1、本科毕业设计I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接器。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。依据美标
2、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本科毕业设计IIABSTRACTOFFSHOREOILANDGASEXPLORATIONISONEOFTHEIMPORTANTASPECTSOFTHEMARINERESOURCESEXPLOITATION，ANDTHEUNDERSEAOILANDGASPIPELINEISTHEKEYFACILITYTOEXPLOITOILANDGASRESOURCESTHEREFORE，SU
3、BMARINEPIPELINETIEBACKTECHNOLOGYWHICHUSEDTOCONNECTTHEFLEXIBLEPIPEORTHERIGIDPIPEISTHEBASICPOINTOFUNDERWATERPRODUCTIONSYSTEMTHESUBMARINEPIPELINETIEBACKTECHNOLOGYHASREVEALEDARAPIDDEVELOPMENTINSOMEOCEANSTATES，WHEREASTHEREISSTILLABLANKINTHISFIELDINOURCOUNTRYTHERESEARCHSUBJECTCOMESFROMTHEPROJECT“THESTUDYO
4、FOFFSHOREPIPELINECONNECTIONTECHNOLOGYINDEEPWATER”，WHICHISAPARTOFTHENATIONAL“863”PROGRAMTHEPURPOSEOFTHETHESISISTOR压力比Y1793MPA。2垫片有效宽度MMWB5881871280，MMB460，0BB。0B垫片基本密封宽度，W为槽宽3垫片压紧力作用中心圆直径本科毕业设计20MMB460，MMGDG15211（4）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。按照这一规程，一个紧密的
5、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32卡箍法兰图1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PH。H0785PG2式38PHGMPB1432式39式中G垫片压紧力作用中心园直径，MMP设计内压15，MPAB垫片有效密封宽度，MMM垫片初始密封比压也叫比压力，MPA如上所知将其值带入公式3839得H525X105N，PH205X105N操作时最小螺栓载荷TAN63701PMHHW式
6、310式中卡箍凸肩角，40。摩擦角度，钢对钢无润滑摩擦一般取150TAN，5318，15将其带入310中得NWM41102752预紧所需最小螺栓载荷装配所需总的轴向预紧力取BGY143，或在自紧式垫片的轴向密封载荷很大时，取轴向密封载荷NBGYHM510891143本科毕业设计21无内压常温下密封初始载荷TAN63702MMHW式311得出NWM42102653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。TAN63703PMHHW式312将式38式39的值带入312式中可得NWM53100324所需螺栓面积操作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，BMMSWA2
7、11式313预紧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，AMMSWA222式314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，AMMSWA233式315式中BS设计温度螺栓许用应力，MPABS室温螺栓许用应力，MPA螺栓材料为0CRL8NI9C250BS901，MPA,C65；BS122MPA将其带入式313式314式315得出1MA292452MM,2MA215572MM,3MA831972MM总横截面积MLA应是操作状态1MA、预紧状态2MA和装配状态3MA中较大值所以MLA3MA831972MM（5卡箍连接件螺栓载荷W操作状态下W1W527X104N式316装
