，设计嚣力为6 2 7 m p a f 秘1 。 根据以上指标和查阅相关资料，初步确定空气中设计压力为1 5 m p a 。 ( 2 ) 管道类型及标准 根据石化标准，为压力管道规范工业管道中g c l 级工业管道。 2 管道参数设计 ( 1 ) 管道材料 油管是油田应用最广、用量最大的重要材料，也是采油设备的重要缓成 部分瞰】。国内管道是按美国a p i 标准生产的a p i5 l x 6 0 x 8 0 型管道材料t 1 3 1 ， 本课题采用x 8 0 管道材料，抗拉强度6 2 1 m p a ，屈服强度5 5 2 m p a 。 ( 2 ) 设计压力 水深3 0 0 0 m 的海底根据公式： p = p g h ( 2 一1 ) 式中：p 压力，m p a p 液体密度，k g 觚3 g 重力加速度，1 0 m s 2 h 距离水面高度，m 得出海底水压冀= p g h = l 。0 x 1 0 3x 1 0 x 3 0 0 0 = 3 0 m p a 1 4 1 。 设计压力1 5 m p a ，初步设定两种情况考虑：一是恒压，二是恒压差。目 前以压差恒定设计计算，由于两种极限情况都是压差1 5 m p a ，结果变化不大。 l o 晗尔滨_ i 程大学硕学位论文 ( 3 ) 管道直径 2 毒英寸( d n f s o o m m ) 管子，掇据棠臻管子标准及其辨径尺寸对比 查得管道的外径为6 1 0 r a m 。 4 ) 管道壁厚1 砖 对于压力管道来说，大多数都属于薄整管道，敌当s d 6 或者 p a 0 3 8 5 对，受起压直管理论壁厚计算公式可按式： s 揣赢丽p x d t - q 忆( 2 - 2 ) 2 一+ p 式中： p 设计压力，m p a 移管子外经，蛐 s 管子的理论计算壁厚，m i l l 拶设计温度下材料的谗用应力，m p a 砸焊缝系数，对于无缝钢管，= 1 囊蚀余簧，m l n 。 g 管子壁厚负偏差，监 算得鼯1 4 。2 m m 。 。 根据压力等级计算公式【6 l ： 黝訾- 三一x 1 0 0 0 ( 2 3 ) f 疗r 式孛：s c h 壁厚等缓 p 设计压力，脚a 【玎r 材料许熙应力，m p a 算得s e h = 4 0 。 根据s h 3 4 0 5 。9 6 标准，绢爱素钢合金钢无缝铜管静尺寸黎理论质量，选 取公称直径d n ；6 0 0 衄，外径d = 6 1 0 m m ，实际选取壁厚等级高于s c h 4 0 ， 为s c h 8 0 ，帮壁厚3 2 m m 。其薄参数见表2 。l 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1 管道参数 参数备注 水深 3 0 0 0 m最大水深 水压3 0 & 口a最大水压 管道材料 a p is lx 8 q按美国标准国产 管道公称直径 2 4 i n c h中海油给定 管道外径6 1 0 m m石化标准外径 管道壁厚3 2 r a m 管道壁厚等级 & 拍8 0 设计油压1 5 m m 2 - 3 。 。2 法兰设计 法兰、垫片、螺栓连接系统作为一种方便的可拆卸连接结构，是压力容 器及管道上必不可少的重要部件。该连接系统是压力容器设计中的重要内容， 同时也是工程设计及使用过程中容易嘏现闻题的关键部位郾l 。 1 法兰的公称压力等级 选择法兰的公称压力p ，一般取比设计压力大一个等级的压力，本 文取刚2 5 0 。 2 选择垫片【l s l 根据管道公称直径d n 6 0 0 m m ，法兰压力等级2 5m p a ，法兰形式为r j 法 兰，材料为0 c r l 8 n i l 0 t i ，选取垫片形式为八角型金属环垫r 7 9 。