（机械电子工程专业论文）可回收式水平海底管道连接器关键技术研究.pdf

可同收式水平海底管道连接器关键技术研冗 摘要 随着全球海洋石油工业的高速发展，并实现由浅海到深海的跨越式转变，对输油管 道的安全性提出了更高的要求。同时，各种管道连接技术也越来越多的应用于海洋石油 开采系统。其中可回收式水平海底管道连接器是一种新型高效的管道连接技术。水平连 接器通过初对准、对中、连接、锁紧、解锁及连接器回收等步骤，实现软、硬管道与海 底固定采油设施的连接。 本课题为“水下分离器及相关技术研究”子课题之一，论文主要任务是研制出与 1 5 0 0 m 水深配套的适用于6 i n c h 连接器试验样机，并对关键技术进行研究。 通过对国内外管道连接器方案研究，并根据实际工况提出了水平连接器试验样机总 体设计方案。本设计过程遵照i s 0 1 3 6 2 8 标准( 石油天然气工业海底开采系统的设计 与操作) 。水平连接器机械本体由安装工具、接头机构、固定支座三部分组成。通过有 限元分析软件，对关键部件进行强度校核。应用a d a m s 软件，对底座套筒与锥形导向 体的碰撞、液压缸推进过程、卡爪抱紧过程进行动力学与运动学仿真分析，并验证了设 计参数的合理性。 根据实际工况，设计了连接器液压系统方案。考虑到液压缸施加载荷对连接性能有 重要作用，建立了液压缸力伺服控制系统，推导了阀控液压缸力伺服系统传递函数，通 过m a l l a b s i m u l i n k 进行特性分析，通过引入p i d 控制器对系统进行校正，提高了系 统的稳定性，并使其具有较好的动态性能。 通过对连接器接头进行密封试验，验证了密封圈法兰结构的合理性，接头密封性能 可以达到实际工况下的性能指标，为连接器的后续设计提供了可靠的参考依据。 关键词：水平连接器；结构设计；运动学动力学研究；力控制：密封试验 可同收式水平海底管道连接器关键技术研究 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fg l o b a lo f f s h o r eo i li n d u s t r y ，a n dt oa c h i e v et h e g r e a t - l e a p - f o r w a r dt r a n s f o r m a t i o nf r o mt h es h a l l o w t ot h ed e p t h s ，h i g h e rr e q u i r e m e n t sa r ep u t f o r w a r df o rt h es a f e t yo fo i lp i p e l i n e a tt h es a m et i m e ，t h ev a r i o u sp i p ec o n n e c t i o n t e c h n o l o g y i sa l s oi n c r e a s i n g l ya p p l i e do f f s h o r eo i lp r o d u c t i o ns y s t e m s a m o n gt h e m ， r e c y c l i n gh o r i z o n t a ls u b s e ap i p ec o n n e c t o ri s an e wa n de f f i c i e n tp i p e l i n ec o n n e c t i o n t e c h n o l o g y t h r o u g hc o a r s ea l i g n m e n t ，a l i g n m e n t ，c o n n e c t i o n ，l o c k ，u n l o c k ，r e c y c l i n ga n d o t h e rs t e p s ，h o r i z o n t a lc o n n e c t o ra c h i e v ec o n n e c t i o no fs o f t a n dh a r d p i p e l i n e s a n d u n d e r w a t e rf i x e do i lf a c i l i t i e s t h er e s e a r c hs u b j e c ti so n eb r a n c ho fu n d e r w a t e rs e p a r a t o ra n di t sr e l a t e dt e c h n i c a l r e s e a r c h t h em a i nt a s ko fp a p e ri st od e v e l o pt h ee x p e r i m e n tp r o t o t y p eo fh o r i z o n t a l c o n n e c t o rw h i c hf o r m sac o m p l e t es e to f1 5 0 0 md e p t ha n di sa p p l i c a b l et o6 ”d i a m e t e r , a n dt o r e s e a r c