海底管道水平鋪設系統(tǒng)樣機結構設計.doc

學 號 密 級 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文海底管道水平鋪設系統(tǒng)樣機結構設計院（系）名 稱： 機電工程學院 專 業(yè) 名 稱： 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名： 指 導 教 師： 張忠林 副教授哈爾濱工程大學2013年6月海底管道水平鋪設系統(tǒng)樣機結構設計 哈 爾 濱 工 程 大 學學 號09071404 密 級 海底管道水平鋪設系統(tǒng)樣機結構設計The design of the prototype structure of horizontal laying system for subsea pipeline 學 生 姓 名： 所 在 學 院：機電工程學院 所 在 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 指 導 教 師：張忠林 職 稱：副教授 所 在 單 位：哈爾濱工程大學 論文提交日期：2013年6月13日 論文答辯日期：2013年6月22日 學位授予單位：哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文摘 要隨著社會的發(fā)展與科技的進步，油氣資源的開發(fā)已從陸地轉向海洋，在海上開采出的石油主要依靠管道進行運輸，海底管道鋪設技術在油氣運輸中的作用越來越突出。海底管道水平鋪設系統(tǒng)樣機結構設計為實際工程樣機設計打基礎，用來驗證實際管道鋪設過程的校直、橫張力和止動等關鍵技術。海底管道水平鋪設系統(tǒng)是一種適用于海洋柔性軟管鋪設的機械系統(tǒng)。當海底管道水平鋪設系統(tǒng)在進行鋪設時，軟管從卷筒上退卷繞，通過彎管器對管道的位置及曲率進行初步調整，再通過校直器對管道進行校直，最終由張緊器進行夾持管道，進行鋪管作業(yè)。本文介紹了當前柔性鋪管系統(tǒng)的發(fā)展狀況，通過對柔性鋪管系統(tǒng)的整體研究，確定了海底管道水平鋪設系統(tǒng)的組成：卷筒、彎管器、校直器、張緊器、止動器。對彎管器與校直器進行選型，使之符合工作要求；對卷筒、張緊器以及止動器依據(jù)設計要求進行了設計。對卷筒、張緊器、止動器的主要零部件進行設計、受力分析和強度校核，對提供驅動力的張緊器以及制動器的液壓缸進行了計算和校核。關鍵詞：海底管道水平鋪設系統(tǒng)；結構設計；強度校核Abstract With the social development and human progress of science and technology,growing demand for oil and gas resource development in recent years has shifted from land to sea.Offshore oil mainly rely on pipelines for transport, laying of submarine pipelines technology in the oil and gas transportation play a prominent role. The prototype structure of horizontal laying system for subsea pipeline design for the actual engineering prototype, the process used to verify the actual pipe straightening, transverse tension,the stopper and other key technologies.The prototype structure of horizontal laying system for subsea pipeline is a flexible pipe for marine laying mechanical systems. When the prototype structure of horizontal laying system for subsea pipeline laying pipe back from the reel, the location and curvature of pipeline is initially adjusted by bending device, after that pipeline straightener straight the pipeline,the tensioner clamps pipes for pipe laying operations finally. This paper describes the current development status of flexible pipe laying