八角垫圈主 要用于高温高压管系，主要是利用螺栓预紧力的作用使得垫圈与密封面紧密 接触，同时垫圈发生微量的塑性变形并填满法兰密封面上微观凹凸不平之处， 从而形成密封 1 9 2 0 】。 3 法兰详细设计 在进行法兰设计时，主要解决的问题有诱个：其一是法兰及其组成件( 螺 栓、垫片) 所构成的密封副泄漏问题；其二是法兰本身的强度问题。 ( 1 ) 法兰及其组件的密封设计 1 2 哈尔滨工程大学碾学位论文 i l i l l i i1 1 1 i i i i l li ： i ii i i ii i i | 鼍i i 奄高嗣薯 垫片的压紧力计算 垫片的压紧力应不低予达到初始密封( 或叫预紧状态 要求所需要的压 紧力和工作状态下达蓟密封要求所需要的压紧力两者中的较大耆。 a 预紧状态 ， 所需要的最小莲紧力应为耪始密封比压与垫片有效密封面积戆乘积，如 公式： 疋= 疋= 3 1 4 d o 砂( 2 - 4 ) 式中：法兰垫片压紧力，n 疋预紧捷态下需要的垫片最小莲紧力，n 仉垫片压紧力作用中心园直径，衄 b 垫冀有效密羹宽度，麟 y 垫片初始密封比服( 也叫比压力) 。m p a 查s h 3 4 0 3 9 6 糠准，垫片s h 3 4 0 3 一g r o r 7 9 茨麓8 麟挚静节径 d o = 6 9 2 1 5 r a m ，环平面宽度c = 2 4 8 m m ：查得，= w 8 ，得b o 掣c 8 = 3 1 ； 当墨6 。4 m m 翼重，取有效密封宽度b = = 3 。i m m ，查得金属环垫片不锈钢 垫片系数m = 6 5 ，比压力y 攀1 7 9 3 m p a 。 得出= 艺茹3 1 4 d 0 b y 篁3 。1 4 x 6 9 2 1 5 x3 。lx 1 7 9 。3 搿1 2 x 1 0 6 n 。 b 操终状态 。 所需最小压紧力应为垫片系数、设计压力与垫片有效密封面积的乘积， 瓣公式： = = 6 2 8 d g 6 m 艺 ( 2 - 5 ) 式孛： 疋 操俸状态下需要靛垫冀最小压紧力，n 删垫片系数 只，设计压力，m p a 得出= 嚣6 2 8 d o 砌啦= 6 2 8 x 6 9 2 1 5 x 3 i x 6 5 x 1 5 1 3 1 0 6 n 。 c 最大状态 院较只和静大小，选取较大翥磊= 弓嚣1 3 x 1 0 5 n 。 螺栓载荷计算 嫖栓载旖氇应该分巍颈紧状态和操作获态嚣耪情况确定，并联较大值。 1 3 哈尔暝工程大学硕士学位论文 a 预紧状态 预紧状态下需要豹最小螺犍载蘅戤应为此时垫片所需的压紧力。 得出职= 疋群1 2 x 1 0 6 n 。 b 操作状态 。操佟状态下，螺栓不仅要承受压紧垫片所需要酶力，蘑时还承受使法兰 趋于张开的介质压力，如公式： = 罗+ 艺= o ，7 8 5 d g 2 乏+ 6 2 8 d g b m p 。( 2 - 6 ) 式中：既。操作状态下的最小螺栓载荷，n f 会质篷力萼l 起的总轴囱力，辩 只操作状态下垫片需要的最小压紧力，n 珐垫片压紧力作用中心圆直径，m m 只设计压力，m p a b 垫片有效密封宽度，m m 黼垫片系数 得出w o = 0 7 8 5 6 9 2 1 5 2 1 5 + 6 2 8 6 9 2 1 5 3 。l 6 5 1 5 6 9 1 0 6 n 。 螺栓总霞积计算 该面积应为相应状态下螺栓载荷与螺栓材料许用应力之比，即有 以= 蜕堰拶五 ( 2 7 a p = 既谨仃五 ( 2 8 ) 式中：爿。预紧状态下所需要的螺栓总截面积，m m 2 蠢。