王立權(quán) 董金波 張嵐

哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

深海管道回接對(duì)接機(jī)具設(shè)計(jì)

王立權(quán) 董金波 張嵐

哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

管道對(duì)接機(jī)具對(duì)接精度的高低關(guān)乎深海石油管道法蘭連接的成敗。因此，通過(guò)對(duì)國(guó)外典型管道對(duì)接機(jī)具結(jié)構(gòu)和作業(yè)情況的分析，綜合考慮深水管道安裝和操作的環(huán)境條件，提出了管道對(duì)接機(jī)具的總體設(shè)計(jì)方案：①對(duì)接機(jī)具采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有良好的深水適應(yīng)性；②軸向?qū)?zhǔn)工具和接應(yīng)工具對(duì)管道的夾緊、拖拽、調(diào)整等動(dòng)作均采用液壓缸為執(zhí)行元件；③軸向?qū)?zhǔn)工具和接應(yīng)工具所需的液壓動(dòng)力源由ROV攜帶，實(shí)現(xiàn)壓力油的供給。根據(jù)管道對(duì)接機(jī)具的作業(yè)流程，對(duì)管道對(duì)接機(jī)具即軸向?qū)?zhǔn)工具和接應(yīng)工具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析了其工作原理，為管道對(duì)接機(jī)具的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供了參考。

深海管道 水下回接對(duì)接 對(duì)接機(jī)具 總體方案 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 工作原理

近幾十年來(lái)，隨著海上油氣田的不斷開(kāi)發(fā)，海底輸油氣管道已經(jīng)廣泛用于海洋石油運(yùn)輸，鋪管作業(yè)已成為海底管道建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，其敷設(shè)及維護(hù)技術(shù)直接關(guān)系到海洋油氣開(kāi)發(fā)方案能否順利進(jìn)行。

水下管道回接技術(shù)是深海管道敷設(shè)的重要組成部分，該技術(shù)是指將新開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)管道并入已建的管網(wǎng)，充分利用已建設(shè)施，增加海上油氣田開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性，其主要內(nèi)容包括：管道與平臺(tái)的連接、管道與管網(wǎng)的連接、管道與立管的連接和管道間的連接等［1］。

目前水下管道回接主要有機(jī)械連接和水下焊接這2種方法，其中前者更適用于深水海底管道的回接［2－3］。在機(jī)械連接中螺栓法蘭連接是目前水下管道連接應(yīng)用最廣泛、最高效的方法，淺水區(qū)作業(yè)時(shí)一般由潛水員輔助操作來(lái)完成，但深水區(qū)作業(yè)時(shí)此連接方法的應(yīng)用就會(huì)受到潛水員可安全操作水深的限制，因此，研制出無(wú)潛水員操作的自動(dòng)水下管道回接作業(yè)機(jī)具具有十分重要的意義。作為回接作業(yè)中間環(huán)節(jié)的管道對(duì)接機(jī)具，其結(jié)構(gòu)和對(duì)準(zhǔn)精度的好壞會(huì)直接影響法蘭連接機(jī)具的操作。由此可見(jiàn)，管道對(duì)接機(jī)具對(duì)接精度的高低對(duì)深海石油管道法蘭連接成敗具有非常重要的作用。

1 國(guó)外深海管道對(duì)接機(jī)具

1.1 Sonsub公司的BRUTUS系統(tǒng)

美國(guó)Sonsub公司開(kāi)發(fā)的BRUTUS系統(tǒng)是用于深海管道回接的法蘭連接系統(tǒng)，此回接系統(tǒng)包括管道對(duì)接機(jī)具和螺栓螺母庫(kù)等，在水下機(jī)器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）的輔助下作業(yè)，完成管道的連接和管道法蘭螺栓螺母的擰緊工作。

圖1 軸向?qū)?zhǔn)工具照片

管道對(duì)接機(jī)具包括軸向?qū)?zhǔn)工具和接應(yīng)工具（圖1、2），其主要功能是實(shí)現(xiàn)新管道與舊管道軸向?qū)?zhǔn)，達(dá)到法蘭連接機(jī)具的工作要求。

