卡爪式水下連接器ROV作業(yè)接口技術(shù)研究

李志剛，付劍波，姜 瑛，張 飛，王宇臣

（海洋石油工程股份有限公司，天津300456）

開發(fā)應(yīng)用

卡爪式水下連接器ROV作業(yè)接口技術(shù)研究

李志剛，付劍波，姜 瑛，張 飛，王宇臣

（海洋石油工程股份有限公司，天津300456）

在進(jìn)行深水水下連接器的安裝、維護(hù)和維修作業(yè)時，由于水深超出了潛水員安全作業(yè)的范圍，需要采用遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人（ROV）、使用相應(yīng)的水下操作工具。因此，連接器及其操作工具上應(yīng)設(shè)計合理的ROV操作接口。以在深水中應(yīng)用最廣泛的卡爪式水下連接器為例，分析了需要ROV執(zhí)行的水下作業(yè)內(nèi)容及所需的作業(yè)工具?？偨Y(jié)了ROV水下作業(yè)時的固定方式、操作接口位置布置、操作空間要求及操作接口形式，結(jié)合卡爪式水下連接器的特點(diǎn)，推薦了其ROV操作接口的設(shè)計方法。

卡爪式水下連接器；ROV作業(yè)；作業(yè)接口；操作面板

水下連接器是深水油氣田開發(fā)中的一項關(guān)鍵設(shè)備，用于水下采油樹、管匯以及PLET（海底管線終端）等油氣生產(chǎn)設(shè)施之間的連接，其性能對于保障深水油氣田的安全開發(fā)和運(yùn)營具有十分重要的作用。水下連接器的應(yīng)用前景廣、技術(shù)難度大、產(chǎn)品附加值高，目前市場被國外公司壟斷。國內(nèi)正在積極開展水下連接器產(chǎn)品的研發(fā)和攻關(guān)［1～5］。

由于水深超過了潛水員的安全作業(yè)范圍，在進(jìn)行深水水下連接器的安裝、維護(hù)和維修作業(yè)時，需要通過ROV使用一系列的操作工具進(jìn)行。為便于ROV操作，連接器及其操作工具上需要設(shè)置相應(yīng)的ROV操作接口。ROV操作接口有多種形式，合理的接口設(shè)計對于保證水下作業(yè)的順利完成具有重要意義。

1 水下連接器及ROV簡介

水下連接器是海底管道及水下生產(chǎn)設(shè)施連接的裝置，可以在水下環(huán)境實(shí)現(xiàn)快速連接，建立有效密封，與上下游設(shè)備形成封閉的油氣輸運(yùn)通道。深水水下連接器主要有卡爪式連接器（Collet connector）和卡箍式連接器（Clamp connector）［6］。卡箍式連接器（如圖1）在水平連接中的應(yīng)用較多，連接管徑50～1 200 mm（2～48英寸）［7］?？ㄗκ竭B接器（如圖2）是深水中應(yīng)用最多的連接器，尤其是垂直連接和超深水連接，壓力等級可達(dá)104 MPa，連接管徑100～1 600 mm（4～64英寸）［8］，應(yīng)用水深紀(jì)錄已超過1 600 m。

圖1 卡箍式連接器

圖2 卡爪式連接器

ROV（Remotely Operated Vehicle）是1種自泳式水下潛器，可用來執(zhí)行閥門操作和液壓操作等作業(yè)。ROV也可攜帶工具包，執(zhí)行諸如柔性管和臍帶纜的牽引和連接、水下部件更換等作業(yè)［9］。根據(jù)作業(yè)能力的大小，ROV可分為4個級別［10］：1級ROV是純觀察級，2級ROV是輕工作級，3級ROV是工作級，4級ROV是原型或改進(jìn)型。深水水下連接作業(yè)需要工作級ROV。工作級ROV的前端通常裝有2個機(jī)械手，分工合作：①右舷機(jī)械手為作業(yè)型機(jī)械手，作業(yè)精度高，5～7個自由度；②左舷機(jī)械手主要作為定位型機(jī)械手，較為簡單，但臂力強(qiáng)大，能可靠實(shí)施ROV懸浮作業(yè)的定位功能，3～5個自由度。ROV通過機(jī)械手可以操作各種工具，完成引導(dǎo)、牽引、擰轉(zhuǎn)、卡緊、插拔、檢查等操作。

2 水下連接器用ROV作業(yè)分析

在進(jìn)行ROV接口設(shè)計時，首先要明確在水下連接器服役期間，對其進(jìn)行安裝、維護(hù)和維修，需要ROV執(zhí)行的水下作業(yè)內(nèi)容以及所需的作業(yè)工具。

2.1 水下安裝

安裝水下連接器時ROV需要執(zhí)行的操作有引導(dǎo)、卸扣，操作ROV面板完成連接，進(jìn)行密封測試。需要的作業(yè)工具有連接器安裝工具（Running Tool）和液壓飛頭。其中液壓飛頭可由ROV手持，連接器安裝工具通過吊機(jī)和索具進(jìn)行吊放。卡爪式連接器的安裝工具如圖3。

