水下管道法兰快速对接定位技术应用

水下管道法兰快速对接定位技术应用

作者：苗青

来源：《装饰装修天地》2015年第09期

摘要：本文结合烟台开发区大季家污水处理厂深海排放工程海域管道施工，对水下管道法兰快速对接定位技术进行了研究分析对比，最终决定利用法兰盘顶部的螺栓孔设计安装羊角定位装置，从而实现管道法兰水下快速定位对接的初稳状态与自动对正功能，保证法兰螺栓孔基本对应，螺栓穿插顺利，达到法兰快速定位对接目的，提高管道水下法兰连接效率，法兰对接密封效果良好，达到预期效果。

关键词：管道法兰水下对接;羊角限位装置;快速定位;自动修正;达到预期效果 一、课题研究内容

管道水下安装方案较多，常用的有铺管船法，浮拖法，底拖法，吊装法等，本文结合厂家、现场实际情况，拟采用二艘起重船吊装法进行管道安装，为解决管道对接初期法兰不稳现象，拟采用限位模式进行临时固定。 二、水下管道法兰对接定位方案

本着能够为管道法兰水下对接提供有效的初稳平台，又可以方便的调整因法兰加工安装误差、吊装误差带来的螺栓孔错位现象。将法兰对接限位装置设在了顶端，采用单轴定位模式，充分利用法兰螺栓孔来固定限位装置，在已安装管道端头法兰盘上设置羊角板限位装置，在待安装管道端头法兰上设置定位轴装置，通过定位轴搭接限位羊角，实现法兰水平对接支撑，法兰螺栓孔自动找正，加快法兰螺栓连接效率。具体如下图：

图1 管道顶端设置羊角限位装置简图 优点是：

1.采用顶端单轴定位，防止法兰摆动形成初稳平台，即不占用潜水员操作空间，也有利于提高安全保证;

2.充分利用法兰螺栓孔，采用组合连接固定，拆装方便、灵活，对管道与法兰无损伤，成品保护到位;

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3.可以实现法兰螺栓孔自动找正，如遇加工偏差，可以支撑轴为圆心通过绕绳找正，便于纠偏，提高工效。 缺点是;

1.由于装置增加了拆装灵活性，安装时顶丝拧不紧受碰撞羊角易掉落;

2.单轴定位增加了定位轴的承重力，在钢度不足的情况下，后部支撑及定位轴易变形，拆除困难。

三、方案工艺原理

1.管道法兰水下对接影响因素分析及预防

管道水下法兰对接连接较陆上连接影响因素更多，易受潮位涨跌、波浪影响、吊物重心转换对船舶平衡影响、管道安装基床平整度与坡度比影响等使法兰水下对接难度加大，造成的后果主要是稳定性差，易摆动，法兰易张口，螺栓孔不易对准，增加连接难度的同时存在安全隐患，为降低法兰水下对接的客观影响因素，可采取以下措施加以预防：

1.1加大定位船舶的选型与吊装设备的选型，使吊物重心转换对船舶平衡影响降到最低，以消除管道在吊装时晃动带来的危害;

1.2选择合适的作业时机，风、浪、流影响较小时作业，保证设备安全。同时加强垫层基础控制，保证偏差不大于管道挠度允许偏差。

1.3加强法兰加工与焊接时质量监控，派人驻厂监督，保证法兰螺栓孔轴心对应。 1.4解决法兰水下对接失稳问题，加快法兰快速自动找正，尽可能的降低法兰螺栓孔轴线偏差，提高对接效率，也就是本文重点研究解决的定位技术。 2.管道法兰水下快速定位对接装置原理

采用法兰顶端加设羊角限位装置的管道法兰水下快速定位对接技术主要应用以下原理进行设计。

2.1利用天平原理，利用待安装管道法兰顶部两个螺栓孔为支点，通过定位板设置定位轴搭接已安装管道法兰限位羊角，与定位轴末端顶丝对管道外壁支撑形成反作用平衡，确保对接法兰顶部标高水平，为螺栓轴心标高统一提供条件。

