海底管道水平铺设系统样机结构设计Word格式.doc
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摘要
随着社会的发展与科技的进步,油气资源的开发已从陆地转向海洋,在海上开采出的石油主要依靠管道进行运输,海底管道铺设技术在油气运输中的作用越来越突出。
海底管道水平铺设系统样机结构设计为实际工程样机设计打基础,用来验证实际管道铺设过程的校直、横张力和止动等关键技术。
海底管道水平铺设系统是一种适用于海洋柔性软管铺设的机械系统。
当海底管道水平铺设系统在进行铺设时,软管从卷筒上退卷绕,通过弯管器对管道的位置及曲率进行初步调整,再通过校直器对管道进行校直,最终由张紧器进行夹持管道,进行铺管作业。
本文介绍了当前柔性铺管系统的发展状况,通过对柔性铺管系统的整体研究,确定了海底管道水平铺设系统的组成:
卷筒、弯管器、校直器、张紧器、止动器。
对弯管器与校直器进行选型,使之符合工作要求;
对卷筒、张紧器以及止动器依据设计要求进行了设计。
对卷筒、张紧器、止动器的主要零部件进行设计、受力分析和强度校核,对提供驱动力的张紧器以及制动器的液压缸进行了计算和校核。
关键词:
海底管道水平铺设系统;
结构设计;
强度校核
Abstract
Withthesocialdevelopmentandhumanprogressofscienceandtechnology,growingdemandforoilandgasresourcedevelopmentinrecentyearshasshiftedfromlandtosea.Offshoreoilmainlyrelyonpipelinesfortransport,layingofsubmarinepipelinestechnologyintheoilandgastransportationplayaprominentrole.Theprototypestructureofhorizontallayingsystemforsubseapipelinedesignfortheactualengineeringprototype,theprocessusedtoverifytheactualpipestraightening,transversetension,thestopperandotherkeytechnologies.Theprototypestructureofhorizontallayingsystemforsubseapipelineisaflexiblepipeformarinelayingmechanicalsystems.
Whentheprototypestructureofhorizontallayingsystemforsubseapipelinelayingpipebackfromthereel,thelocationandcurvatureofpipelineisinitiallyadjustedbybendingdevice,afterthatpipelinestraightenerstraightthepipeline,thetensionerclampspipesforpipelayingoperationsfinally.
Thispaperdescribesthecurrentdevelopmentstatusofflexiblepipelayingsystems,throughtheflexiblepipelayingsystem'
soverallstudy,wedeterminethattheprototypestructureofhorizontallayingsystemforsubseapipelineconsistsofreel,bendingdevice,straightener,tensionerandstopper.Weselectthetypeofbendingdevice,andstraightener,tofulfilltheneedofjobrequirements;
Wedesignthereel,tensionersandstopperaccordingtotherequirements.Themaincomponentsaredesigned,stressanalysisandstrengthchecking.Andtensionerandbrakecylinderswerecalculatedandchecked.
