用于海洋平臺(tái)拆除的水下液壓剪升級(jí)改造

袁汝華，徐龍達(dá)，惠勝利，趙衛(wèi)東，彭 渤，白 勇

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.浙江大學(xué)，杭州310058）

0 引言

海上導(dǎo)管架平臺(tái)的設(shè)計(jì)壽命通常為15年～25年[1]，根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在未來(lái)幾年，將有大量的平臺(tái)退役，尤其到2020年，幾乎所有2002年以前建設(shè)的平臺(tái)，都將進(jìn)入廢棄階段。國(guó)際和國(guó)內(nèi)法律法規(guī)均規(guī)定，海上油氣田停止生產(chǎn)作業(yè)后，如果沒(méi)有其他用途或合理理由，石油平臺(tái)必須準(zhǔn)備退役和進(jìn)行拆除[2]。隨著相當(dāng)數(shù)量的海洋平臺(tái)接近或者超過(guò)服役年限,越來(lái)越多的廢棄平臺(tái)需要拆除[3]。廢棄平臺(tái)拆除將在我國(guó)形成一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)和巨大的市場(chǎng)，發(fā)展拆除技術(shù)和裝備已迫在眉睫[4]。

海洋平臺(tái)拆除施工，主要可分為：拆解、吊裝和運(yùn)輸3個(gè)環(huán)節(jié)[5]。海洋工程技術(shù)服務(wù)公司于2015年購(gòu)入美國(guó)GENESISGSS1500型液壓剪設(shè)備1套，該設(shè)備主要用于石油平臺(tái)上部組塊拆解，石油天然氣管道處理，海底管道處理，水下鋼結(jié)構(gòu)拆解，小型導(dǎo)管架拆解等。與傳統(tǒng)切割方式相比，液壓剪設(shè)備具有減少人工投入、減少對(duì)氧氣和乙炔的需求、大幅提高工具效率、減少安全事故發(fā)生、控制環(huán)境污染等優(yōu)勢(shì)[6]。

目前海洋工程技術(shù)服務(wù)公司的水下液壓剪僅用于水下切割，為了提高設(shè)備的利用效率，便于在船上或陸地為鋼材或管道進(jìn)行切割，現(xiàn)需要對(duì)水下液壓剪進(jìn)行兩方面的改造：1）為了便于將液壓剪安裝到挖掘機(jī)上，在液壓剪端部設(shè)計(jì)液壓旋轉(zhuǎn)接頭，靈活使用；2）為了便于在船上切割從海底打撈上來(lái)的廢棄海底管道，設(shè)計(jì)一個(gè)液壓移動(dòng)工裝，可以前后移動(dòng)液壓剪，主動(dòng)將管道吃入剪口。

1 水下液壓剪介紹

1.1 總體方案

液壓剪（別名鷹嘴剪），安裝于挖掘機(jī)上使用，使用單獨(dú)管路，可以360°旋轉(zhuǎn)。刀口設(shè)計(jì)有夾槽，鉗夾力強(qiáng)勁，便于夾不規(guī)則物料時(shí)行任意角度互換設(shè)計(jì)。此類(lèi)剪刀適用在不同的操作中，包括報(bào)廢汽車(chē)的拆解、鋼結(jié)構(gòu)的破拆、廢料鋼的處理等應(yīng)用中，能切割鐵制材料、鋼材、罐、管子等，具有高效運(yùn)作和強(qiáng)大的切割力。

目前，該設(shè)備使用時(shí)采用軟連接的方式進(jìn)行。需要施工船舶上配備吊機(jī)，吊機(jī)吊放液壓剪至切割位置進(jìn)行切割。

本論文主要是研究為該液壓剪設(shè)計(jì)一套旋轉(zhuǎn)連接機(jī)構(gòu)，使液壓剪在作業(yè)過(guò)程中可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作。另外設(shè)計(jì)并制造液壓剪移動(dòng)工裝，移動(dòng)距離至少為2 m，使液壓剪的頭部可以伸出，以便在水上進(jìn)行剪接作業(yè)。如圖1所示。

圖1 水下液壓剪

主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 液壓剪參數(shù)

1.2 液壓剪調(diào)研

國(guó)內(nèi)有不少液壓剪供應(yīng)商，但是均為陸地使用的產(chǎn)品，無(wú)法用于水下剪切。陸地液壓剪與挖掘機(jī)臂大部分均采用旋轉(zhuǎn)接頭連接。見(jiàn)圖2。

