采油树扭转工具设计(附件)【字数:12533】

针对水下采油树水下作业的特点,配合水下ROV机器人设计一种采油树阀门扭转工具,实现水下作业自动化。该工具具有大扭矩输出,质量轻,防腐,防洋流冲击等特点,既满足立式采油树的结构要求又兼顾卧式采油树的特殊要求,换卸方便,制造简单。同时,该工具装有非接触式传感器,实时检测扭转工具工作状况,针对出现的事故能够及时预警,方便维修。此外,对于海洋工作环境,采用液压装置提供动力源,安全易实现,用不锈钢加防腐镀层材料,抵抗海水腐蚀,最大限度提高扭转工具海洋工作寿命,从而延长整个水下系统生命周期。在产品设计时,尽量使用市面上已经成熟的机械部件,在提高产品质量的同时,减少研发周期,便于大规模批量生产。对于主要零部件,采用分析优化的方法,极力在满足产品功能的基础上减少材料的消耗,进而实现重量的最轻化,结构最优化。关键字采油树;扭转工具;结构设计。
目录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2国内外现状 2
1.3存在问题 4
1.4本章小结 4
第二章 扭转工具总体方案 5
2.1采油树扭转工具功能介绍 5
2.2采油树扭转工具设计要求 5
2.3采油树扭转工具方案设定 5
2.4本章小结 6
第三章 扭转工具的设计与计算 7
3.1材料选择 7
3.1.1输出轴材料的选择 7
3.1.2 传递轴材料的选择 8
3.1.3其它材料的选择 8
3.2动力的选择 9
3.2.1 动力的选择原则 9
3.2.2液压马达的特性 10
3.2.3 液压马达的结构 13
3.3 减速器的选择 14
3.3.1 减速器的选择原则 14
3.3.2 行星减速器的选型 14
3.3.3减速器输出轴的设计 15
3.3.4 减速器输出轴的应力分析 19
3.4液压缸的选择 20
3.4.1液压缸的选择 20
3.4.2液压杆的设计 21
3.5张开装置的设计 21
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6 传感器的选择和安装 22
3.7传动轴的设计 25
3.8密封装置的设计 29
3.9总体设计三维造型 30
3.10本章小结 31
第四章 扭转工具的运动仿真 32
4.1张开装置的运动仿真 32
4.2 主要传动件的运动仿真 33
4.3本章小结 34
总结 35
致谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1研究背景
迄今为止,世界上已经探明的油气资源大都分布在大陆浅滩或超深海域,这些资源能储惊人,陆地资源总量很难望其项背。根据有关调研报告显示,海洋能源储量远远超过陆地能源储量,约是陆地能源的一百多倍[1]。虽然海洋蕴藏巨大的石油气能源,但令人遗憾的是,由于海下作业技术的不成熟甚至是空缺,只能让资源日渐枯竭的一众国家“望洋兴叹”。随着社会科学技术的发展,能源急剧消耗,各国对石油气资源的渴求日益增加,人类对海下石油气资源开采的决心日渐坚毅,向海洋资源集聚的深海进军已成必然趋势。
在我国,南海作为我国海洋领土不可分割的一部分,其水下3000米以下蕴藏着丰富的石油资源[2]。作为已探明的四大海洋能源源聚地之一,南海石油气储量占我国现已发现能源储量的半壁江山。我国目前正处于社会主义初级阶段,社会亟待发展,而南海蕴藏的石油气将是我国工业发展的强大后盾。然而,作为一个发展中国家,我们在科学技术领域与发达国家还有一定的差距,对于南海的开发还缺少一些技术上的支撑。令人惊喜的是,我国在深水钻采技术上已投入巨大的科研资源,发展南海,发展深海钻井技术及研发相关设备,我们势在必行。
作为水下生产系统的骨架,采油树在海洋钻井平台开采油气过程中的地位不言而喻。令人遗憾的是,虽然我国目前已投入很大的人力物力,但还是不具备采油树关键技术的自主产权。对采油树的认识还停留在理论层面,与之相关的配套开发还受外国技术掣肘,构建真正中国制造的水下系统任重道远。
对于很多发达国家,工业的发展已实现了从传统资源消耗型到依靠技术发展的转变。经过长期的科学研究,他们已经具备相对成熟的采油树系统开发设计技术,无论在采油树功能实现上,还是环境要求上都实现了巨大的进展。由于国家之间的技术垄断,我国很难直接借鉴与采油树相关设备设计有关的文献。采油树扭转工具作为采油树工作系统的“管家”,在水下生产系统的设计中作用不可小觑。因为面临水下采油树扭转工具的材料,结构,控制和密封等设计难题的挑战,目前生产研究正处于起步阶段。
采油树水下生产系统需要与外部有交流的功能,以便实现信息互换和能源输出,需要安排一些阀口充当沟通渠道。扭转工具就是以水下ROV机器人为载体,实现扭转工具与阀口的对接,通过扭转工具的旋转实现阀口阀门的开,关以及管道流量的控制。水下ROV机器人是能够潜入水下执行一系列任务,不仅是阀门操作,还能执行维修任务,针对水下系统不同的维修需求通常需要携带一些工具进入水中进行管道的回接及零部件的更换[3]。
1.2国内外现状
从世界上第一台海上钻井平台问世以来,世界各国纷纷效仿,加入到海洋石油发掘中来。随着这方面研究的逐渐深入,开采范围逐渐由浅滩向大海深处扩展,相关水下系统的安装也向深海处进发,对此相关产品研发的难度也越来越大。水下油井开发的难度与工作海域的深度成正比,下面是水域的分类[4]:
(1)海水的深度不超过200m,属于浅水区水下油井开发。
(2)海水深在200m1500m之间,属于深水区水下油井开发。
(3)海水深超过1500m,属于超深水区水下油井开发。
发展深水油气田等水下系统的关键技术是我国“十一五”期间就拟定的计划。而在“十二五”期间我国再一次强调了海洋自主开发的必要性,提高海洋开发技术,实现海洋资源切实运用到实际生产中去,不仅是技术的胜利,也是国家的胜利。随着我国首个海洋钻井平台的搭建,我国深水油气开发正式提上日程,相关配套设备的研发制造迫在眉睫。

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