ht h ek e yt e c h n i q u e s t h r o u g ht h ed o m e s t i ca n da b r o a dp i p e l i n ec o n n e c t o f ss c h e m er e s e a r c h ，a n da c c o r d i n gt o a c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo fe x p e r i m e n tp r o t o t y p eo fh o r i z o n t a l c o n n e c t o ri sp u tf o r w a r d t h i sd e s i g np r o c e s si si na c c o r d a n c ew i t hi s 0 1 3 6 2 8s t a n d a r d ( p e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a si n d u s t r i e s d e s i g na n do p e r a t i o no fs u b s e ap r o d u c t i o ns y s t e m s ) h o r i z o n t a lc o n n e c t o rb o d yi sc o m p o s e do ft h r e ep a r t s ，i n c l u d i n gi n s t a l l a t i o nt o o l s ，j o i n t i n s t i t u t i o n sa n df i x e ds u p p o r t t h es t r e n g t hc a l i b r a t i o nf o rm a i nc o m p o n e n t sw a sd o n e a c c o r d i n gt ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a p p l y i n ga d a m s s o f t w a r e ，t h ed y n a m i c s a n dk i n e m a t i c ss i m u l a t i o na r em a d ef o rt h ec o l l i s i o no fb a s es l e e v ea n dc o n e s h 印e do r i e n t e d b o d y ，t h eh y d r a u l i cc y l i n d e ra d v a n c e dp r o c e s sa n dt h ec o l l e th o l d i n gp r o c e s s ，a n dv e r i f yt h e r a t i o n a l i t yo f t h ed e s i g np a r a m e t e r s t h ed e s i g no fc o n n e c t o rh y d r a u l i cs y s t e ms o l u t i o n si sa c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw o r k i n g c o n d i t i o n c o n s i d e r i n gt h el o a dh y d r a u l i cc y l i n d e re x e r t e dh a sa l li m p o r t a n ti n f l u e n c eo n c o n n e c t i o np e r f o r m a n c e ，t h eh y d r a u l i cc y l i n d e rf o r c es e i v 0 一c o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e d ，a n d t h et r a n s f e rf u n c t i o no fv a l v ec o n t r o lh y d r a u l i cc y l i n d e rf o r c es e r v os y s t e mi sc a l c u l a t e d t h r o u g hm a t l a b s i m u l i n ka n a l y s i s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dp i d c o n t r o l l e rc a l i b r a t i n gt h e s y s t e m ，t h es t a b i l i t yi si m p r o v e da n dt h es y s t e mh a sg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e