毕业论文-无潜式海底管道维修焊接舱结构设计

密 级 学 号 070285 毕 业 设 计（论 文） 无潜式海底管道维修焊接舱 结构设计 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 I 北京石油化工学院 学位论文电子版授权使用协议 论文无潜式海底管道维修焊接舱结构设计系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 II 摘 要 随海洋石油开采的不断深入，海底管道维修技术已经成为各大海洋石油开采公司研究的重点。本文在充分调研国内外现有管道维修的维修方式的基础，研制了一套适应于我国海底管道维修系统的工艺流程，并完成了关键部件套筒、套筒安装装置、H型支架以及焊接舱体的结构设计和三维造型工作。 所设计的焊接舱包括的焊接舱外支撑框架结构，焊接舱旋转驱动机构，焊枪控制结构以及密封结构等。设计中运用三维设计软件Pro/ENGINEER Wildfire等，使设计结果更加形象。 关键词：高压干法水下焊接，三维模拟，海底管道，维修系统 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 III Abstract With the high speed and effect developing of the ocean oil industry, the undersea pipeline repair technology has become the research point of all major oil companies. Based on the investigation of current domestic and foreign pipeline repair methods，this paper gives out a specific pipeline repair process which is feasible for China. This dissertation also completed the work of the structure design and three-dimension modeling of a series of equipments involved in the welding repair process. The main equipments include the device for sleeve installation, the H frames for pipeline and the high-pressure welding chamber. The design content of the welding chamber includes the outside supporting frame structure, the rotating driving mechanism, the welding torch controlled structure and sealing structure, etc. The using of the three-dimensional design software which called Pro/e Wildfire makes the design achievements more vivid. Key words: Auto hyperbaric welding, Three-Dimension Design, Undersea pipeline, Repair system 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 IV 目 录 第一章 前言.1 1.1 工程背景.1 1.2 海底管道维修方式概述.1 1.3 我国海底管道维修的研究状况.2 1.4 研究意义与应用前景.2 1.4.1 研究意义.2 1.4.2 应用前景.2 1.5 研究的基本内容与拟解决的主要问题.3 第二章 设计思路.5 2.1 现有的海底管道焊接维修方法分析.5 2.1.1 有潜式维修系统.5 2.1.2 无潜式维修系统.6 2.2 管道维修方案的设计.10 2.3 方案相关设备的设计.11 2.3.1 焊接套筒.11 2.3.2 H型支架 .12 2.3.3 远程遥控机器人.14 2.3.4 套筒安装装置.14 2.3.5 焊接舱.16 第三章 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计.17 3.1 整体框架的设计.17 3.1.1 焊接舱的基本组成形式设计.17 3.1.2 焊接舱的开合方式设计.18 