systems, through the flexible pipe laying systems overall study,we determine that the prototype structure of horizontal laying system for subsea pipeline consists of reel, bending device, straightener, tensioner and stopper.We select the type of bending device, and straightener,to fulfill the need of job requirements;We design the reel, tensioners and stopper according to the requirements.The main components are designed,stress analysis and strength checking. And tensioner and brake cylinders were calculated and checked.Keywords: horizontal laying of submarine pipeline systems; structural design; strength check目 錄第1章 緒 論11.1 海底管道鋪設的概念11.2 海底管道水平鋪設系統(tǒng)研究的目的和意義11.3海底管道鋪設方法分類11.3.1“S”型鋪管法11.3.2“J”型鋪管法21.3.3拖拽式鋪管法31.3.4卷管式鋪管法41.4海底管道鋪設方法的比較51.5目前國內外水平和發(fā)展狀況51.6論文研究的主要內容8第2章 總體方案設計102.1引言102.1.2柔性軟管簡介112.2 總體方案122.3鋪管過程132.4軟管鋪設驅動系統(tǒng)142.5本章小結14第3章 卷筒的結構設計153.1引言153.2卷筒結構尺寸的計算163.3卷筒軸的強度校核173.4軸承的選擇193.5本章小結19第4章 彎管器與校直器的選型204.1彎管器204.1.1彎管器作用及原理204.1.2彎管器的選型214.2校直器214.2.1校直器的作用214.2.2校直器原理214.2.3校直器的選型224.3本章小結22第5章 張緊器結構設計235.1張緊器的結構235.2張緊器機構的設計245.2.1導軌的設計245.2.2張緊器張緊方式的分析255.2.3張緊器張緊方式的選擇255.3履帶機構的設計265.3.1履帶板的設計265.3.2履帶板結構尺寸的計算285.3.3履帶鏈輪的設計295.4液壓馬達的選擇305.4.1液壓馬達參數(shù)的確定305.4.2液壓馬達型號的確定315.5箱體、底座和安裝臺的設計315.5.1箱體的結構設計315.5.2底座的設計325.5.3安裝臺的設計335.5.4箱體、底座、安裝臺的安裝335.6本章小結33第6章 止動器的結構設計356.1 止動器結構設計及計算356.1.1擠壓板的設計356.1.2止動器受力分析及計算366.2本章小結37第7章 液壓缸的選用與校核397.1主張進液壓缸的設計和計算397.1.1液壓缸內徑計算397.1.2活塞桿直徑的計算407.2止動器液壓缸的計算與校核427.2.1液壓缸內徑的計算427.1.2活塞桿直徑的計算427.3本章小結43結 論44參考文獻45攻讀學士期間發(fā)表的論文和取得的科研成果47致 謝48第1章 緒論第1章 緒 論1.1 海底管道鋪設的概念運用一定的結構與相應的控制系統(tǒng)將用于信息的傳輸或者輸送的管道放置到指定的位置的鋪設系統(tǒng)稱為管道鋪設系統(tǒng)。能將柔性軟管放置到指定位置，管道本身有具有柔性，能適用于深海又可適用于淺海的柔性軟管鋪設系統(tǒng)稱之為海底柔性管道鋪設系統(tǒng)。海底管道鋪設系統(tǒng)具有作業(yè)效率高、對作業(yè)環(huán)境有較好的適應性、鋪設深度范圍較廣、柔性軟管不需焊接、鋪管作業(yè)準備時間短等一系列優(yōu)點，是一種具有廣闊前景和急需推廣的管道鋪設裝置1 。1.2 海底管道水平鋪設系統(tǒng)研究的目的和意義管道運輸是油氣運輸?shù)姆绞街凶羁旖?、可靠、經濟的，是油氣運輸主要方式.從1954 年在美國的墨西哥灣由Brown &Root海洋工程公司鋪設了世界上第一條海底管道，人們已經在全球各不同近海和遠海海域成功鋪設了近兩萬公里各種類型、管徑的海底管道.海底管道鋪設技術發(fā)展速度之迅速由此可見一斑。鋪管技術隨著海域水深的加深也相應得到了大發(fā)展. 海底管道鋪設系統(tǒng)的研制可以滿足我國深海油氣田開發(fā)工程的需要，填補國內相關領域的空白，提高我國在深海管道鋪設領域的技術水平，促進我國深海油氣資源的開發(fā)利用。海底軟管管道的鋪設是深海石油資源開發(fā)的基礎裝備，軟管鋪設系統(tǒng)是用于海底輸油軟管鋪設的專用設備。