石油钻井平台桩管热熔机设计及仿真毕业设计论文.docx

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石油钻井平台桩管热熔机设计及仿真毕业设计论文

毕业设计报告（论文）

报告（论文）题目：

石油钻井平台桩管热熔机设

计及仿真（Φ800-Φ1100）

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

由于海上石油能源在能源行业中的地位越来越重要，对本课题的研究提供了有力的条件。

本课题的设计要求源于石油钻井平台废弃后桩管的切割与处理，对深入海底以下桩管进行火焰热切割。

由于海上石油钻井平台桩管形状的不确定性，工作环境的特殊性，首先完成理论研究，尺寸计算，模型设计，结构力学计算，电机的选取和最后的实践生产。

本课题的研究结合了力学，精密机械设计，工程制造的知识。

生产出的产品具有独创性，填补了石油钻井平台桩管切割机的空白。

不仅将热熔机切割所涉及的领域延伸到海上能源业，其实际意义在于将废弃的工业残留物进行了清除以便再次利用，同时保护了海洋环境，造福于人类。

本课题研究成果主要适用于海上石油钻井平台桩管的切除，具有工作效率高，降低劳动强度，经济效益高等特点。

关键词桩管热熔机设计仿真电机力学计算

Abstract

Astheoffshoreoilinenergyindustryisbecomingincreasinglyimportant,itprovidefavorableconditionstotheresearchonthesubject.Thedesignrequirementsofthissubjectstemsfromthecuttingandprocessingwastepilepipeoildrillingplatform.Depthbelowtheseafloorpilepipeflamethermalcutting.Uncertainlyduetooffshoreoildrillingplatformtubeshape.Theparticularityoftheworkenvironment.Firstcompletetheoreticalstudy,sizecalculation,modeldesign,structuralmechanicscalculations,motorselection.Theresearchofthissubjectcombinemechanics,precisionmechanicaldesign,engineeringandmanufacturingknowledge.Theproductionproduceoriginalityanditfilltheblankofoildrillingplatformpipecuttingmachine.Notonlyextendstothehotmeltcuttingtheareascoveredbytheoffshoreenergyindustry.Itsrealsignificanceliesinabandonedindustryresidueswereclearedforreuse.Whileprotectingthemarineenvironment,thebenefitofmankind.

Theresearchresultsaremainlyapplicabletooffshoreoildrillingplatformtuberemovewithahigh,reducelaborintensityandhigheconomicefficiency.

Keywordspilepipehotmeltmachinesimulationmotormachinecalculations

第1章绪论

1.1热熔机背景

在科学研究方面使得深海海底的探测切割管道技术有所创新，扩大了热熔机的使用范围：

在环境保护和经济效益方面，既保护了海洋的自然环境又节约了钢铁等自然资源。

此类产品在目前海洋资源越发成为国家能源战略重点背景下，有很广的发展和创新空间。

1.2热熔机相关领域的发展概况

1.2.1我国热熔机发展概况

热切割在现代工业中的作用在机械工业领域中,热切割和焊接都是采用面很广的重要基础工艺。

随着机械工业的迅速发展,热切割技术也相应地获得了快速的发展。

近20年来,已从单一的火焰切割发展成为包括火焰切割、等离子弧切割、激光切割、水射流切割等多种工艺方法在内的现代化切割技术。

可切割的材料由通常的碳钢和低合金钢发展到高合金钢、不锈钢、多种有色金属和陶瓷、塑料、橡胶、皮革及其他非金属材料;应用领域覆盖了机械、造船、石油、化工、矿山、冶金、交通运输和轻工等许多工业部门。

热切割的应用有两个特点:

一是与焊接生产的配套,二是用于物料的分离。

我国热切割工艺现状我国的热切割技术长期处于简单落后的状态,发展缓慢。

目前切割生产的85%左右仍为手工切割,切口留量大、精度低、割缝宽,不仅耗用大量的加工工时，影响结构件的质量,而且材料的利用率低,约为60%（国外工业发达国家已在80%以上）。