3.1.3 焊接舱与不同管道的通用性性设计.18 3.2 旋转驱动结构的设计.19 3.2.1 旋转形式的设计.19 3.2.2 舱体旋转驱动形式.20 3.2.3 电机的选取.21 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 V 3.2.4 驱动轴的计算及校核.24 3.2.5 齿圈的设计.27 3.3 焊接盒的设计.27 3.3.1 焊接支架的结构设计.28 3.3.2 焊接头机构的结构设计.29 3.3.3 检测探头的设计.30 3.3.4 其它辅助结构的设计.31 3.4 密封设计.31 3.4.1 舱体与管道间的密封.31 3.4.2 舱体与舱体间的密封.32 3.4.3 焊接盒的密封设计.33 第四章 焊接舱结构设计三维实体建模.35 4.1 PRO/ENGINEER WILDFIRE的概述.35 4.1.1 Pro/ Engineer Wildfire的功能特点 .35 4.1.2 Pro/ Engineer Wildfire对设计问题的解决思路.35 4.1.3 Pro/ Engineer Wildfire的综述 .36 4.2 无潜式海底管道维修焊接舱结构实体造型.37 4.3 焊接盒密封底板密封结构有限元分析.39 4.4 焊接舱焊接过程动画仿真.42 第五章 无潜式海底管道维修的技术总结.45 5.1 无潜式海底管道维修的经济、技术分析.45 5.2 无潜式海底管道维修焊接的结论与展望.46 参考文献.47 致 谢.49 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 1 第一章 前 言 1.1 工程背景 海上油气资源作为海洋经济的重要形式之一，已成为我国能源供应的一个重要组成部分。从 20世纪60年代起，我国开始自主开发海上油气资源，到上世纪80年代与国外合作开发，引进国外投资，进入了大规模开发阶段。经过引进、消化、吸收和集成国外先进的开发技术、大力发展自主的配套技术和高新技术，我国海上油气田开发得到了快速发展。特别是2010年2月和5月，由中海油投资，我国自行研发的能应用于3050米水深的半潜式钻井平台“海洋石油981”和亚洲首艘3000米水深的铺管起重船的建成，标志着中海油深水战略正式启动。 海底管道作为海上油气田开发的重要组成部分，对海上油气田的开发、生产和产品外输起着至关重要的作用，被称为海上油气田的“生命线”。随着我国近海海上油气田的陆续建成和投产，海底管道的长度和使用期不断增加，海底管道出现故障和需要维修的数量也随之增加。海底管道维修是一项技术含量高、涉及专业面广、施工操作复杂、需要多工种高级专业人员、投入高和风险大的复杂工程。从20世纪70年代开始，英、美等国开始研发各种水下管道维修装置，目前已趋向成熟。与国外相比，我国在技术、设备方面还有不小差距，一些复杂的水下管线维修工作几乎全部委托给国外的工程公司进行，维修周期长、费用昂贵。 为了保障我国海上油气田的安全生产，实现依靠国内技术和装备对海底管道实现快速修复。开展海底管道维修技术研究，形成有自主产权的海底管道维修技术和专用装置已经成为我国海洋石油事业发展的迫切需求。 1.2 海底管道维修方式概述 海底油气管道维修系统分为有潜水员协助的维修和无潜水员协助的维修(无潜式维修)，无潜式维修又分为远程机械连接器连接(如Sonsub开发的DSRS)和远程焊接系统(RPRS)。 有潜式维修目前使用较为普遍，但在维修过程中需要潜水员参与，因此大大受到水深与水下环境的限制。为了适应不断向深海发展的油气开发系统，欧美等大的海底油气开发公司开发看无潜式海底管道维修方法。 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 2 1.3 我国海底管道维修的研究状况 我国在浅海区域的海底油气管道维修，通过多年的努力取得了一定的进展。近10年来，中国海洋石油工程有限公司已经成功地进行了多次海底油气管道的维修工作，总长度达到3000km以上，但都是水上焊接维修。对于水下焊接维修技术，我国还处于实验室研究阶段。国家“863计划”已研制开发出适用于水深60米以内、管径6到24英寸的单层管配重结构和双层管保温结构海底管道的干式维修作业系统。国外在深海维修领域由于起步早，现已具有丰富的技术及经验。挪威已能够对水深1000米以内，管径 8 到 44英寸的管道进行远程无潜维修。因此，我国在深海管道维修领域还有很大的发展空间及相当丰富的外部技术可以借鉴。 1.4 研究意义与应用前景 1.4.1 研究意义 本课课题在研究国外先进技术装备的基础上，初步的构想出适合我国状况的海底无潜式远程维修模式，为进一步实现我国深海维修的自主化打下坚实的基础，以填补我国海洋工程在深海维修领域的空白。 