基于ROV的水下摩擦螺柱焊海底管道犧牲陽極安裝技術(shù)應(yīng)用

鄧周榮，狄冰，王雪斌，施炎武，蔡?hào)|海，高輝，胡盼，劉凱龍

（1.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳518052；2.中海輝固地學(xué)服務(wù)（深圳）有限公司，廣東 深圳518052；3.北京石油化工學(xué)院，北京102600）

1 引言

海底管道是海洋石油運(yùn)輸?shù)纳€，自1954 年世界第一條海底管道成功鋪設(shè)后，我國也于1973 年首次完成海底輸油管道的鋪設(shè)[1]。目前，我國超10 年服役的海底管道有2000 多千米，在長時(shí)間服役的海底管道中，腐蝕是造成管道失效的主要原因[2，3]。犧牲陽極保護(hù)法因其經(jīng)濟(jì)、方便的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于海底管道防腐上[4]。常用的海底管道陽極安裝方法為管夾安裝，需利用專用管夾安裝陽極，因管夾尺寸一般相對(duì)管道較大，通常會(huì)降低管道的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；管夾安裝為機(jī)械連接，安裝前需對(duì)管道進(jìn)行打磨等預(yù)處理，且易受外部環(huán)境影響造成安裝觸點(diǎn)脫落，最終導(dǎo)致保護(hù)失效。

2 焊接工裝設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

焊接工裝由ROV 提供液壓動(dòng)力，通過ROV 機(jī)械臂操控實(shí)現(xiàn)陽極安裝的定位。其機(jī)械裝置主要由焊接主軸、固定結(jié)構(gòu)和陽極安裝塊組成（見圖1）。焊接工裝使用專用螺柱通過摩擦螺柱焊技術(shù)將陽極安裝塊與海底管道固定，其中，焊接主軸為焊接過程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，固定結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)焊接工裝與管道在焊接過程中的固定，陽極安裝塊在與海底管道連接后對(duì)管道提供保護(hù)。

圖1 工裝總體結(jié)構(gòu)

2.2 陽極焊接過程

陽極固定采用摩擦螺柱焊技術(shù)，該技術(shù)可以在不清理防腐層的狀態(tài)下將陽極焊接在海底管道上，可極大地減少焊接前的準(zhǔn)備工作。焊接流程如圖2 所示，在初始階段，焊接螺柱錐角與管道防腐層摩擦產(chǎn)生熱量可直接穿透防腐層，然后螺柱與管道繼續(xù)摩擦產(chǎn)生熱量使摩擦面處于塑性狀態(tài)；待焊接過程穩(wěn)定后進(jìn)入加熱階段，此時(shí)，焊接螺柱產(chǎn)生的飛邊不斷填充弧形板空隙；當(dāng)螺柱到預(yù)定深度時(shí)，螺柱飛邊已完全將弧形板空隙填滿，螺柱下壓端面與弧形板圓槽也開始進(jìn)入摩擦，此時(shí)螺柱停止旋轉(zhuǎn)進(jìn)入制動(dòng)階段；待螺柱完全定值旋轉(zhuǎn)，焊接主軸持續(xù)給螺柱一個(gè)較大的頂鍛力進(jìn)入頂鍛階段，持續(xù)一段時(shí)間后主軸退回，焊接完畢。

圖2 摩擦螺柱焊焊接成形過程

2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

焊接主軸為焊接工裝的核心部件，主要由液壓馬達(dá)、主軸本體和安裝座組成。為實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，主軸本體采用7050 鋁合金作為主要材料。焊接主軸實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給與主軸旋轉(zhuǎn)2 個(gè)運(yùn)動(dòng)，其中，主軸旋轉(zhuǎn)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，軸向進(jìn)給由主軸本體液壓缸驅(qū)動(dòng)。

固定結(jié)構(gòu)采用雙臂夾持式結(jié)構(gòu)，主要由主體框架、夾緊液壓缸和夾緊臂組成（見圖3）。主體框架選用材料為Q235，表面涂有防水涂料防止海水腐蝕。兩夾持臂與夾持液壓缸分布在支撐框架兩側(cè)，當(dāng)夾持液壓缸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)夾持臂向管道方向運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)夾持臂抱緊管道從而實(shí)現(xiàn)工裝固定。主體框架由寬100mm，高50mm 的槽鋼與鋼板焊接而成；液壓缸為單活塞液壓缸，對(duì)稱安裝在主體框架兩端，與夾緊臂組成一個(gè)三角形結(jié)構(gòu)。

圖3 液壓主軸

陽極安裝塊由陽極塊、弧形支撐板和T 形把手組成。焊接完成后，海底管道、焊接螺柱、弧形板、陽極塊和海水形成電流回路，陽極隨電流產(chǎn)生而逐漸被消耗，從而起到保護(hù)海底管道的作用。陽極塊使用Al-Zn-In 系合金作為原材料，該合金因不需要熱處理、電流效率高而廣泛作為水下保護(hù)陽極的材料。陽極上端平面開有螺紋孔，通過T 形把手便可實(shí)現(xiàn)陽極塊與固定結(jié)構(gòu)的連接，在水下焊接完成后，由ROV 機(jī)械臂將兩T形把手?jǐn)Q開，便可實(shí)現(xiàn)陽極安裝塊與焊接工裝的分離。