t h r o u g ht h es e a l i n ge x p e r i m e n to fc o n n e c t o rj o i n t ，t h er e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h e 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 s e a l i n gr i n gf l a n g es t r u c t u r ei sr a t i o n a l ，a n dt h es e a lp e r f o r m a n c ec a na c h i e v ep e r f o r m a n c e i n d i c a t o r so fa c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s t h a tp r o v i d e sar e l i a b l er e f e r e n c ef o rt h ef o l l o w - u p c o n n e c t o rd e s i g n k e yw o r d s ：h o r i z o n t a lc o l l e tc o n n e c t o r ；s t r u c t u r a ld e s i g n ；d y n a m i c sa n dk i n e m a t i c ss t u d y ； f o r c ec o n t r o l ；s e a l i n ge x p e r i m e n t 第1 苹绪论 第1 章绪论 1 1 引言 水下连接器是水下生产系统中一种重要的全自动安装连接装置，它涉及到机械，液 压，控制，材料等各个方面，是一种集合了各种先进技术的安装工具。可回收式水下连 接器依靠其自动、快捷、经济和可靠性等优点，广泛应用于水下生产系统的管端连接、 管端汇管、管汇之间硬或软管跳接及管道维修l l , 2 1 。 1 2 课题来源、目的及意义 1 2 1 课题来源及研究目的 “水下连接器技术研究”课题为“十一五”国家“8 6 3 ”重点项目，是中国海洋石油工程股 份有限公司承接的“水下分离器及相关技术研究”的子课题之一。 通过本课题的研究，形成具有自主知识产权的可回收式水平海底管道连接器工程设 计能力和提高海底管道铺设专用设备制造技术。课题从研究国内外可回收式水下连接器 技术入手，设计开发一套水下连接器试验样机，验证作业可行性和可靠性，为最终的工 程样机提供设计依据。 。 1 2 2 课题研究意义 深水管道连接是公认的海洋工程难题。由于水下环境复杂，受到海水压力、温度、 地形、水下生物等的影响，未来发展较快的仍为无人水下作业技术，如图1 1 所示为水 下生产系统作业图【羽。水下生产系统，特别是在深水领域，各种管道的连接和生产设施 的固定方面对所使用的连接器和采用的连接方式有较高技术要求。如管汇、采油树、管 道终端设施( p l e t ) 之间的相互连接都是通过自动水下连接器将流管、跳管连接相应 固定设施上。所以开发一套功能安全、性能可靠的水下连接器技术是在水下生产过程中 具有重要意义【4 】。 在深水连接技术方面，传统的螺栓法兰管道连接技术因为连接费时，对准过程复杂， 同时对水下机器人( r o v ) 操作技术要求较高，所以功能实现方面较困难。可回收式水 下连接器和传统的连接方式相比具有连接快速性、安全性等优点，相对于传统的螺栓法 兰连接大大缩短了安装过程。随着材料以及制造技术的提高，密封技术的进步，对于高 压、高腐蚀性环境，这种套筒卡爪连接方式可以达到要求的密封效果。由于连接器中 安装工具部分可以回收利用，相对于一体式的水下连接装置，可回收式连接器在材料利 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 用、环保、经济性等方面优势明显。一体式结构成本是可回收式结构的3 倍，由于可回 收式连接器没有液压装置留在海底，同时又提高了系统的安全性，所以可回收式快速连 接方式是未来海底管道连接技术的主要发展趋势【5 1 。 图1 1 水卜生产系统作业原理图 1 3 国内外水下连接器研究现状 水下生产系统中，套筒卡爪连接方式主要通过水下机器人( r 0 v ) 辅助操作，实 现管端的最终对接，同时，套筒卡爪连接方式也广泛用于深水管道的破损替换、无潜 维修等方面。这种连接方法的优点：结构紧凑，连接快捷，连接管径范围宽2 i n c h 4 2 i n c h ， 应用广泛。目前，美国o i ls t a t e s 、f m c 、c a m e r o n 等公司率先研制出全自动液压卡爪水 下连接器，已应用到全球很多海底油田管道连接系统中。我国起步较晚，十一五期间由 “8 6 3 项目”资助，开始进行深入的技术研究，深水连接器的研究，对打破国外垄断，提 高我国深海油田自主开发能力具有重要意义【6 1 。 1 3 1 国外水下连接器的发展 1 、o i ls t a t e s 公司深水系列连接装置 如图1 2 和图1 3 显示的是o i ls t a t e s 公司的两种可回收式的管道连接安装工具的外 形。