管道法兰卡爪连接器结构设计

1、摘要海洋油气资源开发是海洋资源开发的一个重要方面，而海底输油气管道是油气资源 开发的关键设施之一，海底管道回接技术又是水下生产系统的关键所在，主要应用于水 下系统海底平台间软管与硬管的连接。国外海洋大国的海底回接技术飞速发展，而我国 还没有完善的深水海底的回接施工技术体系。课题内容源于国家863计划项目“深水海 底管道水下回接技术”的一部分，主要目的是研制具有自主知识产权的管道法兰卡爪连 J接器O本文介绍了国外发展比较成熟的几种连接器形式和海管回接工艺过程，对管道法兰 卡爪连接器实际工作原理和回接过程进行了阐述和分析。根据课题的实际要求提出了管 道法兰卡爪连接器的整体设计方案和回接方式。依据美

2、标中对卡箍的设计标准进行分析计算，结合国内石油行业管件的使用标准， 再结合实际海况设计要求，利用三维软件Pro/E设计出一套管道卡爪法兰连接机具，包 括卡爪连接机构的设计和对接引导装置的设计。关键词：海管回接技术卡箍设计卡爪连接器ABSTRACTOffshore 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 facility to exploit oil a

3、nd 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 there is still a

4、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 national863”program. The purpose of the thesis is to R&D vertical claw flange connector of offshore pipeline with independent inte

5、llectual 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 work theory of ve

6、rtical 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 pipe fittings st

7、andard 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: Offshore Pipeline

8、Connection Technology； Clamp Design； Claw Connector目录 TOC o 1-5 h z 中文摘要I英文摘要II HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 第1章绪论1 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 1.1 引言1 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 2课题的背景和意义2 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 3国内外海底管道连接技术发展概述2 HYPERLIN

9、K l bookmark39 o Current Document 3. 1国外海底管道连接技术发展概况2 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 3. 2国内海底管道连接技术发展概况6 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 4课题的来源及研究目的和意义 6 HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 5设计主要研究内容7 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 第2章 管道法兰卡爪连接器整体方案8 HYPERLINK l

10、 bookmark67 o Current Document 1引言8 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 2管道法兰卡爪机具设计要求及实现的功能8 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 2. 1卡爪机具的设计要求8 HYPERLINK l bookmark79 o Current Document 2. 2卡爪连接器实现的功能9 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 3管道法兰卡爪机具回接过程分析9 HYPERLINK l bookmark85 o Cu

11、rrent Document 3. 1管道法兰卡爪机具工作原理10 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 3. 2管道法兰卡爪连接器回接过程分析11 HYPERLINK l bookmark91 o Current Document 2.4管道法兰卡爪机具总体方案设计12 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 2.4.1卡爪机具的回接方案12 HYPERLINK l bookmark103 o Current Document 4. 2卡爪连接器作业过程14 HYPERLINK l bookmark11

12、1 o Current Document 5本章小结15 HYPERLINK l bookmark117 o Current Document 第3章管道法兰卡爪连接器结构设计16 HYPERLINK l bookmark120 o Current Document 1引言16 HYPERLINK l bookmark123 o Current Document 2回接管道设计16 HYPERLINK l bookmark133 o Current Document 3卡箍法兰设计18 HYPERLINK l bookmark264 o Current Document 4垂直式卡爪回接机具的

13、结构设计26 HYPERLINK l bookmark267 o Current Document 4. 1总体结构概括26 HYPERLINK l bookmark270 o Current Document 4. 2卡爪连接器设计28 HYPERLINK l bookmark273 o Current Document 4. 3对接引导装置结构设计30 HYPERLINK l bookmark279 o Current Document 5本章小结31结束语32 HYPERLINK l bookmark290 o Current Document 参考文献33 HYPERLINK l bo

14、okmark303 o Current Document 致谢34第1章绪论1.1引言石油是一种重要能源和优质化工原料、是关系国计民生的重要战略物资，石油工业 国民经济的重要基础产业。进入21世纪以来，深水油气开发已成为世界石油工业的热点 和科技创新的前沿。世界海洋石油资源量占全球石油资源总量34%,全球海洋石油蕴藏 量约1000多亿吨，其中已探明的储量约为380亿吨。目前全球已有100多个国家在进行海 上石油勘探其中对深海进行勘探的有50多个国家。随着深水油气勘探开发的不断深入， 深水油气探明储量和产量不断增加，所占比重越来越大。尽管不同机构和个人对深水区 发现储量的估计相差较大，但截止20

15、02年底已有的资料均表明，深水区已发现的油储量 至少为580X 108桶油当量。经预测至2015年深水区的石油占世界海洋石油的25%。当前 世界三大深水勘探热点地区分别是巴西近海、美国墨西哥湾和西非沿海，世界深水钻探 活动84%都集中在这里，其储量占据了全球深水储量的88%。近几年全球不断取得深水 油气重大发现，对全球新增探明储量和提高产量起到了主要作用。20世纪70年代末期， 开始开发世界深水油气勘探，当时只能在水深数百米的水域进行油气勘探活动，20世纪 90年代发展到水深2000m，至今已能在超过3000m深的水域进行油气勘探。目前，世界最 大水深钻探纪录为2003年墨西哥湾Toledo