8、配状态下WABLMLSAAN510042（6）卡箍法兰的力矩平衡校核本科毕业设计22法兰的材料是00CRL7NIL4MO2，B1241MPA，250B824MPA卡箍材料0CRL8NIL0TI，B138MPA，250B129MPA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0M是六个单独力矩DM、GM、TM、FM、PM、RM的总和。所用螺栓载荷W由公式316求得。1由DH所产生的力矩，DMDDHH式317在内腔面积上的端部静压力，DH0785PB2式318其中由卡箍与高颈间有效反作用力圆周到作用圆周的径向距离DH，卡箍与高径间有效作用力的
9、圆周直径CDH21GBC式319C2ICA式中B高颈内径，MMA高径外径，MM1G高颈颈部与高颈凸肩相交处壁厚，MMIC卡箍内径，MM由于高颈内径B140MM，IC224MM，A264MM，1G42MM将上列数值带入319得出DH0785PB20785140215231N510C2ICA244MM，DH3LMM再将其带入317最终得出DM715X106MMN。2偏心力矩,FM201GGHD其中0G为高颈颈部小端厚度，得出FM201GGHD23079014323X106MMN。3由GH所产生的力矩，GMGGHH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，GH
10、PHHWTAN5710,GMGGHH0。4由TH所产生的力矩，TMTTHH其中总的端部静压力与内腔面积上端部静压力本科毕业设计23之差值THTHH524980397230790N510942由卡箍与高颈间有效反作用力圆周到TH所作用圆周的径向距离是22GBCHT，最后得出MMHT21334，MMNMT7100115由压力所产生的力矩MMNHTPBTMP51066121436卡箍的径向平衡力矩MMNNCTHWMR6103022TAN5717操作状态下，高颈上总的旋转力矩0MMMNMMMMMMMRPFTGD70108318装配状态下，高颈上总的旋转力矩0MMMNGCM7010211TAN7850式
11、320（7高颈应力计算1）确定旋转力矩0M应计算高颈颈部所定义反作用力矩HM和反作用剪力Q。GBGIHTBGMMHHC23053818112110式321其中高颈凸肩对其中心轴的惯性矩HTGHGHGTGIH1223223133高颈凸肩厚度MMT60；高颈凸肩的平均厚度MMGTH32572TAN22由高颈面到高颈凸肩环形心的轴向距离MMGHTGGHGTH5829222122212由高径内径B至高颈凸肩环形心的径向距离MMGHTGGGGHTGG693022221212221本科毕业设计24将上述其值带入321可得MMNIH510071，MMNMHC610358，MMNMHZ610515高颈颈部处的
12、反作用剪力MMNBGMQHC51C109818181,MMNQ5Z103112）高颈应力高颈颈部外倾II的轴向应力MPAGBGMGBGPBFSHCC305991141211121，式322MPAGBGMGBGPBFSHZZ404291141211121式323高颈内腔处求得的最大环向应力MPABNBNPS232422222式324凸肩处高颈的最大剪应力MPAZGBTWSCC9625TAN275013式325MPAZGBTWSZZ1626TAN275013式326颈部处高颈的最大径向剪应力MPAGBGQSCC35124770114式327MPAGBGQSZZ1584770114式328法兰的轴向
13、应力、环向应力和剪应力应不大于设计温度下法兰材料的许用应力，即有MPASC30591OHS51MPA15186，MPASZ40421AHS51MPA6123MPAS23242OHSMPA1124MPASC96253OHS80MPA2899,MPASZ16263AHS80MPA9265MPASC35124OHS80MPA2899,MPASZ1584AHS80MPA9265式中OHS设计温度下操作状态高颈材料的设计许用应力，MPA本科毕业设计25AHS室温度下装配状态高颈材料的设计许用应力，MPA最终校核合格。（8卡箍应力计算1）卡箍本体处内径处的轴向应力MPACLCCZCWSTMTTCC1399
14、231TAN225式329MPACLCCZCWSTMTTZZ9099231TAN225式330式中ML卡箍凸缘的有效力臂，MMCL卡箍凸缘的有效长度，MMCB连接件中心线到螺栓中心的径向距离，MMBE螺栓中心到卡箍横截面形心处径向距离，MMX离卡箍中性轴的尺寸，MMMMCCLLICM102,MMBC7194,MMXLCBECICB45442MPAALCCCCCXCCGWTTW24718232222）卡箍本体处外径处的切向应力MPAIXCEAWSCTBCCC1414126式331MPAIXCEAWSCTBCZZ7254126式3323）卡箍曲缘的最大剪应力MPAZCCCWSGWCC609TAN5
