基于復合形法的提管架夾緊機構優化設計

楊 磊，于 爽，段夢蘭

基于復合形法的提管架夾緊機構優化設計

楊 磊1，于 爽2，段夢蘭1

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.中海油田服務股份有限公司 鉆井裝備建造管理項目組，河北 燕郊065201）

海底管道在鋪設和使用期間可能會發生泄漏、屈曲或災難性的破壞。對損壞的海底管道進行應急維修時，要用提管架將管道提離海床，為使用其他維修設備進行維修提供作業空間。管道夾緊機構是提管架的重要機構，采用復合形法對管道夾緊機構進行優化計算，根據優化對象建立了優化數學模型；確定設計變量，建立了目標函數；建立了以不等式形式給出的約束條件；應用Matlab編寫優化程序，迭代求得最優解。

提管架；夾緊機構；優化設計；復合形法

管道是目前海洋石油運輸的主要工具。深水海底管線在安裝、運行中可能受海流、波浪的沖刷及介質腐蝕，油氣運輸過程中管道產生振動以及過往船舶的落物、錨、拖網的撞擊等因素的影響，發生結構變形或管線損壞，從而影響生產甚至造成巨大經濟損失，促使了深水海底管線維修系統（DPRS，包括維修技術、工具和設備、方案及系統管理等）的研究與發展［1］。DPR主要由Sonsub、Stress Subsea、Oil States、Oceaneering、Statoil Hydro等公司研究開發，在管線維修方面有著成熟的方案和系列化、標準化的維修工具及設備。

海底管道的常用維修方法有夾具維修、海底維修、海上提管維修、海底維修與海上提管維修相結合的方法或者重新鋪設管道［2-4］等。

對于深水管道維修，常用到夾具維修和海底維修。前一種適合于管道發生小泄漏時的維修；后一種適合于短管道更換的維修。這2種維修方法都需要將管道提離海床，因此提管架（Pipeline Life Frame，簡稱PLF）是海底管道維修不可或缺的設備。

夾緊機構是提管架最重要的組成部分，它不僅要實現夾緊松開功能，還要有自鎖功能，防止提升過程中管道松脫。在滿足功能和強度要求的前提下，對夾緊機構進行優化設計，能提高產品質量、降低制造成本、減少結構尺寸。

1 提管架的功能與結構

1.1 功能

提管架主要作用是將破損的管道提離海床并保持一定高度，為其他維修作業機具提供作業空間，作業完成后將管道放回海床［5］。

深水維修作業通常使用ROV（Remote Operated Vehicle）輔助其他設備進行作業。提管架通過維修船舶上的吊機和絞車下放入水，在ROV的引導下到達作業地點。由于受海流、海底視野差、遠程操控精度等因素的影響，提管架下放位置與管道軸線位置有誤差。ROV通過快插接頭與提管架控制面板連接為其提供液壓源，ROV操控提管架橫向移動和轉動機構將夾緊機構調整到合適的位置，夾緊管道；ROV操作垂向移動機構將管道提升。保持管道的提升高度，進行維修作業。維修完畢后，下放管道，回收提管架。

1.2 整體結構

不同廠家生產的提管架在結構上有所差異，但基本功能相同。本文針對作者自主設計的深水提管架進行優化設計。該提管架提升管道直徑203.2～304.8 mm（8～12英寸）、最大提升高度2.44 m（8英尺），整體結構如圖1所示。該提管架有1個靈活的夾緊機構，它有轉動、橫向移動功能，能夠方便地調整夾子到合適的夾持位置。提管架的垂向移動機構實現管道的提升運動；轉動機構可以使夾子繞垂線轉動一定的角度；橫向移動機構可以使夾子在中垂面附近移動；伸縮式套筒液壓缸使夾子在垂直方向移動。