研究一旦取得成功，将在在海上油气田出现故障、发生油气渗漏时，进行快速响应，第一时间赶赴现场，减少原油渗漏对海洋环境的污染，实施快速修复，尽快恢复海上油气田生产。不依靠外国公司便独立完成维修工作，达到缩短维修周期，降低维修作业成本，减少国家和企业的损失，保障海上油气田安全生产的目的。 1.4.2 应用前景 全球经济高速发展，世界能源消耗急剧攀升。随着陆地能源的不断紧缺，挖掘深海油气资源已成为我国乃至世界最热门的话题。我国未来的能源开采趋势必定向深海迈进，同时，深海海底油气管道维修技术和设备的研制也迫在眉睫。由于深海底部环境千变万化，置于海底的油气管道突发性破坏也是在所难免。国内现有的海底管道维修技术需要潜水人员参与，而水下作业具有深潜度、长距离、高效率、安全可靠等特殊要求。虽然人类具有极强的适应性和灵活性，但受人类自身特性所限，水下作业深度、作业时间和作业效率都不能满足向海洋资源全面进军的要求。无潜式海底管道维修是完成海底管道维修的最理想方案，也是海底无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 3 管道维修方式发展的必然趋势。 国内在海底管道维修技术和装备研发方面起步较晚，目前只能进行浅水区域的海底管道维修作业。无潜海底管道维修系统的研制在国内仍为空白，此项研究对海洋工程的发展具有非常重要的意义，该方法的成功研发将对我国海底油气开发走向深海打下基础，为我国能源的综合开发利用提供技术支持。 1.5 研究的基本内容与拟解决的主要问题 本课题收集了近年来国内外最先进的海底管道维修方式及设备，并对所收集的资料进行了学习和整理。然后针对我国具体情况，初步设计了可行、经济的无潜式海底管道维修方案，并运用先进的三维设计软件Pro/ENGINEER Wildfire完成了使用管道维修设备的结构设计，并完成了维修过程的运动仿真。具体内容包括： 1) 拟定舱体结构方案：解决焊接舱基本结构选型，分析对比国内外现有的焊接舱体形式，完成焊接舱体的总体结构方案； 2) 焊接舱整体动力机构设计，包括舱体的开合运动机构和驱动机构：完成了驱动方式的选择、安装、定位等工作； 3) 焊接舱内部构设计，及排布形式。 4) 密封设计：解决各类机构及舱体的密封形式的选型，并完成相应结构的设计工作。设计结构规划如1-1所示。 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 4 图1-1 设计结构规划图 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 5 第二章 设计思路 2.1 现有的海底管道焊接维修方法分析 2.1.1 有潜式维修系统 有潜式海底管道维修系统属于潜水维修系统，在欧美等发达国家从上个世纪70年代就已经研制。Stolt Comex Seaway集团所有的国家高压中心(National Hyperbaric Center, NHC) 建有舱内载人高压焊接模拟实验装置，该装置由主工作舱和辅助减压舱两部分组成。巴西CENPES中心的水下高压焊接舱由环境控制室、气体供应室、气体回收室、高压室、电器控制室和自动焊接机器等六个部分组成，可进行高压自动TIG、MIG、FCAW、SMAW 焊接。德国GKSS中心对6001100 m水深的药芯焊丝的弧焊短路过渡，电源输出功率的大小和梯度对熔滴过渡的影响，熔池、氢吸的影响因素和保护气体的选择等问题进行了研究，并将该研究成果应用于高压焊接舱设计，取得了令人满意的效果。 OOTO系统由英国Aberdeen Subsea Offshore Ltd开发，包括焊接头和轨道，电气控制部分、气体供应室、焊接监控室和潜水监控室，整个系统采用光纤传导和计算机进行监控。在高压舱中配备潜水员，主要是为了更换电极、调整送丝角度和位置，一旦焊接过程开始，就不再需要潜水员干预2。 PRS管道维修系统由挪威Statoil和Hydro联合开发，其研发工作从1987年就已由Statoil公司开始展开。目前已经可以完成直径844英寸，深度600米以内，长度1万公里以下的海底管道应急维修。相关设备包括密封清理设备、控制安装机架、焊接设备等。主要维修流程为：管道破损部位支撑，切下受损管道并用新管道替换，最后用TIG焊将新旧管道进行连接3。 THOR-1系统由英、法合作的Comex公司开发，该系统包括焊接头与轨道、高压舱、水面控制舱三部分组成，系统焊接参数既能预先设定又能实时调整；系统监测单元由2台监视器组成，能全面获得熔池和电弧信息；水面和水下各有一套计算机系统，分别进行焊接电气参数控制和位置参数控制2。 哈尔滨焊接研究所从20世纪80年代开始研究干法水下焊接，先后研制了HSC-1型和HSC-2两台模拟水下焊接的试验舱。HSC-1型舱体外形尺寸380mm 2000mm，最大工作压力1. 