管道法蘭卡爪連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 海洋油氣資源開發(fā)是海洋資源開發(fā)的一個(gè)重要方面，而海底輸油氣管道是油氣資源開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)施之一，海底管道回接技術(shù)又是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，主要應(yīng)用于水下系統(tǒng)海底平臺(tái)間軟管與硬管的連接。國(guó)外海洋大國(guó)的海底回接技術(shù)飛速發(fā)展，而我國(guó)還沒有完善的深水海底的回接施工技術(shù)體系。課題內(nèi)容源于國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“深水海底管道水下回接技術(shù)”的一部分，主要目的是研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的管道法蘭卡爪連接器。 本文介紹了國(guó)外發(fā)展比較成熟的幾種連接器形式和海管回接工藝過(guò)程，對(duì)管道法蘭卡爪連接器實(shí)際工作原理和回接過(guò)程進(jìn)行了闡述和分析。根據(jù)課題的實(shí)際要求提出了管道法蘭卡爪連接器的整體設(shè)計(jì)方案和回

2、接方式。 依據(jù)美標(biāo)中對(duì)卡箍的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)合國(guó)內(nèi)石油行業(yè)管件的使用標(biāo)準(zhǔn)，再結(jié)合實(shí)際海況設(shè)計(jì)要求，利用三維軟件Pro/E設(shè)計(jì)出一套管道卡爪法蘭連接機(jī)具，包括卡爪連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和對(duì)接引導(dǎo)裝置的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：海管回接技術(shù) 卡箍設(shè)計(jì) 卡爪連接器 I ABSTRACT Offshore oil and gas exploration is one of the important aspects of the marine resources exploitation，and the undersea oil and gas pipeline is the key facili

3、ty to exploit oil and gas resources．Therefore，submarine pipeline tie-back technolog ywhich used to connect the flexible pipe or the rigid pipe is the basic point of Underwater Production System．The submarine pipeline tie-back technology hasrevealed a rapid development in some Ocean States，whereas th

4、ere is still a blank in this field in Our country．The research subject comes from the project“The study of offshore pipeline connection technology in deepwater”，which is a part of the national“863”program．The purpose of the thesis is to R&D vertical claw flange connector of offshore pipeline with in

5、dependent intellectual property right． First，based on research of the development status of the submarine pipeline connection technology in the worldwide，this paper focuses on several mature connection forms and means of pipeline tie-back technology from overseas as well as describes the actual wor

6、k theory of vertical jaw connector,and analyses the Process of connection Based on the actual needs of the subject，the general scheme and tie-back mod of the equipment is introduced． Second,the analysis and calculation about the clamp mechanism is executed based on American standard．Based on the pi

7、pe fittings standard in domestic oil industry and the design requirements for the actual sea state，the structure design of the equipment is performed with 3D design software of Pro/E，which consists of mechanism design of the jaw connector and alignment device-oriented institutions． Key words：Offsho

8、re Pipeline Connection Technology；Clamp Design；Claw Connector II 目 錄 中文摘要 I 英文摘要 II 第1章 緒論 1 1.1 引言 1 1．2 課題的背景和意義 2 1．3 國(guó)內(nèi)外海底管道連接技術(shù)發(fā)展概述 2 1．3．1 國(guó)外海底管道連接技術(shù)發(fā)展概況 2 1．3．2 國(guó)內(nèi)海底管道連接技術(shù)發(fā)展概況 6 1．4 課題的來(lái)源及研究目的和意義 6 1．5 設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容 7 第2章 管道法蘭卡爪連接器整體方案 8 2．1 引言 8 2．2 管道法蘭卡爪機(jī)具設(shè)計(jì)要求及實(shí)現(xiàn)的功能 8 2．2．

9、1 卡爪機(jī)具的設(shè)計(jì)要求 8 2．2．2 卡爪連接器實(shí)現(xiàn)的功能 9 2．3 管道法蘭卡爪機(jī)具回接過(guò)程分析 9 2．3．1 管道法蘭卡爪機(jī)具工作原理 10 2．3．2 管道法蘭卡爪連接器回接過(guò)程分析 11 2.4 管道法蘭卡爪機(jī)具總體方案設(shè)計(jì) 12 2.4.1 卡爪機(jī)具的回接方案 12 2．4．2 卡爪連接器作業(yè)過(guò)程 14 2．5 本章小結(jié) 15 第3章 管道法蘭卡爪連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 3．1 引言 16 3．2 回接管道設(shè)計(jì) 16 3．3 卡箍法蘭設(shè)計(jì) 18 3．4 垂直式卡爪回接機(jī)具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26 3．4．1 總體結(jié)構(gòu)概括 26 3．4．2 卡爪連接器設(shè)計(jì) 2

10、8 3．4．3 對(duì)接引導(dǎo)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 30 3．5 本章小結(jié) 31 結(jié)束語(yǔ) 32 參考文獻(xiàn) 33 致謝 34 第1章 緒論 1.1 引言 石油是一種重要能源和優(yōu)質(zhì)化工原料、是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要戰(zhàn)略物資，石油工業(yè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，深水油氣開發(fā)已成為世界石油工業(yè)的熱點(diǎn)和科技創(chuàng)新的前沿。世界海洋石油資源量占全球石油資源總量34％，全球海洋石油蘊(yùn)藏量約1000多億噸，其中已探明的儲(chǔ)量約為380億噸。目前全球已有100多個(gè)國(guó)家在進(jìn)行海上石油勘探其中對(duì)深海進(jìn)行勘探的有50多個(gè)國(guó)家。隨著深水油氣勘探開發(fā)的不斷深入，深水油氣探明儲(chǔ)量和產(chǎn)量不斷增加，所占比重

11、越來(lái)越大。盡管不同機(jī)構(gòu)和個(gè)人對(duì)深水區(qū)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)量的估計(jì)相差較大，但截止2002年底已有的資料均表明，深水區(qū)已發(fā)現(xiàn)的油儲(chǔ)量至少為580X 108桶油當(dāng)量。經(jīng)預(yù)測(cè)至2015年深水區(qū)的石油占世界海洋石油的25％。當(dāng)前世界三大深水勘探熱點(diǎn)地區(qū)分別是巴西近海、美國(guó)墨西哥灣和西非沿海，世界深水鉆探活動(dòng)84％都集中在這里，其儲(chǔ)量占據(jù)了全球深水儲(chǔ)量的88％。近幾年全球不斷取得深水油氣重大發(fā)現(xiàn)，對(duì)全球新增探明儲(chǔ)量和提高產(chǎn)量起到了主要作用。20世紀(jì)70年代末期，開始開發(fā)世界深水油氣勘探，當(dāng)時(shí)只能在水深數(shù)百米的水域進(jìn)行油氣勘探活動(dòng)，20世紀(jì)90年代發(fā)展到水深2000m，至今已能在超過(guò)3000m深的水域進(jìn)行油氣勘探。目前

