打壓透流式屈曲檢測器結(jié)構設計及分析

彭 飛，田奕豐，李紅親，程龍生

（1.中國建筑標準設計研究院，北京 100048；2.中國石油管道局工程有限公司，河北 廊坊 065000；3.浙江石油化工有限公司，浙江 舟山 316021）

1 引言

屈曲檢測器是一種用于檢測海底管線在海上鋪設過程中管道是否發(fā)生屈曲變形的專用設備，應用屈曲檢測器可以發(fā)現(xiàn)管道缺陷并及時解決問題，避免在工程結(jié)束后才發(fā)現(xiàn)管道缺陷而又不得不花費高昂的費用修復海管。為了提高屈曲檢測器的安裝效率，傳統(tǒng)的單根逐纜安裝方式已被摒棄，目前屈曲檢測器主流的安裝方式是在船側(cè)管道端部緊固密封盲板后利用空壓機將屈曲檢測器打壓推送至著泥點后指定位置進行測量[1-4]。

隨著石油資源的開采已從陸地向海洋發(fā)展，尤其是一些市政管道的建設，鋪設的海管往往不帶配重層。在采用鋪管船法鋪設時，對于無混凝土配重的管道鋪設，為了克服管道在水下受到的浮力并使管道順利的沉落到海床上，往往采用邊鋪設邊注水的施工工藝[5-6]。傳統(tǒng)打壓式的屈曲檢測器必定含有密閉截面，雖然可以通過打壓方式推送至著泥點后指定位置，但是不具備透水功能，因此不再適用邊注水邊鋪設式的海管鋪設。為了解決上述技術難題，設計的打壓透流式屈曲檢測器采用透流屈曲檢測器本體與法蘭式低壓爆破片相結(jié)合的思路，既保留了打壓推送安裝工藝高安裝效率的優(yōu)點，又兼具實現(xiàn)了著泥點定位后的透流功能。除此之外，重新設計了盲板打壓機構，從安全性和可操作性方面提出新的安裝工藝，并成功應用于廣東海管項目，有效的縮短了海上安裝的施工周期，節(jié)約了施工費用，經(jīng)濟效益顯著。該設計方案和安裝工藝對該類管道的鋪設具有前瞻性的意義。

2 屈曲檢測器的工作原理

2.1 傳統(tǒng)屈曲檢測器的工作原理

屈曲檢測器主要用于檢測管線在海上安裝過程中管道及管道彎曲部分的變形,以便于及時發(fā)現(xiàn)管道是否存在缺陷,并及時解決問題。傳統(tǒng)打壓式屈曲檢測器的結(jié)構形式主要由兩塊測量板、兩組支撐輪、萬向拉環(huán)及密封膠墊構成。測量板直徑一般為管道內(nèi)徑90%至97%, 施工過程中由卷揚機或人工牽引作為動力,使其沿管道內(nèi)部運行檢測管道。常規(guī)使用的屈曲檢測器,如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)打壓式屈曲檢測器Fig.1 The Traditional Mamometric Buckling Detector

在正常鋪設過程中,為了檢測海管是否發(fā)生屈曲以確保海管施工質(zhì)量,需要使用屈曲檢測器。目前常規(guī)淺水的屈曲檢測工藝由一個屈曲檢測器和若干根的標準索具組成,使用時通過單根逐次連接的形式,將屈曲檢測器移動安裝到著泥點后相應距離進行測量[7]。其工作狀態(tài),如圖2 所示。

圖2 鋪設期間屈曲檢測器位置示意圖Fig.2 Sketch Map of the Buckling Detector During Laying

由于單根逐纜的安裝方式效率很低，安裝過程繁瑣，需要頻繁的取出內(nèi)焊機或內(nèi)對口器，尤其是當深水鋪設時，著泥點距離管口安裝位置較遠，需要的纜繩很長，且標準鋼絲繩之間通過卡環(huán)及其他形式連接增加了失效或磨損的風險,因此使用單根鋼絲繩連接屈曲檢測器的工藝革新是最經(jīng)濟且有效的方式。目前國內(nèi)外先進的安裝方式是采用空壓機吹動密閉狀態(tài)下管線內(nèi)屈曲檢測器的形式將其推送至著泥點后指定位置。