Keywords:
horizontallayingofsubmarinepipelinesystems;
structuraldesign;
strengthcheck
目录
第1章绪论 1
1.1海底管道铺设的概念 1
1.2海底管道水平铺设系统研究的目的和意义 1
1.3海底管道铺设方法分类 1
1.3.1“S”型铺管法 1
1.3.2“J”型铺管法 2
1.3.3拖拽式铺管法 3
1.3.4卷管式铺管法 4
1.4海底管道铺设方法的比较 5
1.5目前国内外水平和发展状况 5
1.6论文研究的主要内容 8
第2章总体方案设计 10
2.1引言 10
2.1.2柔性软管简介 11
2.2总体方案 12
2.3铺管过程 13
2.4软管铺设驱动系统 14
2.5本章小结 14
第3章卷筒的结构设计 15
3.1引言 15
3.2卷筒结构尺寸的计算 16
3.3卷筒轴的强度校核 17
3.4轴承的选择 19
3.5本章小结 19
第4章弯管器与校直器的选型 20
4.1弯管器 20
4.1.1弯管器作用及原理 20
4.1.2弯管器的选型 21
4.2校直器 21
4.2.1校直器的作用 21
4.2.2校直器原理 21
4.2.3校直器的选型 22
4.3本章小结 22
第5章张紧器结构设计 23
5.1张紧器的结构 23
5.2张紧器机构的设计 24
5.2.1导轨的设计 24
5.2.2张紧器张紧方式的分析 25
5.2.3张紧器张紧方式的选择 25
5.3履带机构的设计 26
5.3.1履带板的设计 26
5.3.2履带板结构尺寸的计算 28
5.3.3履带链轮的设计 29
5.4液压马达的选择 30
5.4.1液压马达参数的确定 30
5.4.2液压马达型号的确定 31
5.5箱体、底座和安装台的设计 31
5.5.1箱体的结构设计 31
5.5.2底座的设计 32
5.5.3安装台的设计 33
5.5.4箱体、底座、安装台的安装 33
5.6本章小结 33
第6章止动器的结构设计 35
6.1止动器结构设计及计算 35
6.1.1挤压板的设计 35
6.1.2止动器受力分析及计算 36
6.2本章小结 37
第7章液压缸的选用与校核 39
7.1主张进液压缸的设计和计算 39
7.1.1液压缸内径计算 39
7.1.2活塞杆直径的计算 40
7.2止动器液压缸的计算与校核 42
7.2.1液压缸内径的计算 42
7.1.2活塞杆直径的计算 42
7.3本章小结 43
结论 44
参考文献 45
攻读学士期间发表的论文和取得的科研成果 47
致谢 48
第1章绪论
第1章绪论
1.1海底管道铺设的概念
运用一定的结构与相应的控制系统将用于信息的传输或者输送的管道放置到指定的位置的铺设系统称为管道铺设系统。
能将柔性软管放置到指定位置,管道本身有具有柔性,能适用于深海又可适用于浅海的柔性软管铺设系统称之为海底柔性管道铺设系统。
海底管道铺设系统具有作业效率高、对作业环境有较好的适应性、铺设深度范围较广、柔性软管不需焊接、铺管作业准备时间短等一系列优点,是一种具有广阔前景和急需推广的管道铺设装置
[1]
。
1.2海底管道水平铺设系统研究的目的和意义
管道运输是油气运输的方式中最快捷、可靠、经济的,是油气运输主要方式.从1954年在美国的墨西哥湾由Brown&
Root海洋工程公司铺设了世界上第一条海底管道,人们已经在全球各不同近海和远海海域成功铺设了近两万公里各种类型、管径的海底管道.海底管道铺设技术发展速度之迅速由此可见一斑。
铺管技术随着海域水深的加深也相应得到了大发展.海底管道铺设系统的研制可以满足我国深海油气田开发工程的需要,填补国内相关领域的空白,提高我国在深海管道铺设领域的技术水平,促进我国深海油气资源的开发利用。
海底软管管道的铺设是深海石油资源开发的基础装备,软管铺设系统是用于海底输油软管铺设的专用设备。
1.3海底管道铺设方法分类