12、，世界最大水深鉆探紀(jì)錄為2003年墨西哥灣Toledol號(hào)井創(chuàng)造的3050m。 若從1956年鶯歌海油苗調(diào)查算起，我國(guó)海洋石油工業(yè)已經(jīng)走過(guò)了近50年的發(fā)展歷程。我國(guó)海洋石油工業(yè)實(shí)現(xiàn)了從合作開發(fā)到自主開發(fā)的技術(shù)突破的標(biāo)志，是1982年中國(guó)海洋石總公司的成立，當(dāng)時(shí)具備了自主開發(fā)水深200m以內(nèi)海上油氣田的技術(shù)能力，海上油氣田建成投產(chǎn)了45個(gè)。國(guó)家海洋局海洋發(fā)展戰(zhàn)略研究所課題組發(fā)布的《海洋發(fā)展戰(zhàn)略》稱，至U2010年我國(guó)海洋油產(chǎn)量將超過(guò)5000萬(wàn)噸，海洋原油生產(chǎn)將進(jìn)入高速發(fā)展期。與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)存在很大差距截至2004年底，國(guó)外深水鉆探的最大水深為3095m，我國(guó)為505m：國(guó)外已開發(fā)油氣田的最大水

13、深為2192m，我國(guó)為333m：國(guó)外鋪管最大水深為2202m，我國(guó)為330m。我國(guó)深水油氣田開發(fā)面臨的最大挑戰(zhàn)則是技術(shù)上的巨大差距，因此關(guān)鍵所在就是實(shí)現(xiàn)深水技術(shù)的跨越發(fā)展。我國(guó)南海具有豐富的油氣資源和天然氣水合物資源，石油地質(zhì)儲(chǔ)量約為230億～300億噸，占我國(guó)油氣總資源量的三分之一，其970％蘊(yùn)藏于深海區(qū)域,目前我國(guó)的深海石油作業(yè)項(xiàng)目基本上依托國(guó)外的技術(shù)和裝備實(shí)現(xiàn)，受到國(guó)外公司的壟斷，只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家手中掌握此項(xiàng)技術(shù)，且引進(jìn)中存在極大的技術(shù)壁壘。同時(shí)，這些技術(shù)往往又是制約整體技術(shù)發(fā)展甚至產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸技術(shù)。在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，正在建設(shè)深水油氣田開發(fā)公用技術(shù)平臺(tái)。 1．2 課題的背景和

14、意義 我國(guó)海洋油氣勘探開發(fā)技術(shù)走過(guò)了一條引進(jìn)、消化吸收國(guó)外技術(shù)、國(guó)際合作、自主研發(fā)的道路。隨“九五”和“十五”國(guó)家863計(jì)劃海洋資源開發(fā)技術(shù)主題研究課題的完成，海洋油氣資源勘探開發(fā)也采用一批具有國(guó)際先進(jìn)水平的高技術(shù)成果應(yīng)用其中并取得明顯效益。目前近海油氣勘探開發(fā)技術(shù)體系已初步建立起了，基本具備了一定的深水油氣勘探開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)。 1．3 國(guó)內(nèi)外海底管道連接技術(shù)發(fā)展概述 目前，全世界已有2300多套水下生產(chǎn)設(shè)施、204座深水平臺(tái)運(yùn)行在全世界各大海域，最大工作水深張力腿平臺(tái)(TLP)已達(dá)到1434m、SPAR為2073m、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)為1900m、多功能半潛式平臺(tái)達(dá)到1

15、920m以上、水下作業(yè)機(jī)器人(ROV)超過(guò)3000m，采用水下生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)的油氣田最大水深為2192m，最大鉆探水深為3095m。惡劣海況和復(fù)雜海底地貌及地質(zhì)情況下的回接設(shè)計(jì)技術(shù)，開發(fā)了一系列海底作業(yè)的施工技術(shù)方法，并已形成產(chǎn)品化和系列化。我國(guó)油氣資源開發(fā)當(dāng)前仍處在200m水深以下的近海海域，目前已經(jīng)具備了300米水深以內(nèi)的海洋油田自主開發(fā)能力，深水海域油氣資源仍處在勘探開發(fā)的萌芽。 1．3．1 國(guó)外海底管道連接技術(shù)發(fā)展概況 海底管道連接步驟包括：短管尺寸測(cè)試、制作、降低、對(duì)準(zhǔn)、回接、密封測(cè)試。此項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外發(fā)展比較成熟，其中以美國(guó)和挪威為代表的一些公司已經(jīng)擁有一整套的水下作業(yè)系統(tǒng)工具，并

16、在世界上各個(gè)海域得到廣泛應(yīng)用。 下面連接器類型和海底管道回接方法兩方面說(shuō)明海底管道連接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。 （1）連接器種類 1)螺栓法蘭連接器 螺栓法蘭連接器是由旋轉(zhuǎn)環(huán)法蘭和對(duì)焊頸法蘭組成，見圖1．1。其主要特點(diǎn)是：帶有螺栓孔的旋轉(zhuǎn)法蘭外圈可以轉(zhuǎn)動(dòng)；在兩配合法蘭間開有凹槽，通過(guò)壓縮金屬密封件，實(shí)現(xiàn)密封；經(jīng)濟(jì)成本較低。2001年美國(guó)Stolt Offshore公司研制出MATIS系統(tǒng)，已成功采用此種連接器應(yīng)用于海底管道回接。 1. 螺栓 2.螺母 3.旋轉(zhuǎn)環(huán) 4.旋轉(zhuǎn)環(huán)法 5.管子 6.密封環(huán) 7.對(duì)焊頸法蘭 8.管子與法蘭焊接 圖1.1 螺栓法蘭連接器剖視圖 2)卡箍連接

17、器 卡箍連接器是由上下管接頭法蘭和帶螺栓螺母的卡箍組成，見圖1．2所示。夾緊連接需要的螺栓螺母數(shù)較少，一般只需要2～4個(gè)。連接軸線在每個(gè)管道的末端，其上放置兩個(gè)被螺栓連接的半圓形的夾子，當(dāng)緊固螺栓時(shí)，夾子的凹槽使螺栓張緊時(shí)產(chǎn)生的正交力轉(zhuǎn)化為管道的軸向力，從而使管道合攏。其特點(diǎn)是：快速連接；結(jié)構(gòu)輕易：對(duì)準(zhǔn)精度高；相對(duì)于螺栓螺母連接器費(fèi)用偏高，廣泛應(yīng)用于無(wú)潛連接。美國(guó)FMC公司己成功應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)在深水管道連接當(dāng)中。 1.螺栓 2.卡箍 3.螺母 4.管接頭法蘭 圖1.2 卡箍連接器剖視圖 3)Morgrip機(jī)械連接器， Morgrip機(jī)械連接器是由無(wú)焊縫、整體性的機(jī)械法蘭構(gòu)成，見圖1

18、．3所示。待回接的管道間分別布置軸承式法蘭，在管接頭內(nèi)側(cè)安裝一整套帶彈簧的球軸承，密封圈鑲嵌在其中。通過(guò)雙頭螺栓壓緊，推動(dòng)球軸承頂?shù)椒ㄌm外壁，所獲得的機(jī)械夾緊力壓縮凹槽內(nèi)的密封圈壓靠在法蘭外壁上，實(shí)現(xiàn)密封。美國(guó)Hydratight Sweeney Ltd公司研制的Morgrip機(jī)械連接器比螺栓法蘭連接器價(jià)格高，但它安裝方便，節(jié)省工期。 1.張緊螺栓 2.密封件 3.球軸承 4.彈簧 圖1.3 快速接頭示意圖 4)夾具連接器 夾具連接器是基于對(duì)2分段鉗擰在一起圍繞兩個(gè)中心，如圖1．4所示，此連接器包括一個(gè)兩片分段夾具的設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)適合大口徑，低壓力橫向連接的應(yīng)用，美國(guó)FMC公司已