2.4 結(jié)構(gòu)受力分析

在水下陽極安裝過程中，焊接主軸會(huì)對(duì)海底管道施加一個(gè)較大的頂鍛力，為保持焊接工裝穩(wěn)定，固定機(jī)構(gòu)的兩側(cè)夾持臂同樣會(huì)對(duì)管道施加一對(duì)夾緊力，使三力平衡。將該模型進(jìn)行簡化得到圖4 所示受力分析，并列出式（1）：

式中，F(xiàn)S為焊接主軸所提供的最大頂鍛力，F(xiàn)S=30kN；FT1和FT2為兩夾持臂所提供的夾持力，因夾持臂為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，兩力大小相等且與FS法線所夾角度相同，α=34.5°。最終求得夾持力為26.5kN。通過牛頓第三定律可知，海底管道受到的作用力與工裝受到的作用力大小相等方向相反。運(yùn)用Solidworks 中的Simulation 模塊對(duì)固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜應(yīng)力有限元分析，分析得出最大應(yīng)力為193MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，最大位移為2mm，滿足使用要求。

圖4 總體受力分析

2.5 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本裝置由ROV 攜帶入水，其液壓動(dòng)力由ROV 提供，最大壓力為20.5MPa，最大流量為70L/min。液壓系統(tǒng)總體分為3 個(gè)控制回路，分別為軸向運(yùn)動(dòng)回路、主軸自轉(zhuǎn)回路與液壓缸擺動(dòng)回路。

2.6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)除了可操控液壓系統(tǒng)中各方向閥的位置和傳感器的信號(hào)讀取，還提供了水下攝像頭和LED 燈輔助設(shè)備的接口。在焊接過程中，工作人員只需在操控室中對(duì)控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面進(jìn)行操作便可完成整個(gè)焊接操作。在與液壓系統(tǒng)進(jìn)行適配前需將每個(gè)控制元件進(jìn)行編號(hào)量化，因不同操作時(shí)各控制元件所對(duì)應(yīng)電位值不同，針對(duì)不同操作確定。

為避免人為因素導(dǎo)致焊接接頭質(zhì)量出現(xiàn)問題，在水下焊接時(shí)將采用自動(dòng)焊接模式。自動(dòng)焊接模式首先將主軸下移距離、焊接深度、頂鍛時(shí)間設(shè)置好，在焊接過程中只需點(diǎn)擊自動(dòng)焊接便可按照流程完成整焊接。

3 焊接工裝測試

3.1 陸地測試

為確保焊接工裝的穩(wěn)定性，在實(shí)際工程水下作業(yè)之前需對(duì)焊接工裝進(jìn)行陸上測試。其測試步驟為：（1）將X65 管道放入裝滿水的方形水槽中，水槽中水的需完全浸沒管道；（2）將焊接工裝機(jī)械部分安裝固定，液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)與ROV連接；（3）使用叉車將焊接工裝吊入水槽管道上方預(yù)定位置；（4）通過控制軟件對(duì)焊接工裝輸入命令進(jìn)行焊接操作；（5）焊接完畢，使用叉車將焊接工裝吊起。

3.2 海洋測試

完成陸上測試后，為驗(yàn)證焊接工裝在實(shí)際海洋環(huán)境下的作業(yè)情況，對(duì)焊接工裝進(jìn)行海洋測試，測試地點(diǎn)在中海油白云作業(yè)區(qū)，測試水深為315m，使用CFUV1017 型號(hào)ROV 進(jìn)行測試，其測試步驟為：（1）將焊接工裝與ROV 系統(tǒng)連接，使焊接工裝夾緊臂與測試管道夾緊固定；（2）ROV 攜帶工裝與測試管道潛入預(yù)定海底位置；（3）操作人員按焊接流程操控軟件，使焊接工裝進(jìn)行焊接；（4）焊接完成后，使用ROV 將焊接工裝與測試管道收回到甲板上。

4 結(jié)語

采用摩擦螺柱焊的方法對(duì)海底管道陽極進(jìn)行安裝，并設(shè)計(jì)了配套R(shí)OV 系統(tǒng)的焊接工裝。在機(jī)械機(jī)構(gòu)部分采用雙臂夾持式固定方案對(duì)管道進(jìn)行固定，通過對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行受力分析確保整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在液壓系統(tǒng)與控制系統(tǒng)部分，設(shè)計(jì)液壓油路為焊接工裝提供液壓動(dòng)力，通過控制電磁閥門電位操控焊接自動(dòng)化操作。

對(duì)焊接工裝進(jìn)行了陸上與海洋測試。在陸上測試過程中與TIG 進(jìn)行對(duì)比，證明了水下摩擦螺柱焊在力學(xué)上的優(yōu)異性；在海洋測試中對(duì)陽極進(jìn)行安裝，安裝得到的陽極初步判斷符合要求。