1、本科毕业设计I管道法兰卡爪连接器结构设计毕业论文摘 要海洋油气资源开发是海洋资源开发的一个重要方面，而海底输油气管道是油气资源开发的关键设施之一，海底管道回接技术又是水下生产系统的关键所在，主要应用于水下系统海底平台间软管与硬管的连接。国外海洋大国的海底回接技术飞速发展，而我国还没有完善的深水海底的回接施工技术体系。课题内容源于国家863计划项目“深水海底管道水下回接技术”的一部分，主要目的是研制具有自主知识产权的管道法兰卡爪连接器。本文介绍了国外发展比较成熟的几种连接器形式和海管回接工艺过程，对管道法兰卡爪连接器实际工作原理和回接过程进行了阐述和分析。根据课题的实际要求提出了管道法兰卡爪连接
2、器的整体设计方案和回接方式。依据美标中对卡箍的设计标准进行分析计算，结合国内石油行业管件的使用标准，再结合实际海况设计要求，利用三维软件Pro/E设计出一套管道卡爪法兰连接机具，包括卡爪连接机构的设计和对接引导装置的设计。关键词：海管回接技术 卡箍设计 卡爪连接器本科毕业设计IIABSTRACTOffshore oil and gas exploration is one of the important aspects of the marine resources exploitation，and the undersea oil and gas pipeline is the key f
3、acility to exploit oil and gas resourcesTherefore，submarine pipeline tie-back technolog ywhich used to connect the flexible pipe or the rigid pipe is the basic point of Underwater Production SystemThe submarine pipeline tie-back technology hasrevealed a rapid development in some Ocean States， wherea
4、s there is still a blank in this field in Our countryThe research subject comes from the project“The study of offshore pipeline connection technology in deepwater”，which is a part of the national“863”programThe purpose of the thesis is to R&D vertical claw flange connector of offshore pipeline with
5、independent intellectual property rightFirst，based on research of the development status of the submarine pipeline connection technology in the worldwide，this paper focuses on several mature connection forms and means of pipeline tie-back technology from overseas as well as describes the actual work
6、 theory of vertical jaw connector,and analyses the Process of connection Based on the actual needs of the subject，the general scheme and tie-back mod of the equipment is introducedSecond,the analysis and calculation about the clamp mechanism is executed based on American standardBased on the pipe fi
7、ttings standard in domestic oil industry and the design requirements for the actual sea state，the structure design of the equipment is performed with 3D design software of Pro/E，which consists of mechanism design of the jaw connector and alignment device-oriented institutionsKey words：Offshore Pipel
8、ine Connection Technology；Clamp Design；Claw Connector本科毕业设计目 录中文摘要 .I英文摘要 .II第 1 章 绪论 .11.1 引言 .112 课题的背景和意义 .213 国内外海底管道连接技术发展概述 .2131 国外海底管道连接技术发展概况 .2132 国内海底管道连接技术发展概况 .614 课题的来源及研究目的和意义 .615 设计主要研究内容 .7第 2 章 管道法兰卡爪连接器整体方案 .821 引言 .822 管道法兰卡爪机具设计要求及实现的功能 .8221 卡爪机具的设计要求 .8222 卡爪连接器实现的功能 .923 管道法
