管道法兰卡爪连接器结构设计毕业论文(编辑修改稿)

管道法兰卡爪连接器结构设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

作用使驱动环继续向下移动，最终锁紧 (如图 2． 6所示 )；完成锁紧以后，对准套和控 制板收回。 图 初校对 图 整体推进 图 夹紧过程 图 锁紧 对准方式初步采用套筒对准，在推进的过程中完成精确对准。 推进过程是指初步对准完成后，夹紧部分整体向下推进到夹紧位置的过程。 夹紧的过程采用释放弹簧的弹簧力提供夹紧并保持锁紧状态。 本科毕业设计 11 2． 3． 2 管道法兰 卡爪连接器回接过程分析 由于机具是在深海作业，潜水员不能够到达的水深，而机具在水下工作适宜携带这么大的油箱，经讨论提出了 ROV水下对接平台， 即由 ROV携带着有油口接头与机具上相对应的油口接头实现水下对接，从而为机具提供油源，而此时油箱只需放在水面上或 ROV上。 ROV是远程无人有缆的遥控操作潜器，通过一根电缆和水面船连接从而获得能源，控 制命令并进行通 7。 MAX Rover深潜工作级 ROV是由 DeepSea Systems International公司研制的，最大下潜深度可以达到水下 3000m，有效载荷可以达到 90kg，如图 2． 7。 图 美国 DSSI公司的 Max Rover 由 ROV辅助的管道法兰 引导卡爪连接机具回接工作过程如下： 本科毕业设计 12 （ 1） 连接器整体下放，进行初校对 （ 2） ROV辅助连接机具进行粗连接 （ 3） 完成连接器与平台回接 图 对接完成后海底管道连接图 由图 ，该机具的整体回接过程简易方便，容易操作，但对对准精度要求比较，由于连接器的引导部件可回收的缘故，其经济性相对稍好 8。 管道法兰 卡爪机具总体方案设计 卡爪机具的回接方案 通 过参阅和研 究，国外专利及拥有系列产品公司的资料，依据这些把管道法兰 卡爪连机具的研究分为： 连接器执行机构和密封结构研究。 （ 1） 执行机构分为对准机构、推进连接机构、海底平台待连接机构。 1)对准机构 导向由对准机构完成，如图 2． 3所示，采用套筒对准方式；对于执行机构，对准是比较关键的技术，对准的精确直接影响连接工作的成功与否，基于此，在用 SolidWorks软件进行三维仿真模型设计的同时，计算出机构允许的最大摆动角度。 夹紧机构中卡爪和驱动环是关键零件，二者的配合尤为重要，初始状态要求保持卡爪呈张开状态， 驱动环呈提拉卡爪的姿态，开始工作时，要保证在整体推进时，驱动环不会受影响而错位，引起某个或某些卡爪闭合。 夹紧过程如图 2． 5所示。 本科毕业设计 13 2)推进连接机构 锁紧功能的实现是推进连接机构由液压缸和弹簧配合完成，其中，难点主要在于弹簧的预压缩与释放，参考国外的产品以后，设计以下两种方式：一纯机械式结构 (如图 )。 在驱动板与弹簧的另一固定端之间安装这样的结构，初始位置为锁紧，开始进行连接时，由外围的液压缸提供动力源，将导向套向下推，同时释放弹簧进行对接，这种机构的优点是结构简单，经济性好；缺点是工 作不够稳定；二采用液压缸 (如图 2． 10所示 )。 在驱动板与弹簧的另一固定端之间安装液压缸，利用液压缸来压缩和释放弹簧，这种结构的优点是实现容易，稳定性好，缺点是液压缸不能回收，经济性较差。 由于弹簧一直处于蓄能状态，如何克服其弹簧力是难点，对液压系统的要求也很高 ，需要详细计算夹紧瞬间所需的力 jF 以及夹紧后保持工作状态所需的力 bF。 根据 jF + bF 选 择xF 为弹簧初始蓄能力，要求 xF jF + bF ，根据 xF 选择合适的液压缸。 图 机械式压缩弹簧机构工作原理示意图 图 液压缸压缩与释放弹簧原理图 3)海底平台待连接机构 海底平台待连接机构主要由管道、下法兰、对准套筒等组成，要参照现有的海底平台待连接机构进行设计。 （ 2） 密封结构 样机的密封主要集中于两部分，第一部分是上下管套之间的静密封，作用主要是对连接管道的密封，确保连接完成后的正常使用。 在参考国外的产品时发现，试验样机采本科毕业设计 14 用双重密封并带有密封测试口，主要密封采用金属密封圈形式，任务是对管道连接直接密封防止泄漏：次要密封采用橡胶密封，任务则是保护内层的金属密封圈不受海水侵蚀老化，提高寿命和整个机构的稳定性。 在试验样机的上管套也设计有密封测试口，方便对密封进行测试：第二部分是对于推进液压缸的动密封。 液压缸直线往复动密封主要分为两部分：一活塞杆密封；二活塞密封 ，需要考虑对液压缸运动的精确性要求和工况负载，采用特殊结构和材料的组合密封可以达到要求。 活塞杆要严格阻止油液泄漏，污染环境，防止水侵入元件，为了避免动态泄漏，使用串联密封。 活塞密封两边都有液压油，密封间隙为流体动压润滑，可通过被增能的矩形截面 PTFE密封环密封，用 PTFE材料制成的附加外侧轴承环保护活塞免受磨损颗粒侵害。 通过对往复密封件进行有限元分析，模拟在液压力和负载作用下的应力、应变分布，合理设计密封圈截面形状。 （ 3） 建立卡爪连接器的三维模型 1)三维模型 利用 Pro/E软件建立机构的 三维模型，并进行干涉分析。 关键零件包括卡爪、上法兰、下法兰、驱动环、弹簧以及推进板等。 2． 4． 2 卡爪连接器作业过程 通过对国外卡爪连接器工作原理及回接过程的描述可知，管道法兰 卡爪连接器的工作流程比较清晰，其流程图如图 2． 11所示 ，然后把所有设备安装预定地点下放，随时准备对接任务 ↓ ，通过缆线下放的形式吊放海底，借助 ROV的牵引把机具定位在待连接的管道回接的上方处 ↓ ，并借助固定在海底 平台上的套筒牵引下，机具按预定的速度下落，实现上下法兰成功相配合 ↓ ，带动驱动环 推动处于张开状态下的卡爪，闭合锁紧在下法兰锥形面上 ↓ ，撤回缆线等工具，完成对接。 最终 ROV撤离管道法兰卡爪回接机具 图 垂直式卡爪回接机具作业流程图 本科毕业设计 15 2． 5 本章小结 本章首先陈述了管道法兰卡爪连接器的设计要求和实现功能，然后分析了管道法兰卡 连接器机具的 回接原理及回接过程，进行了管道法兰卡爪 连接机具的总体方案计 机具包括卡爪 连接器和导向对准装置及其 三维 模型 设计应用的软件 Pro/E等，最后给出了机具作业的流程图。 本科毕业设计 16 第 3章 管道法兰 卡爪连接器结构设计 3． 1 引言 管道法兰 卡爪连接器结构设计是根据设计要求出发，根据国标标准设计零部件，结合国外技术和国内实际海况出发，首先设计 6寸管道，根据卡箍原理从里向外设计连接器各个零部件，及对其校核分析，验证结构的合理性。 3． 2 回接管道设计 管道材料和直径壁厚设计 14 ． (1)管道材料 海底管道 对选用管材的制造方式上没有特殊的要求，如无缝钢管、各种保护焊的 缝钢 管等均可使用。 但在满足设计、安装要求的前提下，同时要选用最经济的管材 10。 内管道普遍采用美标 API SP 5LX42／ X80型管道材料 11 ，本项目设计 15CrMo的合金钢做 外管道的材质，屈服强度 HS =520MPa ，许用应  =147MPa ，其性能均能达到工程标准满足工程需求。 (2)设计压力 查阅《海洋油气管道工程》：集油管是实现平台与平台之间跳接的管道或管束，工作压力通常为 — ，管径在 152— 604mm(618英寸 )之间；② 1998— 2020镇海炼化至萧山油库段输油管道直径为Φ ，工作压力为 8 12 ；⑨经查证，俄罗 斯东西伯利亚至太平洋输油管道最高工作压力达 14MPa 8 13。 