深海管道法蘭連接機具的設計與仿真分析

王立權，王文明，何 寧，李 偉，劉明珠，林秋紅

(1.哈爾濱工程大學 機電工程學院，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中心，天津 300451)

隨著陸上石油逐漸枯竭，海上油氣的開采將會越來越重要.在全球海上油氣資源中大約有44%儲存在300 m以下的深水海域.同時，由于開采技術的不斷提高，海洋石油的開發(fā)也將不斷向高、深、難的方向發(fā)展.海洋石油發(fā)展的趨勢將是走向深水［1］.中國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海底管道鋪設能力.其中，水下回接是深海管道鋪設重要組成部分.水下回接技術是將新開發(fā)的生產(chǎn)管道并入已建的管網(wǎng)，充分利用已建設施，使邊際小油田開發(fā)變得經(jīng)濟有效，其主要包括:管道與平臺的連接、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具正是一種水下回接的特種機具.國外一些大公司已經(jīng)掌握了該項技術，但在國內(nèi)，法蘭連接機具的研制還是空白.研制用于海底管道鋪設作業(yè)，可以適應深海環(huán)境、提供高質量連接、高自動化作業(yè)水平的法蘭連接機具，具有重大現(xiàn)實意義.

目前，水下回接的施工方法主要有機械連接和水下焊接［2］.其中，機械連接方式更適合深水管道回接.機械連接又細分為卡鉗式連接、法蘭式連接和卡爪式連接.深海管道法蘭連接機具屬于法蘭式連接，可以實現(xiàn)深水管道自動化法蘭連接.機具海底作業(yè)時，需要克服高靜壓、腐蝕等復雜海底環(huán)境影響，具有較大的設計難度.文獻［3］設計了一種分體三瓣式的法蘭連接機具，采用特制螺栓，但作業(yè)前需要螺栓庫和螺母庫預先對接;文獻［4］和［5］結構為桁架整體式，其系統(tǒng)智能，但結構復雜.本文設計的機具采用整體三瓣式結構，拉伸預緊方式擰緊螺栓.

1 深海管道法蘭連接機具結構設計

深海管道法蘭連接機具是一種用于海底管道法蘭螺栓連接的機具，其主要組成如圖1所示，虛線框內(nèi)為機具本體:桁架式外框架聯(lián)結各個部件，并保證各部件安裝后與管道、法蘭的相對位置精度;內(nèi)框架搭載螺栓庫和螺母庫，其可以繞管道周向轉動，確保螺栓與法蘭孔實現(xiàn)對準;水下攝像機監(jiān)測機具作業(yè)狀態(tài)，反饋管道、法蘭和機具的位置信息;卡爪機構將整個機具定位于海底管道;ROV接口平臺實現(xiàn)動力液壓源、信號源連接;三瓣式螺栓庫用于存放螺栓并向法蘭孔插入螺栓，安裝在管道的活動法蘭一側，具有拉伸預緊螺栓的功能;螺母庫用于存放螺母，安裝在管道的固定法蘭一側，也采用三瓣式結構，擰入固定法蘭一側的螺母.操控面板與上位機PC可以發(fā)出控制指令，下位機PLC控制系統(tǒng)控制液壓閥動作，實現(xiàn)機具各部分作業(yè).

圖1 深海管道法蘭連接機具結構組成Fig.1 Structure of DFCT

深海管道法蘭連接機具三維模型如圖2，工作原理是:機具通過卡爪機構定位到管道上，螺栓庫與螺母庫隨內(nèi)框架轉動.螺栓庫攜帶的螺栓部分插入旋轉法蘭孔，帶動旋轉法蘭轉動，調整旋轉法蘭與固定法蘭使其對正.法蘭孔對正之后，螺栓庫插入螺栓，另一側的螺母庫擰入螺母.其中，螺栓庫周向均布16個結構相同、采用拉伸螺栓預緊方式的拉伸擰緊機構，每個都具有拉伸螺栓擰入螺母的功能，這樣法蘭兩側螺母擰入到施加預緊力的螺栓，最終實現(xiàn)管道的法蘭螺栓連接.

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

2 拉伸擰緊機構設計

拉伸擰緊機構是深海管道法蘭連接機具的關鍵技術，主要實現(xiàn)拉伸螺栓施加預緊力，將螺母擰入螺栓的功能.由于機構作業(yè)空間有限，連接法蘭的螺栓預緊力大，所以機構設計要具有小空間、大預緊力的特點.同時，設計還要保證機具的深海作業(yè)可靠性.