海底管道水平鋪設系統(tǒng)樣機結構設計為實際工程樣機設計打基礎，用來驗證實際管道鋪設過程的校直、橫張力和止動等關鍵技術。1.3海底管道鋪設方法分類由于鋪管船的適應性強，機動性好，且施工工藝已趨于成熟，是目前世界上使用最廣泛的一種方法之一，鋪管船在近些年得到了大力發(fā)展.隨著各種類型的具有高技術高附加值的海底鋪管船的設計研發(fā)，鋪管船的高效性、結構的安全性與經濟性，舾裝配件布局的合理性等方面引起了研發(fā)人員和各國船廠的重視。到目前為止，結合國內外的鋪管實際經驗，主要的鋪管方式有：“S”型鋪管法，“J”型鋪管法，拖拽式鋪管法，卷管式鋪管法。1.3.1“S”型鋪管法 S型鋪管法，是當前最為常用的海底管道鋪設方法。因為鋪設作業(yè)在同一水平線之上進行，所以S型鋪管法效率很高且安全穩(wěn)定?！癝”型鋪管法一般需要數(shù)艘起重拋錨拖輪來輔助支持管道鋪設作業(yè)。作業(yè)開始前，先要放下錨，使船固定在海面上，然后使錨纜穿過托管架，并將錨纜固定到第一根管子的端部。在托管架的支撐作用下，管道自然地彎曲成S型，此時管道被劃分為三個部分： （1）上彎段：從張緊器到管線與支架分離點之間這一段，即被支架支撐的管線部分； （2）下彎段：管道和支架分離點到與海底接觸點之間豎直部分； （3）邊緣段：支架倒數(shù)第三個滑輪到管線拐點間的受力復雜的部分。除此之外，還有另外一種分段方式，將管道分為兩個區(qū)域拱彎區(qū)和垂彎區(qū)。拱彎區(qū)是從鋪管船板上的張緊器開始，沿支架向下到管道開始脫離支架支撐的抬升點為止的一段區(qū)域(抬升點即是管道呈S型時的拐點)；垂彎區(qū)是從抬升點到海底著地點之間的區(qū)域。管道在垂彎區(qū)的曲率通過張緊器產生的張緊力來控制，管道在拱彎區(qū)的曲率通過合適的滑道支撐和支架的彎曲度來控制2 。圖1.1“S”型鋪管方式1.3.2“J”型鋪管法 J型鋪管法，是從上世紀80年代為了適應深水鋪設而不斷發(fā)展出來的，是目前最佳深海管道鋪設方法，該方法主要應用于剛性管道鋪設3 。在鋪設過程中剛性管道近乎豎直進入水中，管道在水中呈J型，因而得名J型鋪管法。 J型鋪管法在鋪設過程中通過調節(jié)托管架的傾斜角度和張緊器張力來改變管道的受力，從而使管道安全鋪設。J型鋪管法主要有以下兩種：（1）鉆井船J型鋪設法（2）帶斜型滑道的J型鋪管法。J型鋪管設備主要由4部分組成：（1）管道連接站用來將前一次管段的最下端連接到本次釋放的管段的最上端；（2）管道支撐塔架豎直的鋪管塔，該鋪管塔在管道連接站正上方，它將管道保持在鋪設路徑的合理角度內，管段的下端與準管道連接站對準；（3）靜態(tài)夾具用來夾住前一次釋放管段頂端的夾子，同時夾住使管段對準連接站；（4）管道釋放裝置當在靜態(tài)夾具松開時可調節(jié)地釋放管段。圖1.2 “J”型鋪管法1.3.3拖拽式鋪管法拖曳式鋪管法主要由以下四種方式：海面拖行、海面下拖行、近底拖行和海底拖行。以上四種拖拽方法的管道組裝均相同，可以在地面組裝廠或者在淺海處的鋪管船上完成管道組裝；當完成管道組裝后，就可以進行拖拽鋪設。 （a）海面拖行，管道通過漂浮箱漂浮在水面上。 （b）海面下拖行，通過漂浮箱使管道不受海面風浪的影響。這兩種拖曳方法對比，海面拖行與海面下拖行鋪設管道易受到海面風浪、海上船只和管道陳放的影響。 （c）近底拖行，是海面拖行技術的改進方式，同樣也需要主拖船和牽制拖船。在管道上每隔一定間距設置漂浮箱，同時浮箱上還需要連接有鐵鏈，用于拖行，利用它的重量和浮箱的浮力而使管道達到設計深度。這種鋪設方式通過改變鐵鏈的長度來提供管道的穩(wěn)定力，通過改變張力的大小使管段改變深度。近底拖行的主要優(yōu)點是拖行的驅動力要求較小，沒有海況及海上船只的影響。 （d）海底拖行，在海床上利用鋪管船的牽引力將管道拖行至預定位置。拖行路線對海底拖行有著決定性作用，由于摩擦影響管道涂層、拖行期內管道穩(wěn)定性、鋪管船的規(guī)格和所拖管道的長度。此法不受牽制拖船以及海況影響，但對拖船的牽引力要求較高，涂裝層有磨損的危險，管道有被卡住的危險4 。（a）海面拖行（b）海面下拖行（c）近底拖行（d）海底拖行圖1.3拖拽式鋪管法1.3.4卷管式鋪管法卷管式鋪管法是上世紀90年代發(fā)展出來的一種新式鋪管法，卷管式鋪管法是在預制場上將管道連接，纏繞在卷筒上，將卷筒儲存在鋪管船上用于管道鋪設，其優(yōu)點是管道絕大部分的焊接預制工作在預制場內完成，縮短了海上鋪設時間，降低了成本，卷筒上的管道可連續(xù)鋪設，減小了鋪設作業(yè)的風險。每種儲存卷管的滾筒都都和相應的鋪管船配合使用，一般儲存卷管的直徑從1英寸到12英寸不等，單層管的最大鋪設直徑為16英寸，最大鋪管深度可達到1800m。 卷管式鋪管法需要的主要設施包括：預制場地、儲存卷管、管道校直器、管道張緊器、制動夾具、鋪管船和其他常規(guī)施。圖1.3卷筒鋪管方式卷管式鋪管船的分類（1）水平式和（2）垂直式。（1）水平式卷管鋪管船，通常用于中淺海海域作業(yè)（小于300m），其轉動軸垂直于鋪管船的甲板，其鋪管形式為S型；（2）垂直式卷管鋪管船，適用于中等水深或深水作業(yè)（大于300m），其轉動軸與鋪管船甲板保持水平，其鋪管形式為J型。