圖2 接應(yīng)工具照片

軸向?qū)?zhǔn)工具由框架、夾緊裝置、接應(yīng)裝置、鎖緊裝置和縱、橫向調(diào)整裝置等組成。軸向接應(yīng)工具主要由整體框架、內(nèi)部夾緊裝置、止推環(huán)和兩側(cè)探孔等組成。BRUTUS系統(tǒng)中的軸向?qū)?zhǔn)工具是一個(gè)主動(dòng)的機(jī)具，接應(yīng)工具是一個(gè)被動(dòng)的機(jī)具，其主要作用是為軸向?qū)?zhǔn)工具提供工作支點(diǎn)，以此來(lái)調(diào)整待連接的2個(gè)管道法蘭面的相對(duì)位置，從而達(dá)到法蘭連接機(jī)具的工作要求。

Sonsub公司于2000年秋天在挪威外海400 m水深處分別完成了直徑為406.4 mm的管道法蘭連接和直徑為254 mm的軟管法蘭連接。深水法蘭連接系統(tǒng)的最大工作水深是3 000 m，最大連接管徑為609.6 mm，適用于API標(biāo)準(zhǔn)法蘭［4－5］。

1.2 Acergy公司的MATIS系統(tǒng)

挪威Acergy公司開(kāi)發(fā)的MATIS深水法蘭連接系統(tǒng)由ROV輔助進(jìn)行操控。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可依據(jù)連接管道的尺寸、工作水深以及管道的形式，采用不同的組合方式，主要包括對(duì)準(zhǔn)裝置、螺栓連接裝置和定位裝置等（圖3）。該系統(tǒng)的軸向?qū)?zhǔn)工具和接應(yīng)工具是一個(gè)整體對(duì)準(zhǔn)裝置（圖4），實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的夾緊和軸向?qū)?zhǔn)。

該裝置每側(cè)均有5個(gè)液壓缸來(lái)控制其6個(gè)自由度，通過(guò)安裝在液壓缸上的傳感器來(lái)檢測(cè)2個(gè)管道之間的相對(duì)誤差并實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整以滿足后續(xù)法蘭連接的工作要求［6］。

該機(jī)具于1999年第1次在挪威海域?yàn)镾tatoil公司完成了水深98 m、直徑為228.6 mm管道法蘭的連接，2000年10月又在北海的Gullfaks為Statoil公司完成了水深215 m、直徑為558.8～609.6 mm管道法蘭的連接，2001年10月在西非安哥拉的Girassol進(jìn)行了100多個(gè)法蘭的連接，最大水深達(dá)1 400 m，管道法蘭直徑為228.6～330.2 mm，連接形式包括管道與平臺(tái)的連接、立管的連接等。Acergy公司的深水法蘭連接機(jī)具最大工作水深達(dá)3 000 m，適用于API標(biāo)準(zhǔn)法蘭和ANSI標(biāo)準(zhǔn)法蘭，可連接管徑范圍為101.6～914.4 mm［7－8］。

圖3 Deep MATIS系統(tǒng)圖

圖4 對(duì)準(zhǔn)裝置圖

2 管道對(duì)接機(jī)具的設(shè)計(jì)

管道對(duì)接機(jī)具的設(shè)計(jì)包括2個(gè)方面的內(nèi)容，即軸向?qū)?zhǔn)工具和接應(yīng)工具的設(shè)計(jì)，由于2個(gè)機(jī)具是相互配合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)待連接管道的調(diào)整操作，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮2個(gè)機(jī)具的設(shè)計(jì)要求。在機(jī)具工作前，需用H架將海底待連接的新舊管道從海床上托起到一定的高度，并對(duì)其相對(duì)位置進(jìn)行初步調(diào)整，以便管道對(duì)接機(jī)具對(duì)其順利操作。

管道對(duì)接機(jī)具的工作流程如下：

1）ROV將接應(yīng)工具放在舊管道上并控制其夾緊管道。

2）ROV將軸向?qū)?zhǔn)工具放在新管道上并控制其夾緊管道。

3）軸向?qū)?zhǔn)工具與接應(yīng)工具連接鎖緊并拖拽新管道向舊管道靠近，使2個(gè)法蘭面距離達(dá)到預(yù)定要求。

4）軸向?qū)?zhǔn)工具對(duì)管道法蘭誤差進(jìn)行縱、橫向調(diào)整，使其達(dá)到預(yù)定要求。

5）ROV撤離2個(gè)作業(yè)機(jī)具。

2.1 對(duì)接機(jī)具設(shè)計(jì)總體方案的確定

管道對(duì)接機(jī)具在3 000 m的水下作業(yè)，由ROV機(jī)械手輔助操作，包括工具的吊放與收起、動(dòng)力源的攜帶等。為了方便水下操作，通過(guò)水下電視及傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)具的工作，使2個(gè)管道法蘭的對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到規(guī)定的要求。綜合考慮國(guó)外管道對(duì)接機(jī)具的工作原理和作業(yè)條件，確定如下對(duì)接機(jī)具設(shè)計(jì)總體方案。

