水下剛性跨接管公差帶優(yōu)化方法研究

王勇， 劉軍， 劉鳴， 王立權(quán)

（1.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518067；2.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱150001）

水下剛性跨接管公差帶優(yōu)化方法研究

王勇1， 劉軍2， 劉鳴2， 王立權(quán)2

（1.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518067；2.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱150001）

水下剛性跨接管因自身制造誤差、安裝轂座位置測量誤差等因素影響，在安裝過程中受力產(chǎn)生變形，受力越大安裝工作越困難?？紤]以剛性跨接管為代表的較大水下結(jié)構(gòu)物受力—變形特點，提出一種基于構(gòu)件方向剛度差異的公差帶優(yōu)化方法，根據(jù)構(gòu)件的方向剛度系數(shù)優(yōu)化構(gòu)件公差帶，并將此方法應(yīng)用于剛性跨接管設(shè)計。

方向剛度；方向剛度系數(shù)；剛性跨接管；公差帶優(yōu)化

0 引言

進入21世紀(jì)以來，海洋油氣開發(fā)日益成為各國石油工業(yè)的主要增長點［1］。水下生產(chǎn)系統(tǒng)因其在技術(shù)方面和經(jīng)濟效益方面巨大優(yōu)勢，成為各國廣泛使用的一種海洋油氣田開發(fā)方式［2］。對水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)的研究和發(fā)展也成為各國石油行業(yè)及相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的科技創(chuàng)新前沿［3］。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要由油井、采油樹、井口、臍帶纜、立管、管匯、搭配出油管、控制系統(tǒng)、跨接管組成（如圖1所示）?？缃庸苁撬律a(chǎn)系統(tǒng)中重要的近距離連接設(shè)備，用于管道終端與管匯、井口與管匯、管線與立管之間的油氣輸送，還可用來向油井注水、注化學(xué)藥劑等［4］。跨接管在輸送油氣的同時還需要承受因海底壓力、溫度、地形變化引起的變形［5］?？缃庸苤黧w包括連接器和管道，連接器安裝在跨接管兩端，連接方式分為水平連接和垂直連接，跨接管按管道類型分為剛性跨接管和柔性跨接管兩類，柔性跨接管采用水平連接，剛性跨接管采用垂直連接［4］。

圖1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)局部示意圖

1 水下剛性跨接管安裝環(huán)境對公差帶的要求

剛性跨接管作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的短接垂直安裝管道，安裝于管匯、井口、管線、管道終端等水下設(shè)施的轂座上（如圖2、圖3所示），在之前需要對預(yù)安裝轂座位置、相應(yīng)水下設(shè)施及安裝區(qū)域的海床形貌等重要數(shù)據(jù)進行測量，測量工作主要由ROV、聲納等水下定位、測量、監(jiān)控設(shè)備完成［6］。

圖2 剛性跨接管連接示意圖

圖3 管道終端轂座示意圖

管匯、管道終端等水下生產(chǎn)系統(tǒng)的主要設(shè)施均為較大水下結(jié)構(gòu)物，安裝作業(yè)精度較低［7］。一般水下設(shè)施的安裝公差為：井口頭的垂直度±2°、水平方向±15°，管匯的垂直度±2°、水平方向±5°，管匯的垂直度±2°、水平方向±5°；兩采油樹連接距離25±10 m，管匯和管線連接距離35±5 m［6］。

水下設(shè)施在使用過程中，可能受到海底滑坡和斷層、海底管線膨脹位移等情況影響，使彼此的相對位置發(fā)生變化［5］。剛性跨接管在安裝、使用過程中不可避免的要受到以上因素的影響。

剛性跨接管自身屬于較大水下結(jié)構(gòu)物，其安裝費用占據(jù)了剛性跨接管總費用的絕大部分，并隨尺寸增大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化程度而增加，為了保證跨接管安裝的可操作性和經(jīng)濟效益，一般跨接距離為15～45 m，自身管長不超過60 m［4］。剛性跨接管制造和測量也存在一定的誤差，在安裝過程中，剛性跨接管需要通過連接器工具的外力作用改變形狀，以滿足連接器和轂座的精確安裝定位要求。

考慮水下生產(chǎn)設(shè)施安裝、制造誤差，以及在使用過程中可能存在位置遷移情況，為剛性跨接管提出了特殊要求，使其應(yīng)具備一定的變形能力。一般情況下，剛性跨接管為在任意3個軸線方向上容差150 mm，在任意3個角度方向上容差2°［6］。

剛性跨接管在安裝和使用過程中都會因受到外力影響發(fā)生變形，為了提高剛性跨接管的安裝易操作性及使用壽命，應(yīng)減少安裝過程中的受力?？紤]剛性跨接管在不同方向上的受力—變形（即剛度）情況，提出一種基于構(gòu)件方向剛度差異的公差帶優(yōu)化方法，優(yōu)化跨接管的公差帶，有效減少安裝過程受力。

