【文章內(nèi)容簡介】 這幾個(gè)重要步驟完成對接任務(wù)。 首先，由吊車將機(jī)構(gòu)下放到海底，借助ROV引導(dǎo)，通過套筒對準(zhǔn)，進(jìn)行初對準(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)具回接過程分析 據(jù)資料顯示，國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 Oil Sates /FMC和Sonsub 。 垂直式卡抓連接器圖 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，通過套簡對準(zhǔn)，進(jìn)行初對準(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，對準(zhǔn)套和控制板收回。 初校對圖 整體推進(jìn) 夾緊過程 鎖緊對準(zhǔn)方式初步采用套筒對準(zhǔn)，在推進(jìn)的過程中完成精確對準(zhǔn)。推進(jìn)過程是指初步對準(zhǔn)完成后，夾緊部分整體向下推進(jìn)到夾緊位置的過程。夾緊的過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水下對接平臺(tái)，即由ROV攜帶著有油口接頭與機(jī)具上相對應(yīng)的油口接頭實(shí)現(xiàn)水下對接，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)程無人有纜的遙控操作潛器，通過一根電纜和水面船連接從而獲得能源，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。 美國DSSI公司的Max Rover由ROV輔助的管道法蘭引導(dǎo)卡爪連接機(jī)具回接工作過程如下： （1）連接器整體下放，進(jìn)行初校對 （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 對接完成后海底管道連接圖 ，該機(jī)具的整體回接過程簡易方便，容易操作，但對對準(zhǔn)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)性相對稍好。 管道法蘭卡爪機(jī)具總體方案設(shè)計(jì) 卡爪機(jī)具的回接方案 通過參閱和研究，國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)對準(zhǔn)機(jī)構(gòu) 導(dǎo)向由對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)完成，如圖2．3所示，采用套筒對準(zhǔn)方式；對于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對準(zhǔn)是比較關(guān)鍵的技術(shù)，對準(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。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)()。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)行對接，這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)性好；缺點(diǎn)是工作不夠穩(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。 機(jī)械式壓縮彈簧機(jī)構(gòu)工作原理示意圖 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、對準(zhǔn)套筒等組成，要參照現(xiàn)有的海底平臺(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，作用主要是對連接管道的密封，確保連接完成后的正常使用。在參考國外的產(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試口，主要密封采用金屬密封圈形式，任務(wù)是對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)有密封測試口，方便對密封進(jìn)行測試：第二部分是對于推進(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?，密封間隙為流體動(dòng)壓潤滑，可通過被增能的矩形截面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。通過對往復(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)過程 通過對國外卡爪連接器工作原理及回接過程的描述可知，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，然后把所有設(shè)備安裝預(yù)定地點(diǎn)下放，隨時(shí)準(zhǔn)備對接任務(wù)↓，通過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↓，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↓，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↓，撤回纜線等工具，完成對接。最終ROV撤離管道法蘭卡爪回接機(jī)具 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)國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)零部件，結(jié)合國外技術(shù)和國內(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，及對其校核分析，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 海底管道對選用管材的制造方式上沒有特殊的要求，如無縫鋼管、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，—，管徑在152—604mm(618英寸)之間；②1998—，；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31) 式中： —壓力， —海水密度，lxl0kg／m—重力加速度，／s —距海面高度，m得出水深1500米位置海底壓力P==15 。通過資料查閱和數(shù)據(jù)分析顯示，對于海底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。初步擬定兩種狀態(tài)：一是恒壓，二是恒壓差?，F(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)及其外徑尺寸對比》查得，6英寸(DNl50 mm)管道外徑為168mm。(4)管道壁厚對于壓力管道來說，大多數(shù)都屬于薄壁管道，故當(dāng)S／6或者／ 時(shí)受內(nèi)壓直管理論壁厚計(jì)算公式可按式：=++ (式32)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)，對于無縫鋼管，=1— 腐蝕余量，mm— 管子壁厚負(fù)偏差，mmY — 算得=14mm。根據(jù)壓力等級(jí)計(jì)算公式：=1000 (式33)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》中SH340596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。 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)