深海管道法兰连接机具的设计与仿真分析

王立权，王文明，何 宁，李 伟，刘明珠，林秋红

(1.哈尔滨工程大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001;2.海洋石油工程股份有限公司海洋工程技术中心，天津 300451)

随着陆上石油逐渐枯竭，海上油气的开采将会越来越重要.在全球海上油气资源中大约有44%储存在300 m以下的深水海域.同时，由于开采技术的不断提高，海洋石油的开发也将不断向高、深、难的方向发展.海洋石油发展的趋势将是走向深水［1］.中国海洋石油总公司正在建造3 000 m深水铺管船，在十一五期间要形成3 000 m海底管道铺设能力.其中，水下回接是深海管道铺设重要组成部分.水下回接技术是将新开发的生产管道并入已建的管网，充分利用已建设施，使边际小油田开发变得经济有效，其主要包括:管道与平台的连接、管道与管网的连接、管道与立管的连接、管道间的连接等.深海管道法兰连接机具正是一种水下回接的特种机具.国外一些大公司已经掌握了该项技术，但在国内，法兰连接机具的研制还是空白.研制用于海底管道铺设作业，可以适应深海环境、提供高质量连接、高自动化作业水平的法兰连接机具，具有重大现实意义.

目前，水下回接的施工方法主要有机械连接和水下焊接［2］.其中，机械连接方式更适合深水管道回接.机械连接又细分为卡钳式连接、法兰式连接和卡爪式连接.深海管道法兰连接机具属于法兰式连接，可以实现深水管道自动化法兰连接.机具海底作业时，需要克服高静压、腐蚀等复杂海底环境影响，具有较大的设计难度.文献［3］设计了一种分体三瓣式的法兰连接机具，采用特制螺栓，但作业前需要螺栓库和螺母库预先对接;文献［4］和［5］结构为桁架整体式，其系统智能，但结构复杂.本文设计的机具采用整体三瓣式结构，拉伸预紧方式拧紧螺栓.

1 深海管道法兰连接机具结构设计

深海管道法兰连接机具是一种用于海底管道法兰螺栓连接的机具，其主要组成如图1所示，虚线框内为机具本体:桁架式外框架联结各个部件，并保证各部件安装后与管道、法兰的相对位置精度;内框架搭载螺栓库和螺母库，其可以绕管道周向转动，确保螺栓与法兰孔实现对准;水下摄像机监测机具作业状态，反馈管道、法兰和机具的位置信息;卡爪机构将整个机具定位于海底管道;ROV接口平台实现动力液压源、信号源连接;三瓣式螺栓库用于存放螺栓并向法兰孔插入螺栓，安装在管道的活动法兰一侧，具有拉伸预紧螺栓的功能;螺母库用于存放螺母，安装在管道的固定法兰一侧，也采用三瓣式结构，拧入固定法兰一侧的螺母.操控面板与上位机PC可以发出控制指令，下位机PLC控制系统控制液压阀动作，实现机具各部分作业.

图1 深海管道法兰连接机具结构组成Fig.1 Structure of DFCT

深海管道法兰连接机具三维模型如图2，工作原理是:机具通过卡爪机构定位到管道上，螺栓库与螺母库随内框架转动.螺栓库携带的螺栓部分插入旋转法兰孔，带动旋转法兰转动，调整旋转法兰与固定法兰使其对正.法兰孔对正之后，螺栓库插入螺栓，另一侧的螺母库拧入螺母.其中，螺栓库周向均布16个结构相同、采用拉伸螺栓预紧方式的拉伸拧紧机构，每个都具有拉伸螺栓拧入螺母的功能，这样法兰两侧螺母拧入到施加预紧力的螺栓，最终实现管道的法兰螺栓连接.