按我国一年切割钢材2000万t计算,如能将材料利用率提高到80%,则每年可节省钢材400万t,价值近百亿元。

我国切割材料利用率低的主要原因是切割生产的机械化、自动化水平低。

目前我国每年耗用手工割炬120万把,由此可见其在切割生产中的比例;自制和进口的CNC切割机不足500台,按每台机床每年切割2000t钢材计,CNC切割机所切割的钢材仅占应切割钢材的5%;此外,我国小型切割机拥有量约5万台。

如按日本的焊机与切割机的比例为4∶1计算,我国现拥有焊机200万台,应拥有50万台切割机才相适应。

对我国热切割发展的建议。

大力推广小型切割机及精密割嘴,减少手工切割量　我国小型切割机种类很多,价格便宜,大小企业都有条件配备,且可显著提高切割质量和材料利用率。

目前我国已有小型切割机生产厂24家,主要产品有:

半自动手持式、小车式、割圆式、仿形式、全位置多向式等切割机,此外还有钢管切割机,型钢切割机,马鞍型切割机,U型、X型、Y型、K型坡口及球瓣坡口切割机,相贯线切割机,等等,品种较齐全。

这些产品的基本功能和内在质量相当于国外70年代末80年代初同类产品水平。

目前,我国每年生产小型切割机约6500台,并有少量出口。

在大中型焊接车间有选择地采用CNC切割机，我国现有CNC切割机生产厂12家,其中有三家分别与国外梅萨、伊萨、田中等公司合作生产,其余厂家全部为自主开发生产。

国产CNC切割机有单边和双边驱动两种形式,形成跨距为3～8m的系列产品,最高划线速度为12m/min,技术指标达到国外80年代初水平,每年产量约50台。

与CNC切割机相配套的编程器,国内已有几家开发成功并批量生产,以TZ-EP·NS数控自动编程套料系统为代表,完全可以满足国内不同用户的需要。

但由于CNC切割机价格昂贵,又需要相应地解决编程及维修人员等问题,所以对一些钢材耗量少,板料比重小的生产车间不宜采用。

大型焊接车间采用CNC切割机也应相应地建立备料工段,集中备料、套料,这样有利于提高材料的利用率。

改革热切割能源结构,目前我国火焰切割采用的燃气90%以上是乙炔气,而国外一些工业发达国家乙炔气用量只占燃气量的35%左右,其余均为石油气和天然气等。

乙炔气是由电石产生出的,生产电石需耗费大量的电能。

今后还要继续结合我国经济建设发展的需要,积极开发和推广新的热切割设备和工艺,主要应从以下几方面着手:

①实现数控切割机系列化,开发和推广适合中小企业使用的简易CNC切割机和数控编程器;②完成CNC切割机的备件国产化;③完成等离子切割机产品系列化和防干扰电控等离子电源及割炬、水再压缩及水下切割等项技术;④发展电解水氢氧切割技术;⑤数控热切割及钻铰组合机;⑥大截面铸锻件数控精切成形技术;⑦水射流切割技术;⑧数控激光切割技术;⑨专用于报废核装置解体切割的遥控切割技术。

1.2.2热熔机的分类

按所用热能种类，热切割分为：

①气割（火焰切割）。

用可燃气体同氧混合燃烧所产生的火焰熔化金属并将其吹除而形成切口。

可燃气体一般用乙炔气，也可用石油气、天然气或煤气。

②等离子弧切割。

用等离子弧作为热源，借助高速热离子气体（如氮、氩及氩氮、氩氢等混合气体）熔化金属并将其吹除而成割缝。

同样条件下等离子弧的切割速度大于气割，且切割材料范围也比气割更广。

有小电流等离子弧切割、大电流等离子弧切割和喷水等离子弧切割3种。

③电弧切割。

利用电弧作为热源进行的切割。

其切割质量较气割差，但切割材料种类比气割广泛，所有金属材料几乎都可用电弧切割。

又可分为碳弧切割、气刨和空心焊条电弧切割3种。

④激光切割。

利用激光束作为热源进行的切割。

其温度超过11000℃，足以使任何材料气化。

激光切割的切口细窄、尺寸精确、表面光洁，质量优于任何其他热切割方法⑤某些计量机构在传统的检测方法基础上，利用自有的仪器进行了改造或程序设计，解决了一些特定测试问题。