6兆帕；在这台模拟水下焊接试验舱内可进行MAG无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 6 焊接试验、TIG焊接试验和焊条重力焊试验。HSC22型为立式结构，舱体外形尺寸为400 mm800mm，最大工作压力为3. 0兆帕；舱内介质为氩气、氦气或混合气体，可进行MMA焊接试验和TIG焊接试验20。 “十五”863计划重大专项“渤海大油田勘探开发关键技术”专门设置了由海洋石油工程股份有限公司牵头的“水下干式管道维修系统”子课题，北京石油化工学院水下焊接研究组承担了其中的“水下干式高压焊接”子课题，于2004年设计建造了目前国内唯一的高压焊接试验装置，该装置设计压力为1.5兆帕，如图2-1。2005年采用自主研制的高压TIG焊接试验样机完成了平板高压焊接试验，在2006年在渤海湾进行了海底管道高压焊接修复海上试验4-5。 图2-1 高压焊接实验装置及其结构 2.1.2 无潜式维修系统 随着深海油气开发的不断深入。各大海上油气开发公司加大了研究和开发水下管线维修技术，作为深水管道维修关键技术的无潜式海底管道修复技术更是研究中重点，目前比较著名的无潜式海底管道修复系统有： 1）THOR-2系统： THOR-2系统是在THOR-1系统上发展而来的一种无需潜水员辅助操作的全自动焊接系统，从而实现超深水管道修复。THOR系统采用GTA对接焊，对接焊的最大缺陷是管道对接精度要求高，因此给操作带来了很大麻烦，特别是大管道精确对中难度特别大。 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 7 2）DSRS系统： DSRS(Diverless Sealine Repair System)系统是由美国Sonsub休斯顿公司和SDPI(壳牌深水石油公司)共同开发研制的，2000年此系统在Stavanger测试成功，应用水深达600m以上。该系统采用机械连接，更换管段和旧管道间通过密封法兰连接，如图2-2所示。 图2-2 DSRS连接过程 连接过程中先用H型管道支架将损坏后的管道抬起一定高度，然后切掉已经损坏的管段并对管端进行清理和平整加工，最后将带有法兰的更换管段放下，并与旧管线连接。 DSRS系统连接中所用法兰沿中心线分成两半环，两半环通过铰链连接，法兰和管端的密封采用密封环和滑块式楔形密封块进行双层密封，如图2-3所示。法兰连接操作过程相对于焊接过程简单，对管段的对中误差要求低。我国绥中36-1油田海管和涠洲12-1油田至涠洲11-4油田海管维修就采用了该维修技术。 然而DSRS 系统对修复管道管端的加工精度要求高，粗糙的管端会使滑动密封块 (Slip)密封效果差，甚至泄露；而且该系统仅能够应用于较小尺寸的管道（一般小于24英寸，极限尺寸为26英寸），且维修费用随管道尺寸增加而迅速增长，10英寸以下管道的维修费用约62.58万美元，1024英寸的管道维修费用约406万美元。 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 8 图2-3 DSRS法兰结构图 3）RPRS系统： 为了克服有潜PRS系统作业水深的限制，挪威Statoil在PRS系统基础上开发了RPRS系统，系统初始操作水深为180m-570m，设计水深为1000m。 该系统通过套筒连接新旧管道，然后用GMAW 角焊法将套筒和管道焊接在一起。与THOR系统中的对接焊相比，降低了对管道对中精度的要求；与DSRS系统相比，降低了超大直径管道修复的造价。 RPRS系统的第一个特点是套筒的采用，从而将对接焊接改为角焊焊接。维修时套筒先安装新管段上，随新管段一同就位，就位后推动套筒使新旧管端预连接，然后将套筒端部和管道焊接在一起，如图2-4所示。所设计套筒两端安装有密封圈和对中器，密封圈和焊接舱共同组成干燥的焊接室，对中器和H型支架联合对中套筒和管道，使套筒和旧管道保持在一个最佳的焊接范围，满足焊接需求的最小对中倾斜误差为2度，轴错位误差最小值为5mm。 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 9 图2-4 RPRS套筒应用结构图 RPRS系统实现了无潜式高压干式焊接的关键技术是焊接舱，焊接舱的结构如图2-5所示。焊接舱内对称安装有两个独立的焊接室，每个焊抢上侧位置安装有吸/排烟系统。每个焊接室内安装有两把焊枪，焊枪安装在一倾斜的可摆动轴上，轴上带有接触式清理工具。焊枪两侧安装有两个分离的焊枪观察和焊缝检测用摄像镜头。舱内安装的加热除湿装置，用来对焊接区进行预热和干燥，预热温度在25100C之间湿度控制在300ppm以下。 