1.4海底管道鋪設方法的比較從目前工程應用上來看，不同的鋪管方法都有一定的特征和適應性。例如，拖拽法主要應用于近海灘涂鋪設或者鋪設距離較小的工程當中。卷管閥由于存在較大的塑性變形，其可鋪設的觀景一般小于16英寸；深海鋪設時一般選用“S”型鋪管法或者“J”型鋪管法，以下為四種鋪設方法的歸納與總結5 。表1.1 海底管道鋪設方法的對比拖拽鋪 設優(yōu)點管道在岸上預制場內焊接，焊接質量較好；拖船不需改造，成本較低；拖拽方法較為多樣化。缺點安裝長度較短；對于海底和海況要求高；只適用于淺水區(qū)域鋪管作業(yè)。卷筒鋪設優(yōu)點絕大多數(shù)的焊接工作在岸上預制場內的可控環(huán)境內完成；張力相對較小，成本較為低廉；由于管道在預制場中連接，管道可持續(xù)鋪設。缺點需要預制場的支持；對鋼材的塑性要求高，適用管徑較小；鋪設速度越為600m/h。J型鋪設優(yōu)點由管道支撐塔代替了船尾托管架；管道鋪設角度近乎垂直，管道張力較小缺點只有一個焊接站，因此焊接速度慢，鋪設效率低鋪設作業(yè)都在垂直的鋪設他上完成，穩(wěn)定性差鋪設效率低，速度慢，鋪設速度為1-1.5km/dayS型鋪設優(yōu)點管道水平方向采用雙接頭進行裝配，裝配效率高；對海況和連續(xù)作業(yè)能力強，鋪設效率和速度高，鋪設速度為3.5km/day缺 點必須處理非常大的張力；水越深，托管架越長，失去穩(wěn)定性；水越深，張力越大，風險越大。1.5目前國內外水平和發(fā)展狀況1982年中國海洋石油總公司(中海油) 成立,標志著中國正式開始了海洋石油天然氣的開發(fā)。在這短短的二十幾年里,中海油雖然取得了令人矚目的成就,但深海鋪管技術非常薄弱,最深的海洋管道也只有330 m，我國在海底鋪管技術的開發(fā)及應用方面與國外先進水平相比存在較大差距。柔性軟管鋪設系統(tǒng)及技術基本為外國公司所壟斷，我國在該領域目前尚處于起步階段。在進行軟管鋪設施工時要向外國公司租用設備，雇傭外方操作人員，費用極其昂貴6 。瑞士再鋪管技術領域是世界上最先進的國家之一，在鋪管技術上的代表是ALLSEAS公司，該公司有著雄厚的實力和尖端技術，下圖為世界上最大的鋪管船Allseas公司的Solitaire。圖1.5 Allseas公司的Solitaire鋪管船Solitaire為世界上最大的鋪管船，采用S型鋪設，總長300m（984英寸不包括船為托管架），該船能鋪設直徑2英寸到60英寸的管道，最大航速24km，采用三個175噸張緊器其夾持能力為1050噸，能夠鋪設最重的管道，從船尾延伸的架構控制托管家的角度張緊下表為Solitaire主要性能參數(shù)：表1.2 Solitaire主要性能參數(shù)總長（m）航速（km）床位（人）動力定位系統(tǒng)作業(yè)吃水（m）起重載荷（t）焊接工作站張緊器（t）管徑范圍（mm）管道傳送起吊機專用起重機30024420NMD CLASS3/LRDP(AAA)Type Simard kongsberg 2ADP 7021ADP 7011.4352300兩個雙縫焊接平臺7個焊接站317550.81524國內鋪管船發(fā)展起步較晚，1987年，我國引進了一條小型鋪管船，結束了我國國內無鋪管船的歷史。但隨著鋪管長度的不斷增加，鋪管施工技術越來越成熟，表1.3為我國2000年建造的“藍疆號”鋪管船的主要參數(shù)：表1.3 “藍疆號”起重鋪管船主要參數(shù)建造時間總長（m）型寬（m）型深（m）滿載吃水（m）床位（人）甲板載荷（t/m）作業(yè)水深（m）2001年157.548.812.582785008500最大起重載荷（t）張緊器（t）管徑范圍（mm）AR絞車（t）工作站（個）檢測站（個）定位錨機（套）錨纜長度（mm）3800272.511412921581012122200藍疆號大型起重鋪管船是一艘非自航無限航區(qū)作業(yè)的大型工程船,船體總長157.5m,型寬48 m,滿載排水量58000t,可在150m水深實施起重和鋪管作業(yè)。該船主甲板艉部裝有1臺3800t起重能力的全回轉電動起重機;船上設有鋪管系統(tǒng),鋪設最大管徑為l220mm,具有單節(jié)管和雙節(jié)管2種鋪管模式;船上有直升飛機平臺和作業(yè)人員生活區(qū),生活區(qū)可滿足280人住宿、餐飲;船舶設備具有較高的技術含量,其主要設備如起重機、鋪管系統(tǒng)、動力和推進器都采用了世界頂級名牌產品7 。但是我國鋪管技術起步較晚，總體還是比較落后，并且鋪管船形勢比較單一，國內最先進的鋪管船“藍疆”號的鋪管最大深度也只能達到150 m。基本上都屬于船型側邊起重鋪管船。圖1. 6藍疆號鋪管船1.6論文研究的主要內容畢業(yè)設計的主要內容是針對能提供15噸張緊力,對管徑13英寸的軟管進行鋪設的鋪設系統(tǒng)結型結構設計和強度校核，其主要內容為：根據(jù)課題需要，工作需求以及管道參數(shù)，在查閱國內外相關資料的基礎上，對海底管道水平鋪設系統(tǒng)進行整體結構設計（機械零件結構），在此基礎上，完成論文，裝配圖，以及零件圖。