操作状态下所需要的螵捡总截面积，i d m 2 睨预紧状态下所需要的螺栓载荷，n 既操作状态下骑最小螵拴载旖，n 【秽】6 。常温下螺栓材料的许用威力，m p a 渺拯设计温度下静螺栓材料许瘸应力，m p a 螺栓材料3 5 c r m o a ，吼= 6 6 0 m p a ，许用应力陋】 = 3 拦2 2 0 m p a 。 算得以= w o 【秽五= 1 2 x 1 0 6 2 2 0 霹5 4 5 5 m m 2 ， 袋p = 孵饪拶蠢= 6 9 1 0 垂2 2 0 3 1 3 6 4 m m 2 。 需要的螺栓面积 应取以、4 一中的较大者， 即 1 4 啥尔滨工程大学硕士学使论文 鼍麓i i i i | 警嗣羞i i iu l l l 离i 宣i i 置i 冀嗣薯宣i 宣置篇鞠嗣膏 a 脚= m a x ( a 。，a ，) = 3 1 3 6 4 m m 2 ，实际选用的螺栓面积以应不小于需要的面积 氐，即4 4 选敬螺栓公称m 9 0 ，其截瑟积近似为 4 = = 半8 4 8 2 = s 甜5 2 。 螺柃个数计算 螺栓个数箨= 呜，= 乓3 1 酉3 6 4 】= 【5 6 】= 6 。 实际么参= 她鬻6 x 5 6 4 5 = 3 3 8 7 0 m m 2 ， 可知a t , = 3 3 8 7 0 m m 2 _ 以= 3 1 3 6 4 m m 2 。 最后查s h 3 4 0 6 9 6 标准选取螺栓m 9 0 ，其截面积近似为 4 = 拦半8 4 8 2 = 5 6 4 5 衄2 。 螺栓个数根据s h 3 4 0 6 9 6 标准选墩为1 6 个。 实际a b = n a , 搿1 6 5 6 4 5 = 9 0 3 2 0 m m 2 ， 可知4 = 9 0 3 2 0 m m 2 _ 氛= 3 1 3 6 4 m m 2 。 在工程设计中，一般先用螺栓个数除以需要的螺栓总面积数“。，并对所 得到约数值进行圆整，然嚣孬就近上靠到标准螺栓系列。 工程上，预紧状态下和操作状态下的螺栓设计载荷矽可分别按下式计算 w = 呢 矽= = 6 9 x 1 0 矗n 。 ，比较两个参数，最终螺栓设计载荷应为矿滏矾，取8 o 1 0 6 n 。 0 法兰强度设计 法兰的强度计算是按照弹性理论进行的，目前国内和国际上比较流行的 计算方法是w a t e r s 法，得到翡计算在d n 1 5 0 0 m m 祷况下还是魄较满意的， 故目前大多数法兰标准都采用此方法计算【2 l l 。 法兰力矩计算 a 预紧状态 预紧状态下，法兰在螺拴的旋压下，由于垫片的支撑作用使得法兰承受 蛤尔滨工程大学硬学位论文 一弯矩，弯矩的大小为螺栓载荷与到垫片理论支点( 位于d g 中心圆上) 距离 的乘积，如公式： m a = f o l a ( 2 9 ) 其中= 坟一饿，见为螺栓中心圆直径，珑为垫片中心圆直径。 算得m a = 1 2 x 1 0 矗x ( 9 9 0 5 6 9 2 ，l 辩3 , 5 8 x 1 0 8n 溉。 b 操作状态 操露状态下，法兰不仅零受螺拴载蘅施加斡弯矩作用，同时还承受介震 压力产生的轴向力引起的弯矩作用。 m 篙e o 毛各专墨l r 专擎g 毛g ( 2 - 1 0 ) 圪= 0 7 8 5 d 1 2 ( 2 1 1 ) 夯= 互 + o 5 魂 ( 2 1 2 ) 式中：磊作焉于法兰内径截面上的流体压力雩 起的轴向力，n d ，法兰内径，锄 五壮螺裣中心至弓律雳位置处酶径自距离，m m 五。