由于铺管船的适应性强,机动性好,且施工工艺已趋于成熟,是目前世界上使用最广泛的一种方法之一,铺管船在近些年得到了大力发展.随着各种类型的具有高技术高附加值的海底铺管船的设计研发,铺管船的高效性、结构的安全性与经济性,舾装配件布局的合理性等方面引起了研发人员和各国船厂的重视。
到目前为止,结合国内外的铺管实际经验,主要的铺管方式有:
“S”型铺管法,“J”型铺管法,拖拽式铺管法,卷管式铺管法。
1.3.1“S”型铺管法
S型铺管法,是当前最为常用的海底管道铺设方法。
因为铺设作业在同一水平线之上进行,所以S型铺管法效率很高且安全稳定。
“S”型铺管法一般需要数艘起重抛锚拖轮来辅助支持管道铺设作业。
作业开始前,先要放下锚,使船固定在海面上,然后使锚缆穿过托管架,并将锚缆固定到第一根管子的端部。
在托管架的支撑作用下,管道自然地弯曲成S型,此时管道被划分为三个部分:
(1)上弯段:
从张紧器到管线与支架分离点之间这一段,即被支架支撑的管线部分;
(2)下弯段:
管道和支架分离点到与海底接触点之间竖直部分;
(3)边缘段:
支架倒数第三个滑轮到管线拐点间的受力复杂的部分。
除此之外,还有另外一种分段方式,将管道分为两个区域拱弯区和垂弯区。
拱弯区是从铺管船板上的张紧器开始,沿支架向下到管道开始脱离支架支撑的抬升点为止的一段区域(抬升点即是管道呈S型时的拐点);
垂弯区是从抬升点到海底着地点之间的区域。
管道在垂弯区的曲率通过张紧器产生的张紧力来控制,管道在拱弯区的曲率通过合适的滑道支撑和支架的弯曲度来控制[2]
图1.1“S”型铺管方式
1.3.2“J”型铺管法
J型铺管法,是从上世纪80年代为了适应深水铺设而不断发展出来的,是目前最佳深海管道铺设方法,该方法主要应用于刚性管道铺设[3]
在铺设过程中刚性管道近乎竖直进入水中,管道在水中呈J型,因而得名J型铺管法。
J型铺管法在铺设过程中通过调节托管架的倾斜角度和张紧器张力来改变管道的受力,从而使管道安全铺设。
J型铺管法主要有以下两种:
(1)钻井船J型铺设法
(2)带斜型滑道的J型铺管法。
J型铺管设备主要由4部分组成:
(1)管道连接站—用来将前一次管段的最下端连接到本次释放的管段的最上端;
(2)管道支撑塔架—竖直的铺管塔,该铺管塔在管道连接站正上方,它将管道保持在铺设路径的合理角度内,管段的下端与准管道连接站对准;
(3)静态夹具—用来夹住前一次释放管段顶端的夹子,同时夹住使管段对准连接站;
(4)管道释放装置—当在静态夹具松开时可调节地释放管段。
图1.2“J”型铺管法
1.3.3拖拽式铺管法
拖曳式铺管法主要由以下四种方式:
海面拖行、海面下拖行、近底拖行和海底拖行。
以上四种拖拽方法的管道组装均相同,可以在地面组装厂或者在浅海处的铺管船上完成管道组装;
当完成管道组装后,就可以进行拖拽铺设。
(a)海面拖行,管道通过漂浮箱漂浮在水面上。
(b)海面下拖行,通过漂浮箱使管道不受海面风浪的影响。
这两种拖曳方法对比,海面拖行与海面下拖行铺设管道易受到海面风浪、海上船只和管道陈放的影响。
(c)近底拖行,是海面拖行技术的改进方式,同样也需要主拖船和牵制拖船。
在管道上每隔一定间距设置漂浮箱,同时浮箱上还需要连接有铁链,用于拖行,利用它的重量和浮箱的浮力而使管道达到设计深度。
这种铺设方式通过改变铁链的长度来提供管道的稳定力,通过改变张力的大小使管段改变深度。
近底拖行的主要优点是拖行的驱动力要求较小,没有海况及海上船只的影响。
(d)海底拖行,在海床上利用铺管船的牵引力将管道拖行至预定位置。
拖行路线对海底拖行有着决定性作用,由于摩擦影响管道涂层、拖行期内管道稳定性、铺管船的规格和所拖管道的长度。
此法不受牵制拖船以及海况影响,但对拖船的牵引力要求较高,涂装层有磨损的危险,管道有被卡住的危险[4]
(a)海面拖行(b)海面下拖行(c)近底拖行(d)海底拖行
图1.3拖拽式铺管法
1.3.4卷管式铺管法
