海底管道水平铺设系统样机结构设计.doc

海底管道水平铺设系统样机结构设计第1章 绪 论1.1 海底管道铺设的概念运用一定的结构与相应的控制系统将用于信息的传输或者输送的管道放置到指定的位置的铺设系统称为管道铺设系统。能将柔性软管放置到指定位置，管道本身有具有柔性，能适用于深海又可适用于浅海的柔性软管铺设系统称之为海底柔性管道铺设系统。海底管道铺设系统具有作业效率高、对作业环境有较好的适应性、铺设深度范围较广、柔性软管不需焊接、铺管作业准备时间短等一系列优点，是一种具有广阔前景和急需推广的管道铺设装置1 。1.2 海底管道水平铺设系统研究的目的和意义管道运输是油气运输的方式中最快捷、可靠、经济的，是油气运输主要方式.从1954 年在美国的墨西哥湾由Brown &Root海洋工程公司铺设了世界上第一条海底管道，人们已经在全球各不同近海和远海海域成功铺设了近两万公里各种类型、管径的海底管道.海底管道铺设技术发展速度之迅速由此可见一斑。铺管技术随着海域水深的加深也相应得到了大发展. 海底管道铺设系统的研制可以满足我国深海油气田开发工程的需要，填补国内相关领域的空白，提高我国在深海管道铺设领域的技术水平，促进我国深海油气资源的开发利用。海底软管管道的铺设是深海石油资源开发的基础装备，软管铺设系统是用于海底输油软管铺设的专用设备。海底管道水平铺设系统样机结构设计为实际工程样机设计打基础，用来验证实际管道铺设过程的校直、横张力和止动等关键技术。1.3海底管道铺设方法分类由于铺管船的适应性强，机动性好，且施工工艺已趋于成熟，是目前世界上使用最广泛的一种方法之一，铺管船在近些年得到了大力发展.随着各种类型的具有高技术高附加值的海底铺管船的设计研发，铺管船的高效性、结构的安全性与经济性，舾装配件布局的合理性等方面引起了研发人员和各国船厂的重视。到目前为止，结合国内外的铺管实际经验，主要的铺管方式有：“S”型铺管法，“J”型铺管法，拖拽式铺管法，卷管式铺管法。1.3.1“S”型铺管法 S型铺管法，是当前最为常用的海底管道铺设方法。因为铺设作业在同一水平线之上进行，所以S型铺管法效率很高且安全稳定。“S”型铺管法一般需要数艘起重抛锚拖轮来辅助支持管道铺设作业。作业开始前，先要放下锚，使船固定在海面上，然后使锚缆穿过托管架，并将锚缆固定到第一根管子的端部。在托管架的支撑作用下，管道自然地弯曲成S型，此时管道被划分为三个部分： （1）上弯段：从张紧器到管线与支架分离点之间这一段，即被支架支撑的管线部分； （2）下弯段：管道和支架分离点到与海底接触点之间竖直部分； （3）边缘段：支架倒数第三个滑轮到管线拐点间的受力复杂的部分。除此之外，还有另外一种分段方式，将管道分为两个区域拱弯区和垂弯区。拱弯区是从铺管船板上的张紧器开始，沿支架向下到管道开始脱离支架支撑的抬升点为止的一段区域(抬升点即是管道呈S型时的拐点)；垂弯区是从抬升点到海底着地点之间的区域。管道在垂弯区的曲率通过张紧器产生的张紧力来控制，管道在拱弯区的曲率通过合适的滑道支撑和支架的弯曲度来控制2 。图1.1“S”型铺管方式1.3.2“J”型铺管法 J型铺管法，是从上世纪80年代为了适应深水铺设而不断发展出来的，是目前最佳深海管道铺设方法，该方法主要应用于刚性管道铺设3 。在铺设过程中刚性管道近乎竖直进入水中，管道在水中呈J型，因而得名J型铺管法。 J型铺管法在铺设过程中通过调节托管架的倾斜角度和张紧器张力来改变管道的受力，从而使管道安全铺设。J型铺管法主要有以下两种：（1）钻井船J型铺设法（2）带斜型滑道的J型铺管法。J型铺管设备主要由4部分组成：（1）管道连接站用来将前一次管段的最下端连接到本次释放的管段的最上端；（2）管道支撑塔架竖直的铺管塔，该铺管塔在管道连接站正上方，它将管道保持在铺设路径的合理角度内，管段的下端与准管道连接站对准；（3）静态夹具用来夹住前一次释放管段顶端的夹子，同时夹住使管段对准连接站；（4）管道释放装置当在静态夹具松开时可调节地释放管段。图1.2 “J”型铺管法1.3.3拖拽式铺管法拖曳式铺管法主要由以下四种方式：海面拖行、海面下拖行、近底拖行和海底拖行。以上四种拖拽方法的管道组装均相同，可以在地面组装厂或者在浅海处的铺管船上完成管道组装；当完成管道组装后，就可以进行拖拽铺设。 （a）海面拖行，管道通过漂浮箱漂浮在水面上。 （b）海面下拖行，通过漂浮箱使管道不受海面风浪的影响。这两种拖曳方法对比，海面拖行与海面下拖行铺设管道易受到海面风浪、海上船只和管道陈放的影响。 （c）近底拖行，是海面拖行技术的改进方式，同样也需要主拖船和牵制拖船。在管道上每隔一定间距设置漂浮箱，同时浮箱上还需要连接有铁链，用于拖行，利用它的重量和浮箱的浮力而使管道达到设计深度。这种铺设方式通过改变铁链的长度来提供管道的稳定力，通过改变张力的大小使管段改变深度。近底拖行的主要优点是拖行的驱动力要求较小，没有海况及海上船只的影响。 （d）海底拖行，在海床上利用铺管船的牵引力将管道拖行至预定位置。拖行路线对海底拖行有着决定性作用，由于摩擦影响管道涂层、拖行期内管道稳定性、铺管船的规格和所拖管道的长度。此法不受牵制拖船以及海况影响，但对拖船的牵引力要求较高，涂装层有磨损的危险，管道有被卡住的危险4 。（a）海面拖行（b）海面下拖行（c）近底拖行（d）海底拖行图1.3拖拽式铺管法1.3.4卷管式铺管法卷管式铺管法是上世纪90年代发展出来的一种新式铺管法，卷管式铺管法是在预制场上将管道连接，缠绕在卷筒上，将卷筒储存在铺管船上用于管道铺设，其优点是管道绝大部分的焊接预制工作在预制场内完成，缩短了海上铺设时间，降低了成本，卷筒上的管道可连续铺设，减小了铺设作业的风险。每种储存卷管的滚筒都都和相应的铺管船配合使用，一般储存卷管的直径从1英寸到12英寸不等，单层管的最大铺设直径为16英寸，最大铺管深度可达到1800m。 卷管式铺管法需要的主要设施包括：预制场地、储存卷管、管道校直器、管道张紧器、制动夹具、铺管船和其他常规施。图1.3卷筒铺管方式卷管式铺管船的分类（1）水平式和（2）垂直式。（1）水平式卷管铺管船，通常用于中浅海海域作业（小于300m），其转动轴垂直于铺管船的甲板，其铺管形式为S型；（2）垂直式卷管铺管船，适用于中等水深或深水作业（大于300m），其转动轴与铺管船甲板保持水平，其铺管形式为J型。1.4海底管道铺设方法的比较从目前工程应用上来看，不同的铺管方法都有一定的特征和适应性。例如，拖拽法主要应用于近海滩涂铺设或者铺设距离较小的工程当中。卷管阀由于存在较大的塑性变形，其可铺设的观景一般小于16英寸；深海铺设时一般选用“S”型铺管法或者“J”型铺管法，以下为四种铺设方法的归纳与总结5 。表1.1 海底管道铺设方法的对比拖拽铺 设优点管道在岸上预制场内焊接，焊接质量较好；拖船不需改造，成本较低；拖拽方法较为多样化。缺点安装长度较短；对于海底和海况要求高；只适用于浅水区域铺管作业。卷筒铺设优点绝大多数的焊接工作在岸上预制场内的可控环境内完成；张力相对较小，成本较为低廉；由于管道在预制场中连接，管道可持续铺设。缺点需要预制场的支持；对钢材的塑性要求高，适用管径较小；铺设速度越为600m/h。J型铺设优点由管道支撑塔代替了船尾托管架；管道铺设角度近乎垂直，管道张力较小缺点只有一个焊接站，因此焊接速度慢，铺设效率低铺设作业都在垂直的铺设他上完成，稳定性差铺设效率低，速度慢，铺设速度为1-1.5km/dayS型铺设优点管道水平方向采用双接头进行装配，装配效率高；对海况和连续作业能力强，铺设效率和速度高，铺设速度为3.5km/day缺 点必须处理非常大的张力；水越深，托管架越长，失去稳定性；水越深，张力越大，风险越大。1.5目前国内外水平和发展状况1982年中国海洋石油总公司(中海油) 成立,标志着中国正式开始了海洋石油天然气的开发。在这短短的二十几年里,中海油虽然取得了令人瞩目的成就,但深海铺管技术非常薄弱,最深的海洋管道也只有330 m，我国在海底铺管技术的开发及应用方面与国外先进水平相比存在较大差距。柔性软管铺设系统及技术基本为外国公司所垄断，我国在该领域目前尚处于起步阶段。在进行软管铺设施工时要向外国公司租用设备，雇佣外方操作人员，费用极其昂贵6 。瑞士再铺管技术领域是世界上最先进的国家之一，在铺管技术上的代表是ALLSEAS公司，该公司有着雄厚的实力和尖端技术，下图为世界上最大的铺管船Allseas公司的Solitaire。图1.5 Allseas公司的Solitaire铺管船Solitaire为世界上最大的铺管船，采用S型铺设，总长300m（984英寸不包括船为托管架），该船能铺设直径2英寸到60英寸的管道，最大航速24km，采用三个175吨张紧器其夹持能力为1050吨，能够铺设最重的管道，从船尾延伸的架构控制托管家的角度张紧下表为Solitaire主要性能参数：表1.2 Solitaire主要性能参数总长（m）航速（km）床位（人）动力定位系统作业吃水（m）起重载荷（t）焊接工作站张紧器（t）管径范围（mm）管道传送起吊机专用起重机30024420NMD CLASS3/LRDP(AAA)Type Simard kongsberg 2ADP 7021ADP 7011.4352300两个双缝焊接平台7个焊接站317550.81524国内铺管船发展起步较晚，1987年，我国引进了一条小型铺管船，结束了我国国内无铺管船的历史。但随着铺管长度的不断增加，铺管施工技术越来越成熟，表1.3为我国2000年建造的“蓝疆号”铺管船的主要参数：表1.3 “蓝疆号”起重铺管船主要参数建造时间总长（m）型宽（m）型深（m）满载吃水（m）床位（人）甲板载荷（t/m）作业水深（m）2001年157.548.812.582785008500最大起重载荷（t）张紧器（t）管径范围（mm）AR绞车（t）工作站（个）检测站（个）定位锚机（套）锚缆长度（mm）3800272.511412921581012122200蓝疆号大型起重铺管船是一艘非自航无限航区作业的大型工程船,船体总长157.5m,型宽48 m,满载排水量58000t,可在150m水深实施起重和铺管作业。