图1 4 显示的是整体式连接装置的接头内部结构同。 o i ls t a t e s 公司的水下连接器具有自身的系列特点： ( 1 ) 满足快速稳定的安装要求，安装范围在直径上可达4 2 i n c h ，承受压力最高可 达到1 5 0 0 0 p s i 。 ( 2 ) 根据客户的需求，提供完全匹配的尺寸和压力设计要求。 ( 3 ) 通过r o v 的辅助操作，整个连接过程( 包括姿态调整和初始的密封测试) 约 第1 章绪论 为3 0 分钟。 ( 4 ) 在安装和回收过程中，接头装置的位置倾角允许达到7 。的误差。 ( 5 ) 连接装置大多应用于水深在1 0 0 0 m 以内的领域。最深记录是5 3 0 0 慨( 1 6 1 5 m ) 。 图1 2 水平式安装上具图1 3 立式连接器图1 4 接头内部结构 o i ls t a t e s 公司可回收式连接装置的最典型应用 典型工程： 地点：墨西哥湾； 水深：1 3 0 0 f t - 2 1 0 0 f t 0 9 6 m 一2 4 0 m ) ； 接头数目：6 j u m p e r s 、1 2 c o l l e tc o n n e c t o r s ； 尺寸和压力等级：4 i n c h 和6 i n c h 、1 7 m p a ( 2 5 0 0 p s i ) 。 o i ls t a t e s 公司专门为卡爪接头连接方式而研发金属密封技术。其金属密封结构可以 提供一个兼容性的密封表面，可以完全与底座接头( h u b ) 的表面相配合，这种密封方 式的显著特点是密封圈可以承受相同等级外压和内压，提高了安装的可靠性。 2 、c a m e r o n 公司深水系列连接装置 c a m e r o n 公司从上个世纪6 0 年代开始水下管道对接装置的研发，经过几十年的积 累和改进公司的产品特点也不断有创新。现在公司拥有各种尺寸和连接方式的管道对接 装置。最为典型的产品为可回收是套筒连接装置，产品特点如下： ( 1 ) c a m e r o n 公司的管道接头尺寸从4 i n c h 到2 0 i n c h ，l o i n c h 以下能达到1 5 0 0 0 p s i 。 ( 2 ) 对于i s o 标准的工作压力5 0 0 0 p s i ，管道的直径最大可到1 4 i n c h 。 c a m e r o n 公司提供的可回收式套筒连接装置，其管道接头对应的管道尺寸和达到的 压力等级，如图1 5 所示。 ( 3 ) 根据r o v 的辅助情况，整个连接过程所用的时间从3 0 m i n 到1 2 0 r a i n 不等。 哈尔滨上= 程大学硕士学位论文 i c o l l e tc o n n e c t o r翥墨= 掣 一 一 c 岍哺c o n n e ct o r 鬟d r e m 4 一i n c ht e , u mp i n c ht m , u mp i n c h1 c u m o p 一i n c ht , l m l p i m ：hl t u l g ip s i 1 t i n c h 毛p 1 i i n c h 渊_ - s u p e r - c v ct ； 1 _ i n c h 一 2 1 - i m c h x 玎一 图1 5c a m e r o n 公司的管接头尺 ( 4 ) 应用范围广，常用于流体管道和跳管安装。 ( 5 ) 可回收式套筒连接装置典型结构如图1 6 所示，总重达到4 5 t 左右。 图1 6c a m e r o n 公司可回收式套筒连接器 3 、f m c 公司深水系列连接装置 f m c 公司拥有完备的管道连接装置系列，管道的尺寸范围可以从2 i n c h 到3 6 i n c h ， 同时，f m c 公司能够提供刚性或柔性的跳管( i u m p e r ) 直径从4 i n c h 到1 8 i n c h ，长度可 以超过1 5 0 f t ( 5 0 m ) ，设计水深超过1 0 0 0 0 f t ( 3 0 0 0 m ) 和工作压力达到1 5 0 0 0 p s i 的安 装工具。f m c 公司的管道连接器及接头典型结构如1 7 、1 8 所示。 f m c 公司的卡爪连接器技术很成熟，已经形成标准系列，主要有应用于中压( k c - 4 ) 和高压( k c 5 ) 两个大的分类。用于中压接头k c 4 型如图1 9 所示，用于高压的产品k c 5 型如图1 1 0 所示，它们的设计完全参照i s 0 1 3 6 2 8 4 系列标准。 4 第1 章绪论 矿影渊 图1 7f m c 管道连接器典型结构图1 8f m c 公司接头典型结构 这两种产品的结构略有不同。k c 4 系列接头主要应用于中压，适应管径系列为 3 i n c h - 3 0 i n c h ，t 作压力达到3 4 5 m p a ，其最大特点是大尺寸管道的可承受压力等级很 高，6 i n c h 的管道压力等级可以达到3 4 5m p a 。k c 5 系列的接头可承受压力等级更高， 适应管径系列为8 i n c h 2 2 i n c h ，工作压力达到6 9 m p a 。f m c 公司的产品涵盖了各种类型 的各种尺寸的管道接头类型，而且密封技术标准高，高温高压承受能力强。 