根据公式 P = gh (式 31) 式中： P — 压力， MPa  — 海水密度， lxl03 kg／ m3 g — 重力加速度， ／ s2 h — 距海面高度， m 得出水深 1500米位置海底压力 P= xl0xl500=15 MPa。 通过资料查阅和数据分析显示，对于海底 1500米环境下外压 15Mpa条件下，初步 定管内的流体压力为 15MPa。 初步拟定两种状态：一是恒压，二是 恒压差。 现以恒压 设计计算，考虑到两种极限状态都是压差 15MPa ，结果影响不大。 (3)管道直径 根据《常用管子标准及其外径尺寸对比》查得， 6英寸 (DNl50 mm)管道外径为 168mm。 (4)管道壁厚 29 本科毕业设计 17 对于压力管道 来说，大多数都属于薄壁管道，故当 SD ／ 6或者 P ／  t  时受内压直管理论壁厚计算公式可按式： S =   )(2 PYDPt  + 1C + 2C (式 32) 式中： P — 设计压力， MPa D — 管子外径， mm S — 管子的理论计算壁厚， mm t — 设计温度下材料的许用应力， 147MPa  — 焊缝系数， 对于无缝钢管，  =1 1C — 腐蚀余量， mm 2C — 管子壁厚负偏差， mm Y — 系数 算得 S =14mm。 根据压力等级计算公式 ： Sch =tP 1000 (式 33) 式中： Sch — 壁厚等级 P — 设计压力， MPa t — 材料许用应力， MPa 算得 Sch =120。 根据《石油行业设计标准手册》中 SH340596标准的规定，选取公称直径 DNl50的 道，外径 D =168mm，选取壁厚等级为 Sch l20的壁厚要求，即壁厚 14mm。 具体参数见表 3． 1。 表 管道参数 参数 备注 水深 1500m 最大水深 水压 15MPa 最大水压 管道材料 15CrMo 管道公称直径 6inch 中海油给定 管道外径 168mm 石化标准外径 管道壁厚 14mm 管道壁厚等级 Schl20 设计油压 35MPa (5)管道强度校核 本科毕业设计 18 所设计垂直式卡爪连接器用于水下 1500m(文中未注线性尺寸单位为 mm)，取设计外压 P e为 15MPa，管道材料 15CrMo，外径 D 0 =168 mlTl，管道长度 L =50m，名义厚度  n =28，有效厚度  e =， D i =。 按第四强度理论和强度失效准则：  IV =1)()(32020iiDDDD Pe   (式 34) 可求得  iv = ，已知  =150 MPa ，  iv  ，所以管道满足强度要求。 按钢制压力容器标准，根据eD0 =，0DL=，查图得到系数 A =数 B =164MPa，根据下式可以计算出许用外压 P ： P =mineeeDDBD  0000112, (式 35) 其中： 0 =min   HS ,2 符号 min 表示取小运算，经计算 P = ，大于设计外压 15MPa ，所以管 满足稳定性要求。 3． 3 卡箍法兰设计 法兰是用于连接管子、设备等带螺栓孔的突缘状元件 15。 根据国内行业标准中标 法兰的设计要求结合该设计的实际参数 ，得出所需法兰为不带螺栓连接孔的特殊法兰， 构设计成不开孔的实心形式，然后再对其进行校核、改进，最终完成设计。 （ 1） 法兰的公称压力等级 选择法兰的公称压力 P d  P ，一般取比设计压力高一个等级的压力，本文取PN。 （ 2） 法兰形式设计 依据设计标准 SH 3406— 96的要求，在保证强度的情况下，减小法兰轮毂 的直径 采用环槽面对焊法兰，由于密封形式特殊，需对标准法兰进行一些改进，选择标准形式为如图 3． 1所示： 本科毕业设计 19 图 标准对接法兰 （ 3） 密封圈设计 根据管道公称直径，法兰压力等级和法兰形式，选取密封圈为椭圆形金 属环 R 46，。