陳俊友，肖清軍，李剛，郝靜，李晶，姚輝

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

我國有豐富的深水海洋石油儲備，但在深水海洋石油裝備領(lǐng)域的研究起步較晚，與國外存在明顯差距，隨著國內(nèi)深水油氣田的開發(fā)建設(shè)，如何保證油氣安全輸送，是深水管道回接技術(shù)需要解決的問題。目前管道回接技術(shù)主要分為水下焊接、水下機械聯(lián)接、水下帶壓開孔，其中以水下機械聯(lián)接方法使用最為普遍。海底管道水下機械聯(lián)接技術(shù)根據(jù)是否需要人工潛水輔助回接可以分為有潛機械聯(lián)接和無潛機械聯(lián)接[1]。深水管道法蘭連接技術(shù)屬于無潛機械聯(lián)接，是將海底管道通過法蘭螺栓連接方式連接，實現(xiàn)管道鋪設(shè)的技術(shù)，該技術(shù)同樣可應(yīng)用于深水海管維修[2-3]。本文針對深水管道法蘭連接裝置現(xiàn)狀進行分析，對一種深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能進行分析，并對其工作流程進行介紹，以便為法蘭連接裝置的研究和應(yīng)用提供借鑒。

1 深水管道法蘭連接裝置研究現(xiàn)狀

1.1 國外水下法蘭連接裝置的發(fā)展

在深水海管法蘭連接機具研究和應(yīng)用領(lǐng)域，美國Sonsub公司和挪威Acergy公司技術(shù)和產(chǎn)品較為成熟，并均在實際工程中有過應(yīng)用[2]。

1）Sonsub公司的水下法蘭連接機具產(chǎn)品。

Sonsub公司水下法蘭連接機具產(chǎn)品BRUTUS系統(tǒng)如圖1所示，其由軸向?qū)?zhǔn)工具、螺栓庫、螺母庫和接應(yīng)工具組成，可實現(xiàn)海管法蘭拉近、軸向?qū)?zhǔn)、螺栓插入、螺母安裝和螺栓液壓拉伸等作業(yè)。BRUTUS系統(tǒng)最大工作水深和最大適應(yīng)海管管徑分別為3000 m和24 in[4-5]。2）Acergy公司的水下法蘭連接機具產(chǎn)品。

圖1 Sonsub公司BRUTUS系統(tǒng)

Acergy公司水下法蘭連接機具產(chǎn)品MATIS系統(tǒng)如圖2所示，其由螺栓倉、螺母倉、拉伸器倉、密封圈放置工具和H 架組成，可實現(xiàn)螺栓插入、螺母安裝和螺栓液壓拉伸等作業(yè)。MATIS系統(tǒng)最大工作水深和最大適應(yīng)海管管徑分別為3000 m和36 in[2]。

圖2 Acergy公司MATIS系統(tǒng)

1.2 國內(nèi)水下法蘭連接裝置的發(fā)展

國內(nèi)水下回接技術(shù)與裝備的研究起步較晚，在國家“十一五”“863”重大課題“深水海底管道鋪設(shè)技術(shù)”項目的支持下，由海油工程公司與哈爾濱工程大學(xué)對水下法蘭連接技術(shù)相關(guān)技術(shù)進行了研究，并取得一定的進展，但目前尚未有具有實際水下作業(yè)能力的回接系統(tǒng)裝備出現(xiàn)[4-5]。

2 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置如圖3所示，其由主框架結(jié)構(gòu)、橫向液壓桿結(jié)構(gòu)、螺栓卡具結(jié)構(gòu)、螺栓庫、法蘭卡具結(jié)構(gòu)、螺母卡具結(jié)構(gòu)組成。

圖3 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置主要結(jié)構(gòu)

2.1 主框架結(jié)構(gòu)組成

主框架結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括主框架、控制面板、下放導(dǎo)向槽、垂向升降液壓缸。

圖4 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置主框架結(jié)構(gòu)