圖2 帶有旋轉(zhuǎn)接頭的液壓剪及旋轉(zhuǎn)接頭部件

陸地液壓剪上采用的旋轉(zhuǎn)頭，主要由上部接口、旋轉(zhuǎn)頭和液壓馬達(dá)組成[7]。

國(guó)外的水下液壓剪廠家主要包括：Genesis Subsea Shear（GSS）、James Fisher Offshore、Underwater Cutting Solutions（UCS）、Gulfstream Services Inc（GSI）等。液壓剪上設(shè)計(jì)多個(gè)吊點(diǎn)位置，便于液壓剪本體的懸掛方式作業(yè)，充分考慮水平切割、垂直切割和傾斜角度切割等工作狀態(tài)[6]。見(jiàn)圖3。

圖3 水下液壓剪吊裝方式

2 液壓剪移動(dòng)工裝設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

為滿足作業(yè)范圍和方便移動(dòng)，將液壓剪置于可移動(dòng)的平臺(tái)上，設(shè)計(jì)方案如圖4、表2所示。

圖4 移動(dòng)工裝設(shè)計(jì)方案

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 行走小車(chē)受力分析

液壓剪放置于行走小車(chē)上，小車(chē)直接承擔(dān)液壓剪的重力及工作載荷，下述為對(duì)關(guān)鍵零部件車(chē)輪、車(chē)架的計(jì)算說(shuō)明。

2.2.1車(chē)輪

滑輪增加了擋板防傾覆，不工作時(shí)，兩端用螺栓固定擋板，防止左右滑動(dòng)。部件8是防傾板，部件3是左右限位板。見(jiàn)圖5。

圖5 移動(dòng)工裝

車(chē)輪是移動(dòng)工裝的關(guān)鍵承重件，根據(jù)GB/T 3811《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，車(chē)輪應(yīng)根據(jù)等效工作輪壓進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校驗(yàn)計(jì)算，并根據(jù)最大輪壓進(jìn)行靜強(qiáng)度校驗(yàn)計(jì)算。

式中：K為與材料有關(guān)的許用線接觸應(yīng)力常數(shù)，鋼輪材料ZG270-500，取3.8；D為車(chē)輪直徑，180mm；L為車(chē)輪與軌道有效接觸長(zhǎng)度，57mm；C1為轉(zhuǎn)速系數(shù)，取0.82；C2為工作級(jí)別系數(shù)，取1.00。

疲勞強(qiáng)度校驗(yàn)Pc＜PL，強(qiáng)度校驗(yàn)合格；靜強(qiáng)度校驗(yàn)Pmax＜PS，式中PS＝1.9KDL＝74.077 kN，強(qiáng)度校驗(yàn)合格。

2.2.1剪切工況分析

剪切過(guò)程是由壓入變形和剪切滑移2個(gè)階段組成，剪切過(guò)程的實(shí)質(zhì)是材料塑性變形的過(guò)程。

1）壓入變形階段

當(dāng)上剪刃下移與鋼管接觸后，剪刃便開(kāi)始?jí)喝脘摴埽捎赑力在開(kāi)始階段比較小，在剪切斷面上產(chǎn)生的剪切力小于鋼管本身的抗剪能力，因此鋼板只能發(fā)生局部塑性變形。

2）過(guò)渡階段

當(dāng)剪刃壓入到一定深度，即力P增加到一定值時(shí)，鋼管的局部壓入變形阻力與剪切斷面的剪切力達(dá)到相等，剪切過(guò)程處于壓入變形階段過(guò)渡到剪切滑移階段的臨界狀態(tài)。

3）剪切滑移階段

當(dāng)剪切力大于鋼管本身的抗剪能力時(shí)，鋼管沿著剪切面產(chǎn)生相對(duì)滑移，開(kāi)始真正的剪切。在這個(gè)階段，由于剪切斷面不斷變小，剪切應(yīng)力也不斷變小，直至鋼管的整個(gè)斷面被剪斷為止，完成一個(gè)剪切過(guò)程。見(jiàn)圖6。

圖6 剪切原理

4）受力分析

當(dāng)剪刃壓入鋼管后，上下剪刃對(duì)鋼管的壓力P形成一力偶W，此力矩使鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)，但在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，將遇到剪刃側(cè)面的阻擋，即剪刃側(cè)面給鋼管以側(cè)推力T，則上下剪刃的側(cè)推力又構(gòu)成另一力偶Q，力圖阻止鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著刀片的逐漸壓入，鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)角度不斷增大，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度后便停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)兩個(gè)力矩平衡。

剪切時(shí)，除了產(chǎn)生剪切力P之外，對(duì)刀刃還將產(chǎn)生側(cè)向推力T

2.3 車(chē)架受力分析

液壓剪置于車(chē)架上，主要承擔(dān)液壓剪的重力與工作載荷。運(yùn)用通用有限元軟件ABAQUS對(duì)車(chē)架進(jìn)行仿真分析，有限元模型如圖7所示。

圖7 有限元模型

施加載荷及邊界：車(chē)架重力＋液壓剪載荷。見(jiàn)圖8和圖9。

圖8 應(yīng)力云圖

圖9 位移云圖

由圖8和圖9可知，最大應(yīng)力為225 MPa，出現(xiàn)在承載梁的中部，小于屈服應(yīng)力345 MPa，安全系數(shù)1.53，最大位移3.8mm。

