混凝土配重管涂敷在線激光測(cè)徑設(shè)備研制與應(yīng)用

武占文，賈 振，王長(zhǎng)懷，楊 彪，張 祥

海油發(fā)展珠海管道工程有限公司，廣東珠海 519090

隨著海洋油氣資源開發(fā)的持續(xù)增長(zhǎng)，近年來(lái)海洋油氣管網(wǎng)建設(shè)得到了迅猛發(fā)展，海底管道配重技術(shù)也得到了廣泛關(guān)注[1-5]。海洋工程中主要采用管道外噴射混凝土配重層進(jìn)行海底管道配重，用于增加管道負(fù)浮力，保障水下管道穩(wěn)定運(yùn)行。在混凝土配重涂敷生產(chǎn)中，配重管外徑是計(jì)算海底管道負(fù)浮力指標(biāo)的重要基礎(chǔ)參數(shù)之一，其測(cè)量精度和效率對(duì)海底管道配重涂敷生產(chǎn)工藝控制至關(guān)重要。目前，業(yè)內(nèi)普遍采用ISO 21809-5 標(biāo)準(zhǔn)推薦的π 尺測(cè)徑工藝進(jìn)行海底管道涂敷在線外徑測(cè)量，即先測(cè)量配重管周長(zhǎng)，再計(jì)算出配重管直徑。該外徑測(cè)量工藝受人為操作影響較大，測(cè)量精度低，誤差大，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測(cè)。同時(shí)，涂敷在線人工測(cè)徑與配重涂敷出管存在交叉作業(yè)，不但增大檢驗(yàn)人員安全風(fēng)險(xiǎn)，而且也影響配重涂敷出管操作，降低涂敷施工效率。近年來(lái)海洋工程設(shè)計(jì)對(duì)管道涂敷工藝控制精度的要求愈加嚴(yán)格，現(xiàn)有的人工測(cè)徑工藝已很難滿足高精度（測(cè)徑誤差≤1 mm） 的涂敷在線同步測(cè)徑要求。EUPEC、Bredero Shaw 等國(guó)外管道知名涂敷公司已具備高精度的自動(dòng)在線測(cè)徑技術(shù)，而國(guó)內(nèi)還未見自動(dòng)測(cè)徑技術(shù)在管道配重涂敷技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，針對(duì)混凝土配重管外徑高精度測(cè)量要求，目前急需開發(fā)出一種能夠?qū)ε渲毓苓M(jìn)行混凝土涂敷的在線自動(dòng)測(cè)徑設(shè)備。

本文根據(jù)管道混凝土配重噴射涂敷工藝特點(diǎn)，利用激光掃描測(cè)徑技術(shù)和激光定位技術(shù)，研究開發(fā)出一種滿足海底管道混凝土配重涂敷在線同步測(cè)徑要求的激光測(cè)徑設(shè)備。

1 激光測(cè)徑設(shè)備設(shè)計(jì)原理

1.1 激光掃描測(cè)徑原理

激光掃描測(cè)徑是目前較為常用的一種高精度直徑測(cè)量方法，主要利用高速掃描的平行激光光束對(duì)待測(cè)物體投影，相對(duì)應(yīng)的激光接收器將投射過(guò)來(lái)的激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，即可計(jì)算出被測(cè)物體的直徑[6-8]。對(duì)于管徑較大的海洋油氣管道，常規(guī)單光路激光光束無(wú)法滿足大管徑混凝土配重管投影測(cè)量要求。為滿足尺寸較大的配重管激光掃描測(cè)徑需求，本研究選用雙光路激光掃描技術(shù)作為測(cè)徑方法，其光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。當(dāng)兩束平行的激光掃描光束分別掃描配重管的上下邊緣時(shí)，可根據(jù)激光接收器上的光電信號(hào)，并結(jié)合兩個(gè)激光光束間的距離求算出配重管的直徑。

圖1 雙光路激光掃描測(cè)徑光路結(jié)構(gòu)