論文在查閱大量資料的基礎上，完成整體結構設計，形成裝配圖。在論文中闡明各部分的設計過程，論文主要由以下內容：（1）卷筒的結構設計 包括卷筒結構尺寸的計算，卷筒軸的校核和軸承的選用。（2）校直器的選型 經過彎管器后管道在入水前需校直，以消除彎管的殘余塑性形變。校直器通常包括兩個弧狀履帶連同導輪作為第三個彎管點對管道進行校直。主要介紹校直器的作用以及工作原理，并依據(jù)軟管的直徑進行了選型。（3）張緊器的結構設計 主要包括張緊器軌道的設計，鏈輪相關尺寸計算，V型板原理及結構尺寸計算，電機的選取，箱體、底座和安裝臺的設計（4）止動器的整體結構設計及受力分析 止動器的原理分析，擠壓板的設計，液壓缸所提供最小夾緊力的計算，。（5）液壓缸的選用與校核 依據(jù)液壓缸行程，工作額定壓力及最大推力進行了液壓缸內徑和活塞桿直徑的計算和校核。（6）彎管器的選型 彎管器作用以及工作原理的介紹，并依據(jù)軟管外徑選取彎管器。第2章 總體方案設計2.1引言海上油氣田開采出的油氣大多數(shù)是通過海底管道轉輸至陸地上加工并分別輸送到戶。伴隨海洋石油然氣開發(fā)不斷加深,海底管道的作用顯得越來越重要，但是海底管道鋪設作業(yè)是一個復雜的過程，在海況環(huán)境惡劣的情況下，存在洋流，風浪等一系列的不確定因素，而管道在鋪設的過程中有受到彎曲應力，擠壓應力的影響，因此，海底管道鋪設系統(tǒng)要具備高可靠性，高強度，優(yōu)良的操作性等優(yōu)點。鋪管船的形式也是多種多樣的，世界上主要的廠商為荷蘭的HUISMAN公司。該公司的柔性軟管鋪設系統(tǒng)有各種不同噸位，鋪設塔的角度分為固定式和可調式，可按客戶要求定制8 。圖2.1為Toisa Proteus鋪管船 。圖2.1 Toisa Proteus鋪管船2.1.2柔性軟管簡介柔性軟管的應用從上世紀70年代發(fā)展起來，適用于地中海、巴西、遠東等海況良9第2章 總體方案設計好的海域。然而，隨著柔性軟管技術的迅速發(fā)展，目前柔性軟管已廣泛應用于世界各個海域，并受到廣泛歡迎。柔性軟管目前已可應用于10000ft的海域，最大耐壓已經可以達到15000pis，能承受最高溫度達到140C，隨著科技的發(fā)展，柔性軟管也可應用于海況交叉的海域。與剛性管道相比，柔性軟管具有以下特性： （1）柔性軟管的鋪設安全、便利而且快捷， （2）由于柔韌性較好，管道能適應海底地形，產生的懸跨較?。?（3）柔性軟管在投入生產后，很少需要維護、保養(yǎng)，在海況較差的情況下不會影響生產，并能滿足連續(xù)鋪設的要求； （4）具有較強的抗腐蝕能力和較好的隔熱性能； （5）比鋼性管道的使用壽命長，不具有管線的接頭； （6）柔性軟管能重復利用，從而降低成本，有利于環(huán)保。COFLEXIP公司是法國著名的柔性軟管制造廠家，國內外許多有其田均采用其產品，本課題中別采用該公司的產品其柔性軟管的規(guī)格和性能見表2.1：表2.1 COFLEXIP公司柔性管道性能和規(guī)格內徑工作壓力外徑在空氣中質量最小彎曲半徑InMmPsiMpaInMmIb/ftKg/MFtm125.4300020.72.2557.54.46.61.220.37250.8300020.73.2581.57.210.71.750.55250.810000694.2510820.7312.30.7263.5200013.84101.59.714.42.20.66376.2500034.551252131.52.70.81376.21000069513124.536.52.80.854101.61000069717851.777.23.81.165127500034.57.25183.538.557.541.26152.4200013.87.75195.527.741.34.21.38203.2200013.81025738.156.95.51.78203.2500034.511.529299.5148.56.3210254150010.312.2531055.582.56.62.110254450031133531392087.52.312304.810006.914.536872.11087.92.412304.8250017.215.253881061588.32.5516406.47505.220504.516224210.83.3柔性軟管鋪設法來源于卷筒式鋪管法，鋪設的主要步驟為在陸地的預制廠內將需要鋪設的管道焊接完成加工，再將軟管纏繞在鋪管船上的儲存卷筒上，卷筒的直徑可達25m，柔性軟管鋪設法的作業(yè)環(huán)境安全、穩(wěn)定，其鋪管速度較高，比傳統(tǒng)鋼性管道質鋪管要快上十倍，從而大大縮短了管道的鋪設周期。因為卷筒鋪管的準備工作已在陸地預制場上預先完成，所以大大節(jié)省了鋪管時間、降低了成本9 。2.2 總體方案海底輸油管道的鋪設是深海石油資源開發(fā)的基礎，軟管鋪設系統(tǒng)是用于海底輸油軟管鋪設的專用設備， 此次設計的的海底管道水平鋪設系統(tǒng)樣機結構設計為實際工程樣機設計打基礎，是用來驗證實際管道鋪設過程中的校直、橫張力和止動等關鍵技術。