該套裝置主要由一臺空壓機、用于密封海管管頭的盲板機構、鋼絲繩以及屈曲檢測器構成。安裝過程為先將屈曲檢測器安裝在管道中,之后用盲板機構密閉管道,使用空壓機通風送氣吹動屈曲檢測器在管道內(nèi)移動,同時單根鋼絲繩不斷向管道輸送,最終到將屈曲檢測器推送至著泥點指定位置[8]，如圖3 所示。

圖3 管口打壓設備安裝Fig.3 Pressure Equipment Installation at the End of the Pipe

2.2 邊鋪設邊注水鋪管方式中的應用

對于采用鋪管船法的S-LAY 鋪設而言，其管道在水下S 彎段的形態(tài)和應力狀態(tài)是由托管架滾輪布置狀態(tài)和張緊器張力來共同控制的。然而對于無配重海底管道的鋪設，由于水浮力的影響，管道與托管架的擬合狀態(tài)無法保證，很容易形成局部應力過大導致局部屈曲，因此此類管道的鋪設往往采用邊注水邊鋪設方式，使管道內(nèi)液位低于海面一定高度（其高度差可以通過Offpipe軟件計算得出），來保證在鋪設過程中管道的應力始終控制在許用應力范圍以內(nèi)[9-11]。

邊注水邊鋪設方式的過程往往配合岸拖工序進行，即利用岸拖方式將待鋪設的無配重海管從鋪管船上牽引至陸地側(cè)起始端，管道就位后，在船側(cè)管口位置開始安裝屈曲檢測器。當屈曲檢測器打壓推送至指定位置后，取下打壓裝置并將屈曲檢測器的鋼纜端部固定在絞車纜繩上，此時便可在陸地端注水平臺注水，使近岸端管道依次向船側(cè)開始下沉，直至達到計算的液位差，之后便可像正常的S-LAY 鋪設方式一樣，采用邊鋪設邊注水的方式時刻保持液位差穩(wěn)定，如圖4 所示。

圖4 岸拖工序Fig.4 The Shore Towing Process

3 打壓透流式屈曲檢測器結(jié)構設計

3.1 打壓透流式屈曲檢測器結(jié)構設計

為了檢測邊鋪設邊注水方式施工的海底管道的屈曲情況，以廣東海管項目為例，利用低壓法蘭夾持式爆破片與透流式屈曲檢測器本體結(jié)合的方式，設計了一種打壓透流式屈曲檢測器，并在透流孔布置和支撐輪數(shù)量方面重新設計，如圖5、圖6 所示。

圖5 打壓透流式屈曲檢測器Fig.5 The Through-Flow and Mamometric Buckling Detector

圖6 爆破后的打壓透流式屈曲檢測器Fig.6 The Through-Flow and Mamometric Buckling Detector After Blasting

其原理是將法蘭夾持式的低壓爆破片機構焊接在屈曲檢測器的末端，屈曲檢測器本體上在不影響強度的情況下盡可能的開透流孔，使最小透流截面的過流面積盡量大，以使其移船過程中需要絞車提供的拖拽力盡量小。在安裝時將其用天吊放入管道之中，其爆破片和屈曲檢測器密封盤之間組成密封截面，與傳統(tǒng)的打壓方式類似，利用密封盲板和空壓機將其推送至指定位置。接下來將船側(cè)屈曲檢測器攜帶的鋼絲繩端部固定，繼續(xù)打壓，直至爆破片爆破。爆破片爆破后便形成透流孔，進而實現(xiàn)了打壓后透流過水的功能。在實際設計的過程中，需要根據(jù)不同的實際工況區(qū)分考慮如下問題：