瀛觯 图1 9f m ck c - 4 管道接头图1 1 0 f m ck c - 5 管道接头 1 3 2 国内水下连接器的发展 我国起步较晚，十一五期间由“8 6 3 项目”资助开始进行研究，为深海油田开发作技 术储备。只有少数几家科研院所在深海开发领域有研究。其中哈尔滨工程大学前身作 为哈军工的海军工程系，在海洋工程领域一直处于国内领先地位。我们水下作业技术与 装备实验室从上个世纪七十年代就开始进行水下技术研究，直接参与了一系列的重大科 研装备，在相关领域有着深厚的技术积累。并形成了一只高水平的科研队伍。对于深水 连接方面，我们很早就进行了受力分析和密封方面的研究，并积累重要的参数资料。哈 尔滨工程大学对“水下连接器”课题组已经完成了设计了三代水下管道。第一阶段已经完 哈尔滨l ：程人学硕士学位论文 成了两代样机的设计，根据实际工况要求，总结设计经验，对连接器实施改进，并提出 了可行的解决方案。第一代、第二代样机如下： 1 、水下连接器系统第一代样机 水下第一代样机包括导向定位部分、卡爪连接部分和液压系统三部分，如图1 1 1 所示。连接器通过导向定位装置实现对连接器的初对准和精确定位，利用液压部分提供 的推力，在通过卡爪连接装置实现管道对接i 引。 幽1 1 l 水卜连接器第一代样机图1 1 2 水卜连接器第- 4 样机 2 、水下连接器系统第二代样机 第二代样机也是在导引装置作用下，完成卡爪对管道的连接，同时第二代样机增加 了液压锁紧与机械锁紧装置，使管道在连接完成之后可以安全、可靠的实现永久性工作， 结构如图1 1 2 所示【9 l 。 可回收式水平管道连接器综合了前两代样机设计的优点，对总体方案进行了全面的 改进，无论从连接功能、密封性能还是经济性等，使其更加满足实际的工况要求。 1 4 几种典型接头连接方案研究 管道接头作为连接其中重要的组成部分，其结构性对管道的可靠连接、密封性能具 有至关重要的作用。在i s 0 1 3 6 2 8 1 标准( 石油天然气工业海底开采系统的设计与操作 第一部分：总要求与建议) 中，对管道接头进行分类时，将其分为螺栓法兰式、卡箍式 和其它特殊连接方式。同时，在介绍特殊连接方式接头时指出，通过均匀排列的卡爪式 管道法兰相互连接方法属于其中的一种。所以本设计中，卡爪式结构的管道连接器属于 i s o 标准中的特殊连接方式，需自行设计【1 0 】。 管线连接器分三大类：螺栓法兰连接器、卡箍连接器、特殊方式连接器，各种类型 6 第1 章绪论 管道连接器结构如1 1 3 所示。 ( 1 ) 螺栓法兰连接( 2 ) 卡箍连接器( 3 ) 套简连接器 图1 1 3 管道连接器 螺栓法兰连接器的理论和技术比较成熟，适用范围广。但在水下连接操作时，由于 操作过程通过水下机器人来实现，所以的接头的对准精度要求很高，其要求活动法兰接 头可轴向旋转，并且要求连接器同时紧固多个螺栓，对连接器操作性提出很高要求。整 个连接过程复杂装置尺寸较大，安装操作时间较长【1 1 , 1 2 】。 卡箍连接器由于安装过程中需要连接的螺栓较少，安装工时较少，接头结构尺寸小， 但安装难度较大，精度要求较低【1 3 】。 套筒连接器因为无需螺栓连接而具有快速连接优势，可节省连接操作时间，对于对 准精度要求较低，结构操作性强，外形尺寸小，节省工件材料，拆卸方便等优点。三种 连接器方案对比如表1 1 所示。 表1 1 水下连接器对比 螺栓法兰连接器夹箍连接器套筒连接器 b o l t e df l a n g ec o n n e c t o r c l a m pc o n n e c t o r c o h e tc o n n e c t o r 无潜安装无潜安装无需螺栓 准备期短快速连接快速连接 安装工期长，1 2 i n c h 连接器需1 6 - 2 0 h结构轻对准精度2 。 结构较复杂对准精度5 。安装操作时间短 费用最多费用高费用低 技术提供商 o c e a n e e r i n g o i l s t a t e s v e c t o rv e t c o c a m e r o n o c e a n e e r i n g f m c 同c d e s t e co i ls t a t c s v e t c o 琊u r s a k k a k k 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 综上所述，套筒卡爪式连接器具有连接快速，对准精度适中，可拆卸、可回收等 特点，节约安装时间，经济性和技术性上具有明显优势。套筒卡爪式连接器不同连接 方式对比如表1 2 所示。 表1 2 连接方式比较 连接方式优势 劣势 管线终端无需跳管回接全程需要管线安装船 泄露危险低回接时间长 牵引式 可偏转回接另一端安装需要卷扬机和滑轮 直接回接两端口 需r o v 操作空间 理想的两端口连接法 需悬索和制作管线终端跳管 垂直式 安装过程平稳垂直弯曲区或产生段塞流 理想的两端口连接法 需悬索和制作管线终端跳管 无垂直弯曲区 水平式跳管可能产生水平烧结应力 对准精度高 对准调整困难 最佳流量防止段塞 理想单端口连接可自行离开连接基座需先安装 铰接式单端口安装无需跳管安装次序不可变 安装工具简单工期短材料和加工费用高 通过对各种连接方式的比较，水平式是理想的两端口连接方法，易于安装，产生作 用力较小，而且需要的辅助措施较少。