该船主甲板艉部装有1台3800t起重能力的全回转电动起重机;船上设有铺管系统,铺设最大管径为l220mm,具有单节管和双节管2种铺管模式;船上有直升飞机平台和作业人员生活区,生活区可满足280人住宿、餐饮;船舶设备具有较高的技术含量,其主要设备如起重机、铺管系统、动力和推进器都采用了世界顶级名牌产品7 。但是我国铺管技术起步较晚，总体还是比较落后，并且铺管船形势比较单一，国内最先进的铺管船“蓝疆”号的铺管最大深度也只能达到150 m。基本上都属于船型侧边起重铺管船。图1. 6蓝疆号铺管船1.6论文研究的主要内容毕业设计的主要内容是针对能提供15吨张紧力,对管径13英寸的软管进行铺设的铺设系统结型结构设计和强度校核，其主要内容为：根据课题需要，工作需求以及管道参数，在查阅国内外相关资料的基础上，对海底管道水平铺设系统进行整体结构设计（机械零件结构），在此基础上，完成论文，装配图，以及零件图。论文在查阅大量资料的基础上，完成整体结构设计，形成装配图。在论文中阐明各部分的设计过程，论文主要由以下内容：（1）卷筒的结构设计 包括卷筒结构尺寸的计算，卷筒轴的校核和轴承的选用。（2）校直器的选型 经过弯管器后管道在入水前需校直，以消除弯管的残余塑性形变。校直器通常包括两个弧状履带连同导轮作为第三个弯管点对管道进行校直。主要介绍校直器的作用以及工作原理，并依据软管的直径进行了选型。（3）张紧器的结构设计 主要包括张紧器轨道的设计，链轮相关尺寸计算，V型板原理及结构尺寸计算，电机的选取，箱体、底座和安装台的设计（4）止动器的整体结构设计及受力分析 止动器的原理分析，挤压板的设计，液压缸所提供最小夹紧力的计算，。（5）液压缸的选用与校核 依据液压缸行程，工作额定压力及最大推力进行了液压缸内径和活塞杆直径的计算和校核。（6）弯管器的选型 弯管器作用以及工作原理的介绍，并依据软管外径选取弯管器。第2章 总体方案设计2.1引言海上油气田开采出的油气大多数是通过海底管道转输至陆地上加工并分别输送到户。伴随海洋石油然气开发不断加深,海底管道的作用显得越来越重要，但是海底管道铺设作业是一个复杂的过程，在海况环境恶劣的情况下，存在洋流，风浪等一系列的不确定因素，而管道在铺设的过程中有受到弯曲应力，挤压应力的影响，因此，海底管道铺设系统要具备高可靠性，高强度，优良的操作性等优点。铺管船的形式也是多种多样的，世界上主要的厂商为荷兰的HUISMAN公司。该公司的柔性软管铺设系统有各种不同吨位，铺设塔的角度分为固定式和可调式，可按客户要求定制8 。图2.1为Toisa Proteus铺管船 。图2.1 Toisa Proteus铺管船2.1.2柔性软管简介柔性软管的应用从上世纪70年代发展起来，适用于地中海、巴西、远东等海况良11第2章 总体方案设计好的海域。然而，随着柔性软管技术的迅速发展，目前柔性软管已广泛应用于世界各个海域，并受到广泛欢迎。柔性软管目前已可应用于10000ft的海域，最大耐压已经可以达到15000pis，能承受最高温度达到140C，随着科技的发展，柔性软管也可应用于海况交叉的海域。与刚性管道相比，柔性软管具有以下特性： （1）柔性软管的铺设安全、便利而且快捷， （2）由于柔韧性较好，管道能适应海底地形，产生的悬跨较小； （3）柔性软管在投入生产后，很少需要维护、保养，在海况较差的情况下不会影响生产，并能满足连续铺设的要求； （4）具有较强的抗腐蚀能力和较好的隔热性能； （5）比钢性管道的使用寿命长，不具有管线的接头； （6）柔性软管能重复利用，从而降低成本，有利于环保。COFLEXIP公司是法国著名的柔性软管制造厂家，国内外许多有其田均采用其产品，本课题中别采用该公司的产品其柔性软管的规格和性能见表2.1：表2.1 COFLEXIP公司柔性管道性能和规格内径工作压力外径在空气中质量最小弯曲半径InMmPsiMpaInMmIb/ftKg/MFtm125.4300020.72.2557.54.46.61.220.37250.8300020.73.2581.57.210.71.750.55250.810000694.2510820.7312.30.7263.5200013.84101.59.714.42.20.66376.2500034.551252131.52.70.81376.21000069513124.536.52.80.854101.61000069717851.777.23.81.165127500034.57.25183.538.557.541.