[硕士论文精品]卡爪式深海管道自动连接机具技术研究

哈尔滨工程大学硕士学能论文摘要21世纪是海洋油气工业全面崛起的时代，处于大洋深处的国际海底区域，日益成为各国关注的重点。海底油气的开采涉及水下油气管道的回接问题，各海洋大国的水下回接技术迅速发展，而我国还没有针对深水的回接施工技术方法。课题来源于国家863计划项目“深水海底管道水下回接技术及AUT检测设备国产化技术研究“。该课题要求对水下回接技术进行深入研究，研制具有自主知识产权的深水法兰连接机具。论文对国内外水下回接技术进行了研究。分析了目前普遍采用的几种水下连接方式的优缺点和应用前景，目前深海无人潜水作业的管道回接主要采用机械连接的方式，尤其卡爪连接方式以其快捷、经济、应用范围广和性能可靠等优点广泛应用于水下生产系统。论文对卡爪式自动管道连接机具进行了深入研究，设计出一套可以用于立式管道快速对接的法兰连接机具，包括卡爪连接器、导向对准装置及液压控制系统三个部分。并利用SOLIDWORKS三维设计软件完成了机具的结构设计和各部分零部件的三维结构设计。针对机具作业环境和特点，考虑到系统的同步性要求，设计了液压系统，包括液压缸、液压阀组和蓄能器的设计。论文对卡爪式自动法兰连接机具的关键零部件的结构强度进行了分析计算，通过SOLIDWORKS软件对整套机具进行虚拟装配，对卡爪连接器做了运动学仿真，证明了卡爪连接器结构设计的合理性，确保具有正常的运动功能。关键词深水回接；法兰连接机具；立式管道对接；卡爪连接器；对准哈尔滨丁程大学硕士学位论文ABSTRACTMARINEOILANDGASINDUSTRYWILLBEALEADINGROLEIN21STCENTURYRESOURCESINTHEBOTTOMOFSEAHASNOWBEENTHEFOCUSAREAS，ALLTHECOUNTRIESHAVEPAIDMUCHATTENTIONTOIT，ITSASTRATEGICPOINTNOWALTHOUGHOURCOUNTRYHADTAKEASERIESOFOILANDGASRESOURCESEXPLOITATIONINTHEFLOORSOFSEA，BUTMOSTOFTHEFACILITIESORTECHNOLOGIESWHICHBEENUSEDONITSTILLRELYONSOMEFOREIGNCOMPANIESSUBSEATIEINSYSTEMSISBEENINTRODUCEDINTHISPAPERSUBSEAFLOWLINESAREUSEDFORTHETRANSPORTATIONOFCRUDEOILANDGASFROMSUBSEAWELLS，MANIFOLDS，OFFSHOREPROCESSFACILITIES，LOADINGBUOYS，SUBSEATOBEACH，ASWELLASREINJECTIONOFWATERANDGASINTOTHERESERVOIRTIEINANDCONNECTIONOFSUBSEAFLOWLINESISAVITALPARTOFASUBSEAFIELDDEVELOPMENTONTHEDEMANDOFNATIONAL863PLANSPROJECTS，ANEWKINDOFVERTICALCOLLECTCONNECTORSHASBEENDESIGNEDITSDESIGNEDFORWATERDEPTHSEXCEEDING3,000METERSANDWORKINGPRESSURESTO15，000PSI，ALLJUMPERSORSPOOLPIECESAREINSTALLEDUSINGGUIDELINELESSTECHNIQUESJUMPERSORSPOOLPIECESAREINSTALLEDAFTERONSHORECONSTRUCTIONMATETOPREVIOUSLYINSTALLEDEQUIPMENTBASEDONSUBSEAMETROLOGYDATAVERTICALCONNECTIONSAREINSTALLEDDIRECTLYONTOTHERECEIVINGHUBINONEOPERATIONDURINGTIEINSINCETHEVERTICALCONNECTIONSYSTEMDOESNOTREQUIREAPULLINCAPABILITY，ITPROVIDESATIMEEFFICIENTTIEINOPERATIONSTROKINGANDCONNECTIONISCARRIEDOUTBYTHECONNECTORITSELFASTHEKEYTECHNOLOGEOFPIPELINETIEINSYSTEM，CONNECTORSHASBEENWELLANALYZEDANDDESIGNEDCOLLETCONNECTORSAREATTACHEDTOONEENDOFTHEPIPECONNECTION，ANDHAVE“FINGERS”GRIPPINGONTHEOTHERPIPEENDSFLANGETHECONNECTORSARECHARACTERISEDBYACOMPACTHUBDESIGN，SLIMMOMENTBALANCED哈尔溟工程大学硕十学位论文FINGERSANDTHEFLATTOFLATGEOMETRYBETWEENACTUATORRINGANDFINGERS，WHICHPROVIDESSELFLOCKINGOFCONNECTORANDENABLESAHIGHMECHANICALADVANTAGEATTHEENDOFTHISPAPER，THEMANUFACTUREOFVIRTUALPROTOTYPEISFINISHEDBYTHEMEANOFINTRODUCINGTHREEDIMENSIONALMODELINTOSOLIDWORKS，SIMULATIONANALYSESOFSTABILITYOFPROTOTYPEANDMOTIONPROCESSOFCOMPONENTSAREMADE，THERESULTSAREFEEDBACKTOTHEDESIGNPROCESS，WHICHENSURETHATTHEPERFORMANCESOFMACHINESCANMEETTHEREQUIREMENTSOFACTUALWORKENVIRONMENTKEYWORDSSUBSEATIEINSYSTEMS；COLLETCONNECTORSVERTICALCONNECTIONS；VIRTUALPROTOTYPENATIONAL863PLANSPROJECTS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。作者签字裴1笏锑日期川年方月7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。、本论文囱在授予学位后即可口在授予学位12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。作者签字豹签纬导师签字礅日期洲年月7日V吖年弓月居日|。|V哈尔滨工程大学硕士学位论文第1章绪论11引言21世纪是海洋科技迅速发展的时代，也是以海洋油气工业为代表的新兴产业全面崛起的时代。二次大战后，世界海洋油气工业经历了从内海湾到近海陆架区的勘探开发热潮，先后在北美墨西哥湾、南美马拉开波湖、前苏联里海、中东波斯湾和东南亚近海发现并探明了一大批大、中型油气田，使世界石油和天然气的储量增加了30以上。20世纪90年代以来，特别随着油气勘探开发高新技术的应用，海洋油气资源勘探开发朝着“领域广、精度高、水深大的方向不断发展。同时，随着联合国海洋法公约的生效和200海里专属经济区制度的建立，处于大洋深处而属于全人类共同继承财产的国际海底区域，正以其广阔的空间、丰富的资源和特殊的政治地位日益成为各国关注的重要战略区域。我国的大洋工作始于20世纪70年代，起步较晚，深海海洋科学技术研究相比发达国家来说还存在着不小的差距。目前我国的深海石油作业项目基本上依靠国外的技术和装备实现，不但施工费用昂贵，而且工期要由国外的大公司掌握，难以保证要求。核心的技术是买不来的，“十一五“期间中国海洋石油总公司的开发工作量将是前20多年开发量的总和，预计至U2010年将实现中国近海油气产量5000万吨油当量，原油产量达N3800万吨1。我国要实现从海洋大国走向海洋强国的远景目标，就必须依托海洋科技的支撑，而海洋科技要取得发展，必须从浅海走入深海，必须依靠自主创新。海洋油气资源开发是海洋资源开发的一个重要方面，而海底输油气管道是油气资源开发的关键设施之一，水下回接技术是将新开发的生产管道并入已建成的海底输油气管网，充分利用已建设施，使油田开发变得经济有效。世界各海洋大国的公司已拥有在水深近3000米、恶劣海况和复杂海底地貌及地质情况下的回接设计技术，开发了一系列水下回接的施工技术方法。哈尔滨T程大学硕十学位论文我国在上世纪60年代开始进行海洋油气资源的自营勘探开发，80年代开始吸引国外资金和先进技术进行合作探勘开发，几十年来，通过引进、消化、吸收和再创新，建立了与国际习惯接轨、专业配套齐全的管理和技术体系，国内海洋油气开发水深达至U330米，目前已经具备了300米水深以内的海洋油气田自主开发能力。我国计划在“十一五期间，开发3000米水深海底管道铺设技术，尽快发展自己的水下回接技术，为深水油田开发作好技术储备，使我国海洋油气开发技术尽快赶上国际水平。深水无人潜水作业条件下的管道回接方式中，机械连接是主要方式，也是未来发展的趋势。其中卡爪式连接方式以其快捷、经济和性能可靠等优点广泛应用于水下生产系统的最终钩住、在管道端汇管和其它汇管或产品树之间的硬或软管跳接及管道维修口1。12课题的来源及研究目的和意义本课题来源于“十一五“国家“863”重点项目，是中国海洋石油工程股份有限公司承接的深水海底管道铺设技术当中深水海底管道水下回接技术及AUT检测设备国产化技术研究的子课题。目前，中国海洋石油总公司使用这些特殊机具进行较深水管道连接和安装时，基本是从国外购置或租赁。购置或租赁这些机具存在以下问题费用高，需雇佣外方操作人员，工期不容易控制。所以，本课题的研究目的在于探索研制出具有自主知识产权的深水海底管道自动回接机具，打破国外公司长期技术垄断的现状。本课题的研究意义可归纳如下L、在经济效益上。使用具有自主知识产权的海洋施工设备，可有效降低施工费用和安装成本，使水下油田管网得到充分利用，变得经济有效；2、在安装工期上。