用于海洋平台拆除的水下液压剪升级改造

袁汝华，徐龙达，惠胜利，赵卫东，彭 渤，白 勇

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

0 引言

海上导管架平台的设计寿命通常为15年～25年[1]，根据资料统计，在未来几年，将有大量的平台退役，尤其到2020年，几乎所有2002年以前建设的平台，都将进入废弃阶段。国际和国内法律法规均规定，海上油气田停止生产作业后，如果没有其他用途或合理理由，石油平台必须准备退役和进行拆除[2]。随着相当数量的海洋平台接近或者超过服役年限,越来越多的废弃平台需要拆除[3]。废弃平台拆除将在我国形成一个新的产业和巨大的市场，发展拆除技术和装备已迫在眉睫[4]。

海洋平台拆除施工，主要可分为：拆解、吊装和运输3个环节[5]。海洋工程技术服务公司于2015年购入美国GENESISGSS1500型液压剪设备1套，该设备主要用于石油平台上部组块拆解，石油天然气管道处理，海底管道处理，水下钢结构拆解，小型导管架拆解等。与传统切割方式相比，液压剪设备具有减少人工投入、减少对氧气和乙炔的需求、大幅提高工具效率、减少安全事故发生、控制环境污染等优势[6]。

目前海洋工程技术服务公司的水下液压剪仅用于水下切割，为了提高设备的利用效率，便于在船上或陆地为钢材或管道进行切割，现需要对水下液压剪进行两方面的改造：1）为了便于将液压剪安装到挖掘机上，在液压剪端部设计液压旋转接头，灵活使用；2）为了便于在船上切割从海底打捞上来的废弃海底管道，设计一个液压移动工装，可以前后移动液压剪，主动将管道吃入剪口。

1 水下液压剪介绍

1.1 总体方案

液压剪（别名鹰嘴剪），安装于挖掘机上使用，使用单独管路，可以360°旋转。刀口设计有夹槽，钳夹力强劲，便于夹不规则物料时行任意角度互换设计。此类剪刀适用在不同的操作中，包括报废汽车的拆解、钢结构的破拆、废料钢的处理等应用中，能切割铁制材料、钢材、罐、管子等，具有高效运作和强大的切割力。

目前，该设备使用时采用软连接的方式进行。需要施工船舶上配备吊机，吊机吊放液压剪至切割位置进行切割。

本论文主要是研究为该液压剪设计一套旋转连接机构，使液压剪在作业过程中可进行旋转操作。另外设计并制造液压剪移动工装，移动距离至少为2 m，使液压剪的头部可以伸出，以便在水上进行剪接作业。如图1所示。

图1 水下液压剪

主要技术参数如表1所示。

表1 液压剪参数

1.2 液压剪调研

国内有不少液压剪供应商，但是均为陆地使用的产品，无法用于水下剪切。陆地液压剪与挖掘机臂大部分均采用旋转接头连接。见图2。

图2 带有旋转接头的液压剪及旋转接头部件

陆地液压剪上采用的旋转头，主要由上部接口、旋转头和液压马达组成[7]。

国外的水下液压剪厂家主要包括：Genesis Subsea Shear（GSS）、James Fisher Offshore、Underwater Cutting Solutions（UCS）、Gulfstream Services Inc（GSI）等。液压剪上设计多个吊点位置，便于液压剪本体的悬挂方式作业，充分考虑水平切割、垂直切割和倾斜角度切割等工作状态[6]。见图3。

图3 水下液压剪吊装方式

2 液压剪移动工装设计计算

2.1 总体设计方案

为满足作业范围和方便移动，将液压剪置于可移动的平台上，设计方案如图4、表2所示。

图4 移动工装设计方案

表2 设计参数

2.2 行走小车受力分析

液压剪放置于行走小车上，小车直接承担液压剪的重力及工作载荷，下述为对关键零部件车轮、车架的计算说明。

2.2.1车轮

滑轮增加了挡板防倾覆，不工作时，两端用螺栓固定挡板，防止左右滑动。部件8是防倾板，部件3是左右限位板。见图5。

图5 移动工装

车轮是移动工装的关键承重件，根据GB/T 3811《起重机设计规范》，车轮应根据等效工作轮压进行疲劳强度校验计算，并根据最大轮压进行静强度校验计算。

式中：K为与材料有关的许用线接触应力常数，钢轮材料ZG270-500，取3.8；D为车轮直径，180mm；L为车轮与轨道有效接触长度，57mm；C1为转速系数，取0.82；C2为工作级别系数，取1.00。