所以本课题研究水平方式的海底管道卡爪连接装 置系统【1 4 1 5 1 。 1 5 课题主要研究内容 本文通过对国内外可回收式水平管道连接器发展概况研究的基础上，分析了国内第 一第二代连接器样机原理，同时对典型管道接头研究进行研究，提出了本课题连接器的 总体方案并对连接器机械结构及关键部件进行分析，对液压系统分进行了方案改进设 计，最后通过试验证明密封的可靠性。主要包括以下几方面内容t 查阅国内外液压套爪式连接器的相关资料，进行分析消化并提出研究方案； 对深海环境和国际标准做详细分析，确定了海底管道的结构和尺寸、法兰的形式和 套爪结构，并对套爪抓合力进行进行理论分析计算，在此基础上确定了水平管道连接器 的总体方案。 在连接器装置方案设计的基础上，对连接器装置完成功能所需的动作进行了研究， 确定各个部件的功能，最后完成水平管道连接器的三维结构设计，同时对卡爪、锁紧与 8 第1 苹绪论 解锁等部件结构进行详细分析。对水平管道连接器的主要零部件进行有限元分析，对密 封圈的密封性进行非线性接触分析，通过有限元分析结果判断连接器设计的合理性。最 后通过a d m a s 软件，对连接器安装过程中的碰撞力、液压缸的整个推进过程、卡爪的 运动轨迹和受力进行了分析，验证了结构设计合理性，同时提供了参考依据。 在结构设计的基础上，对连接器装置进行液压系统设计与研究，针对本课题对密封 载荷的要求，在此基础上对液压系统进行了改进建立了力控制系统模型，同时引入p i d 进行校正分析，并对密封载荷进行仿真实验研究。 通过对关键部件密封圈与法兰的密封试验研究，分析了密封的可靠性、泄漏率等进 行了分析，验证了设计的结构满足性能要求。为总体结构进一步优化提供了理论依据与 试验基础。 9 哈尔滨一【：程大学硕十学位论文 第2 章连接器总体方案研究 2 1 引言 本课题研究的水下管道连接器为无人自动连接器，通过水下高清摄像机，控制水下 机器人( r o v ) 完成管道最终连接。其具有可靠性高、强度大、操作灵活等优点。根据 设计要求，本章提出了水下连接器总体设计方案。总体方案包括：理论计算、总体结构 设计、液压控制系统、以及系统的设计难点密封方案等进行了分析，对整个机构进行总 体阐述，后面章节将对各部分结构进行详细分析。 2 2 连接器系统总体方案设计 总体方案包括水上部分安装船及控制箱水下部分水平连接器主机及水下机器人 r o v 等。总体方案如图2 1 所示【1 6 1 。 5 盔孰，。，上，燮，三。馥兰兰二 2 3 4 1 安装船及控制箱：2 r o v ：3 安装管道；4 海底生产设施；5 水平连接器 图2 1 可回收式水平连接器总体构成图 2 2 1 连接器设计技术参数 根据实际情况，对深水管道快速连接技术，即卡爪式可回收水平连接器领域的相关 技术和问题作出一定的研究和突破。 1 、实物要求： 1 0 第2 章连接器总体方案研究 满足工作条件要求的6 i n c h 管径试验样机的设计与试验要求。 2 、工作参数要求： 水深1 5 0 0 m ； 工作压力5 0 0 0 p s i ( 3 4 5 m p ) ； 管道直径6 6 2 5 i n c h 。 设计过程中应遵循i s 0 1 3 6 2 8 标准，在标准范围内，涉及到一些具体部件计算时可 引用了a p i 、a s m e 、m s s s p 等标准。 连接器设计应满足r o v 操作要求及相关船用标准。 2 2 2 连接器总体结构分析 可回收式水平管道连接器的主机结构示意图，如图2 2 所示。连接器主机主要由安 装工具机构、接头机构和水下同定支座组成。 1 安装工具机构；2 接头机构：3 水下固定支座 图2 2 可回收式水平管道连器工作状态图 ( 1 ) 安装工具机构：对准后，由推进液压缸将接头机构推出，进行管道连接。主 要组成部件是液压锁、锁紧块、导轨、加载板、推进板、吊装横梁、r o v 控制板、加 载液压缸、推进液压缸、锁紧液压缸、锥形导向体等。 ( 2 ) 接头机构：连接器在初对准之后，有接头机构部分完成整个管道的连接与密 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 封。主要组成部件是卡爪、法兰、驱动环、锁紧环、管道等。 ( 3 ) 海底固定支座：其固定在水下工作平台上，承载整个安装过程，并且承担管 道的连接工作。主要组成部件是底座接头( h u b ) 、锥形套筒等f 1 刀。 可回收式水平管道连接器水平连接器主要部件总体构成如图2 3 所示。 可回收式水平管道连接器 安装工具li 接头机构ll 固定支座 薹l l 萋l l 篓鋈i l 宗l l 薹 锥 形 套 筒 图2 3 主要部件总体构成 2 3 连接器工作流程分析 在进行管道连接及安装过程中，首先由安装船通过缆绳把连接器下放至海底，连接 器被送达到固定装置上方后，通过r o v 调整安装工具的位置，并操作控制面板，由导 引装置通过锥形套筒实现整个装置的初步对接，整个连接器装置通过r o v 操作继续被 下放到海底固定装置上指定位置，调整好安装工具位置，实现精准定位。