圖1 提管架整體結構

1.3 夾緊機構

提管架夾緊機構簡稱夾子，由2個大液壓缸、4個小液壓缸（前面與后面各2個）、4個小滑塊、2個對稱的爪子和夾子基座組成，如圖2所示。

圖2 夾子夾持原理

2個大液壓缸用于推動爪子抱緊管道，4個小液壓缸用于推動小滑塊鎖住爪子，使其維持在夾緊狀態。夾子的動作是提管架的主要運動，它與提管架的工作時序相關，故夾緊動作順序是：首先保證夾子處于打開狀態→下放夾子→調整到合適的位置→合攏爪子夾緊管道→提升管道到一定高度→維修→下放夾子→打開夾子。其打開與夾緊的過程如圖3所示。

鎖緊原理如圖4，用黑色圓圈標出小滑塊伸出的位置。小滑塊嵌在基座上所開的滑槽上，夾子合攏后，小滑塊才由小液壓缸推動沿滑槽滑出，卡住爪子，將提升力傳遞到基座上。

圖3 夾子打開與夾緊過程示意

圖4 夾子鎖緊原理

2 夾緊機構的優化設計

2.1 數學模型的建立

夾緊機構是提管架的重要承載機構。在滿足強度條件下，對提管架各機構進行優化設計，可以減少結構總體質量，降低制造成本。夾緊機構由于提升管道尺寸和功能的限制，對其垂直截面尺寸優化意義不大。但是對夾緊機構的水平截面進行優化，例如基座的壁厚及與旋轉機構相連接的內螺紋直徑，可以減輕機構質量。設計變量、目標函數和約束條件是組成優化設計數學模型的3個要素。

2.1.1 設計變量的確定

提管架通過中心螺紋孔與轉動機構相連，螺紋承受所有的提升力及夾子自重。根據設計時提供的數據，管道的最大提升力為100 k N，綜合考慮海底高壓低溫及海流等的影響，工況系數取2.0，則設計載荷為200 k N。以螺紋公稱直徑和基座最小壁厚為設計變量，如圖5所示。

圖5 設計變量

2.1.2 目標函數的確定

對于此優化問題，希望減輕夾子的總體質量。液壓缸為選型采購，不在優化范圍內。夾子的主要質量集中在基座、爪子和爪子銷軸上，質量與所選材料密度、物體體積有關。設計時考慮到45調質鋼的良好綜合性能，選用此材料來加工基座、爪子和爪子銷軸。材料確定則目標函數可表示為夾子的體積。為了滿足夾子的功能要求，不更改如圖4所示的截面尺寸。由于其他尺寸不變，要使夾子的體積最小，則它的頂部截面最小，則可以以此作為目標函數。頂面截面由1個矩形減去1個圓組成，則目標函數為

2.1.3 約束條件的確定

在選取約束條件時應當避免出現相互矛盾的約束，盡量減少不必要的約束。不必要的約束不僅增加優化設計的計算量，而且可能使可行域縮小，影響優化結果［6］。

所設計的提管架用于深海中（水深1 500 m），考慮到海水的腐蝕性，在設計時要加入腐蝕余量，取腐蝕余量3 mm。選用45鋼為提管架主要材料，其屈服應力為σs＝353 MPa，σb＝598 MPa。由機械設計手冊中查得，45鋼的屈服應力與強度極限之比為0.59，對應的最小許用安全系數是1.4～1.8。由于海洋環境的復雜性，載荷和應力計算不準確，故在最小許用安全系數的選擇上加大20%～50%。在最小許用安全系數的基礎上增加20%，故取安全系數S＝1.8。以屈服極限作為極限應力，則

對于一般的塑性材料，其剪切應力極限為0.6～0.8倍的極限正應力。選擇中間值0.7，則

1） 幾何約束條件。

由圖5可以看出，夾子的壁厚不能小于液壓缸支座寬度，則

螺紋孔徑不能與液壓缸支座干涉，則

由設計參數爪子厚度大于45 mm，所選液壓缸厚度為35 mm，為滿足裝配要求，則

2） 螺紋強度約束條件。

對于此夾子優化問題，螺紋應滿足強度要求。夾子基座的截面形狀比較復雜，下面進行簡化計算。與基座相配合的螺紋柱是1個環形圓柱，壁厚10 mm；此螺紋柱的外徑為D1，內徑D2＝D1－0.02，螺紋危險截面拉伸應力為

