李世平

(中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

根據(jù)管匯內(nèi)主管與海管的相對(duì)位置，可分為同軸型和垂直型。同軸型水下管匯的主管與海管中心線(xiàn)同軸，主管與海管尺寸一致，可與海管一起通球，是目前水下系統(tǒng)開(kāi)發(fā)常用的管匯形式；水下三通管匯屬于垂直型，水下三通管匯的主管尺寸一般都小于接入的海管，同時(shí)管匯主管也不能與接入海管一起進(jìn)行通球清管[1]。

水下管匯是采用重力式安裝的水下設(shè)備，常采用平整海床、重力壓載、吸力樁的方法進(jìn)行水下橇塊傾斜度的調(diào)平，采用水下液壓調(diào)平時(shí)需要考慮永久固定措施[2]。同軸型水下管匯與海管法蘭連接時(shí)采用膨脹彎，采用海底軟管時(shí)也可直接與管匯主管法蘭連接，但膨脹彎造價(jià)高。軟管連接時(shí)需要在軟管上綁扎浮袋，通過(guò)多次姿態(tài)調(diào)整實(shí)現(xiàn)軟管法蘭與管匯法蘭的精準(zhǔn)對(duì)接。水下管匯橇的安裝精度受到海床傾斜、海流、船舶穩(wěn)定性、吊裝技術(shù)的影響，海管法蘭坐標(biāo)確定后，水下管匯橇的安裝精度一般為軸向位移偏差±250 mm，徑向位移偏差±250 mm，海床造坑平整高度偏差±400 mm，水平角度偏差±5°，豎直角度偏差±3°。設(shè)計(jì)一套可實(shí)現(xiàn)多向調(diào)節(jié)的液壓系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整水下管匯主管位置實(shí)現(xiàn)管匯與海管直接連接，可減少施工時(shí)間及一個(gè)膨脹彎使用。

1 水下管匯橇設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 管匯設(shè)計(jì)

對(duì)南海約100 m水深的水下管匯與海管連接方案進(jìn)行研究，管匯工藝如圖1所示。管匯主管為DN700 mm，水下管匯與鋼制海管一端固定法蘭及旋轉(zhuǎn)法蘭配對(duì)，另一端采用旋轉(zhuǎn)法蘭與球法蘭配對(duì)，球法蘭的最大允許角度偏差為±7°，在正常的安裝工況下可抵消海床不平造成的影響。除了考慮管匯橇基礎(chǔ)外，需要增加相應(yīng)的管匯支撐和滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)上下、左右、前后的調(diào)節(jié)，如圖2所示，水下多向調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)管匯一端與海管直接連接。

圖1 管匯工藝圖

圖2 水下管匯橇模型

1.2 管匯調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

管匯橇結(jié)構(gòu)由底座、移動(dòng)框架、軸向移動(dòng)滑道、徑向移動(dòng)滑道、閥組等組成。液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)從下到上分為三層，即頂升、軸向滑移、徑向滑移。移動(dòng)框架需要滿(mǎn)足支撐軸向移動(dòng)滑道、徑向移動(dòng)滑道的功能，采用“日”字形框架，降低結(jié)構(gòu)框架高度。“日”字框架內(nèi)部嵌套“口”字框架(軸向滑道)，軸向滑道上布置橫向滑道，“日”字框架通過(guò)4個(gè)頂升液壓缸支撐在底座上，“口”字框架(軸向滑道)以“日”字框架為支撐設(shè)置軸向驅(qū)動(dòng)雙作用液壓缸，橫向滑道通過(guò)管卡與閥組固連，并以“口”字框架為支撐設(shè)置徑向驅(qū)動(dòng)雙作用液壓缸，整體結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

圖3 移動(dòng)框架及閥組圖

圖4 “日”字及“口”字框架圖

2 液壓載荷

2.1 基礎(chǔ)參數(shù)

液壓載荷的基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

2.2 負(fù)載特性

液壓推動(dòng)過(guò)程包括橇塊靜止、啟動(dòng)、加速及勻速運(yùn)動(dòng)，需要考慮的負(fù)載包括工作負(fù)載FW、慣性負(fù)載Fm及阻力負(fù)荷Ff，其中Fm取決于移動(dòng)部件的質(zhì)量和最大加速度。軸向和徑向推拉過(guò)程中，底部相對(duì)滑動(dòng)接觸面存在靜摩擦力Ffj和動(dòng)摩擦力Ffd[3]。