图2-5 RPRS维修焊接舱 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 10 焊接舱设计成卡抓形式，就位后通过液压系统锁紧在管道上，与管道接触部分为可更换密封圆弧卡箍，从而使焊接舱能够适应较多尺寸的管道。焊接舱的驱动机构分为安装在舱体上部的驱动室和安装在卡箍上的齿轮。 RPRS维修系统的维修流程： 1) 管道支撑固定阶段：将“H”型管道支架吊至破损管道上方，通过支架在三个方向上的自由调整、使支架在破损段两端实施装卡固定。 2) 管道切除清理阶段：待管道固定后运用高压水切割装置将管道破损部分及表面防腐涂层切除。 3) 新管放置、对中阶段：将两端装配有套筒、套筒安装装置和管道支架的新管放置在原破损管道切去位置。在新管就位后，支架夹持新旧管道的焊接端实对中。 4) 套筒就位阶段：对中完成后，套筒安装装置将套筒推至新旧管道之间、同时包住新旧管道端头，随后ROV将套筒安装装置移除。 5) 焊接阶段：ROV将三瓣式焊接舱移至套筒上方指定位置后，焊接舱两瓣舱壁在液压系统驱动下紧紧抱住管壁。随后ROV脱离，焊接舱在密封环境下开始排水、预热。最后焊接装置实施焊接。 6）回收阶段：焊接过程结束后，ROV将焊接舱运回海面、维修船只将管道支架吊起。 2.2 管道维修方案的设计 远程焊接维修技术是我国油气开发产业发展必须突破的壁垒，在对比国内外各类高压干法水下焊接系统的工程应用情况和研究进展进行详细解读的基础上，综合考虑我国海底管道维修焊接行业的现状及将来发展，得出以下结论：由挪威Statoil和Hydro公司联合开发的RPRS系统是较为先进焊接系统，适应性强，维修费用较低，也是比较符合我国发展需求的维修方法。通过对该技术的深入研究及消化，在其基础上进行了适当改进与探索，加入了一些新的设计，最终总结出设计的焊接系统的基本维修方案： 1）通过高压水刀将破损管道切除； 2）将套筒装于新管之上后通过吊装就位； 3）用H支架将新旧管道抬起，进行对中； 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 11 4）用套筒推动及对中装置安装套筒； 5）水下推进机器人将焊接仓安装在管道上； 6）焊接舱闭合，抱紧管道； 7）排气装置启动，排除舱内海水； 8）焊接室开启，焊接机头从焊接室内伸出，定位焊枪； 9）舱体整体旋转，正负各转200度，完成一个周期的焊接； 10）焊接头移动位置后，继续进行另一个周期，如此反复； 11）焊接完成后，焊接机头缩回焊接室，焊接室闭合； 12）水下推进机器重新连接焊接舱； 13）焊接舱开启，脱离管道； 14）水下推进机器人带着焊接仓撤离； 15）收回支架及其它供给设备。 上述方法提供了一套新颖可行的维修流程，这为进一步的新技术、新设备的研发提供了可能。 2.3 方案相关设备的设计 在确定了维修方案的基础上，我们设计了为实施这一方案所需的成套机械设备，并对每一设备进行了三维建模。以下将对焊接方案中所涉及到的设备进行介绍。 2.3.1 焊接套筒 图2-6所示，焊接套筒用于将新旧管道进行连接。套筒的存在改变了原有的管对管焊接的模式，取而代之的是在套筒断面与新旧管壁之间的焊接，实现了角焊连接。因此降低了管道对中、管端清理的难度，也是管道焊接强度得到提升。 套筒尺寸:套袖长600mm，每侧管道和套袖重叠长度：250mm，套袖和管道间最大允许间隙6.4mm,套筒壁厚35mm，如图2-8所示。套筒内设有两组唇形金属密封结构，如图2-7所示，每组两条，用于在高压、排水环节中确保套筒与管壁之间的密封性。 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 12 图2-6 焊接套筒 图2-7 金属唇形密封结构 图2-8 套筒基本尺寸 2.3.2 H型支架 H型支架在维修过程中起到定位、对中等作用，结构如图2-9所示，其上安无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 13 装的液压卡抓可有3个自由度，底座跨距5米，平台可上下滑动4米，卡抓可左右方向移动4米，前后方向移动1.5米。其外形尺寸总高约为10米，总宽接近12米，工程图如图2-10所示。 图2-9 H型管道支架三维模型 图2-10 H型支架基本尺寸 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 14 2.3.3 远程遥控机器人 如图2-11所示，远程遥控机器人(ROV)的主要职责是将管道切割设备、套筒安装设备、焊接仓等装置运输到指定位置，待维修完成后再将各种设备从管道上移除、回收。ROV的动力由位于后方和两侧的螺旋桨提供，机身上的脐带为系统提供电力、并传递视频与控制信号，位于其底部的快速装卡装置可以与其他设备轻易实现对接与固定。 图2-11 远程遥控机器人ROV 2.3.4 套筒安装装置 如图2-12所示，套筒安装装置装卡于新管两端，为三瓣式。