螺栓中心至法兰颈部与法兰背面交点的径向距离，n l n l 最法兰颈部大端有效厚度，腿 c 法兰螺栓中心圆直径，m m 菇法兰颈郝大端直径，趣m 岛螺栓中心至磊作用位置处的径向距离，m m 算得： l r = 0 0 + 最+ 岛) x l 2 = 2 6 0 3 m m ， f o = 0 7 8 5 x5 4 6 2x 1 5 3 , 5 1x 1 0 6 ， l v = l l 毒2 5 + o 5 x 1 0 8 = 1 6 8 。2 5 m m ， 也= 盟= 1 1 4 。，最拦_ 拦，9 2 5 r a m x - d i 1 0 8 m m f 拦o 7 8 5 d ；只= 0 , 7 8 5 x 6 9 2 1 5 2x 1 5 矧5 6 4 1 0 6 n 。 爹=一fo。(2-13) 式中：f 流体压力引起的总轴向力，_ n 嚣轴向压力之差，n 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 算得：耳= f 一= ( 5 6 4 - 3 5 1 ) x 1 0 6 = 2 1 3 x 1 0 6 1 4 ， m r = f 砬d + f r l r + f c , l a - 1 5 x 1 0 9n 。m m 。 c 最大状态 比较m 4 与，并取法兰设计力矩m o 为两者的较大值。 m o = m 口= 1 5 x 1 0 9n m m 。 法兰应力计算 利用弹性力学理论，通过建立其平衡方程、物理方程和几何方程，可以 求解法兰在螺栓载苟( 预紧状态) 或螺栓载萄和压力工作作用( 操作状态) 下所产生的应力。如以下公式： 片= 硒f m o ( 2 1 4 ) 片2 而 ( 2 1 4 ) 铲筹m 一一。 协21 5 ， 震2 吉e 一 ( 。j or u i =嚣一霹(2-16)orr z g = 葡一霹 式中： 法兰颈部轴向应力，m p a 法兰环的径向应力，m p a o r r 法兰环的环向应力，m p a a 系数，查g b l 5 0 可得 厂整体法兰颈部应力矫正系数 万，法兰有效厚度，m m d ，法兰内径，鼬 e 参数，查g b l 5 0 可得 】， 参数，查g b l 5 0 可得 z 参数，查g b l 5 0 可得 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 算得点：e 垒一= 鬻4 0 6 - 2 0 3 5 1 2 ，熏l = 7 6 2 2 - 5 4 6 2 2 1 ， h 04 磊5 4 6 5 2磊 5 2 。查g b l 5 0 图9 - 7 f = 1 0 ，根据公式名= r + r l ，y 圳矿，r ，y = 6 f e + l ， e - - 互h o ，查得墨= 0 9 ，得出e = 0 0 0 5 5 ，y = 2 。1 2 ，= 1 6 3 ，t = 至3 ， 叩= 等，峨= 等瓯2 。查得u = 2 3 ，k = 。，叩= 。8 = ，最后得出a = 2 5 。 查得y = 2 3 ，z = 1 6 。最后带入数据，算得： =竺垒=一!：竺堕掣!：=286mpoh a ， = 葡= 西历丽骊石= 石籼 = 等峨= 号鬻x l 5 x 1 0 9 = 酌胁， 拶r ：烹y m o 一勋2 ：型型一1 6 6 6 = 4 7 m p a 。 2 面卅2 2 0 3 5 2 x 5 4 6 1 石6 = 如 法兰应力校核 由于法兰轴向应力是由弯矩产生的沿径向分布不均匀的弹性力，按安定 设计的原则，其许用应力可取较高者，即应满足如下要求： o r h9 1 5 【仃矸与2 5 【盯巧之小值。 法兰材料为0 c r l8 n i l 0 t i ，【仃诈篇5 2 0 1 5 = 3 4 7m p a 。 = 2 8 6 m p a 1 5 盯】0 = 5 2 0 m p a 。 