式(1)～式(6)中：FW為受液壓缸移動(dòng)的物體重量(N)；Fm為移動(dòng)部件的質(zhì)量和最大加速度的積(N)；Fm為橇塊移動(dòng)過(guò)程受到水黏滯力產(chǎn)生的阻力(N)；v為液壓缸內(nèi)活塞移動(dòng)速度(m/s)；d為液壓缸直徑，如表1中的d1、d2、d3(mm)；ΔV為靜止到啟動(dòng)的速度，取VΔ=v(m/s)；Δt為速度變化的時(shí)間，液壓?jiǎn)?dòng)換向時(shí)間tΔ為0.1 s(s)；M為物體質(zhì)量，如表1中的M1、M2、M3(kg)。

取液壓泵輸出流量Q=20 L/min，水阻力系數(shù)C=2，海水密度ρ=1100 kg/m3，重力加速度g=9.8 m/s3，橇塊與海流的相對(duì)速度V1=4 m/s。S為沿移動(dòng)方向的橇塊投影面積，移動(dòng)垂直投影面積S1約為60 m2，移動(dòng)軸向投影面積S2約為10 m2，移動(dòng)徑向投影面積S3約為10 m2；在鋼材與PTFE摩擦作用下，靜摩擦力N1=0.25，動(dòng)摩擦力N2=0.15，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 液壓負(fù)載表

多個(gè)液壓缸同時(shí)使用時(shí)，需考慮單個(gè)液壓缸承受所有載荷的工況及傾覆力矩的影響?？紤]安全余量，單個(gè)頂升液壓缸推力取1000 kN，拉力取500 kN；軸向液壓缸的推力和拉力均取250 kN；徑向液壓缸的推力和拉力均取200 kN。

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 液壓系統(tǒng)主要部件

液壓系統(tǒng)包含動(dòng)力、控制、執(zhí)行三個(gè)功能部分，主要由液壓站橇、液壓管總成、水下閥組橇、頂升液壓缸、軸向液壓缸、徑向液壓缸構(gòu)成。液壓油一般選用抗磨液壓油，長(zhǎng)期用于水下的液壓系統(tǒng)需要采用水基液壓油。液壓油箱用于儲(chǔ)油和散熱，可先根據(jù)液壓泵的額定流量計(jì)算油箱體積，再根據(jù)散熱要求對(duì)油箱容積進(jìn)行校核。油管材質(zhì)與液壓油兼容，同時(shí)耐海水腐蝕，可采用韌性較好的高壓軟管，其彎曲半徑小，有利于水下連接。

液壓站橇放置在船上，通過(guò)供、回油管組成的臍帶纜與置于水下橇塊上的水下閥組橇連接，每個(gè)水下液壓缸再與對(duì)應(yīng)閥門(mén)連接，通過(guò)單個(gè)閥門(mén)對(duì)應(yīng)一個(gè)液壓缸，實(shí)現(xiàn)液壓缸的同步或單獨(dú)控制，每個(gè)液壓缸油口配置一組雙向液壓閥，可實(shí)現(xiàn)液壓缸自鎖。當(dāng)液壓油在船上通過(guò)液壓管到達(dá)液控閥，再通過(guò)液控閥的換位可實(shí)現(xiàn)液壓缸頂升、軸向推動(dòng)、徑向推動(dòng)功能，通過(guò)準(zhǔn)確控制供油量，實(shí)現(xiàn)單個(gè)液壓缸的精確無(wú)級(jí)步進(jìn)。對(duì)頂升液壓缸，通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)缸體的頂升高度，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)橇塊的傾角調(diào)節(jié)。

3.2 液壓原理圖

為了達(dá)到調(diào)節(jié)對(duì)接的精準(zhǔn)度，液壓系統(tǒng)不但要滿(mǎn)足動(dòng)力傳遞，還需通過(guò)液壓執(zhí)行元件準(zhǔn)確控制其行進(jìn)速度、位移量。伺服控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精確控制，但需要配套高精度的測(cè)量元件及反饋系統(tǒng)。水下液壓控制系統(tǒng)由于無(wú)法提供水下電源，且信號(hào)在水中傳遞存在削弱和滯后性，無(wú)法采用伺服系統(tǒng)，橇塊移動(dòng)控制只能依靠潛水員查看或ROV觀(guān)察判斷。液壓系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