（1）為了確保透流面積足夠大，屈曲檢測器內(nèi)筒直徑的確定需要綜合考慮測徑板內(nèi)徑、配合的爆破片尺寸、內(nèi)筒直徑增加引起整體重量的增加幅度。

（2）通過工程經(jīng)驗可知，屈曲檢測器用于支撐的滾動軸承極易磨損，考慮本海底管道為大直徑海管，為了減小單個支撐軸承的受力，采用單側(cè)12 個支撐輪的設計方案，以保證工作狀態(tài)下始終有12 左右的支撐輪分擔重力，從而提高支撐輪的使用壽命。此外，支撐輪的增加減小了單個支撐彈簧所需的剛度，在保證同心度的前提下減小了屈曲檢測器過焊縫和彎管時卡住的可能性。

（3）在保證強度的前提下，應保證整體重量盡可能的小。

（4）在安裝之前需要經(jīng)過縝密的計算，確保爆破片的爆破壓力高于正常打壓推送時的額定壓力的2.5 倍，以避免由于誤操作和設計偏差致使打壓過程中爆破片爆破。

3.2 打壓透流式屈曲檢測器安裝工藝

鋪管船上打壓操作屬于高危操作，為了配合打壓透流式屈曲檢測器的安裝，本項目自主設計了一套帶有自動泄壓回路和壓力監(jiān)控回路的盲板機構，以對整個打壓過程進行監(jiān)控和風險控制，如圖7 所示。

圖7 安裝示意圖Fig.7 The Installation Diagram

設計的打壓盲板機構由盲板本體、吊耳、固定機構、密封膠墊、壓力監(jiān)控通道、自動泄壓通道、打壓通道、兩半式進纜法蘭組、泄壓通道、纜繩高度調(diào)節(jié)架等組成。在部件加工之前，需根據(jù)屈曲檢測器和牽引纜繩等各種參數(shù)計算出合理的打壓推送壓力和爆破壓力，之后對爆破片進行選型。之后對壓力表量程和自動泄壓閥的泄壓值進行選取。所有型號選定后，再根據(jù)管道尺寸制作打壓盲板機構。

安裝時首先將屈曲檢測器置于管道內(nèi)，隨后牽引鋼纜穿過盲板機構上底部法蘭，之后將盲板機構整體固定在管道端部并保證密封。用填充硅膠墊的兩半式法蘭密封住牽引纜繩進口通道，并用螺栓將法蘭對與底部法蘭預緊，如圖8 所示。所有設備調(diào)整后，操作人員在管道側(cè)向通過壓力表遠距離控制進氣通道的流量，使壓力控制在推送壓力左右，直至牽引鋼纜輸送至標記位置（表明屈曲檢測器已在著泥點后指定位置），此時緩慢停止打壓。

圖8 填充硅膠墊的兩半式法蘭Fig.8 The Two-Halves Type Flange Filling with Silicone Gaskets

將屈曲檢測器打壓推送至指定位置之后，利用泄壓通道將管道內(nèi)壓力泄去，將自動泄壓通道的手動球閥關閉，使自動泄壓功能失效。之后取下兩半式法蘭對，將牽引鋼纜端部通過卸扣與事先預制的拉環(huán)相連，最后將拉環(huán)和密封墊通過螺栓緊固在底部法蘭上，如圖9 所示。拉環(huán)的巧妙設計避免了固定點選取和密封難以保證的難題，操作簡單，結(jié)構緊湊。所有設備調(diào)整后，操作人員側(cè)向通過壓力表遠距離控制進氣通道的流量，使壓力升高至爆破壓力，直至壓力表壓力突然降為零左右（表明爆破片已爆破，實現(xiàn)透流過水功能），到此打壓透流式屈曲檢測器安裝完畢。

