王立權(quán)，王文明，何 寧，李 偉，劉明珠，林秋紅

(1.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.海洋石油工程股份有限公司海洋工程技術(shù)中心，天津 300451)

隨著陸上石油逐漸枯竭，海上油氣的開(kāi)采將會(huì)越來(lái)越重要.在全球海上油氣資源中大約有44%儲(chǔ)存在300 m以下的深水海域.同時(shí)，由于開(kāi)采技術(shù)的不斷提高，海洋石油的開(kāi)發(fā)也將不斷向高、深、難的方向發(fā)展.海洋石油發(fā)展的趨勢(shì)將是走向深水［1］.中國(guó)海洋石油總公司正在建造3 000 m深水鋪管船，在十一五期間要形成3 000 m海底管道鋪設(shè)能力.其中，水下回接是深海管道鋪設(shè)重要組成部分.水下回接技術(shù)是將新開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)管道并入已建的管網(wǎng)，充分利用已建設(shè)施，使邊際小油田開(kāi)發(fā)變得經(jīng)濟(jì)有效，其主要包括:管道與平臺(tái)的連接、管道與管網(wǎng)的連接、管道與立管的連接、管道間的連接等.深海管道法蘭連接機(jī)具正是一種水下回接的特種機(jī)具.國(guó)外一些大公司已經(jīng)掌握了該項(xiàng)技術(shù)，但在國(guó)內(nèi)，法蘭連接機(jī)具的研制還是空白.研制用于海底管道鋪設(shè)作業(yè)，可以適應(yīng)深海環(huán)境、提供高質(zhì)量連接、高自動(dòng)化作業(yè)水平的法蘭連接機(jī)具，具有重大現(xiàn)實(shí)意義.

目前，水下回接的施工方法主要有機(jī)械連接和水下焊接［2］.其中，機(jī)械連接方式更適合深水管道回接.機(jī)械連接又細(xì)分為卡鉗式連接、法蘭式連接和卡爪式連接.深海管道法蘭連接機(jī)具屬于法蘭式連接，可以實(shí)現(xiàn)深水管道自動(dòng)化法蘭連接.機(jī)具海底作業(yè)時(shí)，需要克服高靜壓、腐蝕等復(fù)雜海底環(huán)境影響，具有較大的設(shè)計(jì)難度.文獻(xiàn)［3］設(shè)計(jì)了一種分體三瓣式的法蘭連接機(jī)具，采用特制螺栓，但作業(yè)前需要螺栓庫(kù)和螺母庫(kù)預(yù)先對(duì)接;文獻(xiàn)［4］和［5］結(jié)構(gòu)為桁架整體式，其系統(tǒng)智能，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜.本文設(shè)計(jì)的機(jī)具采用整體三瓣式結(jié)構(gòu)，拉伸預(yù)緊方式擰緊螺栓.

1 深海管道法蘭連接機(jī)具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

深海管道法蘭連接機(jī)具是一種用于海底管道法蘭螺栓連接的機(jī)具，其主要組成如圖1所示，虛線框內(nèi)為機(jī)具本體:桁架式外框架聯(lián)結(jié)各個(gè)部件，并保證各部件安裝后與管道、法蘭的相對(duì)位置精度;內(nèi)框架搭載螺栓庫(kù)和螺母庫(kù)，其可以繞管道周向轉(zhuǎn)動(dòng)，確保螺栓與法蘭孔實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn);水下攝像機(jī)監(jiān)測(cè)機(jī)具作業(yè)狀態(tài)，反饋管道、法蘭和機(jī)具的位置信息;卡爪機(jī)構(gòu)將整個(gè)機(jī)具定位于海底管道;ROV接口平臺(tái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力液壓源、信號(hào)源連接;三瓣式螺栓庫(kù)用于存放螺栓并向法蘭孔插入螺栓，安裝在管道的活動(dòng)法蘭一側(cè)，具有拉伸預(yù)緊螺栓的功能;螺母庫(kù)用于存放螺母，安裝在管道的固定法蘭一側(cè)，也采用三瓣式結(jié)構(gòu)，擰入固定法蘭一側(cè)的螺母.操控面板與上位機(jī)PC可以發(fā)出控制指令，下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)控制液壓閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)具各部分作業(yè).