和實際海底管道鋪設系統(tǒng)有一定的區(qū)別，具有以下特點： （1）鋪管效率高，可連續(xù)鋪設。軟管纏繞在卷筒上，因此具有卷筒鋪管法鋪設效率高，可連續(xù)鋪設的優(yōu)點。 （2）鋪設系統(tǒng)布局相對簡單。此次設計的的海底管道水平鋪設系統(tǒng)樣機結構設計為實際工程樣機設計打基礎，布局相對簡單。 （3）所夾持管道的尺寸和所提供的張緊力都比實際工作需求小。由于海底管道水平鋪設系統(tǒng)樣機是用來驗證實際管道鋪設過程中的校直、橫張力和止動等關鍵技術。海底管道水平鋪設系統(tǒng)與軟管卷筒驅動裝置組合，完成管道鋪設的作業(yè)，本次畢業(yè)設計的重點是海底管道水平鋪設系統(tǒng)的結構設計，根據(jù)其具有的功能和設計要求提出其結構設計的總體方案的示意圖如圖2.2所示：海底管道水平鋪設系統(tǒng)樣機主要由彎管器、校直器、張緊器、止動器和卷筒五部分組成：圖2.2海底管道水平鋪設系統(tǒng)總體方案示意圖1彎管器：支撐軟管送入校直器，利用導輪初步調整軟管的曲率和彎曲應力。2校直器：使用履帶鏈輪結構，采用三點一線原理，通過對彎曲管道的三個不同點來進行接觸施力來校直彎曲的管道，消除管道中殘留的彎曲應力，增強管道的強度由液壓缸負責驅動對軟管校直。3張緊器：張緊器的主要作用是保證管線的恒張力控制,在鋪設過程中,管道受自重、浪、流的影響,承受較大的彎曲應力,且彎曲應力不斷變化。為了使管道彎曲應力小于材料的屈服極限,確保管道不被破壞, 用張緊器進行送管并實時調整管道的張緊力,使管道的張力基本恒定不變,始終保持在允許的范圍內。4止動器：液壓缸為止動器提供動力，當夾具閉合時，夾具體與管道接觸并通過摩擦力夾持管道，利用摩擦力使鋪設工作停止。此方案結構簡單，易于加工，對管道加持的安全可靠度較高。5卷筒：卷筒的作用是在軟管運輸和鋪設過程中對軟管進行存儲的裝置，它可以布置在甲板上也可以布置在甲板下面，一般采用電動機驅動，并可對出管速度與扭矩進行控制。依據(jù)總體方案示意圖及其受力特點確定其主要部分的基本結構。2.3鋪管過程當水平鋪設系統(tǒng)在進行鋪設時，軟管從卷筒上退卷繞，通過彎管器對管道的位置及曲率進行調整，再通過校直器對管道進行校直，最終由張緊器進行夾持管道，進行鋪管作業(yè)；當鋪管結束時，由止動器夾持管道，張緊器張緊力逐漸變小，止動器夾持力漸漸增大，鋪設工作停止。在理想的狀態(tài)下，鋪管系統(tǒng)進行平穩(wěn)的鋪管作業(yè)，張緊器系統(tǒng)能夠使鋪管速度保持恒定。當在鋪管船在海浪作用下上升時，張緊器加速放管；當鋪管船下降時，減慢房管速度，確保管道所承受的張緊力保持在允許范圍內，從而保證鋪管作業(yè)的安全性和快速性。軟管從儲存卷筒開始，依次經過彎管器，校直器，為防止管道在鋪設作業(yè)的過程中被過度拉緊或過度松弛，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上應保證管道輸送速度上的一致性。從而防止損壞管道。2.4軟管鋪設驅動系統(tǒng)在該系統(tǒng)中，主要的驅動系統(tǒng)為軟管所纏繞的的卷筒的驅動裝置，使用液壓馬達驅動滾筒，帶有一定扭矩進行順時針和逆時針旋轉，即帶一定張力進行軟管的施放和回收，該系統(tǒng)較為復雜。校直器中的液壓缸，該液壓缸使校直器活動履帶向管道施加夾緊力，履帶將夾緊力傳遞給管道，滾輪裝置與固定履帶分別屬于支撐管道的兩個點，與活動履帶配合，對管道進行校直。2.5本章小結這一章主要針對海底管道水平鋪設系統(tǒng)進行了總體結構設計，確定了鋪設系統(tǒng)的組成以及布局，各部件的大體位置，鋪設系統(tǒng)工作過程，驅動系統(tǒng)進行了簡單說明。13第3章 卷筒的結構設計第3章 卷筒的結構設計3.1引言卷筒是用于儲存軟管的裝置，軟管纏繞其上，便于儲存，其驅動系統(tǒng)用于鋪管前管線在卷筒上的纏繞和鋪管時管線從卷簡上的下放。我們在這里只對于其結構進行設計。10 此次畢設中是針對三寸軟管進行鋪設，本課題中別采用法國COFLEXIP公司的三寸柔性軟管，其主要參數(shù)如表3.1：表3.1 COFLEXIP公司三寸柔性管道性能和規(guī)格內徑工作壓力外徑在空氣中質量最小彎曲半徑InMmPsiMpaInMmIb/ftKg/MFtm376.21000069513124.536.52.80.85管道鋪設系統(tǒng)的柔性軟管以纏繞于卷筒上的方式儲存，為了在運輸和安裝的過程中不損壞柔性管道，需要特別注意柔性管道的最小彎曲半徑，通常情況下，管道的彎曲半徑不得小于最小彎曲半徑的1.1倍，否則會產生較大的彎曲應力，當卷筒的曲率半徑小于管道允許的最小彎曲半徑時，管道會遭到破壞，因此卷筒的直徑必須經過計算才能確定。3.2卷筒結構尺寸的計算通過查表可知COFLEXIP公司三寸柔性管道的最小彎曲半徑是0.85m，由此可得此次畢業(yè)設計的管道鋪設系統(tǒng)卷筒的彎曲半徑R要滿足下是條件： （3-1）式中，為管道允許的最小彎曲半徑。