（机械设计及理论专业论文）隔水套管对中装置设计.pdf

i 辐水套臀对中装胃设计 捅要 隔水套管在海洋石油开采工程中有着广泛的应用，其主要功能是隔离海水以便形成 钻井液的循环通道，同时作为井口的持力结构。近年来，海洋石油开采工程中的较深水 项目不断增多，浅海作业方法对海况条件要求严格，如果仍然采用该方法容易引起海上 施工船的待机。因此为了提高作业效率，降低施工对海况条件的苛刻要求，设计开发了 隔水套管对中装置。对中装置可以完成两段隔水套管的夹持、对中及锁紧，进而在对接 端部进行焊接操作，实现隔水套管的分段连接。隔水套管对中装置能有效抵御因风、海 流、海浪或地层因素所造成的冲击载荷，使隔水套管的安装拆卸和对中调节操作更方便、 快捷，极大提高钻井平台的工作效率。 隔水套管对中装置由机械结构、液压系统及控制系统组成。整机的研制采用了数字 化的设计方法进行了装置3 d 结构的设计建模。隔水套管对中装置的机械结构主要包括 支架、左门、右门、导向板、加紧垫块等零部件。支架结构由4 个半圆弧形的箱型梁、 3 根立管、2 个半弧形板及筋板焊接而成，该结构可以保证足够的刚度及强度，进而实 现隔水套管对中精度要求。为了适应不同尺寸的隔水套管( 直径分别为口7 6 2 m m ，口6 1 0 m m ， 口5 0 8 m m ) ，在支架弧形板内设计了加紧块安装基座，加紧块可更换。隔水套管对中装置 高5 6 2 0 m m ，最大截面直径2 4 0 0 m m 。 进行了结构强度的分析校核，建立了极限载荷条件下隔水套管对中装置的非线性接 触有限元分析模型。考虑结构的对称性，取整体模型的四分之一建立有限元模型，得到 结构的应力应变场等信息，分析结果表明隔水套管对中装置结构强度满足设计要求。 完成了液压系统及控制系统的设计。液压系统采用8 个液压缸作为执行元件，完成 隔水套管对中装置的加紧和释放功能，2 对控制阀完成隔水套管对中装置的开合和锁紧， 液压系统操作方式有手动和半自动2 种模式。控制系统采用p l cc p m 2 a 实现电磁阀的 顺序控制。 关键词：隔水套管：隔水套管对中装置；结构设计；有限元分析 隔水套瞥对中装霄设计 a bs t r a c t t h e c a s i n gp i p ei sw i d e l yu s e di no f f s h o r eo i le x p l o r a t i o na n do t h e ro f f s h o r ea c t i v i t i e s i t sm a i nf u n c t i o ni st oi n s u l a t es e aw a t e rs oa st of o r mc i r c u l a t i o nc h a n n e lf o rd r i l l i n gf l u i d a t t h es a m et i m e ，i ts e r v e sa st h eb e a r i n gs t r u c t u r eo fw e l l h e a d s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f o f f s h o r eo i le n t e r p r i s e ，t h en u m b e ro ft h ep r o j e c t sc a r r i e do u ti nd e e p e rw a t e ri sh i g i l l y i n c r e a s i n g ；c o n s e q u e n t l yah i g he f f i c i e n ta p p r o a c ht oi n s t a l l i n gt h ec a s i n gp i p e s o nt h ev e s s e l f r a m ee q u i p p e di nd e e p e rw a t e ri su r g e n t l yn e e d e d i no r d e rt ol o w e rt h er e q u i r e m e n tf o rt h e s e as t a t ec o n d i t i o n sa n de n h a n c et h ew o r k i n ge f f i c i e n c y , o c e a nc a s i n gp i p e sc e n t e r i n g e q u i p m e n th a sa l r e a d yb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h ee q u i p m e n ti sad e v i c ew h i c hi s u s e dt ow e l dt h ec a s i n gp i p ei ns e g m e n t s i tc a na u t o m a t i c a l l yc a r r yo u tc l a m p i n ga n d c e n t e r i n gt w oc a s i n gp i p e s ，t h e nw e l d i n go ft w op i p e si so p e r a t e di nt h em i d d l ep a r to ft h e e q u i p m e n t t h ec e n t e r i n ge q u i p m e n tc a ne f f e c t i v e l yr e s i s tt h ei m p a c ta g a i n s tt h ep i p e sa n d w e l l h e a d sd u et ow i n d ，o c e a nc u r r e n t ，w a v e sa n de t c 。