卷管式铺管法是上世纪90年代发展出来的一种新式铺管法,卷管式铺管法是在预制场上将管道连接,缠绕在卷筒上,将卷筒储存在铺管船上用于管道铺设,其优点是管道绝大部分的焊接预制工作在预制场内完成,缩短了海上铺设时间,降低了成本,卷筒上的管道可连续铺设,减小了铺设作业的风险。
每种储存卷管的滚筒都都和相应的铺管船配合使用,一般储存卷管的直径从1英寸到12英寸不等,单层管的最大铺设直径为16英寸,最大铺管深度可达到1800m。
卷管式铺管法需要的主要设施包括:
预制场地、储存卷管、管道校直器、管道张紧器、制动夹具、铺管船和其他常规施。
图1.3卷筒铺管方式
卷管式铺管船的分类
(1)水平式和
(2)垂直式。
(1)水平式卷管铺管船,通常用于中浅海海域作业(小于300m),其转动轴垂直于铺管船的甲板,其铺管形式为S型;
(2)垂直式卷管铺管船,适用于中等水深或深水作业(大于300m),其转动轴与铺管船甲板保持水平,其铺管形式为J型。
1.4海底管道铺设方法的比较
从目前工程应用上来看,不同的铺管方法都有一定的特征和适应性。
例如,拖拽法主要应用于近海滩涂铺设或者铺设距离较小的工程当中。
卷管阀由于存在较大的塑性变形,其可铺设的观景一般小于16英寸;
深海铺设时一般选用“S”型铺管法或者“J”型铺管法,以下为四种铺设方法的归纳与总结[5]
表1.1海底管道铺设方法的对比
拖拽铺设
优点
管道在岸上预制场内焊接,焊接质量较好;
拖船不需改造,成本较低;
拖拽方法较为多样化。
缺点
安装长度较短;
对于海底和海况要求高;
只适用于浅水区域铺管作业。
卷筒铺设
绝大多数的焊接工作在岸上预制场内的可控环境内完成;
张力相对较小,成本较为低廉;
由于管道在预制场中连接,管道可持续铺设。
缺点
需要预制场的支持;
对钢材的塑性要求高,适用管径较小;
铺设速度越为600m/h。
J型铺设
由管道支撑塔代替了船尾托管架;
管道铺设角度近乎垂直,管道张力较小
只有一个焊接站,因此焊接速度慢,铺设效率低
铺设作业都在垂直的铺设他上完成,稳定性差
铺设效率低,速度慢,铺设速度为1-1.5km/day
S型铺设
优点
管道水平方向采用双接头进行装配,装配效率高;
对海况和连续作业能力强,铺设效率和速度高,铺设速度为3.5km/day
缺点
必须处理非常大的张力;
水越深,托管架越长,失去稳定性;
水越深,张力越大,风险越大。
1.5目前国内外水平和发展状况
1982年中国海洋石油总公司(中海油)成立,标志着中国正式开始了海洋石油天然气的开发。
在这短短的二十几年里,中海油虽然取得了令人瞩目的成就,但深海铺管技术非常薄弱,最深的海洋管道也只有330m,我国在海底铺管技术的开发及应用方面与国外先进水平相比存在较大差距。
柔性软管铺设系统及技术基本为外国公司所垄断,我国在该领域目前尚处于起步阶段。
在进行软管铺设施工时要向外国公司租用设备,雇佣外方操作人员,费用极其昂贵[6]
瑞士再铺管技术领域是世界上最先进的国家之一,在铺管技术上的代表是ALLSEAS公司,该公司有着雄厚的实力和尖端技术,下图为世界上最大的铺管船——Allseas公司的Solitaire。
图1.5Allseas公司的Solitaire铺管船
Solitaire为世界上最大的铺管船,采用S型铺设,总长300m(984英寸不包括船为托管架),该船能铺设直径2英寸到60英寸的管道,最大航速24km,采用三个175吨张紧器其夹持能力为1050吨,能够铺设最重的管道,从船尾延伸的架构控制托管家的角度张紧下表为Solitaire主要性能参数:
表1.2Solitaire主要性能参数
总长(m)
航速(km)
床位(人)
动力定位系统
作业吃水(m)
起重载荷(t)
焊接工作站
张紧器(t)
管径范围(mm)
管道传送起吊机
专用起重机
300
24
420
NMDCLASS
3/LRDP(AAA)
TypeSimardkongsberg2×
ADP7021×