1.2 激光定位原理

激光定位是以激光器為零點(diǎn)，利用激光測(cè)距原理進(jìn)行物體定位[9-10]。根據(jù)非連續(xù)的單根海底管道混凝土噴射配重涂敷工藝特點(diǎn)，本研究在配重涂敷生產(chǎn)線出管一端設(shè)計(jì)安裝了激光定位傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配重管與激光掃描測(cè)徑光束的相對(duì)位置，配重管激光定位測(cè)徑工藝如圖2 所示。

圖2 配重管激光定位測(cè)徑工藝示意

當(dāng)配重管通過(guò)激光掃描測(cè)徑光束時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)激光定位傳感器此刻反饋的位移信號(hào)，自動(dòng)采集和記錄激光掃描測(cè)徑光束中配重管的外徑數(shù)值，實(shí)現(xiàn)配重管涂敷在線連續(xù)全長(zhǎng)測(cè)徑功能。

2 硬件布局及開發(fā)設(shè)計(jì)

針對(duì)非連續(xù)的海底管道混凝土噴射配重涂敷工藝，為保證其涂敷效率，管道工程公司普遍將配重涂敷生產(chǎn)線設(shè)計(jì)建造成以涂敷設(shè)備為中心的對(duì)稱式進(jìn)出管結(jié)構(gòu)。根據(jù)海底管道配重涂敷工藝和配重涂敷生產(chǎn)線布局特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)配重管外徑測(cè)量和配重涂敷的同步性，本研究將配重涂敷在線激光測(cè)徑設(shè)備分為激光掃描測(cè)徑系統(tǒng)、激光定位系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中激光掃描測(cè)徑系統(tǒng)安裝于配重涂敷室的兩側(cè)，激光定位傳感器設(shè)計(jì)安裝在配重管生產(chǎn)線出管端，見圖3。

圖3 海底管道配重涂敷生產(chǎn)在線激光測(cè)徑設(shè)備布局

2.1 激光掃描測(cè)徑系統(tǒng)

激光掃描測(cè)徑系統(tǒng)是利用激光掃描投影原理進(jìn)行配重管外徑測(cè)量的光電系統(tǒng)，針對(duì)配重管較大的外徑變化范圍（300 ～1 700 mm），本研究選用雙光路激光掃描測(cè)徑結(jié)構(gòu)，用于保證激光掃描測(cè)徑系統(tǒng)具有較高的適用性。激光掃描測(cè)徑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 激光掃描測(cè)徑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由承載框架、激光掃描發(fā)射器、激光接收器、同步滑動(dòng)模組和光柵尺組成。

在掃描測(cè)徑系統(tǒng)中，同步滑動(dòng)模組固定于門狀的鋼制承載框架兩側(cè)，激光掃描發(fā)射器和激光接收器分別安裝于兩側(cè)的同步滑動(dòng)模組上，并可在滑動(dòng)模組的導(dǎo)軌上同步移動(dòng)，以確保激光掃描發(fā)射器產(chǎn)生的平行激光光束能夠全部被激光接收器接收。

考慮到鋼管在配重涂敷過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)跳動(dòng)，為確保大管徑配重管上下兩個(gè)邊緣分別能夠被兩束激光光束投射，本研究選用激光光幕寬度為150 mm 的激光掃描發(fā)射器。光柵尺設(shè)計(jì)安裝在與激光掃描發(fā)射器同側(cè)的承載框架上，并與激光掃描發(fā)射器相連，用于檢測(cè)兩個(gè)激光掃描發(fā)射器之間的相對(duì)距離，并結(jié)合激光接收器計(jì)算配重管外徑數(shù)值。

激光測(cè)徑系統(tǒng)組件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 激光測(cè)徑系統(tǒng)組件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 激光定位系統(tǒng)