使用具有自主知识产权的海洋施工设备，可以形成海上安装设备系列配套，这样就不必担心租不到设备或设备不能按期到货等问题，可以有效缩短施工周期；2哈尔滨丁程大学硕士学位论文3、在操作人员上。使用具有自主知识产权的海洋施工设备，可以培养国内操作人员，有效地保证海上施工，同时也有利于设备的维护和改进，提高我国深海开采输送能力，进而与其他海洋技术强国竞争；4、在国家利益安全上。使用具有自主知识产权的海洋施工设备，可以有效避免和防止其它国家对我国关键海域开发的过度参与。海洋施工不仅仅是单纯的工程问题，在某种程度上还直接关系到国家利益，采用国产设备可有效保证国家利益安全P1。13国内外水下回接技术发展概况自上世纪60年代以来，世界各海洋大国的水下工程技术迅速发展，水下回接技术作为其中一个分支也不例外。国外公司已针对水深近3000米、恶劣海况和复杂海底地貌等情况，开发了一系列水下回接的施工技术方法，并已形成产品化和系列化。而国内仅能进行涉足百米水深、常规环境下的海底管道对接设计。工程施工方面，国内只有两条铺管船，敷设范围在水深百米以内。131国外水下回接技术发展概况所谓回接，就是通过短管或跨接线，将一根管线连接到另一立管、汇管、支柱、T形接头、Y形接头等上面的操作H1。回接具体作业过程包括测量，制作，对准，连接，测试，防护。国外此技术发展比较成熟，其中以美国和挪威为代表的一些公司已经拥有一整套的水下作业系统工具，并广泛应用到世界上各个海域。从机械连接接头和回接方法两方面划分，目前深水回接通用有以下形式1311机械连接接头1、螺栓法兰连接器螺栓法兰连接器由是由一个旋转环法兰和一个焊颈法兰组成，如图11，图12所示。旋转环法兰由于带螺栓孔的法兰外环可旋转，与焊颈法兰配合一呈筌薹三窑奎耋至圭茎圣兰耋使用消除了管道中扭应力及对管道方向的控制需要。密封件嵌入两配合法兰的凹槽内，实现密封。美国的STOLTOFFSHORE公司于2001年研制出标准组件高级回接系统MATIST使得此种螺栓法兰连接器能够用于深水管道回接。螺栓2螺母3旋转环4旋转环法兰5管子6密封环7焊颈法兰8管于与法兰焊接图L】螺栓法兰连接器剖视倒幽12旋转法兰2、快速接头MORGRIP美国HYDRATIGHTSWEENEYLTD公司研制的此种接头是无焊缝、高整体性的机械管道接头，由三部分组成，如图13所示。被连接的两个管道一侧各安装个轴承式法兰，法兰内圆周设置一系列带弹簧的球轴承，在其中间装有一哈尔滨上群人学硕士学位论文一个连接环。双头螺栓插入并张紧，使球轴承压到管子外表面，得到所需的机械央紧力，并使法兰径向凹槽处的密封件压靠在管子外表面卜。此种接头比传统螺栓法兰接头贵，但它易于安装、省时、经济。1张紧螺栓2密封什3球轴承4弹簧图13快迎接头示意剖3、液压卡爪式法兰连接器美国OILSTATES公司研制的兀人液压卡爪式法兰连接器是用一组置于被连接管道术端轮毂圆周上的夹头或手指连接管道，见图14。1轮毂2卡爪3套筒斟14爪连接器示意图套筒被推到卡爪上，使卡爪转动并锁紧在连接轮毂的边缘后面，使轮毂哈尔滨二程大学硕士学位论文就位。此种连接器在管道端管汇和其它管汇时，采用刚性或柔性跨接短管，常用于海底生产系统的最终连接及管道维修”1。1312回接方法L、高压焊接水下干式高压焊接质量可靠，在国外得到很好的应用，重点是需要一个高压焊接密封仓”1，有潜水员施焊时，需要考虑排烟及确保潜水员呼吸的大气供给。焊缝需严格检验，焊完后需涂敷保护层，屉后应进行水试以确保整个回接可靠。图15高压焊接仓J二作现场圈英国的STOLTCOMEXSEAWAYLTD公司在1986首次将环形轨道自动焊接用于水下高压仓焊接，见图15。在ROV帮助下利用子系统进行常规作业，但还需要潜水员辅助，这些进展为完全无人水下高压焊接做了铺垫”。2004年挪威STATOIL公司进行无人水下高压2500米GMA焊接模拟，并F当年进行了海试，2006年又将其用于对接中的坡口焊”，当年在挪威进行了实际710米水深的无人高压焊接川。2、水下机械连接水下无人回接可分三种方法横向偏转法，短管件法，垂直导向柱铰接法3”1。F1横向偏转法6哈尔滨下程大学硕士学位论文美国BROWNROOT公司在1991年将横向偏转法用于深水无人管束连接，当时水深为689米。巴西RIODEJANEIRO联邦大学的BEJACOB在1997年对水下管道的横向偏转进行了分析，对大偏转产生的几何非线性、土壤与管道间的各向异性摩擦、离开海底的链条浮筒，拉入缆绳等因素进行了数值模拟和分蚓151。横向偏转法易产生较大应力，耗能大，目前较少采用。2短管件法水平短管件采用螺栓法兰连接刚性短管时需要管道对接机具，包括轴向对准工具AFAT和接应工具RFT。结合二者可实现海底管道的拖曳和法兰的对准联接。现有轮毂可能安装在井口或管汇或预敷管道端部，无人回接时的主要难题是两轮毂的远程对准。美国SONSUBINTERNATIONAL公司已研制出有标准组件的管道拉入、对准及连接系统BRUTUSQ。该系统使所有的机具在水中悬浮，由标准工作级ROV安装及操纵，主要连接形式是螺栓法兰连接、筒夹连接、快速接头MORGRIP，可将螺栓法兰连接器连接在直径6099MM、水深3000M的管道上。螺栓法兰连接刚性短管的无人回接作业过程7。