碩士畢業(yè)論文答辯

柔性軟管水平鋪設系統(tǒng)原理樣機研究姓名：導師：張忠林副教授專業(yè)：機械電子工程哈爾濱工程大學碩士開題答辯2013年1月14日1開題結(jié)構(gòu)框架2345軟管鋪設系統(tǒng)總體方案研究軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)校核軟管鋪設系統(tǒng)動力學仿真緒論2課題來源、目的及意義課題來源

研究目的

研究意義本課題來源于中國海洋石油工程股份有限公司的科研項目“深水軟管鋪設系統(tǒng)關鍵技術研究及原理樣機研制”課題的主要研究目標是：通過對國外深水軟管鋪管設備的解讀與分析，掌握其工作原理，研制出滿足國內(nèi)作業(yè)需求的深水軟管鋪設系統(tǒng)，促進我國深海油氣資源勘探與開發(fā)的進程，最大限度降低海上鋪管操作的成本

填補國內(nèi)深水柔性管道鋪設技術的空白降低管道鋪設的施工費用和安裝成本，同時可擁有自主知識產(chǎn)權(quán)培訓國內(nèi)操作人員，自主控制施工時間，縮短施工周期，提高管道鋪設效率3軟管鋪設系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀國外：一些發(fā)達國家涉足海洋石油開發(fā)的時間比較早，在海洋管道鋪設系統(tǒng)領域的技術比較領先，且不斷向深海發(fā)展，對于軟管鋪設系統(tǒng)的研究比較成熟的公司主要是荷蘭的HUISMAN公司國內(nèi)：與國際上的發(fā)達國家相比，我國海洋石油開采行業(yè)起步較晚，各種海洋油氣開采、管道運輸及維修設備研制水平都比較落后，尤其在深水軟管鋪設技術方面幾乎還是空白的，還需要進行深入研究，努力縮小與國外的差距。4深水軟管鋪設系統(tǒng)主要應用于深水區(qū)柔性管道的鋪設作業(yè)，它與鋪管船上的深水軟管滾筒驅(qū)動裝置結(jié)合，完成軟管在海上的鋪設作業(yè)。完成軟管的鋪設需要曲率調(diào)整輪、校直器、張緊器、懸掛夾具、角度調(diào)整液壓缸等各部分系統(tǒng)的緊密配合。軟管鋪設系統(tǒng)總體方案研究能夠在600m水深的海域內(nèi)進行軟管鋪設作業(yè)軟管鋪設系統(tǒng)的鋪管能力為75t鋪設軟管的直徑范圍在4"-12"系統(tǒng)主要設計要求如下：5軟管鋪設系統(tǒng)總體方案研究初始狀態(tài)正常鋪管狀態(tài)結(jié)束狀態(tài)6軟管鋪設系統(tǒng)總體方案研究校直器方案選擇方案一方案二方案一方案二懸掛夾具方案選擇7曲率調(diào)整輪的曲率半徑R，要滿足下式的條件軟管鋪設系統(tǒng)曲率調(diào)整輪結(jié)構(gòu)設計

軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計1、調(diào)整輪直徑的確定通常情況下，管道的彎曲半徑不得小于1.1倍的最小彎曲半徑查表2.1，得到COFLEXIP公司生產(chǎn)的12"柔性管道允許的最小彎曲半徑是2.4m取曲率調(diào)整輪直徑為D＝5.5m為管道允許的最小彎曲半徑8軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計1－軸承端蓋；2－螺栓；3－軸承座；4－軸套；5－輪轂；6－輪軸；7－輻條；8－軸承

軟管鋪設系統(tǒng)曲率調(diào)整輪結(jié)構(gòu)設計

2、調(diào)整輪的安裝曲率調(diào)整輪轉(zhuǎn)軸安裝結(jié)構(gòu)示意圖

9軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計軟管鋪設系統(tǒng)懸掛夾具結(jié)構(gòu)設計懸掛夾具是鋪管系統(tǒng)中的關鍵結(jié)構(gòu)之一，本文中懸掛夾具采用液壓缸和楔形增力機構(gòu)來夾持軟管，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是夾持管道時可以利用楔形面將液壓缸的驅(qū)動力放大，達到增加夾緊力的目的。楔形滑塊組件

