深海立管作業(yè)機(jī)器人摩擦學(xué)與可靠性研究概述

譚桂斌，王德國(guó)，陳迎春

(1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司 國(guó)家橡塑密封工程技術(shù)研究中心，廣州 510535；2.國(guó)家機(jī)器人檢測(cè)與評(píng)定中心(廣州)，廣州 510535；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249 )

?

技術(shù)綜述

深海立管作業(yè)機(jī)器人摩擦學(xué)與可靠性研究概述

譚桂斌1，2，3，王德國(guó)3，陳迎春3

(1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司 國(guó)家橡塑密封工程技術(shù)研究中心，廣州 510535；2.國(guó)家機(jī)器人檢測(cè)與評(píng)定中心(廣州)，廣州 510535；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249 )

我國(guó)管道輸送安全保障特種作業(yè)機(jī)器人的研究與世界先進(jìn)水平存在差距，制約了我國(guó)海洋資源勘探開發(fā)水平。從摩擦學(xué)和可靠性角度分析海洋立管作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)制造和服役的主要特點(diǎn)。介紹了海洋管道和立管作業(yè)機(jī)器人的主要作用。分別討論了管道清理機(jī)器人、智能檢測(cè)機(jī)器人、海管維修張緊器設(shè)備、智能式封堵機(jī)器人等服役過程的摩擦學(xué)系統(tǒng)和可靠性研究進(jìn)展。從管道輸送的流動(dòng)保障、節(jié)能降耗、安全高效，及機(jī)器人安全可靠運(yùn)行、檢測(cè)及評(píng)定等方面進(jìn)行了探討。提出了海洋立管作業(yè)機(jī)器人的研究建議。

海上平臺(tái)；立管；機(jī)器人；可靠性

目前，我國(guó)石油勘探開發(fā)向深海、深部、沙漠、高寒及海外發(fā)展，對(duì)石油裝備性能和可靠性提出了更高要求，然而對(duì)其摩擦學(xué)和可靠性研究不系統(tǒng)。此外，在石油裝備制造領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)化深井海洋鉆機(jī)、成套壓裂設(shè)備、半潛式鉆井平臺(tái)、深海鋪管船等大型設(shè)施得到了應(yīng)用，但是基礎(chǔ)件(元器件)、基礎(chǔ)材料等出現(xiàn)了“空殼化”，所以開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。2010年，墨西哥灣“深水地平線”平臺(tái)爆炸沉沒后導(dǎo)致了立管的破裂、漏油，造成巨大損失；2013年，中石化黃島管道爆燃事故；2014年，高雄市管道爆燃事故。這些事故都引起國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。所以，在國(guó)家政策引導(dǎo)下，特種機(jī)器人在石油行業(yè)大有可為。以宏觀視角看，其產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋核心零部件、機(jī)器人本體、系統(tǒng)集成及行業(yè)應(yīng)用等4方面。中國(guó)在工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)階段必須抓住機(jī)遇，在企業(yè)、科研院所和高校之間進(jìn)行分工與合作，加強(qiáng)深海作業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究。本文討論海洋立管作業(yè)機(jī)器人服役摩擦學(xué)與可靠性基礎(chǔ)科學(xué)問題，以期增強(qiáng)海洋油氣勘探開發(fā)和安全保障裝備水平。

1　海洋立管智能檢測(cè)與維護(hù)技術(shù)進(jìn)展

1.1海洋立管在役檢測(cè)和維護(hù)的難題

鉆井立管、生產(chǎn)立管等是海上石油生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備之一。工信部2014年《海洋工程裝備工程實(shí)施方案》，建議通過集成創(chuàng)新和協(xié)同創(chuàng)新，加強(qiáng)浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(FDPSO)、自升鉆井儲(chǔ)卸油平臺(tái)等裝備的研發(fā)設(shè)計(jì)和建造技術(shù)研究，其中浮式結(jié)構(gòu)物“單點(diǎn)系泊系統(tǒng)”和離岸“單點(diǎn)系泊輸油終端系統(tǒng)”是關(guān)鍵裝備。系泊裝置包括系泊頭、旋轉(zhuǎn)接頭、海洋立管等，它直接影響海上油田產(chǎn)能。立管是海底管道和浮式結(jié)構(gòu)物之間的必經(jīng)安全通道，防止油氣介質(zhì)泄漏與污染環(huán)境。此外，旋轉(zhuǎn)接頭和密封裝置保障了腐蝕介質(zhì)流動(dòng)及浮式結(jié)構(gòu)物自由度。但是，海洋立管服役時(shí)檢測(cè)、維護(hù)與緊急救援過程，需要怎樣的輕便快捷機(jī)器人技術(shù)工藝？系泊裝置的旋轉(zhuǎn)接頭密封系統(tǒng)有怎樣失效模式？哪些關(guān)鍵的摩擦學(xué)與可靠性問題亟需解決？ 這些難題都關(guān)系到海上石油生產(chǎn)的安全。

深海油氣勘探開發(fā)時(shí)，單點(diǎn)系泊裝置、立管、水下采油樹等是海洋工程核心裝備，主要難點(diǎn)是核心設(shè)計(jì)建造和維護(hù)技術(shù)[1]。因此，2013年工信部等支持開展了單點(diǎn)系泊裝置功能分析和設(shè)計(jì)參數(shù)研究、單點(diǎn)系泊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多種接卸管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析、旋轉(zhuǎn)接頭浮筒及其主要附屬裝置設(shè)計(jì)研究等?，F(xiàn)階段，雖然國(guó)內(nèi)開展了大量的設(shè)計(jì)研制工作，但浮式結(jié)構(gòu)物、系泊裝置和立管均在海上服役10 a以上，在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)、高低溫、非線性振動(dòng)等環(huán)境下，其損傷檢測(cè)、維護(hù)和緊急救援機(jī)器人技術(shù)非常重要，也存在諸多摩擦學(xué)與可靠性難題待攻克。