f u r t h e r m o r e ，i tp r o v i d e sm u c h c o n v e n i e n c ei ni n s t a l l m e n t ，t a k i n g - d o w na n dc e n t e r i n g t h ee q u i p m e n tc o m p r i s e st h r e ep a r t s ：m a i n - m a c h i n e ，h y d r a u l i cs y s t e ma n de l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e m i nt h ed e v e l o p m e n to ft h ee q u i p m e n t ，t h ed i g i t a ld e s i g nm e t h o di sm a d eu s eo f a l lt h ep a r t sa n da s e m b l y3 dm o d e la r ec o n s t r u c t e da p p l y i n gp r o es o f t w a r ew h i c hi s p a r a m e t r i z a t i o nm o d e l l i n g t h es t r u c t u r eo fm a i n - m a c h i n em a i n l yi n c l u d e sf r a m e - w o r k ，r i g h t c l a m ph o l d e r , l e f tc l a m ph o l d e r , g u i d i n gp l a t e ，s u p p o r t i n gb l o c k t h ef r a m e - w o r ki sc o m p o s e d o ff o u rs e m i a n n u l a rb e a m s ，t h r e es t e e lp i p e s ，t w oa r c hp l a t e sa n ds o m er i b s ，a n di t ss t r e n g t h a n ds t i f f n e s sh a v et ob ea d e q u a t es oa st ot h ec e n t e r i n gp m c i s i o nc a nb eg u a r a n t e e d f o rt h e e q u i p m e n tb e i n ga p p l i c a b l ef o rc l a m p i n gd i f f e r e n ts i z ee a s i n gp i p e s ，t h e r ea r et h r e ek i n d so f s u p p o r t i n gb l o c k sw h i c hc a nr e p l a c ee a c ho t h e rw h i l ec l a m p i n gd i f f e r e n ts i z ep i p e s ( d i a m e t e r r e s p e c t i v e l y 口7 6 2 m m ，口6 1 0 m m ，0 5 0 8 m m ) b e i n g al a r g e s i z e d w e l d i n gs t e e l w o r k ，t h e m a i n - m a c h i n ei s5 6 2 0 m mh i g h ，a n dm a x i m a lc r o s ss e c t i o nd i a m e t e ri s2 4 0 0 m m t t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fn o n - l i n e a rc o n t a c to f3 - de l a s t i c - p l a s t i cf e a t u r eo ft h eo c e a n e a s i n gp i p e sc e n t e r i n gd e v i c ei sc o n s t r u c t e d s i n c et h ep r o ea n da n s y s c a nl i n kt o g e t h e r s e a m l e s s l y , t h em o d e lc u s t r u c t e di np r o e c