圖3 卡爪式連接器安裝工具

在安裝過程中，ROV主要是在連接器安裝工具的操作面板正前方這一側(cè)活動。為了保證ROV可對安裝過程進(jìn)行全方位的觀察和輔助，在連接器的兩側(cè)均應(yīng)給ROV留出足夠的操作空間。

2.2 水下維護(hù)和維修

由于深水作業(yè)日費(fèi)率昂貴，連接器的維護(hù)、維修作業(yè)通常在水下進(jìn)行，避免將連接器、跨接管以及水下生產(chǎn)設(shè)施回收到水上，以節(jié)省海上作業(yè)時間。在水下連接器服役期間，最常見的維護(hù)和維修作業(yè)包括：更換連接器密封圈、清洗連接器接頭。相應(yīng)的操作工具構(gòu)成了當(dāng)前國際上連接器產(chǎn)品最常見的應(yīng)急維修工具組合。

2.2.1 卡爪式連接器水下密封更換

水下密封更換，需先拆除舊密封然后安裝新密封。Oil States公司對此分別設(shè)計了密封拆除工具和密封安裝工具，進(jìn)行密封更換［11-14］。為進(jìn)一步縮短作業(yè)時間，目前國際上較為先進(jìn)的做法是將拆卸舊密封和安裝新密封的功能集成在一個密封更換工具上，通過一次作業(yè)完成兩個動作。

需要的作業(yè)工具：連接器安裝工具、密封更換工具（如圖4）和液壓飛頭。密封更換工具和液壓飛頭可由ROV直接手持，連接器安裝工具通過吊機(jī)和索具進(jìn)行吊放。

圖4 密封更換工具

2.2.2 卡爪式連接器水下接頭清洗

接頭清洗工具用于對連接器接頭密封表面的污垢雜質(zhì)進(jìn)行清刷，保證密封表面清潔光滑，保障密封的可靠性。需要的作業(yè)工具：連接器安裝工具和接頭清洗工具。接頭清洗工具可由ROV直接手持，連接器安裝工具通過吊機(jī)和索具進(jìn)行吊放。接頭清洗工具如圖5。

圖5 接頭清洗工具

2.2.3 連接器回收

連接器的回收過程是連接器安裝過程的逆向操作。需要的作業(yè)工具：連接器安裝工具和液壓飛頭。

2.3 水下檢查

2.3.1 視覺檢查

在水下連接器服役期間，ROV利用自帶的攝像頭、照相機(jī)，對連接器的外觀、完整性、海生物附著情況等進(jìn)行檢查，不需要其他專用工具。

2.3.2 犧牲陽極電位檢查

對連接器、跨接管等上面的犧牲陽極電位進(jìn)行測量，檢查陽極損耗情況。需要的作業(yè)工具是犧牲陽極電位測量工具，可由ROV直接手持。

綜上，在水下連接器服役期間，對連接器進(jìn)行安裝、維護(hù)和維修，需要ROV執(zhí)行的水下作業(yè)內(nèi)容和所需的作業(yè)工具如表1所示。

表1 卡爪式連接器水下安裝、維護(hù)、維修作業(yè)

3 水下連接器ROV作業(yè)接口設(shè)計要求

水下連接器ROV作業(yè)接口的設(shè)計包括：確定作業(yè)時ROV的固定方式、ROV接口位置布置、ROV操作空間要求以及確定ROV接口形式。

3.1 ROV固定方式

常用的ROV固定方式有4種（如表2），其中，ROV抓把是最常用的固定方式?？ㄗκ剿逻B接器的ROV操作面板上應(yīng)配置抓把，并按照ISO13628-8第12.2.4.3節(jié)的要求進(jìn)行設(shè)計。抓把應(yīng)能承受大小為2.2 k N、從任意方向施加的沖擊作用力和握緊力。

表2 ROV固定方式

3.2 ROV接口布置要求

ROV接口在水下結(jié)構(gòu)物上的布置有3類（如表3）。應(yīng)盡量將ROV接口布置在結(jié)構(gòu)物外部，或者結(jié)構(gòu)物內(nèi)側(cè)但距外表面＜0.5 m范圍內(nèi)。ROV接口離海床的高度應(yīng)在1.5 m以上。卡爪式水下連接器ROV操作接口集中在ROV操作面板上，一般位于水下結(jié)構(gòu)物外部，可由ROV機(jī)械手直接抓到，便于ROV操作。

表3 ROV接口位置

3.3 ROV操作空間要求

當(dāng)ROV需要進(jìn)入到水下結(jié)構(gòu)物內(nèi)部作業(yè)時，在其周圍應(yīng)留出足夠的進(jìn)出空間（如圖6）。