研如图16所示首先ROV将接应工具和轴向对准工具运送至海底，并装夹在海底管道上，调整管道对齐，靠紧；然后ROV穿引钢丝绳，将轴向对准工具拉近接应工具，对正法兰；ROV再将用于存放并拧紧螺母的螺母仓NM和螺栓插入与张紧工具BITT放置在管道上指定位置，并对准，微调法兰自动连接机具，使螺母、螺栓精确对准，环行排列的螺栓通过液压缸驱动插入螺栓孔，电机将螺栓旋转到螺母仓，从而锁住两个法兰盘ROV拆下轴向对准工具和接应工具，完成水下管道的连接。ROV将双法兰短管另一端运送至出油管端口，用同样的步骤完成连接作业，最后进行管道密封测试。31海底原有管道2接戍I且3ROV4接口滑行装置5轴向对准工具6短营幽L6管道螺栓法兰连接示意幽垂直跨接短管件跨接短管件两端各有个垂直或水平P爪式法兰连接器，在ROV和；导缆绳的帮助下仅由简单的起重作业即可直接连接到接收毂上，完成回接，见图17。图17垂亩跨接短管连接示意图垂直引导锥铰接法垂直引导锥铰接连接器为管道铺设提供安全的深水起点，配有整体或可回收驱动器，见图18。当铺设管道或流管时，连接器铰接至水平，与已经置于滑行装置上的带引导锥的卡爪法兰对准”2”1，卡爪法兰组件降低到柔性或刚哈尔滨工程人学硕士学位论文性流管的接收器上，当丌始铺设管道日寸，连接器组件铰链转动，ROV将热引导锥插入然后驱动卡爪连接器对接待连接的法兰，并测试连接器。美国OILSTATES公司进行了此种方法水深396M640M的回接；英国BPEXPLORATION公司的DISPS无人水下生产系统对水深366M625M、直径10L6MM3048MM的流管横拟了直接拉入、横向偏转和垂直导问杜技术实现”“。置蔓皇曼蔓葛舅舅皇曼曼笪舅蔓图18雁直导向教铰接示意图3、热开口热开口是将支管安装到主管上的最有效方法，可以在带压的情兑F进行，是安全、经济的回接方法，与焊接或机械连接相比更为简单。截止1985年，己成功进行了60处各种尺寸的水下热丌J。UNOCALNETHERLANDS公司在1995年进行了75BAR压力下热开口”。”1。英国的ADVANTICA公司于2001年研制出GROUTEDTEE接头，适用于无人水下管道连接”“。WILLIAMSCOS，OILSTATESHYDROTECHSYSTEMSOCEANEERINGINTEMATIONAIAND“EDWILLIAMSON公司于2001年研制了DEEPTAP无人深水热开口系统，用于直径1524MM508MM，水深3048M的管道连接环境”。OILSTATE公司的HYDROTAP热开口央具是一种ROV操纵的剖分式套筒央具，见图19。在其中半个夹具之一上有一支管，隔断阀焊在支管上，在热开EL后可提供压力控制卡爪式法兰毂焊在阀上热开VI后可以方便进行支线连接；热开口机固连在液压卡爪式法兰毂上在开口后，刀具退回，球阔关闭，开口机退回，然后通过卡爪式法兰连接器安装回接跳线。Q卜3辅EH此可见，卡爪式法兰连接器在短管连接和热开U方法中都要使用，卡爪式法兰连接是应用十分广泛和有效的深水无人潜水作业下的连接工具。I套筒夹具2支管幽19HYDROTAP热开口夹具132国内水下回接技术发展概况国内3000米水下回接技术尚处于起步阶段，没有成形的设备工具，回接作业主要通过租借美国或挪威等国家的水下作业工具实现。对于水深500米以内的管道回接，大多是通过潜水员的直接操纵或以水F密封仓作为作业空间实施此类海底管道的对接。国内则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水中，起重船配合调整安装位置使管落入基槽完成安裟“。14论文主要研究内容术论文研究内容为深水海底管道的液压卡爪式法兰连接，即液压卡爪式深水管道自动连接机具的研制，侧重点在于卡爪连接方式原理研究和卡爪连接器设计，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】0哈尔滨T程大学硕十学位论文司给出的两个基本参数，即3000米水深和12英寸管道。根据给出参数，查阅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；2、卡爪式自动法兰连接机具的研究与设计。研究国外水下回接方法和连接工具，在此基础上确定自动法兰连接机具的总体设计方案，并根据该方案对机具的结构进行了设计，包括卡爪连接器、导向对准装置及液压系统的设计；3、卡爪式连接方式研究。包括原理分析，自锁设计等；4、对卡爪连接器系统进行运动学仿真分析和关键件静力学分析验证。哈尔滨工程大学硕十学位论文第2章卡爪式自动法兰连接机具结构方案21引言无人卡爪式自动法兰连接机具主要采用ROV辅助作业，实现在管线端汇管和其它汇管或产品树之间的硬管或软管跳接。该种连接方法的突出优点是应用的范围宽，连接的管径范围可在242英寸之间任意浮动，而且其结构紧凑，连接快捷，用途广泛。本章首先介绍卡爪式连接机具的原理和回接过程，然后进行了管道设计，最后明确了连接机具的总体设计方案。22连接机具工作原理研究收集到的国外公司此类产品的相关资料显示技术成熟的SONSUB、OILSTATES和FMC等公司的连接机具，都是利用特殊设计制造的卡爪均匀的抓合在两个管道法兰的法兰盘上，实现管道的紧密连接。