1.2基于柔性桿技術(shù)的海洋立管檢測(cè)方法研究

深水環(huán)境的立管檢測(cè)和緊急救援十分重要，因?yàn)楣艿缽钠脚_(tái)至海床的懸空段受風(fēng)、浪、潮、海冰等影響而多自由度垂蕩，尤其是浪花飛濺區(qū)腐蝕影響，就使得懸空管段的腐蝕區(qū)域與應(yīng)力驟變區(qū)產(chǎn)生損傷(如水深500～ 3 000 m)。由于深海水下油氣輸送系統(tǒng)環(huán)境惡劣，從而使管道介質(zhì)工況復(fù)雜、救援成本更高，急需穩(wěn)定可靠的便捷修復(fù)技術(shù)；如果采用發(fā)球筒和收球筒工藝，或人工潛水等方式，管線將面臨卡堵和停輸風(fēng)險(xiǎn)。所以，輕便快捷的立管救援工藝與技術(shù)裝備在海管輸送時(shí)可兼具安全、高效兩大目標(biāo)，由于海上平臺(tái)柔性管作業(yè)適用性強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性好，已成為熱門的深海立管維護(hù)和檢測(cè)方法。為提高該技術(shù)裝備的適用性和安全可靠性，需要系統(tǒng)的分析和討論相關(guān)應(yīng)用摩擦學(xué)和技術(shù)進(jìn)展[2]。

在深海油氣管道輸送時(shí)，基于海洋平臺(tái)的連續(xù)管(Coil Tubing，CT)作業(yè)工藝，在去除水合物、流動(dòng)保障、管道檢測(cè)、修復(fù)維護(hù)等方面具有靈活輕便及效率高等優(yōu)點(diǎn)。2015年，譚桂斌等[3]、陳迎春等人[4]將細(xì)長(zhǎng)柔性桿與智能裝備用于海洋立管檢測(cè)和井筒清理等，還嘗試用于管端維修，如圖1所示。該作業(yè)工藝能夠連接不同功能的機(jī)器人，送入海底管道后進(jìn)行便捷檢測(cè)或維護(hù)，以避免復(fù)雜工況下清管器發(fā)送、回收等高風(fēng)險(xiǎn)過程。然而，為了避免管內(nèi)卡堵或介質(zhì)停輸?shù)葐栴}，從摩擦學(xué)和可靠性角度出發(fā)，可開展以下研究：

1)分析不同類型蠟沉積物、水合物等介質(zhì)去除率和摩擦學(xué)規(guī)律[5]。

2)分析內(nèi)檢測(cè)裝備在立管內(nèi)運(yùn)移時(shí)的非線性振動(dòng)和摩擦接觸特性等[6]。

3)在立管維護(hù)和檢測(cè)前進(jìn)行技術(shù)適用性分析。

4)管內(nèi)智能機(jī)器人作業(yè)的系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。

1—作業(yè)機(jī)器人和平臺(tái)示意；2—檢測(cè)組件結(jié)構(gòu)；3—密封摩擦副；4—點(diǎn)接觸副；5—機(jī)器人關(guān)鍵部件摩擦學(xué)系統(tǒng)模型。

2　立管作業(yè)機(jī)器人及其服役可靠性研究進(jìn)展

石油和天然氣“安全、高效、經(jīng)濟(jì)”的鉆探及采輸能力成為事關(guān)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的重要因素之一。開展陸地/海底輸送管道完整性管理，提高管道檢測(cè)和維修技術(shù)，進(jìn)行海洋立管和陸上管道的作業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究，面臨以下幾方面難題。

2.1管壁損傷和缺陷內(nèi)檢測(cè)技術(shù)裝備的安全可靠性

現(xiàn)階段，雖然國(guó)內(nèi)開展了陸地和海底管道檢測(cè)器研制，但是技術(shù)方面與國(guó)外還有較大差距，還需要突破。然而，國(guó)外廠家對(duì)管道內(nèi)檢測(cè)裝備嚴(yán)格保密、在全世界全面技術(shù)封鎖，賺取高額檢測(cè)費(fèi)用，國(guó)外的內(nèi)檢測(cè)裝備搭載三維測(cè)繪組件能隨意獲取我國(guó)戰(zhàn)略數(shù)據(jù)(陸地、海岸和深海)，影響我國(guó)安全。所以，為了提高國(guó)產(chǎn)化管道內(nèi)檢測(cè)裝備的準(zhǔn)確性、精度及作業(yè)安全，需要從裝備具體的工作環(huán)境出發(fā)進(jìn)行研究，特別是從內(nèi)檢測(cè)裝備與管道組成的摩擦學(xué)系統(tǒng)的角度開展研究。此外，近30 a來(lái)摩擦學(xué)的減摩耐磨、改善潤(rùn)滑的設(shè)計(jì)理論已發(fā)展到節(jié)能、節(jié)材、減排、減振、降噪以及改善機(jī)械裝備服役的生命質(zhì)量[7]。為提高缺陷內(nèi)檢測(cè)和定位精度，需要研究摩擦界面失穩(wěn)、污垢微觀去除、介質(zhì)流動(dòng)遷移及蠟塞淤積等機(jī)制，從摩擦學(xué)試驗(yàn)臺(tái)、測(cè)試方法、試驗(yàn)建模、應(yīng)用基礎(chǔ)等層面開展工作。

另外，開展管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)研究(如圖2所示)，尤其是通過試驗(yàn)揭示不同介質(zhì)條件下、不同內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦學(xué)作用機(jī)制，有助于開展裝備結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)和工藝優(yōu)化研究。其中，圖2a為管道幾何測(cè)徑作業(yè)，用普通的圓板鋁盤初探管道變形情況；圖2b為鋁盤初步測(cè)徑作業(yè)之后，選取合適清管工藝[8]，去除管內(nèi)污垢以提高內(nèi)檢測(cè)裝備運(yùn)行平穩(wěn)度，減輕管道腐蝕速率和失效風(fēng)險(xiǎn)[9]；圖2c為管道變形智能通徑儀，它利用高精度傳感器探頭采集管壁變形量，同時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，高精度基線檢測(cè)和幾何變形數(shù)據(jù)能夠避免檢測(cè)器卡堵；圖2d為不同功能單元組成的多功能內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人，它在橡膠皮碗支撐和驅(qū)動(dòng)作用下沿管道運(yùn)行。所以，深入的研究橡膠皮碗摩擦學(xué)特性以保障管內(nèi)機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)性，將直接影響到管道內(nèi)檢測(cè)準(zhǔn)確性、精度及輸送安全保障的水平。

圖2　管道內(nèi)檢測(cè)裝備和密封摩擦副簡(jiǎn)圖[3]

從管道智能機(jī)器人與管壁組成密封接觸系統(tǒng)的角度出發(fā)，譚桂斌等[3，10]建立了非穩(wěn)態(tài)運(yùn)移過程的動(dòng)力學(xué)方程：

(1)

式中：m為機(jī)器人總質(zhì)量；a為加速度；dpipe為管道內(nèi)徑；λ為管道與水平面的夾角；Δp為橡膠密封皮碗前后流體壓差；Fc為蠟沉積物的機(jī)械剝離阻力(假設(shè)未出現(xiàn)蠟塞運(yùn)移過程，Wax-slug transportating)；Fm為不同數(shù)量橡膠密封件與鋼管非穩(wěn)態(tài)摩擦阻力。

另外，根據(jù)管內(nèi)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式分為柔性管注入式[11]、流體壓差驅(qū)動(dòng)式[12]及電機(jī)牽引式等[13]，高端橡塑密封件是保障機(jī)器人安全可靠的核心元件，而且可以提供高可靠的支撐和壓差驅(qū)動(dòng)力。不論陸地還是海洋環(huán)境的管道作業(yè)，如圖2～3所示，從內(nèi)檢測(cè)裝備與管壁組成摩擦學(xué)系統(tǒng)的角度出發(fā)，譚桂斌等[14]研究了蠟層不斷剝落、堆疊的物理模型，討論了摩擦入口區(qū)的污垢體積增加、卡堵概率問題，以避免管道淤塞、設(shè)備卡堵。但是，國(guó)內(nèi)外對(duì)蠟層剝離過程和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律還缺乏系統(tǒng)性的研究成果，橡膠皮碗運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)摩擦學(xué)理論，也暫未用于現(xiàn)場(chǎng)管道蠟沉積物去除的工藝優(yōu)化。

2.2管道損傷缺陷檢測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)可靠性難題

2013-11-22，中國(guó)石化東黃管道原油泄漏后爆炸燃燒(簡(jiǎn)稱黃島管道爆燃事故)，造成62人死亡、直接經(jīng)濟(jì)損失7.5億元，成為我國(guó)最嚴(yán)重管道事故，而事故發(fā)生直接原因是埋地管道腐蝕減薄、破裂，在應(yīng)急修復(fù)時(shí)違規(guī)動(dòng)火作業(yè)。這涉及了管道應(yīng)急救援技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)控制。隨后類似事故：2014-06-30，大連某企業(yè)定向鉆時(shí)，將中國(guó)石油新大一線輸油管道破壞后泄漏爆炸；臺(tái)灣高雄市一條丙烯管道于2014-07-31，在市區(qū)泄漏爆燃，28人遇難、287人受傷，另有2人失蹤，遺憾的是，破壞現(xiàn)場(chǎng)與黃島管道爆燃事故極其相似[15]。

圖3　管道機(jī)器人前方污垢淤積摩擦學(xué)模型

值得大家認(rèn)真思考的是，我國(guó)引入油氣管道(包括了長(zhǎng)輸埋地鋼管、集輸管道與深海管道等)完整性管理體系和技術(shù)裝備并在企業(yè)應(yīng)用約10 a，也組建了大型的油氣管道應(yīng)急維搶修技術(shù)隊(duì)伍[16]，一方面，為什么還有如此惡劣管道損傷泄漏、爆燃災(zāi)難，從基礎(chǔ)理論和行業(yè)應(yīng)用等角度看，特種環(huán)境管內(nèi)機(jī)器人怎樣高效率、高可靠性的設(shè)計(jì)制造和服役？另一方面，鋼制管道內(nèi)污垢分布不均勻，管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)擔(dān)心作業(yè)裝備在“黑箱”環(huán)境出現(xiàn)事故，業(yè)主關(guān)心怎樣安全、高效控制管壁潔凈度？此外，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)不同的管內(nèi)機(jī)器人通常也難以高精度、高可靠性、高效率運(yùn)行，究竟有哪些主要影響因素？

