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文档简介
柔性软管水平铺设系统原理样机研究姓名:导师:张忠林副教授专业:机械电子工程哈尔滨工程大学硕士开题答辩2013年1月14日1开题结构框架2345软管铺设系统总体方案研究软管铺设系统关键结构设计软管铺设系统关键结构校核软管铺设系统动力学仿真绪论2课题来源、目的及意义课题来源
研究目的
研究意义本课题来源于中国海洋石油工程股份有限公司的科研项目“深水软管铺设系统关键技术研究及原理样机研制”课题的主要研究目标是:通过对国外深水软管铺管设备的解读与分析,掌握其工作原理,研制出满足国内作业需求的深水软管铺设系统,促进我国深海油气资源勘探与开发的进程,最大限度降低海上铺管操作的成本
填补国内深水柔性管道铺设技术的空白降低管道铺设的施工费用和安装成本,同时可拥有自主知识产权培训国内操作人员,自主控制施工时间,缩短施工周期,提高管道铺设效率3软管铺设系统发展现状国外:一些发达国家涉足海洋石油开发的时间比较早,在海洋管道铺设系统领域的技术比较领先,且不断向深海发展,对于软管铺设系统的研究比较成熟的公司主要是荷兰的HUISMAN公司国内:与国际上的发达国家相比,我国海洋石油开采行业起步较晚,各种海洋油气开采、管道运输及维修设备研制水平都比较落后,尤其在深水软管铺设技术方面几乎还是空白的,还需要进行深入研究,努力缩小与国外的差距。4深水软管铺设系统主要应用于深水区柔性管道的铺设作业,它与铺管船上的深水软管滚筒驱动装置结合,完成软管在海上的铺设作业。完成软管的铺设需要曲率调整轮、校直器、张紧器、悬挂夹具、角度调整液压缸等各部分系统的紧密配合。软管铺设系统总体方案研究能够在600m水深的海域内进行软管铺设作业软管铺设系统的铺管能力为75t铺设软管的直径范围在4"-12"系统主要设计要求如下:5软管铺设系统总体方案研究初始状态正常铺管状态结束状态6软管铺设系统总体方案研究校直器方案选择方案一方案二方案一方案二悬挂夹具方案选择7曲率调整轮的曲率半径R,要满足下式的条件软管铺设系统曲率调整轮结构设计
软管铺设系统关键结构设计1、调整轮直径的确定通常情况下,管道的弯曲半径不得小于1.1倍的最小弯曲半径查表2.1,得到COFLEXIP公司生产的12"柔性管道允许的最小弯曲半径是2.4m取曲率调整轮直径为D=5.5m为管道允许的最小弯曲半径8软管铺设系统关键结构设计1-轴承端盖;2-螺栓;3-轴承座;4-轴套;5-轮毂;6-轮轴;7-辐条;8-轴承
软管铺设系统曲率调整轮结构设计
2、调整轮的安装曲率调整轮转轴安装结构示意图
9软管铺设系统关键结构设计软管铺设系统悬挂夹具结构设计悬挂夹具是铺管系统中的关键结构之一,本文中悬挂夹具采用液压缸和楔形增力机构来夹持软管,这种结构的优点是夹持管道时可以利用楔形面将液压缸的驱动力放大,达到增加夹紧力的目的。楔形滑块组件
悬挂夹具总体结构图
10软管铺设系统关键结构设计悬挂夹具受力分析悬挂夹具转动臂闭合液压缸驱动楔形滑块预夹紧管道软管铺设系统悬挂夹具结构设计A-楔形滑块B-基座C-管道夹具紧靠预夹紧后,基座B固定,A与C无相对运动,可看做一个整体11软管铺设系统关键结构设计按照铺设深度600m,对悬挂夹具进行受力分析,忽略海水的浮力,管道在重量如下式所示软管铺设系统悬挂夹具结构设计结构受力图简化为力的多边形图考虑海上风浪载荷等情况12软管铺设系统关键结构设计要保证夹具正常工作,实现夹持管道的功能,楔块与管道之间的摩擦力必须要大于管道在海水中的重量,即要满足下式:由以上分析可知,所设计的悬挂夹具可以实现对管道的安全夹持。根据力多边形,对悬挂夹具的夹持能力进行校核软管铺设系统悬挂夹具结构设计13软管铺设系统关键结构设计软管铺设系统校直器结构设计
