[硕士论文精品]深水管道轴向对准工具关键技术研究

哈尔滨T稗大学硕学位论文萱IIII宣IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIMIIIIIIIII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“863“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2006AA09A1054。论文的主要任务是针对一种能在水下3000M对直径为24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ANSYS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ADAMS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ABSTRACTAXIALFORCEANDALIGNMENTTOOLAFATISASPECIALEQUIPMENTFORINSTALLINGANDMAINTAININGTHEOILANDGASPIPELINESINDEEPWATERITSMAINFUNCTIONISTOADJUSTTHEPOSITIONBETWEENTHENEWPIPELINESANDTHEOLDPIPELINES，ANDMEETTHEWORKREQUIREMENTSOFTHEFLANGECONNCETIONTOOLINGFCTTHETECHNOLOGYHASBEENMONOPOLIZEDBYFOREIGNCOMPANIESFORALONGTIMETHERESEARCHSUBJECTCOMESFROMTHEPROJECTTHESTUDYOFSUBMARINEPIPELINECONNECTIONTECHNOLOGYINDEEPWATERPROJECTNUMBER2006AA09A054，WHICHISASUBPROJECTOFTHENATIONAL“863”PROGRAMTHELAYINGTECHNOLOGYOFSUBMARINEPIPELINETHISTHESISFOCUSESONTHERESEARCHFORTHEKEYTECHNOLOGYOFAFAT,WHICHISUSEDTOALIGNTHESUBMARINE24PIPELINEUNDERTHEWATEROF3000MDEPTHTHEPURPOSEOFTHETHESISISTORDAFATWITHINDEPENDENTINTELLECTUALPROPERTYRIGHTFIRSTLY,BASEDONRESEARCHOFTHEDEVELOPMENTSTATUSOFTHEAFATAROUDTHEWORLDWIDE，THEGENERALSCHEMEOFTHEAFATISINTRODUCED，MECHANICALSTRUCTUREISALSODESIGNED，THEPOSITIONOFCENTEROFGRAVITYANDBUOYANCYOFTHEAFATANDTHEPLACEDPOSITIONOFTHEPIPELINEAREANALYSEDSECONDLY,THECLAMPINGDEVICEANDTHEALIGNMENTDEVICEARESTUDIED，ABOUTCLAMPINGDEVICESTRUCTUREANALYSIS，CYLINDERFORCEDETERMINATION，DESIGNOFTHECLAMPINGCYLINDER,STRENGTHCHECKOFTHEPIPELINEBASEDONTHETHINWALLEDTHEORY,ANDSTUDYONTHEALIGMNENTDEVICEFROMTWOASPECTSONEISHORIZONTALADJUSTMENT，ANOTHERISLONGITUDINALADJUSTMENTTHIRDLY,HYDRAULICSYSTEMOFTHEAFATISDESIGNED，ABOUTPARAMETERCALCULATIONOFTHEHYDRAULICACTUATOR,HYDRAULICPUMPSELECTIONANDDESIGNOFHYDRAULICCIRCUIT哈尔演丁程大学硕学位论文FINALLY,THESTRENGTHOFTHEPIPELINEANDMAINPARTSOFTHEAFATARECHECKEDBYUSINGTHEFINITEELEMENTANALYSISSOFTWAREANSYS，ANDTHEKINEMATICSSIMULATIONOFTHECLAMPINGMECHANISMISCOMPLETEDBYUSINGTHEDYNAMICANALYSISSOFTWAREADAMSTHERESULTSSHOWTHATTHERATIONALITYOFTHESTRUCTURESATISFIEDTHEREQUIRMENTSOFTHEAFATKEYWORDSPIPELINECONNECTIONAXIALFORCEANDALIGNMENTTOOLMECHANICALSTRUCTUREHYDRAULICSYSTEM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11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34，全球海洋石油蕴藏量约1000亿吨，其中己探明储量的为380亿吨。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230亿至300亿吨，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”863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3003000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。12课题的来源、目的和意义本课题来源于国家“863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2006AA09A1054，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【31。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。13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51。