1）驅(qū)動(dòng)方式：對(duì)接機(jī)具采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有良好的深水適應(yīng)性。

2）執(zhí)行元件：軸向?qū)?zhǔn)工具和接應(yīng)工具對(duì)管道的夾緊、拖拽、調(diào)整等動(dòng)作均采用液壓缸為執(zhí)行元件。

3）動(dòng)力源放置：軸向?qū)?zhǔn)工具和接應(yīng)工具所需的液壓動(dòng)力源由ROV攜帶，實(shí)現(xiàn)壓力油的供給。

2.2 管道對(duì)接機(jī)具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 軸向?qū)?zhǔn)工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸向?qū)?zhǔn)工具的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由框架、夾緊裝置、接應(yīng)和鎖緊裝置、調(diào)整裝置和ROV支架這5個(gè)部分組成。

圖5 軸向?qū)?zhǔn)工具的結(jié)構(gòu)圖

主體框架由空心方鋼管焊接而成，形成空間桁架結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，ROV支架供ROV連接操作使用。夾緊裝置與調(diào)整裝置是軸向?qū)?zhǔn)工具的核心部分，夾緊裝置主要作用是夾緊管道，使軸向?qū)?zhǔn)工具調(diào)整新管道向舊管道靠近的過(guò)程中不松脫，始終保持固定的位置。接應(yīng)鎖緊裝置分為2個(gè)部分，即探針部分和探孔部分，探針安裝在軸向?qū)?zhǔn)工具上，而探孔安裝在接應(yīng)工具上，通過(guò)安裝在探頭T型槽中的導(dǎo)柱與安裝在探孔上環(huán)形槽進(jìn)行鎖緊。調(diào)整裝置由縱、橫向調(diào)整裝置2部分組成，均采用液壓缸驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)管道沿法蘭面的縱向調(diào)整和橫向調(diào)整，使管道法蘭面的對(duì)準(zhǔn)誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)。

2.2.2 接應(yīng)工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

接應(yīng)工具的總體結(jié)構(gòu)主要由框架、夾緊裝置、探孔和ROV支架組成（圖6）?？蚣転楦邚?qiáng)度的鋼架，由空心方鋼管焊接而成，能夠承載與ROV輔助操作的一些裝置，ROV支架供ROV連接操作使用。夾緊裝置分前后2部分，分別由2個(gè)夾緊液壓缸來(lái)控制，使整個(gè)接應(yīng)工具夾緊到管道上。探孔和軸向準(zhǔn)對(duì)工具的探頭進(jìn)行鎖緊，軸向?qū)?zhǔn)工具以此為支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)管道法蘭的縱、橫向調(diào)整。

圖6 接應(yīng)工具結(jié)構(gòu)圖

3 管道對(duì)接機(jī)具工作原理

實(shí)際工作時(shí)為軸向?qū)?zhǔn)工具和接應(yīng)工具安裝浮力塊，使其在水中可以達(dá)到零重力狀態(tài)。軸向?qū)?zhǔn)工具和接應(yīng)工具作業(yè)示意圖如圖7所示。

