深海管道回接對接機具設計

王立權(quán) 董金波 張嵐

哈爾濱工程大學機電工程學院

深海管道回接對接機具設計

王立權(quán) 董金波 張嵐

哈爾濱工程大學機電工程學院

管道對接機具對接精度的高低關乎深海石油管道法蘭連接的成敗。因此，通過對國外典型管道對接機具結(jié)構(gòu)和作業(yè)情況的分析，綜合考慮深水管道安裝和操作的環(huán)境條件，提出了管道對接機具的總體設計方案：①對接機具采用液壓驅(qū)動，具有良好的深水適應性；②軸向?qū)使ぞ吆徒討ぞ邔艿赖膴A緊、拖拽、調(diào)整等動作均采用液壓缸為執(zhí)行元件；③軸向?qū)使ぞ吆徒討ぞ咚璧囊簤簞恿υ从蒖OV攜帶，實現(xiàn)壓力油的供給。根據(jù)管道對接機具的作業(yè)流程，對管道對接機具即軸向?qū)使ぞ吆徒討ぞ叩慕Y(jié)構(gòu)進行了設計，分析了其工作原理，為管道對接機具的進一步設計提供了參考。

深海管道 水下回接對接 對接機具 總體方案 結(jié)構(gòu)設計 工作原理

近幾十年來，隨著海上油氣田的不斷開發(fā)，海底輸油氣管道已經(jīng)廣泛用于海洋石油運輸，鋪管作業(yè)已成為海底管道建設的重要環(huán)節(jié)，其敷設及維護技術(shù)直接關系到海洋油氣開發(fā)方案能否順利進行。

水下管道回接技術(shù)是深海管道敷設的重要組成部分，該技術(shù)是指將新開發(fā)的生產(chǎn)管道并入已建的管網(wǎng)，充分利用已建設施，增加海上油氣田開發(fā)的經(jīng)濟性，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［1］。

目前水下管道回接主要有機械連接和水下焊接這2種方法，其中前者更適用于深水海底管道的回接［2－3］。在機械連接中螺栓法蘭連接是目前水下管道連接應用最廣泛、最高效的方法，淺水區(qū)作業(yè)時一般由潛水員輔助操作來完成，但深水區(qū)作業(yè)時此連接方法的應用就會受到潛水員可安全操作水深的限制，因此，研制出無潛水員操作的自動水下管道回接作業(yè)機具具有十分重要的意義。作為回接作業(yè)中間環(huán)節(jié)的管道對接機具，其結(jié)構(gòu)和對準精度的好壞會直接影響法蘭連接機具的操作。由此可見，管道對接機具對接精度的高低對深海石油管道法蘭連接成敗具有非常重要的作用。

1 國外深海管道對接機具

1.1 Sonsub公司的BRUTUS系統(tǒng)

美國Sonsub公司開發(fā)的BRUTUS系統(tǒng)是用于深海管道回接的法蘭連接系統(tǒng)，此回接系統(tǒng)包括管道對接機具和螺栓螺母庫等，在水下機器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）的輔助下作業(yè)，完成管道的連接和管道法蘭螺栓螺母的擰緊工作。

圖1 軸向?qū)使ぞ哒掌?/p>

管道對接機具包括軸向?qū)使ぞ吆徒討ぞ撸▓D1、2），其主要功能是實現(xiàn)新管道與舊管道軸向?qū)?，達到法蘭連接機具的工作要求。

圖2 接應工具照片

軸向?qū)使ぞ哂煽蚣?、夾緊裝置、接應裝置、鎖緊裝置和縱、橫向調(diào)整裝置等組成。軸向接應工具主要由整體框架、內(nèi)部夾緊裝置、止推環(huán)和兩側(cè)探孔等組成。BRUTUS系統(tǒng)中的軸向?qū)使ぞ呤且粋€主動的機具，接應工具是一個被動的機具，其主要作用是為軸向?qū)使ぞ咛峁┕ぷ髦c，以此來調(diào)整待連接的2個管道法蘭面的相對位置，從而達到法蘭連接機具的工作要求。

