深海管道法蘭連接方案研究

摘 要

摘要：法蘭式連接是深水海底管道常用的機(jī)械連接方式，也是海底管道回接技術(shù)急需解決的課題。為此，她深海管道法蘭連接機(jī)具的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，對比了典型法蘭連接機(jī)具的特點(diǎn)，通過
摘要：法蘭式連接是深水海底管道常用的機(jī)械連接方式，也是海底管道回接技術(shù)急需解決的課題。為此，她深海管道法蘭連接機(jī)具的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，對比了典型法蘭連接機(jī)具的特點(diǎn)，通過分析國外典型機(jī)具(包括國外機(jī)具的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理)，提出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三瓣式深海管道法蘭連接機(jī)具的結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)了機(jī)具連接作業(yè)過程方案。該研究成果對于追蹤國外先進(jìn)科技，為機(jī)具進(jìn)步設(shè)計(jì)提供依據(jù)和提高我國深水回接作業(yè)水平具有一定意義。
關(guān)鍵詞：深海管道鋪設(shè)；法蘭連接技術(shù)；機(jī)具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；水下作業(yè)；方案；連接作業(yè)過程
    對油氣資源需求量越來越大的今天，人們正在將目光投向海洋。全球海上油氣資源大約有44%儲存在海平面300m以下的深水海域。中國海洋石油總公司正在建造3000m深水鋪管船，在“十一五”期間要建成3000m海底管道敷設(shè)能力。因此，在海洋石油走向深水的發(fā)展趨勢下[1]，水下自動(dòng)化作業(yè)機(jī)具的研制具有重大現(xiàn)實(shí)意義。
    水深500m左右的淺水海底管道大多是通過潛水員直接操縱或以水下密封艙作為作業(yè)空間實(shí)施連接。而深水區(qū)域海底管道的連接方法大都是機(jī)械連接方法[2]，大致可以分為3種：卡爪式連接、夾具式連接和法蘭式連接。法蘭式連接是常用機(jī)械連接方式，是當(dāng)前海洋探索研究的管道回接方式之一[3]。針對深海管道法蘭連接技術(shù)，著重介紹其作業(yè)機(jī)具的發(fā)展現(xiàn)狀，并對其工作原理進(jìn)行總結(jié)，以便為法蘭連接機(jī)具的研制提供研究思路。
1 深海管道法蘭連接技術(shù)
1.1 水下法蘭連接技術(shù)概述
水下回接是深海管道敷設(shè)重要組成部分。水下回接技術(shù)是指將新開發(fā)的生產(chǎn)管道并入已建的管網(wǎng)，充分利用已建設(shè)施，使邊際小油田開發(fā)變得經(jīng)濟(jì)有效，其主要內(nèi)容包括：管道與平臺的連接、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。深海管道法蘭連接技術(shù)屬于水下回接技術(shù)，是將海底管道通過法蘭螺栓連接方式連接，實(shí)現(xiàn)管道敷設(shè)的技術(shù)[4]。深海管道法蘭連接機(jī)具是應(yīng)用于海底管道水下作業(yè)技術(shù)的一種特種機(jī)具。機(jī)具可以完成海底管道的法蘭連接，是回接過程的最后一步。其同時(shí)可以應(yīng)用于水下維修，適合于各類海區(qū)和不同水深的作業(yè)要求[5]。因?yàn)闈撍畣T在深水海底不能直接施工，只有在水下機(jī)器人ROV(Remotely Operated Vehicle)的輔助下作業(yè)，同時(shí)深海又具有高靜壓、腐蝕等特性，導(dǎo)致深海管道法蘭連接機(jī)具設(shè)計(jì)具有很大難度。設(shè)計(jì)出遠(yuǎn)程操控的法蘭連接機(jī)具將大大提高我國在水下回接的技術(shù)水平。