避免清管檢測(cè)裝備服役時(shí)出現(xiàn)里程輪打滑卡球、堵管、盲目開挖甚至割管事故，需解決兩方面的問題。①需解決管內(nèi)裝備服役過程的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題，包括污垢淤積變化、污垢殘留粘附、構(gòu)件磨損失效、摩擦阻力問題、蠟層歷史老化效應(yīng)、內(nèi)檢測(cè)器前端漿液流變學(xué)特性等；②基于前一部分研究，建立清管動(dòng)力學(xué)模型，智能化控制清管檢測(cè)裝備的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，最終指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的施工工藝制定、參數(shù)優(yōu)化與檢測(cè)精度提高等。前一部分是后一部分的基礎(chǔ)。目前，正是由于前一部分的基礎(chǔ)問題尚未揭示清楚，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、參數(shù)選取、工藝制定方面與國(guó)外存在很大差距，阻礙了我國(guó)在管道運(yùn)營(yíng)和維護(hù)、高精度缺陷檢測(cè)和定位等技術(shù)裝備進(jìn)步。

2.3海底管道維修和修復(fù)的摩擦學(xué)與可靠性

目前，我國(guó)海底管道服役老化已進(jìn)入事故高發(fā)期且新建管道還在增加，需研究不同服役工況的高可靠性、高平穩(wěn)性、高精度管道維修與救援技術(shù)。例如，我國(guó)在鋪管/鋪纜設(shè)備及其核心裝置方面，逐步形成了研發(fā)和建造技術(shù)能力，但是控制精度、穩(wěn)定性及其基礎(chǔ)零部件等方面與國(guó)外的差距很大，在一定程度上制約了我國(guó)海管打撈救援與維修水平。另外，深水油氣管道安裝投產(chǎn)、修復(fù)及更換等作業(yè)過程中(如圖4所示)，深海鋪管船張緊器的彈性墊塊和管子構(gòu)成了橡膠摩擦學(xué)系統(tǒng)[17]；圖4所示(序號(hào)1)管子鋪設(shè)過程中管內(nèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，橡膠皮碗與管道等組成摩擦學(xué)系統(tǒng)，橡膠和管壁密封系統(tǒng)的磨損失效等應(yīng)用基礎(chǔ)研究還有待加強(qiáng)。

中海油梁富浩等[18]綜述了海底管道維修系統(tǒng)DPRS (Deepwater Pipeline Repair System)主要組成和工藝，介紹了深水海管維修技術(shù)難點(diǎn)；雖然國(guó)內(nèi)初步研究了雙層管聲學(xué)檢漏、封堵卡具等裝置，也開展了海試等功能驗(yàn)證，但尚未見可靠性設(shè)計(jì)[19]。此外，由于深海和陸上管道的維搶修技術(shù)壟斷性，我國(guó)在管道救援時(shí)主要采用開孔機(jī)、筒刀、封堵三通、封堵器等[20]。我國(guó)正處于工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)時(shí)期，在智能裝備和新型機(jī)器人科技協(xié)同攻關(guān)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)野外和受限環(huán)境管道救援機(jī)器人研究與實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步提高其信息化、智能化、數(shù)字化水平等。

1—鋪管張緊器和海底管道簡(jiǎn)圖；2—張緊器橡膠塊摩擦副；3—摩擦力和夾緊力；4—摩擦微間隙簡(jiǎn)圖；5—橡膠摩擦副。

2.4海洋水下管道管內(nèi)封堵式機(jī)器人技術(shù)

隨著我國(guó)海上油田生產(chǎn)模式優(yōu)化、井口布局調(diào)整、港口航道升級(jí)及管道鋪設(shè)里程增加等[21]，海底管道和立管的維修封堵案例增加，對(duì)高可靠度、高性能、高精度的管內(nèi)機(jī)器人的需求越來(lái)越多[22]。海洋立管的主動(dòng)或被動(dòng)式管內(nèi)封堵機(jī)器人技術(shù)具有重大意義，一方面，需要在極端天氣下、生產(chǎn)事故、油井廢棄、戰(zhàn)爭(zhēng)紛爭(zhēng)等被迫封堵立管，被動(dòng)地密封管內(nèi)介質(zhì)以避免泄漏污染，對(duì)智能封堵式機(jī)器人的操控精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、服役可靠性有苛刻要求[23]；另一方面，主動(dòng)式密封隔離管內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行輕便、快捷修復(fù)作業(yè)，如閥門更換與修理、海底管線改道、增設(shè)井口與試壓檢測(cè)等[24]，也需要安全、高效、便捷的封堵機(jī)器人作業(yè)技術(shù)和工藝。

如圖5所示(序號(hào)1)，柔軟皮碗和剛性骨架構(gòu)成了壓差驅(qū)動(dòng)組件，而高壓油缸或氣動(dòng)方式擠壓封堵裝置的錨定卡瓦和橡膠密封圈實(shí)現(xiàn)高壓密封[25]，封堵裝置和橡膠圈甚至密封了管內(nèi)20 MPa的壓差[26]。

