水下管道法蘭快速對(duì)接定位技術(shù)應(yīng)用

作者：苗青

來(lái)源：《裝飾裝修天地》2015年第09期

摘要：本文結(jié)合煙臺(tái)開(kāi)發(fā)區(qū)大季家污水處理廠深海排放工程海域管道施工，對(duì)水下管道法蘭快速對(duì)接定位技術(shù)進(jìn)行了研究分析對(duì)比，最終決定利用法蘭盤(pán)頂部的螺栓孔設(shè)計(jì)安裝羊角定位裝置，從而實(shí)現(xiàn)管道法蘭水下快速定位對(duì)接的初穩(wěn)狀態(tài)與自動(dòng)對(duì)正功能，保證法蘭螺栓孔基本對(duì)應(yīng)，螺栓穿插順利，達(dá)到法蘭快速定位對(duì)接目的，提高管道水下法蘭連接效率，法蘭對(duì)接密封效果良好，達(dá)到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：管道法蘭水下對(duì)接;羊角限位裝置;快速定位;自動(dòng)修正;達(dá)到預(yù)期效果 一、課題研究?jī)?nèi)容

管道水下安裝方案較多，常用的有鋪管船法，浮拖法，底拖法，吊裝法等，本文結(jié)合廠家、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，擬采用二艘起重船吊裝法進(jìn)行管道安裝，為解決管道對(duì)接初期法蘭不穩(wěn)現(xiàn)象，擬采用限位模式進(jìn)行臨時(shí)固定。 二、水下管道法蘭對(duì)接定位方案

本著能夠?yàn)楣艿婪ㄌm水下對(duì)接提供有效的初穩(wěn)平臺(tái)，又可以方便的調(diào)整因法蘭加工安裝誤差、吊裝誤差帶來(lái)的螺栓孔錯(cuò)位現(xiàn)象。將法蘭對(duì)接限位裝置設(shè)在了頂端，采用單軸定位模式，充分利用法蘭螺栓孔來(lái)固定限位裝置，在已安裝管道端頭法蘭盤(pán)上設(shè)置羊角板限位裝置，在待安裝管道端頭法蘭上設(shè)置定位軸裝置，通過(guò)定位軸搭接限位羊角，實(shí)現(xiàn)法蘭水平對(duì)接支撐，法蘭螺栓孔自動(dòng)找正，加快法蘭螺栓連接效率。具體如下圖：

圖1 管道頂端設(shè)置羊角限位裝置簡(jiǎn)圖 優(yōu)點(diǎn)是：

1.采用頂端單軸定位，防止法蘭擺動(dòng)形成初穩(wěn)平臺(tái)，即不占用潛水員操作空間，也有利于提高安全保證;

2.充分利用法蘭螺栓孔，采用組合連接固定，拆裝方便、靈活，對(duì)管道與法蘭無(wú)損傷，成品保護(hù)到位;

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3.可以實(shí)現(xiàn)法蘭螺栓孔自動(dòng)找正，如遇加工偏差，可以支撐軸為圓心通過(guò)繞繩找正，便于糾偏，提高工效。 缺點(diǎn)是;

1.由于裝置增加了拆裝靈活性，安裝時(shí)頂絲擰不緊受碰撞羊角易掉落;

2.單軸定位增加了定位軸的承重力，在鋼度不足的情況下，后部支撐及定位軸易變形，拆除困難。

三、方案工藝原理

1.管道法蘭水下對(duì)接影響因素分析及預(yù)防

管道水下法蘭對(duì)接連接較陸上連接影響因素更多，易受潮位漲跌、波浪影響、吊物重心轉(zhuǎn)換對(duì)船舶平衡影響、管道安裝基床平整度與坡度比影響等使法蘭水下對(duì)接難度加大，造成的后果主要是穩(wěn)定性差，易擺動(dòng)，法蘭易張口，螺栓孔不易對(duì)準(zhǔn)，增加連接難度的同時(shí)存在安全隱患，為降低法蘭水下對(duì)接的客觀影響因素，可采取以下措施加以預(yù)防：