式中：F′為螺紋所受軸向力，即設計載荷。

扭轉剪應力為

根據第四強度理論，有

考慮螺紋的應力集中，45鋼的螺紋應力集中系數為K＝1.9。故螺紋的最大應力為

要滿足強度要求，則

由式（5）～ （9），代入D1和D2，螺紋中徑升角φ＝2°30′，當量摩擦角ρv＝8°32′，考慮3 mm的腐蝕余量，則螺紋公稱直徑D≈D1≥45.8 mm。

3） 截面抗拉強度約束條件。

此截面壁厚不均勻，壁厚最小的地方容易出現破壞，故將其簡化為1個外徑為D＋2d、內徑為D的圓環；如果它能滿足抗拉強度要求，則此截面也能滿足要求。

簡化截面積為

截面應力為

由上述兩式并考慮3 mm的腐蝕余量，得

對于式（12），d隨著D的增大而減小，將D的最小值45.8 mm代入此式，得d≥9.2 mm。

綜上所述，用x1代替螺紋公稱直徑D，用x2代替基座最小壁厚d，得到提管架夾緊機構優化設計的數學模型為

求最最優值X*＝［x*1，x*2］，使

2.2 復合形法優化原理

復合形法是在單純形法的基礎上發展起來的。它的基本思想是在可行域內構造n＋1～2n（n為設計變量的個數）個頂點，比較各頂點的函數值，從函數值的大小可以判斷函數變化的大致趨勢，丟掉最壞點，代之以好點，構成新的復合形，然后逐步逼近最優點［6］。

2.3 復合形法優化過程

1） 對于優化數學模型，由約束條件g（X）構成的可行域，有2個設計變量x1（螺紋公稱直徑）和x2（基座最小壁厚）。在可行域內隨機生成初始頂點，利用計算機隨機生成其他3個頂點。這4個頂點構成至少有2個線性獨立的矢量。當隨機構造的點不在可行域內時，可以用收縮的方法靠近形心點，公式為［3］

式中：X（sc）為在可行域內所有點的形心；X（s＋1）′為不在可行域的點；X（s＋1）為新構造點。

循環使用式（12）計算，直到其他3個隨機生成的頂點在可行域內為止。

2） 計算復合形各頂點的函數值，找出最壞點、次壞點、最好點。除去最壞點，再計算新的形心，如果在可行域內，進行反射計算，計算公式為［3］

式中：X（r）為反射點；X（c）為可行域內除最壞點以外的形心；X（h）為最壞點；α為反射系數，初始值一般為1.3。

如果形心不在可行域內，則以最好點為起點，形心為終點重新利用偽隨機數產生新的復合形。

3） 計算反射點和最壞點的目標函數值。如果f（X（r））＜f（X（h））則用反射點替換最壞點，反之將反射系數減半，利用式（13）重新計算反射點，再進行比較。如果反射系數過小，則用次壞點代換最壞點進行反射計算。

4） 計算各點目標函數值與最好點之差的均方根，并與給定誤差比較。如果大于誤差，則重復步驟2～3。如果小于誤差，迭代終止，最好點即為最優解。

2.4 優化程序的編制與計算過程

本文采用Matlab進行編程，根據第2.3節的復合形法優化過程，其程序流程［6］如圖6所示。

根據程序流程圖編寫了3個函數：復合形法主程序Complex M（）；目標函數myfun（x）；點是否在 可行域內的判斷函數fok（）。

圖6 復合形法程序流程

程序初始數據為：頂點數k＝4，設計變量數n＝2，誤差er＝0.000 001，反射系數初始值arf＝1.3，反射系數最小值kse＝0.01。在Matlab工作空間輸入［XMin，f Min］＝ Complex M（），回車運行即可。程序運行結果如圖7所示。

