鄭松賢，趙剛，李秀乾，羅召

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

清管是管道投產(chǎn)前或運(yùn)行中的一項(xiàng)重要工作[1]，對新鋪海底管道投產(chǎn)前進(jìn)行清管不僅可以清除管道內(nèi)的小型雜物，保證投產(chǎn)后海底管道輸送介質(zhì)純凈度，還可以檢測海底管道在安裝過程中是否產(chǎn)生損壞[2]。由于清管時(shí)，需要向管內(nèi)發(fā)射多個(gè)球，因此，收球工作也是其中的重要內(nèi)容。

目前，對海底管道清管通常采用網(wǎng)兜或者常規(guī)收球筒收球。在網(wǎng)兜收球過程中，由于清管球速度過快，對收球網(wǎng)兜造成較大的沖擊力，可能出現(xiàn)清管球飛出網(wǎng)兜，從而導(dǎo)致飛出的球無法正?；厥眨涣硗?，清管球飛出會造成人員及設(shè)備財(cái)產(chǎn)損失。綜上，網(wǎng)兜收球存在安全隱患。而常規(guī)收球筒雖然安全，但無法觀察到清管球的到達(dá)情況，需要多次開蓋查看。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種海管清管多球收球筒，其不僅能夠?qū)⑶骞芮蚴杖胪仓?，解決了收球筒的安全和操控性問題；而且，還能夠觀察清管球的到達(dá)情況，便于水下機(jī)器人和收球人員觀測，避免了常規(guī)收球筒需要多次開蓋查看的麻煩；同時(shí)，能夠方便、快速取出清管球；并能夠根據(jù)海底管道清管要求，一次收取多個(gè)清管球，大大提高了清管效率。

1 傳統(tǒng)收球方式

1.1 網(wǎng)兜收球

利用網(wǎng)兜的緩沖作用進(jìn)行收球，此種收球方式簡便易行，可應(yīng)用于球速較慢的情況。但是，當(dāng)在管道內(nèi)存在氣體且被壓縮時(shí)，清管球最終的球速可能會很快，網(wǎng)兜收球就會存在安全隱患。如圖1 所示，海底管道（以下簡稱“海管”）鋪設(shè)過程中預(yù)先放置1個(gè)或2個(gè)阻水球，阻水球之間由于充滿空氣而使海水無法進(jìn)入。清管過程中會造成空氣壓縮，清管球速度過快，從而飛出，造成網(wǎng)兜破裂，無法正常收球，同時(shí)飛出的清管球?qū)θ藛T和設(shè)備安全構(gòu)成威脅。

圖1 網(wǎng)兜收球示意

1.2 傳統(tǒng)收球筒

傳統(tǒng)收球筒如圖2 所示，由于傳統(tǒng)收球筒的安全性較高，被廣泛應(yīng)用于收球作業(yè)。但傳統(tǒng)收球筒需用快開盲板或盲法蘭進(jìn)行密閉：快開盲板方便開啟但造價(jià)太貴，成本太高；盲法蘭成本低，但由于螺栓太多，開啟十分不便[3-4]。同時(shí)，如果收球筒未安裝過球指示器，傳統(tǒng)收球筒也無法及時(shí)判斷出清管球的到達(dá)情況。

圖2 傳統(tǒng)收球筒示意

綜上所述，為了克服傳統(tǒng)收球技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)研制了一種安全、便捷的海管清管多球收球筒。

2 海管清管多球收球筒

在水下的實(shí)際應(yīng)用中，為了方便觀察收球情況，在傳統(tǒng)多球收球筒的基礎(chǔ)上，兩側(cè)開矩形觀察孔，如圖3 所示。

圖3 海管清管多球收球筒實(shí)物

圖4 為PY34-1 項(xiàng)目水下ROV 觀察該收球筒作業(yè)情況。

圖4 PY34-1 項(xiàng)目水下ROV 觀察收球筒作業(yè)情況

3 改進(jìn)的海管清管多球收球筒

改進(jìn)的海管清管多球收球筒如圖5、6 所示。

圖5 改進(jìn)的海管清管多球收球筒示意圖

圖6 改進(jìn)的海管清管多球收球筒實(shí)物照片

在設(shè)計(jì)過程中考慮了如下因素：

（1）設(shè)計(jì)的收球筒為金屬結(jié)構(gòu)，可直接通過法蘭或者焊接連接到海管上，抗沖擊能力強(qiáng)。通過強(qiáng)度計(jì)算，選擇合適壁厚的材料；同時(shí)，選用橢圓封頭，增強(qiáng)耐沖擊性能[5-10]。