2131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SONSUB公司和英国的ACERGY公司。1311SONSUB公司的BRUTUS系统SONSUB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ROVREMOTELYOPERATEDUNDERWATERVEHICLE远程遥控潜器辅助作业的主要用于深海3000M以浅管道连接的BRUTUS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8M进行了一系列的试验。2000年第一次成功的实现了两条管径为16。的管线连接，以及10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11BRUTUS系统BRUTUS系统主要由管道连接机具和法兰连接机具FCL二一F1卸GECONNCETIONTOOLING组成如图11所示。管道连接机具包括轴向对准工具AFATAXIALFORCEANDALIGNMENTT001和接应工具RFTREACN加FORCET001。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BITL二BOITINSERTIONANDTENSIONINGT001和螺母库NMNUTMAGAZINE。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353XLM干重70T湿重儿乎为0牵引力15T40T液压绞车图I2BRUTUS系统轴向对准T具BRUTUS系统中的轴向对准工具如图12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13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，ROV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；2ROV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ALIGNMENTT001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。13I2ACENY公司的DEEPMATIS系统英国的ACERGY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DEEPMATIS系统THEDEEPMODULARADVANCEDTIEINSYSTEM可以通过螺栓法兰连接的方法在海底对管径为636油气管道进行连接，操作水深可达3000M”1。该系统在水中接近0浮力状态，由ROV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5ROV图14DEEPMATIS系统DEEPMATIS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01。1313美国专利图15对准装置GIOVANNICORBETTA于2004年在美国申请了一个专利，名称为METHODANDAPPA凡盯USFORGONNECTINGUNDERWATERCONDUITS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16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ROV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16轴向对准工具结构图132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200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21，但由于技术装备落后，尚不具备超过500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，2004年“2010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“863“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。14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24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。21轴向对准工具设计条件211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863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3000M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3000M水深的海域进行工作；2海底管道直径为24DN600MM；3连接管道的轴向对准精度为10MM；4研制出具有自主知识产权的轴向对准工具试验样机。212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API5LX56、API5LX32型钢材，还有的采用国产钢材16MNTL31。9本课题采用单层钢管。钢管材料为X56，抗拉强度490MPA，屈服强度385MPA。管道参数如表21所示。表21管道参数管道型号外径壁厚管道长度材质密度24610RNM52MM12M7810KGM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0CRL8NIL0TI。管道与法兰以下简称为管道结构如图21所示。213环境载荷图21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。2131浮力根据PROE软件计算得出管道体积V144M3管道质量M112T管道完全置于水中所受到的浮力为LO哈尔滨T程大学硕十学位论文PGV21式中咚管道浮力，蝌P海水的平均密度，1025TM3G重力加速度，98NKGY管道体积，RN3求得PGV1025X98X144145KN2132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130，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22所示。