16、l号井创造的3050m用。若从1956年莺歌海油苗调查算起，我国海洋石油工业已经走过了近50年的发展历 程。我国海洋石油工业实现了从合作开发到自主开发的技术突破的标志，是1982年中国 海洋石总公司的成立，当时具备了自主开发水深200m以内海上油气田的技术能力，海上 油气田建成投产了 45个。国家海洋局海洋发展战略研究所课题组发布的海洋发展战略 称，至U2010年我国海洋油产量将超过5000万吨，海洋原油生产将进入高速发展期。与 国外先进技术存在很大差距截至2004年底，国外深水钻探的最大水深为3095m，我国为 505m：国外已开发油气田的最大水深为2192m，我国为333m：国外铺管最大水

17、深为2202m， 我国为330m臼。我国深水油气田开发面临的最大挑战则是技术上的巨大差距，因此关键 所在就是实现深水技术的跨越发展。我国南海具有丰富的油气资源和天然气水合物资 源，石油地质储量约为230亿300亿吨，占我国油气总资源量的三分之一，其970%蕴 藏于深海区域区【4,目前我国的深海石油作业项目基本上依托国外的技术和装备实现， 受到国外公司的垄断，只有少数几个国家手中掌握此项技术，且引进中存在极大的技术 壁垒。同时，这些技术往往又是制约整体技术发展甚至产业发展的瓶颈技术。在国家863 计划的支持下，正在建设深水油气田开发公用技术平台。1. 2课题的背景和意义我国海洋油气勘探开发技术走

18、过了一条引进、消化吸收国外技术、国际合作、自主 研发的道路。随“九五”和“十五”国家863计划海洋资源开发技术主题研究课题的完 成，海洋油气资源勘探开发也采用一批具有国际先进水平的高技术成果应用其中并取得 明显效益。目前近海油气勘探开发技术体系已初步建立起了，基本具备了一定的深水油 气勘探开发技术基础囱。1. 3国内外海底管道连接技术发展概述目前，全世界已有2300多套水下生产设施、204座深水平台运行在全世界各大海域， 最大工作水深张力腿平台(TLP) 已达到1434m、SPAR为2073m、浮式生产储油装置(FPSO) 为1900m、多功能半潜式平台达到1920m以上、水下作业机器人(RO

19、V)超过3000m，采用水 下生产技术开发的油气田最大水深为2192m，最大钻探水深为3095m。恶劣海况和复杂海 底地貌及地质情况下的回接设计技术，开发了一系列海底作业的施工技术方法，并已形 成产品化和系列化。我国油气资源开发当前仍处在200m水深以下的近海海域，目前已经 具备了 300米水深以内的海洋油田自主开发能力，深水海域油气资源仍处在勘探开发的 萌芽。1. 3. 1国外海底管道连接技术发展概况海底管道连接步骤包括：短管尺寸测试、制作、降低、对准、回接、密封测试。此 项技术在国外发展比较成熟，其中以美国和挪威为代表的一些公司已经拥有一整套的水 下作业系统工具，并在世界上各个海域得到广泛

20、应用。下面连接器类型和海底管道回接方法两方面说明海底管道连接技术发展现状。连接器种类螺栓法兰连接器螺栓法兰连接器是由旋转环法兰和对焊颈法兰组成，见图1. 1。其主要特点是：带 有螺栓孔的旋转法兰外圈可以转动；在两配合法兰间开有凹槽，通过压缩金属密封件， 实现密封；经济成本较低。2001年美国Stolt Offshore公司研制出MATIS系统，已成功 采用此种连接器应用于海底管道回接。1.螺栓2.螺母3.旋转环4.旋转环法5.管子6.密封环7.对焊颈法兰8.管子与法兰焊接图1.1螺栓法兰连接器剖视图卡箍连接器卡箍连接器是由上下管接头法兰和带螺栓螺母的卡箍组成，见图1. 2所示。夹紧连 接需要的

21、螺栓螺母数较少，一般只需要24个。连接轴线在每个管道的末端，其上放置 两个被螺栓连接的半圆形的夹子，当紧固螺栓时，夹子的凹槽使螺栓张紧时产生的正交 力转化为管道的轴向力，从而使管道合拢。其特点是：快速连接；结构轻易：对准精度 高；相对于螺栓螺母连接器费用偏高，广泛应用于无潜连接。美国FMC公司己成功应用 此项技术在深水管道连接当中。1.螺栓2.卡箍3.螺母4.管接头法兰图1.2卡箍连接器剖视图Morgrip机械连接器，Morgrip机械连接器是由无焊缝、整体性的机械法兰构成，见图1. 3所示。待回接 的管道间分别布置轴承式法兰，在管接头内侧安装一整套带弹簧的球轴承，密封圈镶嵌 在其中。通过双头

