深海油气管道法兰连接系统及样机实验研究
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摘要
随着我国对石油资源需求不断增长，在陆上油气资源大幅增加困难的情况下，开发海洋油气资源已成为保障我国能源安全的重要策略。海底输油气管道是海上油田水下生产系统的重要组成部分，为了满足海洋石油开发的需要，将进一步加大海底管道的铺设规模。海底管道水下连接技术是管道铺设技术的重要组成部分，该技术可用于开发边际油田、深水油田以及水下生产管道的维修等。在水下连接技术中，螺栓法兰式连接是一种应用广泛而高效的连接方式，由于深水区潜水员无法到达，只能通过自动法兰连接系统完成，目前国内并没有相关产品应用于工程实际，因此对其关键技术研究对促进该系统的国产化具有重要的现实意义。
本课题来源于十一五期间国家“863”重大专项《深水海底管道铺设技术》的子课题《深水海底管道水下回接技术及AUT检验设备国产化技术研究》。本文对海底管道水下连接方法和管道法兰连接系统的国内外发展现状进行了综述，对法兰连接系统设计中涉及的相关技术进行了介绍。借鉴国外相关产品的设计经验并结合国内实际条件，设计了法兰连接系统的总体技术方案，该方案包括管道粗调整H架，管道对接机具和法兰连接机具三个功能模块，分析了系统的作业流程，研究了其虚拟样机，轴向对准工具和法兰连接机具液压伺服控制系统。
首先，本文依据管道对接机具工作过程中轴向对准工具夹紧装置需要合适夹紧力的问题，分析了夹紧机构受力及结构参数对管道强度的影响，推导了管道的强度计算公式，建立了夹紧机构优化的数学模型，进行了改进的粒子群算法的夹紧机构单目标和多目标优化设计。
其次，针对法兰连接机具螺母库20个螺母引入机构马达较高的同步控制精度问题，通过对几种常用的闭环同步控制策略的分析，确定了一种基于最小相关轴控制思想的多个马达的相邻交叉耦合同步控制方案，建立了单通道阀控马达位置伺服系统的数学模型，采用新型指数趋近律的滑模控制方法，以四个马达同步系统为例进行仿真，验证了其同步控制性能。
再次，根据工程要求螺栓法兰连接结构中，各个螺栓具有合适及相等的预紧力问题，本文对常用的三种螺栓预紧力的计算方法进行对比分析，依据美国ASME新规范计算法兰连接螺栓所需预紧力，采用有限元和弹性相关性系数方法，对螺栓的预紧过程进行了数值模拟，得到了改善螺栓预紧力的一轮和两轮预紧方案，并开展了样机的实验研究。
最后，本文建立了法兰连接机具的实验台架，做了法兰连接机具系统调试实验，多个马达的同步控制实验，并采用管道底架来模拟H架，进行了管道法兰的陆上连接试验。
With China’s growing demand for oil resources and the difficulty of substantial increaseof onshore oil and gas resource,the development of marine oil and gas resources has becomean important strategy to ensure our energy security. Subsea oil and gas pipeline is animportant part of offshore oilfield subsea production system,in order to meet the need ofoffshore oil development,the laying scale of subsea pipeline will further increase. Subseapipeline underwater connection technology is an important part of the pipeline layingtechnology,which can be used to develop marginal oilfields,deepwater fields and mainten ofunderwater production pipeline. Among underwater connection technology,the bolt flangeconnection is a kind of widely used and effective way of connection, divers can not reach thedeepwater area,so it only can be done by automatic flange connection system,at present Chinadoesn’t have related products used in practical engineering,so research on its key technologyhas important practical significance to promote the localization of the system.
This project comes from the sub-topics of the Eleventh Five-Year national "863" majorprojects "deepwater pipeline laying technology",which is "deepwater subsea pipelineunderwater tie-ins technology and AUT inspection equipment localization technologyresearch ". In this paper,the domestic and foreign development situation of subsea pipelineunderwater connection method and pipe flange connection system are reviewed,andcorrelation technology involved in the design of the flange connection system is introduced.Learning from design experience of foreign related products and combining with the actualconditions,overall technical scheme of the flange connection system is designed whichincludes pipeline rough adjustment H frame,pipeline connection tool and flange connectiontool three functional modules,its operating process is analyzed,its virtual prototype and thehydraulic servo control system of the axial force and alignment tool and flange connectiontool are studied.
First of all,in accordance with the clamping device of the axial force and alignment toolneed appropriate clamping force problem during the work process of pipeline connectiontool,in this article,the force of clamping mechanism and its structure parameters’ influenceon strength of pipeline are analyzed,strength calculation formula of pipeline is deduced,clamping mechanism optimization mathematical model is established and its single objective and multi-objective optimization design are done based on an improved particle swarmalgorithm.
Secondly, aimming at the problem of20nut introduced mechanism motor highersynchronization control precision of the flange connection tool nut magazine,through theanalysis of several commonly used closed loop synchronous control strategy,multiple motoradjacent cross coupling synchronization control scheme based on the least relevant axiscontrol thought is determined,a single channel mathematical model of valve-controlled motorposition servo system is built,and simulation is done on four motor synchronization system asan example based on sliding mode control method with new exponential reaching law,thesynchronization control performance is verified.
Again,according to the engineering requirement that each bolt should has appropriateand equal preload in bolt flange connection structure,in this paper,comparative analysis isdone on the commonly used three kinds of preload calculation method,the U.S ASME newspecification is used for computing flange connecting bolt preload needed, the process of boltpreload is simulated by adopting the method of finite element and elastic coefficient ofcorrelation,the preloaded scheme that one round and two rounds which improving boltpreload is given,and experimental study of the prototype is carried.