其三个卡爪可以固定套筒，在新旧管道对中完成后，卡抓在液压系统推动下将原本固定在新管上的套筒推至新旧管道之间的位置。套筒到的指定位置后，卡抓与抱管装置将会松开，整体随ROV返回水面。 卡爪的端头设计有楔形结构，可以对中不精准的情况下实现小距离调整，卡抓端头的结构如图2-13所示。套筒安装装置顶部装有快速装卡结构，可以简单快速地与ROV连接，连接后的三维造型图如图2-14所示。 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 15 图2-12 套筒安装装置的三瓣式设计 图2-13 卡抓细节 图2-14 ROV与套筒安装装置快速装卡配合示意图 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 16 2.3.5 焊接舱 挪威RPRS选用的焊接舱为整体旋转式。焊接过程中，焊接舱抱于旧管上，用于管道端部与套筒间的焊接。焊接装置位于舱壁上固定位置，焊接室、服务合、旋转驱动装置等随舱体同步实现绕管道旋转。 图2-15 整体旋转式焊接舱 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 17 第三章 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 3.1 整体框架的设计 3.1.1 焊接舱的基本组成形式设计 如图3-1所示，焊接舱的基本框架由三瓣壳体组成，分别为上瓣舱体和两个侧瓣舱体。上瓣舱体用于搭载舱体旋转驱动装置，两侧舱体用于搭载焊接室。各瓣舱体通过铰链进行连接。考虑到驱动装置的安装空间及侧瓣舱体的开合角度，设计结果将每一瓣舱体所占角度为120，圆周的剖分方式和铰链位置如图3-2所示。 图3-1 焊接舱的基本构架 图3-2 圆周剖分方式和销定位置 舱体的设计过程中考虑了两瓣式和三瓣式两种形式。两瓣式结构较为简单，但是不利于液压装置和驱动装置的安放。同时三瓣式的上瓣结构在焊接舱抱管过程中可以起到一定的定位作用，优于两瓣式结构。 舱壁最初设计为圆筒形，后期考虑到厚板加工成圆筒较为困难，且圆筒面中具有较大的残余应力，在进行120等分切割后容易变形。于是后期将舱体外壁无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 18 设计为多块面板拼接而成的棱柱形。其中上瓣舱体设计时为了以后能够较为方便的安装驱动设备，设计成三个平面拼接的形式。侧瓣舱体为了搭载焊接盒，并预留其它附属设备空间设计为两个平面的形式。舱体端面为了与管道相配合则设计为圆弧结构。 3.1.2 焊接舱的开合方式设计 焊接舱每瓣舱体上装配有支架，支架与支架间安装有液压杆。通过液压杆的伸缩便可使舱体绕铰链旋转，起到控制舱体开闭的作用。支架与液压杆的布置如图3-3所示。 图3-3 支架与液压系统也分布 3.1.3 焊接舱与不同管道的通用性性设计 焊接舱通过端面上的环状T形轨道与卡箍相连，两者之间形成摩擦密封。可以通过更换不同内径的卡箍来增强焊接舱的适应性。如图3-4中所示，a为舱体端面上的T形轨道、b为卡箍，c为二者装配后三维造型图。受到端面T形轨道直径的限制，此次设计的卡箍所适用的管道直径最大不得超过12寸，否则应加大无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 19 焊接舱的尺寸。 图3-4 端面上的T形轨道、卡箍、装配效果 3.2 旋转驱动结构的设计 3.2.1 旋转形式的设计 焊接舱在焊接过程中，需要焊枪绕着管道旋转以焊接管道与套筒之间的缝隙。旋转驱动有两种可取的形式：内部旋转式,外部旋转式。 内部旋转式如图3-5所示，舱体固定不动，焊接支架在焊接舱体内部设计轨道上进行圆周运动。这一设计的好处在与舱体与管道之间采取静密封形式，无需考虑复杂的动密封结构。但是由于将焊接支架和驱动部分全部集成在焊接舱内部，无形中增大了焊接舱的总体尺寸，并且成倍的增加了所需排水的体积。这样需要更多的高压气体和更长的排水时间，缺乏经济实用性。 外部旋转式如图3-6所示，卡箍与管道固定不动，舱体绕卡箍旋转，卡箍与舱体之间形成动密封。这种旋转形式可以使焊接支架和驱动机构都安装在焊接舱外部，大大减少了舱壁与管道之间的距离，从而缩小了焊接舱的内部空间，减少了对排水用高压气体的需求。 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 20 图3-5 内部旋转式结构 图3-6 外部旋转式结构 3.2.2 舱体旋转驱动形式 采用外部旋转式时，焊接舱通过卡箍与管道接触，卡箍处于静止状态。焊接舱体克服舱体与卡箍之间的摩擦力进行转动。转动驱动力由位于上瓣舱体的驱动。 焊接合内设置有电机，电机通过齿轮箱驱动中心轴。