26152.4200013.87.75195.527.741.34.21.38203.2200013.81025738.156.95.51.78203.2500034.511.529299.5148.56.3210254150010.312.2531055.582.56.62.110254450031133531392087.52.312304.810006.914.536872.11087.92.412304.8250017.215.253881061588.32.5516406.47505.220504.516224210.83.3柔性软管铺设法来源于卷筒式铺管法，铺设的主要步骤为在陆地的预制厂内将需要铺设的管道焊接完成加工，再将软管缠绕在铺管船上的储存卷筒上，卷筒的直径可达25m，柔性软管铺设法的作业环境安全、稳定，其铺管速度较高，比传统钢性管道质铺管要快上十倍，从而大大缩短了管道的铺设周期。因为卷筒铺管的准备工作已在陆地预制场上预先完成，所以大大节省了铺管时间、降低了成本9 。2.2 总体方案海底输油管道的铺设是深海石油资源开发的基础，软管铺设系统是用于海底输油软管铺设的专用设备， 此次设计的的海底管道水平铺设系统样机结构设计为实际工程样机设计打基础，是用来验证实际管道铺设过程中的校直、横张力和止动等关键技术。和实际海底管道铺设系统有一定的区别，具有以下特点： （1）铺管效率高，可连续铺设。软管缠绕在卷筒上，因此具有卷筒铺管法铺设效率高，可连续铺设的优点。 （2）铺设系统布局相对简单。此次设计的的海底管道水平铺设系统样机结构设计为实际工程样机设计打基础，布局相对简单。 （3）所夹持管道的尺寸和所提供的张紧力都比实际工作需求小。由于海底管道水平铺设系统样机是用来验证实际管道铺设过程中的校直、横张力和止动等关键技术。海底管道水平铺设系统与软管卷筒驱动装置组合，完成管道铺设的作业，本次毕业设计的重点是海底管道水平铺设系统的结构设计，根据其具有的功能和设计要求提出其结构设计的总体方案的示意图如图2.2所示：海底管道水平铺设系统样机主要由弯管器、校直器、张紧器、止动器和卷筒五部分组成：图2.2海底管道水平铺设系统总体方案示意图1弯管器：支撑软管送入校直器，利用导轮初步调整软管的曲率和弯曲应力。2校直器：使用履带链轮结构，采用三点一线原理，通过对弯曲管道的三个不同点来进行接触施力来校直弯曲的管道，消除管道中残留的弯曲应力，增强管道的强度由液压缸负责驱动对软管校直。3张紧器：张紧器的主要作用是保证管线的恒张力控制,在铺设过程中,管道受自重、浪、流的影响,承受较大的弯曲应力,且弯曲应力不断变化。为了使管道弯曲应力小于材料的屈服极限,确保管道不被破坏, 用张紧器进行送管并实时调整管道的张紧力,使管道的张力基本恒定不变,始终保持在允许的范围内。4止动器：液压缸为止动器提供动力，当夹具闭合时，夹具体与管道接触并通过摩擦力夹持管道，利用摩擦力使铺设工作停止。此方案结构简单，易于加工，对管道加持的安全可靠度较高。5卷筒：卷筒的作用是在软管运输和铺设过程中对软管进行存储的装置，它可以布置在甲板上也可以布置在甲板下面，一般采用电动机驱动，并可对出管速度与扭矩进行控制。依据总体方案示意图及其受力特点确定其主要部分的基本结构。2.3铺管过程当水平铺设系统在进行铺设时，软管从卷筒上退卷绕，通过弯管器对管道的位置及曲率进行调整，再通过校直器对管道进行校直，最终由张紧器进行夹持管道，进行铺管作业；当铺管结束时，由止动器夹持管道，张紧器张紧力逐渐变小，止动器夹持力渐渐增大，铺设工作停止。在理想的状态下，铺管系统进行平稳的铺管作业，张紧器系统能够使铺管速度保持恒定。当在铺管船在海浪作用下上升时，张紧器加速放管；当铺管船下降时，减慢房管速度，确保管道所承受的张紧力保持在允许范围内，从而保证铺管作业的安全性和快速性。软管从储存卷筒开始，依次经过弯管器，校直器，为防止管道在铺设作业的过程中被过度拉紧或过度松弛，系统各环节上应保证管道输送速度上的一致性。从而防止损坏管道。2.4软管铺设驱动系统在该系统中，主要的驱动系统为软管所缠绕的的卷筒的驱动装置，使用液压马达驱动滚筒，带有一定扭矩进行顺时针和逆时针旋转，即带一定张力进行软管的施放和回收，该系统较为复杂。校直器中的液压缸，该液压缸使校直器活动履带向管道施加夹紧力，履带将夹紧力传递给管道，滚轮装置与固定履带分别属于支撑管道的两个点，与活动履带配合，对管道进行校直。2.5本章小结这一章主要针对海底管道水平铺设系统进行了总体结构设计，确定了铺设系统的组成以及布局，各部件的大体位置，铺设系统工作过程，驱动系统进行了简单说明。13第3章 卷筒的结构设计第3章 卷筒的结构设计3.1引言卷筒是用于储存软管的装置，软管缠绕其上，便于储存，其驱动系统用于铺管前管线在卷筒上的缠绕和铺管时管线从卷简上的下放。我们在这里只对于其结构进行设计。