1） 通道寬度

①最小寬度由所選擇的最大的ROV的寬度或ROV回轉(zhuǎn)半徑確定。

②ROV側(cè)邊到結(jié)構(gòu)物表面間的余隙應(yīng)不小于0.3 m。

③ROV艉部至少要留1 m的操作空間。

2） 通道高度

ROV的頂部和底部到結(jié)構(gòu)物的距離應(yīng)不小于0.5 m（防止臍帶纏繞）。

圖6 ROV進(jìn)入通道要求（圖中A和B不小于0.5 m）

3） 垂直通道（如表4）

表4 ROV垂直通道要求

如3.2節(jié)所述，卡爪式水下連接器的ROV操作接口通常布置在結(jié)構(gòu)物外部，ROV操作時不需進(jìn)入水下結(jié)構(gòu)物內(nèi)部。

3.4 ROV接口形式

ROV接口有多種形式，在水下連接器安裝、維護(hù)、維修作業(yè)中，用得最多的主要有3種：ROV操作手柄、閥門操作接口以及液壓飛頭插拔接口。

1） ROV操作手柄 有T形、O形或魚尾形，由ROV機(jī)械手直接操作，可執(zhí)行直線或旋轉(zhuǎn)動作。如圖5所示的接頭清洗工具，采用T形操作手柄，可由ROV機(jī)械手?jǐn)y帶并驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。

2） 閥門操作接口 如表5。

表5 閥門操作接口

圖7 低轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)接口

圖8 旋轉(zhuǎn)對接接口

3） 液壓飛頭插拔接口 液壓飛頭插拔接口與液壓飛頭配合，通過ROV向水下設(shè)備提供臨時動力，在水下連接作業(yè)的過程中使用頻繁。

3.5 卡爪式水下連接器ROV操作面板設(shè)計要求

卡爪式水下連接器的ROV操作接口集中在1塊ROV面板。面板應(yīng)該包括以下部件：ROV抓把、隔離閥、液壓飛頭接口、假堵頭以及標(biāo)識等。面板最少應(yīng)具備如下操作和測試功能：

1） 將連接器安裝工具與連接器上接頭鎖定／解鎖。

2） 伸出／收回軟著陸系統(tǒng)。

3） 將連接器上接頭與下接頭鎖定／解鎖。

4） 測試金屬密封圈。

所有液壓功能都應(yīng)允許隔斷（通過隔離閥），以便ROV可以移走液壓飛頭進(jìn)行遠(yuǎn)程檢查。所有的ROV接口應(yīng)按照ISO 13628-8以及ROV工具規(guī)格書進(jìn)行設(shè)計和制造。ROV面板和支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)該可以抵抗所有的由ROV操作引起的力的作用。

4 結(jié)論

1） 水下連接器的深水安裝、維護(hù)和維修作業(yè)，需要依賴于ROV進(jìn)行，這就要求其作業(yè)程序必須具備高度自動化的特征，作業(yè)步驟要簡便，需要ROV完成的動作要簡單。為便于ROV作業(yè)，所有的連接器及其操作工具應(yīng)采用ROV友好設(shè)計。

2） 盡量采用標(biāo)準(zhǔn)接口形式。這樣可以簡化操作工具設(shè)計，增強(qiáng)其通用性和互換性，同時降低對ROV操作的要求。

3） ROV操作接口的設(shè)計，除需滿足連接器操作的功能性要求以外，還要滿足ROV操作空間的要求。

4） 為便于ROV機(jī)械手進(jìn)行拾取、夾持和攜帶，操作工具非關(guān)鍵部件的材料可采用鋁合金、樹脂等輕型材料，以減輕其質(zhì)量。

5） ROV操作接口設(shè)計的合理性，需要在后期的FAT（出廠測試）和SIT（系統(tǒng)集成測試）等一系列測試中進(jìn)行驗證。

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Research of ROV Intervention Interface Technologies for Subsea Collet Connector

LI Zhi-gang，F(xiàn)U Jian-bo，JIANG Ying，ZHANG Fei，WANG Yu-chen
（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300456，China）

Because of the water depth in deep water beyond the safe operating range for divers，installation，maintenance and repair of subsea tie-in connector should be done by ROVs using relevant ROV tooling.Hence，ROV intervention interfaces on connectors and ROV tooling should be correctly designed.Taking collect connector which is the most widely used connector type in deep water as an example，it is analyzed in this paper that demanded ROV intervention tasks and tooling.Also it is summarized that the stabilization methods for ROVs，arrangement of ROV interfaces on subsea equipment，space requirements for ROV operation，and the types of ROV interfaces.Based on above，considering the features of collet connector，recommendations are given for its ROV interfaces design in the paper.

subsea collet connector；ROV intervention；intervention interface；ROV panel

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.009

1001-3482（2014）12-0035-05

2014-06-30

工信部海洋工程裝備科研項目“水下連接系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備研制”

李志剛（1965-），男，河北衡水人，教授級高工，碩士，主要從事海洋工程技術(shù)研究。