懸掛夾具總體結(jié)構(gòu)圖

10軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計懸掛夾具受力分析懸掛夾具轉(zhuǎn)動臂閉合液壓缸驅(qū)動楔形滑塊預夾緊管道軟管鋪設系統(tǒng)懸掛夾具結(jié)構(gòu)設計A－楔形滑塊B－基座C－管道夾具緊靠預夾緊后，基座B固定，A與C無相對運動，可看做一個整體11軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計按照鋪設深度600m,對懸掛夾具進行受力分析，忽略海水的浮力，管道在重量如下式所示軟管鋪設系統(tǒng)懸掛夾具結(jié)構(gòu)設計結(jié)構(gòu)受力圖簡化為力的多邊形圖考慮海上風浪載荷等情況12軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計要保證夾具正常工作，實現(xiàn)夾持管道的功能，楔塊與管道之間的摩擦力必須要大于管道在海水中的重量，即要滿足下式：由以上分析可知，所設計的懸掛夾具可以實現(xiàn)對管道的安全夾持。根據(jù)力多邊形，對懸掛夾具的夾持能力進行校核軟管鋪設系統(tǒng)懸掛夾具結(jié)構(gòu)設計13軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計軟管鋪設系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設計

管道經(jīng)過曲率調(diào)整輪后，會發(fā)生彎曲變形，從而使管道中產(chǎn)生彎曲應力，這些應力若一直存留在管道中，加之后續(xù)鋪管過程中張緊器以及懸掛夾具對管道的作用力，會對管道造成很大的破壞。所以要在管道進入張緊器系統(tǒng)之前，將管道中存留的彎曲應力減至最小，這就需要通過校直器系統(tǒng)，對管道進行校直1－液壓缸；2－活動履帶總成；3－連接臂；4－滾輪裝置；5－固定支架；6－固定履帶總成14軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計履帶總成總體結(jié)構(gòu)設計

1－鏈輪軸；2－固定軸承支架；3－支撐輪；4－張緊裝置；5－鏈輪；6－V形板；7－鏈條；8－機架校直器履帶總成的轉(zhuǎn)動主要是通過鏈傳動完成的。如左圖所示：V形履帶板依附于鏈條之上，跟隨鏈條轉(zhuǎn)動，支撐輪3用螺栓固定在機架8上面,支撐輪的作用是支撐鏈條并將校直力通過鏈條均勻分布到V形板上軟管鋪設系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設計

15軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計在本論文中，履帶張緊裝置結(jié)構(gòu)如下圖所示，在螺栓的端部安裝球鉸耳環(huán)，用來支撐鏈輪軸，通過轉(zhuǎn)動張緊螺母可以使螺栓向外伸長，從而帶動鏈輪軸向外擴張，達到張緊鏈條的目的，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。1－螺栓；2－防松螺母；3－機架；4－張緊螺母；5－球鉸耳環(huán)；6－鏈輪軸張緊裝置結(jié)構(gòu)設計軟管鋪設系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設計

16軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計校直器V形板結(jié)構(gòu)設計V形板結(jié)構(gòu)與力學模型如下圖所示。V形板兩端受到支撐輪向下的壓力F，V形板V形斜面與管道的接觸點處受到管道反作用力N。反作用力N可分解為水平方向力H和垂直方向力V

軟管鋪設系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設計

17從圖中可得到角度與的關系如下：由上式可知，在壓力F一定的條件下，要增大反作用力N的值，只能減小角度

軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計V形板的總長L與其余各部分尺寸之間的關系為：

由力的平衡條件可知：校直器V形板結(jié)構(gòu)設計軟管鋪設系統(tǒng)校直器結(jié)構(gòu)設計

18軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計軟管鋪設系統(tǒng)鋪設塔架結(jié)構(gòu)設計1－吊孔2－塔架鋼結(jié)構(gòu)3－液壓缸連接孔4－吊耳5－固定鉸軸孔