10 此次毕设中是针对三寸软管进行铺设，本课题中别采用法国COFLEXIP公司的三寸柔性软管，其主要参数如表3.1：表3.1 COFLEXIP公司三寸柔性管道性能和规格内径工作压力外径在空气中质量最小弯曲半径InMmPsiMpaInMmIb/ftKg/MFtm376.21000069513124.536.52.80.85管道铺设系统的柔性软管以缠绕于卷筒上的方式储存，为了在运输和安装的过程中不损坏柔性管道，需要特别注意柔性管道的最小弯曲半径，通常情况下，管道的弯曲半径不得小于最小弯曲半径的1.1倍，否则会产生较大的弯曲应力，当卷筒的曲率半径小于管道允许的最小弯曲半径时，管道会遭到破坏，因此卷筒的直径必须经过计算才能确定。3.2卷筒结构尺寸的计算通过查表可知COFLEXIP公司三寸柔性管道的最小弯曲半径是0.85m，由此可得此次毕业设计的管道铺设系统卷筒的弯曲半径R要满足下是条件： （3-1）式中，为管道允许的最小弯曲半径。通过上式可知，最终可得，卷筒的最小直径为：暂定卷筒的直径为D=2.6m在铺设作业中，卷筒需要伴随着换到的铺设实现同步的转动。卷筒的边缘处应设置挡板，以便于软管的储存和退缠绕，此次毕业设计中，设定卷筒外挡板的直径为=3m。卷筒的材料采用HT200，较高强度铸铁，基体为珠光体，强度、耐磨性、耐热性均较好，性能良好。预设每个卷筒储存软管145m，则卷筒筒身周长为，150m长的软管可以在卷筒上缠绕圈数为X，则X等于：;以防止软管在储存时,因为相互挤压而遭到破坏，采取单层缠绕，并且预留一定的圈数，在此取X=18.25;由此可知筒身长度L为：L=XB=18.25131=1195.378mmB为三寸软管的外径；取整可得筒身长度为1196mm，即1.196m；3.3卷筒轴的强度校核该轴是卷筒的重要零件，其作用是支撑卷筒，传递回转运动由于筒身长度1196mm，在这里我们初步选定该轴中间部分长度为1135mm，此处轴两端由轴承支承，由于该轴即受弯矩又受转矩，故该轴为转轴，故此轴按照弯扭合成强度进行校核。由于该轴承载较大，且无很大的冲击，故轴的材料选用45，调质处理。转轴与卷筒采用普通平键链接，周向间隔180分布。图3.1 卷筒中间转轴管道铺设系统在工作时，卷筒的重力要全部作用在中间轴上，卷筒及管道的总质量为M=10T。卷筒的驱动采用NJM-12.5技术参数液压马达其额定转距为38373n.M卷筒在底座上安装完毕后，其中间轴可以看作一简支梁。卷筒和管道的总重量10T作用在梁的中点处，故底座两端对轴的支反力=5T。由于采用液压马达驱动，故轴受周向力Ft，其受力示意简图如图3.2所示图3.2 中间轴受力示意简图该轴梁的跨度为0.83m。故轴所受的最大弯矩图3.3卷筒轴弯矩图根据算选马达其转矩为38373N/m，由于其最高转速为20r/min，故采用联轴器直接与卷筒轴相连故卷筒轴所受扭矩为38373N/m。图3.4卷筒轴扭矩图危险截面处的最大弯曲应力为弯矩与扭矩共同作用产生的弯曲应力： （3-2）为折合系数，当扭矩切应力为静应力时。取=0.6，当扭转切应力为脉动循环变应力时，取=0.3，当扭矩切应力为对称循环变应力时，取=0.1。在这里我们取=0.1。通过计算得：对于调质处理的45钢，其弯曲疲劳极限,扭转疲劳极限，故中间轴的强度合格。3.4轴承的选择由于转速较低而载荷大，且轴承同时承受径向载荷和轴向载荷，故在此我们选择圆锥滚子轴承，依据 ISBN7-5066-0232-6/TH.010选用轴承型号为2007972E的圆锥滚子轴承。3.5本章小结本章主要对卷筒的结构尺寸进行了设计计算，对中间支撑部分进行了结构设计和材料的选择。卷筒进行了尺寸的设计，以保证系统在铺管作业中安全可靠的运行。主要进行了一下内容：（1） 卷筒的结构尺寸计算（2） 卷筒轴的结构强度计算（3） 依据计算选择了圆锥滚子轴承第4章 弯管器与校直器的选型4.1弯管器4.1.1弯管器作用及原理软管缠绕在卷筒上，其形式如图4.1所示，管道内存在一定的弯曲应力，当进行海底管道水平铺设系统作业时，软管从卷筒上退缠绕会使软管产生一定角度内的摆动。为减小管道在水平方向的摆动以及管道内弯曲应力对校直的影响，我们在校直器和卷筒之间架设了弯管器。弯管器的作用是对管道曲率和弯曲应力进行初步调节初步调节，校准软管的铺设轨迹并支撑软管，将管道送入校直器中。图4.1 卷筒示意图弯管器主要依靠管道自身的重力和导轮的位置分布对软管进行曲率调节，依靠外挡板对来防止管道因为从卷筒上退缠绕而造成的水平摆动。为了防止在运输和安装过程中不损坏柔性管道，导轮的分布呈圆弧状，其结构如图8.2所示。图4.2 弯管器结构示意图19第4章 弯管器与校直器的选型4.1.2弯管器的选型本论文中的管道铺设系统可铺设的管道直径在13寸范围内，随着管道半径的增大，管道在空气中的质量逐渐增大，考虑极限情况，在选择弯管器时应根据管道的直径的最大值131mm选取合适的弯管器。