1）主框架。作為整個裝置的承重和支撐結(jié)構(gòu)。

2）控制面板。作為水下機器人（Remote Operated Vehicle，簡稱ROV）與裝置的接口，配有液壓、電控等接口。

3）下放導(dǎo)向槽。作裝置下放至海管作業(yè)支持平臺就位導(dǎo)向，可在插入至海管維修作業(yè)支持平臺上的導(dǎo)向柱，從而引導(dǎo)裝置下放至海管維修作業(yè)支持平臺就位。

4）垂向升降液壓缸。在液壓驅(qū)動下可帶動支撐桿結(jié)構(gòu)及法蘭卡具結(jié)構(gòu)升降。

2.2 螺栓卡具結(jié)構(gòu)

螺栓卡具結(jié)構(gòu)如圖5所示，具體包括支撐框架、螺栓卡盤橫向行走液壓缸、螺栓卡盤、螺栓螺母轉(zhuǎn)動驅(qū)動馬達、螺栓卡盤抱臂、螺栓卡盤抱臂開合液壓缸、螺栓螺母轉(zhuǎn)動驅(qū)動板、螺栓庫掛鉤、螺栓庫掛鉤開合液壓缸。

圖5 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置螺栓卡具結(jié)構(gòu)

1）支撐框架。作為螺栓卡具結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)框架，承受其結(jié)構(gòu)重力。

2）螺栓卡盤橫向行走液壓缸。可在液壓驅(qū)動下，帶動螺栓卡盤行走，以便螺栓螺母轉(zhuǎn)動驅(qū)動板頂緊或退出與螺栓庫螺母接觸。

3）螺栓卡具固定板。使螺栓卡具結(jié)構(gòu)固定在橫向液壓桿結(jié)構(gòu)上。

4）螺栓卡盤。作為支撐結(jié)構(gòu)，螺栓螺母轉(zhuǎn)動驅(qū)動馬達在其上均勻分布。

5）螺栓螺母轉(zhuǎn)動驅(qū)動馬達?？稍谝簤候?qū)動下帶動螺栓螺母轉(zhuǎn)動驅(qū)動板轉(zhuǎn)動。

6）螺栓卡盤抱臂?？稍诼菟ūP抱臂開合液壓缸帶動下進行開合，以便螺栓卡具結(jié)構(gòu)抱緊或脫離海管。

7）螺栓卡盤抱臂開合液壓缸?？稍谝簤候?qū)動下帶動螺栓卡盤抱臂開合。

8）螺栓庫頂緊導(dǎo)向孔。固定螺栓庫頂緊導(dǎo)向桿至螺栓卡盤抱臂上，從而可通過螺栓卡盤抱臂帶動螺栓庫進行開合完成螺栓庫抱緊或脫離海管。

9）螺栓螺母轉(zhuǎn)動驅(qū)動板。由螺栓螺母轉(zhuǎn)動驅(qū)動馬達帶動螺母旋進驅(qū)動桿旋轉(zhuǎn)，從而完成螺栓庫上的螺母在進行拉伸時拉伸器側(cè)的螺母旋進螺栓。

10）螺栓庫掛鉤。將螺栓庫掛銷掛住并鎖死，以便螺栓庫能隨主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸、螺栓卡具結(jié)構(gòu)一起上下移動。

11）螺栓庫掛鉤開合液壓缸。在液壓驅(qū)動下，帶動螺栓庫掛鉤開合。

2.3 橫向液壓桿結(jié)構(gòu)

橫向液壓桿結(jié)構(gòu)如圖6所示，具體包括橫向液壓桿、限位固定板、螺栓卡具結(jié)構(gòu)行走液壓缸、螺栓卡具結(jié)構(gòu)固定支撐板、螺栓卡具結(jié)構(gòu)行走位置標(biāo)記桿、螺母卡具結(jié)構(gòu)固定支撐板、螺母卡具結(jié)構(gòu)行走液壓缸。