ADP701
1.4
35×
2
两个双缝焊接平台7个焊接站
3×
175
50.8~1524
国内铺管船发展起步较晚,1987年,我国引进了一条小型铺管船,结束了我国国内无铺管船的历史。
但随着铺管长度的不断增加,铺管施工技术越来越成熟,表1.3为我国2000年建造的“蓝疆号”铺管船的主要参数:
表1.3“蓝疆号”起重铺管船主要参数
建造时间
型宽(m)
型深(m)
满载吃水(m)
甲板载荷(t/m)
作业水深(m)
2001年
157.5
48.8
12.5
8
278
500
8~500
最大起重载荷(t)
AR绞车(t)
工作站(个)
检测站(个)
定位锚机(套)
锚缆长度(mm)
3800
272.5
114~1292
158
10
12
2200
蓝疆号大型起重铺管船是一艘非自航无限航区作业的大型工程船,船体总长157.5m,型宽48m,满载排水量58000t,可在150m水深实施起重和铺管作业。
该船主甲板艉部装有1台3800t起重能力的全回转电动起重机;
船上设有铺管系统,铺设最大管径为l220mm,具有单节管和双节管2种铺管模式;
船上有直升飞机平台和作业人员生活区,生活区可满足280人住宿、餐饮;
船舶设备具有较高的技术含量,其主要设备如起重机、铺管系统、动力和推进器都采用了世界顶级名牌产品[7]
但是我国铺管技术起步较晚,总体还是比较落后,并且铺管船形势比较单一,国内最先进的铺管船“蓝疆”号的铺管最大深度也只能达到150m。
基本上都属于船型侧边起重铺管船。
图1.6蓝疆号铺管船
1.6论文研究的主要内容
毕业设计的主要内容是针对能提供15吨张紧力,对管径1~3英寸的软管进行铺设的铺设系统结型结构设计和强度校核,其主要内容为:
根据课题需要,工作需求以及管道参数,在查阅国内外相关资料的基础上,对海底管道水平铺设系统进行整体结构设计(机械零件结构),在此基础上,完成论文,装配图,以及零件图。
论文在查阅大量资料的基础上,完成整体结构设计,形成装配图。
在论文中阐明各部分的设计过程,论文主要由以下内容:
(1)卷筒的结构设计
包括卷筒结构尺寸的计算,卷筒轴的校核和轴承的选用。
(2)校直器的选型
经过弯管器后管道在入水前需校直,以消除弯管的残余塑性形变。
校直器通常包括两个弧状履带连同导轮作为第三个弯管点对管道进行校直。
主要介绍校直器的作用以及工作原理,并依据软管的直径进行了选型。
(3)张紧器的结构设计
主要包括张紧器轨道的设计,链轮相关尺寸计算,V型板原理及结构尺寸计算,电机的选取,箱体、底座和安装台的设计
(4)止动器的整体结构设计及受力分析
止动器的原理分析,挤压板的设计,液压缸所提供最小夹紧力的计算,。
(5)液压缸的选用与校核
依据液压缸行程,工作额定压力及最大推力进行了液压缸内径和活塞杆直径的计算和校核。
(6)弯管器的选型
弯管器作用以及工作原理的介绍,并依据软管外径选取弯管器。
第2章总体方案设计
2.1引言
海上油气田开采出的油气大多数是通过海底管道转输至陆地上加工并分别输送到户。
伴随海洋石油然气开发不断加深,海底管道的作用显得越来越重要,但是海底管道铺设作业是一个复杂的过程,在海况环境恶劣的情况下,存在洋流,风浪等一系列的不确定因素,而管道在铺设的过程中有受到弯曲应力,挤压应力的影响,因此,海底管道铺设系统要具备高可靠性,高强度,优良的操作性等优点。
铺管船的形式也是多种多样的,世界上主要的厂商为荷兰的HUISMAN公司。
该公司的柔性软管铺设系统有各种不同吨位,铺设塔的角度分为固定式和可调式,可按客户要求定制[8]
图2.1为ToisaProteus铺管船。
图2.1ToisaProteus铺管船
2.1.2柔性软管简介
柔性软管的应用从上世纪70年代发展起来,适用于地中海、巴西、远东等海况良
9
好的海域
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