4.2校直器4.2.1校直器的作用校直器系统在铺管作业中的作用十分的重要，当管线通过卷筒铺设时，在管道下放至海底前需要通过校直器对管道进行校直，因为管线缠绕在卷筒上会产生弯曲应变，加之后续铺管过程中张紧器及止动器对管道的作用力，会对管道的结构产生很大的破坏，因此在管道进入张紧器之前，管道中存留的残余应力应减至最小，这就需要校直器对管道进行校直，使管道中的弯曲应力减至最小。4.2.2校直器原理当管道铺设系统正常运作时，管道经过导轮后，对管道的曲率有了初步的调整，通过校直器对对其弯曲程度经行进一步调整后，减少其弯曲形变，最后通过张紧器将其放入水中。根据要实现的功能，此次毕业设计的校直器结构采用三点反弯曲法设计，其系统结构如下图所示，校直器系统主要由六部分组成，包扩 1-活动履带 2-液压缸 3-滚轮装置 4-连接臂 5-固定支架 6-固定履带，滚轮装置与固定履带外缘要保持在一条直线上，校直器的工作流程是通过液压缸驱动，使可活动的校直器履带向管道施加夹紧力，履带将夹紧力传递给管道，滚轮装置与固定履带分别属于支撑管道的两个点，与活动履带配合，通过三点反弯曲法校直管道。此履带-链轮式结构的有点是履带与管道之间是线接触，这样比较容易对管道上施加的矫直力进行控制，管道由于与校直器的接触面积较小而产生的二次弯曲的可能性降低，提高了校直的可靠性。校直器结构图如图4.3所示：1-活动履带 2-液压缸 3-滚轮装置 4-连接臂 5-固定支架 6-固定履带图4.3 校直器系统结构图4.2.3校直器的选型海底管道水平铺设系统样机能提供15吨张紧力,对管径为三寸以内软管进行铺设，矫直机的选择取决于软管的直径，壁厚，屈服强度和涂层。一般来说，采用三点反弯曲法进行校直，由于此次设计是针对三寸以内软管进行铺设。我们依据COFLEXIP公司三寸柔性软管的工作压力69MPa,管道外径131mm，最小弯曲半径0.85m选型。4.3本章小结本章主要介绍了弯管器以及校直器的工作原理以及作用，并依据软管外径进行了选型。主要进行了： （1）弯管器的作用与原理的介绍 （2）依据管道尺寸对弯管器进行了选型 （3）校直器的工作原理的介绍 （4）依据管道的工作压力和尺寸对校直器进行了选型21第5章 张紧器结构设计第5章 张紧器结构设计张紧器是铺管铺设的重要设备,管线铺设深度取决于张紧力的大小,管线恒张力通过张紧器张紧系统控制。在铺设过程中, 管道受自身重量、海况的影响,管道内有较大的弯曲应力,由于海况的的变化弯曲应力也在不断变化。为使管道弯曲应力控制在材料的屈服极限内,确保管道不被破坏, 用张紧器进行送管并实时调整管道的张紧力,使管道的张力基本恒定不变,始终保持在允许的范围内。11 5.1张紧器的结构张紧器由上履带、下履带、机架和液压缸构成, 上履带通过液压缸驱动沿导杆上下运动, 下履带驱动机构固定在底座上。张紧系统由管道张紧系统、管道输送系统组成。在铺管作业中, 张紧系统通过液压缸将上履带紧压管道,通过履带板V型结构将管道固定在下履带上，保持恒定的夹紧力。管道从铺管船船尾进行铺设，从铺管船船尾到海底有很长的悬空段, 由于铺管船受海况影响上下摆动, 管道从铺管船船尾到海底之间的距离受海况影响而不断变化, 这就使得管线内的应力不断变化。张紧器结构示意图如图5.1所示,图5.1张紧器机械结构示意图1、5夹紧装置 2、4导向杆 3机架 6、8驱动轴 9履带管道在进行铺设, 当铺管船船由于风浪影响上升时, 管道将承受到较大的拉应力, 拉力可能使管道超过其应力极限, 引起管道破裂或使铺管船定锚走锚造成安全事故; 当铺管船由于风浪影响下降时, 管线受自身重力和海浪力的作用, 将承受很大弯曲应力, 该应力将超过管线材料的屈服极限, 使管道产生塑性变形。张紧器张紧系统可实现管线的恒张力控制。铺管作业时, 监测系统通过安装在驱动轴上的编码器和张紧器与船体之间的传感器实时监测管道铺设速度和管道张紧力。铺管船平稳地工作时, 管道输送系统使铺管铺设速度控制在设定值。当船体由于风浪上升, 管道输送系统加快放管速度; 当船体下降时, 管道输送系统降低放管速度, 确保张紧力控制在设定的范围内。12 本次毕业设计，张紧器总体结构包括：张紧机构，履带机构，驱动机构，箱体，底座，安装台。5.2张紧器机构的设计张紧机构通过履带向管子提供正压力，是决定张紧力大小的关键部分，他通过垂直对成分布置的2个液压缸将软管夹持在两个履带中间。张紧机构包括主张紧液压缸和导轨。5.2.1导轨的设计导轨是运动部件导向和承载的部件可分为直线运动导轨和回转运动导轨，导轨设计的要求是准确的导向精度，精度保持性好结构简单，工艺性好，便于调整和维修，在此次毕业设计中，当行走单元沿着导轨运动时，到会主要起支撑和导向作用，即支撑和保证履带机构在外力（系统本身的重力和张紧力）的作用下，沿给定的方向进行直线运动。