L零鐾霉争舞然，、图22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PJPGH22式中P海水的平均密度，1025TM3G重力加速度，98NKGH水深，M根据公式22，静水压强与水深成正比，即在同一水平面上，管道所11哈尔滨工程大学硕士学位论文受到的压强相等。从图22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522X105MPA，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。2133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PG彳U223二式中昂水流力标准值，KN厂水流设计流速，MSG水流阻力系数，按表22选取P水密度，TM3。淡水取10，海水取1025彳计算构件在与流向垂直平面上的投影面积卯，M2表22水流阻力系数G12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UZW矽Q5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3000M作业时，管道距海底的高度Z很近。公式24和25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VL0001MS。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22选取073。由公式23，求得EL274X106KN。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H001MS。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3000M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。214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71；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ROV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。22轴向对准工具的总体方案221工作原理轴向对准工具的设计工作环境为3000M水深，工作压力为30MPA，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；2H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；3ROV协助轴向对准工具工作，包括检测、监视、功能等外部动作。14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；2H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。3ROV携带轴向对准机具到安装有旋转法兰一侧的新管道上方；4ROV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。222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3000M水深的压力为30MPA，对电机的密封要求较高；气压驱动只能应用在工作条件为45M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ROV上，由安装在两个机具上的对接装置实现压力油的供给15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3000的水下，潜水员无法潜入协助进行机具的工作，故采用ROV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。223设计技术参数1机具进行连接的管道外径矽610RLLLTL；”2水下作业最大深度3000M；3机具规格长宽高7481898139782221MM；4机具空气中净重不含ROV连接架、控制阀箱及浮力材料772T；含ROV连接架和控制阀箱配重04T，不含浮力材料926T；含ROV连接架、控制阀箱配重04T及浮力材料1687T；5机具水中重量含ROV连接架和控制阀箱配重04T，不含浮力材料81T；6机具水中去除浮力主机浮力及浮力材料浮力后重量006T；7允许管道摆放的水平轴向距离15M；8管道法兰面水平及垂直调整距离水平100MM、垂直100MM；9允许与接应工具轴向相对转角2。；10液压动力源额定压力16MPA。16哈尔滨工程大学硕十学伊论文23轴向对准工具机械本体结构231总体装配图轴向对准工具的整体结构如图23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ROV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3ROV连接架4液压控制阀箱5调整装置6夹紧装置图23轴向对准工具整体结构图232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24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24中3、4、5、6、7、8构成轴向对准工具的夹紧装置。ROV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24中1、2、9、10、11、12、13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17哈尔滨工程大学硕士学伊论文II一I宣III萱II盲III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，_Q4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10纵导轨11滑动方箱12横向调整液压缸13连接臂图24夹紧装置与调整装置18哈尔滨T挥大学硕士学伊论文233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25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31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8F申缩杆9前耳环10铰轴耳环11拖曳液压缸图25连接锁紧装置234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ROV连接架。