法兰的径向应力、环向应力和剪应力应不大于设计温度下法兰材料的许 用应力，即有 o r = 6 6 m p a 三 【】 = 1 0 8 0 m p a ，谗用应力为 ( 每5 ) 式宁： 么截囱积，姗 f 拉力，n 。 【】需用应力，m p a 得她南黧等洲姗2 。根据彳怒号跳出撼 d 挣 ( 4 _ 6 ) 得出抛胨6 2 9 7 蛐。 实际选取拉轴最小直径为拉轴后端直径d 3 - - 7 5 m m 。 翦端内径以标准螺纹大径为参照，选取d 2 = 9 0m l i l ，根据 哈尔溟工程大掌嫉士学健论文 4 = 三( d 1 2 一d 2 2 ) 得出公式： 马= 一p ：2 + 4 罢 c 4 - 7 ) 式中：d l 前端外径，m m 皿，前端内经，锄 得出q 、 6 9 4 i = 9 4 8 m m ，实际选取d i = 1 3 5 衄以接近于螺 母直径。 0 ) 强度校核 拉轴由于所受转矩很小可以忽略不计，而所受拉力的危险截面出现在截 西_ 面积最小处，分别算出各段截面大小。 前端截面4 = 三( d 1 2 - - d ：2 ) = 之竽( 1 3 5 2 9 0 2 ) = 7 9 4 8 1 2 5 m m 2 ，后端截 面积彳：= 詈或2 = 专芋6 9 8 2 = 3 8 2 4 6 m m 2 ，所以危险截面出现在后端的螺纹 小径处。 算得该载面处的应力为拶= 石f = 磊5 x 赢1 0 5 = 1 3 0 。7 m p a 】= 7 2 0 m p a 。 属 3 8 2 4 。6 一 所以安全。 2 转轴 ( 1 ) 关键尺寸确定 由于转轴只是空载下传递转矩，但初始预定的力矩为5 n 躐，它主要承 受一个很小的扭矩。材料为9 c r l 8 m o ，o - b = 5 9 0 - 7 8 5 m p a 。 转轴的内径与拉轴豹蜃端直径配合，因此转轴的内径d 4 = 7 5 m 越，外径 通过强度公式算出。 根据抗捶截匿模量公式： 5 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 呢= 鲁( 4 - 8 ) 扭矩剪切应力公式： 空心圆截瑟极惯性矩公式： 得出： 鞋。 = 霄 l = 警( h 4 ) f = 一 雌棚3 ( 1 一口4 ) 式中： 咒 抗扭截蔼模量，m i l l 3 ，一 截面极惯性矩，m l n 4 足辨半径，锄 f 一 最大剪应力，m p a 材。 截垂扭矩，n - m m d 外径，m m 口内外径比筐 取转轴最小外径为9 0 m m ，算出： 口：旦= 垒：7 5 5 = 0 。8 3 3 ， 口= 一= - 二= = 。 t d 戗 9 0 。= 拦笋8 3 3 4 ) = 3 3 4 1 0 6 耐， = j 堕氅= 0 0 6 7 m p i 。f t ， f = = - - - - - - - - - - - - - 一= ： 呻 3 1 4 x 9 0 3 ( 1 一o 8 3 3 4 】 5 3 ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) ( 夺1 1 ) 晗尔溟工程大学硕士学位论文 【j r 】一般取( o 5 - o 6 ) 【】， p 卜西6 0 0 拳4 0 0 m p a ，所以 p 】= 0 5 x 4 0 0 = 2 0 0 m p a 。 因= 0 0 6 7m p a r 】= 2 0 0m p a ，所以转轴最小外径选取9 0 m m 是合 理的。 ( 2 ) 强度校核 转轴主要受到扭矩的作用，危险截面出现在螺纹小径处，螺纹小径约为 8 4