此外，管內(nèi)智能封堵機(jī)器人服役過程準(zhǔn)確性、定位精度及作業(yè)安全[27]，需要從裝備具體介質(zhì)條件和污垢非均勻工況等研究[28]。因此，2010年至今，譚桂斌等[29]研究了柔軟橡膠皮碗在摩擦過程跨尺度接觸模型，如圖5所示，特別是從驅(qū)動(dòng)支撐皮碗(Elastomer sealing-cup)與管道組成的橡膠摩擦接觸區(qū)開展了研究，研究了橡膠摩擦真實(shí)接觸率和介質(zhì)殘留率等，建立了復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境的橡膠摩擦學(xué)系統(tǒng)模型，從摩擦學(xué)設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)的角度改善管內(nèi)封堵機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造和服役的生命質(zhì)量。

3　安全高效管道輸送應(yīng)用摩擦學(xué)和可靠性研究進(jìn)展

海洋和陸地管道輸送必須考慮安全節(jié)能、經(jīng)濟(jì)可靠等，涉及到的主要摩擦學(xué)和可靠性問題為：管壁蠟沉積物去除及防蠟防污涂層摩擦學(xué)問題；管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)支撐部件和耐磨設(shè)計(jì)；輸送管道減阻防腐涂層和綠色摩擦學(xué)等。上述方向近年來(lái)取得了新進(jìn)展。

3.1管內(nèi)壁潔凈與流動(dòng)保障的摩擦學(xué)與可靠性問題

若水深400 m海底管道被蠟層堵塞，修復(fù)費(fèi)用高達(dá)62.14萬(wàn)美元/km(100萬(wàn)美元/英里)，而且中國(guó)至今尚未掌握深海管道維修裝備與技術(shù)。對(duì)于深海水下、陸上管道至關(guān)重要的蠟沉積物機(jī)械式去除，主要是研究清蠟?zāi)Σ翗?gòu)件與鋼管的非線性摩擦接觸問題，針對(duì)其摩擦學(xué)系統(tǒng)的研究主要集中在蠟沉積物分布形態(tài)和機(jī)械去除效率等方面[30]。在蠟沉積物去除研究方面，國(guó)內(nèi)外通常采用密閉管道環(huán)路、冷指、油田割管等昂貴低效方法。最近中國(guó)石油大學(xué)(北京)在蠟層機(jī)械剝離過程中引入原位可視化試驗(yàn)方法[31]，發(fā)現(xiàn)了摩擦入口區(qū)的蠟顆?！拔⒂俜e效應(yīng)”，建立了考慮3種不同摩擦界面的蠟層正交去除模型，還采用熒光示蹤[32]、光學(xué)觀測(cè)等可視化技術(shù)[33]，深入到單個(gè)蠟晶層面揭示蠟層微去除難題。另外一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是，在管道流動(dòng)安全保障時(shí)采用化學(xué)藥劑和旁通射流清管器提高其清防蠟效果(例如：被剝離蠟層同時(shí)受到了切削應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流體場(chǎng)的多物理作用)，油田常用的工藝有：化學(xué)輔助式清管，在發(fā)送多個(gè)清管器之間投放不同化學(xué)藥劑；射流輔助式清管器，在機(jī)械式清管器空腔安裝新型調(diào)控裝置[34]，以環(huán)狀或旋轉(zhuǎn)射流去除污垢來(lái)提高作業(yè)效率[35]。

1—管道封堵式機(jī)器人簡(jiǎn)圖；2—橡膠密封摩擦接觸；3—密封盤微接觸區(qū)；4—摩擦入口區(qū)簡(jiǎn)圖；5—橡膠摩擦微凸體模型。

到目前為止，尚無(wú)普適性模型可預(yù)測(cè)不同國(guó)家不同油田管道蠟沉積，而針對(duì)不同地區(qū)不同管段蠟沉積物的去除及其智能控制更加復(fù)雜[36]。蠟層去除效率和動(dòng)態(tài)行為是由摩擦學(xué)系統(tǒng)所決定，另考慮了化學(xué)藥劑、射流等，而蠟污垢層物性又受管道尺寸、溫度、壓力、降溫速率、老化時(shí)間及膠質(zhì)瀝青質(zhì)等因素影響，因此，對(duì)管內(nèi)壁潔凈程度的機(jī)械式除蠟過程而言，合理應(yīng)用高可靠的智能機(jī)器人技術(shù)，也是油田和科研機(jī)構(gòu)需要重視的方向。

3.2管內(nèi)機(jī)器人磨損失效的摩擦學(xué)和可靠性問題

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)管道機(jī)器人抗磨損設(shè)計(jì)的研究主要集中在如何提高部件耐磨損和摩擦可靠性方面。柔軟密封碗主要有丁苯橡膠和聚氨酯等，例如研究納米粒子增強(qiáng)橡膠材料用于管道內(nèi)檢測(cè)裝備，在各油田進(jìn)行應(yīng)用；另外，盡管油氣儲(chǔ)運(yùn)學(xué)科等不同領(lǐng)域開展了清管規(guī)律研究[37]，也涉及了一些摩擦力計(jì)算的理論公式[38]，但僅把清管檢測(cè)裝備作為不損壞、整體剛體；從耐磨損設(shè)計(jì)出發(fā)，檢測(cè)器探頭設(shè)計(jì)了噴焊碳化鎢硬質(zhì)涂層、氧化鋯陶瓷，從動(dòng)力學(xué)角度考慮了焊縫凸起、管壁凹坑等具體特征進(jìn)行可靠性研究。