此时，卡爪仍 然处于完全张开状态，通过推进液压缸，实现整个接头部分与海底固定装置上h u b 的精 确却对准，通过锁紧液压缸，推动驱动环，使周向卡爪组实现预定的旋转运动，当液压 缸加到指定载荷时，最终实现卡爪完全闭合，既法兰面与透镜式密封圈工作面紧密接合。 此时r o v 通过控制管道锁紧环上的液压锁，使驱动环缩进，防止驱动环轴向串动，是 驱动环处于完全抱紧卡爪的工作状态，实现两管道的最终连接。r o v 控制操作面板， 使锁紧液压缸和推进液压缸进行解锁和反向推进，是安装工具推进锁紧部分与接头连接 部分分离，同时通过操作另一组锁紧液压缸，是安装工具与管道分离，并最终实现安装 工具的完全分离。此时通过r o v 操作控制板，并通过海底缆绳使整个安装工具部分实 现回收。 通过上面对连接安装的整体过程进行分析，管道连接过程可以概括为以下4 步：初 对准、调整与定位、卡爪闭合与锁紧、装置回收。水平连接器整体工作过程实物原理如 图2 4 所示。 第2 章连接器总体方案研究 ( 2 ) 调整与定位 ( 3 ) 卡爪闭合与锁紧 ( 4 ) 装置回收 图2 4 水平连接器工作过程 通过对上面工作顺序的回放，对整个装置安装步骤进行了相关解释，如图2 5 所示。 圈一 圈一 匿一 囤一 a 、通过安装船将可回收水平连接器连接器送达海 底指定位置，通过水下摄像机及r o v 操作，实现连 接器与海底固接装置锥形套筒的初步定位。 b 、通过r o v 操作，使整个连接器装置继续被下放到 海底固定装置工作平台上，调整好安装工具位置， 实现管道接头与海底h u b 的精准定位。 c 、r o v 提供液压油源，是安装工具上推进、锁紧等 液压缸按规定顺序动作，是卡爪处于抱紧状态，实 现法兰与密封面的结合，并实现管道的最终连接。 d 、通过r o v 操作控制面板，是液压缸进行解锁和反 向推进，实现整个安装工具与连接接头分离，并通 过海底缆绳使整个安装工具部分实现回收。 图2 5 顺序流程图 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 4 连接器液压系统 1 、连接器液压系统工作原理 连接器作业环境为水深1 5 0 0 m ，由于海水具有较强腐蚀性，水压较大，要求液压元 件具有较好的抗腐蚀性，并且能够承受海水高压作用。 整个水下连接器装置由安装船通过缆绳吊放至海底，当到达海底平台时，有r o v 辅助操作完成连接器于海底平台的初对接。用于缓冲的推进液压缸动作，通过推动板， 完成法兰的初步对接。再由驱动液压缸推动驱动环，控制卡爪完成法兰最终对接。 本套连接器液压装置分为四套驱动回路，其中两套驱动回路完成管道的连接与对 中，另外两套驱动回路为液压锁紧回路，实现对部件的锁紧与解锁工作。为实现连接与 对中，推进过程液压缸需带动整个管道接头移动，驱动过程液压缸需使驱动环移动，考 虑到整个装置的运动稳定性，两套驱动回路均采用四个液压缸均匀分布的方式，并采用 同一供油管路供油。对于锁紧回路，液压缸均选择单作用单活塞杆液压缸，并且对称布 置，是整个连接器受力平衡。 调压部分由溢流阀和一个二位二通换向阀组成。溢流阀的遥控口与换向阀相连，当 换向阀未得电时，系统压力原始供油压力。换向阀得电后，系统压力由溢流阀调定。 保压部分由蓄能器实现管路的压力保持回路。实现停止供油后，管道内压力保持不 变，达到定位的目的。 ”，7 2 、力控制系统组成及工作原理 连接器通过液压系统实现管道对接的关键是对轴向载荷的控制。因此，在分析液压 系统原理的基础上，对本液压控制系统的加载部分进行了仿真分析，提出了对力控制系 统的设计方案。 力控制系统由指令信号、伺服放大器、伺服阀、液压缸和力传感器组成，工作原理 如图2 6 所示。 图2 6 液压伺服回路方块图 整个系统中，液压缸输出负载力，此力由传感器测得并转换成反馈电压信号，反馈 第2 章连接器总体方案研究 电压信号与已知的指令信号进行比较，得到偏差电压信号，经放大器放大后，输入伺服 阀，再由伺服阀输出和偏差信号差比例的压差，驱动液压缸活塞，减小负载力偏差，直 到输出的负载力等于指令信号相对值。 在此力伺服控制系统中，被测量为力。而在速度和位移伺服控制系统中，虽然驱动 受力对象运动也有力输出。但是此力不是被控制量，不能得到精确的控制，其精确控制 的物理量为速度和位移。而在力伺服控制系统中，通过对力的控制来调节输入的流量， 此时，速度和位移等决定于受力对象本身性质和输出力的状态【1 8 】。 2 5 连接器密封方案 管道的内部工作压力达到了5 0 0 0 p s i ，外部水深也达到了1 5 0 0 m ，这样的工作压力 密封难度很大。但是由于海底管道的安全性是极其重要的，所以整个密封技术的要求非 常高。 2 5 1 自紧式密封原理 自紧式密封的特点明显，其原理是使密封垫片与法兰之间的密封比压随着工作压力 的增加而增加。在工作预紧时，为密封要求所需要的密封预紧力较小，可以用较小的预 紧载荷完成较大的密封压力，自紧式密封典型结构如图2 7 所示【1 9 刎。 l 2 1 - 自紧式密封圈：2 法兰接触面 图2 7 自紧式密封的典型应用结构 自紧式密封是利用介质( 油、水等) 在密封连接处产生附加的密封比压，来阻止工 作介质的泄露，介质的密封压力越高，密封垫片被压得越紧，密封就越安全。所以，对 于密封预紧力不需要很大，相互配合部件的尺寸就可以减小，并可以确保再有温度和压 力变化时连接的紧密性。