a nb et r a n s f o r m e dt oa n s y sp r e p r o c e s s o rd i r e c t l y o w n i n gt os y m m e t r yo ft h em o d e l ，o n l yaq u a r t e ro ft h em o d e l i sa n a l y s e d i nc o n c l u s i o n ，t h e c e n t e r i n ge q u i p m e n tm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s 哈尔滨：i ：程大学硕+ 学何论文 d e s i g no ft h eh y d r a u l i ca n dc o n t r o ls y s t e mw a sf u l f i l l e di nt h i sp a p e r t h eh y d r a u l i c s y s t e mc o n t a i n se i g h tc y l i n d e r s ，t w op a i r so fc y l i n d e r sw h i c ha r ei nc h a r g eo fo p e n i n ga n d c l o s i n gt h ec l a m ph o l d e r s t h eh y d r a u l i cs y s t e mh a s t w oc o n t r o lm o d e s ，m a n u a la n d s e m i a u t o m a t i cm o d e t h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mi s s i m p l ec o r r e s p o n d i n g l y , a n dt h e h y d r a u l i cs y s t e mu n d e rt h ec o n t r o lo fp l cc p m 2 a c a ni m p l e m e n ta l lk i n d so fa c t i o nn e e d e d i no p e r a t i n g k e yw o r d s ：c a s i n gp i p e s ；c a s i n gp i p e sc e n t e r i n ge q u i p m e n t ；s t r u c t u r ed e s i g n ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 第1 覃绪论 第1 章绪论 1 1 引言 近年来，随着世界范围内油气资源消耗的递增和陆地原油开采速度的加快，海洋领 域内的油气勘探开发己成为新的焦点。我国的海洋钻井市场在未来的1 5 - 2 0 年，将进 入快速发展的关键时期。国内主要石油公司为满足我国对油气资源的巨大需求，均制定 出各自的深水钻井装备计划。在未来5 年里，中国海洋石油总公司在海上油气勘探和开 发方面将计划投资1 , 2 0 0 亿元，其中的主要部分就是海洋工程装备投资，计划建设7 0 多座各种固定和移动式生产钻井平台，其中多座平台为新建自升式和半潜式钻井平台。 另外，我国三大石油集团公司，中石油、中石化、中海油均已针对海洋深水油气勘探和 开发进行了不同程度的研究工作，按照预定计划，我国具有自主知识产权的3 0 0 0 m 深水 半潜式钻井平台将会在“十二五”期间研制完成，这对于我国海洋石油装备的快速发 展将起到有力的促进作用1 1 】。隔水套管在海洋钻井平台中有着广泛的应用，在进行隔水 套管间的连接时，由于风浪、海流或地层等因素导致冲击载荷的影响，需要对隔水套管 进行夹持固定，以便快速对中连接。为降低该作业对海况条件的要求，提高作业效率， 迫切需要研制开发隔水套管对中装置1 2 , 3 1 。 1 2 课题的来源、目的和意义 我国是一个海洋大国，拥有3 0 0 多万平方公里海域，在我国领海的周边海域已探明 了丰富的油气资源和其他矿产资源储藏【4 6 1 。上世纪6 0 年代初，我国海洋工业刚刚起步， n 8 0 年代末期，中国南海的联合勘探和生产水平达到了1 0 0 m 左右水深的范围。目前， 4 0 0 m 水深还是我国油气勘探和开发的极限。，虽然我国对于南海油气资源的勘探开发速 度正在逐步加快，但这一海域水深在5 0 0 m n 3 0 0 0 m ，因此迫切需要发展新技术来支持深 海油气勘探和开发网。 随着当今世界的石油勘探开发趋势的转变，油气开发已转向深海，鉴于我国浅海油 气资源资源勘探开发技术日趋成熟，随着国际石油勘探开发的趋势变化，我国也将把油 气资源的开发重心转向中国南海。据美国能源信息署公开资料显示，中国南海丰富的油 气资源堪称为第二个波斯湾【引。据我国专家的调查资料表明，中国南海油气资源储藏量 估算为：1 0 5 0 亿桶石油，2 0 0 0 万亿立方米天然气【9 1 。其中曾母暗沙盆地、南徽盆地、 东纳土纳盆地和万安盆地是最具潜力的含油气盆地【1 0 】。