22、螺栓压紧，推动球轴承顶到法兰外壁，所获得的机械夹紧力压缩凹槽 内的密封圈压靠在法兰外壁上，实现密封。美国Hydratight Sweeney Ltd公司研制的 Morgrip机械连接器比螺栓法兰连接器价格高，但它安装方便，节省工期。1.张紧螺栓2.密封件3.球轴承4.弹簧图1.3快速接头示意图4）夹具连接器夹具连接器是基于对2分段钳拧在一起围绕两个中心，如图1. 4所示，此连接器包 括一个两片分段夹具的设计。其特点适合大口径，低压力横向连接的应用，美国FMC公 司已经把此项技术标准化。1.钳夹2.锁紧件3.杆轴承4.夹住图1.4夹具连机器示意图5）卡爪连接器卡爪式法兰连接器是用一组置于被连接管

23、道末端轮毂圆周上的夹头连接管道，见图 1. 5。筒夹绕枢轴移动，卡爪锁在毂的边缘。作用在毂上的筒夹力还供给金属环密封能 量，将轴向力施加到毂面上。美国Oil States公司研制的无人液压卡爪式法兰连接器常 用于海底生产系统的最终连接及管道维修。1.轮毂2.卡爪3.套筒图1.5卡爪连接器示意图（2）海底管道回接方法1）水下焊接常用的水下焊接有湿式焊接、局部干式焊接、干式焊接和摩擦焊接等。前两种在40m 水深以下适用范围广，而干式焊接多用在500m水深条件下，并且辅助一个高压焊接密封 仓，当潜水员施焊时，随时需要提供潜水员呼吸氧气及排烟工作。英国的Stolt Comex Seaway Ltd公司

24、在1986首次将环形轨道自动焊接用于水下高压仓焊接，借助ROV利用子 系统进行作业，同时由潜水员辅助完成。对于500m甚至1000m以上水深的状况，最具深 水应用前景的是英国Cranfield大学研究表明MIG焊接（GMA焊接），当年在挪威Statoil公 司进行了实际710m水深的无潜高压焊接落。2）水下机械连接在浅水一般由潜水员回接，目前潜水650m为极限水深；而深水情况，采用无潜回接 的远程系统，借助于ROV在整个回接过程的控制和操作，这样既降低了成本，还确保了 人员安全。有潜机械连接：由潜水员测量距离和角度偏差，借以来确定回接需要的刚性或柔性短管尺寸。通常 都是将短管预制好，安装在船上

25、，将其降低投发到海底，对准与需要回接的管道，然后 由潜水员锁紧螺栓和螺母。最常用的机械连接器有螺栓法兰连接器、卡箍连接器和 Morgrip机械连接器。无潜机械连接：美国Sonsub公司研制出标准组件的管道拉入、对准及连接系统BRUTUS，由ROV安装 及操纵，主要连接器是卡爪式连接器、卡箍连接器、螺栓法兰连接器和Morgrip机械连 接器。2000年在挪威StatoilNome. Heidrun项目中成功采用BRUTUS系统，实现了对水下 400m水深，直径400mm管道进行了 Taper-Lok螺栓法兰连接器回接。2001年美国的 StoltOffshore公司研制出标准组件高级回接系统MA

26、TIS，能够实现3000m、直径120 600mm深水管道回接【6 。美国Oilstates Hydro Tech公司研制的无潜卡爪连接器组件，借助ROV的辅助引导仅由简单的起重作业就可实现海底管道之间的垂直硬管跳接，如图1. 6所示。此外在铺 设管道时，首先进行卡爪式法兰连接器与接收器的粗对准，然后借助ROV转动铰链到水 平状态实现水平回接，为在海底管道铺设方式提供新的起点。如图1. 7所示。美国Oil States公司运用此项技术成功进行了水深396m640m的回接。图1.6硬管跳接示意图图1.7垂直引导锥绞接示意图132国内海底管道连接技术发展概况我国1500米海底管道回接仍处在萌芽期，

27、还没有完整的回接设备，主要回接方式 还是租赁国外公司回接设备来完成。管道回接在海中500米以内的，多采取潜水员的直 接操作方式来实现海底管道的回接。国内则通常采用将整套管材在船上连接成形，然后 将成套设备两端密封住，最后将整套设备拉入海中，借助整套设备的浮力把回接机具拖 到指定位置，再将管线头两端打开灌水沉于海中，起重机将整套设备下放预定位置使管 线头下落到基槽内实现对接【7死。1.4课题的来源及研究目的和意义本课题源于国家“863”项目，是中国海洋石油工程公司承接的项目水下分离器 及其相关技术研究当中水下连接器技术研究的子项目。当前，中国海洋石油公司进行海底管道铺设和安装时，完全是靠租借国外

28、设备或直 接委托国外施工。不但费用高，而且施工周期也不能自主。因此，本论文研究的目的就 是研制具有自主知识产权的海底管道连接机具，既能打破现有国外技术垄断现状，又能 节省开发成本，缩减施工时间，大大提高其经济效益。本课题的研究意义有如下几点：（1）经济利益。拥有自主知识产权的水下作业工具，就可以不必租用国外设备和 聘用国外人员，可以降低工程成本。同时使用自己设备还能打开国外市场，为国家创造 更多利润。（2）安装工期。拥有具有自主知识产权的水下作业工具，很容易达到海上施工设 备的系统化和配套化，避免担心设备租不来等诸多问题，可以缩减工期，提高工作效率；（3）缓解能源危机。通过海底管道法兰对接系统