圖6 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置橫向液壓桿結(jié)構(gòu)

1）橫向液壓桿。作為螺栓卡具結(jié)構(gòu)、法蘭卡具結(jié)構(gòu)和螺母卡具結(jié)構(gòu)的支撐桿件，承受其重力。

2）限位固定板。作為固定兩根橫向液壓桿的結(jié)構(gòu)板，同時與主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸其中之一連接，控制兩根橫向液壓桿同時升降移動。

3）螺栓卡具結(jié)構(gòu)行走液壓缸。能在液壓驅(qū)動下帶動螺栓卡具結(jié)構(gòu)在橫向液壓桿上做橫向移動，達到將螺栓庫的螺栓插入至法蘭的目的。

4）螺栓卡具結(jié)構(gòu)固定支撐板。將螺栓卡具結(jié)構(gòu)固定在橫向液壓桿上。

5）螺栓卡具結(jié)構(gòu)行走位置標(biāo)記桿。其上有刻度顯示，以便ROV監(jiān)控螺栓卡具結(jié)構(gòu)在將螺栓庫的螺栓插入法蘭時行走的距離。

6）螺母卡具結(jié)構(gòu)固定支撐板。將螺母卡具結(jié)構(gòu)固定在橫向液壓桿上。

7）螺母卡具結(jié)構(gòu)行走液壓缸。能在液壓驅(qū)動下，帶動螺母卡具結(jié)構(gòu)在橫向液壓桿上做橫向移動，將螺母頂緊至螺栓庫的螺栓上。

2.4 螺栓庫

螺栓庫如圖7所示，具體包括螺栓、螺栓庫掛銷、螺栓庫固定板、螺母旋進驅(qū)動桿、螺栓庫頂緊導(dǎo)向桿、螺栓張緊器。

圖7 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置螺栓庫結(jié)構(gòu)

1）螺栓。為海管法蘭螺栓。

2）螺栓庫掛銷。掛在螺栓卡具結(jié)構(gòu)的螺栓庫掛鉤上。

3） 螺 栓庫固定板。作為螺栓的主結(jié)構(gòu)支撐，螺栓及螺栓張緊器均在其上分分布并固定。

4） 螺 母旋進驅(qū)動桿?？稍诼菟ň呓Y(jié)構(gòu)的螺栓螺母轉(zhuǎn)動驅(qū)動板旋轉(zhuǎn)帶動下，完成螺栓庫上的螺栓張緊器側(cè)的螺母旋進螺栓。

5）螺栓庫頂緊導(dǎo)向桿?？刹迦肼菟ň呓Y(jié)構(gòu)的螺栓庫頂緊導(dǎo)向孔中，被螺栓卡具結(jié)構(gòu)的卡盤抱臂帶動螺栓庫進行開合，完成螺栓庫抱緊或脫離海管。

6）螺栓張緊器。待螺栓完成插入和螺母安裝后，可在液壓驅(qū)動下對螺栓進行液壓拉伸。

2.5 法蘭卡具結(jié)構(gòu)

法蘭卡具結(jié)構(gòu)如圖8所示，具體包括卡具支持框架、卡具吊點、法蘭卡槽行走液壓缸、法蘭卡槽。

圖8 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置法蘭卡具結(jié)構(gòu)

1）卡具支持框架。作為法蘭卡具結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)框架，安裝在橫向液壓桿上，兩根橫向液壓桿貫穿其中。

2）卡具吊點。與主框架結(jié)構(gòu)的左右兩根垂向升降液壓缸連接，通過垂向升降液壓缸升降，帶動法蘭卡具結(jié)構(gòu)升降，從而實現(xiàn)對法蘭組對和螺孔對中。

3）法蘭卡槽行走液壓缸。可在液壓驅(qū)動下，帶動法蘭卡槽卡緊或脫離海管法蘭操縱球柄。

4）法蘭卡槽。將法蘭球柄包裹在其中，通過法蘭球柄帶動法蘭隨法蘭卡具左右上下一起運動，完成法蘭組對和螺孔對中。

2.6 螺母卡具結(jié)構(gòu)

