【導(dǎo)讀】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(méi)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。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)，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)。

　　

【正文】 大于設(shè)計(jì)溫度下法蘭材料的許用應(yīng)力，即有： MPaS c ? ? ?? ? ， MPaS Z ? ? ?? ? MPaS ? ? ?OHS? ? MPaS c ? ? ?? ? , MPaS z ? ? ?? ? MPaS c ? ? ?? ? , MPaS Z ? ? ?? ? 式中： ? ?OHS — 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， MPa 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 ? ?AHS — 室溫度下 (裝配狀態(tài) )高頸材料的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力， MPa 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： ? ? M P aC lCCZC WStmttCC a n2 25 ????????? ??? (式 329) ? ? M P aC lCCZC WStmttZZ a n2 25 ????????? ??? (式 330) 式中： ml — 卡箍 凸緣的有效力臂， mm cl — 卡箍凸緣的有效長(zhǎng)度， mm cB — 連接件中心線到螺栓中心的徑向距離， mm be — 螺栓中心到卡箍橫截面形心處徑向距離， mm X — 離卡箍中性軸的尺寸， mm ? ? mmCCll icm 102 ???? , mmBc ? , mmXlCBe cicb ??????????? M P aAlCCCCCXccgWttW 22??????? ???????? ?? 2） 卡箍本體處外徑處的切向應(yīng)力： ? ? M P aI XCeAWSctbccC ??????? ??? (式 331) ? ? M P aI XCeAWSctbcZZ ??????? ??? (式 332) 3） 卡箍曲緣的最大剪應(yīng)力： ? ? M P aZCCC WS gW CC a ??? (式 333) ? ? M P aZCCC WS gW ZZ a ??? (式 334) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 4） 卡箍凸耳的彎曲應(yīng)力； M P aLL LWShWaCC 28 ?? (式 335) M P aLL LWShWaZZ 28 ?? (式 336) 5） 卡箍與高頸接觸處應(yīng)力： ? ? M P aZCCA WS i CC a n9 ??? (式 337) ? ? M P aZCCA WS i ZZ a n9 ??? (式 338) 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： MPaS C ? ? ?? MPa207? ， MPaS Z ? ? ?? ? MPaS C ? ? ?? MPa207? ， MPaS Z ? ? ?? ? MPaS C ? ? ?? ? ， MPaS Z ? ? ?? ? MPaS C ? ? ?OCS? MPa138? ， MPaS Z ? ? ?ACS? ? MPaS C ? ? ?? ? , MPaS Z ? ? ?? ? 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 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。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 1. 下法蘭 圖 垂直式卡爪連接機(jī)具 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 圖 ，機(jī)具靠 ROV輔助作業(yè)和引導(dǎo)套筒實(shí)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) 圖 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。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 1. 驅(qū)動(dòng)環(huán) 圖 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 295mm 要大于下法蘭面最大直徑 292mm ,標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)允許 ??2 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。 