如图21所示。其工作原理为1、若干特制的卡爪靠驱动环一周均匀固定在连接管道法兰上，随机具由作业船通过缆绳吊放入水，到达水下待连接管道上方后，经过调整完成轴向的粗对准，如图21中A图所示。此时卡爪处于张开状态；2、管道连接装置继续下落，两个管的法兰面接合到一起，如图21图中B图所示；3、液压驱动缸动作，弹簧释放能量，推动驱动环向下方运动，推压卡爪绕卡爪转轴进行旋转运动，使法兰面紧紧接合到一起，实现密封，如图21中3图所示。12A图B圈C图图21卡爪式连接机具T作原理图23连接机具回接过程分析深水海底管道的对接，由于受到水深3000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业形式。它采用一种无潜水员的自动回接方法，通过水下机器人ROV控制一整套对接工具完成管道的法兰对接。ROV即REMOTELYOPERATEDVEHICLE远程操作小车，是一个集运动、控制、检测、监视等于一体的水下机器人，具有快速、高精度运动和精确测量等基本功能“”。SONSUB公司的ROV已经在水下领域有了长足的进步，并且口趋成熟，成为水下作业最重要的智能机器人，如图26。图22整体驱动器的垂直引导锥连接L3哈尔滨丁程大学硕士学位论文由ROV辅助的回接可根据回接方法的不同分为如下几种1、带整体驱动器的垂直引导锥图222、带可回收驱动器的垂直引导锥图23；3、带可回收驱动器的水平引导锥图24；4、铰接垂直引导锥图25。竭譬1嘲23驱动器可回收的垂直引导锥幽24驱动器可同收的水平引导锥图25铰接垂直引导惟连接幽L三IM窒垒篓；堡尘兰璺圭茎垒鎏三盈氆豳幽哈尔滨上程人学硕士学位论文4、上下两法兰接合后，由ROV辅助操作液压系统的控制开关，实现液压缸动作，进IFII带动驱动环推动在上法兰上一周均布的卡爪绕自身轴转动，闭合锁紧在下法兰锥形面周围。如图21所示；5、进行密封测试，查看对接情况。对接完成后，连接机具由作业船拖动缆绳回收到水上，完成回接。如图29所示。剖29对搂完成后海底管道连接图24连接机具总体方案设计241管道设计1、管道标准和类型11管道内压力设计查阅海洋油气管道工枵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6997MPA，管径在203406MM816英寸之间；苏联输油管技术经济指标对于管外径630MM的管道，经济的原油管道压力为5262MPA；19982002镇海炼化股份有限公司至萧山油库段输油管道管径为巾3556MM，设计压力为627MPAT“1；已开工的俄罗斯东西伯利亚至太平洋输油管道最高工作压力达14MPAT。“。根据以旨标和查阅相关资料，针对3000米水深处存在30MPA外压力哈尔滨T程大学硕士学位论文的情况，初步按照管道内流体压力为15MPA进行管道设计。2管道类型及标准根据石化标准，确定管道为压力管道规范工业管道中GCL级工业管道。2、管道材料和直径壁厚设计1管道材料油管是油田所需重要材料，也是采油设备的重要组成部分口砌。国内管道是按美国API标准生产的API5LX60X80型管道材料伫91，本课题采用代号为0CRL8NI5M03SI2的不锈钢做为制造管道的材料，屈服强度OHS390MPA，许用应力O197MPA，弹性模量E2X105MPA，其。蚪I_IX厶匕I北均可达到美国标准，满足各项要求。2设计压力根据公式PPGH21式中尸压力，MPAP液体密度，KGM3G重力加速度，98MS2H距离水面高度，M得到水深3000米处的海底水压P1OXL03X10X300030MPA。设计压力15MPA，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15MPA，结果变化不大。3管道直径根据常用管子标准及其外径尺寸对比查得，12英寸DN300MM管道外径为325MM。4管道壁厚删对于压力管道来说，大多数都属于薄壁管道，故当SD6或者PIO“，0385时，受内压直管理论壁厚计算公式可按式17哈尔滨T程大学硕学位论文S瓦丽PXDQC222O_一十一十ZZ，2仃P1式中P设计压力，MPAD管子外径，MMS管子的理论计算壁厚，MM一设计温度下材料的许用应力，MPA焊缝系数，对于无缝钢管，1Q腐蚀余量，MMG管子壁厚负偏差，MM算得肛253MM。根据压力等级计算公式口11PSCH二100023P】F式中SCH壁厚等级尸设计压力，MPA【仃】材料许用应力，MPA算得SCH120。根据石油行业设计标准手册中SH340596标准的规定，选取公称直径DN300的管道，外径D325IILM，选取壁厚等级为SCHL60的壁厚要求，即壁厚28RAM。具体参数见表21。3、管道强度校核所设计的卡爪联接器用于水下3000M文中未注线性尺寸单位为RAM，取设计外压E为30MPA，管道材料0CRL8NI5M03SI2，外径DO325，管道长度三50M，名义厚度吒28，有效厚度皖205，DT26785。按第四强度理论和强度失效准则涨亿4，18哈尔滨T程大学硕十学位论文可求得仃如13103MPA，已知P】_197御A，仃如P】，所以管道满足强度要求。