鋪設塔架是安裝鋪設系統(tǒng)中其它鋪管裝置的基礎。其結(jié)構(gòu)及尺寸主要是由安裝在其上的鋪管裝置及安裝位置來確定。鋪設塔架的截面型式及尺寸19——鋪設塔架自身的重力，——鋪設塔架上行梯、護欄等的重力；——張緊器的重力，——校直器重力，——曲率調(diào)整輪重力，軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計鋪設塔架受力分析

軟管鋪設系統(tǒng)鋪設塔架結(jié)構(gòu)設計鋪設塔架受力狀態(tài)圖20軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計簡化后的鋪設塔架受力圖。為了便于對鋪設塔架的受力情況進行計算，將圖中的重力分解為垂直于鋪設塔架和沿著鋪設塔架的兩個方向上的力利用力的平移定理，將所有的力平移到一點，并使所有的力對該點的力矩為零，該點就是整個機構(gòu)的等效重心，即圖中的B點，也是角度調(diào)整液壓缸的鉸接點。計算得：X＝5.5m鋪設塔架受力分析

軟管鋪設系統(tǒng)鋪設塔架結(jié)構(gòu)設計21軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)設計鋪設塔架上所受到的是大剪力為：鋪設塔架上所受到的是大彎矩為：最大值發(fā)生在B截面處經(jīng)過計算校核，此工作狀態(tài)的鋪設塔架強度符合要求。鋪設塔架受力分析

軟管鋪設系統(tǒng)鋪設塔架結(jié)構(gòu)設計22軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)校核校直器－－V形板有限元分析V形板網(wǎng)格劃分V形板約束及載荷施加V形板應力云圖V形板變形云圖最大應力192.675MP最大變形1.993mmV形板的強度要求23軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)校核校直器－－連接臂有限元分析約束及載荷施加應力云圖變形云圖網(wǎng)格劃分連接臂結(jié)構(gòu)滿足強度要求DMX=0.025mmSMX=22.945MP24軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)校核鋪設塔架有限元分析－

初始狀態(tài)

初始狀態(tài)下，鋪設塔架最大變形量為5.913mm，最大應力為97.661MP，強度滿足要求25軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)校核鋪設塔架有限元分析－

工作狀態(tài)載荷及約束施加網(wǎng)格劃分變形云圖應力云圖

工作狀態(tài)下，鋪設塔架最大變形量為0.066mm，最大應力為2.779MP，強度滿足要求26軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)校核懸掛夾具系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)有限元分析

1－懸掛夾具；2－護欄；3－可移動底板；4－液壓缸；5－固定底座懸掛夾具系統(tǒng)主要包括懸掛夾具1，護欄2，可移動底板3，液壓缸4以及固定底座5。其中，關鍵的部分是懸掛夾具1，以及支撐懸掛夾具的可移動底板3。其中可移動底板與固定底座之間通過液壓缸驅(qū)動產(chǎn)生相對水平移動，目的使懸掛夾具夾持管道的中心與張緊器的中心對齊。27軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)校核懸掛夾具的有限元分析懸掛夾具網(wǎng)格劃分懸掛夾具載荷與約束施加變形云圖應力云圖懸掛夾具最大變形量為0.505mm，最大應力為237.8MP，強度滿足要求28軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)校核可移動底板的有限元分析

網(wǎng)格劃分載荷與約束施加底板變形云圖底板應力云圖可移動底板最大變形量為0.2481mm，最大應力為10.038MP，強度滿足要求29軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)校核海底管道受力研究－數(shù)學模型AB段為任意選取的管道微元的受力狀況圖，經(jīng)過分析管道微元受到的各種力和彎矩，利用平衡理論對其列力學平衡方程：30軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)校核由圖中的定義可知，管道的傾角可表示如下：由以上兩式可得：在管道微元的A點處，由平衡條件可得：海底管道受力研究－管道數(shù)學模型31軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)校核

忽略管道軸向變形和剪切變形的影響，將管道看作細長結(jié)構(gòu)件，在物理關系中只考慮管道的彎曲物理方程

對公式（4-3）中的進行求導，并代入公式（4-1）中，可得：把公式（4-5）、（4-6）、（4-7）代入公式（4-9）中，可得

海底管道受力研究－管道數(shù)學模型把公式（4-6）代入公式（4-8）中，對進行求導32軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)校核公式（4-15）為鋪設中的海底軟管受力數(shù)學模型。