另外，智能內(nèi)檢測(cè)器皮碗構(gòu)件橡膠磨損機(jī)理研究近期也有進(jìn)展，研究人員采用改變交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、交聯(lián)程度、納米粒子增強(qiáng)體系等優(yōu)化橡膠制品高耐磨配方[39]，結(jié)合商業(yè)摩擦試驗(yàn)機(jī)、自制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、臺(tái)架試驗(yàn)等揭示橡膠磨損微觀機(jī)制；此外，從以前單純的材料磨損性能測(cè)試發(fā)展到智能清管器碰撞動(dòng)力學(xué)分析[40]、運(yùn)移過程摩擦計(jì)算[41]、壓差驅(qū)動(dòng)皮碗及摩擦過程智能化泄流及優(yōu)化等方面[42]，研究者嘗試從多尺度分析來(lái)控制橡膠構(gòu)件的磨損和摩擦載荷，進(jìn)而提高內(nèi)檢測(cè)器和救援機(jī)器人服役可靠性[43]。

3.3關(guān)于管內(nèi)壁減阻防腐的摩擦學(xué)和可靠性問題

借助多功能管道機(jī)器人在管內(nèi)壁設(shè)計(jì)和涂覆不同類型的減阻涂層，在輸送介質(zhì)內(nèi)添加化學(xué)藥劑，降低輸送管道的腐蝕和泵組的能耗，是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)；同時(shí)管內(nèi)減阻藥劑需要清管器隔斷驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)移過程和技術(shù)應(yīng)用是核心難題。中國(guó)石油大學(xué)針對(duì)中國(guó)原油管道面臨的多種物性差異大原油同管輸送的挑戰(zhàn)，研究原油加劑改性長(zhǎng)距離順序輸送、冷熱油交替輸送、長(zhǎng)距離含蠟原油管道間歇輸送過程等減阻增輸工藝，改進(jìn)了原油管道內(nèi)聚合物湍流減阻流動(dòng)理論，還研制了保障管道安全的多功能管道機(jī)器人；中國(guó)石油大學(xué)(北京)基于國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目《深水環(huán)境下易凝高黏原油-天然氣輸送系統(tǒng)流動(dòng)保障基礎(chǔ)問題研究》，為提高管內(nèi)過流面積，研究了蠟沉積物清除工藝、清蠟周期和材料微去除率，研制蠟沉積物剝離的模擬試驗(yàn)臺(tái)，提高管內(nèi)壁潔凈度以期減阻增輸。此外，中科院固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)研究了多種油品在疏油表面的減阻行為，在管壁制備仿生超疏油(水)表面，總結(jié)出不同功能表面減阻增輸?shù)囊话阋?guī)律。所以，在大規(guī)模的天然氣管網(wǎng)、原油管道等工況，減阻防腐和輸送能耗都是共性問題，設(shè)備安全延壽和節(jié)能降耗更是綠色摩擦學(xué)重要目標(biāo)。

3.4管內(nèi)機(jī)器人可靠性問題和檢測(cè)與評(píng)定研究

深海立管作業(yè)等智能機(jī)器人質(zhì)量檢測(cè)評(píng)定是工業(yè)應(yīng)用的一大難題。海洋立管隔離了外部強(qiáng)腐蝕性海水的進(jìn)入，也密封管內(nèi)的高壓多相介質(zhì)，避免油氣介質(zhì)泄漏和環(huán)境污染；立管作業(yè)機(jī)器人功能很多，可保障管道安裝、管壁清潔、缺陷檢測(cè)、維護(hù)修復(fù)、緊急救援等順利地進(jìn)行，所以其可靠性研究意義重大，但國(guó)內(nèi)外的相關(guān)成果較少，涉及機(jī)器人質(zhì)量檢測(cè)檢驗(yàn)的文獻(xiàn)不多。例如，不同管道口徑的智能機(jī)器人涉及不同類型的密封系統(tǒng)、傳感器、控制器、伺服電機(jī)、減速器等，都需要合適的試驗(yàn)方法和規(guī)程，然而，目前較成熟的電路(或器件)驗(yàn)證測(cè)試[44]、可靠性試驗(yàn)等，不能完全替代機(jī)器人的性能檢測(cè)試驗(yàn)與評(píng)價(jià)，應(yīng)進(jìn)一步研究。

各企業(yè)和高校要繼續(xù)深化產(chǎn)學(xué)研合作，共同研究機(jī)器人設(shè)計(jì)制造和服役的特殊工況、環(huán)境，聚焦在管道運(yùn)輸?shù)忍胤N機(jī)器人檢測(cè)和評(píng)定；同時(shí)，注重核心技術(shù)的市場(chǎng)推廣和品牌宣傳，以獨(dú)具特色的模式來(lái)培育國(guó)內(nèi)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。另外，在石油、礦山、煉化、電力、冶金等行業(yè)，適合于極端環(huán)境下作業(yè)的特種機(jī)器人系統(tǒng)，能夠代替人類在海洋、地下、野外及受限空間等復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境下開展各種作業(yè)[45]，輔助完成高精度、高穩(wěn)定性、高安全性的復(fù)雜作業(yè)任務(wù)，其研究開發(fā)具有極其重要的社會(huì)效益，也體現(xiàn)了作業(yè)機(jī)器人摩擦學(xué)與可靠性工作提升產(chǎn)品服役質(zhì)量的研究意義。

4　結(jié)論

1)從摩擦學(xué)與可靠性角度綜述了我國(guó)在海洋立管作業(yè)機(jī)器人技術(shù)方面的進(jìn)展和主要問題，未來(lái)我國(guó)在摩擦學(xué)技術(shù)和可靠性方面應(yīng)加大研究力度。