圖7 程序計算結果

2.5 計算結果的分析

如圖7所示，同一個程序，2次計算過程生成的隨機點不同，誤差不同，優化計算步數也不同，但結果相同。最優點均為X*＝［106.6 9.2］，即螺紋孔直徑為106.6 mm，基座壁厚為9.2 mm。最優點正好在邊界g（X）＝x1＋2x2－125≥0上。目標函數、約束函數均是凸函數，只有1個全域約束最小點，此點經常出現在邊界上，因此計算結果可靠。

目標函數最小值f（X*）＝3.607 5×104。提管架初始設計尺寸螺紋孔直徑為120 mm，基座壁厚為20 mm，截面積為f（X0）＝4.629 0×104。優化結果截面積減少22%。從而提管架夾緊機構質量可減少1／5左右。

3 結論

1） 在考慮海洋工況和腐蝕余量的情況下，利用復合形法，對提管架的夾緊機構頂截面進行了優化計算。使用隨機生成的初始點，經多次計算驗證，得到相同的最優解，計算結果可靠。

2） 對提管架夾緊機構頂截面進行了優化計算，模型上做了合理的簡化，所得的最優解有一定參考價值。如果要對提管架整體進行優化，需要對各部分進行合理化分，分別進行優化，最后得到最優解。

3） 復合形法程序實現簡單，計算效率高，計算結果可靠。復合形法適合于尺寸、強度等約束條件以不等式給出的機械結構優化設計，應用前景廣泛。

［1］ 梁富浩，李愛華，張永祥，等.深水海底管線維修系統研究進展及有關問題探討［J］.中國海上油氣，2009，21（5）：352-357.

［2］ Rob Martin，INTEC Engineering，Joseph Killeen，BP A-merica，Inc.Bruce Chandler，INTEC Engineering .Mardi Gras Deepwater Pipeline Repair System ［R］.2004，OTC 16635.

［3］ Rebello A，Ayers R，Stress Subsea.A Low-Capex Deepwater Pipeline Repair System for the Gulf of Mexico［R］.2006，OTC 17772.

［4］ 張劍波，袁超紅.海底管道檢測與維修技術［J］.石油礦場機械，2005，34（5）：6-10.

［5］ Killeen J，Taconis T，Whipple J，Chandler B.Large diameter deepwater pipeline repair system ［G］.DOT，2006.

［6］ 梁尚明，殷國富.現代機械優化設計方法［M］.北京：化學工業出版社，2005：102-107.

［7］ 陳家慶，焦向東.水下破損管道維修技術及其相關問題［J］.石油礦場機械，2004，33（1）：33-3.

Optimization Design Research of PLF’s Clamping Mechanism Based on the Complex Method

YANG Lei1，YU Shuang2，DUAN Meng-lan1
（1.Of fshore Oil and Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2.Drilling Equipment Construction Management Project Team，COSL，Yanjiao 065201，China）

Subsea pipeline may happen leak，buckling or catastrophic failure during the laying and use period.In order to provide space for other repair tools，PLF is used to lift the pipe off bottom when repairing the damaged subsea pipeline.The application of the complex method in the pipe clamping mechanism optimization calculation is studied.According to the optimized object optimization，mathematical model is established and the design variables are determined.Objective function is established.As given in the forms of inequality constraint conditions are established.Then Matlab is used to write optimization program and obtain the iterative optimal solutions.

pipeline life frame；clamping mechanism；optimization design；complex method

TE973.8

A

1001-3482（2014）03-0037-06

2013-09-23

國家科技重大專項（2011ZX05027-005-001）；國家自然科學基金青年基金（51309235）

楊 磊（1987-），男，江西玉山人，碩士，主要從事海洋石油裝備的設計理論與方法研究，E-mail：yanglei1987120＠126.com。