圖5 液壓系統(tǒng)原理圖

3.3 液壓系統(tǒng)多向調(diào)節(jié)方法

橇塊調(diào)平過(guò)程的動(dòng)作包括升降、進(jìn)退，有四種工況。

3.3.1 工況1：整橇調(diào)平和頂升

4個(gè)頂升液壓缸，分別為1號(hào)～4號(hào)，每個(gè)頂升液壓缸旁放置一把水平尺。橇塊坐底后，傾斜方向有三種情況：(1)整橇向主管匯軸向傾斜(1號(hào)水平尺傾斜，2號(hào)水平尺居中)；(2)整橇向主管徑向傾斜(1號(hào)水平尺居中，2號(hào)水平尺傾斜)；(3)整橇向其他方向傾斜(1號(hào)、2號(hào)水平尺均傾斜)。針對(duì)三種情況的液壓調(diào)節(jié)步驟如下：

(1)3號(hào)和4號(hào)液壓缸進(jìn)出口保壓，1號(hào)和2號(hào)液壓缸同時(shí)進(jìn)油，整橇以3號(hào)和4號(hào)液壓缸所在面為旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)，1號(hào)和2號(hào)液壓缸所在面直接升高，3號(hào)和4號(hào)液壓缸由于橇塊提升力的作用跟隨橇塊提起，繼續(xù)往1號(hào)和2號(hào)液壓缸充油，觀(guān)察1號(hào)水平尺，當(dāng)整橇面水平時(shí)，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)液壓缸進(jìn)出口保壓，調(diào)平完成。之后直接向4個(gè)液壓缸同時(shí)注入大流量液壓油，整橇緩慢上升，觀(guān)察兩對(duì)接法蘭面高度差在50 mm左右時(shí)，改用低流量供油調(diào)節(jié)，直至兩法蘭面中心高度基本重合時(shí)，提升完成。若橇塊與原海管軸線(xiàn)在垂直面上存在傾角，若原海管法蘭軸向傾角向上，則1號(hào)、2號(hào)液壓缸保壓，同時(shí)向3號(hào)、4號(hào)液壓缸注入低壓油，觀(guān)察直到兩法蘭軸線(xiàn)基本重合。

(2)1號(hào)、3號(hào)液壓缸進(jìn)出口保壓，2號(hào)、4號(hào)液壓缸同時(shí)進(jìn)油，整橇以1號(hào)、3號(hào)液壓缸所在面為旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)，2號(hào)、4號(hào)液壓缸所在面直接升高，繼續(xù)往2號(hào)、4號(hào)液壓缸充油，觀(guān)察2號(hào)水平尺，當(dāng)整橇面水平時(shí)，調(diào)平完成。之后直接向4個(gè)液壓缸同時(shí)注高壓油，整橇緩慢上升，觀(guān)察兩對(duì)接法蘭面高度差在50 mm左右時(shí)，改用小排量供油調(diào)節(jié)，直至兩法蘭面水平標(biāo)線(xiàn)基本重合時(shí)，提升完成。若出現(xiàn)提升高度過(guò)高，則需要整體反向供油微調(diào)節(jié)。

(3)假設(shè)1號(hào)點(diǎn)最高，4號(hào)點(diǎn)最低，1號(hào)液壓缸保壓，2號(hào)、3號(hào)液壓缸進(jìn)出口不帶壓，向4號(hào)液壓缸注入油(注，見(jiàn)下方)，當(dāng)4號(hào)和2號(hào)液壓缸直線(xiàn)上的水平尺居中時(shí)，向3號(hào)液壓缸分步驟分別注入低壓油；1號(hào)、2號(hào)液壓缸保壓，3號(hào)液壓缸進(jìn)出口不帶壓，向4號(hào)液壓缸注入油；當(dāng)1號(hào)、2號(hào)水平尺都居中時(shí)，1號(hào)、2號(hào)液壓缸保壓，向3號(hào)和4號(hào)液壓缸分步驟分別注入油。之后直接向4個(gè)液壓缸同時(shí)注高壓油，整橇緩慢上升，觀(guān)察兩對(duì)接法蘭面高度差在50 mm左右時(shí)，改用小排量供油調(diào)節(jié)，直至兩法蘭面水平標(biāo)線(xiàn)基本重合時(shí)，提升完成。若出現(xiàn)提升高度過(guò)高，則需要整體反向供油微調(diào)節(jié)。