Sonsub公司于2000年秋天在挪威外海400 m水深處分別完成了直徑為406.4 mm的管道法蘭連接和直徑為254 mm的軟管法蘭連接。深水法蘭連接系統(tǒng)的最大工作水深是3 000 m，最大連接管徑為609.6 mm，適用于API標準法蘭［4－5］。

1.2 Acergy公司的MATIS系統(tǒng)

挪威Acergy公司開發(fā)的MATIS深水法蘭連接系統(tǒng)由ROV輔助進行操控。該系統(tǒng)采用模塊化設計，可依據(jù)連接管道的尺寸、工作水深以及管道的形式，采用不同的組合方式，主要包括對準裝置、螺栓連接裝置和定位裝置等（圖3）。該系統(tǒng)的軸向?qū)使ぞ吆徒討ぞ呤且粋€整體對準裝置（圖4），實現(xiàn)對管道的夾緊和軸向?qū)省?/p>

該裝置每側(cè)均有5個液壓缸來控制其6個自由度，通過安裝在液壓缸上的傳感器來檢測2個管道之間的相對誤差并實時進行調(diào)整以滿足后續(xù)法蘭連接的工作要求［6］。

該機具于1999年第1次在挪威海域為Statoil公司完成了水深98 m、直徑為228.6 mm管道法蘭的連接，2000年10月又在北海的Gullfaks為Statoil公司完成了水深215 m、直徑為558.8～609.6 mm管道法蘭的連接，2001年10月在西非安哥拉的Girassol進行了100多個法蘭的連接，最大水深達1 400 m，管道法蘭直徑為228.6～330.2 mm，連接形式包括管道與平臺的連接、立管的連接等。Acergy公司的深水法蘭連接機具最大工作水深達3 000 m，適用于API標準法蘭和ANSI標準法蘭，可連接管徑范圍為101.6～914.4 mm［7－8］。

圖3 Deep MATIS系統(tǒng)圖

圖4 對準裝置圖

2 管道對接機具的設計

管道對接機具的設計包括2個方面的內(nèi)容，即軸向?qū)使ぞ吆徒討ぞ叩脑O計，由于2個機具是相互配合使用來實現(xiàn)對待連接管道的調(diào)整操作，因此，在設計時應綜合考慮2個機具的設計要求。在機具工作前，需用H架將海底待連接的新舊管道從海床上托起到一定的高度，并對其相對位置進行初步調(diào)整，以便管道對接機具對其順利操作。

管道對接機具的工作流程如下：

1）ROV將接應工具放在舊管道上并控制其夾緊管道。

2）ROV將軸向?qū)使ぞ叻旁谛鹿艿郎喜⒖刂破鋳A緊管道。

3）軸向?qū)使ぞ吲c接應工具連接鎖緊并拖拽新管道向舊管道靠近，使2個法蘭面距離達到預定要求。

4）軸向?qū)使ぞ邔艿婪ㄌm誤差進行縱、橫向調(diào)整，使其達到預定要求。

5）ROV撤離2個作業(yè)機具。

2.1 對接機具設計總體方案的確定

管道對接機具在3 000 m的水下作業(yè)，由ROV機械手輔助操作，包括工具的吊放與收起、動力源的攜帶等。為了方便水下操作，通過水下電視及傳感器監(jiān)測機具的工作，使2個管道法蘭的對準精度達到規(guī)定的要求。綜合考慮國外管道對接機具的工作原理和作業(yè)條件，確定如下對接機具設計總體方案。

1）驅(qū)動方式：對接機具采用液壓驅(qū)動，具有良好的深水適應性。

2）執(zhí)行元件：軸向?qū)使ぞ吆徒討ぞ邔艿赖膴A緊、拖拽、調(diào)整等動作均采用液壓缸為執(zhí)行元件。

3）動力源放置：軸向?qū)使ぞ吆徒討ぞ咚璧囊簤簞恿υ从蒖OV攜帶，實現(xiàn)壓力油的供給。

2.2 管道對接機具的結(jié)構(gòu)設計

2.2.1 軸向?qū)使ぞ叩慕Y(jié)構(gòu)設計

軸向?qū)使ぞ叩目傮w結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由框架、夾緊裝置、接應和鎖緊裝置、調(diào)整裝置和ROV支架這5個部分組成。