2 基于構(gòu)件方向剛度系數(shù)的公差帶優(yōu)化方法

2.1 構(gòu)件在不同方向上的剛度差異

任何構(gòu)件在生產(chǎn)、制造過程中均存在不同程度的形狀、材料不對稱情況，這種情況就會導(dǎo)致構(gòu)件在不同方向上受相同力作用時產(chǎn)生不同的變形量，即構(gòu)件在各方向上的剛度存在差異，將構(gòu)件在各個方向的受力—變形比例關(guān)系稱為構(gòu)件的方向剛度系數(shù)。構(gòu)件的方向剛度系數(shù)由幾何形狀（尺寸大小、形狀是否對稱）和材料特性等決定。對于尺寸小、對稱性好的構(gòu)件，不同方向上的方向剛度系數(shù)差異不明顯；而對于尺寸大、對稱性差的構(gòu)件，方向剛度系數(shù)差異將對構(gòu)件的、制造、安裝產(chǎn)生重要影響。

以剛性跨接管為代表的較大水下結(jié)構(gòu)件，因尺寸大、對稱性差，方向剛度系數(shù)存在明顯差異。考慮剛性跨接管的安裝、使用需求，可以根據(jù)方向剛度系數(shù)優(yōu)化公差帶，減小安裝受力。

2.2 公差帶優(yōu)化方法

2.2.1 一維公差帶優(yōu)化方法

一個線彈性構(gòu)件只受到X軸方向上力的作用，當(dāng)構(gòu)件受到拉力作用時（如圖4所示），其受力—變形關(guān)系為 FX＋＝kX+·ΔX+；當(dāng)受到壓力作用時（如圖5所示），其受力變形FX-＝kX-·ΔX-。當(dāng)線彈性構(gòu)件需要依靠自身變形與其他構(gòu)件配合安裝時，其公差帶會影響構(gòu)件受力情況，進而影響安裝的難易程度。

圖4 構(gòu)件受X軸方向拉力作用示意圖

圖5 構(gòu)件受X軸方向壓力作用示意圖

為減小構(gòu)件安裝受力，應(yīng)當(dāng)將公差帶向方向剛度系數(shù)小的方向優(yōu)化；為增大構(gòu)件構(gòu)件安裝受力，應(yīng)當(dāng)將公差帶向方向剛度系數(shù)大的方向優(yōu)化。

構(gòu)件在長度方向上（即X軸）的公差帶為［ΔXmin，ΔXmax］，制造精度為δX，構(gòu)件在X軸正向、負向的方向剛度系數(shù)分別為kX+、kX-。

將構(gòu)件的方向剛度系數(shù)進行求比，得到kX+∶kX-＝a∶b。

增大受力的公差帶優(yōu)化公式：

為不增加制造成本和難度，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的加工制造精度δ對ΔOXmax、ΔOXmin行圓整；

當(dāng)a、b近似相等時，不需要優(yōu)化，可根據(jù)具體情況來考慮。這里給出考慮加工制造精度的優(yōu)化條件：

即當(dāng)優(yōu)化前、后的公差帶最小變化量大于加工制造精度時，應(yīng)用此方法對公差帶優(yōu)化。

2.2.2 二維公差帶優(yōu)化方法

一個線彈性構(gòu)件在X、Y軸方向上同時受力，則需要應(yīng)用二維公差帶優(yōu)化方法。當(dāng)構(gòu)件受到X、Y軸方向上力的作用，會發(fā)生拉伸（或壓縮）和彎曲變形，在X軸、Y軸上獲得的受力—變形曲線是這兩種變形的疊加，受力—變形曲線可能存在非線性比例關(guān)系，為了便于說明優(yōu)化的方法這里將問題進行簡化，將曲線近似為線性比例關(guān)系。

構(gòu)件在 X、Y軸方向上的公差帶為［ΔXmin，ΔXmax］、［ΔYmin，ΔYmax］，制造精度為δX、δY，在X、Y軸正向、負向的方向剛度系數(shù)分別為kX+、kX-、kY+、kY-。