海底管道受力研究－管道數(shù)學模型對公式（4-11）中的再次求導得把公式（4-12）代入公式（4-3）中，得公式（4-14）可以進一步整理為33軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)校核海底管道受力研究－剛度矩陣利用有限元法把管道受力的數(shù)學模型方程進行離散化34軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)校核根據(jù)海底管道的受力數(shù)學模型以及剛度矩陣公式，采用MATLAB結(jié)構(gòu)設計程序設計方法對海底管道數(shù)學模型及剛度矩陣的計算程序進行編寫，根據(jù)編寫的MATLAB數(shù)學計算程序，對管道的受力情況進行計算海底管道受力研究－受力分析35軟管鋪設系統(tǒng)關鍵結(jié)構(gòu)校核海底管道受力研究－受力分析36軟管鋪設系統(tǒng)動力學仿真軟管鋪設系統(tǒng)仿真模型將軟管鋪設系統(tǒng)中的校直器，曲率調(diào)整輪與張緊器簡化為其質(zhì)心處施加的重力作用，如圖中F1、F2、F3所示。對模型施加運動副及約束，如右圖所示。最終角度調(diào)整液壓缸活塞桿的伸縮運動就可以轉(zhuǎn)化為鋪設塔架的轉(zhuǎn)動37軟管鋪設系統(tǒng)動力學仿真船舶縱搖橫搖模擬平臺鋪管船運動示意圖船舶縱搖橫搖模擬平臺受到海上風浪擾動，鋪管船會產(chǎn)生搖擺運動，其中主要包括：橫搖、縱搖、首搖、橫蕩、縱蕩、升沉等。其中對船舶正常運行影響最大的主要是橫搖和縱搖。所以建立鋪管船的縱搖與橫搖平臺，模擬海上作業(yè)環(huán)境。38軟管鋪設系統(tǒng)動力學仿真鋪設系統(tǒng)與模擬平臺組合模型鋪設系統(tǒng)與模擬平臺組合模型39軟管鋪設系統(tǒng)動力學仿真在惡劣海況下，鉸接處的受力情況產(chǎn)生了很大的變化，受力不再是單調(diào)遞減的情形，而是出現(xiàn)周期性波動，波動平穩(wěn)，無沖擊而且所承受的力的最大值相對于正常工作狀態(tài)下變小。仿真結(jié)果分析鉸接處的受力逐漸變小的，力矩在整個過程中是由小變大。初始狀態(tài)時，鉸接處承受整個系統(tǒng)的重力，所以受力最大；到達正常鋪管狀態(tài)后，鋪設塔架基本保持垂直，鉸接處受到的力非常小。40軟管鋪設系統(tǒng)動力學仿真與正常工作狀態(tài)下的仿真結(jié)果相比，惡劣海況下鋪設塔架與底座鉸接處的受力受海況的影響，產(chǎn)生了周期性的波動，力的最大值較正常工作狀態(tài)有所增大。從圖中可以看出，在惡劣海況下，鉸接處的受力也是平穩(wěn)變化的，沒有產(chǎn)生突變和沖擊，能夠保證軟管鋪設系統(tǒng)安全進行管道鋪設作業(yè)。仿真結(jié)果分析41軟管鋪設系統(tǒng)動力學仿真惡劣海況下，鋪設塔架重心位置的產(chǎn)生了周期性的波動，但是波動的幅度不大。重心在x軸與y軸方向的變化與正常工作狀態(tài)下近似值的注意的是重心位置在z軸方向的變化，正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)到達鋪管狀態(tài)時，重心位置在z軸2.3m處并保持不變，而在惡劣海況下，重心位置會越過垂直狀態(tài)時的平衡位置2.3m，最大可能達到2.5m由此可以說明角度調(diào)整液壓缸要由原來的受壓狀態(tài)改變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，以保證鋪設塔架不會產(chǎn)