管道经过曲率调整轮后,会发生弯曲变形,从而使管道中产生弯曲应力,这些应力若一直存留在管道中,加之后续铺管过程中张紧器以及悬挂夹具对管道的作用力,会对管道造成很大的破坏。所以要在管道进入张紧器系统之前,将管道中存留的弯曲应力减至最小,这就需要通过校直器系统,对管道进行校直1-液压缸;2-活动履带总成;3-连接臂;4-滚轮装置;5-固定支架;6-固定履带总成14软管铺设系统关键结构设计履带总成总体结构设计
1-链轮轴;2-固定轴承支架;3-支撑轮;4-张紧装置;5-链轮;6-V形板;7-链条;8-机架校直器履带总成的转动主要是通过链传动完成的。如左图所示:V形履带板依附于链条之上,跟随链条转动,支撑轮3用螺栓固定在机架8上面,支撑轮的作用是支撑链条并将校直力通过链条均匀分布到V形板上软管铺设系统校直器结构设计
15软管铺设系统关键结构设计在本论文中,履带张紧装置结构如下图所示,在螺栓的端部安装球铰耳环,用来支撑链轮轴,通过转动张紧螺母可以使螺栓向外伸长,从而带动链轮轴向外扩张,达到张紧链条的目的,结构简单,易于实现。1-螺栓;2-防松螺母;3-机架;4-张紧螺母;5-球铰耳环;6-链轮轴张紧装置结构设计软管铺设系统校直器结构设计
16软管铺设系统关键结构设计校直器V形板结构设计V形板结构与力学模型如下图所示。V形板两端受到支撑轮向下的压力F,V形板V形斜面与管道的接触点处受到管道反作用力N。反作用力N可分解为水平方向力H和垂直方向力V
软管铺设系统校直器结构设计
17从图中可得到角度与的关系如下:由上式可知,在压力F一定的条件下,要增大反作用力N的值,只能减小角度
软管铺设系统关键结构设计V形板的总长L与其余各部分尺寸之间的关系为:
由力的平衡条件可知:校直器V形板结构设计软管铺设系统校直器结构设计
18软管铺设系统关键结构设计软管铺设系统铺设塔架结构设计1-吊孔2-塔架钢结构3-液压缸连接孔4-吊耳5-固定铰轴孔
铺设塔架是安装铺设系统中其它铺管装置的基础。其结构及尺寸主要是由安装在其上的铺管装置及安装位置来确定。铺设塔架的截面型式及尺寸19——铺设塔架自身的重力,——铺设塔架上行梯、护栏等的重力;——张紧器的重力,——校直器重力,——曲率调整轮重力,软管铺设系统关键结构设计铺设塔架受力分析
软管铺设系统铺设塔架结构设计铺设塔架受力状态图20软管铺设系统关键结构设计简化后的铺设塔架受力图。为了便于对铺设塔架的受力情况进行计算,将图中的重力分解为垂直于铺设塔架和沿着铺设塔架的两个方向上的力利用力的平移定理,将所有的力平移到一点,并使所有的力对该点的力矩为零,该点就是整个机构的等效重心,即图中的B点,也是角度调整液压缸的铰接点。计算得:X=5.5m铺设塔架受力分析
软管铺设系统铺设塔架结构设计21软管铺设系统关键结构设计铺设塔架上所受到的是大剪力为:铺设塔架上所受到的是大弯矩为:最大值发生在B截面处经过计算校核,此工作状态的铺设塔架强度符合要求。铺设塔架受力分析
软管铺设系统铺设塔架结构设计22软管铺设系统关键结构校核校直器--V形板有限元分析V形板网格划分V形板约束及载荷施加V形板应力云图V形板变形云图最大应力192.675MP最大变形1.993mmV形板的强度要求23软管铺设系统关键结构校核校直器--连接臂有限元分析约束及载荷施加应力云图变形云图网格划分连接臂结构满足强度要求DMX=0.025mmSMX=22.945MP24软管铺设系统关键结构校核铺设塔架有限元分析-
初始状态
初始状态下,铺设塔架最大变形量为5.913mm,最大应力为97.661MP,强度满足要求25软管铺设系统关键结构校核铺设塔架有限元分析-
工作状态载荷及约束施加网格划分变形云图应力云图
工作状态下,铺设塔架最大变形量为0.066mm,最大应力为2.779MP,强度满足要求26软管铺设系统关键结构校核悬挂夹具系统关键结构有限元分析
1-悬挂夹具;2-护栏;3-可移动底板;4-液压缸;5-固定底座悬挂夹具系统主要包括悬挂夹具1,护栏2,可移动底板3,液压缸4以及固定底座5。其中,关键的部分是悬挂夹具1,以及支撑悬挂夹具的可移动底板3。其中可移动底板与固定底座之间通过液压缸驱动产生相对水平移动,目的使悬挂夹具夹持管道的中心与张紧器的中心对齐。27软管铺设系统关键结构校核悬挂夹具的有限元分析悬挂夹具网格划分悬挂夹具载荷与约束施加变形云图应力云图悬挂夹具最大变形量为0.505mm,最大应力为237.8MP,强度满足要求28软管铺设系统关键结构校核可移动底板的有限元分析