我国南海地区大多数国家均有 油气发现，估计探明的石油储量约7 7 亿桶，天然气储量约4 万亿立方英尺，石油产量约 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 7 5 万桶，天然气产量约2 5 1 0 0 亿立方英尺。中国南海水深范围在5 0 0 - 3 0 0 0 m ，我国目前 还不具备自主的油气勘探和生产技术来进行这一海域开发，因此迫切需要发展新技术来 支持自主的深海油气勘探和开发【1 1 l 。 目前，解决深海水域油气勘探技术和装备问题是实施南海深水油气勘探开发计划的 重点。因此，迫切需要自主研发深水油气开发重大装备核心技术，突破深水钻完井、采 油、施工和安全保障等关键技术，形成深水油气勘探开发能力，为我国勘探开发水深 5 0 0 3 0 0 0 m 的深水大中型油气田提供技术支撑。形成具有我国特色的、拥有自主知识产 权的深海油气勘探开发核心技术，构建深水油气勘探开发人才的培养体系，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【1 2 1 。钻井隔水套管是连接海底 井口与钻井船的重要部件，其主要功能是提供井口防喷器与钻井船之间钻井液往返的通 道，支持辅助管线，引导钻具，作为下放与撤回井口防喷器组的载体等，钻井隔水套管 是海洋钻井非常重要的装备，如果失效就会产生灾难性后果【1 3 l 。传统的导管架平台已经 不再适用于世界深水油气田的勘探开发领域的深水海域，各种新型浮式平台已逐渐将其 取代，如深吃水浮筒式、半潜式、顺应塔式。相对于海洋平台技术的日益发展，钻井工 艺技术的发展却相对滞后，大部分海洋钻井平台还在沿用隔水套管隔离海水循环泥浆的 技术 1 4 1 。然而从海底井口到钻井船距离较远，从几百米到几千米，隔水套管需要由多 段钢管连接而成。隔水套管的连接方法有快速接头、焊接连接等方式，但多采用焊接连 接。隔水套管对中装置可以完成隔水套管的分段焊接连接，具有对两段隔水套管进行夹 持、对中锁紧及释放的功能。应用该装置进行隔水套管安装作业，能方便、快捷地实现 隔水套管的安装拆卸和对中调节，大幅提高钻井平台的作业效率。且可重复使用，减少 材料损耗【1 5 , 1 6 。因此研制具有自主知识产权的隔水套管夹持对中装置具有广阔的应用前 景和重要的应用价值。 t 本课题来源于海洋石油工程股份有限公司科研项目“隔水套管对中装置的研制 。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 海洋平台 如图1 - 1 所示，海洋平台众多的结构形式大致可以分为三大类：第一类为浮式结构， 平台漂浮于海面主要靠自身的浮力，比如半潜式平台；第二类为固定式结构，靠直接与 海底连接来牢固的固定结构，如导管架式平台，重力式平台等：第三类为顺应式结构或 称半固半浮态结构，此类结构在处于漂浮状态的同时，底部也与海底相连( 包括由张紧 地锚索与海底相连的结构) ，如张力腿平台，各类单点系泊和立管系统【1 7 1 。 2 第卜尊绪论 纵观海洋固定式i i i 台的发展历史，从打第一_ 1 海上油井丌始，至今已= f 卜一百多年。 海洋围定式平台的发展在这。百多年的时问里经历了从浅水向深水、从技术单一剑密集 的发展过程。 世界上第一【_ l 海上油井诞生于1 8 9 6 年的美国加利福尼亚州海岸外海区，采用的是固 定式的木质钻井平台【1 8 】。世界上第一口水上井来自1 9 2 4 年委内瑞拉的马拉开波湖中，采 用的也是木质平台。在随后的钻井作业中，木制平台大量出现。这种木制平台的特点是， 工作的水深一般都在3 。5 4 5 米的较浅范围内，平台用桩量多，平均每座平台用桩1 0 0 根 以卜，结构比较庞大【19 1 。 a ) 、卜满式平台：b ) 自升式平台；c ) 钢质导管架平台：d ) 混凝十重力式平台： e ) 牵锁塔式平台：d 张牡腿式平台： 吲1 1 儿种常见的海洋平台 3 哈尔滨t 程火学硕士学何论文 1 9 4 7 年在美国墨西哥湾的沃密林( v e r m i l i o n ) ，在水深6 m 处建造使用了钢质导管架 平台。该平台采用6 组导管架、2 6 8 根直径为2 0 - - - 2 5 c m 的钢桩固定在海床上，整个平台结 构拼装建造在岸上完成，然后在指定地点沉放入海底。这种钢质平台结构逐步代替了传 统木桩平台结构，由于其具有一系列的优点，如工作水深大、施工方便等，因此出现后 得到了快速的发展。在随后的发展过程中，得益于技术水平的不断提升、大型吊装设备 的应用，钢桩平台的安装水深逐步增加，安装海域深度超过3 0 0 米，而且用桩数目不断 减少，模块结构快算发展，因此大大地拓展了钢制桩基平台的应用范围【删。1 9 8 8 年6 月 在墨西哥湾深水区美国壳牌石油公司建造了“b u l l w i n k l e 导管架平台。该平台导管架 采用水下群桩固定，总高4 1 6 米。在导管架的角上，共设置了2 8 根直径2 1 3 米、长1 6 4 米、 重3 7 5 吨的钢桩【2 1 】。1 9 9 4 年7 月在北海油田挪威海域，成功地安装t e u l o p l p e l g i l e 平台， 平台以四个直径1 2 米、高9 5 米的桶为安装基础，这是世界上第一座桶形基础固定式采油 平台。该平台改变了以往固定式平台以桩为基础的结构形式和施工方法，而采用负压抽 吸方法把桶贯入至目的层【2 2 】。 