19、經(jīng)把此項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。 1.鉗夾 2.鎖緊件 3.桿軸承 4.夾住 圖1.4 夾具連機(jī)器示意圖 5)卡爪連接器 卡爪式法蘭連接器是用一組置于被連接管道末端輪轂圓周上的夾頭連接管道，見圖1．5。筒夾繞樞軸移動(dòng)，卡爪鎖在轂的邊緣。作用在轂上的筒夾力還供給金屬環(huán)密封能量，將軸向力施加到轂面上。美國(guó)Oil States公司研制的無(wú)人液壓卡爪式法蘭連接器常用于海底生產(chǎn)系統(tǒng)的最終連接及管道維修。 1.輪轂 2.卡爪 3.套筒 圖1.5 卡爪連接器示意圖 （2）海底管道回接方法 1)水下焊接 常用的水下焊接有濕式焊接、局部干式焊接、干式焊接和摩擦焊接等。前兩種在40m水深以下適用范圍

20、廣，而干式焊接多用在500m水深條件下，并且輔助一個(gè)高壓焊接密封倉(cāng)，當(dāng)潛水員施焊時(shí)，隨時(shí)需要提供潛水員呼吸氧氣及排煙工作。英國(guó)的Stolt Comex Seaway Ltd公司在1986首次將環(huán)形軌道自動(dòng)焊接用于水下高壓倉(cāng)焊接，借助ROV利用子系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)由潛水員輔助完成。對(duì)于500m甚至1000m以上水深的狀況，最具深水應(yīng)用前景的是英國(guó)Cranfield大學(xué)研究表明MIG焊接(GMA焊接)，當(dāng)年在挪威Statoil公司進(jìn)行了實(shí)際710m水深的無(wú)潛高壓焊接。 2)水下機(jī)械連接 在淺水一般由潛水員回接，目前潛水650m為極限水深；而深水情況，采用無(wú)潛回接的遠(yuǎn)程系統(tǒng)，借助

21、于ROV在整個(gè)回接過(guò)程的控制和操作，這樣既降低了成本，還確保了人員安全。 有潛機(jī)械連接： 由潛水員測(cè)量距離和角度偏差，借以來(lái)確定回接需要的剛性或柔性短管尺寸。通常都是將短管預(yù)制好，安裝在船上，將其降低投發(fā)到海底，對(duì)準(zhǔn)與需要回接的管道，然后由潛水員鎖緊螺栓和螺母。最常用的機(jī)械連接器有螺栓法蘭連接器、卡箍連接器和Morgrip機(jī)械連接器。 無(wú)潛機(jī)械連接： 美國(guó)Sonsub公司研制出標(biāo)準(zhǔn)組件的管道拉入、對(duì)準(zhǔn)及連接系統(tǒng)BRUTUS，由ROV安裝及操縱，主要連接器是卡爪式連接器、卡箍連接器、螺栓法蘭連接器和Morgrip機(jī)械連接器。2000年在挪威StatoilNome．Heid

22、run項(xiàng)目中成功采用BRUTUS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下400m水深，直徑400mm管道進(jìn)行了Taper-Lok螺栓法蘭連接器回接。2001年美國(guó)的StoltOffshore公司研制出標(biāo)準(zhǔn)組件高級(jí)回接系統(tǒng)MATIS，能夠?qū)崿F(xiàn)3000m、直徑120～600mm深水管道回接。 美國(guó)Oilstates Hydro Tech公司研制的無(wú)潛卡爪連接器組件，借助ROV的輔助引導(dǎo)僅由簡(jiǎn)單的起重作業(yè)就可實(shí)現(xiàn)海底管道之間的垂直硬管跳接，如圖1．6所示。此外在鋪設(shè)管道時(shí)，首先進(jìn)行卡爪式法蘭連接器與接收器的粗對(duì)準(zhǔn)，然后借助ROV轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈到水平狀態(tài)實(shí)現(xiàn)水平回接，為在海底管道鋪設(shè)方式提供

23、新的起點(diǎn)。如圖1．7所示。美國(guó)Oil States公司運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)成功進(jìn)行了水深396m—640m的回接。 圖1.6 硬管跳接示意圖 圖1.7 垂直引導(dǎo)錐絞接示意圖 1．3．2 國(guó)內(nèi)海底管道連接技術(shù)發(fā)展概況 我國(guó)1500米海底管道回接仍處在萌芽期，還沒有完整的回接設(shè)備，主要回接方式還是租賃國(guó)外公司回接設(shè)備來(lái)完成。管道回接在海中500米以內(nèi)的，多采取潛水員的直接操作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)海底管道的回接。國(guó)內(nèi)則通常采用將整套管材在船上連接成形，然后將成套設(shè)備兩端密封住，最后將整套設(shè)備拉入海中，借助整套設(shè)備的浮力把回接機(jī)具拖到指定位置，再將管線頭兩端打開灌水沉于海中，起重機(jī)將整套設(shè)

24、備下放預(yù)定位置使管線頭下落到基槽內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)接。 1．4 課題的來(lái)源及研究目的和意義 本課題源于國(guó)家“863”項(xiàng)目，是中國(guó)海洋石油工程公司承接的項(xiàng)目《水下分離器及其相關(guān)技術(shù)研究》當(dāng)中《水下連接器技術(shù)研究》的子項(xiàng)目。 當(dāng)前，中國(guó)海洋石油公司進(jìn)行海底管道鋪設(shè)和安裝時(shí)，完全是靠租借國(guó)外設(shè)備或直接委托國(guó)外施工。不但費(fèi)用高，而且施工周期也不能自主。因此，本論文研究的目的就是研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海底管道連接機(jī)具，既能打破現(xiàn)有國(guó)外技術(shù)壟斷現(xiàn)狀，又能節(jié)省開發(fā)成本，縮減施工時(shí)間，大大提高其經(jīng)濟(jì)效益。 本課題的研究意義有如下幾點(diǎn)： （1）經(jīng)濟(jì)利益。擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水下作業(yè)工具，就可以不必租用國(guó)外

25、設(shè)備和聘用國(guó)外人員，可以降低工程成本。同時(shí)使用自己設(shè)備還能打開國(guó)外市場(chǎng)，為國(guó)家創(chuàng)造更多利潤(rùn)。 （2）安裝工期。擁有具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水下作業(yè)工具，很容易達(dá)到海上施工設(shè)備的系統(tǒng)化和配套化，避免擔(dān)心設(shè)備租不來(lái)等諸多問(wèn)題，可以縮減工期，提高工作效率； （3）緩解能源危機(jī)。通過(guò)海底管道法蘭對(duì)接系統(tǒng)的研制和應(yīng)用，可以加速深海油氣資源的開采，緩解我國(guó)對(duì)國(guó)外石油和天然氣的依賴。 （4）國(guó)家利益安全。使用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海洋施工設(shè)備，可以避免國(guó)外公司參與我國(guó)的油氣資源開采項(xiàng)目，就可以保護(hù)我國(guó)油氣資源數(shù)據(jù)不被國(guó)外所掌握，在大意義上來(lái)說(shuō)，能有效的保證國(guó)家利益和安全。 1．5 設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容