1.2 典型法蘭連接機(jī)具
    在深海管道法蘭連接機(jī)具的研究和應(yīng)用領(lǐng)域中，美國Sonsub公司、挪威Acergy公司和瑞士的Allseas Group公司均擁有相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品。其中Sonsub公司和Acergy公司的深海管道法蘭連接機(jī)具最具有代表性，并都有實(shí)際工程應(yīng)用。
    1) Sonsub公司水下管道連接BRUTUS系統(tǒng)[6～7]的法蘭連接機(jī)具如圖1所示。法蘭連接機(jī)具由兩部分構(gòu)成，分別是螺栓插入張緊機(jī)具BITT(Bolt Inseration and Tensioning T001)和螺母庫NM(NUT Magazine)。圖1-a為螺栓插入張緊機(jī)具，用于攜帶連接法蘭的螺栓；圖1-b為攜帶螺母的螺母庫。螺栓插入張緊機(jī)具和螺母庫上安裝有ROV接口模塊，ROV可以攜帶螺栓插入張緊工具和螺母庫在水下運(yùn)動(dòng)，并向螺栓插入張緊工具和螺母庫提供動(dòng)力和控制信號，同時(shí)將反饋信號傳遞給工作母船。為了方便水下操作，螺栓插入張緊工具和螺母庫上安裝有浮力材料，使其處于零浮力狀態(tài)。機(jī)具對孔操作由水下電視監(jiān)測，通過視覺觀察不斷
調(diào)整誤差，完成對孔作業(yè)。對螺栓預(yù)緊力監(jiān)測采用傳感器，以便精確控制預(yù)緊力。2000年在挪威外海400m深處完成了406.4mm管道法蘭的連接和254.0mm軟管法蘭的連接。該機(jī)具最大工作水深是3000m，最大連接管徑是609.6mm，適用于API標(biāo)準(zhǔn)法蘭。
 
    2) Acergy公司的MATIS系統(tǒng)陪93法蘭連接機(jī)具如圖2所示。該機(jī)具結(jié)構(gòu)是一體的，所有功能部件都安裝在外框架上，包括螺栓插入功能部件、螺母擰緊功能部件、機(jī)械手和一個(gè)存儲螺栓、螺母、密封墊片的機(jī)具倉等。采用模塊化設(shè)計(jì)可依據(jù)連接管道尺寸、工作水深和連接管道形式的不同采用不同的組合方式。螺栓插入功能部件和螺母擰緊功能部件被安裝在一個(gè)滑動(dòng)梁上，在液壓缸的推動(dòng)下螺栓插入功能部件和螺母擰緊功能部件可沿著滑梁移動(dòng)，完成螺栓插入等動(dòng)作。法蘭連接機(jī)具上設(shè)置ROV接口和浮力塊，整套機(jī)具可由ROV水下攜帶，并從ROV獲得動(dòng)力和控制信號。ROV可以在工作母船上安裝到連接機(jī)具上，也可以在水下與連接機(jī)具結(jié)合。對孔操作由水下電視監(jiān)測，通過視覺觀察不斷調(diào)整誤差，完成對孔作業(yè)。該機(jī)具裝有一個(gè)存儲螺栓、螺母和密封墊片的機(jī)具倉，攜帶的螺栓、螺母和密封墊片數(shù)量能夠滿足三對法蘭的連接，所以一次下水可以進(jìn)行多次連接，并減少了由于螺栓、螺母或墊片跌落造成的連接失敗概率。
    Acergy公司對法蘭連接機(jī)具的研究起于1994年，機(jī)具具有更多的工程應(yīng)用和更深的水下工作記錄。第一次應(yīng)用于1999年，在挪威為Statoil公司(挪威國家石油公司)完成了一個(gè)228.6mm管道法蘭的連接，水深98m。2000年10月又為Statoil公司在北海的Gullfaks完成了558.8～609.6mm管道法蘭的連接，水深215m。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，管道法蘭尺寸為228.6～330.2mm，最大水深達(dá)到1400m，連接形式包括管道與平臺的連接、管道與立管的連接等。Acergy法蘭連接機(jī)具的最大工作水深達(dá)3000m，可連接管徑范圍是101.6～914.4mm，適用于API和ANSI標(biāo)準(zhǔn)法蘭。