15、17式333MPAZCCCWSGWZZ1637TAN517式334本科毕业设计264）卡箍凸耳的弯曲应力；MPALLLWSHWACC333328式335MPALLLWSHWAZZ8712328式3365）卡箍与高颈接触处应力MPAZCCAWSICC6647TAN9式337MPAZCCAWSIZZ0348TAN9式338卡箍的轴向应力、切向应力、最大剪应力、弯曲应力和接触应力都不大于设计温度下卡箍材料的许用应力，即有MPASC13995OCS51MPA207，MPASZ90995ACS51MPA5193MPASC14146OCS51MPA207，MPASZ72546ACS51MPA5193MPA
16、SC6097OCS80MPA4110，MPASZ16377ACS80MPA2103MPASC3338OCSMPA138，MPASZ87128ACSMPA84131MPASC66479OCS61MPA56198,MPASZ03489ACS61MPA84131最后得出卡箍校核合格，以此为依据对卡爪连接器进行整体设计。34垂直式卡爪回接机具的结构设计341总体结构概括依据设计方案，管道法兰卡爪连接机具总体结构分为卡爪连接器，对接引导定位，液压系统几大部分，总体结构如图33所示。本科毕业设计271下法兰2卡爪3垫圈4耳环5上法兰6夹紧活塞缸7夹紧液压缸8螺钉9固定环板10控制板11吊耳12液压油管孔1
17、3弹簧14固定耳座15滑动套筒16对准液压缸17移动环板18驱动环19对准缸活塞20活塞固定座21锥形筒22引导锥23引导锥连接板24肋板25底板图33垂直式卡爪连接机具本科毕业设计28图33中的主要组成部分如上所示，机具靠ROV辅助作业和引导套筒实现粗对接，压系统提供推力推动驱动环，卡爪连接器的卡爪在驱动环的作用下抓合两法兰，并靠驱环的作用定位，完成对接。342卡爪连接器设计卡爪连接器工作实质是18只卡爪在驱动环的作用下从处在开位状态到抓合两兰，实现两法兰之间的密封，实现对接。显而易见，卡爪连接器是整个机具核心所在，其型如图34所示。1驱动环2移动环板3弹簧4限位套筒5夹紧液压缸6固定环板7
18、引导杆8外管道9固定耳座10销轴11上法兰12限位螺母13卡爪14下法兰图34管道法兰卡爪连接器夹紧结构夹紧结构是由卡爪、上下法兰和驱动环及密封元件构成，主要的功能是18个均卡爪抓和下法兰锥面的情况下压紧密封圈塑性变形，进而实现管道回接的密封效果。因此夹紧机构设计必须满足这种需求。本科毕业设计291驱动环11上法兰13卡爪14下法兰图35卡爪张开连接剖面如图35所示，夹紧机构工作过程如下驱动环1在液压缸5的作用下上提，进而动镶嵌在上法兰槽外面的卡爪13上提，这样卡爪处于张开状态，卡爪斜锥面张开的幅度直径295MM要大于下法兰面最大直径292MM,标准设计允许2角度偏差，51英寸轴偏移，与此同时
19、限位套筒4也限制驱动环L上移的距离，进而保证卡爪张开的角度不易过大也使卡爪不会脱离驱动环内侧的瓶颈。15金属密封圈16石棉垫片图36卡爪闭合连接剖面如图36所示，在标准完成对接后，液压缸5驱动移动环板2从而驱动驱动环下移致使卡爪闭合，压缩上下法兰槽内安装金属密封圈15，使其压缩变形，从而达到密封效果石棉密封16起到辅助功能，有效防止长时间在海底工作环境下海水对金属密封圈的蚀，起到保护的功效，也是其设计的创新之处。推进结构推进机构是由液压缸，限位套筒，引导杆，弹簧，移动环板和固定环板等附件成，其主要功能是提供驱动力来实现卡爪的准确张开与闭合，还保证张开的限位功能，同还要提供后备推力从而实现连接器
20、长久工作的稳定性。本科毕业设计3017定位圆螺母18加强筋图37推进结构件图如图37所示，推进结构与夹紧机构紧密相连。推进结构的工作过程是夹紧液缸的活塞杆开始一直处于收缩状态，进而带动驱动环致使卡爪处于张开状态，当上下初准结束后，辅助工具ROV就会在按动外装置上的控制板，进而驱动夹紧液压缸活塞杆伸出从而使卡爪抓和下法兰。伸缩液压缸采用的是优瑞纳斯厂家生产的前铰轴式液压缸，缸盖处有铰轴，通过耳座将液压缸安装在垂直回接机具的横梁上。活塞杆前端带有螺纹装在移动环板上，安装保证了铰轴中心线和前端中心线在同一个平面上。定位圆螺母17证活塞杆伸出长短准确定位。343对接引导装置结构设计对接的引导装置附着在