9、兰卡爪机具回接过程分析 .9231 管道法兰卡爪机具工作原理 .10232 管道法兰卡爪连接器回接过程分析 .112.4 管道法兰卡爪机具总体方案设计 .122.4.1 卡爪机具的回接方案 .12242 卡爪连接器作业过程 .1425 本章小结 .15第 3 章 管道法兰卡爪连接器结构设计 .1631 引言 .1632 回接管道设计 .1633 卡箍法兰设计 .1834 垂直式卡爪回接机具的结构设计 .26341 总体结构概括 .26342 卡爪连接器设计 .28343 对接引导装置结构设计 .3035 本章小结 .31本科毕业设计结束语 .32参考文献 .33致谢 .34本科毕业设计1第1章
10、 绪论1.1 引言石油是一种重要能源和优质化工原料、是关系国计民生的重要战略物资，石油工业国民经济的重要基础产业。进入21世纪以来，深水油气开发已成为世界石油工业的热点和科技创新的前沿。世界海洋石油资源量占全球石油资源总量34，全球海洋石油蕴藏量约1000多亿吨，其中已探明的储量约为380亿吨。目前全球已有100多个国家在进行海上石油勘探其中对深海进行勘探的有50多个国家。随着深水油气勘探开发的不断深入，深水油气探明储量和产量不断增加，所占比重越来越大。尽管不同机构和个人对深水区发现储量的估计相差较大，但截止2002年底已有的资料均表明，深水区已发现的油储量至少为580X 108桶油当量。经预
11、测至2015年深水区的石油占世界海洋石油的25。当前世界三大深水勘探热点地区分别是巴西近海、美国墨西哥湾和西非沿海，世界深水钻探活动84都集中在这里，其储量占据了全球深水储量的88。近几年全球不断取得深水油气重大发现，对全球新增探明储量和提高产量起到了主要作用。20世纪70年代末期，开始开发世界深水油气勘探，当时只能在水深数百米的水域进行油气勘探活动，20世纪90年代发展到水深2000m，至今已能在超过3000m深的水域进行油气勘探。目前，世界最大水深钻探纪录为2003年墨西哥湾Toledol号井创造的3050m 。1若从1956年莺歌海油苗调查算起，我国海洋石油工业已经走过了近50年的发展历
12、程。我国海洋石油工业实现了从合作开发到自主开发的技术突破的标志，是1982年中国海洋石总公司的成立，当时具备了自主开发水深200m以内海上油气田的技术能力，海上油气田建成投产了45个。国家海洋局海洋发展战略研究所课题组发布的海洋发展战略称，至U2010年我国海洋油产量将超过5000万吨，海洋原油生产将进入高速发展期。与国外先进技术存在很大差距截至2004年底，国外深水钻探的最大水深为3095m，我国为505m：国外已开发油气田的最大水深为2192m，我国为333m：国外铺管最大水深为2202m，我国为330m 。我国深水油气田开发面临的最大挑战则是技术上的2巨大差距，因此关键所在就是实现深水技
13、术的跨越发展。我国南海具有丰富的油气资源和天然气水合物资源，石油地质储量约为230亿300亿吨，占我国油气总资源量的三分之一，其970蕴藏于深海区域 ,目前我国的深海石油作业项目基本上依托国34外的技术和装备实现，受到国外公司的垄断，只有少数几个国家手中掌握此项技术，且引进中存在极大的技术壁垒。同时，这些技术往往又是制约整体技术发展甚至产业发展的瓶颈技术。在国家863计划的支持下，正在建设深水油气田开发公用技术平台。本科毕业设计212 课题的背景和意义我国海洋油气勘探开发技术走过了一条引进、消化吸收国外技术、国际合作、自主研发的道路。随“九五”和“十五”国家863计划海洋资源开发技术主题研究课
14、题的完成，海洋油气资源勘探开发也采用一批具有国际先进水平的高技术成果应用其中并取得明显效益。目前近海油气勘探开发技术体系已初步建立起了，基本具备了一定的深水油气勘探开发技术基础 。513 国内外海底管道连接技术发展概述目前，全世界已有2300多套水下生产设施、204座深水平台运行在全世界各大海域，最大工作水深张力腿平台(TLP)已达到1434m、SPAR为2073m、浮式生产储油装置(FPSO)为1900m、多功能半潜式平台达到1920m以上、水下作业机器人(ROV)超过3000m，采用水下生产技术开发的油气田最大水深为2192m，最大钻探水深为3095m。恶劣海况和复杂海底地貌及地质情况下的
15、回接设计技术，开发了一系列海底作业的施工技术方法，并已形成产品化和系列化。我国油气资源开发当前仍处在200m水深以下的近海海域，目前已经具备了300米水深以内的海洋油田自主开发能力，深水海域油气资源仍处在勘探开发的萌芽。131 国外海底管道连接技术发展概况海底管道连接步骤包括：短管尺寸测试、制作、降低、对准、回接、密封测试。此项技术在国外发展比较成熟，其中以美国和挪威为代表的一些公司已经拥有一整套的水下作业系统工具，并在世界上各个海域得到广泛应用。下面连接器类型和海底管道回接方法两方面说明海底管道连接技术发展现状。（1）连接器种类1)螺栓法兰连接器螺栓法兰连接器是由旋转环法兰和对焊颈法兰组成，