1.1加大定位船舶的選型與吊裝設(shè)備的選型，使吊物重心轉(zhuǎn)換對(duì)船舶平衡影響降到最低，以消除管道在吊裝時(shí)晃動(dòng)帶來(lái)的危害;

1.2選擇合適的作業(yè)時(shí)機(jī)，風(fēng)、浪、流影響較小時(shí)作業(yè)，保證設(shè)備安全。同時(shí)加強(qiáng)墊層基礎(chǔ)控制，保證偏差不大于管道撓度允許偏差。

1.3加強(qiáng)法蘭加工與焊接時(shí)質(zhì)量監(jiān)控，派人駐廠監(jiān)督，保證法蘭螺栓孔軸心對(duì)應(yīng)。 1.4解決法蘭水下對(duì)接失穩(wěn)問(wèn)題，加快法蘭快速自動(dòng)找正，盡可能的降低法蘭螺栓孔軸線偏差，提高對(duì)接效率，也就是本文重點(diǎn)研究解決的定位技術(shù)。 2.管道法蘭水下快速定位對(duì)接裝置原理

采用法蘭頂端加設(shè)羊角限位裝置的管道法蘭水下快速定位對(duì)接技術(shù)主要應(yīng)用以下原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1利用天平原理，利用待安裝管道法蘭頂部?jī)蓚€(gè)螺栓孔為支點(diǎn)，通過(guò)定位板設(shè)置定位軸搭接已安裝管道法蘭限位羊角，與定位軸末端頂絲對(duì)管道外壁支撐形成反作用平衡，確保對(duì)接法蘭頂部標(biāo)高水平，為螺栓軸心標(biāo)高統(tǒng)一提供條件。

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2.2利用垂球原理，限位羊角設(shè)置在已安裝管道法蘭中心垂線上，待安裝管道法蘭定位軸與管道吊點(diǎn)同軸，定位軸搭接后，吊機(jī)吊力降低，管道利用自重在定位軸的下自動(dòng)修正對(duì)中，為螺栓對(duì)穿提供有利條件。

2.3利用同軸原理調(diào)整因法蘭加工、焊接偏差帶來(lái)的已安裝管道法蘭與待安裝管道法蘭螺栓孔錯(cuò)位問(wèn)題，以定位軸為軸心，利用調(diào)整索在吊點(diǎn)位置固定，施加外力后使法蘭繞定位軸旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺栓孔軸心位置，為螺栓全面穿插連接提供保障。 3.工藝流程

定位裝置設(shè)計(jì)加工→定位裝置陸上安裝→管道法蘭水下對(duì)接定位→螺栓孔位糾偏→穿插螺栓緊固→定位裝置拆除重復(fù)利用 4.操作要點(diǎn) 1.定位裝置設(shè)計(jì)加工

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，定位裝置需要多次重復(fù)利用，為便于潛水員水下拆卸與安裝，定位精確、牢固。定位裝置在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾方面的因素： 1.1定位裝置具有足夠的強(qiáng)度與剛度，能夠滿足管道安裝要求。 1.2定位裝置安裝靈活，定位準(zhǔn)確。

1.3定位裝置安裝后固定牢固可靠，對(duì)管道法蘭無(wú)損害。 1.4定位裝置具有易糾偏調(diào)整工能。

綜合以上因素，我們?cè)诳紤]定位裝置時(shí)通過(guò)采取以下措施來(lái)保證限位裝置的適用性，利用法蘭預(yù)留螺栓孔設(shè)置定位插銷(xiāo)精確限位，在限位板后面管道方向上加設(shè)反向作用桿與頂絲，保證定位插銷(xiāo)不脫出。同樣固定限位軸的定位板亦通過(guò)螺栓定位插銷(xiāo)與法蘭螺栓孔固定，定位軸穿過(guò)定位板后在尾部設(shè)置反向頂絲進(jìn)行固定，通過(guò)調(diào)節(jié)頂絲的反向作用力保證定位裝置與法蘭連接可靠，拆裝靈活且對(duì)法蘭無(wú)損害。定位軸采用圓形鋼管制作，可以定位軸為轉(zhuǎn)軸調(diào)整因法蘭加工焊接產(chǎn)生的偏差錯(cuò)位現(xiàn)象，保證定位裝置的適用性滿足要求。具體如下圖所示; 圖2 管道頂端設(shè)置羊角限位裝置對(duì)接圖 定位裝置受力核算：