21、卡爪连接器的外侧，由引导套筒、海底固定锥形筒、控制及活塞固定座和一对对准液压缸等组成。其功能是确保张开的卡爪连接器准确下法兰端定位，实现卡爪连接器的初对准，只有先保证了上下法兰初对准的精度要求条件下，才进行卡爪的抓和和密封工作，同样起到关键作用。本科毕业设计311海底固定锥形筒2引导套筒3活塞固定座4固定耳座5控制板6对准液压缸7对准缸活塞图38对接引导装置结构件图如图38所示，对接引导装置的工作过程如下首先是吊车下放整个机具下放到底平台上方，ROV牵引整个机具下放，这时引导套筒2成功套在海底固定锥形筒2上，由引导套筒的下端开口远大于锥形简的端口，这样很容易实现整个机具的粗对准，而套简内径略大
22、于锥形筒的外径，一直到活塞固定座3与锥形筒接触并将其勾住，这时由ROV来节控制板，对准液压缸4沿着引导套筒的滑道和整个机具下落，一直到上法兰与下法兰端面接触如图35所示的状态，这时张开的18个卡爪包裹在下法兰的边缘，随时准备好和法兰。其中对准液压缸的行程就是引导套筒的下落的距离。35本章小结本章首先对液压驱动的管道法兰卡爪连接机具的结构原理进行了具体分析，然后对机具的导向对准装置和卡爪连接器装置进行了详细的工作原理分析和具体结构设计。本科毕业设计32结论论文介绍了海底管道连接技术国内外发展现状，深入研究了国外海底管道连接机具和回接方式，根据课题要求，设计了一种专用于海底管道平台间跨接所需管道法
23、兰卡爪连接专用机具。本文完成的工作如下L、根据海底作业环境及设计指标，提出了海底平台间跨接所需的管道法兰卡爪回接机具设计方案及管道连接工艺。2、明确机具功能和机械动作前提下，对管道卡爪机具进行了结构设计。包括巩固稳定功能且双密封结构的卡爪连接器；研制出一套准确定位、导向的对接引导装置，保证机具管接头与海底平台颈端管接头准确接合。3、对管道法兰卡爪连接机具的核心受力部件进行了有限元分析，对卡爪连接器装置进行了运动学仿真，验证了结构设计的合理性。管道法兰卡爪连接机具的研究在我国仅仅处于起步阶段，与国外的先进技术相差很大。但由于时间原因，设计上还存在某些缺陷的地方1、设计的机具是垂直式卡爪连接的，后
24、续应考虑研究水平卡爪机具，那样能更好的保证回接质量和精度，同时多样的机具也能更加灵活的运用在海底管道回接技术上。2、设计的引导装置是不可回收式的，应着重研究引导对接装置的可回收性，这样能更加节约成本，经济性更好。本科毕业设计33参考文献1吴时国，袁圣强世界深水油气勘探进展与我国南海深水油气前景天然气地球科学，2005，L66693699页2李清平我国海洋深水油气开发面临的挑战中国海上油气，2006131133页3杨川恒，杜栩，潘和顺等国外深水领域勘探进展及我国南海北部陆坡深水区油气勘探潜力地学前缘，2000，73247253页4刘铁树，何仕斌南海北部陆缘盆地深水区油气勘探前景中国海上油气地质，
25、2001，153164170页5连琏，孙清，陈宏民海洋油气资源开发技术发展战略研究中国人口资源与环境，2006，6667页6时黎霞，李志刚等海底管道回接技术天然气工业，2008，285106108页7李一平水下机器人一过去、现在和未来自动化博览200235658页8关俊峰卡爪式深海管道自动连接机具技术研究哈尔滨哈尔滨工程大学硕士学位论文20081020页9管道与管道附件机械设计手册编委会机械工业出版社，2007111819页10周延东我国海底管道的发展状况与前景中国海洋石油总公司海上工程公司199811岳进才压力管道技术第二版北京中国石化出版社，2005128页12郑津洋，马夏康，尹谢平长输管
26、道安全北京化学工业出版社，2004，48页13国内外钻井与采油设备新技术北京中国石化出版社，20051246页14马克忠，巫广州管道安装工程施工技术成都四川科学技术出版社，20016668页15张金和图解管道安装操作技术北京中国电力出版社，20055762页16赵文军，张树梅，王翔等高温高压法兰密封施工技术石油化工设备2006，35368页17富永新，杨春光管道密封垫片的分类与应用辽宁化工2005，346266页18顾伯勤，李新华，田争静密封设计技术北京中国标准出版社，2004本科毕业设计34致谢本论文是在伦冠德老师的亲切关怀和精心指导下完成的，老师一方面在学习和学术研究上严格要求，另一方面则在生活上给予了真切关怀。指导老师严谨的治学态度、渊博的学识、诲人不倦的精神和宽厚朴实的作风给学生留下了深刻的印象，使学生终身受益无穷。籍此论文完成之际，谨向指导老师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢在课题的研究过程中，作者还得到了其他老师的无私帮助和耐心指教，在此向帮助我的老师表达诚挚的谢意我还得到了冯洋、冯汝广、雷震、韩文康等同学的热情帮助，也向他们表示衷心的感谢感谢所有帮助过我的老师、同学和朋友感谢对论文进行评审、提出宝贵意见的各位专家再次感谢帮助过我的老师和同学