26、本設(shè)計(jì)研究海底管道法蘭卡爪連接器，即垂直式卡爪連接器海底管道回接機(jī)具的研制，著重在于卡爪回接方式研究和卡爪連接器設(shè)計(jì)，具體進(jìn)行如下工作： 初始條件的確定，本課題的初始給定條件為1500米水深和6英寸管道。根據(jù)指定參數(shù)，依據(jù)國(guó)內(nèi)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件的選擇標(biāo)準(zhǔn)，查閱國(guó)外有關(guān)資料確定邊界條件； 管道法蘭卡爪連接器的研究。研究國(guó)外海底管道回接方法及連接設(shè)備，從而明確管道法蘭卡爪連接機(jī)具的整體設(shè)計(jì)方案，管道法蘭卡爪連接器回接方式研究； 參照卡箍連接器的設(shè)計(jì)原理，依據(jù)此對(duì)整個(gè)管道法蘭卡爪連接機(jī)具進(jìn)行的整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括卡爪連接器和對(duì)接引導(dǎo)裝置的設(shè)計(jì)；還涵蓋原理分析，對(duì)連接器導(dǎo)向、對(duì)中、連接、鎖緊和密封機(jī)

27、構(gòu)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。 用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E建立卡爪連接器三維模型。 第2章 管道法蘭卡爪連接器整體方案 2．1 引言 管道法蘭卡爪連接器主要借助ROV輔助作業(yè)，實(shí)現(xiàn)深水海底管道之間及管道與井口之間的便于拆卸更換的垂直聯(lián)接和跨接。該連接器在國(guó)外公司通過(guò)自主研發(fā)，以擁有數(shù)類產(chǎn)品成功應(yīng)用世界各個(gè)海況作業(yè)，其突出特點(diǎn)是應(yīng)用的范圍廣泛，在惡劣的海底進(jìn)行無(wú)潛回接，連接的管徑范圍大，而且其結(jié)構(gòu)緊湊，連接快捷，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低。 本章首先根據(jù)實(shí)際海況作業(yè)情況，對(duì)垂直式卡爪機(jī)具提出的要求，然后在闡述管道法蘭卡爪連接機(jī)具的工作原理和回接過(guò)程，最后明確了管道法蘭卡爪機(jī)具的總體設(shè)計(jì)方案。 2．2 管道

28、法蘭卡爪機(jī)具設(shè)計(jì)要求及實(shí)現(xiàn)的功能 為了更好地實(shí)踐由淺海到深海的跨越式發(fā)展戰(zhàn)略，設(shè)計(jì)深水海底管道的液壓垂直式卡爪法蘭連接，即液壓垂直式卡爪深水管道自動(dòng)回接機(jī)具的研制，其目標(biāo)是研制出與1500m水深配套的適用于6寸管徑的連接器試驗(yàn)樣機(jī)，操作壓力達(dá)到5000psi，實(shí)現(xiàn)在管線端匯管和其它匯管或產(chǎn)品樹之間的硬管或軟管跳接。 2．2．1 卡爪機(jī)具的設(shè)計(jì)要求 根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際工作海況情況，設(shè)計(jì)適用于1500m深水環(huán)境的作業(yè)樣機(jī)，試驗(yàn)樣機(jī)適用于6英寸管徑，滿足操作壓力達(dá)到5000psi，并完成樣機(jī)打壓及水池連接試驗(yàn)。 對(duì)深水水下管線連接的解決方案進(jìn)行一般性研究，確定適合的、可靠的

29、、可行的、簡(jiǎn)單高效的連接方式。提出對(duì)水下分離器和海底管道的連接方法研究、卡爪水下接器執(zhí)行結(jié)構(gòu)、力學(xué)分析與仿真研究和密封設(shè)計(jì)研究等該機(jī)具核心技術(shù)給予高度重視。 主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面： （1)水下分離器和海底管道的連接方法研究 剛性管道和柔性管道的連接連接方法研究； 垂直連接方法研究。 （2)卡爪式水下連接器執(zhí)行結(jié)構(gòu) 卡箍式法蘭設(shè)計(jì)； 對(duì)接引導(dǎo)裝置設(shè)計(jì)。 （3)卡爪式水下連接器密封技術(shù)研究 法蘭靜密封研究。 2．2．2 卡爪連接器實(shí)現(xiàn)的功能 通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料及相關(guān)產(chǎn)品的研究，確定卡爪連接器

30、需要完成對(duì)準(zhǔn)、推進(jìn)、夾緊和鎖緊這幾個(gè)重要步驟完成對(duì)接任務(wù)。 首先，由吊車將機(jī)構(gòu)下放到海底，借助ROV引導(dǎo)，通過(guò)套筒對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)行初對(duì)準(zhǔn)；然后由推進(jìn)液壓缸整體推進(jìn)到待連接位置，準(zhǔn)備連接；此時(shí)液壓缸卸荷，彈簧釋放力推動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)向下從而使卡爪閉合夾緊管套，完成連接：最后，彈簧力仍然作用使驅(qū)動(dòng)環(huán)繼續(xù)向下移動(dòng)，最終鎖緊。 2．3 管道法蘭卡爪機(jī)具回接過(guò)程分析 據(jù)資料顯示，國(guó)外主要公司管道法蘭卡爪連接機(jī)具的回接技術(shù)已經(jīng)很成熟，特別以美國(guó) Oil Sates /FMC和Sonsub 等率先研制出管道法蘭液壓卡爪式連接器如圖2.1示，其實(shí)際回接情況如圖2.2所示。 圖2.1 垂直式卡抓連

31、接器圖 圖2.2 垂直式液壓卡抓連接器實(shí)際回接情況 2．3．1 管道法蘭卡爪機(jī)具工作原理 其工作原理如下： 首先，卡爪處于開位，彈簧處于壓縮蓄能狀態(tài)，機(jī)構(gòu)由吊車下放到海底，通過(guò)套簡(jiǎn)對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)行初對(duì)準(zhǔn)(如圖2．3所示)； 然后下放到待連接位置，準(zhǔn)備連接(如圖2．4所示)； 彈簧釋放力推動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)向下運(yùn)動(dòng)從而使卡爪閉合夾緊管套，完成連接(如圖2．5所示)； 最后彈簧力仍然作用使驅(qū)動(dòng)環(huán)繼續(xù)向下移動(dòng)，最終鎖緊(如圖2．6所示)；完成鎖緊以后，對(duì)準(zhǔn)套和控制板收回。 圖2.3 初校對(duì)圖 2.4 整體推進(jìn) 圖2.5 夾緊過(guò)程

32、 圖2.6 鎖緊 對(duì)準(zhǔn)方式初步采用套筒對(duì)準(zhǔn)，在推進(jìn)的過(guò)程中完成精確對(duì)準(zhǔn)。推進(jìn)過(guò)程是指初步對(duì)準(zhǔn)完成后，夾緊部分整體向下推進(jìn)到夾緊位置的過(guò)程。夾緊的過(guò)程采用釋放彈簧的彈簧力提供夾緊并保持鎖緊狀態(tài)。 2．3．2 管道法蘭卡爪連接器回接過(guò)程分析 由于機(jī)具是在深海作業(yè)，潛水員不能夠到達(dá)的水深，而機(jī)具在水下工作適宜攜帶這么大的油箱，經(jīng)討論提出了ROV水下對(duì)接平臺(tái)，即由ROV攜帶著有油口接頭與機(jī)具上相對(duì)應(yīng)的油口接頭實(shí)現(xiàn)水下對(duì)接，從而為機(jī)具提供油源，而此時(shí)油箱只需放在水面上或ROV上。 ROV是遠(yuǎn)程無(wú)人有纜的遙控操作潛器，通過(guò)一根電纜和水面船連接從而獲得能