圖 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。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 圖 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。活塞桿前端帶有螺紋 裝在移動(dòng)環(huán)板上，安裝保證了鉸軸中心線和前端中心線在同一個(gè)平面上。定位圓螺母 17證活塞桿伸出長(zhǎng)短準(zhǔn)確定位 。 3． 4． 3 對(duì)接引導(dǎo)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 對(duì)接的引 導(dǎo)裝置附著在卡爪連接器的外側(cè)，由引導(dǎo)套筒、海底固定錐形筒、控制 及活塞固定座和 一對(duì)對(duì)準(zhǔn)液壓缸等組成。其功能是確保張開的卡爪 連接器準(zhǔn)確下法蘭端 定位，實(shí)現(xiàn)卡爪 連接器的初對(duì)準(zhǔn)，只有先保證了上下法蘭初對(duì)準(zhǔn)的精度要求條件下，才 進(jìn)行卡爪的抓和和密封工作，同樣起到關(guān)鍵作用。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 1. 海底固定錐形筒 7對(duì)準(zhǔn)缸活塞 圖 對(duì)接引導(dǎo)裝置結(jié)構(gòu)件圖 如圖 3． 8所示，對(duì)接引導(dǎo)裝置的工作過(guò)程如下：首先是吊車下放整個(gè)機(jī)具下放到 底平臺(tái)上方， ROV牽引整個(gè)機(jī)具下放，這時(shí)引導(dǎo)套筒 2成功套在海底固定錐形筒 2上，由 引導(dǎo)套筒的下端開口遠(yuǎn)大于錐形簡(jiǎn) 的端口，這樣很容易實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)具的粗對(duì)準(zhǔn)，而套簡(jiǎn) 內(nèi)徑略大于錐形筒的外徑，一直到活塞固定座 3與錐形筒接觸并將其勾住，這時(shí)由 ROV來(lái) 節(jié)控制板，對(duì)準(zhǔn)液壓缸 4沿著引導(dǎo)套筒的滑道和整個(gè)機(jī)具下落，一直到上法蘭與下法蘭 端面接觸如圖 3． 5所示的狀態(tài)，這時(shí)張開的 18個(gè)卡爪包裹在下法蘭的邊緣，隨時(shí)準(zhǔn)備好 和法蘭。其中對(duì)準(zhǔn)液壓缸的行程就是引導(dǎo)套筒的下落的距離。 3． 5 本章小結(jié) 本章首先對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)的管道法蘭 卡爪連接機(jī)具的結(jié)構(gòu)原理進(jìn) 行了具體分析，然后對(duì)機(jī)具的導(dǎo)向?qū)?zhǔn)裝置和卡爪連接器裝置 進(jìn)行了詳細(xì)的工作原理分析和具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 結(jié) 論 論文介紹了海底管道連接技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ，深入研究了國(guó)外海底管道連接機(jī)具和回接方式，根據(jù)課題要求，設(shè)計(jì)了一種專用于海底管道平臺(tái)間 跨接所需管道法蘭 卡爪連接專用機(jī)具。本文完成的工作如下： l、根據(jù)海底作業(yè)環(huán)境及設(shè)計(jì)指標(biāo)，提出了海底平臺(tái)間跨接所需的管道法蘭 卡爪回接機(jī)具設(shè)計(jì)方案及管道連接工藝。 明確機(jī)具功能和機(jī)械動(dòng)作前提下，對(duì)管道 卡爪機(jī)具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。包括鞏固穩(wěn)定功能且雙密封結(jié)構(gòu)的卡爪連接器；研制出一套準(zhǔn)確定位、導(dǎo)向的對(duì)接引導(dǎo)裝置，保證機(jī)具管接頭與海底平臺(tái)頸端管接頭準(zhǔn)確接合。 對(duì)管道法蘭 卡爪連接機(jī)具的核心受力部件進(jìn)行了有限元分析，對(duì)卡爪連接器裝 置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。 管道法蘭 卡爪連接機(jī)具的研究在我國(guó)僅僅處于起步階段，與國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)相差很大。但由于時(shí)間原因，設(shè)計(jì)上還存在某些缺陷的地方： 設(shè)計(jì)的機(jī)具是垂直式卡爪連接的，后續(xù)應(yīng)考慮研究水平卡爪機(jī)具，那樣能更好的保證回接質(zhì)量和精度，同時(shí)多樣的機(jī)具也能更加靈活的運(yùn)用在海底管道回接技術(shù)上。 