圖1 深海管道法蘭連接機(jī)具結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure of DFCT

深海管道法蘭連接機(jī)具三維模型如圖2，工作原理是:機(jī)具通過(guò)卡爪機(jī)構(gòu)定位到管道上，螺栓庫(kù)與螺母庫(kù)隨內(nèi)框架轉(zhuǎn)動(dòng).螺栓庫(kù)攜帶的螺栓部分插入旋轉(zhuǎn)法蘭孔，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整旋轉(zhuǎn)法蘭與固定法蘭使其對(duì)正.法蘭孔對(duì)正之后，螺栓庫(kù)插入螺栓，另一側(cè)的螺母庫(kù)擰入螺母.其中，螺栓庫(kù)周向均布16個(gè)結(jié)構(gòu)相同、采用拉伸螺栓預(yù)緊方式的拉伸擰緊機(jī)構(gòu)，每個(gè)都具有拉伸螺栓擰入螺母的功能，這樣法蘭兩側(cè)螺母擰入到施加預(yù)緊力的螺栓，最終實(shí)現(xiàn)管道的法蘭螺栓連接.

圖2 深海管道法蘭連接機(jī)具三維模型Fig.2 3-D model of DFCT

2 拉伸擰緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

拉伸擰緊機(jī)構(gòu)是深海管道法蘭連接機(jī)具的關(guān)鍵技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)拉伸螺栓施加預(yù)緊力，將螺母擰入螺栓的功能.由于機(jī)構(gòu)作業(yè)空間有限，連接法蘭的螺栓預(yù)緊力大，所以機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要具有小空間、大預(yù)緊力的特點(diǎn).同時(shí)，設(shè)計(jì)還要保證機(jī)具的深海作業(yè)可靠性.

2.1 螺栓設(shè)計(jì)載荷計(jì)算

預(yù)緊螺栓時(shí)，設(shè)計(jì)載荷的大小直接關(guān)系到法蘭密封效果［6］.螺栓預(yù)緊力通過(guò)法蘭壓緊面作用到墊片上，使墊片發(fā)生彈性或塑性變形，以填滿法蘭壓緊面上的不平間隙，從而阻止流體泄漏.壓緊力過(guò)小，墊片壓不緊不能阻漏;壓緊力過(guò)大，往往使墊片擠出或損壞.螺栓設(shè)計(jì)載荷計(jì)算過(guò)程如下:

預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wa應(yīng)為此時(shí)墊片所需的壓緊力Fa，即

查 SH3403-96標(biāo)準(zhǔn)，墊片 SH3403-GRO-R79-0 Cr18Ni9的節(jié)徑DG=692.15 mm;查得環(huán)平面寬度C=24.8 mm得 b0=C/8=3.1，當(dāng) b0≤6.4 mm 時(shí)，取有效密封寬度b=b0=3.1 mm;查得金屬環(huán)墊片比壓力 y=179.3 MPa.

計(jì)算得出 Wa=Fa≈1.2 ×106N.

操作狀態(tài)下，螺栓不僅要承受壓緊墊片所需要的力，同時(shí)還承受使法蘭趨于張開(kāi)的介質(zhì)壓力，公式如下:

式中:F為介質(zhì)壓力引起的總軸向力;Fp為操作狀態(tài)下墊片需要的最小壓緊力;Pc為設(shè)計(jì)壓力，為15 MPa.

計(jì)算得出Wp≈6.9×106N.

比較2個(gè)參數(shù)Wa與Wp取較大者，最終螺栓設(shè)計(jì)載荷應(yīng)為W≥Wp，近似取W=8.0×106N.