我国第一座固定式平台诞生于1 9 6 6 年1 2 月底，这座导管架型平台被成功地安装在渤 海湾的油田上，该平台作为我国第一座固定式海上钻井装置已载入我国海洋油气田开发 史册【2 3 1 。从这个平台算起，我国固定式平台发展已走过了4 0 多年的历史。在这期间，有 1 0 0 多座固定式平台先后被设计和安装在了我国渤海湾水深6 _ 2 5 米的范围内。1 9 8 6 年3 月，渤海石油公司平台制造厂制造的井口导管架平台在南海涸1 0 _ _ 3 油田成功安装，标 志着我国导管架平台制造已达到了世界先进水平。近几年我国的海洋平台建设迅猛发 展，东海春晓油气田群的平均作业水深达銎j 1 2 0 米，南海领域番禺惠州油田已经达到2 0 0 米作业深度，完全具备了2 0 0 米水深导管架设计、建造和安装能力瞄j 。 1 3 2 隔水套管的应用 海上平台钻井必须设置隔水套管，这是海上平台钻井与陆地钻井的主要区别之一。 般情况下隔水套管只作为非结构构件，其作用是井口保护并兼顾钻井工艺，但在某些 特定情况除外，如某些简易平台以隔水套管做支撑构件，某些腿柱平台以井口套管兼做 基础支承桩。另外，虽然在结构形式以及施工方法上隔水套管与结构桩管比较相似，但 在规格要求如材质选择、拒锤标准、承载力以及所起作用等有本质区别。 以往对隔水套管的作用要求和设计施工不是全面规范的，实施差异很大。渤海油田 在早期采用的7 2 0m m 直径隔水套管，入泥比较浅。舳年代从合作油田起，隔水套管的 繁简、强弱、入泥深度都发生了不少变化，并常常沿袭旧设计，导致不经济、不合型2 5 - 2 v l 。 4 第1 章绪论 煌北油田隔水套管采用了水泥作为夹层的双层管( 9 1 4m m 、7 6 2m m ) ；锦州2 0 2 油田 隔水套管为单层管，直径8 1 3m m ；绥中3 卜l 油田改用了直径6 3 5m m ( 潮差段) 和 6 0 9m m 隔水套管，且壁厚选择差别较大。选用的材质为中强度钢a 6 3 3 g r c 和a p l s l x 5 6 ； 入土深度最初达6 0 m ，后降至5 0 m 和4 0 m ：在隔水套管打入分段上亦具有随意性，短 则近1 0 m 一段。这些取值决定于钻井阶段防渗承载的要求和使用阶段抗冰抗浪的作用， 设计处理往往不清晰。平台丛式井口的使用使这一问题更为突出。 海上平台对生产井设计有一套井身结构，钻井作业依程序要下入隔水套管、表层套 管、油管等。随着钻井技术的发展，隔水套管直径越来越小，有的7 6 2 m m ，6 1 0 r a m ， 甚至更小，而井的形式有单井、分岔井等。隔水套管起着隔水的作用，它保证其后的钻 井作业能够与陆上作业流程一样，保护井壁、冷却钻头、上返岩屑等作用都是一样的， 并同时起到保护井口的作用。在海上工程施工期间，所有隔水套管往往一次下入到设计 深度。钻井泥浆体系和工艺技术的研究及发展，使隔水套管整体质量都有了提耐嬲1 1 。 隔水管在石油勘探和采油过程中广泛应用，隔水管是石油工程中的重要设备。由于 在全球水深超过5 0 0 m 的地层里已经发现了6 9 x 1 0m 的新增石油天然气储量，可能还有 1 3 7 x 1 0m 的潜在储量。在预计含油气的深水区经勘探过的面积只占一半左右。据估计， 全世界未发现的海上油气储量有9 0 潜伏在水深超过1 0 0 0 m 以下的地层【3 2 1 。在深水钻 井中，随着水深的增加隔水管的长度也在增加，并且随着海洋石油开采工程的发展，较 深水项目不断增多，如采用原先浅海的作业方法在较深水项目中进行隔水套管安装作 业，对作业海况条件依赖性过强，很容易导致海上施工船的待机情况发生。 1 4 论文的主要研究内容 本论文主要针对“隔水套管对中装置”做技术研究，隔水套管对接装置适用于三种 不同规格的隔水套管( 直径分别为0 7 6 2 m m 、口6 1 0 m m 、0 5 0 8 m m ) 对中连接，总体研究 工作的主要内容包括： ( 1 ) 隔水套管总体结构研究，在详细分析隔水套管对中技术要求基础上，确定装 置的总体方案，根据具体的技术参数要求设计合理的结构； ( 2 ) 该设备机械部分属于大型焊接钢结构，结构复杂、工作条件条件严酷，因此 在极限工作条件下对其结构强度进行分析和校核； ( 3 ) 隔水套管对中装置液压及控制系统的设计。 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章隔水套管对中装置总体方案 隔水套管对中装置是对隔水套管进行分段焊接连接的装置，通过该装置可实现两个 隔水套管的夹持及对中，进而进行两个隔水套管在对接端部的焊接连接。在海上隔水套 管施工作业时，由于隔水套管一端悬吊，风、海流、海浪或地层因素对隔水套管形成较 大的横向载荷，隔水套管经常发生摆动，所以需要在对中连接过程中对其进行夹持固定。 隔水套管本身重量较大且外载引起的弯矩很大，因此为了可靠夹紧并考虑其重复作业 ( 在施工中需要多次执行打开、抱紧隔水套管动作) 特点采用液压驱动提供动力。其机 械结构部分需要较高的强度及刚度，来抵御风浪载荷及保证对中精度。 2 1 隔水套管对中装置的技术要求 在较深水导管架安装隔水套管作业中，为降低该作业对海况条件的要求，提高作业 效率，根据实际施工需要，隔水套管对中装置技术要求如下： 1 适应隔水套管规格要求 目前公司设计的隔水套管主要包括以下三种：直径5 0 8 r a m 、6 1 0 m m 、7 6 2 m m ，壁 厚2 5 r a m 。 