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考慮安裝時(shí)吊機(jī)一直保持吊扶狀態(tài)，定位軸受力按5t考慮，外伸搭接長(zhǎng)度250mm。 ①定位軸壁厚計(jì)算 [πHπLgsinh4πdL]

將定位軸取外徑D=100mm，內(nèi)徑d=75mm圓鋼管進(jìn)行驗(yàn)算： 彎應(yīng)力計(jì)算： ;[3.14*0.63.14*659.81sinh4*3.14*4.565] 由[fh容=±30L]滿足要求。 剪應(yīng)力計(jì)算：

[S=3.14×（D2-d2）/4=3434.375mm2]

由[σ=FS=14.559N/mm2<210N/mm2]滿足要求。

綜上選擇外徑D=100mm，內(nèi)徑d=75mm圓鋼管作為定位軸滿足要求。 ②固定頂絲螺桿計(jì)算 螺桿直徑計(jì)算：

[F=10T=100KN=10×104NFS<210N/mmS=∏D24D>4F∏×210=24.629mm] 故取螺桿直徑D=25mm圓鋼螺桿。 螺桿下襯墊鋼板厚度計(jì)算： [δ>FD=19.334mm] 故取鋼板厚度為20mm。 ③定位法蘭螺桿數(shù)量計(jì)算：

固定采用法蘭對(duì)接螺栓孔，單個(gè)孔承受最大力： [F=3.14×422/4×125=173093N=17.3T>10T]

經(jīng)計(jì)算單個(gè)螺口固定已滿足要求，采用2個(gè)螺口固定完全滿足受力要求。

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④定位板背面頂絲連接管計(jì)算： [F=10T=100KN=10×104N] [L=122mm]

[M=F×L=1.22×107N.mm]

將連接管選擇與限位軸相同材料，取外徑D=100mm，內(nèi)徑d=75mm圓鋼鋼管進(jìn)行驗(yàn)算： 彎應(yīng)力計(jì)算： ;[w=3.14×D3/32×（1-（d/D）4）=67077.63672mm3] 由[σ=Mw=1.81.879N/mm2<210N/mm2]滿足要求。 剪應(yīng)力計(jì)算： ;[S=3.14×（D2-d2）/4=3434.375mm2] 由[σ=FS=29.117N/mm2<210N/mm2]滿足要求。

綜上計(jì)算選擇外徑D=100mm，內(nèi)徑d=75mm圓鋼鋼管作為連接管滿足要求。

定位裝置加工分成兩大部分，一是已安裝法蘭上安裝的限位羊角裝置，該裝置主要由兩塊斜向定限位板組成，每塊限位板上焊接兩個(gè)螺栓孔插銷(xiāo)，插銷(xiāo)尺寸不超過(guò)法蘭螺栓孔尺寸，在反方向焊接反作用桿與頂絲，使用時(shí)頂絲反作用于管道外壁上，使反作用桿與插銷(xiāo)共同作用于管道法蘭上達(dá)到固定目的。

另一部分為待安裝管道法蘭上安裝的定位軸，該部分由定位板，定位軸，螺栓孔插銷(xiāo)，頂絲4部分組成。

定位裝置委托專(zhuān)業(yè)鋼結(jié)構(gòu)加工廠家加工制作，要求斜向擋板與定位板均采用數(shù)控機(jī)床成型，保證插銷(xiāo)位置準(zhǔn)確并與法蘭螺栓孔位對(duì)應(yīng)，插銷(xiāo)采用圓鋼車(chē)銑成型，定位插銷(xiāo)直徑應(yīng)與螺栓直徑相仿，表面光滑。定位插銷(xiāo)的焊接需在現(xiàn)場(chǎng)安裝到法蘭上后進(jìn)行試點(diǎn)焊，確保拆裝順利后再進(jìn)行滿焊固定。 2.定位裝置陸上安裝