2.1 螺栓設計載荷計算

預緊螺栓時，設計載荷的大小直接關系到法蘭密封效果［6］.螺栓預緊力通過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.壓緊力過小，墊片壓不緊不能阻漏;壓緊力過大，往往使墊片擠出或損壞.螺栓設計載荷計算過程如下:

預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wa應為此時墊片所需的壓緊力Fa，即

查 SH3403-96標準，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 b0≤6.4 mm 時，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，同時還承受使法蘭趨于張開的介質壓力，公式如下:

式中:F為介質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為設計壓力，為15 MPa.

計算得出Wp≈6.9×106N.

比較2個參數(shù)Wa與Wp取較大者，最終螺栓設計載荷應為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旋轉螺母，施加力矩后產(chǎn)生預緊力，常用的方法有擰緊力矩法，旋轉角度擰緊法，塑性區(qū)域旋轉角度擰緊法，傾斜度擰緊法等［7］.而一種全新的拉伸擰緊機構不同于以往常規(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.拉伸擰緊原理是對螺栓直接施加拉伸力，使螺栓沿軸向伸長，而后小力矩旋緊螺母，擰入的螺母可以保持螺栓伸長量產(chǎn)生的預緊力.待撤去拉伸力，由于螺栓收縮就可在連接中產(chǎn)生和拉力相等的預緊力.由于螺旋副沒有摩擦力矩，螺栓不受剪切應力，因此螺栓具有更高的承受軸向拉力能力.這樣的預緊方式可以提高預緊力的控制精度.機構采用拉伸方式施加預緊力，而不是力矩擰緊螺母，所以機構占用空間小.

用于提供拉伸力的液壓拉伸器油壓計算公式如下:

式中:ΔL為螺栓的伸長量，L為螺栓長度，AH為活塞截面積，A為螺栓平均截面積，E為彈性模量.

2.3 拉伸擰緊機構工作原理

拉伸擰緊機構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，機構如圖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，通過聯(lián)軸器與增壓缸連接，增壓缸伸長施加拉伸力，實現(xiàn)螺栓的拉伸變形.扳手套筒與轉軸座通過螺栓連接到一起，可以沿拉軸滑動.緩沖補償裝置可以實現(xiàn)扳手套筒的緩沖，并給扳手套筒存放的螺母一個初始推力.液壓馬達帶動力矩施加機構上的齒輪，向扳手套筒施加擰緊力矩，實現(xiàn)螺母旋入螺栓.

圖3 拉伸擰緊機構Fig.3 Stretch tightening machanism

3 法蘭連接工作過程運動學分析

深海管道法蘭連接機具工作過程的數(shù)學描述［8-9］如下:深海管道法蘭連接機具定位到待連接管道，螺栓庫與螺母庫一起轉動θ2角，與管道法蘭孔對齊，保證螺栓的軸心與法蘭孔軸心具有一定對齊精度;將螺栓插入法蘭孔，螺栓庫攜帶螺栓移動d1;法蘭另一側的螺母庫攜帶螺母旋入螺栓，再由拉伸擰緊機構完成法蘭的螺栓連接.運動學分析按照下關節(jié)設置D-H法，法蘭連接機具的運動學模型坐標系見圖4，參考坐標系{R}中x軸垂直向下，z軸為固定法蘭一側的管道軸心并且指向管道.O0經(jīng)過內(nèi)框架軌道;活動法蘭平面與軌道的交點為O1;O2為活動法蘭的中心.單個拉伸擰緊機構坐標系設為{T}.

圖4 深海管道法蘭連接機具的坐標系建立Fig.4 Coordinate system of DFCT

法蘭連接機具各連桿參數(shù)見表1.

表1 D-H參數(shù)表Table 1 D-H parameters

根據(jù)表1的參數(shù)，可得各個連桿變換矩陣:

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

其中，

則可以求出拉伸擰緊機構的位姿公式:

式中:θ2=w2t，d1=v1t.w2為內(nèi)框架的轉動角速度，v1為螺栓庫的移動速度.

4 法蘭連接機具多體動力學分析

4.1 多體動力學模型的建立

深海管道法蘭連接機具多體動力學分析采用ADAMS軟件，軟件求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方程方法建立系統(tǒng)動力學方程，對拉伸擰緊機構虛擬機械系統(tǒng)進行動力學分析［10-11］.機構在Pro/E軟件中建模，定義模型剛體及添加相應的關節(jié)約束后，通過MECH/PRO接口軟件，將三維模型導入到ADAMS中進行多體動力學分析.深海管道法蘭連接機具由16個拉伸擰緊機構組成.通過16個增壓缸拉動拉軸將螺栓預先拉伸，然后扳手套筒帶動螺母擰入螺栓.考慮到簡化原則，模型將16個拉伸擰緊機構簡化為一個，簡化幾何模型如圖5所示.