2 功能要求 对接装置应由液压驱动实现打开、抱住隔水套管的动作，并可以实现上、下段隔水 套管分别加紧的功能要求。 3 控制系统要求 为适应海上施工环境，控制系统以操作简明为主要原则，应避免复杂的操作程序。 4 液压系统要求 为适应海上施工要求，液压动力系统应整体集成并小巧易于吊装，保证动力系统即 可布置在导管架顶部也可布置在船上。为便于海上操作，应尽量减少液压管线数量，设 计为集束管线。 5 隔水套管的对中精度要求 请参照a p rr p2 b 制造精度要求。 6 设计荷载要求 以乐东项目为例，隔水套管对接作业中，最大的垂向夹紧力为2 5 1 k n 、弯矩 8 2 k n m ，请设计方按照相关规范考虑安全系数。 7 尺寸要求 乐东项目隔水套管的间距为2 2 8 6 m m ，因此对接装置边缘距隔水套管轴线最大距离 6 第2 审隔水套管对中装霄总体方案 不能超过1 2 米。 2 2 工作原理 根据海油工程股份有限公司的技术要求，确定隔水套管对中装置的工作原理及总体 方案。该设备的总体组成包括机械执行机构，液压动力系统及其电控系统三部分。机械 执行机构要保证隔水套管的对中精度，并能实现打开及抱紧隔水套管动作，且上、下隔 水套管可以分别加紧，因此两部分机械结构相对独立。液压系统分别驱动上、下夹持机 构动作，包括夹持机构的开合及抱管后的锁紧，并在加紧隔水套管后进行保压。控制系 统实现对液压执行元件的顺序控制，首先要把夹持机构打开至极限位置，隔水套管就位 后，夹持机构闭合至抱紧状态，然后驱动锁紧油缸加压至预定压力保证可靠加紧隔水套 管，上下两段隔水套管接头焊接完毕后，锁紧缸卸载打开，然后夹持机构打开。且上下 两部分夹持机构动作可分别控制。 2 3 总体结构方案 机械部分总体结构图如图2 1 所示，由三大部分组成，包括支架、右门和左门。 图2 1 隔水套管对中装置总体结构 7， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 其中支架是整个设备的基础骨架，由三根钢管四个箱型梁结构及上、下两块半个圆 弧形板焊接构成，该结构整体性强，刚度大，能满足上、下两根隔水套管对中精度要求， 上、下两个半圆弧形板作为两个隔水套管就位基准，三根纵向立管及横梁的整体性保证 了，上、下圆弧板的同轴度要求，左右f - j j h 紧后可以使隔水套管准确对中。上下两部分 夹持机构分别由左、右两个圆弧板门组成，门轴位于箱型横梁上，保证了整体的刚度及 强度。采用四分之一圆弧形板两个门开合分别开合结构可以节省操作空间，易于整个设 备的就位和移出，使设备的操作更加灵活。为了使隔水套管易于就位，上部加紧机构的 顶部采用喇叭口结构，起到导向的作用。为了兼容不同尺寸的隔水套管，设置了分离式 的夹紧块，使其径向尺寸可调。 2 4 本章小结 本章在详细分析海油工程股份有限公司提出的隔水套管对中装置的设计要求的基 础上，确定了整机的工作原理，并确定了机械结构的总体方案。整个设备由机械结构、 液压驱动系统及电控系统组成，机械结构保证对中精度，能够实现打开、闭合及加紧。 液压系统提供动力，保证可靠加紧隔水套管。控制系统实现执行机构的顺序动作，完成 作业。 8 第3 章隔水套管对中装置机械结构 第3 章隔水套管对中装置机械结构 3 1 概述 隔水套管对接装置由机械结构、液压系统及控制系统三部分组成。经详细设计计算 分析后建立装置的三维模型如图3 1 所示。由三大部分组成，包括支架、右门和左门。 机械部分总体结构图及其详细零件名称如图3 2 所示， 该装置工作时，左门先关闭到适当位置，然后关闭右门，使右门锁紧缸活塞端部的 螺母进入左门上下挡板之间。装置下半部分锁紧机构的一对门首先锁紧在位于下面的隔 水套管上，而后吊在空中的隔水套管由装置顶部的导向板进入装置上半部分的锁紧机构 中，锁紧缸锁紧上面的隔水套管，然后进行隔水套管的焊接。焊接工作完成后，锁紧缸 卸载，活塞伸出后，右门先打开，然后打开左门，从隔水套管侧面移走整个装置。 为了实现对隔水套管的可靠夹紧，在装置的上、下两半部分各固定8 块锁紧垫块， 锁紧垫块的夹持面加工成齿形，锁紧垫块通过内六角螺钉固定在内筒立板及门立板内部 的夹紧垫块基座上。隔水套管对接装置适用于三种不同规格的隔水套管( 直径分别为 口7 6 2 m m 、谚6 1 0 m m 、0 5 0 8 m m ) ，可通过调换不同规格的锁紧垫块来满足夹持不同规格隔 水套管的需要。对应的三种不同的锁紧垫块分别为锁紧垫块1 、锁紧垫块2 及锁紧垫块 3 。 3 2 隔水套管对中装置结构 3 2 1 支架 支架结构是隔水套管对接装置的“骨架 ，其结构性能的优劣对整个装置起着决定 性的影响。支架作为两根隔水套管对中的基准，对其整体刚度有着较高的要求，因此采 用了箱型梁的结构，并在采用了多条筋板提高结构的总体刚度。支架总体结构如图3 3 所示，主要结构件包括3 根0 3 2 5 m m x 5 2 8 0 m m 壁厚3 0 m m 的支架管、横梁组件及壁厚 6 0 m m 的u 型基座组成，横梁组件由横梁底板与筋板焊接成箱型结构，在整个对接装置 中起到定位及提高总体结构强度与刚度的作用。内筒导向板的作用是对隔水套管进行导 向，使隔水套管能够方便快捷进入夹紧机构中，支架管的顶端支架管顶密封盖为了防止 海洋的潮湿环境腐蚀支架管的内壁，为了提高支架管与基座间连接的可靠性采用支架管 立筋进行加强。