（2）傳統(tǒng)收球筒需要開蓋查看清管球的到達(dá)情況，無法直觀查看，浪費(fèi)大量時(shí)間。設(shè)計(jì)可視窗口，可視窗口既能排水也能夠觀察到清管球的到達(dá)情況，方便簡單。

（3）傳統(tǒng)收球筒是通過打開快開盲板或者盲法蘭進(jìn)行收球，快開盲板成本較高，開啟方便；盲法蘭成本低，但開啟十分不便。設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)側(cè)開柵欄門結(jié)構(gòu)，能夠很好地解決收球問題，只需要抽出鎖/開銷軸就能打開收球筒，簡單快捷。

（4）整個(gè)收球筒強(qiáng)度經(jīng)過計(jì)算，安全可靠，并選擇合適材料，保證了收球筒的輕便性；同時(shí)材質(zhì)為普通碳鋼，取材方便，造價(jià)低廉。

4 收球筒強(qiáng)度計(jì)算

為確保收球筒能安全穩(wěn)定地使用，同時(shí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、盡量減少耗材，使用ANSYS 軟件進(jìn)行收球筒強(qiáng)度計(jì)算。

4.1 建立模型

根據(jù)DNV 標(biāo)準(zhǔn)，清管過程中清管球的速度控制在0.5 ～1.0 m/s，考慮到管道中存在氣體并處于壓縮狀態(tài)，清管球進(jìn)入收球筒時(shí)會有加速過程，清管球速度按照1m/s 和5m/s 分別計(jì)算，管徑取12 in（1 in=25.4 mm）。

清管球簡化為直徑307 mm、高度450 mm、質(zhì)量為30 kg 的圓柱體，模型如圖7 所示。

圖7 清管球模型

收球筒模型下部直徑12 in，上部直徑16 in。將壁厚設(shè)定為12、10、8 mm 分別進(jìn)行模擬計(jì)算。

4.2 算例（壁厚取12mm）

此算例的模擬計(jì)算結(jié)果如下：

4.2.1 球速為5 m/s 時(shí)

當(dāng)清管球速度為5 m/s 時(shí)，收球筒應(yīng)力分布如圖8所示。清管球與收球筒相撞的瞬間，收球筒頂部應(yīng)力最大，達(dá)到261.6 MPa，小于收球筒材料的屈服應(yīng)力（345 MPa 左右）。

圖8 球速5 m/s 時(shí)收球筒應(yīng)力分布/Pa

清管球撞擊收球筒后向相反方向彈開，在收球筒開孔部位應(yīng)力最大，為236.1MPa，存在應(yīng)力集中情況，根據(jù)具體情況在此部位進(jìn)行局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)。收球筒強(qiáng)度能夠滿足要求。

4.2.2 球速為1 m/s 時(shí)

當(dāng)清管球速度為1 m/s 時(shí)，收球筒應(yīng)力分布如圖9 所示。清管球與收球筒相撞的瞬間開孔部位應(yīng)力最大，達(dá)到43.8 MPa，遠(yuǎn)小于收球筒材料的屈服應(yīng)力。收球筒強(qiáng)度滿足要求。

圖9 球速1 m/s 時(shí)收球筒應(yīng)力分布/Pa

4.3 取各種壁厚的計(jì)算結(jié)果匯總

收球筒強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表1 計(jì)算結(jié)果匯總

收球筒材料屈服應(yīng)力在345 MPa 左右，由表1可知，當(dāng)球速為5 m/s 時(shí)，壁厚為12 mm 和10 mm收球筒的強(qiáng)度均滿足要求，而壁厚8 mm 的收球筒強(qiáng)度不夠。

5 結(jié)束語

為解決網(wǎng)兜收球不安全、傳統(tǒng)收球筒操作不便且造價(jià)高的問題，設(shè)計(jì)了新型多球清管收球筒。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算保證了安全性能，可視窗口設(shè)計(jì)便于排液和觀察，旋轉(zhuǎn)側(cè)開柵欄門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使收球操作更加方便，碳鋼材質(zhì)、無收球筒快開盲板大幅降低了制造成本。