1.2.3热熔机概况

热熔机为塑料滤芯和塑料端盖组合而成的热熔焊接的专用设备。

热熔机又分为超波热熔机，小型热熔机，多功能热熔机等各类热熔机产品。

热熔机采用抽板式结构，由电加热方法将加热板热量传递给上下塑料加热件的熔接面。

使其表面熔融，然后将加热板迅速退出，上下两片加热件加热后熔融面熔合、固化、合为一体。

整机为框架形式，由上模板、下模板、热模板三大块板组成，并配有热模、上下塑料冷模，动作方式为气动控制。

热熔机主要适用于热塑性塑料管材,如PERT、PP-R、PE、PP-C等的热熔承插焊接,被广泛用于给排水、排污、空调制冷系统、通信系统等塑胶管道的安装施工和维修，也适用于家用电器、车灯、汽车溶器等塑件焊接。

更换模头即可用于各种口径大小的塑料管材管件的焊接。

热熔机具有温度控制精确，可靠性高，安全指数高，环境适应性强的特点，结构坚固，方便快捷，所焊管材管件接口更强于管材本身，永不渗漏.

1.2.4本课题设计的技术现状、水平和发展趋势

目前在几类广泛应用的海洋石油钻井平台里，桩管的切割是个世界性难题。

既要考虑高质量、高精度和高强度，又要加强使用可靠性和使用寿命。

基于海洋石油钻井平台位于较深的海基基底，所以热熔机切割一起要适应深海海底环境要求。

在日常工业用途中的棺材切割技术和设备只要做相应的改造即可应用到石油钻井平台桩管切割作业。

目前常用热熔机分为PE管道热熔机和EPS管道热熔机等分类。

热熔机的发展适用于热塑性塑料管材,如等的热熔承插焊接,被广泛用于给排水、排污、空调制冷系统、通信系统等塑胶管道的安装施工和维修。

更换模头即可用于各种口径大小的管材管件的焊接。

热熔机具有温度控制精确，可靠性高，安全指数高，环境适应性强的特点，结构坚固，方便快捷，所焊管材管件接口更强于管材本身，永不渗漏。

在未来石油钻井平台桩管切割领域热熔机有很广阔的应用前景。

1.3相关工作

1.3.1机械设计

一台完整机器的设计是一个复杂的过程。

机械设计是一项创造性的工作。

设计工程师不仅在工作上要有创造性，还必须在机械制图、运动学、工程材料、材料力学和机械制造工艺学等方面具有深厚的基础知识。

任何产品在设计时第一步就是选择产品每个部分的构成材料。

许多的材料被今天的设计师所使用。

对产品的功能，它的外观、材料的成本、制造的成本作出必要的选择是十分重要的。

对材料的特性必须事先作出仔细的评估。

仔细精确的计算是必要的，以确保设计的有效性。

在任何失败的情况下，最好知道在最初设计中有有缺陷的部件。

计算（图纸尺寸）检查是非常重要的。

一个小数点的位置放错，就可以导致一个本可以完成的项目失败。

设计工作的各个方面都应该检查和复查。

计算机是一种工具，它能够帮助机械设计师减轻繁琐的计算，并对现有数据提供进一步的分析。

互动系统基于计算机的能力，已经使计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）成为了可能。

心理学家经常谈论如何使人们适应他们所操作的机器。

设计人员的基本职责是努力使机器来适应人们。

这并不是一项容易的工作，因为实际上并不存在着一个对所有人来说都是最优的操作范围和操作过程。

另一个重要问题，设计工程师必须能够同其他有关人员进行交流和磋商。

在开始阶段，设计人员必须就初步设计同管理人员进行交流和磋商，并得到批准。

这一般是通过口头讨论，草图和文字材料进行的。

如前所诉，机械设计的目的是生产能够满足人类需求的产品。

发明、发现和科技知识本身并不一定能给人类带来好处，只有当它们被应用在产品上才能产生效益。

因而，应该认识到在一个特定的产品进行设计之前，必须先确定人们是否需要这种产品。

应当把机械设计看成是机械设计人员运用创造性的才能进行产品设计、系统分析和制定产品的制造工艺学的一个良机。

掌握工程基础知识要比熟记一些数据和公式更为重要。

仅仅使用数据和公式是不足以在一个好的设计中做出所需的全部决定的。