为了适应加持不同尺寸的隔水套管，在弧形内简立板内部设计了锁紧垫 块的安装基座，每个基座上设置了两个铰制孔与螺纹孔，以便不同尺寸锁紧垫块的安装 及更换。 9 台尔滨i ：程人学硕士学位论文 目3 1 隔水套管对接装置3 d 桴 1 0 筇3 啦l 柏水食锵州【 1 装h 机械结构 字支架 支架管 门缸支架 门缸 ! 益熊臻螺”71 f 肌3 圆形锁紧螺睁l f - ： m 2 4 内六角圆f e 头螺钉 锁紧垫块3 镄紧垫块2 锁j ； 挚块l 夹紧毕块基序 - 门横板 序门挡扳 矗门筋板 左门筋扳 门节扳 横架立筋- 横粱征筋2 横粱一筋： 横壤套简 横架底板 支架管、- ，筋 支架镗内支j ，毕块 l j 皆h 扳 内简导阳扳 黎 io 弋 主警 j 、婶 k 1 k t l 外 、 彦瑟、 一 一 u 蚓 、 嫡 1 j 嘣 芷脚 靠 刁l1 蟛 髦 n ji 【 门轴 销轴 门缸轴 门缸转轴套 j fu 销g b t g l1 6 x 7 0 火紧油t 盘架立筋 1 i 门横扳 i 门筋扳 门轴删定活块 m 1 6 x 5 0 内 角阴 e 头螺钉 芰架口筋2 绛一 氧 气 甍 图3 2 隔水套管对接装谶机械结构详细零什组成l 划 l l 阶梯鑫简 琏啦 一 t r 屺i 卜m矗堋耵rlij川h 脚门u 一 ol _1i一 ， ， 广；j 1 r 卜忙， 豆一 孥 圈川 冬_ ，i 哈尔滨下程大学硕十学位论文 图3 3 隔水套管对接装置支架结构图 3 2 2 左、右门 隔水套管对接装置的左右门相当于两只“手 ，主要起着夹持隔水套管的作用。左、 右门结构如图3 4 及图3 5 所示，左右门的结构相似基本都有弧状门立板、横板及筋板 第3 章隔水套锊对l l 装援机械结构 鲋【成。横板孙z 筋板构成箱型结构，右门的箱体【 j 同定与容纳锁紧缸，左门的箱体结构 呵容纳锁紧缸活塞端部螺母。箱型结构增加的左右门结构的强度与刚度，实现了左右门 关闭后的锁紧功能。其中右门卜设计了锁紧缸的转轴固定结构，屈门上设计了一对壁厚 为8 0 m m 的左门挡板，当该装置工作时，右门锁紧缸活塞端部螺母进入左门挡块的缺口 处，而后锁紧缸活塞锁进，实现对隔水套管的央紧固定。 射3 4 隔水套管对接装置左门 a ) f i l 、j 结构图b ) 以fj3 d 模刑 图3 5 隔水套箭对接装置彳il j 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 3 横梁 横梁是整个装置中的关键结构件，是支架结构的一部分，由底板及筋板组成，上下 两块横梁底板与8 块立筋焊接成箱型结构，其结构如图3 6 所示。横梁底板上加工有与 3 根支架管配合的d 3 2 9 m m 孔、与内筒立板配合的d 1 0 0 0 m m 半圆弧面、及左右门转轴 0 1 0 0 m m 固定孔。因此必须采取适当工艺措施控制横梁结构的加工与制造精度，以保证 整个装置对于隔水套管的定位精度。在装置锁紧隔水套管时，锁紧油缸最大提供8 0 吨 的锁紧力，该结构作为关键的承载构件，对其结构强度要求较高。因此该横梁采用箱型 结构，并采用多块加强筋。而且在支架结构中横梁的内部圆弧面与内筒立板焊接连接， 增加了结构整体的刚度和强度。 横粱套管 横粱立筋3 b ) 横梁3 d 模型 图3 6 隔水套管对接装置横梁 1 4 器、必雯 义延 一 塑 燧 一 举i 鋈一 二一 散 i；。，稍 、， 、|，隔 第3 覃隔水套骨对中装霄机械结构 3 3 本章小结 本章应用p r o e 软件对隔水套管对中装置的结构进行了详细的设计，根据对中装置 的作业需求，结构分为支架，2 对左、右门组件。支架结构作为对中的基准构件整体刚 度高，保证了隔水套管的对中精度要求。左右门结构可以灵活开合，可以实现两段对接 隔水套管的分别加紧与对中。 1 5 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 第4 章隔水套管对中装置强度分析 4 1 有限元方法概述 在科学研究领域，对于众多物理问题和力学问题，都可以归结为定边界条件下求解 其控制方程、常微分方程或者偏微分方程的问题。但只是少数几何形状相当规则、性质 比较简单的问题能够采用静解析方法求出精确解的方程。而对于更多的工程技术问题， 由于求解区域的几何形状比较复杂及方程的某些非线性特征，则不容易得到解析答案。 通常通过两种途径来解决此类问题，一种途径是将方程的几何边界简化为能够处理的情 况来简化假设，从而得nx 苗- j 题在简化状态下的解。因为过多的简化可能导致误差很大甚 至错误的解答，所以这种方法只在有限的情况下是可行的。另一种途径是保留问题的复 杂性，利用数值计算方法求得问题近似数值解。随着电子计算机的飞速发展和广泛使用， 已逐步趋向采用后一种方法来求解复杂的工程实际问题。而一个比较新颖并且十分有效 的解决这些复杂工程问题的数值方法便是有限单元法降嘲。 a n a s y s 软件从2 0 世纪7 0 年代诞生至今，经过了3 0 多年的发展，已经被全球工 业界所广泛接受嘲。通过分析结构受到的外部载荷后的响应，如位移，应力，温度等， 便可以提前预示结构受到外部载荷之后的状态，从而判断结构是否符合设计要求。因而 引入该软件进行产品分析，不仅可以缩减设计研发成本，缩短设计周期，而且还可以对 产品性能提前预估，以满足设计要求。