中心轴带动位于舱体顶部两端的齿轮，齿轮与卡箍上的齿条圈相互配合，从而实现相对驱动，如图3-7所示。 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 21 图3-7 驱动装置 3.2.3 电机的选取 电机提供的动力需要能够克服由于焊接舱自重而产生的舱体端面导轨与卡箍之间的摩擦力。 体积估算： 管道尺寸的确定：12英寸 距离管道：30mm 轨道下沉：10mm 舱体壁厚：10mm 舱体内径：300+60=360mm 舱体外径：360+20=380mm 舱体长度：500mm（筒节） 体积： 22223123.14500(190180)0.006vrLrLmpp= （3-1） 密度估算： 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 22 表3-1 钢材密度 材料名称 密度(g/cm3 ) 421 钢材 7.85 g/cm3 422 碳钢 7.85 g/cm3 423 钢材 7.85 g/cm3 424 碳钢 7.85 g/cm3 425 钢材 7.85 g/cm3 426 碳钢 7.85 g/cm3 427 工业纯铁 7.87 g/cm3 428 工业纯铁 7.87 g/cm3 429 工业纯铁 7.87 g/cm3 430 合金钢/镍铬钢 7.90g/cm3 各类钢铁材料密度如表3-1。为保险起见，采取最大值取整。 舱体密度： 338x10kg/mr =舱体 质量估算： 0.006800048mVkgr=舱体 （3-2） 重力估算： gFm489.8470.4gN= （3-3） 浮力估算： 海水的密度取平均值： 33=1.0310kg/mr 海水 则舱体受到的海水浮力： 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 23 gV=10309.80.006=60.6NfF r= 海水 （3-4） 焊接舱所受合力估算： 由于深海海水横向扰动较小，海水横向流动产生的侧向作用力忽略。则舱体仅受到自身重力和海水浮力的影响。以向下方向为正可得出： gfFF=470.4-60.6=409.8NF =合 （3-5） 摩擦阻力系数估算： 节选机械设计手册表1.1-19 材料的摩擦系数，如表3-2所示。 表3-2 材料的摩擦系数 摩擦系数f 材料名称 静摩擦 滑动摩擦 钢 钢 0.15 0.1-0.12 0.35 0.03-0.1 钢 软钢 0.2 0.1-0.2 钢 铸铁 03 0.18 0.05-0.15 钢 青铜 0.15 0.1-0.15 0.15 0.1-0.15 软钢 铸铁 0.2 0.18 0.05-0.15 软钢 青铜 0.2 0.18 0.07-0.15 铸铁 铸铁 0.2 0.18 0.15 0.07-0.12 根据表中数据，考虑到可靠性取摩擦系数： 0.3m = 摩擦力估算： =409.80.3123mFFNm=合 （3-6） 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 24 旋转速度估算： 设计舱体的旋转速度为3分钟一周。舱体与卡箍结合处的旋转线速度 360160320/0.32/360Vrmmsmsw= （3-7） 电机功率估算： 1230.3239.3640mPFVkwkw= （3-8） 3.2.4 驱动轴的计算及校核 依据扭转强度条件估算轴的直径： 395500000.2T TpT nWdt= （3-9） 3 33095500000.2TpppndAnnt= （3-10） 式中： Tt 扭转切应力，MPa； T轴所受的扭矩； TW 轴的抗扭截面系数，mm3； n轴的转速，r/min; P轴传递的功率，kw； d计算截面处轴的直径，mm； Tt 许用扭转切应力，MPa。 假设轴的材料为45号钢，查表可知A0为120，设电机轴转速为3000r/min。 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 25 330 40120293000pdAmmn= （3-11） 轴的直径取整为30mm。 轴的强度校核： 轴的长度520mm，直径30mm，轴承距离400mm。 对轴的载荷进行分析，如图3-8所示。轴受到两端齿轮和中间驱动齿轮带来的扭矩，同时受到齿轮接触面和轴承接触面带来的集中载荷。 