29、的研制和应用，可以加速深海油 气资源的开采，缓解我国对国外石油和天然气的依赖。（4）国家利益安全。使用具有自主知识产权的海洋施工设备，可以避免国外公司 参与我国的油气资源开采项目，就可以保护我国油气资源数据不被国外所掌握，在大意 义上来说，能有效的保证国家利益和安全。1.5设计主要研究内容本设计研究海底管道法兰卡爪连接器，即垂直式卡爪连接器海底管道回接机具的研 制，着重在于卡爪回接方式研究和卡爪连接器设计，具体进行如下工作：初始条件的确定，本课题的初始给定条件为1500米水深和6英寸管道。根据指定参 数，依据国内石油行业标准件的选择标准，查阅国外有关资料确定边界条件；管道法兰卡爪连接器的研究。

30、研究国外海底管道回接方法及连接设备，从而明确管 道法兰卡爪连接机具的整体设计方案，管道法兰卡爪连接器回接方式研究；参照卡箍连接器的设计原理，依据此对整个管道法兰卡爪连接机具进行的整体的结 构设计，包括卡爪连接器和对接引导装置的设计；还涵盖原理分析，对连接器导向、对 中、连接、锁紧和密封机构进行研究和设计。用三维设计软件Pro/E建立卡爪连接器三维模型。第2章 管道法兰卡爪连接器整体方案21引言管道法兰卡爪连接器主要借助ROV辅助作业，实现深水海底管道之间及管道与井口 之间的便于拆卸更换的垂直联接和跨接。该连接器在国外公司通过自主研发，以拥有数 类产品成功应用世界各个海况作业，其突出特点是应用的

31、范围广泛，在恶劣的海底进行 无潜回接，连接的管径范围大，而且其结构紧凑，连接快捷，经济价值较低。本章首先根据实际海况作业情况，对垂直式卡爪机具提出的要求，然后在阐述管道 法兰卡爪连接机具的工作原理和回接过程，最后明确了管道法兰卡爪机具的总体设计方 案。2.2管道法兰卡爪机具设计要求及实现的功能为了更好地实践由浅海到深海的跨越式发展战略，设计深水海底管道的液压垂直式 卡爪法兰连接，即液压垂直式卡爪深水管道自动回接机具的研制，其目标是研制出与 1500m水深配套的适用于6寸管径的连接器试验样机，操作压力达到5000psi，实现在管 线端汇管和其它汇管或产品树之间的硬管或软管跳接。221卡爪机具的设

32、计要求根据国内实际工作海况情况，设计适用于1500m深水环境的作业样机，试验样机适 用于6英寸管径，满足操作压力达到5000psi，并完成样机打压及水池连接试验。对深水水下管线连接的解决方案进行一般性研究，确定适合的、可靠的、可行的、 简单高效的连接方式。提出对水下分离器和海底管道的连接方法研究、卡爪水下接器执 行结构、力学分析与仿真研究和密封设计研究等该机具核心技术给予高度重视。主要研究内容包括以下几个方面：（1）水下分离器和海底管道的连接方法研究刚性管道和柔性管道的连接连接方法研究；垂直连接方法研究。（2）卡爪式水下连接器执行结构卡箍式法兰设计；对接引导装置设计。（3）卡爪式水下连接器密封

33、技术研究法兰静密封研究。222卡爪连接器实现的功能通过对国内外相关资料及相关产品的研究，确定卡爪连接器需要完成对准、推进、 夹紧和锁紧这几个重要步骤完成对接任务。首先，由吊车将机构下放到海底，借助ROV引导，通过套筒对准，进行初对准；然 后由推进液压缸整体推进到待连接位置，准备连接；此时液压缸卸荷，弹簧释放力推动 驱动环向下从而使卡爪闭合夹紧管套，完成连接：最后，弹簧力仍然作用使驱动环继续 向下移动，最终锁紧。2.3管道法兰卡爪机具回接过程分析据资料显示，国外主要公司管道法兰卡爪连接机具的回接技术已经很成熟，特别以 美国Oil Sates /FMC和Sonsub等率先研制出管道法兰液压卡爪式连

34、接器如图2.1示， 其实际回接情况如图2.2所示。图2.1垂直式卡抓连接器图图2.2垂直式液压卡抓连接器实际回接情况231管道法兰卡爪机具工作原理其工作原理如下：首先，卡爪处于开位，弹簧处于压缩蓄能状态，机构由吊车下放到海底，通过套简 对准，进行初对准（如图2. 3所示）；然后下放到待连接位置，准备连接（如图2. 4所示）；弹簧释放力推动驱动环向下运动从而使卡爪闭合夹紧管套，完成连接（如图2. 5所 示）;最后弹簧力仍然作用使驱动环继续向下移动，最终锁紧（如图2. 6所示）；完成锁紧 以后，对准套和控制板收回。图2.3初校对图2.4整体推进图2.3初校对图2.4整体推进图2.5夹紧过程图2.6