图2 深海管道法兰连接机具三维模型Fig.2 3-D model of DFCT

2 拉伸拧紧机构设计

拉伸拧紧机构是深海管道法兰连接机具的关键技术，主要实现拉伸螺栓施加预紧力，将螺母拧入螺栓的功能.由于机构作业空间有限，连接法兰的螺栓预紧力大，所以机构设计要具有小空间、大预紧力的特点.同时，设计还要保证机具的深海作业可靠性.

2.1 螺栓设计载荷计算

预紧螺栓时，设计载荷的大小直接关系到法兰密封效果［6］.螺栓预紧力通过法兰压紧面作用到垫片上，使垫片发生弹性或塑性变形，以填满法兰压紧面上的不平间隙，从而阻止流体泄漏.压紧力过小，垫片压不紧不能阻漏;压紧力过大，往往使垫片挤出或损坏.螺栓设计载荷计算过程如下:

预紧状态下需要的最小螺栓载荷Wa应为此时垫片所需的压紧力Fa，即

查 SH3403-96标准，垫片 SH3403-GRO-R79-0 Cr18Ni9的节径DG=692.15 mm;查得环平面宽度C=24.8 mm得 b0=C/8=3.1，当 b0≤6.4 mm 时，取有效密封宽度b=b0=3.1 mm;查得金属环垫片比压力 y=179.3 MPa.

计算得出 Wa=Fa≈1.2 ×106N.

操作状态下，螺栓不仅要承受压紧垫片所需要的力，同时还承受使法兰趋于张开的介质压力，公式如下:

式中:F为介质压力引起的总轴向力;Fp为操作状态下垫片需要的最小压紧力;Pc为设计压力，为15 MPa.

计算得出Wp≈6.9×106N.

比较2个参数Wa与Wp取较大者，最终螺栓设计载荷应为W≥Wp，近似取W=8.0×106N.

2.2 拉伸拧紧原理

螺栓拧紧方式有许多种，普通拧紧原理是通过旋转螺母，施加力矩后产生预紧力，常用的方法有拧紧力矩法，旋转角度拧紧法，塑性区域旋转角度拧紧法，倾斜度拧紧法等［7］.而一种全新的拉伸拧紧机构不同于以往常规拧紧方式，它以一种拉伸拧紧方法完成深水海底管道的法兰连接.拉伸拧紧原理是对螺栓直接施加拉伸力，使螺栓沿轴向伸长，而后小力矩旋紧螺母，拧入的螺母可以保持螺栓伸长量产生的预紧力.待撤去拉伸力，由于螺栓收缩就可在连接中产生和拉力相等的预紧力.由于螺旋副没有摩擦力矩，螺栓不受剪切应力，因此螺栓具有更高的承受轴向拉力能力.这样的预紧方式可以提高预紧力的控制精度.机构采用拉伸方式施加预紧力，而不是力矩拧紧螺母，所以机构占用空间小.

用于提供拉伸力的液压拉伸器油压计算公式如下:

式中:ΔL为螺栓的伸长量，L为螺栓长度，AH为活塞截面积，A为螺栓平均截面积，E为弹性模量.

2.3 拉伸拧紧机构工作原理

拉伸拧紧机构是法兰螺栓连接的最后一步，起到拉伸螺栓并最终拧紧螺母的作用，机构如图3所示.基本工作原理是:拉轴前端为螺纹孔，可以拧入螺栓;拉轴后端也有螺纹，通过联轴器与增压缸连接，增压缸伸长施加拉伸力，实现螺栓的拉伸变形.扳手套筒与转轴座通过螺栓连接到一起，可以沿拉轴滑动.缓冲补偿装置可以实现扳手套筒的缓冲，并给扳手套筒存放的螺母一个初始推力.液压马达带动力矩施加机构上的齿轮，向扳手套筒施加拧紧力矩，实现螺母旋入螺栓.