33、源，控制命令并進(jìn)行通。MAX Rover深潛工作級(jí)ROV是由DeepSea Systems International公司研制的，最大下潛深度可以達(dá)到水下3000m，有效載荷可以達(dá)到90kg，如圖2．7。 圖2.7 美國(guó)DSSI公司的Max Rover 由ROV輔助的管道法蘭引導(dǎo)卡爪連接機(jī)具回接工作過(guò)程如下： （1）連接器整體下放，進(jìn)行初校對(duì) （2）ROV輔助連接機(jī)具進(jìn)行粗連接 （3）完成連接器與平臺(tái)回接 圖2.8 對(duì)接完成后海底管道連接圖 由圖2.8所示，該機(jī)具的整體回接過(guò)程簡(jiǎn)易方便，容易操作，但對(duì)對(duì)準(zhǔn)

34、精度要求比較，由于連接器的引導(dǎo)部件可回收的緣故，其經(jīng)濟(jì)性相對(duì)稍好。 2.4 管道法蘭卡爪機(jī)具總體方案設(shè)計(jì) 2.4.1 卡爪機(jī)具的回接方案 通過(guò)參閱和研究，國(guó)外專利及擁有系列產(chǎn)品公司的資料，依據(jù)這些把管道法蘭卡爪連機(jī)具的研究分為：連接器執(zhí)行機(jī)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)研究。 （1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、推進(jìn)連接機(jī)構(gòu)、海底平臺(tái)待連接機(jī)構(gòu)。 1)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu) 導(dǎo)向由對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)完成，如圖2．3所示，采用套筒對(duì)準(zhǔn)方式；對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)準(zhǔn)是比較關(guān)鍵的技術(shù)，對(duì)準(zhǔn)的精確直接影響連接工作的成功與否，基于此，在用SolidWorks軟件進(jìn)行三維仿真模型設(shè)計(jì)的同時(shí)，計(jì)算出機(jī)構(gòu)允許的最大擺動(dòng)角度。

35、夾緊機(jī)構(gòu)中卡爪和驅(qū)動(dòng)環(huán)是關(guān)鍵零件，二者的配合尤為重要，初始狀態(tài)要求保持卡爪呈張開狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)環(huán)呈提拉卡爪的姿態(tài)，開始工作時(shí)，要保證在整體推進(jìn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)環(huán)不會(huì)受影響而錯(cuò)位，引起某個(gè)或某些卡爪閉合。夾緊過(guò)程如圖2．5所示。 2)推進(jìn)連接機(jī)構(gòu) 鎖緊功能的實(shí)現(xiàn)是推進(jìn)連接機(jī)構(gòu)由液壓缸和彈簧配合完成，其中，難點(diǎn)主要在于彈簧的預(yù)壓縮與釋放，參考國(guó)外的產(chǎn)品以后，設(shè)計(jì)以下兩種方式：一純機(jī)械式結(jié)構(gòu)(如圖2.9所示)。在驅(qū)動(dòng)板與彈簧的另一固定端之間安裝這樣的結(jié)構(gòu)，初始位置為鎖緊，開始進(jìn)行連接時(shí)，由外圍的液壓缸提供動(dòng)力源，將導(dǎo)向套向下推，同時(shí)釋放彈簧進(jìn)行對(duì)接，這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好；缺點(diǎn)是

36、工作不夠穩(wěn)定；二采用液壓缸(如圖2．10所示)。在驅(qū)動(dòng)板與彈簧的另一固定端之間安裝液壓缸，利用液壓缸來(lái)壓縮和釋放彈簧，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)容易，穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是液壓缸不能回收，經(jīng)濟(jì)性較差。由于彈簧一直處于蓄能狀態(tài)，如何克服其彈簧力是難點(diǎn)，對(duì)液壓系統(tǒng)的要求也很高，需要詳細(xì)計(jì)算夾緊瞬間所需的力以及夾緊后保持工作狀態(tài)所需的力。根據(jù)+選擇為彈簧初始蓄能力，要求>+，根據(jù)選擇合適的液壓缸。 圖2.9 機(jī)械式壓縮彈簧機(jī)構(gòu)工作原理示意圖 圖2.10 液壓缸壓縮與釋放彈簧原理圖 3)海底平臺(tái)待連接機(jī)構(gòu) 海底平臺(tái)待連接機(jī)構(gòu)主要由管道、下法蘭、對(duì)準(zhǔn)套筒等組成，要參照現(xiàn)有的海底平

37、臺(tái)待連接機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （2）密封結(jié)構(gòu) 樣機(jī)的密封主要集中于兩部分，第一部分是上下管套之間的靜密封，作用主要是對(duì)連接管道的密封，確保連接完成后的正常使用。在參考國(guó)外的產(chǎn)品時(shí)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)樣機(jī)采用雙重密封并帶有密封測(cè)試口，主要密封采用金屬密封圈形式，任務(wù)是對(duì)管道連接直接密封防止泄漏：次要密封采用橡膠密封，任務(wù)則是保護(hù)內(nèi)層的金屬密封圈不受海水侵蝕老化，提高壽命和整個(gè)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。在試驗(yàn)樣機(jī)的上管套也設(shè)計(jì)有密封測(cè)試口，方便對(duì)密封進(jìn)行測(cè)試：第二部分是對(duì)于推進(jìn)液壓缸的動(dòng)密封。液壓缸直線往復(fù)動(dòng)密封主要分為兩部分：一活塞桿密封；二活塞密封，需要考慮對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)的精確性要求和工況負(fù)載，采用特殊結(jié)構(gòu)和材

38、料的組合密封可以達(dá)到要求?；钊麠U要嚴(yán)格阻止油液泄漏，污染環(huán)境，防止水侵入元件，為了避免動(dòng)態(tài)泄漏，使用串聯(lián)密封?；钊芊鈨蛇叾加幸簤河停芊忾g隙為流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，可通過(guò)被增能的矩形截面PTFE密封環(huán)密封，用PTFE材料制成的附加外側(cè)軸承環(huán)保護(hù)活塞免受磨損顆粒侵害。通過(guò)對(duì)往復(fù)密封件進(jìn)行有限元分析，模擬在液壓力和負(fù)載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布，合理設(shè)計(jì)密封圈截面形狀。 （3）建立卡爪連接器的三維模型 1)三維模型 利用Pro/E軟件建立機(jī)構(gòu)的三維模型，并進(jìn)行干涉分析。關(guān)鍵零件包括卡爪、上法蘭、下法蘭、驅(qū)動(dòng)環(huán)、彈簧以及推進(jìn)板等。 2．4．2 卡爪連接器作業(yè)過(guò)程 通過(guò)對(duì)國(guó)外卡

39、爪連接器工作原理及回接過(guò)程的描述可知，管道法蘭卡爪連接器的工作流程比較清晰，其流程圖如圖2．11所示 1.海上操作船攜帶管道法蘭連接器預(yù)先到達(dá)指定地點(diǎn)，然后把所有設(shè)備安裝預(yù)定地點(diǎn)下放，隨時(shí)準(zhǔn)備對(duì)接任務(wù) ↓ 2.管道法蘭卡爪連接機(jī)具由作業(yè)船上的吊車，通過(guò)纜線下放的形式吊放海底，借助ROV的牽引把機(jī)具定位在待連接的管道回接的上方處 ↓ 3.ROV供油，并借助固定在海底平臺(tái)上的套筒牽引下，機(jī)具按預(yù)定的速度下落，實(shí)現(xiàn)上下法蘭成功相配合 ↓ 4.ROV供油并操作液壓缸動(dòng)作，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)推動(dòng)處于張開狀態(tài)下的卡爪，閉合鎖緊在下法蘭錐形面上 ↓ 5.ROV輔助觀察，撤回纜線等工具，完成對(duì)接