螺母卡具結(jié)構(gòu)如圖9所示，具體包括液壓閥箱、油補器、螺母卡具固定板、螺母卡套、螺母卡盤、螺母卡盤抱臂開合液壓缸、螺母卡盤抱臂、螺母卡盤驅(qū)動馬達。

圖9 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置螺母卡具結(jié)構(gòu)

1）液壓閥箱。作為整個裝置的液壓閥存貯箱。

2）油補器。平衡液壓閥箱和深水海水壓力的壓差影響。

3）螺母卡具固定板。與橫向液壓桿上的螺母卡具固定支撐板連接，將螺母卡具結(jié)構(gòu)固定在橫向液壓桿上。

4）螺母卡套。用于將螺母臨時卡住，以便在裝置下放至海底時螺母不會脫落。

5）螺母卡盤。作為主支撐結(jié)構(gòu)，螺母卡套在其上均勻分布。

6）螺母卡盤抱臂開合液壓缸?？稍谝簤候?qū)動下，帶動螺母卡盤抱臂開合。

7）螺母卡盤抱臂?？稍诼菽缚ūP抱臂開合液壓缸帶動下開合，進行抱緊或脫離海管。

8）螺母卡盤驅(qū)動馬達?？稍谝簤候?qū)動下，帶動螺母卡套轉(zhuǎn)動，完成螺母旋進螺栓。

3 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置作業(yè)流程

本裝置涉及3個作業(yè)階段，即準(zhǔn)備階段、實施階段、回收階段，以下將就3個作業(yè)階段逐一進行分析。

3.1 準(zhǔn)備階段

在下放深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置至海管就位之前，在甲板上將螺栓庫放置在螺栓卡具結(jié)構(gòu)下方，確保螺栓庫固定板與螺栓庫安裝導(dǎo)向槽對齊；控制主框架結(jié)構(gòu)垂向升降液壓缸下放橫向液壓桿和法蘭卡具結(jié)構(gòu)，將螺栓庫裝入螺栓卡具結(jié)構(gòu)中；啟動螺栓卡具結(jié)構(gòu)上的螺栓庫掛鉤，將螺栓庫掛銷掛住鎖死；啟動螺栓卡盤橫向行走液壓缸，控制螺栓卡盤行走，分別使螺栓庫頂緊導(dǎo)向孔和螺栓螺母轉(zhuǎn)動驅(qū)動板頂住螺栓庫上的螺栓庫頂緊導(dǎo)向桿和螺母旋進驅(qū)動桿；啟動螺栓卡盤抱臂開合液壓缸，操縱螺栓卡盤抱臂完全打開，并通過螺栓卡具結(jié)構(gòu)的卡盤抱臂帶動螺栓庫完全打開；啟動螺母卡盤抱臂開合液壓缸，將螺母卡盤抱臂完全打開；啟動法蘭卡槽行走液壓缸，操縱法蘭卡槽完全打開；分別啟動橫向液壓桿螺栓卡具行走液壓缸和螺母卡具行走液壓缸，使螺栓卡具結(jié)構(gòu)和螺母卡具結(jié)構(gòu)分別退至距離法蘭卡具結(jié)構(gòu)最遠的初始位置。啟動主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸提升橫向液壓桿和法蘭卡具結(jié)構(gòu)至最頂端的初始位置；連接裝置吊索具至吊機吊鉤上，此時裝置具備下放條件。