通過上式可知，最終可得，卷筒的最小直徑為：暫定卷筒的直徑為D=2.6m在鋪設作業(yè)中，卷筒需要伴隨著換到的鋪設實現(xiàn)同步的轉動。卷筒的邊緣處應設置擋板，以便于軟管的儲存和退纏繞，此次畢業(yè)設計中，設定卷筒外擋板的直徑為=3m。卷筒的材料采用HT200，較高強度鑄鐵，基體為珠光體，強度、耐磨性、耐熱性均較好，性能良好。預設每個卷筒儲存軟管145m，則卷筒筒身周長為，150m長的軟管可以在卷筒上纏繞圈數(shù)為X，則X等于：;以防止軟管在儲存時,因為相互擠壓而遭到破壞，采取單層纏繞，并且預留一定的圈數(shù)，在此取X=18.25;由此可知筒身長度L為：L=XB=18.25131=1195.378mmB為三寸軟管的外徑；取整可得筒身長度為1196mm，即1.196m；3.3卷筒軸的強度校核該軸是卷筒的重要零件，其作用是支撐卷筒，傳遞回轉運動由于筒身長度1196mm，在這里我們初步選定該軸中間部分長度為1135mm，此處軸兩端由軸承支承，由于該軸即受彎矩又受轉矩，故該軸為轉軸，故此軸按照彎扭合成強度進行校核。由于該軸承載較大，且無很大的沖擊，故軸的材料選用45，調質處理。轉軸與卷筒采用普通平鍵鏈接，周向間隔180分布。圖3.1 卷筒中間轉軸管道鋪設系統(tǒng)在工作時，卷筒的重力要全部作用在中間軸上，卷筒及管道的總質量為M=10T。卷筒的驅動采用NJM-12.5技術參數(shù)液壓馬達其額定轉距為38373n.M卷筒在底座上安裝完畢后，其中間軸可以看作一簡支梁。卷筒和管道的總重量10T作用在梁的中點處，故底座兩端對軸的支反力=5T。由于采用液壓馬達驅動，故軸受周向力Ft，其受力示意簡圖如圖3.2所示圖3.2 中間軸受力示意簡圖該軸梁的跨度為0.83m。故軸所受的最大彎矩圖3.3卷筒軸彎矩圖根據(jù)算選馬達其轉矩為38373N/m，由于其最高轉速為20r/min，故采用聯(lián)軸器直接與卷筒軸相連故卷筒軸所受扭矩為38373N/m。圖3.4卷筒軸扭矩圖危險截面處的最大彎曲應力為彎矩與扭矩共同作用產生的彎曲應力： （3-2）為折合系數(shù)，當扭矩切應力為靜應力時。取=0.6，當扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力時，取=0.3，當扭矩切應力為對稱循環(huán)變應力時，取=0.1。在這里我們取=0.1。通過計算得：對于調質處理的45鋼，其彎曲疲勞極限,扭轉疲勞極限，故中間軸的強度合格。3.4軸承的選擇由于轉速較低而載荷大，且軸承同時承受徑向載荷和軸向載荷，故在此我們選擇圓錐滾子軸承，依據(jù) ISBN7-5066-0232-6/TH.010選用軸承型號為2007972E的圓錐滾子軸承。3.5本章小結本章主要對卷筒的結構尺寸進行了設計計算，對中間支撐部分進行了結構設計和材料的選擇。卷筒進行了尺寸的設計，以保證系統(tǒng)在鋪管作業(yè)中安全可靠的運行。主要進行了一下內容：（1） 卷筒的結構尺寸計算（2） 卷筒軸的結構強度計算（3） 依據(jù)計算選擇了圓錐滾子軸承第4章 彎管器與校直器的選型4.1彎管器4.1.1彎管器作用及原理軟管纏繞在卷筒上，其形式如圖4.1所示，管道內存在一定的彎曲應力，當進行海底管道水平鋪設系統(tǒng)作業(yè)時，軟管從卷筒上退纏繞會使軟管產生一定角度內的擺動。為減小管道在水平方向的擺動以及管道內彎曲應力對校直的影響，我們在校直器和卷筒之間架設了彎管器。彎管器的作用是對管道曲率和彎曲應力進行初步調節(jié)初步調節(jié)，校準軟管的鋪設軌跡并支撐軟管，將管道送入校直器中。圖4.1 卷筒示意圖彎管器主要依靠管道自身的重力和導輪的位置分布對軟管進行曲率調節(jié)，依靠外擋板對來防止管道因為從卷筒上退纏繞而造成的水平擺動。為了防止在運輸和安裝過程中不損壞柔性管道，導輪的分布呈圓弧狀，其結構如圖8.2所示。圖4.2 彎管器結構示意圖19第4章 彎管器與校直器的選型4.1.2彎管器的選型本論文中的管道鋪設系統(tǒng)可鋪設的管道直徑在13寸范圍內，隨著管道半徑的增大，管道在空氣中的質量逐漸增大，考慮極限情況，在選擇彎管器時應根據(jù)管道的直徑的最大值131mm選取合適的彎管器。4.2校直器4.2.1校直器的作用校直器系統(tǒng)在鋪管作業(yè)中的作用十分的重要，當管線通過卷筒鋪設時，在管道下放至海底前需要通過校直器對管道進行校直，因為管線纏繞在卷筒上會產生彎曲應變，加之后續(xù)鋪管過程中張緊器及止動器對管道的作用力，會對管道的結構產生很大的破壞，因此在管道進入張緊器之前，管道中存留的殘余應力應減至最小，這就需要校直器對管道進行校直，使管道中的彎曲應力減至最小。4.2.2校直器原理當管道鋪設系統(tǒng)正常運作時，管道經過導輪后，對管道的曲率有了初步的調整，通過校直器對對其彎曲程度經行進一步調整后，減少其彎曲形變，最后通過張緊器將其放入水中。