40、。最終ROV撤離管道法蘭卡爪回接機(jī)具 圖2.11 垂直式卡爪回接機(jī)具作業(yè)流程圖 2．5 本章小結(jié) 本章首先陳述了管道法蘭卡爪連接器的設(shè)計(jì)要求和實(shí)現(xiàn)功能，然后分析了管道法蘭卡連接器機(jī)具的回接原理及回接過(guò)程，進(jìn)行了管道法蘭卡爪連接機(jī)具的總體方案計(jì)機(jī)具包括卡爪連接器和導(dǎo)向?qū)?zhǔn)裝置及其三維模型設(shè)計(jì)應(yīng)用的軟件Pro/E等，最后給出了機(jī)具作業(yè)的流程圖。 第3章 管道法蘭卡爪連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3．1 引言 管道法蘭卡爪連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)要求出發(fā)，根據(jù)國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)零部件，結(jié)合國(guó)外技術(shù)和國(guó)內(nèi)實(shí)際海況出發(fā)，首先設(shè)計(jì)6寸管道，根據(jù)卡箍原理從里向外設(shè)計(jì)連接器各個(gè)零部件，及對(duì)其

41、校核分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性。 3．2 回接管道設(shè)計(jì) 管道材料和直徑壁厚設(shè)計(jì)． (1)管道材料 海底管道對(duì)選用管材的制造方式上沒有特殊的要求，如無(wú)縫鋼管、各種保護(hù)焊的縫鋼管等均可使用。但在滿足設(shè)計(jì)、安裝要求的前提下，同時(shí)要選用最經(jīng)濟(jì)的管材。內(nèi)管道普遍采用美標(biāo)API SP 5LX42／X80型管道材料，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)15CrMo的合金鋼做外管道的材質(zhì)，屈服強(qiáng)度=520，許用應(yīng)=147，其性能均能達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)滿足工程需求。 (2)設(shè)計(jì)壓力 查閱《海洋油氣管道工程》：集油管是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與平臺(tái)之間跳接的管道或管束，工作壓力通常為6.8—9.8，管徑在152—604mm(6-18英寸

42、)之間；②1998—2002鎮(zhèn)海煉化至蕭山油庫(kù)段輸油管道直徑為Φ355.6mm，工作壓力為6.27；⑨經(jīng)查證，俄羅斯東西伯利亞至太平洋輸油管道最高工作壓力達(dá)14。 根據(jù)公式 = (式3-1) 式中： —壓力， —海水密度，lxl0kg／m —重力加速度，9.8m／s —距海面高度，m 得出水深1500米位置海底壓力P=1.0xl0xl0xl500=15 。 通過(guò)資料查閱和數(shù)據(jù)分析顯示，對(duì)于海底1500米環(huán)境下外壓15Mpa條件下，初步定管內(nèi)的流體壓力為15。初步

43、擬定兩種狀態(tài)：一是恒壓，二是恒壓差。現(xiàn)以恒壓設(shè)計(jì)計(jì)算，考慮到兩種極限狀態(tài)都是壓差15，結(jié)果影響不大。 (3)管道直徑 根據(jù)《常用管子標(biāo)準(zhǔn)及其外徑尺寸對(duì)比》查得，6英寸(DNl50 mm)管道外徑為168mm。 (4)管道壁厚 對(duì)于壓力管道來(lái)說(shuō)，大多數(shù)都屬于薄壁管道，故當(dāng)S<／6或者／0.385 時(shí)受內(nèi)壓直管理論壁厚計(jì)算公式可按式： =++ (式3-2) 式中：— 設(shè)計(jì)壓力， — 管子外徑，mm — 管子的理論計(jì)算壁厚，mm — 設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，147 — 焊縫系數(shù)，對(duì)于無(wú)縫鋼管，=1 — 腐蝕余量，mm — 管子

44、壁厚負(fù)偏差，mm Y — 系數(shù)0.4 算得=14mm。 根據(jù)壓力等級(jí)計(jì)算公式： =1000 (式3-3) 式中： — 壁厚等級(jí) — 設(shè)計(jì)壓力， — 材料許用應(yīng)力， 算得=120。 根據(jù)《石油行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》中SH3405-96標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，選取公稱直徑DNl50的道，外徑=168mm，選取壁厚等級(jí)為l20的壁厚要求，即壁厚14mm。具體參數(shù)見表3．1。 表3.1 管道參數(shù) 參數(shù) 備注 水深 1500m 最大水深 水壓 15 最大水壓 管道材料 15CrMo 管道公稱直徑 6inch 中

45、海油給定 管道外徑 168mm 石化標(biāo)準(zhǔn)外徑 管道壁厚 14mm 管道壁厚等級(jí) Schl20 設(shè)計(jì)油壓 35 (5)管道強(qiáng)度校核 所設(shè)計(jì)垂直式卡爪連接器用于水下1500m(文中未注線性尺寸單位為mm)，取設(shè)計(jì)外壓為15MPa，管道材料15CrMo，外徑=168 mlTl，管道長(zhǎng)度=50m，名義厚度=28，有效厚度=20.5，=167.85。 按第四強(qiáng)度理論和強(qiáng)度失效準(zhǔn)則： = (式3-4) 可求得=131.03，已知=150 ，<，

46、所以管道滿足強(qiáng)度要求。 按鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)=7.62，=6.176，查圖得到系數(shù)=0.021系數(shù)=164MPa，根據(jù)下式可以計(jì)算出許用外壓： = (式3-5) 其中：= 符號(hào)表示取小運(yùn)算，經(jīng)計(jì)算=35.18，大于設(shè)計(jì)外壓15，所以管滿足穩(wěn)定性要求。 3．3 卡箍法蘭設(shè)計(jì) 法蘭是用于連接管子、設(shè)備等帶螺栓孔的突緣狀元件。根據(jù)國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)法蘭的設(shè)計(jì)要求結(jié)合該設(shè)計(jì)的實(shí)際參數(shù)，得出所需法蘭為不帶螺栓連接孔的特殊法蘭，構(gòu)設(shè)計(jì)成不開孔的實(shí)心形式，然后再對(duì)其進(jìn)行校核、改進(jìn)，最終完成設(shè)計(jì)。 （1）法蘭的公稱壓力等級(jí) 選擇法蘭的公稱壓力

47、，一般取比設(shè)計(jì)壓力高一個(gè)等級(jí)的壓力，本文取25.0。 （2）法蘭形式設(shè)計(jì) 依據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)3406—96的要求，在保證強(qiáng)度的情況下，減小法蘭輪轂的直徑采用環(huán)槽面對(duì)焊法蘭，由于密封形式特殊，需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)法蘭進(jìn)行一些改進(jìn)，選擇標(biāo)準(zhǔn)形式為如圖3．1所示： 圖3.1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接法蘭 （3）密封圈設(shè)計(jì) 根據(jù)管道公稱直徑，法蘭壓力等級(jí)和法蘭形式，選取密封圈為橢圓形金屬環(huán)46，材料316—0Crl7NiMo2。橢圓形密封圈主要是利用在卡爪預(yù)緊力的作用使得密封圈與密封面緊密接觸，同時(shí)密封圈發(fā)生微量的塑性變形并填滿法蘭密封面上微觀凹凸不平之處，從而形成密封。法蘭的參數(shù)見表3.2。 表3.2