將方向剛度系數(shù)進行求比：kX+∶kX-∶kY+∶kY-＝a∶b∶c∶d。

二維公差帶優(yōu)化方法是先將X、Y軸的公差帶大小進行優(yōu)化，再用一維公差帶優(yōu)化方法分別對單軸公差帶進行優(yōu)化。

X、Y軸的公差帶范圍是ΔX＝ΔXmax+ΔXmin，ΔY＝ΔYmax+ΔYmin。

根據(jù)方向剛度系數(shù)比值，得到X、Y軸的方向剛度系數(shù)為kX＝kX+＋kX－＝a+b，kY＝kY+＋kY－＝c+d。

X、Y軸公差帶大小優(yōu)化：

將ΔOX、ΔOY根據(jù)構(gòu)件的加工制造精度δX、δY進行圓整；考慮加工制造精度的優(yōu)化條件：

當(dāng)完成X、Y軸公差帶大小的優(yōu)化后，根據(jù)一維公差帶方法優(yōu)化單軸公差帶，得到線彈性構(gòu)件的二維公差帶優(yōu)化結(jié)果。

2.2.3 三維公差帶分配方法

一個線彈性構(gòu)件在X、Y、Z軸方向上同時受力，需要應(yīng)用三維公差帶優(yōu)化方法。當(dāng)構(gòu)件受到X、Y、Z軸方向上力的作用時，會發(fā)生拉伸（或壓縮）、彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，在X、Y、Z軸上獲得的受力—變形曲線是三種變形的疊加效果，這里將問題簡化，將曲線近似為線性比例關(guān)系。

構(gòu)件在X、Y、Z軸方向上的公差帶為［ΔXmin，ΔXmax］、［ΔYmin，ΔYmax］、［ΔZmin，ΔZmax］，制造精度為 δX、δY、δZ，在X、Y、Z軸正向、負向的方向剛度系數(shù)分別為kX+、kX-、kY+、kY-、kZ+、kZ-。

將方向剛度系數(shù)進行求比：kX+∶kX-∶kY+∶kY-∶kZ＋∶kZ-＝a∶b∶c∶d∶e∶f。

三維公差帶優(yōu)化方法是先將X、Y、Z軸的公差帶大小進行優(yōu)化，再用一維公差帶優(yōu)化方法分別對單軸公差帶進行優(yōu)化。

X、Y、Z軸的公差帶范圍是ΔX＝ΔXmax+ΔXmin，ΔY＝ΔYmax+ ΔYmin，ΔZ＝ΔZmax+ΔZmin。

根據(jù)方向剛度系數(shù)比值，得到X、Y、Z軸的方向剛度系數(shù)為kX＝kX+＋kX－＝a+b，kY＝kY+＋kY－＝c+d，kZ＝kZ+＋kZ－＝e+f。

X、Y、Z軸公差帶大小優(yōu)化公式：

1）增大某一軸受力的公差帶大小的優(yōu)化公式：

2）減小某一軸受力的公差帶大小的優(yōu)化公式：

將ΔOX、ΔOY、ΔOZ根據(jù)構(gòu)件的加工制造精度δX、δY、δZ分別進行圓整；考慮加工制造精度的優(yōu)化條件：

當(dāng)完成X、Y、Z軸公差帶大小優(yōu)化之后，根據(jù)一維公差帶優(yōu)化方法對單軸公差帶進行優(yōu)化，得到線彈性構(gòu)件的三維公差帶優(yōu)化結(jié)果。

3 剛性跨接管公差帶優(yōu)化

3.1 剛性跨接管坐標(biāo)系建立與問題簡化

剛性跨接管按形狀可分為三種類型：分別為倒U型、M型、Z型，其中M型剛性跨接管根據(jù)彎管類型可分為M型肘管和M型彎管（如圖6所示）。剛性跨接管安裝受力變形可以等效為兩端連接器中心相對位置在X、Y、Z軸上的位移變化。

圖6 剛性跨接管坐標(biāo)系示意圖

以剛性跨接管水平跨接距離為Y軸，兩連接器端面的垂直距離為Z軸，以一個端面的圓心為零點，建立笛卡爾坐標(biāo)系。

一般的M型和U型剛性跨接管在兩連接器端面法線交角較小時可近似為YOZ平面的對稱結(jié)構(gòu)，X軸正向和負向的方向剛度系數(shù)差異小，優(yōu)化時可以忽略。Z型剛性跨接管是空間結(jié)構(gòu)，除特殊的對稱情況外，需要考慮各個方向上的剛度差異情況。

3.2 應(yīng)用有限元方法求方向剛度系數(shù)

以某M型剛性跨接管為例，應(yīng)用有限元方法求解其方向剛度系數(shù)。剛性跨接管的幾何尺寸如圖7所示?？紤]到剛性跨接管安裝后的受力狀態(tài)和約束狀態(tài)，以一端面附近的一段圓柱區(qū)域作為約束，另一端面附近的圓柱區(qū)域作為加載區(qū)域，在軸線方向上加載位移觀察受力，如圖8所示。