2)建議由國(guó)家和企業(yè)共同建立管道運(yùn)輸(或水運(yùn)安全、軌道交通、電網(wǎng)輸送)等特種機(jī)器人產(chǎn)品及部件認(rèn)證、校準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化工作、檢測(cè)、技術(shù)咨詢等服務(wù)平臺(tái)。

3)通過模擬計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試手段，開展管道智能檢測(cè)機(jī)器人等機(jī)電耦合設(shè)備的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)，制定相關(guān)可靠性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)規(guī)范，在企業(yè)進(jìn)行推廣和有關(guān)認(rèn)證咨詢。

4)加強(qiáng)高端橡塑密封、微型傳感器、高性能液壓件等研發(fā)測(cè)試能力，分析其安全節(jié)能服役基礎(chǔ)問題，深化產(chǎn)學(xué)研合作在我國(guó)深海油氣資源開發(fā)過程中進(jìn)行新理論和新技術(shù)應(yīng)用。

[1]周守為，金曉劍，曾恒一，等.海洋石油裝備與設(shè)施：支撐起海洋石油工業(yè)的平臺(tái)[J].中國(guó)工程科學(xué)，2010，12(5)：102-112.

[2]張嗣偉.關(guān)于摩擦學(xué)的思考[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[3]譚桂斌，劉書海，王德國(guó)，等.深海立管救援機(jī)器人橡膠密封碗摩擦損傷與微淤積效應(yīng)[C]// 2015年全國(guó)摩擦學(xué)大會(huì).成都，2015-10-14.

[4]陳迎春，張仕民，王文明，等.連續(xù)油管在海洋垂直立管中作業(yè)的軸向力傳遞[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2015，44(5)：17-21.

[5]譚桂斌，劉書海，王德國(guó)，等.油氣管道腐蝕缺陷內(nèi)檢測(cè)與清管時(shí)軟接觸區(qū)的含蠟油遷移規(guī)律研究[C]//2014全國(guó)青年摩擦學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議.湖北宜昌，2014-05-15.

[6]張行，張仕民，郭書墩，等.直板清管器過環(huán)焊縫過程的動(dòng)力學(xué)仿真[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2015，44(2)：22-27.

[7]王國(guó)彪，賴一楠，黃海鴻，等.2011年度NSFC機(jī)械工程學(xué)科工作回顧與思考[J].中國(guó)機(jī)械工程，2012，23(5)：570-577.

[8]譚桂斌，朱霄霄，張仕民，等.天然氣管道調(diào)速清管器研究進(jìn)展[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30(6)：411-416.

[9]王德國(guó)，何仁洋，董山英.長(zhǎng)距離油、氣、水混輸管道內(nèi)壁流動(dòng)腐蝕的研究進(jìn)展[J].天然氣與石油，2002，20(4)：24-29.

[10]Tan G B，Zhang S M，Zhu X X，et al.Research on bypass-valve and its resistance characteristic of speed regulating PIG in gas pipeline[C]//IEEE，3rd Int Conf on Measuring Technology and Mechatronics Automation，2011；Shanghai，China：1114-1117.

[11]Chen Y C，Zhang S M，Yu D H，et al.Friction reduction measurement for a coiled tubing working in a marine riser[J].Measurement，2015( 65)：227-232.

[12]Tan G B，Liu S H，Wang D G，et al.Tribological behavior of a line contact between rubber and wax (application to the wax-removal of oil pipeline pigging)[C]//Proceedings of World Tribology Congress (WTC2013)，Torino，Italy；Sep 8-13，2013，ID58：01-03.

[13]李鵬，馬書根，李斌，等.具有軸向和周向探查功能的螺旋驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(21)：19-28.

[14]Tan G B，Liu S H，Wang D G，et al.Effect of elastic rubber on the mechanical scraping of wax-oil deposit in oil and gas pipeline[C]//7th China International Symposium on Tribology (CIST)，Xuzhou，China，April 27-30，2014.

[15]張宏.解讀黃島事故調(diào)查報(bào)告，落實(shí)管道完整性管理[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2014，33(11)：1171-1173.

[16]孫兆光.管道公司維搶修體系初步形成[N].石油管道報(bào)，2006-01-12(1).

[17]Tan G B，Wang D G，Liu S H，et al.Frictional behaviors of rough soft contact on wet and dry pipeline surfaces：With application to deepwater pipelaying[J].Sci China Technol Sci，2013，56(12)：3024-3032.

[18]梁富浩，李愛華，苗春生，等.深水海底管線維修方式及其維修程序的探討[J].國(guó)外油氣田工程，2009，25(10)：43-47.

[19]梁富浩，李愛華，張永祥，等.深水海底管線維修系統(tǒng)研究進(jìn)展及有關(guān)問題探討[J].中國(guó)海上油氣，2009，21(5)：352-357.

[20]張仕民，譚桂斌，朱霄霄，等.油氣管道維搶修技術(shù)發(fā)展[J].石油機(jī)械，2011，39 (10)：174-178.

[21]王瑩瑩，王德國(guó)，段夢(mèng)蘭，等.水下生產(chǎn)系統(tǒng)典型布局形式的適應(yīng)性研究[J].石油機(jī)械，2012，40(4)：58-63.

[22]樊文斌.管內(nèi)高壓封堵器封堵能力與密封性能的研究[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)(北京)，2010.

[23]馬明，趙弘，賀滕.基于ADAMS的管內(nèi)封堵器鎖緊機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究[J].石油機(jī)械，2014，42(4)：101-105.