图3-8 轴的载荷分析图 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 26 竖直截面上弯矩最大值： 1232002460024.6HMFLNm Nm= （3-12） 水平截面上弯矩最大值： 1236073807.38VMFLNm Nm= （3-13） 总弯矩： 222224.67.3825.725700HVMM NmNmm=+=+= （3-14） 扭矩： 123303600TFrm Nmm= （3-15） 根据第三强度理论，轴的弯扭合成强度条件 222232213()()0.125700(3600) 9.6550.130caMTMTWdaass +=+=（3-16） 式中： cas 轴的计算应力，MPa； M 轴所受的弯矩，Nmm T轴所受的扭矩 ，Nmm W轴的抗弯截面系数，mm3； 1s 轴的许用弯曲应力。 经校核轴的强度符合要求。 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 27 3.2.5 齿圈的设计 由于齿圈较为容易被磨损，且一体化加工较为困难，所以齿圈采取可替换式。齿圈上有沉头螺纹孔，可以通过螺栓与卡箍连接。如图3-9所示。 图3-9 齿圈与卡箍的螺纹装配 3.3 焊接盒的设计 焊接盒为焊接舱的核心机构，位于焊接舱两侧瓣上。为了能够更好的同步且互相抵消绕管道旋转时产生的弯矩，两个焊接盒采取对称式安装,如图3-10所示。焊接室的外部尺寸为：170x140x420mm ，内部尺寸为：150x120x400mm，壁厚：2mm。 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 28 图3-10 焊接盒 3.3.1 焊接支架的结构设计 焊接时为了能够使焊枪自由跟踪焊缝位置，需要设计一个焊接支架能够在水平和垂直两个方向自由移动，如图 3-11所示。运动的实现由导轨和滚珠丝杆配合完成。支架和水平移动距离可以达到200mm，竖直移动距离可以达到50mm。 图3-11 焊接支架的运动方式 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 29 3.3.2 焊接头机构的结构设计 焊接头通过轴固定，在电机齿轮的驱动下可以绕轴摆动，如图 3-12所示。电机通控制偏心轮的旋转角度来调整焊炬绕轴的摆动角度，从而控制焊枪的摆动幅度。 图3-12 焊接头的摆动方式 为了防止在焊接过程中由于管道壁面有突起撞坏焊炬，在焊接头结构设计是设置了减震机构，如图 3-13所示。焊接机头可以在焊接支架底部的滑道中上下滑动。焊接机头上方设置有阻尼减震器。大震荡发生后，阻尼减震器可以马上消耗震荡能量，使焊接机头恢复到原有位置，继续进行焊接，其机构如图3-15所示。 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 30 图3-13 焊接头的减震设计 3.3.3 检测探头的设计 焊接机头的前端和下端分别安装有探测装置，用于焊炬在焊接前进行定位。其示意图图3-14所示：首先焊接机头在焊接支架的驱动下竖直运动，伸出焊接室。当竖直探测头检测到接近管道外壁面时停止竖直运动。在水平方向，焊接机头向焊接套筒端面靠近，但水平探测头检测到套筒端面时运动停止。此时焊炬开始摆动，进行焊缝焊接。 图3-14 检测探头的布置与焊头运动原理 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 31 3.3.4 其它辅助结构的设计 焊接支架侧面安装有两个监控摄像头，分别用于进行焊枪观察和焊缝检测。其结构和安装位置如图3-15所示。同时在焊枪上方还安装有排烟机构。能够及时抽走焊接时产生的烟尘，保证摄像头监控效果。 图3-15 其它辅助结构的设计 3.4 密封设计 3.4.1 舱体与管道间的密封 舱体与管道之间的密封有卡箍上来完成，其机构如图3-16所示。卡箍与管道接触面之间贴有橡胶垫片以作填料密封，材料可采用氟橡胶，它适应温度为-25200，全氟可耐360度高温，接触面宽度50mm。 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 32 图3-16 卡箍的密封面 3.4.2 舱体与舱体间的密封 舱体与舱体之间同样设计了压紧式的密封结构，密封面同样采用氟橡胶，如图3-17所示。 图3-17 舱体的密封面 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 33 3.4.3 焊接盒的密封设计 焊接室在下水过程中始终保持干燥状态，但是焊接舱完成排水后要开启，以便焊接头靠近焊缝进行焊接。焊接盒的密封设计为如图3-18所示的平板式密封结构。位于前段的电机驱动丝杆转动，丝杆推动位于滑动板上的螺母运动，从而带动平板运动，如图4-20所示。 图3-18 焊接盒密封结构 滑动板通过四角的定位销柱卡在导轨上滑动，当滑到闭合位置时导轨通过向下的倾斜角将丝杆的水平推力转化为向下的压力，如图3-19所示。 图3-19 滑动板的受力情况 无潜式海底管道维修焊接舱结构设计 3