48、 法蘭參數(shù) 參數(shù) 備注 法蘭公稱壓力 PN25.0 法蘭形式 RJ 環(huán)槽面法蘭 法蘭材料 00Cr17Ni14Mo2 密封墊片 R46 橢圓形金屬密封圈 墊片材料 316—0Cr17Ni12Mo2 卡抓個(gè)數(shù) 18 1)規(guī)范墊片系數(shù) 在螺栓法蘭墊片連接中，壓緊墊片的力使墊片材料產(chǎn)生變形從而填滿法蘭密封面間的微間隙。墊片最小預(yù)緊比壓是指在安裝過(guò)程中沒有內(nèi)壓的情況下，墊片接觸面積上的壓應(yīng)力表達(dá)式為 (式3—6

49、) 式中，—墊片的受壓面積。 操作工況下，由于受介質(zhì)壓力的作用，為了保證工作條件下連接的密封性能，墊片上應(yīng)保持必需的壓緊比壓，或稱為殘余壓緊應(yīng)力，以符號(hào)表示。所謂墊片系數(shù)就是工作條件下墊片的殘余壓緊應(yīng)力和介質(zhì)壓力之比，其表達(dá) 為 (式3—7) 墊片最小預(yù)緊比壓和墊片系數(shù)可由試驗(yàn)確定，可查出不銹鋼：墊片系數(shù)：6.50; 壓力比：179.3()。 2)墊片有效寬度 ，，。墊片基本密封寬度，為槽寬 3)墊片壓緊力作用中心圓直徑 ，

50、 （4）螺栓載荷 國(guó)內(nèi)外最有影響的螺栓法蘭連接的規(guī)范設(shè)計(jì)方法ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第八篇第一分篇附錄“2具有環(huán)形墊片的卡箍法蘭連接規(guī)程”(意下簡(jiǎn)稱‘規(guī)范’方法)。按照這一規(guī)程，一個(gè)緊密的卡箍一法蘭．墊片連接，必須在安裝時(shí)將墊片預(yù)緊到一定的載荷，操作時(shí)墊上必須保持足夠的殘余壓緊載荷，不致出現(xiàn)由于流體靜壓力在容器端部引起的載荷造成密封面分離而導(dǎo)致連接泄露。 圖3.2 卡箍法蘭圖 1)操作時(shí)最小螺栓載荷 足以承受作用在以墊片反作用力為直徑的圓面積上的設(shè)計(jì)壓力產(chǎn)生的端部靜壓力日及實(shí)踐表明足以保證密封的墊片壓縮載荷。 =0.

51、785 (式3—8) = (式3—9) 式中：—墊片壓緊力作用中心園直徑，mm —設(shè)計(jì)內(nèi)壓(15)， —墊片有效密封寬度， —墊片初始密封比壓(也叫比壓力)， 如上所知將其值帶入公式(3—8)(3—9)得=5.25x10，=2.05x10 操作時(shí)最小螺栓載荷 (式3-10) 式中

52、：—卡箍凸肩角，。 —摩擦角度， 鋼對(duì)鋼無(wú)潤(rùn)滑摩擦一般取，，將其帶入(3-10)中得 2)預(yù)緊所需最小螺栓載荷 裝配所需總的軸向預(yù)緊力(取，或在自緊式墊片的軸向密封載荷很大時(shí)，取軸向密封載荷) 無(wú)內(nèi)壓常溫下密封初始載荷 (式3-11) 得出： 3)裝配載荷 保證承受操作狀態(tài)合適的卡箍連接預(yù)載荷，螺栓裝配載荷。 (式3-12) 將(式3-8)( 式3-9)的值帶入(3-12)式中可得

53、 4)所需螺栓面積 操作狀態(tài)每個(gè)卡箍凸耳所需螺栓總截面積，螺紋根部或小徑計(jì)算， (式3-13) 預(yù)緊狀態(tài)每個(gè)卡箍凸耳所需螺栓總截面積，螺紋根部或小徑計(jì)算， (式3-14) 裝配狀態(tài)每個(gè)卡箍凸耳所需螺栓總截面積，螺紋根部或小徑計(jì)算， (式3-1

54、5) 式中：—設(shè)計(jì)溫度螺栓許用應(yīng)力， —室溫螺栓許用應(yīng)力， 螺栓材料為0Crl8Ni9 ：=901，,；=122將其帶入 (式3-13)( 式3-14 )( 式3-15 )得出=292.45 ,=215.57 ,=831.97 總橫截面積應(yīng)是操作狀態(tài)、預(yù)緊狀態(tài)和裝配狀態(tài)中較大值所以==831.97 （5)卡箍連接件螺栓載荷 操作狀態(tài)下： ==5.27x10 (式3-16) 裝配狀態(tài)下： =

55、= （6）卡箍法蘭的力矩平衡校核 法蘭的材料是00Crl7Nil4Mo2，=124.1 ，=82.4 卡箍材料0Crl8Nil0Ti，=138 ，=129 確定高頸力矩由載荷與力矩臂的乘積。此外考慮高頸偏心和承受壓力所引起的反作用力矩。操作狀態(tài)下，設(shè)計(jì)力矩是六個(gè)單獨(dú)力矩、、、、、的總和。所用螺栓載荷由公式(3-16)求得。 1)由所產(chǎn)生的力矩，= (式3-17) 在內(nèi)腔面積上的端部靜壓力，=0.785 (式3-18)

56、 其中由卡箍與高頸間有效反作用力圓周到‰作用圓周的徑向距離， 卡箍與高徑間有效作用力的圓周直徑 = (式3-19) = 式中：—高頸內(nèi)徑， —高徑外徑， —高頸頸部與高頸凸肩相交處壁厚， —卡箍?jī)?nèi)徑， 由于高頸內(nèi)徑=140，=224，=264，=42 將上列數(shù)值帶入 (3-19) 得出：=0.785=0.78514015=2.31 ==244，

57、=3l 再將其帶入 (3-1 7) 最終得出： =7.15 x10。 2)偏心力矩, = 其中為高頸頸部小端厚度，得出==23079014=3.23x10。 3)由所產(chǎn)生的力矩，=其中總的軸向有效夾持預(yù)載荷與總的端部靜壓力和連接接觸面總壓縮力兩者之和之間的差值， ==0, ==0。 4)由所產(chǎn)生的力矩，= 其中總的端部靜壓力與內(nèi)腔面積上端部靜壓力之差值==524980.397-230790=由卡箍與高頸間有效反作用力圓周到所作用圓周的徑向距離是， 最后得出，． 5)由壓力所產(chǎn)生的力矩： 6)卡箍的徑向平衡力矩： 7)操作狀態(tài)下，高頸上總的旋轉(zhuǎn)力矩： 8)裝配狀

58、態(tài)下，高頸上總的旋轉(zhuǎn)力矩： (式3-20) （7)高頸應(yīng)力計(jì)算 1）確定旋轉(zhuǎn)力矩 應(yīng)計(jì)算高頸頸部所定義反作用力矩和反作用剪力。 (式3-21) 其中：高頸凸肩對(duì)其中心軸的慣性矩： 高頸凸肩厚度；高頸凸肩的平均厚度： 由高頸面到高頸凸肩環(huán)形心的軸向距離： 由高徑內(nèi)徑至高頸凸肩環(huán)形心的徑向距離： 將上述其值帶入(3-21)可得： ，， 高頸頸部處的反作用剪力： , 2）高頸應(yīng)力 高頸頸部外傾II的軸向應(yīng)力： ， (式3-22)