圖9 拉環(huán)Fig.9 The Pull-Tab

本安裝工藝的操作難點為壓力控制，爆破壓力需為推送壓力的2.5 倍以上，以避免操作過程誤操作或者設計出入引起打壓推送過程中爆破片意外爆破。此外，本設計還提出了采用自動泄壓閥與手動球閥結(jié)合的自動泄壓通道作為雙保險，將打壓推送壓力始終限制在爆破壓力以下，以保證爆破片的完整性。

4 打壓透流式屈曲檢測器受力分析

4.1 打壓透流式屈曲檢測器受力分析

在方案制定初期，爆破片和自動泄壓閥的選型及牽引絞車的拖拽力校核是設計難點。在額定推送壓力選取時應遵循人為放大法，即寧取大值舍小值，其放大導致的誤差帶來的影響有利無弊。當采用岸拖工序安裝時，參考如式（1）所示。

式中：P推送—額定推送壓力；P爆破—爆破壓力；P自泄—自動泄壓閥額定壓力；m屈—屈曲檢測器重量；m鋼纜—牽引鋼纜的重量；g—重力加速度；f鋼纜—牽引鋼纜與密封法蘭對之間的摩擦力；A屈—屈曲檢測器的密封截面積。

在校核絞車拖拽力時，只需將各個力線性疊加后取一定的安全系數(shù)即可?？梢詤⒖际剑?）～式（4）。

式中：F牽引—計算得到的牽引力；F水—屈曲檢測器注水后在管道內(nèi)以一定速度拖行的拖拽水阻力；f內(nèi)或?qū)Α獌?nèi)對口器或內(nèi)焊機與管道的摩擦力；η—管道形成的S 彎段對牽引力的影響系數(shù)；F絞車—牽引絞車所能提供的最大牽引力；ξ—校核所取的安全系數(shù)。

由于設備的復雜性和施工成本的限制，在計算F水的時候無法采用實驗方法測得，經(jīng)濟可信的方式為用FLUENT 軟件模擬計算求得。在FLUENT 軟件中利用布爾運算技術采取1：1 建模，考慮來流充分發(fā)展，來流端取直徑的10 倍，背流端取直徑的20倍，導入到FLUENT 中，得到流體域，如圖10 所示。

圖10 FLUENT 中的三維模型Fig.10 The 3-d Model in the FLUENT Software

根據(jù)實際工程數(shù)據(jù)，推薦η、ξ 的取值分別為1.2，2.5。

4.2 廣東海管鋪設項目應用實例

某海管項目鋪設的海底管道直徑為1016mm，壁厚為15.9mm，采用岸拖方式完成近岸段的鋪設，之后采用鋪管船法邊鋪邊注的方式完成剩余管道的鋪設。該項目采用上述盲板打壓機構和安裝工藝成功完成了打壓透流式屈曲檢測器的安裝。安裝過程中，通過調(diào)節(jié)空壓機進氣閥門，鋼纜進纜速度平穩(wěn)可控，推送壓力和爆破壓力與設計方案的數(shù)值十分吻合，工程數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 施工參數(shù)對照表Tab.1 Distribution of Factors and Levels

5 結(jié)論

為了解決邊注水邊鋪設方式施工方式時傳統(tǒng)屈曲檢測器無法實現(xiàn)打壓透流功能的難題，采用法蘭夾持式低壓爆破片和透流屈曲檢測器本體相結(jié)合的思路，自主設計并改進透流式屈曲檢測器及打壓盲板機構，提出了一種新型的打壓透流式屈曲檢測器，并成功應用于廣東海管項目。依托工程實踐詳細闡述了透流式屈曲檢測器及打壓盲板機構的結(jié)構構造和安裝工藝，明確了設計難點和力學分析等技術要點，并給出關鍵參數(shù)的推薦值，對今后相似工程的施工具有前瞻性的指導意義。