按钢制压力容器标准，根据DO他762，纠B6176，查图得到系数彳0021，系数庐164MPA，根据下式可以计算出许用外压L尸L【P】MIN225DO皖一O0625XB，2CRODO色11DO乞其中盯。MIN2BLO9A船符号MM表示取小运算，经计算L尸I_3518MPA，大于设计外压30MPA，所以管道满足稳定性要求。表21管道参数参数备注水深3000M最大水深水压30MPA最大水压管道材料OCRL8NI5M03SI2管道公称直径12INCH中海油给定管道外径325MM石化标准外径管道壁厚28MM管道壁厚等级历160设计油压15MPA242回接方案设计海底管道回接的最终目的是成功对接输油管道，本论文研究的内容是回接过程中最重要的一个环节即最终海底管线的汇通连接。所以本论文设计出一套自动法兰连接机具，最终在ROV的辅助下准确可靠的完成对接。阅读和研究国外专利和成形产品的基础上，把卡爪式自动法兰连接机具分为卡爪连接器、导向对准装置和液压控制系统三个部分进行研究与设计。1、引导对准装置包括引导套筒、对接套筒等部件，它具有以下几个功能1引导自动连接机具下落到水下工作台上指定位置，实现初步对准。19哈尔滨工程大学硕士学位论文2待连接法兰在其引导定位后，能实现准确连接前的位置调整。2、卡爪连接器是由法兰、卡爪和驱动环组成的一套法兰连接系统，它具有以下几个功能1保证卡爪在连接前和连接过程中始终可靠定位。2提供给两法兰有效的预紧力，保证可靠密封。3具有自锁功能，对接完成后即使去除推动的外力，连接也不会失效。目前，国外卡爪式法兰连接机具的连接基本都是采用液压系统装置提供动力，弹簧提供备用压力，驱动各种形式的卡爪直接或通过选配楔块间接进行抓合。本论文的卡爪连接器采用卡爪直接作用法兰的设计，零部件少，结构简单；机具按不可回收的方式进行设计，连接完成后永久固定在待连接工作台上，使设计制造成本大幅缩减，同比国外的同类产品更有经济优势。卡爪式自动法兰连接机具的总体方案如图212所示。鼍L2一L庄眨一、卷飞一、，粕芒L|。，ITI，匕_L袅缫K增L；ZI1T1矗、碡、晨，毒F多一奎篁，一燃渊羽、黎弋、J妻L善L陵荔蔫“一，懋缫以L、缈7K蛰。|卜期K多、哆器T”|篝剖圆，。，、1“、乃_一、荔J|。、。FL、LJL、|，0、沁LO夕B甾、瓣釜、洌溉1液压缸2引导杆3驱动环4卡爪5对准套筒6海底固定管道7引导套筒8下法兰9上法兰10引导驱动板11连接管道图212卡爪式自动法兰连接机具结构图哈尔滨丁程大学硕十学位论文243回接作业过程1、海上操控船携带回接工具预先定位到回接地点的水上，然后把所有设备传送到水下回接地点，准备进行对接任务。2、机具由作业船上的吊车通过缆绳连接吊放到海底，通过ROV的辅助把机具定位在待连接管道所在工作台的上方位置。3、在海底工作台上的引导套筒引导下，机具按照预定的速度下落和海底管道对接，实现上下法兰相配合。4、ROV辅助操作液压缸动作，带动驱动环推动上法兰上的卡爪绕自身轴转动，闭合锁紧在下法兰锥形面上。5、ROV辅助观察，撤回缆绳等工具，完成对接。25本章小结本章分析了液压卡爪式海底管道回接技术的发展和卡爪式法兰连接机具的原理，进行了卡爪自动法兰连接机具的总体方案设计，机具包括卡爪连接器、导向对准装置和液压控制系统三部分，最后完成了管道的设计、校核。21哈尔滨T程大学硕学付论文第3章卡爪式自动法兰连接机具结构设计31引言深水海底管道对接有多种实施方法，例如本文前面所提到的热开口、高压仓焊接等，而实践表明法兰连接形式最简单可靠眵31。所以对于海底管道端汇管和其它汇管或产品树之间的硬或软管跳接及管道维修等而言，就是保证实现管道间法兰的自动对接。由于深水海底不可能用潜水员直接施工，所以就要借助诸如水下机器人等工具实现监控、测量、安装等操作。然而，受到水深、海流等自然环境的影响，水下控制尤其复杂，为了减轻ROV的操作难度，就要设计出自动化程度更高的法兰连接机具。32卡爪连接器分析与设计法兰之间的连接通常采用螺栓连接的方式，但在深海中通过螺栓螺母连接的方式进行管道间的连接，势必涉及如何定位，怎么实现拧紧，如何能拧紧等诸多因素，对于人不能直接连接的环境恶劣的深海，实现起来就更显困难，尤其其不能保证快速的维修要求。所以一种结构简单、连接快速的管道连接方法就要应运而生。卡爪式法兰连接方法摒弃了传统螺栓螺母连接的笨重和安装过程复杂的缺点，不但结构简单，而且效果与螺栓螺母连接相当，作业机具也小巧。因此制造安装费用也随之大大降低，并得以在近年来的海底管道施工工程中广泛应用。卡爪式法兰连接机具的结构如图31所示。其中机具按功能和作用可大体分为三个部分即卡爪连接器部分，对接引导定位部分，液压系统部分。机具靠对准和引导套筒实现粗对接，液压系统提供推力推动驱动环，卡爪连接器的卡爪在驱动环的作用下绕卡爪轴旋转抓合两法兰，并靠驱动环的作用定位，完成对接。11连接管道2吊装板3披压缸4引导杆5驱动环板6挡般7上法兰8驱动环9下法兰10卡爪II卡环12海底固定引导套筒13对接套筒图3I自动法兰连接机具321卡爪设计卡爪连接器是卡爪式自动法兰连接机具的关键部分，也是本论文讨论研究的重点。