圖5 軸向?qū)使ぞ叩慕Y(jié)構(gòu)圖

主體框架由空心方鋼管焊接而成，形成空間桁架結(jié)構(gòu)，具有較高的強度和穩(wěn)定性，ROV支架供ROV連接操作使用。夾緊裝置與調(diào)整裝置是軸向?qū)使ぞ叩暮诵牟糠?，夾緊裝置主要作用是夾緊管道，使軸向?qū)使ぞ哒{(diào)整新管道向舊管道靠近的過程中不松脫，始終保持固定的位置。接應鎖緊裝置分為2個部分，即探針部分和探孔部分，探針安裝在軸向?qū)使ぞ呱?，而探孔安裝在接應工具上，通過安裝在探頭T型槽中的導柱與安裝在探孔上環(huán)形槽進行鎖緊。調(diào)整裝置由縱、橫向調(diào)整裝置2部分組成，均采用液壓缸驅(qū)動導軌的結(jié)構(gòu)，分別實現(xiàn)對管道沿法蘭面的縱向調(diào)整和橫向調(diào)整，使管道法蘭面的對準誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)。

2.2.2 接應工具的結(jié)構(gòu)設計

接應工具的總體結(jié)構(gòu)主要由框架、夾緊裝置、探孔和ROV支架組成（圖6）?？蚣転楦邚姸鹊匿摷埽煽招姆戒摴芎附佣?，能夠承載與ROV輔助操作的一些裝置，ROV支架供ROV連接操作使用。夾緊裝置分前后2部分，分別由2個夾緊液壓缸來控制，使整個接應工具夾緊到管道上。探孔和軸向準對工具的探頭進行鎖緊，軸向?qū)使ぞ咭源藶橹c實現(xiàn)對管道法蘭的縱、橫向調(diào)整。

圖6 接應工具結(jié)構(gòu)圖

3 管道對接機具工作原理

實際工作時為軸向?qū)使ぞ吆徒討ぞ甙惭b浮力塊，使其在水中可以達到零重力狀態(tài)。軸向?qū)使ぞ吆徒討ぞ咦鳂I(yè)示意圖如圖7所示。

圖7 軸向?qū)使ぞ吆徒討ぞ咦鳂I(yè)示意圖

ROV上機械手吊放軸向?qū)使ぞ吆徒討ぞ叩紿架初步調(diào)整好的新、舊管道上，ROV供油，控制2個機具夾緊裝置上的液壓缸工作，實現(xiàn)對管道的夾緊；隨后安裝在軸向?qū)使ぞ呓討b置上的接應液壓缸工作，推動伸縮桿伸出，使探頭插入到接應工具上的探孔內(nèi)，達到預定位置后，安裝在探頭內(nèi)部的鎖緊液壓缸工作，推動安裝其上的錐體向前運動，從而推動安裝在探頭T型槽內(nèi)導柱上升運動，使導柱從探頭上的孔上伸出，插入到接應工具探孔內(nèi)部的環(huán)形槽中，完成2個機具的鎖緊；然后伸縮桿回拉，帶動軸向?qū)使ぞ吆凸艿酪黄鹣蚪討ぞ呖拷?，?個管道法蘭面的距離達到法蘭連接機具的工作要求。管道的縱、橫向調(diào)整都是通過ROV供油控制軸向?qū)使ぞ哒{(diào)整裝置上的液壓缸工作，使夾緊裝置與管道一起沿橫向或縱向?qū)к夁\動，在傳感器和水下電視的監(jiān)控下使2個管道法蘭的對準精度達到要求。

4 結(jié)束語

通過對國外典型管道對接機具的組成和作業(yè)情況進行分析，綜合考慮深水管道安裝和操作的環(huán)境條件，提出了管道對接機具的總體設計方案，根據(jù)管道對接機具的作業(yè)流程，對管道對接機具即軸向?qū)使ぞ吆徒討ぞ叩慕Y(jié)構(gòu)進了設計，分析了該對接機具的工作原理，為管道對接機具的進一步設計提供了參考。

［1］王立權(quán)，王文明，趙冬巖，等.深海管道法蘭連接方案研究［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（10）：89－92.