图26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27为ROV连接架，通过连接法兰与主体钢架连接。该设计即保证了ROV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，19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。LL。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26主体钢架，D向，。ILLIL吨R1U_J一一历己J一乏门I一广IL一LL1连接法兰2夕H框架3连接钢架4控制阀箱平台图27ROV连接架24轴向对准工具重心、浮心241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ROV携带到水下的。其吊放方20哈尔滨工程了学硕十学佗论文式如下1在母船上，ROV通过其爪式装置与轴向对准工具的ROV连接架进行连接。2同时，ROV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。3ROV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ROV吊放的受力点在ROV连接架对接油口的中心线上。242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。2421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O7，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；21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ROV、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4000M。该浮力材料在水下3000M的密度为500KGM3，在二十年后浮力失效仅为3，性能良好。如图28所示1”1。DENSLTY“一TLB,REFH口州2422重心位置圈28复合泡沫塑料的密度与寿命如图29所示，轴向对准工具的基础坐标系0A，XA，YA，ZA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UJ_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0B，XB，Y。，ZB，相对坐标系的坐标原点0I取在吊放ROV连接架上表面对接油口位置。即叭点的绝对坐标为0，I410，一3960，单位MM。盛L浮力块2机具3浮心4重心图29轴向对准工具坐标系用PROE软件中的质量属性命令对轴向对准工具含控制阀箱不含浮力材料的中心进行分析，求得机具在空气中重心的绝对坐标为0，506，一3943，单位MM，换算成相对坐标为0，904，17。由于机具的主体全部为钢结构，工作时完全浸入水中，故轴向对准工具在水中的重心与空气中的重心重合。在机具的两侧加上两个形状、材料完全相同的浮力块，理论上应使浮力块的重心Z坐标与机具重心Z坐标相等。但考虑到实际机具的重心可能会与理论值存在误差，所以将浮力块的加在重心Z坐标尽可能靠近机具重心Z坐标的位置，且两浮力块关于Z轴对称。两个浮力块的绝对坐标分别为2046，920，3950、一2046，9203950，单位MM。换算成相对坐标为2046，490，10、2046，490，10，单位LLRN。哈尔滨工程大学硕士学位论文重心计算公式如下T等，YMY2面ZG瓷26式中以、乙重心坐标，MMSMX、SMY、SMZ各浮体质量分量，KGMMSW浮体总质量，KG轴向对准工具的质量为M9260KG，单个浮力块的质量为M，3805KG。加上浮力块后，整体重心相对坐标为婴92600380520463805204601MM171；一IJILI形16870EZMY92609042X3805X4907172MM1形16870Z。选9260X173805XLO3805XLO138MMO一MMG形16870“换算成绝对坐标为0，6928，39462，单位MM。2423浮心位置浮心计算公式如下丘等哈尔滨丁程大学硕士学何论文YC“等像7，ZC“等式中心、匕、Z0浮心坐标，MMMX、EMY、胞各浮体排水体积分量，MMM3SV浮体总体秘241，M3轴向对准工具的体积为K113M3。单个浮力块的体积为76M3。代入公式27中计算出轴向对准工具加上浮力块后在水下的浮心相对坐标为X，兰竺立0X1132046X762046X76OMMK2可2再鬲丽而一。0一匕至堕904X113490X76490X76一5187MMYER“1137676ZEMZ二型竺兰Z坐F竺兰Z虫105衄么C2矿2T赢瓦南享一衄换算成绝对坐标为0，8913，39495，单位MM。稳心高HE一匕1985MM由浮心相对坐标可以看出，轴向对准工具在加上浮力块后重心与浮心的X1坐标相等，在Y1轴上，浮心点上移1985MM，机具重心与浮心在Z1方向的距离为33MM，可以视作重合。机具重心在Z1方向与吊放中心的距离为138MM，满足吊放精度要求，有助于机具的吊放平稳及在水下工作时的自平衡，即当机具受到海水或者外力的扰动时，机具可以自动恢复到平横状态伫51。25管道摆放初始位置轴向对准工具对管道的调整是一个精调过程，工作的前提条件是管道通哈尔滨T程大学硕十学伊论文过H架摆放在机具工作要求的合理范围内。根据轴向对准工具的机械本体结构及设计要求，对管道的初始位置进行了分析。如图210所示，在旧管道固定法兰端面处建立坐标系，设定法兰面中心轴线位置为O点，水平方向为X轴，竖直向上方向为Y轴正向，管道轴线为Z向，且正向为旧管道指向新管道方向。根据右手定则，确定X轴正向。由技术参数中的7、8、9条，分析管道摆放的初始位置XOY平面的新管道中心轴线的位置如图A所示，黑色实线为新管道法兰面中心相对于旧管道中心允许摆放的边界位置，图中坐标为临界关键点。