用于海洋平臺拆除的水下液壓剪升級改造

袁汝華，徐龍達，惠勝利，趙衛東，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，杭州310058）

0 引言

海上導管架平臺的設計壽命通常為15年～25年[1]，根據資料統計，在未來幾年，將有大量的平臺退役，尤其到2020年，幾乎所有2002年以前建設的平臺，都將進入廢棄階段。國際和國內法律法規均規定，海上油氣田停止生產作業后，如果沒有其他用途或合理理由，石油平臺必須準備退役和進行拆除[2]。隨著相當數量的海洋平臺接近或者超過服役年限,越來越多的廢棄平臺需要拆除[3]。廢棄平臺拆除將在我國形成一個新的產業和巨大的市場，發展拆除技術和裝備已迫在眉睫[4]。

海洋平臺拆除施工，主要可分為：拆解、吊裝和運輸3個環節[5]。海洋工程技術服務公司于2015年購入美國GENESISGSS1500型液壓剪設備1套，該設備主要用于石油平臺上部組塊拆解，石油天然氣管道處理，海底管道處理，水下鋼結構拆解，小型導管架拆解等。與傳統切割方式相比，液壓剪設備具有減少人工投入、減少對氧氣和乙炔的需求、大幅提高工具效率、減少安全事故發生、控制環境污染等優勢[6]。

目前海洋工程技術服務公司的水下液壓剪僅用于水下切割，為了提高設備的利用效率，便于在船上或陸地為鋼材或管道進行切割，現需要對水下液壓剪進行兩方面的改造：1）為了便于將液壓剪安裝到挖掘機上，在液壓剪端部設計液壓旋轉接頭，靈活使用；2）為了便于在船上切割從海底打撈上來的廢棄海底管道，設計一個液壓移動工裝，可以前后移動液壓剪，主動將管道吃入剪口。

1 水下液壓剪介紹

1.1 總體方案

液壓剪（別名鷹嘴剪），安裝于挖掘機上使用，使用單獨管路，可以360°旋轉。刀口設計有夾槽，鉗夾力強勁，便于夾不規則物料時行任意角度互換設計。此類剪刀適用在不同的操作中，包括報廢汽車的拆解、鋼結構的破拆、廢料鋼的處理等應用中，能切割鐵制材料、鋼材、罐、管子等，具有高效運作和強大的切割力。

目前，該設備使用時采用軟連接的方式進行。需要施工船舶上配備吊機，吊機吊放液壓剪至切割位置進行切割。

本論文主要是研究為該液壓剪設計一套旋轉連接機構，使液壓剪在作業過程中可進行旋轉操作。另外設計并制造液壓剪移動工裝，移動距離至少為2 m，使液壓剪的頭部可以伸出，以便在水上進行剪接作業。如圖1所示。

圖1 水下液壓剪

主要技術參數如表1所示。

表1 液壓剪參數

1.2 液壓剪調研

國內有不少液壓剪供應商，但是均為陸地使用的產品，無法用于水下剪切。陸地液壓剪與挖掘機臂大部分均采用旋轉接頭連接。見圖2。

圖2 帶有旋轉接頭的液壓剪及旋轉接頭部件

陸地液壓剪上采用的旋轉頭，主要由上部接口、旋轉頭和液壓馬達組成[7]。

國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。液壓剪上設計多個吊點位置，便于液壓剪本體的懸掛方式作業，充分考慮水平切割、垂直切割和傾斜角度切割等工作狀態[6]。見圖3。

圖3 水下液壓剪吊裝方式

2 液壓剪移動工裝設計計算

2.1 總體設計方案

為滿足作業范圍和方便移動，將液壓剪置于可移動的平臺上，設計方案如圖4、表2所示。

圖4 移動工裝設計方案

表2 設計參數

2.2 行走小車受力分析

液壓剪放置于行走小車上，小車直接承擔液壓剪的重力及工作載荷，下述為對關鍵零部件車輪、車架的計算說明。

2.2.1車輪

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

圖5 移動工裝

車輪是移動工裝的關鍵承重件，根據GB/T 3811《起重機設計規范》，車輪應根據等效工作輪壓進行疲勞強度校驗計算，并根據最大輪壓進行靜強度校驗計算。

式中：K為與材料有關的許用線接觸應力常數，鋼輪材料ZG270-500，取3.8；D為車輪直徑，180mm；L為車輪與軌道有效接觸長度，57mm；C1為轉速系數，取0.82；C2為工作級別系數，取1.00。