在目前大型通用的有限元分析软件中，美国的 a n a s y s 软件是最为通用有效的商业有限元软件之一。其强大的分析功能，友好的操作 界面以及广泛的应用领域己使得该大型通用有限元软件越来越受瞩目。 a n s y s 在机械领域主要用于确定结构在外载荷作用下的静力、动力、热和流动等 行为，研究结构的强度，刚度以及稳定性问题。较常见的有如下几类n 1 ，强度、刚度问 题、振动、噪声问题、热、变形问题、流动问题、冲击、碰撞、金属成形问题。 有限元法发展趋势d 力： 1 ) 与c a d 软件的无缝集成 目前，与通用的c a d 软件的集成使用是有限元分析软件的一个发展趋势，即在用 c a d 软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到c a e 软件中进行有限元 网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直 到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。 2 ) 更为强大的网格处理能力 。 有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结 1 6 第4 覃i 溺水套仟对中装霄强度分析 l i 皇皇i i i i i i 置萱i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 萱薯皇萱i i i i i i i i i i i i i 萱i i 一 果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确 性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和 效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自 动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分。自动六面体网格划分是 指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，自适应性网格划分是指在现有 网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过 程。 3 ) 由线性问题发展到求解非线性问题 随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材 料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解， 例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变( 几何非线性) 和塑性( 材料非线 性) ：而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕 变效应时则必须考虑材料非线性。 4 ) 由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解 现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非 线性、流体动力学和耦合场问题的求解。 4 2 三维应力问题有限元分析理论 隔水套管对中装置的强度分析为三维应力问题，一般的实际物体都是立体的，弹性 体受力作用后，其内部各点将沿x 、y 、z 三个坐标的方向发生位移。如各点沿x 、y 、z 方向的位移用u 、v 、w 表示，这些位移一般应为各点坐标的函数，即： “1 “b ，y ，z ) v - v 仁，y ，z ) ( 4 1 ) w - w ( x ，y ，z ) 弹体一般变形情况下，有三个方向的线应变占，、占y 、f ；及三对剪应变= y 肛， ，声= ，刁，y 盟2 y 曩。由弹性力学可知，应变与位移间的关系是： a “a ha 眇 q 。磊。面+ 瓦批 7 卯 批 旷考”詈+ 詈 ( 4 2 ) f ，。万y 弦。i + 石 他z ) 1 7 哈尔滨t 程大学硕十掌何论文 o w柳o u 巳2 iy “。i + id z暇d z 弹性体受力作用，内部任一点的应力状态也是三维的，由三个正应力和三对剪应力， 共六项独立的应力分量，这些应力分量用阵列表示为： 斜；k 仃，呸协】r ( 4 3 ) 在线弹性范围内，应力应变间的物理关系可用矩阵形式表示为： p ) = d ) ( 4 4 ) 弹性系数矩阵的形式为： 【d】暑硐co-l,) 1 l 上000 1 一肛1 一肛 j l 1 生000 1 一z1 一 l 上1000 1 一1 一i c 。翻1 - 2 比。 。 2 1 1 一“l 。 。互i 确- 2 比 。 0ooo 。硐1 - 2 , u j 1l ( 4 5 ) 舾p l 。心m h ，v l w t u 。v = w u 。】r ( 4 6 ) p p 他7 ， 【】= m ，j ，麻，虬， ( 4 8 ) i 】为三阶单位矩阵，各节点的形状函数可按下式计算： 第4 章隔水奁管对中装置强度分析 i 一专( ”如+ c l y “z ) ( i = k 、1 、m 、n ) ( 4 9 ) 其中：吼一苣兰兰i ， ， 1 y -