李 斌，孟祥偉，馬天亮，甘惠良，魏作水，陳建長(zhǎng)

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

2.天津市精研工程機(jī)械傳動(dòng)有限公司，天津 300409

隨著海洋油氣資源開發(fā)的持續(xù)深入，海上油氣開采已逐漸向深海環(huán)境延伸，因此適用于深海環(huán)境下的工程裝備及施工技術(shù)引起業(yè)界的廣泛關(guān)注，尤其是針對(duì)深水海底管道鋪設(shè)的高效施工技術(shù)與裝備更成為關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。目前，國(guó)內(nèi)鋪管船進(jìn)行深水海底管道鋪設(shè)/棄管作業(yè)時(shí)，通常采用棄管回收連接裝置：一端，吊點(diǎn)與絞車鋼絲纜連接；另一端，鉤體與海底管道上的棄管封頭鋼絲繩扣連接，通過(guò)ROV水下作業(yè)，將棄管鋼絲繩扣從棄管回收連接裝置鉤體中脫出[2-4]。由于作業(yè)水深及船舶運(yùn)動(dòng)等因素的影響，其操作難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，且施工效率較低。因此，研發(fā)深水海底管道（以下簡(jiǎn)稱海管）棄管自動(dòng)脫扣技術(shù)與裝置具有重大價(jià)值。

陸上無(wú)線遠(yuǎn)程自動(dòng)脫扣技術(shù)與產(chǎn)品比較成熟，德國(guó)Elebia-Deutschland GmbH&Co.KG擁有設(shè)計(jì)專利的自動(dòng)起重機(jī)吊鉤，它的底部配有一塊磁鐵，能夠捕捉吊環(huán)或吊索。陸上無(wú)線遠(yuǎn)程自動(dòng)脫扣裝置通過(guò)鋰電池供電驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)軸齒輪驅(qū)動(dòng)吊鉤上的被動(dòng)齒輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)吊扣的開合[5]；受脫鉤機(jī)構(gòu)限制，其最大起重噸位不超過(guò)50 t。

水下無(wú)線遠(yuǎn)程遙控自動(dòng)脫扣裝置研究很少，自動(dòng)脫扣裝置在深海中應(yīng)用時(shí)，需要解決水密、水下遠(yuǎn)程通訊、控制機(jī)理等難題，使得裝置結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外該技術(shù)領(lǐng)域的調(diào)研分析，并結(jié)合深水鋪管作業(yè)的特點(diǎn)，本文提出了一種新型的深水海管棄管自動(dòng)脫扣裝置，用于解決施工過(guò)程中必須依賴ROV操作的難題，從而節(jié)省施工設(shè)備資源。

1 自動(dòng)脫扣裝置原理

深水海管棄管自動(dòng)脫扣裝置（如圖1）主要組成部分包括：安裝在鉤體內(nèi)部的連桿機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置和端部密封板，安裝在支撐鋼筒內(nèi)部的電氣轉(zhuǎn)換筒、聲吶接收傳感器，鉤體與支撐鋼筒通過(guò)連接卡箍連接。聲吶接收傳感器接收脫扣信號(hào)，通過(guò)電氣轉(zhuǎn)換筒、端部密封板水密接頭傳輸給驅(qū)動(dòng)裝置；驅(qū)動(dòng)裝置將離子電池電力轉(zhuǎn)換為液壓動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)液壓缸運(yùn)動(dòng)。該裝置在水下待機(jī)時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置處于待機(jī)狀態(tài)以減小功耗，液壓缸活塞桿伸出，使連桿機(jī)構(gòu)處于初始位置，當(dāng)水下通信裝置接收到脫扣信號(hào)后，實(shí)現(xiàn)棄管作業(yè)的自動(dòng)脫扣。

圖1 自動(dòng)脫扣裝置組成

深水海管棄管自動(dòng)脫扣裝置鉤體內(nèi)部設(shè)計(jì)有凹槽，凹槽內(nèi)部嵌有自動(dòng)脫扣液壓驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)（如圖2所示），當(dāng)液壓缸活塞桿回縮時(shí)，帶動(dòng)連桿Ⅱ同時(shí)進(jìn)行直線及繞油缸連接軸旋轉(zhuǎn)的組合運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿Ⅰ進(jìn)行繞連桿固定軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使掛在鉤頭內(nèi)部的鋼絲繩扣被連桿Ⅰ不斷從鉤頭的溝槽底部向外推出，直至完全將鋼絲繩扣與鉤頭脫開。脫扣作業(yè)完成后，施加反向驅(qū)動(dòng)力將液壓油缸活塞桿伸出，使自動(dòng)脫扣連桿機(jī)構(gòu)復(fù)位。因此，連桿機(jī)構(gòu)是脫扣裝置的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是能否實(shí)現(xiàn)成功脫扣的最重要部件。