設(shè)計(jì)的引導(dǎo)裝置是不可回收式的，應(yīng)著重研究引導(dǎo)對(duì)接裝置的可回收 性，這樣能更加節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)性更好。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 參考文獻(xiàn) ??1 吳時(shí)國(guó)，袁圣強(qiáng)．世界深水油氣勘探進(jìn)展與我國(guó)南海深水油氣前景．天然氣地球科學(xué)， 2020，l6(6)： 693699頁(yè) ??2 李清平．我國(guó)海洋深水油氣開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)．中國(guó)海上油氣， 2020： 131133頁(yè) ??3 楊川恒，杜栩，潘和順等．國(guó)外深水領(lǐng)域勘探進(jìn)展及我國(guó)南海北部陸坡深水區(qū)油氣勘探潛力．地學(xué)前緣， 2020， 7(3)： 247253頁(yè) ??4 劉鐵樹，何仕斌．南 海北部陸緣盆地深水區(qū)油氣勘探前景．中國(guó)海上油氣地質(zhì)， 2020， 15(3)：164170頁(yè) ??5 連璉，孫清，陳宏民．海洋油氣資源開發(fā)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究．中國(guó)人口．資源與環(huán)境， 2020，6667頁(yè) ??6 時(shí)黎霞，李志剛等．海底管道回接技術(shù)．天然氣工業(yè)， 2020， 28(5)： 106108頁(yè) ??7 李一平．水下機(jī)器人一過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)．自動(dòng)化博覽． 2020(3)： 5658頁(yè) ??8 關(guān)俊峰．卡爪式深海管道自動(dòng)連接機(jī)具技術(shù)研究．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文． 2020：1020頁(yè) ??9 管道與管道附件 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)．機(jī)械工業(yè)出版社， 2020(11)： 1819頁(yè) ??10 周延?xùn)|．我國(guó)海底管道的發(fā)展?fàn)顩r與前景．中國(guó)海洋石油總公司海上工程公司． 1998 ??11 岳進(jìn)才．壓力管道技術(shù)．第二版．北京：中國(guó)石化 出版社， 2020： 128頁(yè) ??12 鄭津洋，馬夏康，尹謝平．長(zhǎng)輸管道安全．北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2020， 48頁(yè) ??13 國(guó)內(nèi)外鉆井與采油設(shè)備新技術(shù)．北京：中國(guó)石化出版社， 2020． 1： 246頁(yè) ??14 馬克忠，巫廣州．管道安裝工程施工技術(shù)．成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社， 2020： 6668頁(yè) ??15 張金和．圖解管道安裝操作技術(shù)．北京：中國(guó)電 力出版社， 2020： 5762頁(yè) ??16 趙文軍，張樹梅，王翔等．高溫高壓法蘭密封施工技術(shù)．石油化工設(shè)備． 2020， 35(3)： 68頁(yè) ??17 富永新，楊春光．管道密封墊片的分類與應(yīng)用．遼寧化工． 2020， 34(6)： 266頁(yè) ??18 顧伯勤，李新華，田爭(zhēng)．靜密封設(shè)計(jì)技術(shù)．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2020 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 34 致 謝 本論文是在倫冠德老師 的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)下完成的， 老師 一方面在學(xué)習(xí)和學(xué)術(shù)研究上嚴(yán)格要求，另一方面則在生活上給予了真 切關(guān)懷。指導(dǎo) 老師 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識(shí)、誨人不倦的精神和寬厚樸實(shí)的作風(fēng)給學(xué)生留下了深刻的印象，使學(xué)生終身受益無(wú)窮。籍此論文完成之際， 謹(jǐn)向指導(dǎo)老師 致以最崇高的敬意和最衷心的感謝 ! 在課題的研究過(guò)程中，作者還得到了其他 老師的無(wú)私幫助 和耐心指教，在此向幫助我的 老師表達(dá)誠(chéng)摯的謝意 !我 還得到了 馮洋、馮汝廣、雷震、韓文康 等同學(xué)的熱情幫助，也向他們表示衷心的感謝 !感謝所有幫助過(guò)我的老師、同學(xué)和朋友 !感謝對(duì)論文進(jìn)行評(píng)審、提出寶貴意見的各位專家 ! 再次感謝幫助過(guò)我的老師和同學(xué)！