3.2 實施階段

下放深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置，ROV協(xié)助主框架結(jié)構(gòu)下放導(dǎo)向槽順利進入海管維修作業(yè)支持平臺的導(dǎo)向柱；待裝置在海管維修作業(yè)支持平臺上完成就位后，ROV解開吊機吊鉤；啟動主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸下放橫向液壓桿和法蘭卡具結(jié)構(gòu)，并在過程中監(jiān)控垂向位置標(biāo)識桿上的距離標(biāo)記，確保螺栓卡具結(jié)構(gòu)、法蘭卡具結(jié)構(gòu)、螺母卡具結(jié)構(gòu)平穩(wěn)地下放至海管和法蘭上進行就位；啟動螺栓卡盤抱臂開合液壓缸，操縱螺栓卡盤抱臂關(guān)閉，并通過螺栓卡盤抱臂的卡盤抱臂帶動螺栓庫完全關(guān)閉抱緊海管，啟動螺母卡盤抱臂開合液壓缸，將螺母卡盤抱臂完全關(guān)閉抱緊海管；啟動法蘭卡槽行走液壓缸，操縱法蘭卡槽完全包裹住海管法蘭的操作球柄；啟動主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸，通過主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸上升，將法蘭卡具連同海管法蘭向上提起進行法蘭組對螺孔對中；對中成功后，分別啟動螺栓卡具行走液壓缸和螺母卡具行走液壓缸，將螺栓插入至法蘭孔中，插入過程中監(jiān)控螺栓卡具行走位置標(biāo)記桿行走距離讀數(shù)；完成螺栓插入法蘭后，啟動螺母卡套頂住螺栓并啟動螺母卡套驅(qū)動馬達將螺母旋進至螺栓中；完成螺母安裝后，啟動螺栓張緊器進行螺栓拉伸，然后啟動螺栓螺母轉(zhuǎn)動驅(qū)動馬達，完成螺栓庫上的螺母旋進安裝。

3.3 回收階段

啟動主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸下放橫向液壓桿和法蘭卡具結(jié)構(gòu)，并在過程中監(jiān)控垂向位置標(biāo)記桿上的距離標(biāo)記，確保螺栓卡具結(jié)構(gòu)、法蘭卡具結(jié)構(gòu)、螺母卡具結(jié)構(gòu)平穩(wěn)地下放至法蘭組對前的高度；啟動螺栓卡具結(jié)構(gòu)上的螺栓庫掛鉤，將螺栓庫掛銷脫離；啟動螺栓卡盤橫向行走液壓缸，控制螺栓卡盤撤出螺栓庫，分別使螺栓庫頂緊導(dǎo)向孔螺栓螺母轉(zhuǎn)動驅(qū)動板脫離螺栓庫上的螺栓庫頂緊導(dǎo)向桿和螺母旋進驅(qū)動桿；啟動螺栓卡盤抱臂開合液壓缸，操縱螺栓卡盤抱臂完全打開；啟動螺母卡具行走液壓缸，使螺母卡具結(jié)構(gòu)與螺栓脫離接觸。啟動螺母卡盤抱臂開合液壓缸，將螺母卡盤抱臂完全打開；啟動法蘭卡槽行走液壓缸，操縱法蘭卡槽完全打開；分別啟動橫向液壓桿螺栓卡具行走液壓缸和螺母卡具行走液壓缸，使螺栓卡具結(jié)構(gòu)和螺母卡具結(jié)構(gòu)分別退至距離法蘭卡具結(jié)構(gòu)最遠的初始位置。啟動主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸，提升橫向液壓桿和法蘭卡具結(jié)構(gòu)至最頂端的初始位置；ROV水下連接吊索具至吊機吊鉤，吊機回收裝置至甲板。

4 結(jié)語

深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置技術(shù)目前主要為國外幾個公司所掌握，本文介紹了國內(nèi)海管法蘭組對及螺栓安裝裝置的結(jié)構(gòu)組成及工作流程，打破國外技術(shù)壟斷，推進了國內(nèi)深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置技術(shù)的發(fā)展。文中介紹的我國首套深水海管應(yīng)急搶修系統(tǒng)中深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置的結(jié)構(gòu)組成及工作流程，可為國內(nèi)類似裝置研究提供參考和借鑒。