圖5 拉伸擰緊機構幾何模型Fig.5 Geometric model of stretch tightening machanism

4.2 仿真結果

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

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

扳手套筒轉速如圖7，啟動階段螺栓沒有擰入螺母，當螺母接觸到螺栓的時候，由于沖擊的存在有個微小波動;當拉軸接觸到螺栓的時候也有一個波動;當貼緊法蘭端面的時候，是一個速度由恒定值迅速變化到零的過程.扳手的旋轉速度為600 r/min，折合成 3 600(°)/s，波峰為 3 595.31(°)/s.

拉伸擰緊機構從拉伸螺栓到扳手套筒進給的過程中，拉軸的拉伸螺栓過程是一個力和位移的關系，扳手套筒是一個趨于恒定速度的間隙性軸向進給運動.通過考慮主要因素忽略次要因素，機構動力學分析結果的運動規(guī)律基本與理論預期相符.

圖7 扳手套筒最前端轉速Fig.7 The front-end speed of wench

5 結論

通過深海管道法蘭連接機具的設計與仿真分析，可以得出以下結論:

1)拉伸擰緊機構設計采用拉伸預緊方式，使得拉伸過程中螺栓不受剪切應力，提高了螺栓軸向抗拉伸能力，可以提高預緊力的控制精度;

2)對機具工作過程的數(shù)學描述和運動學分析，可以為深海管道法蘭連接機具的液壓控制系統(tǒng)進一步設計提供理論依據(jù);

3)通過機具多體動力學分析，仿真結果的運動規(guī)律與理論預期基本相符，機構設計合理.

［1］焦向東，周燦豐，陳家慶，等.21世紀海洋工程連接技術的挑戰(zhàn)與對策［C］//船舶焊接國際論壇論文集.上海，中國，2007:23-26.

［2］周燦豐，焦向東，陳家慶，等.海洋工程水下連接新技術［J］.北京石油化工學院學報，2006，14(3):20-22.ZHOU Canfeng，JIAO Xiangdong，CHEN Jiaqing，et al.New underwater joining technologies applied in offshore engineering［J］.Journal of Beijing Institute of Petro-Chemical Technology，2006，14(3):20-22.

［3］Sonsub International Ltd.Method and apparatus for connecting underwater conduits.United States，6767165 ［P］.2004-07-27.

［4］Stolt Offshore Limited.Remote bolted flange connection apparatus and methods of operation thereof.Norway，International Patent No.WO 03/040602［P］.2003-05-15.

［5］ALLIOT V，F(xiàn)RAZER I.Tie-in system uses low-cost flanges on deepwater Girassol development［J］.Oil＆ Gas Journal，2002，100(18):96-104.

［6］張慶雅，楊光松，吳勛，等.外載荷作用下火箭發(fā)動機法蘭連接系統(tǒng)的受力與變形分析［J］.機械科學與技術，2007，26(11):1483-1489.ZHANG Qingya，YANG Guangsong，WU Xun，et al.Load and deformation analysis of flanged connections of rocket engine subjected to external load［J］.Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2007，26(11):1483-1489.

［7］孫寶章，戴文斌，左運發(fā).螺栓擰緊方法分析與應用［J］.沈陽建筑工程學院學報，2002，18(4):319-320.SUN Baozhang，DAI Wen bin，ZUO Yunfa.Analysis and application of bolt screw down method［J］.Journal of Shenyang Architectural and Civil Engineering Institute，2002，18(4):319-320.

［8］熊有倫.機器人技術基礎［M］.武漢:華中科技大學出版社，1996:32-50.

［9］宋小康，談大龍，吳鎮(zhèn)煒，等.全地形輪式移動機器人運動學建模與分析［J］.機械工程學報，2008，44(6):148-154.SONG Xiaokang，TAN Dalong，WU Zhenwei，et al.Kinematics modeling and analyses of all-terrain wheeled mobile robots［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2008，44(6):148-154.

［10］王少純，鄧宗全，楊滌，等.月球著陸器新結構的 ADAMS仿真研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2007，39(9):1392-1394.WANG Shaochun，DENG Zongquan，YANG Di，et al.Simulation research on novel structure of lunar lander based on ADAMS［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2007，39(9):1392-1394.

［11］何將三，龍江志.基于ADAMS的ROV采礦車近海底著地虛擬仿真［J］.哈爾濱工程大學學報，2004，25(3):309-313.HE Jiangsan，LONG Jiangzhi.Based on ADAMS virtual simulation of ROV miningvehicle landing process［J］.Journal of Harbin Engineering University，2004，25(3):309-313.