2.2 拉伸擰緊原理

螺栓擰緊方式有許多種，普通擰緊原理是通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺母，施加力矩后產(chǎn)生預(yù)緊力，常用的方法有擰緊力矩法，旋轉(zhuǎn)角度擰緊法，塑性區(qū)域旋轉(zhuǎn)角度擰緊法，傾斜度擰緊法等［7］.而一種全新的拉伸擰緊機(jī)構(gòu)不同于以往常規(guī)擰緊方式，它以一種拉伸擰緊方法完成深水海底管道的法蘭連接.拉伸擰緊原理是對(duì)螺栓直接施加拉伸力，使螺栓沿軸向伸長(zhǎng)，而后小力矩旋緊螺母，擰入的螺母可以保持螺栓伸長(zhǎng)量產(chǎn)生的預(yù)緊力.待撤去拉伸力，由于螺栓收縮就可在連接中產(chǎn)生和拉力相等的預(yù)緊力.由于螺旋副沒(méi)有摩擦力矩，螺栓不受剪切應(yīng)力，因此螺栓具有更高的承受軸向拉力能力.這樣的預(yù)緊方式可以提高預(yù)緊力的控制精度.機(jī)構(gòu)采用拉伸方式施加預(yù)緊力，而不是力矩?cái)Q緊螺母，所以機(jī)構(gòu)占用空間小.

用于提供拉伸力的液壓拉伸器油壓計(jì)算公式如下:

式中:ΔL為螺栓的伸長(zhǎng)量，L為螺栓長(zhǎng)度，AH為活塞截面積，A為螺栓平均截面積，E為彈性模量.

2.3 拉伸擰緊機(jī)構(gòu)工作原理

拉伸擰緊機(jī)構(gòu)是法蘭螺栓連接的最后一步，起到拉伸螺栓并最終擰緊螺母的作用，機(jī)構(gòu)如圖3所示.基本工作原理是:拉軸前端為螺紋孔，可以擰入螺栓;拉軸后端也有螺紋，通過(guò)聯(lián)軸器與增壓缸連接，增壓缸伸長(zhǎng)施加拉伸力，實(shí)現(xiàn)螺栓的拉伸變形.扳手套筒與轉(zhuǎn)軸座通過(guò)螺栓連接到一起，可以沿拉軸滑動(dòng).緩沖補(bǔ)償裝置可以實(shí)現(xiàn)扳手套筒的緩沖，并給扳手套筒存放的螺母一個(gè)初始推力.液壓馬達(dá)帶動(dòng)力矩施加機(jī)構(gòu)上的齒輪，向扳手套筒施加擰緊力矩，實(shí)現(xiàn)螺母旋入螺栓.

圖3 拉伸擰緊機(jī)構(gòu)Fig.3 Stretch tightening machanism

3 法蘭連接工作過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

深海管道法蘭連接機(jī)具工作過(guò)程的數(shù)學(xué)描述［8-9］如下:深海管道法蘭連接機(jī)具定位到待連接管道，螺栓庫(kù)與螺母庫(kù)一起轉(zhuǎn)動(dòng)θ2角，與管道法蘭孔對(duì)齊，保證螺栓的軸心與法蘭孔軸心具有一定對(duì)齊精度;將螺栓插入法蘭孔，螺栓庫(kù)攜帶螺栓移動(dòng)d1;法蘭另一側(cè)的螺母庫(kù)攜帶螺母旋入螺栓，再由拉伸擰緊機(jī)構(gòu)完成法蘭的螺栓連接.運(yùn)動(dòng)學(xué)分析按照下關(guān)節(jié)設(shè)置D-H法，法蘭連接機(jī)具的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型坐標(biāo)系見(jiàn)圖4，參考坐標(biāo)系{R}中x軸垂直向下，z軸為固定法蘭一側(cè)的管道軸心并且指向管道.O0經(jīng)過(guò)內(nèi)框架軌道;活動(dòng)法蘭平面與軌道的交點(diǎn)為O1;O2為活動(dòng)法蘭的中心.單個(gè)拉伸擰緊機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系設(shè)為{T}.