[24]王文明，張仕民，陳迎春，等.連續(xù)管在海洋油氣作業(yè)中的應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2012，40 (11)：53-57.

[25]馬明，趙弘，蘇鑫，等.油氣管道封堵?lián)屝藜夹g(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].石油機(jī)械，2014，42(6)：109-112.

[26]張策.管內(nèi)智能封堵器的研究[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)(北京)，2011.

[27]劉華潔，張策，張仕民，等.管內(nèi)高壓智能封堵機(jī)器人[J].石油機(jī)械，2013，41(6)：115-118.

[28]Wang W D，Huang Q Y.Prediction for wax deposition in oil pipelines validated by field pigging[J].J Energy Inst，2014，87(3)：196-207.

[29]Tan G B，Wang D G，Liu S H，et al.Probing tribological properties of waxy oil in pipeline pigging with fluorescence technique[J].Tribol Int，2014(71)：26-37.

[30]Tan G B，Liu S H，Wang D G，et al.Tribological behaviors of wax-in-oil gel deposition in orthogonal cleaning process[J].Tribol Lett，2015，57(3)：1-18.

[31]Tan G B，Liu S H，Wang D G，et al.Spatio-temporal structure in wax-oil gel scraping at a soft tribological contact[J].Tribo Int，2015(88)：236-251.

[32]Tan G B，Liu S H，Wang D G，et al.In situ observation of wax-in-oil flow in rough soft contact[J].Tribol Lett，2013，52(1)：93-103.

[33]譚桂斌，劉書海，王德國(guó)，等.軟接觸區(qū)微量油滴的遷移規(guī)律試驗(yàn)研究[C]//2013年全國(guó)青年摩擦學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議.山東青島，2013-06-02.

[34]朱霄霄，張仕民，李曉龍，等.可調(diào)速清管器速度控制裝置設(shè)計(jì)與研究進(jìn)展[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2014，33(9)：922-927.

[35]Galta T.Bypass pigging of subsea pipelines suffering wax deposition[D].Norwegian University of Science and Technology，2014.

[36]Zhang J J，Yu B，Li H Y，et al.Advances in rheology and flow assurance studies of waxy crude[J].Petrol Sci，2013，10(4)：538-547.

[37]張勁軍，何利民，宮敬，等.油氣儲(chǔ)運(yùn)理論與技術(shù)進(jìn)展[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，37(5)：151-162.

[38]O′Donoghue A.On the steady state motion of conventional pipeline pigs using imcompre- ssible drive media[D].Cranfield：Cranfield University，1996.

[39]曹志強(qiáng).網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)丁腈橡膠磨損行為的影響及其機(jī)理研究[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)(北京)，2014.

[40]Zhang H，Zhang S M，Liu S H，et al.Measurement and analysis of friction and dynamic characteristics of PIG’s sealing disc passing through girth weld in oil and gas pipeline[J].Measurement，2015(64)：112-122.

[41]Zhu X X，Zhang S M，Li X L，et al.Numerical simulation of contact force on bi-directional pig in gas pipeline：At the early stage of pigging[J].J Nat Gas Sci Eng，2015(23)：127-138.

[42]朱霄霄.天然氣管道調(diào)速清管器的設(shè)計(jì)方法與實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)(北京)，2014.

[43]譚桂斌.深海立管救援機(jī)器人的密封系統(tǒng)可靠性分析與設(shè)計(jì)[C]// 第四屆模型V&V專題研討會(huì).長(zhǎng)沙，2015-12-4.

[44]焦泉，張仕民，李曉龍，等.高精度管道通徑檢測(cè)器研制[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2015，44 (1)：63-68.

[45]王國(guó)彪，陳殿生，陳科位，等.仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51(13)：27-44.

Advances in Tribology and Reliability Studies of In-pipe Robot for Deepwater Risers

TAN Guibin1，2，3，WANG Deguo3，CHEN Yingchun3

(1.National Engineering Research Center of Rubber & Plastic Sealing，GuangzhouMechanical Engineering Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510535,China；2.State Center of Robot Testing and Evaluation (Guangzhou)，Guangzhou 510535,China；3.College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249,China)

There are still huge gaps in our pipe-robots for oil & gas pipeline and its flow assurance；a better understanding of the researches in Europeans and Americans is needed.Large diameter，high pressure，long distance pipelines are being used in China in last decade (from 2004 to 2014)，these in-pipe robots applications get more and more attentions and the world was shocked by its practical applications，such as pipe-laying，wax pigging，inspecting，isolating，repairing and so on.The main tribology and reliability problems of in-pipe robot are summarized and analyzed.Based on this，a discussion on green tribology，flow assurance，safe and efficiency，testing and evaluate of the various pipe-robots is carried out.Some open problems are discussed and the future trends are provided.

offshore platform；standpipe；robot；reliability

1001-3482(2016)05-0088-08

2015-11-04

2015工信部強(qiáng)基工程“高端橡塑密封元件研發(fā)檢測(cè)服務(wù)平臺(tái)”；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“特殊環(huán)境下橡膠材料非穩(wěn)態(tài)摩擦學(xué)研究”(51375495)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“油氣管道清管過程中軟摩擦的行為與作用機(jī)制研究”(51175514)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金“含蠟油在機(jī)械裝備柔軟接觸區(qū)的遷移規(guī)律研究”(2462013YXBS008)

譚桂斌(1988-)，男，湖南郴州人，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)樯詈Ｖ悄苎b備、機(jī)器人與可靠性等，E-mail:tgb0510@126.com。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.020