35、锁紧对准方式初步采用套筒对准，在推进的过程中完成精确对准。推进过程是指初步对 准完成后，夹紧部分整体向下推进到夹紧位置的过程。夹紧的过程采用释放弹簧的弹簧 力提供夹紧并保持锁紧状态。2.32管道法兰卡爪连接器回接过程分析由于机具是在深海作业，潜水员不能够到达的水深，而机具在水下工作适宜携带这 么大的油箱，经讨论提出了 ROV水下对接平台，即由ROV携带着有油口接头与机具上相对 应的油口接头实现水下对接，从而为机具提供油源，而此时油箱只需放在水面上或ROV 上。ROV是远程无人有缆的遥控操作潜器，通过一根电缆和水面船连接从而获得能源， 控制命令并进行通7】。MAX Rover深潜工作级ROV是由

36、DeepSea Systems International 公司研制的，最大下潜深度可以达到水下3000m，有效载荷可以达到90kg，如图2. 7。图2.7美国DSSI公司的Max Rover由ROV辅助的管道法兰引导卡爪连接机具回接工作过程如下:（2） ROV辅助连接机具进行粗连接（1）连接器整体下放，进行初校对（3）完成连接器与平台回接（2） ROV辅助连接机具进行粗连接（1）连接器整体下放，进行初校对（3）完成连接器与平台回接图2.8对接完成后海底管道连接图由图2.8所示，该机具的整体回接过程简易方便，容易操作，但对对准精度要求比 较，由于连接器的引导部件可回收的缘故，其经济性相对稍好囱

37、。2.4管道法兰卡爪机具总体方案设计2.4.1卡爪机具的回接方案通过参阅和研究，国外专利及拥有系列产品公司的资料，依据这些把管道法兰卡 爪连机具的研究分为：连接器执行机构和密封结构研究。（1）执行机构分为对准机构、推进连接机构、海底平台待连接机构。1）对准机构导向由对准机构完成，如图2. 3所示，采用套筒对准方式；对于执行机构，对准是 比较关键的技术，对准的精确直接影响连接工作的成功与否，基于此，在用SolidWorks 软件进行三维仿真模型设计的同时，计算出机构允许的最大摆动角度。夹紧机构中卡爪 和驱动环是关键零件，二者的配合尤为重要，初始状态要求保持卡爪呈张开状态，驱动 环呈提拉卡爪的姿态

38、，开始工作时，要保证在整体推进时，驱动环不会受影响而错位， 引起某个或某些卡爪闭合。夹紧过程如图2. 5所示。2）推进连接机构锁紧功能的实现是推进连接机构由液压缸和弹簧配合完成，其中，难点主要在于弹 簧的预压缩与释放，参考国外的产品以后，设计以下两种方式：一纯机械式结构（如图 2.9所示）。在驱动板与弹簧的另一固定端之间安装这样的结构，初始位置为锁紧，开始 进行连接时，由外围的液压缸提供动力源，将导向套向下推，同时释放弹簧进行对接， 这种机构的优点是结构简单，经济性好；缺点是工作不够稳定；二采用液压缸（如图2. 10 所示）。在驱动板与弹簧的另一固定端之间安装液压缸，利用液压缸来压缩和释放弹簧

39、， 这种结构的优点是实现容易，稳定性好，缺点是液压缸不能回收，经济性较差。由于弹 簧一直处于蓄能状态，如何克服其弹簧力是难点，对液压系统的要求也很高，需要详细 计算夹紧瞬间所需的力F以及夹紧后保持工作状态所需的力Fb。根据F. + Fb选择 F为弹簧初始蓄能力，要求F F + F，根据F选择合适的液压缸。J b图2.9机械式压缩弹簧机构工作原理示意图图2.9机械式压缩弹簧机构工作原理示意图图2.10液压缸压缩与释放弹簧原理图3）海底平台待连接机构海底平台待连接机构主要由管道、下法兰、对准套筒等组成，要参照现有的海底平 台待连接机构进行设计。（2）密封结构样机的密封主要集中于两部分，第一部分是上

40、下管套之间的静密封，作用主要是对 连接管道的密封，确保连接完成后的正常使用。在参考国外的产品时发现，试验样机采 用双重密封并带有密封测试口，主要密封采用金属密封圈形式，任务是对管道连接直接 密封防止泄漏：次要密封采用橡胶密封，任务则是保护内层的金属密封圈不受海水侵蚀 老化，提高寿命和整个机构的稳定性。在试验样机的上管套也设计有密封测试口，方便 对密封进行测试：第二部分是对于推进液压缸的动密封。液压缸直线往复动密封主要分 为两部分：一活塞杆密封；二活塞密封，需要考虑对液压缸运动的精确性要求和工况负 载，采用特殊结构和材料的组合密封可以达到要求。活塞杆要严格阻止油液泄漏，污染 环境，防止水侵入元件