疲劳强度校验Pc＜PL，强度校验合格；静强度校验Pmax＜PS，式中PS＝1.9KDL＝74.077 kN，强度校验合格。

2.2.1剪切工况分析

剪切过程是由压入变形和剪切滑移2个阶段组成，剪切过程的实质是材料塑性变形的过程。

1）压入变形阶段

当上剪刃下移与钢管接触后，剪刃便开始压入钢管，由于P力在开始阶段比较小，在剪切断面上产生的剪切力小于钢管本身的抗剪能力，因此钢板只能发生局部塑性变形。

2）过渡阶段

当剪刃压入到一定深度，即力P增加到一定值时，钢管的局部压入变形阻力与剪切断面的剪切力达到相等，剪切过程处于压入变形阶段过渡到剪切滑移阶段的临界状态。

3）剪切滑移阶段

当剪切力大于钢管本身的抗剪能力时，钢管沿着剪切面产生相对滑移，开始真正的剪切。在这个阶段，由于剪切断面不断变小，剪切应力也不断变小，直至钢管的整个断面被剪断为止，完成一个剪切过程。见图6。

图6 剪切原理

4）受力分析

当剪刃压入钢管后，上下剪刃对钢管的压力P形成一力偶W，此力矩使钢管转动，但在转动过程中，将遇到剪刃侧面的阻挡，即剪刃侧面给钢管以侧推力T，则上下剪刃的侧推力又构成另一力偶Q，力图阻止钢管转动。随着刀片的逐渐压入，钢管转动角度不断增大，当转过一个角度后便停止转动，此时两个力矩平衡。

剪切时，除了产生剪切力P之外，对刀刃还将产生侧向推力T

2.3 车架受力分析

液压剪置于车架上，主要承担液压剪的重力与工作载荷。运用通用有限元软件ABAQUS对车架进行仿真分析，有限元模型如图7所示。

图7 有限元模型

施加载荷及边界：车架重力＋液压剪载荷。见图8和图9。

图8 应力云图

图9 位移云图

由图8和图9可知，最大应力为225 MPa，出现在承载梁的中部，小于屈服应力345 MPa，安全系数1.53，最大位移3.8mm。

2.4 吊装分析

装备液压剪的移动工装需吊装至船甲板，采用了4吊点方案。运用通用有限元软件ABAQUS对移动工装整体进行仿真分析，有限元模型如图10所示。

图10 有限元模型

小车与液压剪的载荷以轮压的方式施加到钢轨上。分析结果如图11和图12所示。

图11 应力云图

图12 位移云图

通过图11和图12可知，最大应力为277.4 MPa，出现在承载梁的中部，小于屈服应力345MPa，安全系数1.24，最大位移5.2mm。

3 液压剪旋转头设计计算

回转机构为焊件钢构件，由上部安装座、下部安装座两部分螺栓连接而成。

上部安装座底部通过螺栓组连接液压马达驱动回转轴承外圈，上部通过耳板和销轴与工程机械安装连接，上连接座中间安装液压滑环接头，连接液压剪剪切动作油管管路。下部安装座顶部通过螺栓组连接液压马达驱动回转轴承内圈，底部通过3个M 45螺栓组连接液压剪。见图13。

图13 回转机构设计方案

3.1 回转支撑计算

回转支承在使用过程中，一般要承受轴向力Fa，径向力Fr以及倾覆力矩M的共同作用，对不同的应用场合，由于主机的工作方式及结构型式不同，上述3种载荷的作用组合情况将有所变化，有时可能是两种载荷的共同作用，有时也有可能仅仅是一个载荷的单独作用。见图14。

图14 受力分析图

许用动态轴向力Fa＝234.43 kN

正常工作最大轴向力

式中：C1为动态系数，取1.6。经计算，Fmax＝176 kN。

Fmax＜Fa，强度校验合格。

3.2 上部螺栓连接计算

上部安装座底部通过螺栓组连接液压马达驱动回转轴承外圈，上部通过耳板和销轴与工程机械安装连接；销轴不仅承受剪切力，而且需要承受弯矩。

销轴剪切应力

销轴径向力Ft

式中：G1为上、下部安装座重量，kN；G2为回转支承重量，kN；G3为液压剪重量，kN。

销轴截面积S

销轴的许用剪切应力，对于销的常用材料，τP＝80MPa

销轴最小直径D

设计销轴直径D＝58mm。

销轴弯曲应力

式中：σbp为许用弯曲应力，MPa，对于35#，45#，σbp＝120MPa～150MPa；d为销轴直径，mm；a、b为连杆头尺寸，mm。

3.3 下部螺栓连接计算

下部安装座顶部通过螺栓组连接液压马达驱动回转轴承内圈，底部通过3个M 45螺栓组连接液压剪；螺栓组不仅承受轴向力，而且需要承受扭转剪切力。

强度校验合格。

每个螺栓所受剪切力

式中：L为螺栓孔到中心距离，277.5mm。

式中：Kf为可靠系数1.2～1.5，取1.35；μ为涂敷锌漆0.4～0.5，取0.45；FY为螺栓预紧力，543 kN。

4 结论

我国在平台拆除领域有巨大的市场需求，对平台拆除装置进行升级改造迫在眉睫。本文首先对液压剪的液压旋转接头和移动工装进行设计，进而对液压旋转接头和移动工装进行计算和有限元分析。通过设计计算和分析，验证了水下液压剪升级改造部分结构满足设计要求，能够提高设备的利用率，节约劳动强度和时间。