法蘭定位裝置在管道吊放入水前由起重工人分別安裝至管道端頭法蘭上，定位軸安裝于第二節(jié)待安裝管道對(duì)接法蘭上，先將定位板安裝到法蘭上，然后再將定位軸穿過(guò)定位板中心孔，定位軸伸出法蘭外面200mm長(zhǎng)度，擰緊定位軸尾部的頂絲，使頂絲作用于管道外壁上，反作用于法蘭螺栓孔固定定位板與定位軸，要求定位軸頭部稍微向下傾斜，以保證管道法蘭對(duì)接時(shí)能夠保持頂弧面平齊，如下圖1.4-3。限位羊角安裝到第一節(jié)管道末端法蘭上，以法蘭與吊點(diǎn)

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位置中心線為準(zhǔn)，使斜向擋板上的兩個(gè)定位插銷(xiāo)插入螺栓孔內(nèi)，擰緊背面的頂絲，使頂絲作用于管道外壁上，利用反作用力固定擋板，達(dá)到固定目的。 3.管道法蘭水下對(duì)接定位

先將第一節(jié)帶羊角限位裝置的管道按設(shè)計(jì)要求安裝到位，檢查滿足設(shè)計(jì)要求后吊裝第二節(jié)管道開(kāi)始第一對(duì)法蘭的水下對(duì)接施工，將法蘭對(duì)接定位軸安裝到第二節(jié)管段待連接法蘭上，起重工指揮吊機(jī)吊起管段沉放入水，通過(guò)預(yù)拴在第一節(jié)管段末端上的浮標(biāo)及船舷側(cè)的定位樁將管段沉放到底，然后潛水員下水指揮吊機(jī)將第二節(jié)管道靠向已安裝管道，通過(guò)定位軸與羊角限位板的共同限位作用，使管道法蘭自動(dòng)對(duì)齊找正，調(diào)整吊機(jī)吊桿角度，使法蘭對(duì)接緊密，潛水員水下用定位錐穿插螺栓孔檢查法蘭螺栓孔是否對(duì)正。 4.螺栓孔位糾偏

受法蘭加工精度及法蘭與管道焊接時(shí)控制精度的影響，法蘭對(duì)正后有可能會(huì)出現(xiàn)微小偏差，導(dǎo)致螺栓穿插失敗，此時(shí)應(yīng)采取措施對(duì)法蘭螺栓孔進(jìn)行糾偏處理，鑒于定位裝置在設(shè)計(jì)時(shí)采用圓形定位軸，可以考慮以此為支點(diǎn)與轉(zhuǎn)動(dòng)軸對(duì)法蘭螺栓孔進(jìn)行糾偏處理。將糾偏鋼絲繩拴到管道吊點(diǎn)上，沿調(diào)整方向反向繞管道壁一周后引至水面卷?yè)P(yáng)機(jī)上，啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)收緊鋼絲繩，帶動(dòng)管道繞定位軸進(jìn)行小幅轉(zhuǎn)動(dòng)，潛水員水下用定位插錐隨時(shí)檢查法蘭螺栓孔對(duì)拉情況，一旦合適立即將定位錐插入螺栓孔內(nèi)，完成螺栓孔的糾偏。 5.螺栓連接緊固處理

通過(guò)定位軸與定位錐的共同作用，保持管道法蘭螺栓孔位的穩(wěn)定對(duì)中，潛水員迅速將螺栓穿插入螺栓孔內(nèi)，帶上絲帽后按設(shè)定順序進(jìn)行螺栓的緊固施工。除定位裝置后的4根螺栓外其余螺栓全部帶上螺母后準(zhǔn)備將定位裝置進(jìn)行拆除。 6.定位裝置的拆除

定位裝置的拆除順序?yàn)橄葘⒍ㄎ惠S背面的頂絲放松，如帶勁較大時(shí)可以用板手協(xié)助，或指揮吊機(jī)輕微活動(dòng)管道，頂絲卸開(kāi)后，先將定位軸抽出限位羊角板，然后人工將定位板拆離法蘭，指揮水面人員將定位軸拉到定位船上。然后再進(jìn)一步拆除限位羊角板，將每塊斜向擋板的頂絲松開(kāi)后，將斜向擋板上的插銷(xiāo)脫出法蘭螺栓孔后拉到定位船上，然后安裝至下一節(jié)管道法蘭上循環(huán)利用。

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