激光定位系統(tǒng)為配重管位移定位裝置的核心，本研究選用德國(guó)SICK DL50 高精度激光位移傳感器作為激光定位系統(tǒng)，測(cè)量位移分辨率為0.1 mm，能夠?qū)ν糠笊a(chǎn)線上配重管的位置進(jìn)行精確定位，進(jìn)而與激光測(cè)徑系統(tǒng)相匹配，實(shí)現(xiàn)配重管定位數(shù)據(jù)采集功能。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由工控機(jī)和測(cè)控軟件組成，激光掃描測(cè)徑系統(tǒng)、激光位移傳感器分別通過(guò)數(shù)據(jù)線與工控機(jī)相連，利用RS485 通訊建立起聯(lián)結(jié)各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)炷僚渲毓軠y(cè)徑數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、計(jì)算和儲(chǔ)存，并可與現(xiàn)有上位數(shù)據(jù)跟蹤系統(tǒng)相連接，直接將快速采集的外徑數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)有的涂敷生產(chǎn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行海底管道負(fù)浮力計(jì)算。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件界面見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件界面

3 自動(dòng)測(cè)徑工藝試驗(yàn)

基于以上設(shè)計(jì)方案研制出了海底管道混凝土配重涂敷生產(chǎn)在線激光測(cè)徑設(shè)備，安裝在混凝土噴射涂敷配重生產(chǎn)線上，設(shè)備性能參數(shù)見表2。

表2 海底管道混凝土配重涂敷在線激光測(cè)徑設(shè)備性能參數(shù)

結(jié)合涂敷施工開展了激光掃描自動(dòng)測(cè)徑工藝試驗(yàn)，以驗(yàn)證激光掃描自動(dòng)測(cè)徑設(shè)備對(duì)不同規(guī)格海底管道外徑測(cè)量的適用性。激光掃描自動(dòng)測(cè)徑工藝試驗(yàn)見圖6，自動(dòng)測(cè)徑工藝試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖6 海底管道配重涂敷在線激光測(cè)徑工藝試驗(yàn)

表3 海底管道激光掃描自動(dòng)測(cè)徑工藝試驗(yàn)結(jié)果

激光掃描自動(dòng)測(cè)徑工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的激光掃描測(cè)徑設(shè)備能夠?qū)ν鈴?00 ～1 700 mm 的海底管道實(shí)現(xiàn)配重涂敷生產(chǎn)在線測(cè)徑。對(duì)比激光掃描測(cè)徑結(jié)果與手動(dòng)測(cè)徑的結(jié)果，兩種工藝間的測(cè)量偏差小于1 mm，且激光掃描測(cè)徑檢驗(yàn)工藝能夠更為精確地測(cè)量配重管的外徑值。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

孟加拉MAHESHKHALI 管道涂敷項(xiàng)目管道規(guī)格為D 1 067 mm×19.1 mm，混凝土配重層厚度為110 mm，管道長(zhǎng)度7 km。大管徑海底管道配重涂敷顯著增大了在線人工手動(dòng)測(cè)徑檢驗(yàn)的難度，本項(xiàng)目采用激光掃描自動(dòng)測(cè)徑設(shè)備進(jìn)行了配重管涂敷在線自動(dòng)測(cè)徑檢驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，激光掃描自動(dòng)測(cè)徑設(shè)備能夠?qū)ε渲毓芡鈴綌?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)計(jì)算和儲(chǔ)存，并可與現(xiàn)有涂敷生產(chǎn)數(shù)據(jù)跟蹤系統(tǒng)相連接，直接將采集的外徑數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)有的涂敷生產(chǎn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行海底管道負(fù)浮力計(jì)算，保證了海底管道涂敷生產(chǎn)與質(zhì)量檢驗(yàn)較高的同步性。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)管道混凝土配重噴射涂敷工藝特點(diǎn)，本文利用激光掃描測(cè)徑技術(shù)和激光定位技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)出海底管道配重涂敷在線激光掃描自動(dòng)測(cè)徑設(shè)備和相配套的測(cè)控系統(tǒng)，能夠?qū)υ诰€涂敷的配重管外徑進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)計(jì)算和儲(chǔ)存，顯著地提高了配重管外徑測(cè)量精度和效率。該設(shè)備的成功研發(fā)和工程應(yīng)用對(duì)國(guó)內(nèi)海底管道配重涂敷檢驗(yàn)技術(shù)水平的提升具有重要意義。