根据海底管道水平铺设系统张紧器的工作环境，本次设计对导轨有如下要求：运动轻便稳定。轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象，工作稳定。导轨结构如图5.2所示图5.2 导轨结构示意图1-导轨 2-滑块 （1）良好的耐磨性。导轨在使用过程中会磨损，但应使磨损最小，且磨损后能自动补偿或便于调整。 （2）足够的刚度。行走单元所受外力，是由导轨面承受的。故导轨应具有足够接触刚度。 （3）结构工艺性好。在保证导轨其他要求的前提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配和调整，以降低其成本。5.2.2张紧器张紧方式的分析张紧器张紧系统的主要作用是保证管线的恒张力控制，在此基础上，全面考虑系统结构、操作、能耗等因素。通过分析国内外张紧系统的组成，可将张紧方式分为：（1）螺旋夹紧液压马达驱动（2）螺旋夹紧电机驱动（3）液压缸夹紧液压马达驱动下面我们将分别详细介绍这三种张紧方式： （1）螺旋夹紧和液压马达驱动螺旋夹紧装置结构简单，通过电机带动丝杠转动，使上履带通过导轨上下运动。但是夹紧过程必须有工人在现场进行调节。螺旋夹紧属于刚性夹紧，自适能力比较差。且在铺管作业过程中，管线由于凃层不均匀，在铺设过程中的磨损等因素，会造成管道直径有所不同。管道直径的变化会影响张紧力，从而影响到张紧力的调节。液压马达结构简单且维护成本低，但无论在马达驱动履带进行管道铺设还是由于管线焊接而马达停止工作的过程中，液压泵站不会停止工作，从而造成不必要的资源浪费。 （2）螺旋夹紧和电动机驱动螺旋夹紧用电动机代替液压马达驱动，从而将整体长进系统简化。电动机的驱动主要有两种方式：直流电动机驱动和交流伺服电动机驱动。随着交流电动机的发展和控制工程的进步，使用交流伺服电动机比直流电动机控制方式更可靠，启动更加平顺。在管道焊接过程中，与液压马达相比，电动机停止运动，更加节约且环保。因此，现在普遍采用交流伺服电动机进行驱动，但是交流伺服电动机含有控制系统，成本较高，维护较为困难。 （3）液压缸夹紧和液压马达驱动液压缸夹紧的方式属于柔性夹紧，通过控制系统可以实现张紧力的实时控制，当张紧力达到预定值的时候，将液压缸的进油口断路，液压缸保持压力恒定，蓄能器平衡液压缸因泄露而引起压力变化。液压泵站停止工作，检测系统检测到张紧力小于设定值时，监控系统会自动启动液压泵站，液压缸增大压力以满足张紧力要求，因此张紧过程是个闭环控制系统，自适能力强。13 5.2.3张紧器张紧方式的选择此次海底管道水平铺设系统的张紧器选用液压缸夹紧和液压马达驱动的张紧方式。因为此次毕业设计需要提供15T的张紧力，在铺管的过程中要考虑较大海浪影响，要求加夹紧系统稳定、驱动系统可靠性高，因此采用液压缸夹紧和液压马达电驱动的张紧方式。5.3履带机构的设计通过查阅相关资料，此次设计采用履带式结构。履带对管道压力较小，工作室也较为稳定，履带是张紧器结构设计的关键，但其工作条件较差，受力复杂，容易产生磨损。履带的运动选用链传动，其优点为无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高；传递功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小；所需张紧力小，作用于轴上的压力小；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。1张紧轮1 2张紧轮2 3张紧轮3图5.3 履带结构履带机构由若干链节组成，链节之间用紧锁销轴和销套链接。每个链节外侧连接有V型板，履带板上安装有橡胶缓冲垫块，用于加大摩擦力和使载荷均匀，进而加大与管外壁的接触面积，降低接触比压。在履带中心架的下方由9个液压缸向下推动张紧轮3从而张紧履带，在履带中心架的左边有两个液压缸向下推动左边张紧轮1张紧履带，这11个液压缸共同作用履带实现履带的张紧。在履带中心架上方两个张紧轮2支撑履带。在履带中心架右边有一个链轮，通过电机带动链轮实现履带的转动，从而实现铺设管道的水平移动。其结构如图5.3所示。5.3.1履带板的设计原理分析：履带板上安装有橡胶缓冲垫块，用于加大摩擦力和使载荷均匀，进而加大与管外壁的接触面积，降低接触比压，履带板的传动是依赖于链传动而实现的，在校直器中起固定软管作用，履带板采用对称结构，其结构尺寸主要是依靠所铺设软管的尺寸和链节间的装配间距所决定的。履带板两端受到支撑轮向上的支撑力F,履带板v型斜面与管道接触点受到管道反作用力N，下图为履带板的受力分析简图：图5.3 张紧器履带板受力分析图管道的反作用力N可分解为水平方向力H和垂直方向的力V： （5-1） （5-2） 支撑轮对履带板向上的支撑力F与管道对V型板反作用力N在垂直方向的分力V是相平衡的，即 （5-3）在张紧器支撑轮对V型板向上的支撑力F作用下，为调节张紧器的恒张力，只能通过调节反向作用力N,而力N与力F的关系为： (5-4) 由上试可知，越小，N越大，张紧器的张紧力也就越大，但是受V型板结构和所适用的管道外径尺寸限制，只能在一定适当的范围内选择。