另一方面，应该认真精确的进行所有运算。

例如，即使将一个小数点的位置放错，也会使正确的设计变成错误的。

一个好的设计人员应该勇于提出新的想法，而且愿意承担一定的风险，当新的方法不适用时，就使用原来的方法。

因此，设计人员必须要有耐心，因为所花费的时间和努力并不能保证带来成功。

一个全新的设计，要求屏弃许多陈旧的，为人们所熟知的方法。

由于许多人墨守成规，这样做并不是一件容易的事。

一位机械设计师应该不断地探索改进现有的产品的方法，在此过程中应该认真选择原有的、经过验证的设计原理，将其与未经过验证的新观念结合起来。

新设计本身会有许多缺陷和未能预料的问题发生，只有当这些缺陷和问题被解决之后，才能体现出新产品的优越性。

因此，一个性能优越的产品诞生的同时，也伴随着较高的风险。

应该强调的是，如果设计本身不要求采用全新的方法，就没有必要仅仅为了变革的目的而采用新方法。

一般的当外型特点和组件部分的尺寸特点分析得透彻时，就可以全面的设计和分析。

接着还要客观的分析机器性能的优越性，以及它的安全、重量、耐用性，并且竞争力的成本也要考虑在分析结果之内。

每一个至关重要的部分要优化它的比例和尺寸，同时也要保持与其它组成部分相协调。

也要选择原材料和处理原材料的方法。

通过力学原理来分析和实现这些重要的特性，如那些静态反应的能量和摩擦力的最佳利用，像动力惯性、加速动力和能量；包括弹性材料的强度、应力和刚度等材料的物理特性，以及流体润滑和驱动器的流体力学。

设计的过程是重复和合作的过程，无论是正式或非正式的进行，对设计者来说每个阶段都很重要。

最后，以图样为设计的标准，并建立将来的模型。

如果它的测试是符合事先要求的，则再将对初步设计进行某些修改，使它能够在制造成本上有所降低。

产品的设计需要不断探索和发展。

许多方案必须被研究、试验、完善，然后决定使用还是放弃。

虽然每个工程学问题的内容是独特的，但是设计师可以按照类似的步骤来解决问题。

产品的责任诉讼迫使设计人员和公司在选择材料时，采用最好的程序。

在材料过程中，五个最常见的问题为：

（a）不了解或者不会使用关于材料应用方面的最新最好的信息资料；（b）未能预见和考虑材料的合理用途（如有可能，设计人员还应进一步预测和考虑由于产品使用方法不当造成的后果。

在近年来的许多产品责任诉讼案件中，由于错误地使用产品而受到伤害的原告控告生产厂家，并且赢得判决）；（c）所使用的材料的数据不全或是有些数据不确定，尤其是当其性能数据长期不更新；（d）质量控制方法不适当和未经验证；（e）由一些完全不称职的人员选择材料。

通过对上述五个问题的分析，可以得出这些问题是没有充分理由而存在的结论。

对这些问题的研究分析可以为避免这些问题的出现而指明方向。

尽管采用最好的材料选择方法也不能避免发生产品责任诉讼，设计人员和工业界按照适当的程序进行材料选择，可以大大减少诉讼的数量。

从以上的讨论可以看出，选择材料的人们应该对材料的性质，特点和加工方法有一个全面而基本的了解。

在随后生产和售后服务的几年中，要接受新观念的变化，或者由试验和经验为基础，进一步分析并改进。

1.4研究内容和要求

1.4.1重点解决的技术问题

（1）热熔机切割头要求连续双向运转、载荷平稳：

这对仪器设备的制造精度和设计原理性要求增加。

既要使用方便又要运行平稳易于管道的切割。

（2）空载启动且切割速度波动误差稳定在5%：

在没有任何载荷的情况下启动设备可热机又可检验设备是否出现问题，以便及时修理。

而5%的波动误差要求设备具有反馈系统，可时时检测设备的运行情况。

（3）10年的使用寿命和大批量的生产：

要求热熔机要在经济性的前提下选材精良，经久耐用。

结构上要简单易拆解组装可清洗，更要偏于在生产线上大批量生产。

（4）结构设计要适应深海严峻的环境和桩管形状的不确定性：

在真实工作环境温度-30℃~+50℃和湿度30%~80%范围内不影响仪器设备的运行；在进入管道内壁下降到切割处时