對(duì)油氣資源需求量越來(lái)越大的今天，入們正在將目光投向海洋。全球海上油氣資源大約有44％儲(chǔ)存在海平面300m以下的深水海域。中國(guó)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(shì)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(guò)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(duì)深海管道鈦法蘭連接技術(shù)，著重介紹其作業(yè)機(jī)具的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)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(kāi)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(kāi)發(fā)變得經(jīng)濟(jì)有效，其主要內(nèi)容包括：管道與平臺(tái)的連接、管道與管網(wǎng)的連接、管道與立管的連接和管道問(wèn)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(guò)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(guò)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(lèi)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(RemotelyOperatedVehicle)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(guó)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(guó)Sonsub公司、挪威Acergy公司和瑞士的AllseasGroup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。]的法蘭連接機(jī)具如圖1所示。鈦法蘭連接機(jī)具由兩部分構(gòu)成，分別是螺栓插入張緊機(jī)具BITT(BoltInserationandTensioningT001)和螺母庫(kù)NM(NUTMagazine)。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(kù)。螺栓插入張緊機(jī)具和螺母庫(kù)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(kù)在水下運(yùn)動(dòng)，并向螺栓插入張緊工具和螺母庫(kù)提供動(dòng)力和控制信號(hào)，同時(shí)將反饋信號(hào)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(kù)上安裝有浮力材料，使其處于零浮力狀態(tài)。
機(jī)具對(duì)孔操作由水下電視監(jiān)測(cè)，通過(guò)視覺(jué)觀察不斷調(diào)整誤差，完成對(duì)孔作業(yè)。對(duì)螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)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406.4
mm管道法蘭的連接和254.01TtlTI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)‘8—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(chǔ)螺栓、螺母、密封墊片的機(jī)具倉(cāng)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(hào)。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(duì)孔操作由水下電視監(jiān)測(cè)，通過(guò)視覺(jué)觀察不斷調(diào)整誤差，完成對(duì)孔作業(yè)。該機(jī)具裝有一個(gè)存儲(chǔ)螺栓、螺母和密封墊片的機(jī)具倉(cāng)，攜帶的螺栓、螺母和密封墊片數(shù)量能夠滿足三對(duì)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(duì)法蘭連接機(jī)具的研究起子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(guó)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558.8～609.6Erlm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228.6～330.2ram，最大水深達(dá)到1400m，連接形式包括管道與平臺(tái)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101.6～914.4131111，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(guó)外少數(shù)大公司手中，而國(guó)內(nèi)較少有相關(guān)研究，沒(méi)有成熟設(shè)備，都是通過(guò)租賃美國(guó)或挪威等國(guó)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(kù)、螺母庫(kù)和ROV接口平臺(tái)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(duì)位置精度；內(nèi)框架搭載螺栓庫(kù)和螺母庫(kù)，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(duì)準(zhǔn)；液壓閥箱內(nèi)液壓閥的開(kāi)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(cè)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(guò)螺栓連接，可將整個(gè)機(jī)具定位于海底管道；ROV接口平臺(tái)與輔助作業(yè)ROV上的專(zhuān)用接口對(duì)接，實(shí)現(xiàn)RoV動(dòng)力液壓源、信號(hào)源與機(jī)具連接；螺栓庫(kù)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(kù)用于存放螺母并擰人螺母，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(duì)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(wú)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(tái)對(duì)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(guò)卡爪機(jī)構(gòu)定位到管道后，螺栓庫(kù)與螺母庫(kù)隨內(nèi)框架轉(zhuǎn)動(dòng)；螺栓庫(kù)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(duì)正；法蘭孑L對(duì)正之后，螺栓庫(kù)插入螺栓，另一側(cè)的螺母庫(kù)擰入螺母。其中，螺栓庫(kù)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(wú)潛水員的自動(dòng)回接方法，通過(guò)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(guò)程，可以監(jiān)測(cè)法蘭孔的對(duì)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(duì)準(zhǔn)，這樣輔助機(jī)具可以將兩管道對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)準(zhǔn)。
3)ROV將機(jī)具傳送到完成粗對(duì)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(kāi)合機(jī)構(gòu)閉合，螺栓庫(kù)和螺母庫(kù)中心線基本與法蘭中心線對(duì)正。
4)控制機(jī)具框架調(diào)節(jié)裝置推動(dòng)螺栓庫(kù)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(kù)，調(diào)節(jié)螺栓與旋轉(zhuǎn)法蘭的法蘭孔對(duì)準(zhǔn)。
5)待螺栓與法蘭孔對(duì)準(zhǔn)后，推動(dòng)螺栓庫(kù)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(kù)，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)法蘭與固定法蘭的法蘭孔對(duì)準(zhǔn)，如圖5-a。
6)待法蘭孔對(duì)準(zhǔn)后，將螺栓完全插入旋轉(zhuǎn)法蘭，同時(shí)推動(dòng)螺母庫(kù)前進(jìn)與法蘭端面貼合；控制機(jī)具螺母庫(kù)旋入螺母。
7)待螺母旋人后，控制機(jī)具螺栓庫(kù)張緊螺栓，如圖5-b；完成連接后，推動(dòng)螺栓螺母庫(kù)后退，如圖5-c。
8)待螺栓螺母庫(kù)后退到初始位置，控制機(jī)具開(kāi)合機(jī)構(gòu)爪瓣與夾緊機(jī)構(gòu)卡爪張開(kāi)，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(guó)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(duì)深海管道敷設(shè)的需求，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(shí)產(chǎn)權(quán)的三瓣式法蘭連接機(jī)具結(jié)構(gòu)和作業(yè)過(guò)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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