Finally,experiment platform of the flange connection tool is established in the paper,the flange connection tool system debugging experiment and multiple motors synchronizationcontrol experiment are done,and pipeline flange onshore connection test is carried by usingpipeline chassis to simulate the H frame.
本课题来源于十一五期间国家“863”重大专项《深水海底管道铺设技术》的子课题《深水海底管道水下回接技术及AUT检验设备国产化技术研究》。本文对海底管道水下连接方法和管道法兰连接系统的国内外发展现状进行了综述，对法兰连接系统设计中涉及的相关技术进行了介绍。借鉴国外相关产品的设计经验并结合国内实际条件，设计了法兰连接系统的总体技术方案，该方案包括管道粗调整H架，管道对接机具和法兰连接机具三个功能模块，分析了系统的作业流程，研究了其虚拟样机，轴向对准工具和法兰连接机具液压伺服控制系统。
首先，本文依据管道对接机具工作过程中轴向对准工具夹紧装置需要合适夹紧力的问题，分析了夹紧机构受力及结构参数对管道强度的影响，推导了管道的强度计算公式，建立了夹紧机构优化的数学模型，进行了改进的粒子群算法的夹紧机构单目标和多目标优化设计。
其次，针对法兰连接机具螺母库20个螺母引入机构马达较高的同步控制精度问题，通过对几种常用的闭环同步控制策略的分析，确定了一种基于最小相关轴控制思想的多个马达的相邻交叉耦合同步控制方案，建立了单通道阀控马达位置伺服系统的数学模型，采用新型指数趋近律的滑模控制方法，以四个马达同步系统为例进行仿真，验证了其同步控制性能。
再次，根据工程要求螺栓法兰连接结构中，各个螺栓具有合适及相等的预紧力问题，本文对常用的三种螺栓预紧力的计算方法进行对比分析，依据美国ASME新规范计算法兰连接螺栓所需预紧力，采用有限元和弹性相关性系数方法，对螺栓的预紧过程进行了数值模拟，得到了改善螺栓预紧力的一轮和两轮预紧方案，并开展了样机的实验研究。
最后，本文建立了法兰连接机具的实验台架，做了法兰连接机具系统调试实验，多个马达的同步控制实验，并采用管道底架来模拟H架，进行了管道法兰的陆上连接试验。
With China’s growing demand for oil resources and the difficulty of substantial increaseof onshore oil and gas resource,the development of marine oil and gas resources has becomean important strategy to ensure our energy security. Subsea oil and gas pipeline is animportant part of offshore oilfield subsea production system,in order to meet the need ofoffshore oil development,the laying scale of subsea pipeline will further increase. Subseapipeline underwater connection technology is an important part of the pipeline layingtechnology,which can be used to develop marginal oilfields,deepwater fields and mainten ofunderwater production pipeline. Among underwater connection technology,the bolt flangeconnection is a kind of widely used and effective way of connection, divers can not reach thedeepwater area,so it only can be done by automatic flange connection system,at present Chinadoesn’t have related products used in practical engineering,so research on its key technologyhas important practical significance to promote the localization of the system.
This project comes from the sub-topics of the Eleventh Five-Year national "863" majorprojects "deepwater pipeline laying technology",which is "deepwater subsea pipelineunderwater tie-ins technology and AUT inspection equipment localization technologyresearch ". In this paper,the domestic and foreign development situation of subsea pipelineunderwater connection method and pipe flange connection system are reviewed,andcorrelation technology involved in the design of the flange connection system is introduced.Learning from design experience of foreign related products and combining with the actualconditions,overall technical scheme of the flange connection system is designed whichincludes pipeline rough adjustment H frame,pipeline connection tool and flange connectiontool three functional modules,its operating process is analyzed,its virtual prototype and thehydraulic servo control system of the axial force and alignment tool and flange connectiontool are studied.
First of all,in accordance with the clamping device of the axial force and alignment toolneed appropriate clamping force problem during the work process of pipeline connectiontool,in this article,the force of clamping mechanism and its structure parameters’ influenceon strength of pipeline are analyzed,strength calculation formula of pipeline is deduced,clamping mechanism optimization mathematical model is established and its single objective and multi-objective optimization design are done based on an improved particle swarmalgorithm.
Secondly, aimming at the problem of20nut introduced mechanism motor highersynchronization control precision of the flange connection tool nut magazine,through theanalysis of several commonly used closed loop synchronous control strategy,multiple motoradjacent cross coupling synchronization control scheme based on the least relevant axiscontrol thought is determined,a single channel mathematical model of valve-controlled motorposition servo system is built,and simulation is done on four motor synchronization system asan example based on sliding mode control method with new exponential reaching law,thesynchronization control performance is verified.
Again,according to the engineering requirement that each bolt should has appropriateand equal preload in bolt flange connection structure,in this paper,comparative analysis isdone on the commonly used three kinds of preload calculation method,the U.S ASME newspecification is used for computing flange connecting bolt preload needed, the process of boltpreload is simulated by adopting the method of finite element and elastic coefficient ofcorrelation,the preloaded scheme that one round and two rounds which improving boltpreload is given,and experimental study of the prototype is carried.
Finally,experiment platform of the flange connection tool is established in the paper,the flange connection tool system debugging experiment and multiple motors synchronizationcontrol experiment are done,and pipeline flange onshore connection test is carried by usingpipeline chassis to simulate the H frame.
引文
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