根據(jù)要實現(xiàn)的功能，此次畢業(yè)設計的校直器結構采用三點反彎曲法設計，其系統(tǒng)結構如下圖所示，校直器系統(tǒng)主要由六部分組成，包擴 1-活動履帶 2-液壓缸 3-滾輪裝置 4-連接臂 5-固定支架 6-固定履帶，滾輪裝置與固定履帶外緣要保持在一條直線上，校直器的工作流程是通過液壓缸驅動，使可活動的校直器履帶向管道施加夾緊力，履帶將夾緊力傳遞給管道，滾輪裝置與固定履帶分別屬于支撐管道的兩個點，與活動履帶配合，通過三點反彎曲法校直管道。此履帶-鏈輪式結構的有點是履帶與管道之間是線接觸，這樣比較容易對管道上施加的矯直力進行控制，管道由于與校直器的接觸面積較小而產生的二次彎曲的可能性降低，提高了校直的可靠性。校直器結構圖如圖4.3所示：1-活動履帶 2-液壓缸 3-滾輪裝置 4-連接臂 5-固定支架 6-固定履帶圖4.3 校直器系統(tǒng)結構圖4.2.3校直器的選型海底管道水平鋪設系統(tǒng)樣機能提供15噸張緊力,對管徑為三寸以內軟管進行鋪設，矯直機的選擇取決于軟管的直徑，壁厚，屈服強度和涂層。一般來說，采用三點反彎曲法進行校直，由于此次設計是針對三寸以內軟管進行鋪設。我們依據(jù)COFLEXIP公司三寸柔性軟管的工作壓力69MPa,管道外徑131mm，最小彎曲半徑0.85m選型。4.3本章小結本章主要介紹了彎管器以及校直器的工作原理以及作用，并依據(jù)軟管外徑進行了選型。主要進行了： （1）彎管器的作用與原理的介紹 （2）依據(jù)管道尺寸對彎管器進行了選型 （3）校直器的工作原理的介紹 （4）依據(jù)管道的工作壓力和尺寸對校直器進行了選型21第5章 張緊器結構設計第5章 張緊器結構設計張緊器是鋪管鋪設的重要設備,管線鋪設深度取決于張緊力的大小,管線恒張力通過張緊器張緊系統(tǒng)控制。在鋪設過程中, 管道受自身重量、海況的影響,管道內有較大的彎曲應力,由于海況的的變化彎曲應力也在不斷變化。為使管道彎曲應力控制在材料的屈服極限內,確保管道不被破壞, 用張緊器進行送管并實時調整管道的張緊力,使管道的張力基本恒定不變,始終保持在允許的范圍內。11 5.1張緊器的結構張緊器由上履帶、下履帶、機架和液壓缸構成, 上履帶通過液壓缸驅動沿導桿上下運動, 下履帶驅動機構固定在底座上。張緊系統(tǒng)由管道張緊系統(tǒng)、管道輸送系統(tǒng)組成。在鋪管作業(yè)中, 張緊系統(tǒng)通過液壓缸將上履帶緊壓管道,通過履帶板V型結構將管道固定在下履帶上，保持恒定的夾緊力。管道從鋪管船船尾進行鋪設，從鋪管船船尾到海底有很長的懸空段, 由于鋪管船受海況影響上下擺動, 管道從鋪管船船尾到海底之間的距離受海況影響而不斷變化, 這就使得管線內的應力不斷變化。張緊器結構示意圖如圖5.1所示,圖5.1張緊器機械結構示意圖1、5夾緊裝置 2、4導向桿 3機架 6、8驅動軸 9履帶管道在進行鋪設, 當鋪管船船由于風浪影響上升時, 管道將承受到較大的拉應力, 拉力可能使管道超過其應力極限, 引起管道破裂或使鋪管船定錨走錨造成安全事故; 當鋪管船由于風浪影響下降時, 管線受自身重力和海浪力的作用, 將承受很大彎曲應力, 該應力將超過管線材料的屈服極限, 使管道產生塑性變形。張緊器張緊系統(tǒng)可實現(xiàn)管線的恒張力控制。鋪管作業(yè)時, 監(jiān)測系統(tǒng)通過安裝在驅動軸上的編碼器和張緊器與船體之間的傳感器實時監(jiān)測管道鋪設速度和管道張緊力。鋪管船平穩(wěn)地工作時, 管道輸送系統(tǒng)使鋪管鋪設速度控制在設定值。當船體由于風浪上升, 管道輸送系統(tǒng)加快放管速度; 當船體下降時, 管道輸送系統(tǒng)降低放管速度, 確保張緊力控制在設定的范圍內。12 本次畢業(yè)設計，張緊器總體結構包括：張緊機構，履帶機構，驅動機構，箱體，底座，安裝臺。5.2張緊器機構的設計張緊機構通過履帶向管子提供正壓力，是決定張緊力大小的關鍵部分，他通過垂直對成分布置的2個液壓缸將軟管夾持在兩個履帶中間。張緊機構包括主張緊液壓缸和導軌。5.2.1導軌的設計導軌是運動部件導向和承載的部件可分為直線運動導軌和回轉運動導軌，導軌設計的要求是準確的導向精度，精度保持性好結構簡單，工藝性好，便于調整和維修，在此次畢業(yè)設計中，當行走單元沿著導軌運動時，到會主要起支撐和導向作用，即支撐和保證履帶機構在外力（系統(tǒng)本身的重力和張緊力）的作用下，沿給定的方向進行直線運動。根據(jù)海底管道水平鋪設系統(tǒng)張緊器的工作環(huán)境，本次設計對導軌有如下要求：運動輕便穩(wěn)定。輕便省力，速度均勻，低速時應無爬行現(xiàn)象，工作穩(wěn)定。導軌結構如圖5.2所示圖5.2 導軌結構示意圖1-導軌 2-滑塊 （1）良好的耐磨性。導軌在使用過程中會磨損，但應使磨損最小，且磨損后能自動補償或便于調整。 （2）足夠的剛度。行走單元所受外力，是由導軌面承受的。故導軌應具有足夠接觸剛度。 （3）結構工藝性好。在保證導軌其他要求的前提下，應使導軌結構簡單，便于加工、測量、裝配和調整，以降低其成本。5.2.2張緊器張緊方式的分析張緊器張緊系統(tǒng)的主要作用是保證管線的恒張力控制，在此基礎上，全面考慮系統(tǒng)結構、操