    綜上所述，目前深海法蘭連接機(jī)具技術(shù)只掌握在國外少數(shù)大公司手中，而國內(nèi)較少有相關(guān)研究，沒有成熟設(shè)備，都是通過租賃美國或挪威等國家水下機(jī)具進(jìn)行作業(yè)。
2 三瓣式深海管道法蘭連接機(jī)具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    深海管道法蘭連接機(jī)具采用三瓣式結(jié)構(gòu)，主要包括：外框架、內(nèi)框架、液壓控制模塊、水下攝像機(jī)、卡爪機(jī)構(gòu)、螺栓庫、螺母庫和ROV接口平臺等8部分。三維模型如圖3所示。外框架為桁架式結(jié)構(gòu)，是整個(gè)機(jī)具的支撐體，聯(lián)結(jié)各個(gè)部件并保證各部件與管道、法蘭的相對位置精度；內(nèi)框架搭載螺栓庫和螺母庫，其可以繞管道周向轉(zhuǎn)動(dòng)，保證螺栓與法蘭孔可以實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)；液壓閥箱內(nèi)液壓閥的開合，驅(qū)動(dòng)液壓缸和液壓馬達(dá)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)具的各項(xiàng)功能；水下攝像機(jī)監(jiān)測機(jī)具作業(yè)狀態(tài)，反饋管道與機(jī)具、法蘭與機(jī)具的位置信息，并將其顯示在上位機(jī)顯示終端上；卡爪機(jī)構(gòu)與外框架通過螺栓連接，可將整個(gè)機(jī)具定位于海底管道；ROV接口平臺與輔助作業(yè)ROV上的專用接口對接，實(shí)現(xiàn)ROV動(dòng)力液壓源、信號源與機(jī)具連接；螺栓庫用于存放螺栓并插入螺栓，安裝在管道的活動(dòng)法蘭一側(cè)，采用三瓣式結(jié)構(gòu)，具有拉伸預(yù)緊螺栓的功能；螺母庫用于存放螺母并擰入螺母，安裝在管道的固定法蘭一側(cè)，也采用三瓣式結(jié)構(gòu)，擰入固定法蘭一側(cè)的螺母。管道為機(jī)具的操作對象。操控系統(tǒng)由操控面板和上位機(jī)PC組成，操控系統(tǒng)發(fā)出指令后，PLC下位機(jī)控制系統(tǒng)控制液壓閥箱動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)具各部分作業(yè)。遠(yuǎn)程操控的ROV，可以為無人法蘭連接提供必要的輔助作業(yè)，如攜帶機(jī)具定位到管道上、與ROV接口平臺對接等，同時(shí)為機(jī)具提供液壓動(dòng)力源。
 
    機(jī)具工作原理：機(jī)具通過卡爪機(jī)構(gòu)定位到管道后，螺栓庫與螺母庫隨內(nèi)框架轉(zhuǎn)動(dòng)；螺栓庫攜帶的螺栓部分插入旋轉(zhuǎn)法蘭孔，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整旋轉(zhuǎn)法蘭與固定法蘭使其對正；法蘭孔對正之后，螺栓庫插入螺栓，另一側(cè)的螺母庫擰入螺母。其中，螺栓庫沿周向均布16個(gè)結(jié)構(gòu)相同的拉伸擰，緊機(jī)構(gòu)，采用拉伸螺栓預(yù)緊方式，每個(gè)都具有拉伸螺栓擰入螺母的功能，法蘭兩側(cè)的螺母擰入施加了預(yù)緊力的螺栓，最終實(shí)現(xiàn)管道的法蘭螺栓連接。
3 三瓣式深海管道法蘭連接機(jī)具作業(yè)方案