注：若在調(diào)節(jié)4號(hào)液壓缸時(shí)，橇塊向2號(hào)傾斜，則觀(guān)察2號(hào)和4號(hào)液壓缸直線(xiàn)上的水平尺居中時(shí)，1號(hào)液壓缸保壓，3號(hào)液壓缸進(jìn)出口不帶壓，向2號(hào)、4號(hào)液壓缸同時(shí)注入油；當(dāng)1號(hào)、4號(hào)水平尺都居中時(shí)，1號(hào)、2號(hào)和4號(hào)液壓缸保壓，向3號(hào)液壓缸分步驟分別注入低壓油，溢流閥溢流說(shuō)明3號(hào)液壓缸觸底。之后直接向4個(gè)液壓缸同時(shí)注高壓油，整橇緩慢上升，觀(guān)察兩對(duì)接法蘭面高度差在50 mm左右時(shí)，改用小排量供油調(diào)節(jié)，直至兩法蘭面水平標(biāo)線(xiàn)基本重合時(shí)，提升完成。若出現(xiàn)提升高度過(guò)高，則需要整體反向供油微調(diào)節(jié)。

3.3.2 工況2：整橇徑向推移

向5號(hào)和6號(hào)液壓缸同時(shí)注入高壓油，推動(dòng)整橇向徑向推進(jìn)，當(dāng)兩法蘭軸線(xiàn)間間距約50 mm時(shí)，更換低壓進(jìn)油緩慢推進(jìn)，直到兩軸線(xiàn)基本重合，停止徑向調(diào)整。

3.3.3 工況3：整橇軸向推移

向7號(hào)和8號(hào)液壓缸同時(shí)注入高壓油，推動(dòng)整橇向原海管法蘭推進(jìn)，當(dāng)兩法蘭間間距約50 mm時(shí)，更換低壓進(jìn)油緩慢推進(jìn)，當(dāng)間距約20 mm時(shí)，停止軸向調(diào)整。

3.3.4 工況4：組合調(diào)整

當(dāng)工況1、工況2調(diào)整完成時(shí)，實(shí)施工況3操作，向7號(hào)和8號(hào)液壓缸同時(shí)注入低壓油，潛水員觀(guān)察兩法蘭面的相對(duì)情況，若發(fā)現(xiàn)高度傾角、徑向偏差、軸向偏差和轉(zhuǎn)角偏差時(shí)，相應(yīng)執(zhí)行工況1、工況2操作，注入低壓油，微調(diào)至法蘭間密封圈貼合，旋轉(zhuǎn)橇塊上的球法蘭，使螺栓孔對(duì)上并上緊螺栓，橇塊調(diào)平就位完成。

4 結(jié)論和建議

(1)采用水下液壓多向調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水下法蘭間的精確對(duì)接，節(jié)約一段膨脹彎的使用，對(duì)降低施工成本有顯著效果。水下多向調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)成功應(yīng)用于南海某大尺寸輸氣管的中間管匯橇，通過(guò)多向調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)法蘭連接零偏差，為大型水下橇塊調(diào)平對(duì)接提供借鑒。

(2)水下管匯就位區(qū)域應(yīng)平整且具有較好的承載能力。由于水下管匯的主管法蘭中心線(xiàn)距離泥面一般為600～800 mm，水下管匯底座置于泥面上時(shí)，需要設(shè)置支架抬高海管對(duì)接法蘭的高度，或者對(duì)管匯位置進(jìn)行吹坑，使管匯主管法蘭中心線(xiàn)貼近泥面。

(3)水下調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)與管匯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合考慮，一般垂直方向的調(diào)節(jié)行程控制在600～800 mm，平面調(diào)節(jié)行程約為500 mm，降低管匯頂升過(guò)程的傾覆力矩。

(4)水下液壓系統(tǒng)在長(zhǎng)期使用后容易出現(xiàn)滲漏，造成系統(tǒng)壓力降低、承載能力下降，使管匯載荷傳遞到海管，應(yīng)在液壓調(diào)節(jié)后采用絲杠等永久自鎖性結(jié)構(gòu)支撐管匯橇塊。