可见，自紧式密封比中低压密封方法中的强制型密封的结构更 加可靠、紧凑【2 1 】。 自紧式密封的金属密封圈具有弹性，在内压高于外压的情况下，密封圈发生形变。 外部尺寸变大和密封面形成紧密配合，接触面形成金属对金属式密封。而且往往设计成 哈尔滨j ：科大学硕士学位论文 特殊透镜形状，形成两个工作面。适合于高压的工作环境下。其中金属密封圈的设计和 制造是重点，自紧式密封原理如图2 8 所示。 p 渤r 轴捌酣呐醅r 竹- 蝴_ b h 彝珊 童鲁蕾童 幽2 8f 1 紧式密封的腺理，j i 恿劁 2 5 2 透镜垫密封圈选择 透镜垫密封接触面为球面结构，而与之作用的法兰接触面为斜面，透镜垫与法兰接 触式的初始状态为线接触，施加载荷后，透镜垫结构产生变形，接触面变为面接触，提 高了密封的可靠性。密封接触面是由轴向载荷作用而产生的，因此提高了密封圈与法兰 的轴向对准能力及对中适应性。这种结构特点提高了透镜垫与法兰连接时的抗震性。 透镜垫的选择依据要满足：管道公称直径6 i n c h ，公称压力5 0 0 0 p s i ( 约3 5 m p a ) ，介 质温度为2 。c 2 5 。c ，同时提高材料自身的耐腐蚀特性。同时整个密封结构易安装拆卸。 通过对相关标准的研究，主要包括：m s ss p 6 5 ( 美国阀门及配件工业制造商标准 化协会) 、j b t2 7 7 6 ( 中国机械工业部标准) 、h g 2 0 5 8 2 ( 中国化工部标准) 、d i n2 6 9 6 ( 德 国压力容器标准) 。对于5 0 0 0 p s i 透镜垫相关标准中没有理论依据，为满足使用工况要 求，选用m s ss p 6 5 中压力等级为c l a s s 4 0 0 0 ，约为6 4 m p a ，透镜垫式密封圈结构1 2 2 j 。 结构尺寸如2 5 3 节中表2 1 所示。 自紧式密封圈结构由于受载变形的特殊性，初始预紧载荷较低，同时对材料的硬度、 塑性等性能也提出较高要求。在工作状态下，由于受到内部高压作用，透镜垫自身产生 变形、与法兰作用面形成面接触，这种接触方式可以减小安装过程中由于外力影响，法 兰对中时产生小的偏差，这种方式对提高安装精度有很大作用。相比平垫式密封圈，在 同等工况条件下，透镜垫式密封圈所受轴向载荷比平垫型密封圈小很多。因此，采取透 镜垫式密封圈时整体结构尺寸更加紧凑、简单，更适于连接器的安装与调试。 2 5 3 轴向载荷对比计算 对于卡爪式法兰连接，通过对标准与手册的解读，没有相关的的数学计算模型，但 对于螺栓法兰结构的数学计算模型有详细规范。所以设计中通过螺栓法模型完全替换卡 爪法兰模型，计算满足密封要求所需的轴向载荷，全部螺栓所受载荷等效于全部卡爪工 1 6 第2 章连接器总体方案研究 作状态下所受的轴向载荷。 为了使平垫型密封圈与透镜垫式密封圈所受载荷进行比较，采用相同工况条件，相 同规格尺寸的法兰，计算出两种密封全所受轴向载荷，进行对比分析。所计算的载荷中 包括：螺栓预紧力、密封圈法兰所受总轴向力。法兰密封圈实际工况为：水深1 5 0 0 m ， 工作压力5 0 0 0 p s i ( 约3 5 m p a ) 。 平垫与透镜垫轴向载荷对比计算如下： 1 、平垫轴向载荷计算 ( 1 ) 垫片载荷 预紧状态 根据初始密封比压的定义，即此时所需要的最小压紧力应为初始密封比压与垫片有 效密封面积的乘积，可以求得预紧状态下所需要的压紧力为： bl i r a ea 3 1 4 d g b y ( 2 1 ) 式中：昂法兰垫片压紧力，n 兄预紧状态下需要的垫片最小压紧力，n 珧垫片压紧力作用中心圆直径，m m b 垫片有效密封宽度，衄 y 垫片初始密封比压，m p a 根据s h 3 4 0 3 9 6 标准，可以查的垫片s h 3 4 0 3 一g r v r 5 1 一o c r l 8 n i 9 的节径 仇一p a2 7 9 4 m m ，环宽a - 2 2 2 m m 。据表4 8 垫片的基本密封宽度，b oh 1 w s ，即 b o 一2 2 2 8 2 7 8 。据垫片的有效密封宽度b 的确定原则：当b os6 4 m m 时，取b - b o ， 即6 - b o 一2 7 8 m m 。据表f 4 - 1 常用垫片的比压y 和垫片系数i l l ，金属环垫片不锈钢垫 片系数坍a6 5 ，比压y - 1 7 9 3 m p a 。得出昂- f , 一4 3 7 x 1 0 5n 。 操作状态 根据垫片系数的定义，所需最小压紧力应为垫片系数、设计压力与垫片有效密封面 积的乘积，可以求得操作状态下达到密封要求时所需要的压紧力为： f o - e 一6 2 8 d 0 6 ，皿 ( 2 - 2 ) 式中：瓦操作状态下需要的垫片最小压紧力，n m 垫片系数，取肌一6 5 设计压力，m p a 得出尼= e 一1 0 5 x 1 0 6 n 。 最大状态 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 比较c 和的大小，选取较大者忍- - 1 0 5 x 1 0 6 n 。 ( 2 ) 螺栓载荷 我们知道，垫片的压紧力是靠螺栓的旋紧给予的。既然垫片的压紧力是由预紧状态 和操作状态两个条件共同