41、，为了避免动态泄漏，使用串联密封。活塞密封两边都有液压油， 密封间隙为流体动压润滑，可通过被增能的矩形截WPTFE密封环密封，用PTFE材料制成 的附加外侧轴承环保护活塞免受磨损颗粒侵害。通过对往复密封件进行有限元分析，模 拟在液压力和负载作用下的应力、应变分布，合理设计密封圈截面形状。（3）建立卡爪连接器的三维模型1）三维模型利用Pro/E软件建立机构的三维模型，并进行干涉分析。关键零件包括卡爪、上法 兰、下法兰、驱动环、弹簧以及推进板等。242卡爪连接器作业过程通过对国外卡爪连接器工作原理及回接过程的描述可知，管道法兰卡爪连接器的工 作流程比较清晰，其流程图如图2. 11所示海上操作船携带

42、管道法兰连接器预先到达指定地点，然后把所有设备安装预定地点下放，随时准备对接任务!管道法兰卡爪连接机具由作业船上的吊车，通过缆线下放的形式吊放海底， 借助ROV的牵引把机具定位在待连接的管道回接的上方处,一ROV供油，并借助固定在海底平台上的套筒牵引下，机具按预定的速度下落，实现上下法兰成功相配合!ROV供油并操作液压缸动作，带动驱动环推动处于 张开状态下的卡爪，闭合锁紧在下法兰锥形面上 !ROV辅助观察，撤回缆线等工具，完成对接。最终ROV撤离管道法兰卡爪回接机具图2.11垂直式卡爪回接机具作业流程图2.5本章小结本章首先陈述了管道法兰卡爪连接器的设计要求和实现功能，然后分析了管道法兰 卡连

43、接器机具的回接原理及回接过程，进行了管道法兰卡爪连接机具的总体方案计机具 包括卡爪连接器和导向对准装置及其三维模型设计应用的软件Pro/E等，最后给出了机 具作业的流程图。第3章管道法兰卡爪连接器结构设计31引言管道法兰卡爪连接器结构设计是根据设计要求出发，根据国标标准设计零部件，结 合国外技术和国内实际海况出发，首先设计6寸管道，根据卡箍原理从里向外设计连接 器各个零部件，及对其校核分析，验证结构的合理性。3.2回接管道设计管道材料和直径壁厚设计.管道材料海底管道对选用管材的制造方式上没有特殊的要求，如无缝钢管、各种保护焊的缝 钢管等均可使用。但在满足设计、安装要求的前提下，同时要选用最经济

44、的管林0】。内 管道普遍采用美标API SP 5LX42 / X80型管道材料3，本项目设计15CrM。的合金钢做外 管道的材质，屈服强度 hs=520MPa，许用应】=147MPa，其性能均能达到工程标准 满足工程需求。设计压力查阅海洋油气管道工程：集油管是实现平台与平台之间跳接的管道或管束，工 作压力通常为6.89.8MPa，管径在152604mm(6-18英寸)之间；19982002镇海 炼化至萧山油库段输油管道直径为355.6mm，工作压力为6.27Mpa k；经查证， 俄罗斯东西伯利亚至太平洋输油管道最高工作压力达14Mpa k。根据公式P = P g(式 3-1)式中：p 一压力，

45、MPaP 海水密度，1x10 3 kg/m3g 一重力加速度，9.8m / s2h 一距海面高度，m得出水深1500米位置海底压力P=1.0 x103x10 x1500=15 MPa。通过资料查阅和数据分析显示，对于海底1500米环境下外压15Mpa条件下，初步定 管内的流体压力为15MPa。初步拟定两种状态：一是恒压，二是恒压差。现以恒压设 计计算，考虑到两种极限状态都是压差15MPa，结果影响不大。(3 )管道直径根据常用管子标准及其外径尺寸对比查得，6英寸(DN150mm)管道外径为168mm。管道壁厚也】对于压力管道来说，大多数都属于薄壁管道，故当SD /6或者P /。t0.385时受

46、内压直管理论壁厚计算公式可按式：P x DS=2（门祯+所）+ C +匕（式3-2）式中：P 设计压力，MpaD 一管子外径，mmS管子的理论计算壁厚，mm设计温度下材料的许用应力，147 Mpa焊缝系数，对于无缝钢管，=1C1 腐蚀余量，mmC2 管子壁厚负偏差，mmY 系数0.4算得 S =14mm。根据压力等级计算公式：（式 3-3）Sch =卜 （式 3-3）式中：Sch 壁厚等级MPaP.设计压力，MPa一材料许用应力，MPa算得 Sch=120。根据石油行业设计标准手册中SH3405-96标准的规定，选取公称直径DN150的道， 外径D = 168mm，选取壁厚等级为&h l20的