网格划分载荷与约束施加底板变形云图底板应力云图可移动底板最大变形量为0.2481mm,最大应力为10.038MP,强度满足要求29软管铺设系统关键结构校核海底管道受力研究-数学模型AB段为任意选取的管道微元的受力状况图,经过分析管道微元受到的各种力和弯矩,利用平衡理论对其列力学平衡方程:30软管铺设系统关键结构校核由图中的定义可知,管道的倾角可表示如下:由以上两式可得:在管道微元的A点处,由平衡条件可得:海底管道受力研究-管道数学模型31软管铺设系统关键结构校核
忽略管道轴向变形和剪切变形的影响,将管道看作细长结构件,在物理关系中只考虑管道的弯曲物理方程
对公式(4-3)中的进行求导,并代入公式(4-1)中,可得:把公式(4-5)、(4-6)、(4-7)代入公式(4-9)中,可得
海底管道受力研究-管道数学模型把公式(4-6)代入公式(4-8)中,对进行求导32软管铺设系统关键结构校核公式(4-15)为铺设中的海底软管受力数学模型。
海底管道受力研究-管道数学模型对公式(4-11)中的再次求导得把公式(4-12)代入公式(4-3)中,得公式(4-14)可以进一步整理为33软管铺设系统关键结构校核海底管道受力研究-刚度矩阵利用有限元法把管道受力的数学模型方程进行离散化34软管铺设系统关键结构校核根据海底管道的受力数学模型以及刚度矩阵公式,采用MATLAB结构设计程序设计方法对海底管道数学模型及刚度矩阵的计算程序进行编写,根据编写的MATLAB数学计算程序,对管道的受力情况进行计算海底管道受力研究-受力分析35软管铺设系统关键结构校核海底管道受力研究-受力分析36软管铺设系统动力学仿真软管铺设系统仿真模型将软管铺设系统中的校直器,曲率调整轮与张紧器简化为其质心处施加的重力作用,如图中F1、F2、F3所示。对模型施加运动副及约束,如右图所示。最终角度调整液压缸活塞杆的伸缩运动就可以转化为铺设塔架的转动37软管铺设系统动力学仿真船舶纵摇横摇模拟平台铺管船运动示意图船舶纵摇横摇模拟平台受到海上风浪扰动,铺管船会产生摇摆运动,其中主要包括:横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡、升沉等。其中对船舶正常运行影响最大的主要是横摇和纵摇。所以建立铺管船的纵摇与横摇平台,模拟海上作业环境。38软管铺设系统动力学仿真铺设系统与模拟平台组合模型铺设系统与模拟平台组合模型39软管铺设系统动力学仿真在恶劣海况下,铰接处的受力情况产生了很大的变化,受力不再是单调递减的情形,而是出现周期性波动,波动平稳,无冲击而且所承受的力的最大值相对于正常工作状态下变小。仿真结果分析铰接处的受力逐渐变小的,力矩在整个过程中是由小变大。初始状态时,铰接处承受整个系统的重力,所以受力最大;到达正常铺管状态后,铺设塔架基本保持垂直,铰接处受到的力非常小。40软管铺设系统动力学仿真与正常工作状态下的仿真结果相比,恶劣海况下铺设塔架与底座铰接处的受力受海况的影响,产生了周期性的波动,力的最大值较正常工作状态有所增大。从图中可以看出,在恶劣海况下,铰接处的受力也是平稳变化的,没有产生突变和冲击,能够保证软管铺设系统安全进行管道铺设作业。仿真结果分析41软管铺设系统动力学仿真恶劣海况下,铺设塔架重心位置的产生了周期性的波动,但是波动的幅度不大。重心在x轴与y轴方向的变化与正常工作状态下近似值的注意的是重心位置在z轴方向的变化,正常工作状态下,系统到达铺管状态时,重心位置在z轴2.3m处并保持不变,而在恶劣海况下,重心位置会越过垂直状态时的平衡位置2.3m,最大可能达到2.5m由此可以说明角度调整液压缸要由原来的受压状态改变为受拉状态,以保证铺设塔架不会产
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