疲勞強度校驗Pc＜PL，強度校驗合格；靜強度校驗Pmax＜PS，式中PS＝1.9KDL＝74.077 kN，強度校驗合格。

2.2.1剪切工況分析

剪切過程是由壓入變形和剪切滑移2個階段組成，剪切過程的實質是材料塑性變形的過程。

1）壓入變形階段

當上剪刃下移與鋼管接觸后，剪刃便開始壓入鋼管，由于P力在開始階段比較小，在剪切斷面上產生的剪切力小于鋼管本身的抗剪能力，因此鋼板只能發生局部塑性變形。

2）過渡階段

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

3）剪切滑移階段

當剪切力大于鋼管本身的抗剪能力時，鋼管沿著剪切面產生相對滑移，開始真正的剪切。在這個階段，由于剪切斷面不斷變小，剪切應力也不斷變小，直至鋼管的整個斷面被剪斷為止，完成一個剪切過程。見圖6。

圖6 剪切原理

4）受力分析

當剪刃壓入鋼管后，上下剪刃對鋼管的壓力P形成一力偶W，此力矩使鋼管轉動，但在轉動過程中，將遇到剪刃側面的阻擋，即剪刃側面給鋼管以側推力T，則上下剪刃的側推力又構成另一力偶Q，力圖阻止鋼管轉動。隨著刀片的逐漸壓入，鋼管轉動角度不斷增大，當轉過一個角度后便停止轉動，此時兩個力矩平衡。

剪切時，除了產生剪切力P之外，對刀刃還將產生側向推力T

2.3 車架受力分析

液壓剪置于車架上，主要承擔液壓剪的重力與工作載荷。運用通用有限元軟件ABAQUS對車架進行仿真分析，有限元模型如圖7所示。

圖7 有限元模型

施加載荷及邊界：車架重力＋液壓剪載荷。見圖8和圖9。

圖8 應力云圖

圖9 位移云圖

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

2.4 吊裝分析

裝備液壓剪的移動工裝需吊裝至船甲板，采用了4吊點方案。運用通用有限元軟件ABAQUS對移動工裝整體進行仿真分析，有限元模型如圖10所示。

圖10 有限元模型

小車與液壓剪的載荷以輪壓的方式施加到鋼軌上。分析結果如圖11和圖12所示。

圖11 應力云圖

圖12 位移云圖

通過圖11和圖12可知，最大應力為277.4 MPa，出現在承載梁的中部，小于屈服應力345MPa，安全系數1.24，最大位移5.2mm。

3 液壓剪旋轉頭設計計算

回轉機構為焊件鋼構件，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螺栓組連接液壓馬達驅動回轉軸承外圈，上部通過耳板和銷軸與工程機械安裝連接，上連接座中間安裝液壓滑環接頭，連接液壓剪剪切動作油管管路。下部安裝座頂部通過螺栓組連接液壓馬達驅動回轉軸承內圈，底部通過3個M 45螺栓組連接液壓剪。見圖13。

圖13 回轉機構設計方案

3.1 回轉支撐計算

回轉支承在使用過程中，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，對不同的應用場合，由于主機的工作方式及結構型式不同，上述3種載荷的作用組合情況將有所變化，有時可能是兩種載荷的共同作用，有時也有可能僅僅是一個載荷的單獨作用。見圖14。

圖14 受力分析圖

許用動態軸向力Fa＝234.43 kN

正常工作最大軸向力

式中：C1為動態系數，取1.6。經計算，Fmax＝176 kN。

Fmax＜Fa，強度校驗合格。

3.2 上部螺栓連接計算

上部安裝座底部通過螺栓組連接液壓馬達驅動回轉軸承外圈，上部通過耳板和銷軸與工程機械安裝連接；銷軸不僅承受剪切力，而且需要承受彎矩。

銷軸剪切應力

銷軸徑向力Ft

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

銷軸截面積S

銷軸的許用剪切應力，對于銷的常用材料，τP＝80MPa

銷軸最小直徑D

設計銷軸直徑D＝58mm。

銷軸彎曲應力

式中：σbp為許用彎曲應力，MPa，對于35#，45#，σbp＝120MPa～150MPa；d為銷軸直徑，mm；a、b為連桿頭尺寸，mm。

3.3 下部螺栓連接計算

下部安裝座頂部通過螺栓組連接液壓馬達驅動回轉軸承內圈，底部通過3個M 45螺栓組連接液壓剪；螺栓組不僅承受軸向力，而且需要承受扭轉剪切力。

強度校驗合格。

每個螺栓所受剪切力

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為螺栓預緊力，543 kN。

4 結論

我國在平臺拆除領域有巨大的市場需求，對平臺拆除裝置進行升級改造迫在眉睫。本文首先對液壓剪的液壓旋轉接頭和移動工裝進行設計，進而對液壓旋轉接頭和移動工裝進行計算和有限元分析。通過設計計算和分析，驗證了水下液壓剪升級改造部分結構滿足設計要求，能夠提高設備的利用率，節約勞動強度和時間。