2.4 吊裝分析

裝備液壓剪的移動(dòng)工裝需吊裝至船甲板，采用了4吊點(diǎn)方案。運(yùn)用通用有限元軟件ABAQUS對(duì)移動(dòng)工裝整體進(jìn)行仿真分析，有限元模型如圖10所示。

圖10 有限元模型

小車(chē)與液壓剪的載荷以輪壓的方式施加到鋼軌上。分析結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 應(yīng)力云圖

圖12 位移云圖

通過(guò)圖11和圖12可知，最大應(yīng)力為277.4 MPa，出現(xiàn)在承載梁的中部，小于屈服應(yīng)力345MPa，安全系數(shù)1.24，最大位移5.2mm。

3 液壓剪旋轉(zhuǎn)頭設(shè)計(jì)計(jì)算

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為焊件鋼構(gòu)件，由上部安裝座、下部安裝座兩部分螺栓連接而成。

上部安裝座底部通過(guò)螺栓組連接液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)軸承外圈，上部通過(guò)耳板和銷(xiāo)軸與工程機(jī)械安裝連接，上連接座中間安裝液壓滑環(huán)接頭，連接液壓剪剪切動(dòng)作油管管路。下部安裝座頂部通過(guò)螺栓組連接液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)圈，底部通過(guò)3個(gè)M 45螺栓組連接液壓剪。見(jiàn)圖13。

圖13 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.1 回轉(zhuǎn)支撐計(jì)算

回轉(zhuǎn)支承在使用過(guò)程中，一般要承受軸向力Fa，徑向力Fr以及傾覆力矩M的共同作用，對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，由于主機(jī)的工作方式及結(jié)構(gòu)型式不同，上述3種載荷的作用組合情況將有所變化，有時(shí)可能是兩種載荷的共同作用，有時(shí)也有可能僅僅是一個(gè)載荷的單獨(dú)作用。見(jiàn)圖14。

圖14 受力分析圖

許用動(dòng)態(tài)軸向力Fa＝234.43 kN

正常工作最大軸向力

式中：C1為動(dòng)態(tài)系數(shù)，取1.6。經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)max＝176 kN。

Fmax＜Fa，強(qiáng)度校驗(yàn)合格。

3.2 上部螺栓連接計(jì)算

上部安裝座底部通過(guò)螺栓組連接液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)軸承外圈，上部通過(guò)耳板和銷(xiāo)軸與工程機(jī)械安裝連接；銷(xiāo)軸不僅承受剪切力，而且需要承受彎矩。

銷(xiāo)軸剪切應(yīng)力

銷(xiāo)軸徑向力Ft

式中：G1為上、下部安裝座重量，kN；G2為回轉(zhuǎn)支承重量，kN；G3為液壓剪重量，kN。

銷(xiāo)軸截面積S

銷(xiāo)軸的許用剪切應(yīng)力，對(duì)于銷(xiāo)的常用材料，τP＝80MPa

銷(xiāo)軸最小直徑D

設(shè)計(jì)銷(xiāo)軸直徑D＝58mm。

銷(xiāo)軸彎曲應(yīng)力

式中：σbp為許用彎曲應(yīng)力，MPa，對(duì)于35#，45#，σbp＝120MPa～150MPa；d為銷(xiāo)軸直徑，mm；a、b為連桿頭尺寸，mm。

3.3 下部螺栓連接計(jì)算

下部安裝座頂部通過(guò)螺栓組連接液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)圈，底部通過(guò)3個(gè)M 45螺栓組連接液壓剪；螺栓組不僅承受軸向力，而且需要承受扭轉(zhuǎn)剪切力。

強(qiáng)度校驗(yàn)合格。

每個(gè)螺栓所受剪切力

式中：L為螺栓孔到中心距離，277.5mm。

式中：Kf為可靠系數(shù)1.2～1.5，取1.35；μ為涂敷鋅漆0.4～0.5，取0.45；FY為螺栓預(yù)緊力，543 kN。

4 結(jié)論

我國(guó)在平臺(tái)拆除領(lǐng)域有巨大的市場(chǎng)需求，對(duì)平臺(tái)拆除裝置進(jìn)行升級(jí)改造迫在眉睫。本文首先對(duì)液壓剪的液壓旋轉(zhuǎn)接頭和移動(dòng)工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而對(duì)液壓旋轉(zhuǎn)接頭和移動(dòng)工裝進(jìn)行計(jì)算和有限元分析。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算和分析，驗(yàn)證了水下液壓剪升級(jí)改造部分結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，能夠提高設(shè)備的利用率，節(jié)約勞動(dòng)強(qiáng)度和時(shí)間。