根据卡爪抓合原理，头体必须能保证正常动作，可靠抓合和防脱，因此在设计上做了细致地分析和沦证。若干个卡爪，推动卡爪运动的驱动环，图31所示。其包括特殊设计的法兰，可以自锁的推动驱动环的驱动板四个零部件，如论文中的设计方法采用目前通用的三维设计方法，其和维设计的区别见表31。传统的二维设计是从先在头脑中形成二维概念，然后将三维模型进行二维表达_L程图，再从二维表达转化为最终的三维模型。而三维设计是从三维概念直接建立I维模型，必要时才完成三维模型的二维表达。也就是说，三维设计方法本身就是从三维概念到三维模型的建立，在思路上符合人本身的思维习惯，便于创新。哈尔滨工程大学硕士学位论文表31三维设计与二维设计的区别设计和生产阶段二维设计或传统手工绘图三维设计三维概念模型设计吊摁象的维零件设计吊根象的维零件初步设计三维模型的二维形式表达三视建立三维模型的大致形状图或手T绘佬II简单维横犁详细设计阶段完全的二维图纸表达完成三维模型的所有设计细节通过计算尺寸链验证是否干涉；虚拟装配，完成各种检查设计验证利用公式或经验数据完成零件的利用相应软件完成强度、应校核。力和运动分析。L、完成详细的T程图；L、利用建立的模型快速建2、模具和工装图纸；立工程图，也可以不出工程3、根据二维图纸的表达编写代图加工制造码，利用加工中心加工。2、由零件模型直接出模具型腔或其它应用；3、三维零件直接用于加工中心自动生成加上代码。完成二维工程图三维模型或二维工程图、或与设计相关的其他数据由于采用卡爪抓合法兰的形式，故法兰设计成不开孔的实心形式，法兰盘直径可以缩小；卡爪的个数不受限制，适当的增加卡爪的个数可以使法兰受力均匀，提高其承载能力P51。1、卡爪受力分析卡爪结构如图32所示。卡爪在抓合后，其受到法兰的反作用力，法兰受力变形时产生的拉应力和剪应力，驱动环的推压力，以及海底3000米的海水压力等，在各力的作用下保持平衡。2、卡爪所受预紧力计算卡爪连接时所提供的连接力相当于管道连接时的预紧力，通常规定，连接时的预紧应力不得超过其材料的屈服极限盯。的80，对于一般联接用的钢制螺栓联接的预紧力磊，合金钢材料推荐的确定关系为FO0506TR,AL3一1式中A1危险截面的面积，NLM考虑到海水的强腐蚀性和联接件的长期工作稳定性，选择代号为哈尔滨工程大学硕士学位论文0CRL7NI7A1的不锈钢材料做为联接件的材料，此材料抗氧化性能和抗高温性能都十分良好。其材料的屈服极限吒为1080MPA、许用应力吼为1200MPA。图32卡爪三维外观图3、卡爪危险截面尺寸计算1卡爪的工作拉力流体在圆管中流动时，必须克服管流壁面给予流体的阻力，因此法兰在结合面处也要受流体的作用力，两者相等，而摩擦阻力与端面的平均压力、速度和管道两端的压力差之间满足关系R万，蝎【36】32其中R流体作用于管道壁面的力，N，管道内径，MM觚管道两端存在的压力差，MPA根据边界条件可知，管道内石油压力在15MPA，公称直径为300MM的管道内径为1345MM，管道两端的压力差取极限条件，即15MPA，带入公式32计算得FO8525X105N。设计成16个独立卡爪一周均布抓合的形式，则有FVD165328X104N2卡爪的受力分析P71在总载荷的作用下，卡爪承受以下力的作用25哈尔滨工程大学硕士学位论文I轴向力5683X105XSIN750N，横向力5683X105XCOS75。N在轴向力作用下，各卡爪所受的工作拉力为C老SIN75。3431X104N在横向力作用下，卡爪和法兰的连接面可能产生位移，根据结合面不滑移的条件厂峨一寿向K磊向3306TOM查得接触面间的摩擦系数为FO1，并取寿03，则笠一1一羔O7，取防滑系数为K。12，则各卡爪所需的预紧力为CMCBCBCMR7丧矗34ETCHR1161765X1063843X1051343X105N每个卡爪所受的总拉力为E瓦彘C1343X10503X3431X1041撇105N确定卡爪直径选择卡爪材料为0CRL7NI7A1，其材料的屈服极限T为1080MPA、许用应力以为1200MPA。查得安全系数为15，故卡爪材料的许用应力【翻的值为陟KA,S108015720MPA。卡爪危险截面的直径为D陴18232MM，、F万LJ圆整，取直径为25MM。卡爪危险截面的拉伸强度条件计算以坚丝卅35吒2S【仃JLJ。等砰合金钢FOSO5O6吼4155最106N，要求的预紧力小于上值，满足要求。4、其他各面分析设计26哈尔滨工稃大学硕七学伊论文1自锁面的确定和计算面和面之间的自锁，就是当粗糙表面的静摩擦系数“大于等于TGA0【为斜面的倾角时，物体不会下滑，产生自锁，所以与斜面倾角有关。自锁面的选择至关重要。选择恰当，则零件结构轻巧、工作可靠；如果选择不当，不但结构不合理，还可能导致自锁失败。如图33所示，与驱动环接触的有1、2、3三个面，而比较三个面，最适合做自锁面的为3面。分析原因1面为导向面，水平导向不能实现自锁功能；2面在提升卡爪张开时为工作面，但当卡爪抓合锁闭时已不和驱动环接触，所以亦不能做自锁面；3面轴向距离长，而且为卡爪闭合状态与驱动环接触的面，做自锁面时可有效进行自锁。