47、壁厚要求，即壁厚14mm。具体参数见表3. 1。表3.1管道参数参数备注水深1500m最大水深水压15 MPa最大水压管道材料15CrMo管道公称直径6inch中海油给定管道外径168mm石化标准外径管道壁厚14mm管道壁厚等级Schl20设计油压35 MPa（5）管道强度校核所设计垂直式卡爪连接器用于水下1500m（文中未注线性尺寸单位为mm），取设计外压P e为15MPa，管道材料15CrMo,外径D 0 =168 mlTl，管道长度L =50m，名义厚度5 =28, n有效厚度5 =20.5，D =167.85。按第四强度理论和强度失效准则：百（。枢（式 3-4）b，（式 3-4）（0

48、D ）2 -1 + I可求得b . =131.03MPa，已知b=150 MPa，b . p，一般取比设计压力高一个等级的压力，本文取 PN 25.0。（2）法兰形式设计依据设计标准SH 3406-96的要求，在保证强度的情况下，减小法兰轮毂的直径采 用环槽面对焊法兰，由于密封形式特殊，需对标准法兰进行一些改进，选择标准形式为 如图3. 1所示：图3.1标准对接法兰（3）密封圈设计根据管道公称直径，法兰压力等级和法兰形式，选取密封圈为椭圆形金属环R 46, 材料3160Crl7NiMo2。椭圆形密封圈主要是利用在卡爪预紧力的作用使得密封圈与密 封面紧密接触，同时密封圈发生微量的塑性变形并填满法

49、兰密封面上微观凹凸不平之 处，从而形成密封【16,17。法兰的参数见表3.2。表3.2法兰参数参数备注法兰公称压力PN25.0法兰形式RJ环槽面法兰法兰材料00Cr17Ni14Mo2密封垫片R46椭圆形金属密封圈垫片材料3160Cr17Ni12Mo2卡抓个数181）规范垫片系数血在螺栓法兰垫片连接中，压紧垫片的力使垫片材料产生变形从而填满法兰密封面间 的微间隙。垫片最小预紧比压是指在安装过程中没有内压的情况下，垫片接触面积上的 压应力表达式为y = m 2（式36）A g 式中，气一垫片的受压面积。操作工况下，由于受介质压力的作用，为了保证工作条件下连接的密封性能，垫片 上应保持必需的压紧比压

50、，或称为残余压紧应力，以符号g表示。所谓垫片系数就是 工作条件下垫片的残余压紧应力和介质压力之比，其表达 为（式37）垫片最小预紧比压和垫片系数可由试验确定，可查出不锈钢：垫片系数m : 6.50;压力 比 y : 179.3（ Mpa ）。2）垫片有效宽度W 12 7b = = 1.588mm，b 6.4mm，b = b。b垫片基本密封宽度，w为槽宽0880003）垫片压紧力作用中心圆直径b 6.4mm, D = G = 211.15mm螺栓载荷国内外最有影响的螺栓法兰连接的规范设计方法ASME锅炉和压力容器规范第八篇 第一分篇附录“2具有环形垫片的卡箍法兰连接规程”(意下简称规范方法)。按

51、照 这一规程，一个紧密的卡箍一法兰.垫片连接，必须在安装时将垫片预紧到一定的载荷， 操作时垫上必须保持足够的残余压紧载荷，不致出现由于流体静压力在容器端部引起的 载荷造成密封面分离而导致连接泄露。图3.2图3.2卡箍法兰图操作时最小螺栓载荷足以承受作用在以垫片反作用力为直径的圆面积上的设计压力产生的端部静压力 日及实践表明足以保证密封的垫片压缩载荷H（式38）（式39）H =0.785 G 2 （式38）（式39）Hp = & x 3.14Gmp式中：G 一垫片压紧力作用中心园直径，mmP 设计内压(15)，Mpab 一垫片有效密封宽度，mmm 一垫片初始密封比压(也叫比压力)，MpaHp =

52、2.05x105 N（式 3-10）如上所知将其值带入公式(38)(39)得Hp =2.05x105 N（式 3-10）操作时最小螺栓载荷巧0637H h ) & )m1式中：0 一卡箍凸肩角，J40。r 一摩擦角度，钢对钢无润滑摩擦一般取tan r 钢对钢无润滑摩擦一般取tan r = 0.15，W 1 = 5.27 x 104 N预紧所需最小螺栓载荷装配所需总的轴向预紧力(取3-14bGyr = 8.531。，卜 15将其带入(3-10)中得或在自紧式垫片的轴向密封载荷很大时，取轴向密封载荷)Hm= 3A4bGY I.89 X105 N无内压常温下密封初始载荷W 2 = 0.637H无内压

53、常温下密封初始载荷W 2 = 0.637H tan。+得出：W = 5.26x 104Nm 23）装配载荷保证承受操作状态合适的卡箍连接预载荷，螺栓装配载荷。W 3 = 0.637H + H lanG + 日）将（式3-8）（式3-9）的值带入（3-12）式中可得W 3 = 2.03x 105N4）所需螺栓面积操作状态每个卡箍凸耳所需螺栓总截面积A =即 /Am1m1 2 S b预紧状态每个卡箍凸耳所需螺栓总截面积A =Am 2* Sa装配状态每个卡箍凸耳所需螺栓总截面积螺纹根部或小径计算，螺纹根部或小径计算，（式 3-11）（式 3-12）（式 3-13）（式 3-14）螺纹根部或小径计算，