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2.2利用垂球原理，限位羊角设置在已安装管道法兰中心垂线上，待安装管道法兰定位轴与管道吊点同轴，定位轴搭接后，吊机吊力降低，管道利用自重在定位轴的下自动修正对中，为螺栓对穿提供有利条件。

2.3利用同轴原理调整因法兰加工、焊接偏差带来的已安装管道法兰与待安装管道法兰螺栓孔错位问题，以定位轴为轴心，利用调整索在吊点位置固定，施加外力后使法兰绕定位轴旋转调整螺栓孔轴心位置，为螺栓全面穿插连接提供保障。 3.工艺流程

定位装置设计加工→定位装置陆上安装→管道法兰水下对接定位→螺栓孔位纠偏→穿插螺栓紧固→定位装置拆除重复利用 4.操作要点 1.定位装置设计加工

结合现场实际情况，定位装置需要多次重复利用，为便于潜水员水下拆卸与安装，定位精确、牢固。定位装置在设计时主要考虑以下几方面的因素： 1.1定位装置具有足够的强度与刚度，能够满足管道安装要求。 1.2定位装置安装灵活，定位准确。

1.3定位装置安装后固定牢固可靠，对管道法兰无损害。 1.4定位装置具有易纠偏调整工能。

综合以上因素，我们在考虑定位装置时通过采取以下措施来保证限位装置的适用性，利用法兰预留螺栓孔设置定位插销精确限位，在限位板后面管道方向上加设反向作用杆与顶丝，保证定位插销不脱出。同样固定限位轴的定位板亦通过螺栓定位插销与法兰螺栓孔固定，定位轴穿过定位板后在尾部设置反向顶丝进行固定，通过调节顶丝的反向作用力保证定位装置与法兰连接可靠，拆装灵活且对法兰无损害。定位轴采用圆形钢管制作，可以定位轴为转轴调整因法兰加工焊接产生的偏差错位现象，保证定位装置的适用性满足要求。具体如下图所示; 图2 管道顶端设置羊角限位装置对接图 定位装置受力核算：

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考虑安装时吊机一直保持吊扶状态，定位轴受力按5t考虑，外伸搭接长度250mm。 ①定位轴壁厚计算 [πHπLgsinh4πdL]

将定位轴取外径D=100mm，内径d=75mm圆钢管进行验算： 弯应力计算： ;[3.14*0.63.14*659.81sinh4*3.14*4.565] 由[fh容=±30L]满足要求。 剪应力计算：

[S=3.14×（D2-d2）/4=3434.375mm2]

由[σ=FS=14.559N/mm2<210N/mm2]满足要求。

综上选择外径D=100mm，内径d=75mm圆钢管作为定位轴满足要求。 ②固定顶丝螺杆计算 螺杆直径计算：

[F=10T=100KN=10×104NFS<210N/mmS=∏D24D>4F∏×210=24.629mm] 故取螺杆直径D=25mm圆钢螺杆。 螺杆下衬垫钢板厚度计算： [δ>FD=19.334mm] 故取钢板厚度为20mm。 ③定位法兰螺杆数量计算：

固定采用法兰对接螺栓孔，单个孔承受最大力： [F=3.14×422/4×125=173093N=17.3T>10T]

经计算单个螺口固定已满足要求，采用2个螺口固定完全满足受力要求。

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④定位板背面顶丝连接管计算： [F=10T=100KN=10×104N] [L=122mm]

[M=F×L=1.22×107N.mm]

将连接管选择与限位轴相同材料，取外径D=100mm，内径d=75mm圆钢钢管进行验算： 弯应力计算： ;[w=3.14×D3/32×（1-（d/D）4）=67077.63672mm3] 由[σ=Mw=1.81.879N/mm2<210N/mm2]满足要求。 剪应力计算： ;[S=3.14×（D2-d2）/4=3434.375mm2] 由[σ=FS=29.117N/mm2<210N/mm2]满足要求。