新管道相对于旧管道最远的摆放距离为1500MM，如图B所示。Y。JI一一一正0ZB图210管道摆放初始位置综上所述，新管道法兰面中心相对于旧管道法兰面中心的位置只要在黑哈尔滨T程大学硕学位论文色实线框上或者之内，新旧管道的法兰面距离在1500MM以内，轴向对准工具可工作。26本章小结本章首先根据轴向对准工具的设计要求对海底管道所受的环境载荷及深水环境对机具性能的影响进行了分析，在此基础上对轴向对准工具的总体方案进行了研究，确定了由连接锁紧装置、夹紧装置、调整装置、主体钢架和ROV连接架组成的机械本体结构，分析了机具的工作原理。并对轴向对准工具的重心和浮心以及管道的初始摆放位置进行了研究。27哈尔滨工程大学硕十学位论文第3章轴向对准工具的夹紧装置与调整装置研究夹紧装置与调整装置是轴向对准工具重要组成部分。在设计过程中，夹紧方式的选择与机具工作的可靠性有着直接的关系，夹紧力的选取则对机具的可靠性和管道的变形有着重要影响。调整装置的结构决定了法兰轴线调整的精度。夹紧装置与调整装置的设计是否合理决定了螺栓机具能不能进行下一步的法兰连接。31夹紧装置研究311夹紧装置结构夹紧装置按夹紧力的来源可分为手动夹紧装置、机动夹紧装置和自动夹紧装置。机动夹紧是指气压及真空夹紧，液压传动夹紧及电磁夹紧等。夹紧装置的设计是否合理对于管道连接过程所需时间有很大影响，考虑到轴向对准工具的工作条件，选择机动夹紧装置。机动夹紧装置的组成如图31所示。主要包括力源元件、中间传力元件、夹紧执行元件和工件瞄1。图31机动夹紧装置的组成典型的夹紧机构主要有斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构、杠杆铰链夹紧机构、联动夹紧机构和定心夹紧机构。在本机具的夹紧装置设计中，选择杠杆铰链夹紧方式，该方式具有机构紧凑，容易变化力的方向，具有较大的增力倍数和较小的摩擦损失等优点鲫。但一般不能自锁，故采用哈尔滨工程大学硕士学位论文液压动力源。夹紧机构如图32A所示采用液压缸输出夹紧力，活塞杆推动卡爪绕销轴转动实现定位环与海底管道之间的夹紧。夹紧装置如图32B1所示是由前后对称的夹紧机构通过主连接板和定位环连接而成的，形成方箱式结构，有利于增强结构稳定性。A夹紧机构B夹紧装置1销轴支架2轴端挡板3夹紧液压缸4卡爪5主连接板6夹紧主板7定位环圈32夹紧模块与夹紧装置夹紧机构的夹持动作原理如图33所示，图中虚线表示机构打开的极限位置，实线表示夹紧管径为0610MRN的管道位置。考虑到夹紧的可靠性，两个卡爪的夹持点在管道中心下方300角的位置上，夹紧后，管道受到的夹紧力的方向指向圆心，两夹紧力的水平分力平衡，垂直分力使管道受到向上的推力，当液压缸输出的夹紧力增大到一定值时，定位环会给管道施加反作用力，使管道始终被抱紧在卡爪与定位环之间，实现了管道的夹紧。此夹紧机构可夹紧的最大管径是0610MM，当管径小于,610MM时，通过更换卡爪与定位环即可实现。哈尔滨丁程大学硕士学伊论文图33夹紧机构夹持动作原理312液压缸推力的确定分析轴向对准工具的工作过程，夹紧装置有两个功能连接锁紧装置拖曳管道时，夹紧装置能够保证管道和机具的相对位置，以使管道同机具一起运动；调整装置调整法兰同轴度时，夹紧装置托起管道，使其能相对于机具进行横向和纵向运动。所以夹紧液压缸的推力也应满足两个要求拖曳管道时液压缸施加给管道的夹紧力足够大可以克服管道与H架之间的摩擦力；调整管道时夹紧液压缸施加给管道的夹紧力可以克服管道的重力。3121拖曳管道时的夹紧力轴向对准工具拖曳管道时，H架承担管道的重量，管道相对于H架运动。如图34所示，管道轴向受到由管道重力引起的与H架接触的摩擦拉力尼。管道径向受到由夹紧液压缸施加的对称夹紧力L，随着液压缸推力兄。的增大，L也随之增大，管道与定位环接触并挤压，定位环给管道施加一定的压哈尔滨T程大学硕十学位论文力2。取2为集中力，作用点在管道竖直中心面与管道的上交点。同时，卡爪也受到管道施加的反作用力只。图34拖曳管道时单个夹紧机构受力分析222LSIN300式中M单个卡爪施加给管道的压力，KN2单个定位环施加给管道的压力，KN厶MGGG式中尼MGGQ管道与H架直接的摩擦力，KN管道与H架之间的摩擦系数管道的重力，KN轴向对准工具的重力，KN3132厶8乜N14F13N233式中厶管道受压的总摩擦力，1N心管道与卡爪之间的摩擦系数鸬管道与定位环之间的摩擦系数FL34设计中，H架的材料与卡爪及定位环的材料相同，都为45号钢。故气1哈尔滨T程大学硕士学位论文“心鸬O15代入数据得到管道对单个卡爪的压力为ELL92KN3122调整管道时的夹紧力轴向对准工具调整管道时，夹紧液压缸通过卡爪施加给管道的夹紧力应与管道的重力平衡或大于重力。夹持机构受力如图35所示。图35调整管道时单个夹紧机构受力分析GG7活塞杆直径DO3O5D05O55DO6D7D07D根据手册，选取活塞杆直径为西40MM。3缸筒壁厚选取缸简材料为45号钢，查得吒610MPA；Q360MPA；当罢LO时为薄壁，占可按下式校核抡箱”式中岛试验压力，当缸的额定压力P_16MPA时，取P，125PD缸筒内径，MM【仃】缸筒材料许用应力，MPA。P】_N，为材料抗拉强度，L为安全系到301，一般取刀5将数值代入公式39，得出夹紧液压缸的壁厚磊94MM将缸筒壁厚圆整到匹10MM，且孕8一万得后值数入代哈尔滨T程大学硕十学何论文将缸筒壁厚进行圆整点1LMM。4缸筒外径缸筒外径为DLD12点802XL11021TIITI。5液压缸行程根据夹紧机构的开合角度和卡爪的尺寸，选取夹紧液压缸的行程为，1200MM3132密封装置密封装置的作用在于防止液压缸工作介质的泄露和外界尘埃与异物的侵入。缸内泄露会引起容积效率下降，达不到所需的工作压力；缸外泄露则造成工作介质浪费和环境污染。密封装置选用、安装不当，直接关系到缸的摩擦阻力和机械效率，还影响着缸的动、静态性能P。轴向对准工具的液压缸工作在水压较大的深海，外压大于液压缸的工作压力。故缸筒和活塞的密封都采用O型密封圈密封。O型密封圈的特点是具有自密封能力无需经常调整，且可对两个方向起密封作用P引。O型密封圈的自密封和挤压密封如图38所示。A自密封B挤压密封图38O型密封圈的自密封和挤压密封314基于薄壁理论的管道强度校核3141管道受到夹紧力由式38推出夹紧液压缸最大推力为36哈尔滨丁程大学硕士学位论文F，RTMD2P764KN311。4管道受到的最大夹紧力为3142管道强度分析学_11777蝌一312由于管道在水下连接时是非密封的，轴向对准工具夹紧管道时，管道的工作压力就是卡爪施加的局部压力。依据薄壁结构理论【331，径向力在纵向边长为A和环向边长为B的大矩形分布。如图39所示。且当