圖7 剛性跨接管幾何參數(shù)（單位為m）

圖8 剛性跨接管有限元分析約束及Y方向受力

在X、Y、Z軸的正、負方向上分別施加0～10mm位移，獲得剛性跨接管6個方向上的受力—位移曲線，如圖9所示。由圖中曲線斜率情況可知，此剛性跨接管在Y軸的方向剛度遠大于X、Z軸的方向剛度，X軸的方向剛度大于Z軸的方向剛度，同一軸正、負方向上的剛度基本相同。為方便計算剛性跨接管的方向剛度系數(shù)，將曲線近似為直線進行計算，曲線斜率即為方向剛度系數(shù)。則有

kX＝15.1 N/mm、kY＝652.0 N/mm、kZ＝13.3 N/mm。

圖9 剛性跨接管的受力—變形曲線

3.3 剛性跨接管公差帶優(yōu)化

國內(nèi)剛性跨接管的制造精度可以達到1mm，水平跨接距離和垂直高度差的公差帶可以達到［－10 mm，＋10 mm］。根據(jù)剛性跨接管公差帶優(yōu)化原則，方向剛度系數(shù)大的軸公差帶較小，方向剛度系數(shù)小的軸公差帶較大，使剛性跨接管在相同變形情況下受力較小。本例中X、Z軸方向剛度系數(shù)較為接近且遠小于Y軸，為使優(yōu)化更為合理，將X、Z軸方向剛度系數(shù)求和與Y軸進行優(yōu)化，即公差帶大小優(yōu)化：

由于剛性跨接管在單軸的正、負方向上具有相同的方向剛度系數(shù)，則單軸的公差帶為對稱形式，考慮加工精度需要對計算值進行圓整，為降低加工難度可適當(dāng)放大公差帶，即得到各軸的公差帶為ΔOX＝［－14，14］、ΔOY＝［－2，2］、ΔOZ＝［－15，15］。

4 結(jié)論

討論了水下剛性跨接管安裝、使用環(huán)境對公差帶的需求，根據(jù)較大結(jié)構(gòu)物不同方向的受力—變形差異，提出了一種基于構(gòu)件方向剛度的公差帶優(yōu)化方法，推導(dǎo)了一維、二維、三維公差帶優(yōu)化公式，應(yīng)用于剛性跨接管的優(yōu)化工作，以簡便、高效的方式減小了安裝受力，節(jié)約了安裝成本和維護費用，提高了安裝效率和使用壽命。

［1］ 周燦豐，焦向東，曹靜，等.水下跨接管連接器選型研究［J］.石油礦場機械，2011，24（3）：75-78.

［2］ 王瑋，孫麗萍，白勇.水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)［J］.中國海洋平臺，2009，24（6）：41-45.

［3］ 喻開安，李志剛，徐祥娟，等.用于深水海關(guān)鋪設(shè)的儲纜絞車研究［J］.石油礦場機械，2010，39（11）：32-36.

［4］ Bai Yong，Bai Qiang.Subsea Engineering Handbook［M］.USA：Gulf Professional Publishing，2010：19-21，664-670.

［5］ 何同，李婷婷，段夢蘭，等.深水剛性跨接管的主要影響因素分析［J］.中國海洋平臺，2012，27（4）：50-56.

［6］ ChanHH，MylonasL，MckinnonC．AdvancedDeepwaterSpoolPiece Design［C］//IBC’S 31rd annual Offshore Pipeline Technology conference，Amsterdam，Netherlands，F(xiàn)eb27-28，2008：1-28.

［7］ 張瑾，謝毅.深水水下管匯安裝方法研究與進展［J］.海洋工程，2011，29（1）：143-148.

（編輯昊 天）

Study on Underwater Rigid Jumpers’Tolerance Optimization Method

WANG Yong1， LIU Jun2， LIU Ming2,WANG Liquan2
（1.COOEC Subsea Technology Co.,Ltd.,Shenzhen 518067,China;2.Harbin Engineering University,Harbin 150001,China）

Underwater rigid jumpers suffer force and deformation during the installation process,under the influence of its manufacturing error and the position measurement error of the pre-installed hub seats.Its installation becomes more difficult with the force increasing.Considering the force-deformation character of large underwater structures,such as rigid jumpers,a kind of tolerance optimization method is put forward based on directional stiffness differences of component.The component tolerance by directional stiffness coefficient is optimized.This tolerance optimization method is applied to rigid jumper design.

directional stiffness;directional stiffness coefficient;rigid jumpers;tolerance optimization

P 756.2

A

1002－2333（2014）05－00008－04

王勇（1982—），男，工程師，碩士研究生，主要從事海洋工程水下設(shè)施安裝及維修技術(shù)研究工作；王立權(quán)（1957—），男，博士，教授學(xué)位，博導(dǎo)，研究方向為海洋工程裝備、機器人技術(shù)等。

劉軍，snake65719@126.com

2014-03-04

國家十二五科技重大專項（2011ZX05056-002-03）