59、 (式3-23) 高頸內(nèi)腔處求得的最大環(huán)向應(yīng)力： (式3-24) 凸肩處高頸的最大剪應(yīng)力： (式3-25) (式3-26)

60、 頸部處高頸的最大徑向剪應(yīng)力： (式3-27) (式3-28) 法蘭的軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和剪應(yīng)力應(yīng)不大于設(shè)計(jì)溫度下法蘭材料的許用應(yīng)力，即有： ， , , 式中：—設(shè)計(jì)溫度下(操作狀態(tài))高頸材料的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力， —室溫度下(裝配狀態(tài))高頸材料的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力， 最終校核合格。 （8)卡箍應(yīng)力計(jì)算 1）卡箍本體處內(nèi)徑處的軸向應(yīng)力： (式3-29) (式3-

61、30) 式中：—卡箍凸緣的有效力臂， —卡箍凸緣的有效長(zhǎng)度， —連接件中心線到螺栓中心的徑向距離， —螺栓中心到卡箍橫截面形心處徑向距離， —離卡箍中性軸的尺寸， , , 2）卡箍本體處外徑處的切向應(yīng)力： (式3-31) (式3-32) 3）卡箍曲緣的最大剪應(yīng)力： (式3-33) (式3-34) 4）卡箍凸耳的彎曲應(yīng)力；

62、 (式3-35) (式3-36) 5）卡箍與高頸接觸處應(yīng)力： (式3-37) (式3-38) 卡箍的軸向應(yīng)力、切向應(yīng)力、最大剪應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力都不大于設(shè)計(jì)溫度下卡箍材料的許用應(yīng)力，即有： ， ， ， ， , 最后得出卡箍校核合格，以此為依據(jù)對(duì)卡爪連接器進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。 3．4 垂直式卡爪回接機(jī)具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3．4．1 總體結(jié)構(gòu)概括

63、 依據(jù)設(shè)計(jì)方案，管道法蘭卡爪連接機(jī)具總體結(jié)構(gòu)分為卡爪連接器，對(duì)接引導(dǎo)定位，液壓系統(tǒng)幾大部分，總體結(jié)構(gòu)如圖3．3所示。 1. 下法蘭 2.卡爪 3.墊圈 4.耳環(huán) 5.上法蘭 6.夾緊活塞缸 7.夾緊液壓缸 8.螺釘 9.固定環(huán)板 10.控制板 11.吊耳 12.液壓油管孔 13.彈簧 14.固定耳座 15.滑動(dòng)套筒 16.對(duì)準(zhǔn)液壓缸 17.移動(dòng)環(huán)板 18.驅(qū)動(dòng)環(huán) 19.對(duì)準(zhǔn)缸活塞 20.活塞固定座 21.錐形筒 22.引導(dǎo)錐 23.引導(dǎo)錐連接板 24.肋板 25.底板 圖3.3 垂直式卡爪連接機(jī)具 圖3.3中的主要組成部分如上所示，機(jī)具靠ROV輔助作業(yè)和引導(dǎo)套筒實(shí)

64、現(xiàn)粗對(duì)接，壓系統(tǒng)提供推力推動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)，卡爪連接器的卡爪在驅(qū)動(dòng)環(huán)的作用下抓合兩法蘭，并靠驅(qū)環(huán)的作用定位，完成對(duì)接。 3．4．2 卡爪連接器設(shè)計(jì) 卡爪連接器工作實(shí)質(zhì)是18只卡爪在驅(qū)動(dòng)環(huán)的作用下從處在開位狀態(tài)到抓合兩蘭，實(shí)現(xiàn)兩法蘭之間的密封，實(shí)現(xiàn)對(duì)接。顯而易見，卡爪連接器是整個(gè)機(jī)具核心所在，其型如圖3．4所示。 1. 驅(qū)動(dòng)環(huán) 2.移動(dòng)環(huán)板 3.彈簧 4.限位套筒 5.夾緊液壓缸 6.固定環(huán)板 7.引導(dǎo)桿 8.外管道 9.固定耳座 10.銷軸 11.上法蘭 12.限位螺母 13.卡爪 14.下法蘭 圖3.4 管道法蘭卡爪連接器 夾緊結(jié)構(gòu)： 夾緊結(jié)構(gòu)是由卡爪、上下法蘭和驅(qū)動(dòng)環(huán)及密封元

65、件構(gòu)成，主要的功能是18個(gè)均卡爪抓和下法蘭錐面的情況下壓緊密封圈塑性變形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管道回接的密封效果。因此夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足這種需求。 1. 驅(qū)動(dòng)環(huán) 11.上法蘭 13.卡爪 14.下法蘭 圖3.5 卡爪張開連接剖面 如圖3．5所示，夾緊機(jī)構(gòu)工作過(guò)程如下：驅(qū)動(dòng)環(huán)1在液壓缸5的作用下上提，進(jìn)而動(dòng)鑲嵌在上法蘭槽外面的卡爪13上提，這樣卡爪處于張開狀態(tài)，卡爪斜錐面張開的幅度直徑295要大于下法蘭面最大直徑292,標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)允許角度偏差，英寸軸偏移，與此同時(shí)限位套筒4也限制驅(qū)動(dòng)環(huán)l上移的距離，進(jìn)而保證卡爪張開的角度不易過(guò)大也使卡爪不會(huì)脫離驅(qū)動(dòng)環(huán)內(nèi)側(cè)的瓶頸。 15.金屬密封圈 1

66、6.石棉墊片 圖3.6 卡爪閉合連接剖面 如圖3．6所示，在標(biāo)準(zhǔn)完成對(duì)接后，液壓缸5驅(qū)動(dòng)移動(dòng)環(huán)板2從而驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)下移致使卡爪閉合，壓縮上下法蘭槽內(nèi)安裝金屬密封圈15，使其壓縮變形，從而達(dá)到密封效果石棉密封16起到輔助功能，有效防止長(zhǎng)時(shí)間在海底工作環(huán)境下海水對(duì)金屬密封圈的蝕，起到保護(hù)的功效，也是其設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處。 推進(jìn)結(jié)構(gòu)： 推進(jìn)機(jī)構(gòu)是由液壓缸，限位套筒，引導(dǎo)桿，彈簧，移動(dòng)環(huán)板和固定環(huán)板等附件成，其主要功能是提供驅(qū)動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)卡爪的準(zhǔn)確張開與閉合，還保證張開的限位功能，同還要提供后備推力從而實(shí)現(xiàn)連接器長(zhǎng)久工作的穩(wěn)定性。 17.定位圓螺母 18.加強(qiáng)筋 圖3.7 推進(jìn)結(jié)構(gòu)件圖 如圖3．7所示，推進(jìn)結(jié)構(gòu)與夾緊機(jī)構(gòu)緊密相連。推進(jìn)結(jié)構(gòu)的工作過(guò)程是：夾緊液缸的活塞桿開始一直處于收縮狀態(tài)，進(jìn)而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)致使卡爪處于張開狀態(tài)，當(dāng)上下初準(zhǔn)結(jié)束后，輔助工具ROV就會(huì)在按動(dòng)外裝置上的控制板，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)夾緊液壓缸活塞桿伸出從而使卡爪抓和下法蘭。伸縮液壓缸采用的是優(yōu)瑞納斯廠家生產(chǎn)的前鉸軸式液壓缸，缸蓋處有鉸軸，通過(guò)耳座將液壓缸安裝在垂直回接機(jī)具的橫梁上?；钊麠U前端帶有螺紋裝在移