圖2 連桿機(jī)構(gòu)組成

2 連桿機(jī)構(gòu)受力分析

對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的連桿Ⅰ、連桿Ⅱ及液壓缸活塞桿等主要承載構(gòu)件進(jìn)行受力分析，以確定動(dòng)力源對(duì)液壓油缸的驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的元件選型和設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。連桿機(jī)構(gòu)開始脫扣前的復(fù)位狀態(tài)定為初始位置，脫扣完成后的狀態(tài)定為終點(diǎn)位置，連桿機(jī)構(gòu)各狀態(tài)位置的參數(shù)設(shè)定如表1所示。連桿機(jī)構(gòu)的初始位置及終點(diǎn)位置受力簡(jiǎn)圖如圖3所示。連桿Ⅰ初始位置及終點(diǎn)位置與豎直方向（即運(yùn)動(dòng)方向） 夾角分別為β=49°、β′=165°；連桿Ⅰ初始位置及終點(diǎn)位置與連桿Ⅱ夾角分別為α=34°、α′=163°；連桿Ⅱ初始位置及終點(diǎn)位置與豎直方向夾角分別為 γ=15°、γ′=2°。

表1 連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)定

圖3 連桿機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖

根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖，在不考慮連桿機(jī)構(gòu)自重的情況下，根據(jù)力矩平衡原理得到如下關(guān)系：

根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡及鋼絲繩扣在鉤板內(nèi)位置可知，當(dāng)β≤90°時(shí)，外載荷F1完全由連桿機(jī)構(gòu)承擔(dān)；當(dāng)β＞90°時(shí)，鋼絲繩扣逐漸沿連桿Ⅰ向鉤板滑動(dòng)，外載荷F1由連桿機(jī)構(gòu)和鉤板共同承擔(dān)。因此，當(dāng)研究最大受力工況時(shí)，只考慮β≤90°時(shí)的情況，即 β∈[49°，90°]，此時(shí) α∈[34°，68°]，γ∈[15°，22°]。sin β·cosγ/sinα 值隨β角的變化趨勢(shì)圖如圖4所示。由圖可知，sin β·cosγ/sinα值隨β角增加而逐漸減小，當(dāng)β=49°時(shí)，sinβ·cosγ/sinα值最大為 1.304，此時(shí)液壓油缸驅(qū)動(dòng)力也最大，即F3，max=1.304F1。

圖 4 sinβ·cosγ/sinα 值隨 β角變化趨勢(shì)

3 連桿機(jī)構(gòu)脫扣試驗(yàn)及載荷分析

為驗(yàn)證深水海管棄管自動(dòng)脫扣裝置連桿機(jī)構(gòu)的脫扣效果，制造了一套簡(jiǎn)化的試驗(yàn)原理樣機(jī)，對(duì)此機(jī)構(gòu)的工作效果進(jìn)行驗(yàn)證，如圖5所示。試驗(yàn)裝置垂直起吊后保持自由狀態(tài)，此時(shí)底部鉤體基本保持垂直狀態(tài)，試驗(yàn)過(guò)程中整體結(jié)構(gòu)允許有輕微自由晃動(dòng)或傾斜。無(wú)載荷試驗(yàn)時(shí)，分鋼絲繩扣在鉤體前部和后部?jī)煞N工況分別進(jìn)行脫扣試驗(yàn)；帶載試驗(yàn)時(shí)，將鋼絲繩扣一端掛進(jìn)鉤體，繩扣另一端懸掛外載荷配重分別為1 270、4 500、5 980、9 200 N。在上述三種工況下分別進(jìn)行脫扣試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如圖6所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表2中。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

圖5 自動(dòng)脫扣連桿機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置

圖6 脫扣試驗(yàn)過(guò)程

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)工裝連桿機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)件自重約為125 N，為確定傳感器讀數(shù)與懸掛配重即驅(qū)動(dòng)力與外載荷之間的比例關(guān)系，將試驗(yàn)工裝連桿機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)件的自重從傳感器讀數(shù)中扣除，因此得到驅(qū)動(dòng)力與外載荷之間的數(shù)值關(guān)系如表3所示。

表3 驅(qū)動(dòng)力與外載荷關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，各種工況下經(jīng)多次試驗(yàn)均可保證成功脫扣。另外，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出最大驅(qū)動(dòng)力與外載荷的比例系數(shù)均值為1.214，根據(jù)上述理論計(jì)算結(jié)果，最大驅(qū)動(dòng)力與外載荷的比例系數(shù)為1.304，兩組系數(shù)相差僅6.9%，偏差較小。分析產(chǎn)生偏差的主要原因是在脫扣試驗(yàn)過(guò)程中，傳感器讀數(shù)的波動(dòng)及試驗(yàn)工裝輕微晃動(dòng)等因素產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)論

（1）在分析海底管道棄管工藝的基礎(chǔ)上，提出一種新型的連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)脫扣裝置，分析了其組成與工作原理，為深水海管棄管自動(dòng)脫扣裝置的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

（2）根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)動(dòng)路徑，對(duì)其受力進(jìn)行了理論分析，并得出最大驅(qū)動(dòng)力與外載荷之間的數(shù)值關(guān)系，確定了二者之間的理論比例系數(shù)，為深水海管棄管自動(dòng)脫扣裝置設(shè)計(jì)提供了理論支撐。

（3）對(duì)連桿機(jī)構(gòu)在各種典型工況下的脫扣效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果為均可成功脫扣。另外，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析，得到最大驅(qū)動(dòng)力與外載荷之間的比例系數(shù)，并與理論比例系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果基本一致。