V型板的总长L与其余各部分之间的关系为： （5-5）由受力分析简图分析可知，和的关系为：= （5-6）当张紧轮对V型板的压力F是定值时，要增大张紧器的张紧力，就只能尽量增大管道反作用力N的值。由上式可知，通过减小角，可增大反作用力N的值。而由式（5-5）可知，要减小值只能减小 的值，而V型板的角度 的大小是通过管道铺设系统的外径来确定。5.3.2履带板结构尺寸的计算根距整体系统的设计要求，履带板组成的履带系统可以适用的管径范围为13英寸（57.5131mm），我们将根据管道的外径尺寸来对履带板进行结构尺寸的确定。在张紧器的设计中，要求张紧器拥有一定范围内的张紧力，具有足够的结构强度、刚度和耐磨性。依据以上要求，v型板总长度在达到设计要求的条件下尽量取小的值，这样可以减轻校直器的总体质量，节省材料。在这里，预设=60。A点为一寸软管与履带板的接触点，B点为三寸软管与履带板的接触点，S为履带板中心与一寸软管接触点的距离，S履带板中心与一寸软管接触点的距离。图5.4 张紧器履带板夹持一寸和三寸管道结构示意图履带板侧边长度S应大于三寸软管与履带板的接触点距离S：；通过图所示的结构关系由三角几何的知识可知，履带板侧边长度S应小于：若S不小于66.39，当张紧器工作时，上下履带板就有可能发生摩擦，从而损坏履带板，因此S的取值范围为：37.82mmS66.39mm 综合考虑各种因素，并保留适当的空间，我们取S=50mm,由上式可知，V型板的结构尺寸A取决于所选用的连接件装配间距，选用链节间的装配尺寸为70mm，所以A的尺寸为80mm。将S和A代入下式L=2A+2S可得校直器V型板总长度为：L=2A+2S=246.60mm取整得L=250mm。由此设计出的履带板，可以适应13寸软管的张紧。5.3.3履带链轮的设计1、材料的选择从链轮运行的失效形式来看，很少见到齿的折断和齿面的点蚀破坏和胶和破坏，齿轮较常出现的失效形式是磨损。因此在链轮的材料选择上首先考虑的应是耐磨性，材料应具有足够的强度与耐磨性，根据推荐使用的链轮材料及热处理，选用的材料为20Cr,渗碳，淬火，回火处理。2链轮参数的计算链传动的主要选择依据： （1）中心距a大则链条长，吸震好且磨损慢，寿命较长但中心距过大则会使链条松边垂度过大，引起震颤。中心距过小则小链轮上报较小，参与承载的啮合连接数少，但连接载荷增大，降低了疲劳强度，加剧链的磨损，易造成跳齿或脱链现象。基于上述考虑推荐中心距a0=（3050）p，但应保证链条在小链轮上的包角不小于120。 （2）传动比过大将使链条在小轮上包角过小，啮合吃属于连接数均少，加速齿轮的磨损，易出现跳齿或脱链失效。故一般限制链传动的传动比i6，一般推荐i=23.5.当链速较低且载荷平稳时，允许I可达810。 （3）小链轮齿数对工作平稳性及使用寿命影响很大。当小链轮齿数过少时，会使传动的不均匀性趋于严重，动载荷加大；同时链条铰链的磨损并增大功率损耗。 （4）由于链节数常取偶数以便连接，为磨损均匀起见，链轮齿数一般应取奇数或不能整除链接数的数，并优先选取一下数列：17、19、21、23、25、38、57、76、95和114。这是因为每转两圈，链轮上所有的齿都会与链条啮合一次，可延长使用寿命。 （5）链节距越大，虽增加了传动能力，但是多边型效应亦更为严重，动载荷和噪声以及传动尺寸以增大，所以在链传动设计中，应在满足其承载能力的前提下尽量选取小节距的单排练。传递载荷大、中心距小而传动比大时，宜采用小节距多排链；中心距大、传动比小时选用大节距单排链经济性好。链轮齿数过少会加剧运动的不均匀性，过多则会因磨损引起节距的增长而发生跳齿和拖链，缩短链的使用寿命。以下为链传动中链轮相关尺寸计算：由已选定的链节可知：节距 P=76mm，销轴直径=23mm；链轮齿数 Z=25齿顶圆直径 ，取整后；分度圆直径 ，取整为600mm；分度圆弧齿高 ha=0.27P=20.52mm；齿根圆直径 齿沟角 齿沟圆弧半径 ,；取链节内宽 ；齿宽 齿侧倒角 ，齿侧半径 =76，链轮材料为50Mn，中频淬火，低温回火，使其硬度达到HRC5558。5.4液压马达的选择液压马达是输出旋转运动的，将液压泵提供的液压能转变为机械能的转换装置。5.4.1液压马达参数的确定（1）转速的确定 （5-7）式中=履带的线速度将=10/min；R=0.18m可得：N=8.84r/min（2）负载转矩 （5-8）式中摩擦系数； 正压力； L力臂； 系统的传动效率；在这里取=0.2,；=150000N；L=0.18m；=0.9，可得955.41N/m (3)运转功率5.4.2液压马达型号的确定由