［2］王立權(quán)，王文明，何寧，等.深海管道法蘭連接機具的設計與仿真分析［J］.哈爾濱工程大學學報，2010，31（5）：559－560.

［3］時黎霞，李志剛，趙冬巖，等.海底管道回接技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（5）：106－108.

［4］CORBETTA G，COX D S.Deepwater tie－ins of rigid lines：horizontal spools or vertical jumpers［J］.SPE Production ＆Facilities，2001，16（3）：145－150.

［5］HALS B E，REDDY S K，DOUGLAS L D.Diverless tie－in and connection of pipelines／flowlines by use of hard pipe spools［C］∥The 1996 15thInternational Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，16－20 June 1996，F(xiàn)lorence，Italy.New York：ASME，1996.

［6］Acergy UK Limited.Remote bolted flange connection apparatus and methods of operation thereof：US Patent 7445404［P］.2008－11－04.

［7］YAN T，YAN W，DONG Y，et al.Marine fouling of offshore installations in the northern Beibu Gulf of China［J］.International Biodeterioration ＆Biodegradation，2006，58（2）：99－105.

［8］VINCENT A，IAN F.Tie－in system uses low－cost flanges on deepwater girassol development［J］.Oil ＆Gas Journal，2002，100（18）：96－104.

Design of facilities for deep sea pipeline connection

Wang Liquan，Dong Jinbo，Zhang Lan
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin，Heilongjiang 150001，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 4，pp.75－78，4／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Facilities for pipeline connection are crucial for the connection of deep sea oil pipeline flanges.Considering the environment of deep－water pipeline installation and operation，the paper hereby proposes the overall design scheme for these facilities based on the study of the structure and the operation of such typical foreign facilities.First，facilities with hydaulic drive can better adapt to deepwater environment.Second，the hydraulic cylinder should be used as actuator while clamping，dragging and adjusting the pipeline with axial alignment tools and tie－in facilities.Third，the hydraulic power needed by the axial alignment tools should be carried by ROV，so as to ensure the supply of pressure oil.The paper designs the structure and analyzes the principles of facilities for pipeline connection，namely the axial alignment tools and tie－in facilities，in accordance with the work flow，which will provide a reference for the further design of such facilities.

deep sea pipeline，underwater tie－in technology，pipeline，interconnection facility，overall scheme，structure design，working principle

王立權(quán)等.深海管道回接對接機具設計.天然氣工業(yè)，2012，32（4）：75－78.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.019

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（編號：2006AA09A105－4）。

王立權(quán)，1957年生，教授，博士生導師，博士；參與多項國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）、國家自然科學基金項目研究；主要從事水下回接技術(shù)、水下作業(yè)裝備和仿生機器人技術(shù)研究工作。地址：（150001）黑龍江省哈爾濱市哈爾濱工程大學機電工程學院海洋智能機械研究所逸夫館110室。電話：（0451）82589251，15636822960。E－mail：45440971＠qq.com

（修改回稿日期 2012－02－15 編輯 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.019

Wang Liquan，professor，born in 1957，holds a Ph.D degree.He has been involved in a number of national high－tech research and development programs（863 Program）and National Natural Science Foundation projects.He is mainly engaged in researches into underwater tie－in technologies，underwater operation facilities and biomimetic robotics.

Add：Room 110，Yifu Building，Institute of Offshore Intelligent Machines，College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin，Heilongjiang 150001，P.R.China

Tel：＋86－451－8258 9251 Mobile：＋86－15636822960 E－mail：145440971＠qq.com