圖4 深海管道法蘭連接機(jī)具的坐標(biāo)系建立Fig.4 Coordinate system of DFCT

法蘭連接機(jī)具各連桿參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 D-H參數(shù)表Table 1 D-H parameters

根據(jù)表1的參數(shù)，可得各個(gè)連桿變換矩陣:

描述管道和拉伸擰緊機(jī)構(gòu)的聯(lián)系，拉伸擰緊機(jī)構(gòu){T}相對(duì)于參考系{R}的位姿公式為

其中，

則可以求出拉伸擰緊機(jī)構(gòu)的位姿公式:

式中:θ2=w2t，d1=v1t.w2為內(nèi)框架的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，v1為螺栓庫(kù)的移動(dòng)速度.

4 法蘭連接機(jī)具多體動(dòng)力學(xué)分析

4.1 多體動(dòng)力學(xué)模型的建立

深海管道法蘭連接機(jī)具多體動(dòng)力學(xué)分析采用ADAMS軟件，軟件求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)拉伸擰緊機(jī)構(gòu)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析［10-11］.機(jī)構(gòu)在Pro/E軟件中建模，定義模型剛體及添加相應(yīng)的關(guān)節(jié)約束后，通過(guò)MECH/PRO接口軟件，將三維模型導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)分析.深海管道法蘭連接機(jī)具由16個(gè)拉伸擰緊機(jī)構(gòu)組成.通過(guò)16個(gè)增壓缸拉動(dòng)拉軸將螺栓預(yù)先拉伸，然后扳手套筒帶動(dòng)螺母擰入螺栓.考慮到簡(jiǎn)化原則，模型將16個(gè)拉伸擰緊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)，簡(jiǎn)化幾何模型如圖5所示.

圖5 拉伸擰緊機(jī)構(gòu)幾何模型Fig.5 Geometric model of stretch tightening machanism

4.2 仿真結(jié)果

拉軸拉伸單個(gè)螺栓的端部位移如圖6所示.由圖6結(jié)果，螺栓端部位移是墊片壓縮的變形和螺栓拉長(zhǎng)變形的疊加，為0.288 mm.實(shí)際上，該段距離由很多種復(fù)雜因素所致，包括法蘭的變形等等.這里只考慮兩個(gè)重要的因素，即螺栓和墊片的變形.

圖6 螺栓端部位移Fig.6 Bolt tip＇s displacement

扳手套筒轉(zhuǎn)速如圖7，啟動(dòng)階段螺栓沒(méi)有擰入螺母，當(dāng)螺母接觸到螺栓的時(shí)候，由于沖擊的存在有個(gè)微小波動(dòng);當(dāng)拉軸接觸到螺栓的時(shí)候也有一個(gè)波動(dòng);當(dāng)貼緊法蘭端面的時(shí)候，是一個(gè)速度由恒定值迅速變化到零的過(guò)程.扳手的旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min，折合成 3 600(°)/s，波峰為 3 595.31(°)/s.

拉伸擰緊機(jī)構(gòu)從拉伸螺栓到扳手套筒進(jìn)給的過(guò)程中，拉軸的拉伸螺栓過(guò)程是一個(gè)力和位移的關(guān)系，扳手套筒是一個(gè)趨于恒定速度的間隙性軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng).通過(guò)考慮主要因素忽略次要因素，機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本與理論預(yù)期相符.

圖7 扳手套筒最前端轉(zhuǎn)速Fig.7 The front-end speed of wench

5 結(jié)論

通過(guò)深海管道法蘭連接機(jī)具的設(shè)計(jì)與仿真分析，可以得出以下結(jié)論:

1)拉伸擰緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用拉伸預(yù)緊方式，使得拉伸過(guò)程中螺栓不受剪切應(yīng)力，提高了螺栓軸向抗拉伸能力，可以提高預(yù)緊力的控制精度;

2)對(duì)機(jī)具工作過(guò)程的數(shù)學(xué)描述和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可以為深海管道法蘭連接機(jī)具的液壓控制系統(tǒng)進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供理論依據(jù);

3)通過(guò)機(jī)具多體動(dòng)力學(xué)分析，仿真結(jié)果的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與理論預(yù)期基本相符，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理.

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