1驱动环导向面2张开卡爪作用面3闭合卡爪时作用面4与连接管道外壁接合面5抓合法兰作用面6卡爪齿头部底面图33卡爪各面指示图通常，钢制零件在钢制材料表面上运动或静止时，在润滑情况下，静摩擦系数为0005“01；考虑到在水下连接作业时，卡爪与驱动环接触之间有海水，故初步取摩擦系数为O1。根据反映倾角与摩擦系数的公式MGSINOTTMGCOSA36得口6。考虑工作面长度和自锁可靠性，取自锁面的斜度为卡爪抓合状态下与法兰轴线夹角为55。推算出卡爪所需推力为27哈尔滨丁程大学硕七学位论文R2五COSL5。COS55。44907106N2张开卡爪作用面此面为驱动环提升卡爪张开时的工作面，考虑到卡爪的形状为圆环状一周包覆在法兰上，所以此处面设计成与连接管道轴线有倾角的圆锥面。倾斜角度计算依据要保证卡爪能抓到法兰底部，必须保证卡爪在切入下法兰时不与下法兰相碰，所以卡爪从闭合到张开时的旋转角度与卡爪两齿尖的距离D和法兰高度H之间满足下列关系SIN秒2一HD3抓合法兰作用面此面在卡爪抓紧法兰后应与法兰紧密贴合在一起，固设计成与法兰锥面尺寸形状相一致的圆锥面。4与连接管道外壁接合面此面与5面的形状相同，但曲率应与连接管道的外壁一致。5导向面与卡爪头部底面驱动环导向面为半径与驱动环内壁相同的环面；头部底面为不重要面，不参与工作，但取决于卡爪的危险面材料屈服强度和卡爪的弯矩等因素。5、卡爪结构尺寸。设计和校核后的卡爪零件具体尺寸如图34所示。图34卡爪零件尺寸图28322法兰设计由于卡爪连接器所需的法兰为不带螺栓连接孔的特殊法兰，其设计也是需要特别考虑的，设计成不开孔的实心形式，在设计的过程中先参照行业标准中标准法兰的设计要求进行设计，然后再运用有限元分析软件进行校核、改进，最终完成设计。1、法兰的公称压力等级选择法兰的公称压力只P，一般取比设计压力大一个等级的压力，本文取PN250。2、选择密封形式”11己知管道公称直径DN300MM，法兰压力等级PN250，法兰形式为兄，法兰，对应选择O型密封圈直接密封做为法兰密封形式。3、法兰形式设计由于法兰由卡爪一周均布抓合连接，所以法兰可以选择成没有螺栓孔的实心法兰，这样可以在依据设计标准SH340696的要求，在保证强度的情况下，减小法兰轮毂的直径。普通法兰如图35所示，特殊设计的实心法兰如图36所示。图35普通法兰图36实心法兰4、法兰盘受力计算1流体作用力哈尔滨工程大学硕士学位论文根据前面分析和计算的结果可知，管道内石油压力在15MPA，公称直径为300的管道，其法兰盘截面所受的流体作用力为瓦8525X10SN。2卡爪夹紧时的压紧力由前面可知，单个卡爪受到的总拉力为1446105N，则法兰所受的总压力为16倍的单个卡爪所受拉力，即为2314106N。5、确定法兰盘尺寸根据石油行业设计标准手册SH340696规定，公称直径DN为300的管子，在PN250MPA情况下，其标准法兰直径为675MM，法兰盘厚度124RAM，螺栓孔中，11,圆直径为5715MM。考虑到本设计为实一II,法兰，固法兰盘高度理论上可以缩小至减掉螺栓直径后的高度，即中一11,圆去除螺栓直径的距离515MM，而由于采用的是多于螺栓要求安全个数的卡爪设计，所以可暂取505MM，厚度取124MM，法兰锥面斜度取15。，通过校核和强度分析进行验证。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WATERS法，得到的计算在DN1500MM情况下还是比较满意的，故目前大多数法兰标准都采用此方法计算P81。1法兰力矩计算操作状态下，法兰不仅承受螺栓载荷施加的弯矩作用，同时还承受介质压力产生的轴向力引起的弯矩作用。肘，昂LD弓0昂岛370785D,2只38KL05439式中吒作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力，ND法兰内径，MMZD螺栓中一TL,至作用位置处的径向距离，MM三。螺栓中心至法兰颈部与法兰背面交点的径向距离，NLRN点法兰颈部大端有效厚度，RLLLLL30哈尔滨1J程大学硕学位论文C法兰螺栓中心圆直径，MLTLX法兰颈部大端直径，MILL岛螺栓中心至民作用位置处的径向距离，INTO算得岛LA点GXL22603R衄，0785X546“X15351106，厶1142505X10816825RAIN，小丁CX11425RAIN，巧半108FIILTI，FO785C,I只O785X692152X15564X10N。弓F一310式中F流体压力引起的总轴向力，NB轴向压力之差，N算得B，一564351X106213X106N，必J5DDF7一JI止615X109NMM。2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，可以求解法兰在预紧状态或操作状态下所产生的应力。如以下公式32诱11听器捌且312听2葡乞D且L引听2卷一Z万异式中法兰颈部轴向应力，MPA法兰环的径向应力，MPA啄法兰环的环向应力，MPA哈尔滨T程大学硕士学位论文五系数，查GBL50可得整体法兰颈部应力矫正系数坑法兰有效厚度，TONIN法兰内径，RLLNLE参数，查GBL50可得Y参数，查GBL50可得Z参数，查GBL50可得算得去南丽406203512毒型5221