圖7 軸向?qū)?zhǔn)工具和接應(yīng)工具作業(yè)示意圖

ROV上機(jī)械手吊放軸向?qū)?zhǔn)工具和接應(yīng)工具到H架初步調(diào)整好的新、舊管道上，ROV供油，控制2個(gè)機(jī)具夾緊裝置上的液壓缸工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的夾緊；隨后安裝在軸向?qū)?zhǔn)工具接應(yīng)裝置上的接應(yīng)液壓缸工作，推動(dòng)伸縮桿伸出，使探頭插入到接應(yīng)工具上的探孔內(nèi)，達(dá)到預(yù)定位置后，安裝在探頭內(nèi)部的鎖緊液壓缸工作，推動(dòng)安裝其上的錐體向前運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)安裝在探頭T型槽內(nèi)導(dǎo)柱上升運(yùn)動(dòng)，使導(dǎo)柱從探頭上的孔上伸出，插入到接應(yīng)工具探孔內(nèi)部的環(huán)形槽中，完成2個(gè)機(jī)具的鎖緊；然后伸縮桿回拉，帶動(dòng)軸向?qū)?zhǔn)工具和管道一起向接應(yīng)工具靠近，使2個(gè)管道法蘭面的距離達(dá)到法蘭連接機(jī)具的工作要求。管道的縱、橫向調(diào)整都是通過(guò)ROV供油控制軸向?qū)?zhǔn)工具調(diào)整裝置上的液壓缸工作，使夾緊裝置與管道一起沿橫向或縱向?qū)к夁\(yùn)動(dòng)，在傳感器和水下電視的監(jiān)控下使2個(gè)管道法蘭的對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)外典型管道對(duì)接機(jī)具的組成和作業(yè)情況進(jìn)行分析，綜合考慮深水管道安裝和操作的環(huán)境條件，提出了管道對(duì)接機(jī)具的總體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)管道對(duì)接機(jī)具的作業(yè)流程，對(duì)管道對(duì)接機(jī)具即軸向?qū)?zhǔn)工具和接應(yīng)工具的結(jié)構(gòu)進(jìn)了設(shè)計(jì)，分析了該對(duì)接機(jī)具的工作原理，為管道對(duì)接機(jī)具的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供了參考。

［1］王立權(quán)，王文明，趙冬巖，等.深海管道法蘭連接方案研究［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（10）：89－92.

［2］王立權(quán)，王文明，何寧，等.深海管道法蘭連接機(jī)具的設(shè)計(jì)與仿真分析［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31（5）：559－560.

［3］時(shí)黎霞，李志剛，趙冬巖，等.海底管道回接技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（5）：106－108.

［4］CORBETTA G，COX D S.Deepwater tie－ins of rigid lines：horizontal spools or vertical jumpers［J］.SPE Production ＆Facilities，2001，16（3）：145－150.

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Design of facilities for deep sea pipeline connection

Wang Liquan，Dong Jinbo，Zhang Lan
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin，Heilongjiang 150001，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 4，pp.75－78，4／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Facilities for pipeline connection are crucial for the connection of deep sea oil pipeline flanges.Considering the environment of deep－water pipeline installation and operation，the paper hereby proposes the overall design scheme for these facilities based on the study of the structure and the operation of such typical foreign facilities.First，facilities with hydaulic drive can better adapt to deepwater environment.Second，the hydraulic cylinder should be used as actuator while clamping，dragging and adjusting the pipeline with axial alignment tools and tie－in facilities.Third，the hydraulic power needed by the axial alignment tools should be carried by ROV，so as to ensure the supply of pressure oil.The paper designs the structure and analyzes the principles of facilities for pipeline connection，namely the axial alignment tools and tie－in facilities，in accordance with the work flow，which will provide a reference for the further design of such facilities.

deep sea pipeline，underwater tie－in technology，pipeline，interconnection facility，overall scheme，structure design，working principle

王立權(quán)等.深海管道回接對(duì)接機(jī)具設(shè)計(jì).天然氣工業(yè)，2012，32（4）：75－78.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.019

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（編號(hào)：2006AA09A105－4）。

王立權(quán)，1957年生，教授，博士生導(dǎo)師，博士；參與多項(xiàng)國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目研究；主要從事水下回接技術(shù)、水下作業(yè)裝備和仿生機(jī)器人技術(shù)研究工作。地址：（150001）黑龍江省哈爾濱市哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院海洋智能機(jī)械研究所逸夫館110室。電話：（0451）82589251，15636822960。E－mail：45440971＠qq.com

（修改回稿日期 2012－02－15 編輯 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.019

Wang Liquan，professor，born in 1957，holds a Ph.D degree.He has been involved in a number of national high－tech research and development programs（863 Program）and National Natural Science Foundation projects.He is mainly engaged in researches into underwater tie－in technologies，underwater operation facilities and biomimetic robotics.

Add：Room 110，Yifu Building，Institute of Offshore Intelligent Machines，College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin，Heilongjiang 150001，P.R.China

Tel：＋86－451－8258 9251 Mobile：＋86－15636822960 E－mail：145440971＠qq.com