综上计算选择外径D=100mm，内径d=75mm圆钢钢管作为连接管满足要求。

定位装置加工分成两大部分，一是已安装法兰上安装的限位羊角装置，该装置主要由两块斜向定限位板组成，每块限位板上焊接两个螺栓孔插销，插销尺寸不超过法兰螺栓孔尺寸，在反方向焊接反作用杆与顶丝，使用时顶丝反作用于管道外壁上，使反作用杆与插销共同作用于管道法兰上达到固定目的。

另一部分为待安装管道法兰上安装的定位轴，该部分由定位板，定位轴，螺栓孔插销，顶丝4部分组成。

定位装置委托专业钢结构加工厂家加工制作，要求斜向挡板与定位板均采用数控机床成型，保证插销位置准确并与法兰螺栓孔位对应，插销采用圆钢车铣成型，定位插销直径应与螺栓直径相仿，表面光滑。定位插销的焊接需在现场安装到法兰上后进行试点焊，确保拆装顺利后再进行满焊固定。 2.定位装置陆上安装

法兰定位装置在管道吊放入水前由起重工人分别安装至管道端头法兰上，定位轴安装于第二节待安装管道对接法兰上，先将定位板安装到法兰上，然后再将定位轴穿过定位板中心孔，定位轴伸出法兰外面200mm长度，拧紧定位轴尾部的顶丝，使顶丝作用于管道外壁上，反作用于法兰螺栓孔固定定位板与定位轴，要求定位轴头部稍微向下倾斜，以保证管道法兰对接时能够保持顶弧面平齐，如下图1.4-3。限位羊角安装到第一节管道末端法兰上，以法兰与吊点

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位置中心线为准，使斜向挡板上的两个定位插销插入螺栓孔内，拧紧背面的顶丝，使顶丝作用于管道外壁上，利用反作用力固定挡板，达到固定目的。 3.管道法兰水下对接定位

先将第一节带羊角限位装置的管道按设计要求安装到位，检查满足设计要求后吊装第二节管道开始第一对法兰的水下对接施工，将法兰对接定位轴安装到第二节管段待连接法兰上，起重工指挥吊机吊起管段沉放入水，通过预拴在第一节管段末端上的浮标及船舷侧的定位桩将管段沉放到底，然后潜水员下水指挥吊机将第二节管道靠向已安装管道，通过定位轴与羊角限位板的共同限位作用，使管道法兰自动对齐找正，调整吊机吊杆角度，使法兰对接紧密，潜水员水下用定位锥穿插螺栓孔检查法兰螺栓孔是否对正。 4.螺栓孔位纠偏

受法兰加工精度及法兰与管道焊接时控制精度的影响，法兰对正后有可能会出现微小偏差，导致螺栓穿插失败，此时应采取措施对法兰螺栓孔进行纠偏处理，鉴于定位装置在设计时采用圆形定位轴，可以考虑以此为支点与转动轴对法兰螺栓孔进行纠偏处理。将纠偏钢丝绳拴到管道吊点上，沿调整方向反向绕管道壁一周后引至水面卷扬机上，启动卷扬机收紧钢丝绳，带动管道绕定位轴进行小幅转动，潜水员水下用定位插锥随时检查法兰螺栓孔对拉情况，一旦合适立即将定位锥插入螺栓孔内，完成螺栓孔的纠偏。 5.螺栓连接紧固处理

通过定位轴与定位锥的共同作用，保持管道法兰螺栓孔位的稳定对中，潜水员迅速将螺栓穿插入螺栓孔内，带上丝帽后按设定顺序进行螺栓的紧固施工。除定位装置后的4根螺栓外其余螺栓全部带上螺母后准备将定位装置进行拆除。 6.定位装置的拆除

定位装置的拆除顺序为先将定位轴背面的顶丝放松，如带劲较大时可以用板手协助，或指挥吊机轻微活动管道，顶丝卸开后，先将定位轴抽出限位羊角板，然后人工将定位板拆离法兰，指挥水面人员将定位轴拉到定位船上。然后再进一步拆除限位羊角板，将每块斜向挡板的顶丝松开后，将斜向挡板上的插销脱出法兰螺栓孔后拉到定位船上，然后安装至下一节管道法兰上循环利用。

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