    深海管道的連接，由于受到水深的制約，不可能采取潛水員作業(yè)形式，也不便采取水下密封艙作業(yè)形式，它采用一種無潛水員的自動(dòng)回接方法，通過水下機(jī)器人ROV控制法蘭連接機(jī)具完成管道的法蘭連接。該自動(dòng)法蘭連接機(jī)具的前提條件有：ROV控制整個(gè)過程，可以監(jiān)測法蘭孔的對正精度、提供液壓油源等外部動(dòng)作；兩個(gè)管道已經(jīng)由其他作業(yè)機(jī)具拖拽靠近，且保證兩個(gè)管道的法蘭貼近距離和管道同軸度在規(guī)定的范圍內(nèi)。圖4為作業(yè)機(jī)具就位圖，包括連接機(jī)具和輔助機(jī)具。輔助機(jī)具有軸向?qū)?zhǔn)機(jī)具、接應(yīng)機(jī)具、ROV和H架等。在法蘭連接作業(yè)之前，H架將管道提升離海底面一定高度，軸向?qū)?zhǔn)機(jī)具和接應(yīng)機(jī)具配合作業(yè)實(shí)現(xiàn)管道的初對準(zhǔn)，這樣輔助機(jī)具可以將兩管道對齊到一定精度，再由法蘭連接機(jī)具作業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)管道法蘭的連接。
 
    詳細(xì)連接作業(yè)過程方案如下，部分動(dòng)作如圖5所示：
    1) 海上操控船裝載法蘭連接機(jī)具和其他輔助機(jī)具定位到回接地點(diǎn)的海面，然后把所有設(shè)備傳送到水下回接地點(diǎn)，準(zhǔn)備進(jìn)行對接任務(wù)。
    2) ROV攜帶輔助機(jī)具就位到工作地點(diǎn)后，軸向?qū)?zhǔn)機(jī)具和接應(yīng)機(jī)具將管道粗對準(zhǔn)。
    3) ROV將機(jī)具傳送到完成粗對準(zhǔn)的管道上，控制機(jī)具的卡爪機(jī)構(gòu)夾緊管道，三瓣式開合機(jī)構(gòu)閉合，螺栓庫和螺母庫中心線基本與法蘭中心線對正。
    4) 控制機(jī)具框架調(diào)節(jié)裝置推動(dòng)螺栓庫前進(jìn)，至接近法蘭端面停止；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓螺母庫，調(diào)節(jié)螺栓與旋轉(zhuǎn)法蘭的法蘭孔對準(zhǔn)。
    5) 待螺栓與法蘭孔對準(zhǔn)后，推動(dòng)螺栓庫前進(jìn)，將螺栓末端插入旋轉(zhuǎn)法蘭孔；再次轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓螺母庫，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)法蘭與固定法蘭的法蘭孔對準(zhǔn)，如圖5-a。
    6) 待法蘭孔對準(zhǔn)后，將螺栓完全插入旋轉(zhuǎn)法蘭，同時(shí)推動(dòng)螺母庫前進(jìn)與法蘭端面貼合；控制機(jī)具螺母庫旋入螺母。
    7) 待螺母旋入后，控制機(jī)具螺栓庫張緊螺栓，如圖5-b；完成連接后，推動(dòng)螺栓螺母庫后退，如圖5-b。
    8) 待螺栓螺母庫后退到初始位置，控制機(jī)具開合機(jī)構(gòu)爪瓣與夾緊機(jī)構(gòu)卡爪張開，準(zhǔn)備撤離機(jī)具；最后，由ROV控制機(jī)具撤離管道，如圖5-d。至此，作業(yè)結(jié)束，完成管道法蘭的遠(yuǎn)程操控連接。
4 結(jié)論
    我國深水海域環(huán)境較為復(fù)雜，海底管道法蘭連接需要多機(jī)具聯(lián)合作業(yè)，設(shè)計(jì)具有難度。針對深海管道敷設(shè)的要求，綜合考慮作業(yè)環(huán)境、水下作業(yè)機(jī)具要求等因素，提出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三瓣式法蘭連接機(jī)具結(jié)構(gòu)和作業(yè)過程方案，為進(jìn)一步研究法蘭連接機(jī)具指明了方向。
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(本文作者：王立權(quán)1 王文明1 趙冬巖2 曹為2 王才東1 1.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.中國海洋石油工程股份有限公司)