图3 拉伸拧紧机构Fig.3 Stretch tightening machanism

3 法兰连接工作过程运动学分析

深海管道法兰连接机具工作过程的数学描述［8-9］如下:深海管道法兰连接机具定位到待连接管道，螺栓库与螺母库一起转动θ2角，与管道法兰孔对齐，保证螺栓的轴心与法兰孔轴心具有一定对齐精度;将螺栓插入法兰孔，螺栓库携带螺栓移动d1;法兰另一侧的螺母库携带螺母旋入螺栓，再由拉伸拧紧机构完成法兰的螺栓连接.运动学分析按照下关节设置D-H法，法兰连接机具的运动学模型坐标系见图4，参考坐标系{R}中x轴垂直向下，z轴为固定法兰一侧的管道轴心并且指向管道.O0经过内框架轨道;活动法兰平面与轨道的交点为O1;O2为活动法兰的中心.单个拉伸拧紧机构坐标系设为{T}.

图4 深海管道法兰连接机具的坐标系建立Fig.4 Coordinate system of DFCT

法兰连接机具各连杆参数见表1.

表1 D-H参数表Table 1 D-H parameters

根据表1的参数，可得各个连杆变换矩阵:

描述管道和拉伸拧紧机构的联系，拉伸拧紧机构{T}相对于参考系{R}的位姿公式为

其中，

则可以求出拉伸拧紧机构的位姿公式:

式中:θ2=w2t，d1=v1t.w2为内框架的转动角速度，v1为螺栓库的移动速度.

4 法兰连接机具多体动力学分析

4.1 多体动力学模型的建立

深海管道法兰连接机具多体动力学分析采用ADAMS软件，软件求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法建立系统动力学方程，对拉伸拧紧机构虚拟机械系统进行动力学分析［10-11］.机构在Pro/E软件中建模，定义模型刚体及添加相应的关节约束后，通过MECH/PRO接口软件，将三维模型导入到ADAMS中进行多体动力学分析.深海管道法兰连接机具由16个拉伸拧紧机构组成.通过16个增压缸拉动拉轴将螺栓预先拉伸，然后扳手套筒带动螺母拧入螺栓.考虑到简化原则，模型将16个拉伸拧紧机构简化为一个，简化几何模型如图5所示.

图5 拉伸拧紧机构几何模型Fig.5 Geometric model of stretch tightening machanism

4.2 仿真结果

拉轴拉伸单个螺栓的端部位移如图6所示.由图6结果，螺栓端部位移是垫片压缩的变形和螺栓拉长变形的叠加，为0.288 mm.实际上，该段距离由很多种复杂因素所致，包括法兰的变形等等.这里只考虑两个重要的因素，即螺栓和垫片的变形.

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

扳手套筒转速如图7，启动阶段螺栓没有拧入螺母，当螺母接触到螺栓的时候，由于冲击的存在有个微小波动;当拉轴接触到螺栓的时候也有一个波动;当贴紧法兰端面的时候，是一个速度由恒定值迅速变化到零的过程.扳手的旋转速度为600 r/min，折合成 3 600(°)/s，波峰为 3 595.31(°)/s.

拉伸拧紧机构从拉伸螺栓到扳手套筒进给的过程中，拉轴的拉伸螺栓过程是一个力和位移的关系，扳手套筒是一个趋于恒定速度的间隙性轴向进给运动.通过考虑主要因素忽略次要因素，机构动力学分析结果的运动规律基本与理论预期相符.

图7 扳手套筒最前端转速Fig.7 The front-end speed of wench

5 结论

通过深海管道法兰连接机具的设计与仿真分析，可以得出以下结论:

1)拉伸拧紧机构设计采用拉伸预紧方式，使得拉伸过程中螺栓不受剪切应力，提高了螺栓轴向抗拉伸能力，可以提高预紧力的控制精度;

2)对机具工作过程的数学描述和运动学分析，可以为深海管道法兰连接机具的液压控制系统进一步设计提供理论依据;

3)通过机具多体动力学分析，仿真结果的运动规律与理论预期基本相符，机构设计合理.

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