54、（式 3-15）A =即（式 3-15）Am 3咛 2Sa式中：Sb 设计温度螺栓许用应力，MPaSb 室温螺栓许用应力，MPa螺栓材料为 0Crl8Ni9 250C : S广901，MPa , 65C ； S广122 MPa 将其带入mm2, A 3 =831.97（式3-13）（式3-14 ）（式3-15 ）得出 A292.45 mmmm2, A 3 =831.97mm2总横截面积A应是操作状态A、预紧状态A和装配状态A中较大值所以mLmlm 2m3A =A =831.97 mm2（5）卡箍连接件螺栓载荷W操作状态下：W = W5.27x10 4 N（式3-16）装配状态下：W =（A l

55、 + A）S = 2.04 x 105 N（6）卡箍法兰的力矩平衡校核法兰的材料是00Crl7Nil4Mo2,卜广124.1 MPa ,卜250 =82.4 MPa卡箍材料0Crl8Nil0Ti, la =138 MPa , la 250=129 MPa确定高颈力矩由载荷与力矩臂的乘积。此外考虑高颈偏心和承受压力所引起的反作 用力矩。操作状态下，设计力矩M0是六个单独力矩Md、Mg、Mt、Mf、Mp、Mr 的总和。所用螺栓载荷W由公式（3-16）求得。1）由Hd所产生的力矩，M = HhD（式3-17）在内腔面积上的端部静压力，H =0.785B2P（式3-18）其中由卡箍与高颈间有效反作用力

56、圆周到作用圆周的径向距离hD , 卡箍与高径间有效作用力的圆周直彳径；（式 3-19）hD 二一+ 匚（式 3-19）式中：B 一高颈内径，mmA 一高径外径，mmg1 高颈颈部与高颈凸肩相交处壁厚，mmC 一卡箍内径，mm由于高颈内径B =140mm， C =224mm，A =264mm， g =42 mm 将上列数值带入 （3-19）得出：H =0.785 B 2 P =0.785 X 140 2 X 15=2.31 X 105 NC = + C =244 mm，hD =3l mm 再将其带入（3-1 7）最终得出： M =7.15 x10 6 Nmm。2）偏心力矩，M广心广以 其中g 0

57、为高颈颈部小端厚度，得出 Mf 二H（g go =230790 x 14=3.23x10 6 N/mnm。3）由Hg所产生的力矩，Mg二HhG其中总的轴向有效夹持预载荷与总的端部静压 力和连接接触面总压缩力两者之和之间的差值，H G =1-57/n G + a-H + H。 Mg = 。4）由Ht所产生的力矩，Mt=H/t其中总的端部静压力与内腔面积上端部静压力之差值H T=H - Ht=524980.397-230790= 2.94 x 105N由卡箍与高颈间有效反作用力圆C-（B +周到Ht所作用圆周的径向距离是hT2 ，最后得出 hT = 34.213mm，M = 1.01 x 107

58、N/mm .5）由压力所产生的力矩：Mp = 3.14 x PBT2 - 9= 1.66 x 105 %质6）卡箍的径向平衡力矩：Mr = 1.57Wh - T + C - N tang = -2.30 x 106 N/mm7）操作状态下，高颈上总的旋转力矩M :0M0 = MD + Mg + Mt + Mf + Mp + Mr = 1.83 x 107 %质8）装配状态下，高颈上总的旋转力矩M :0u0.785（C - G ）M =/- = 1.21 x 107 加0 tan + Q，mm（式 3-20）（7）高颈应力计算1）确定旋转力矩M0应计算高颈颈部所定义反作用力矩M和反作用剪力Q。M

59、HC-3.305IT - h +卜下g 21（式 3-21） 。T 3 oh 3其中：高颈凸肩对其中心轴的惯性矩：I = S +2 2 - h + g Th h 332 261高颈凸肩厚度T = 60 mm ；高颈凸肩的平均厚度：h2= T -G 2tan = 57.32mm由高颈面到高颈凸肩环形心的轴向距离：h = g1+h22g2、= 29.58mm 血1+ h2 g 2）由高径内径B至高颈凸肩环形心的径向距离：g = Tg12 + hg2、 g11g 2 = 30.69mm 2（Tg1 + h2 g 2）将上述其值带入(3-21)可得:.07X105.07X105 mm，高颈颈部处的反作

60、用剪力:MHC= 8.35 X106 N/mm，Mh广 5-51 X106 N mm1 .818 1 .818 M=1 .98 x 10 5 N /m m , Q = 1.31 x 10 5 N /mm2)高颈应力有：S1cPB 24 g（B + g）111.91M+711 -PB 24 g（B + g ）+g（B+HT）1111 有：S1cPB 24 g（B + g）111.91M+711 -PB 24 g（B + g ）+g（B+HT）1111 -1.91M 2(B 1 高颈内腔处求得的最大环向应力：S 2= P凸肩处高颈的最大剪应力:0.75W=59.30MPa，=42.40MPa=24