16、见图11。其主要特点是：带有螺栓孔的旋转法兰外圈可以转动；在两配合法兰间开有凹槽，通过压缩金属密封件，实现密封；经济成本较低。2001年美国Stolt Offshore公司研制出MATIS系统，已成功采用此种连接器应用于海底管道回接。本科毕业设计31. 螺栓 2.螺母 3.旋转环 4.旋转环法 5.管子6.密封环 7.对焊颈法兰 8.管子与法兰焊接图1.1 螺栓法兰连接器剖视图2)卡箍连接器卡箍连接器是由上下管接头法兰和带螺栓螺母的卡箍组成，见图12所示。夹紧连接需要的螺栓螺母数较少，一般只需要24个。连接轴线在每个管道的末端，其上放置两个被螺栓连接的半圆形的夹子，当紧固螺栓时，夹子的凹槽使螺
17、栓张紧时产生的正交力转化为管道的轴向力，从而使管道合拢。其特点是：快速连接；结构轻易：对准精度高；相对于螺栓螺母连接器费用偏高，广泛应用于无潜连接。美国FMC公司己成功应用此项技术在深水管道连接当中。1.螺栓 2.卡箍 3.螺母 4.管接头法兰图1.2 卡箍连接器剖视图3)Morgrip机械连接器，Morgrip机械连接器是由无焊缝、整体性的机械法兰构成，见图13所示。待回接的管道间分别布置轴承式法兰，在管接头内侧安装一整套带弹簧的球轴承，密封圈镶嵌在其中。通过双头螺栓压紧，推动球轴承顶到法兰外壁，所获得的机械夹紧力压缩凹槽内的密封圈压靠在法兰外壁上，实现密封。美国Hydratight Swe
18、eney Ltd公司研制的Morgrip机械连接器比螺栓法兰连接器价格高，但它安装方便，节省工期。本科毕业设计41.张紧螺栓 2.密封件 3.球轴承 4.弹簧图1.3 快速接头示意图4)夹具连接器夹具连接器是基于对2分段钳拧在一起围绕两个中心，如图14所示，此连接器包括一个两片分段夹具的设计。其特点适合大口径，低压力横向连接的应用，美国FMC公司已经把此项技术标准化。1.钳夹 2.锁紧件 3.杆轴承 4.夹住图1.4 夹具连机器示意图5)卡爪连接器卡爪式法兰连接器是用一组置于被连接管道末端轮毂圆周上的夹头连接管道，见图15。筒夹绕枢轴移动，卡爪锁在毂的边缘。作用在毂上的筒夹力还供给金属环密封能
19、量，将轴向力施加到毂面上。美国Oil States公司研制的无人液压卡爪式法兰连接器常用于海底生产系统的最终连接及管道维修。本科毕业设计51.轮毂 2.卡爪 3.套筒图1.5 卡爪连接器示意图（2）海底管道回接方法1)水下焊接常用的水下焊接有湿式焊接、局部干式焊接、干式焊接和摩擦焊接等。前两种在40m水深以下适用范围广，而干式焊接多用在500m水深条件下，并且辅助一个高压焊接密封仓，当潜水员施焊时，随时需要提供潜水员呼吸氧气及排烟工作。英国的Stolt Comex Seaway Ltd公司在1986首次将环形轨道自动焊接用于水下高压仓焊接，借助ROV利用子系统进行作业，同时由潜水员辅助完成。对
20、于500m甚至1000m以上水深的状况，最具深水应用前景的是英国Cranfield大学研究表明MIG焊接(GMA焊接)，当年在挪威Statoil公司进行了实际710m水深的无潜高压焊接 。62)水下机械连接在浅水一般由潜水员回接，目前潜水650m为极限水深；而深水情况，采用无潜回接的远程系统，借助于ROV在整个回接过程的控制和操作，这样既降低了成本，还确保了人员安全。有潜机械连接：由潜水员测量距离和角度偏差，借以来确定回接需要的刚性或柔性短管尺寸。通常都是将短管预制好，安装在船上，将其降低投发到海底，对准与需要回接的管道，然后由潜水员锁紧螺栓和螺母。最常用的机械连接器有螺栓法兰连接器、卡箍连接
21、器和Morgrip机械连接器。无潜机械连接：美国Sonsub公司研制出标准组件的管道拉入、对准及连接系统BRUTUS，由ROV安装及操纵，主要连接器是卡爪式连接器、卡箍连接器、螺栓法兰连接器和Morgrip机械连接器。2000年在挪威StatoilNomeHeidrun项目中成功采用BRUTUS系统，实现了对水下400m水深，直径400mm管道进行了Taper-Lok螺栓法兰连接器回接。2001年美国的StoltOffshore公司研制出标准组件高级回接系统MATIS，能够实现3000m、直径120600mm深水管道回接 。 6美国Oilstates Hydro Tech公司研制的无潜卡爪连接
22、器组件，借助ROV的辅助引导本科毕业设计6仅由简单的起重作业就可实现海底管道之间的垂直硬管跳接，如图16所示。此外在铺设管道时，首先进行卡爪式法兰连接器与接收器的粗对准，然后借助ROV转动铰链到水平状态实现水平回接，为在海底管道铺设方式提供新的起点。如图17所示。美国Oil States公司运用此项技术成功进行了水深396m640m的回接。图1.6 硬管跳接示意图图1.7 垂直引导锥绞接示意图132 国内海底管道连接技术发展概况我国1500米海底管道回接仍处在萌芽期，还没有完整的回接设备，主要回接方式还是租赁国外公司回接设备来完成。管道回接在海中500米以内的，多采取潜水员的直接操作方式来实现海底管道的回接。国内则通常采用将整套管材在船上连接成形，然后将成套设备两端密封住，最后将整套设备拉入海中，借助整套设备的浮力把回接机具拖到指定位置，再将管线头两端打开灌水沉于海中，起重机将整套设备下放预定位置使管线头下落到基槽内实现对接 。7814 课题的来源及研究目的和意义本课题源于国家“863”项目，是中国海洋石油工程公司承接的项目水下分离器及其相关技术研究当中水下连接器技术研究的子项目。
