海底管道回收工具設(shè)計與試驗研究

虞明星，陳建長，李懷亮，于文太，王福山，馬天亮，吳仕鵬

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

2.天津市精研工程機械傳動有限公司，天津 300409

3.天津工程機械研究院有限公司，天津 300409

海底管道應(yīng)急維修方法分為水上維修和水下維修。國內(nèi)海底管道主要鋪設(shè)于水深300 m以內(nèi)的淺水區(qū)域，其維修主要采取水上維修方法，海底管道應(yīng)急回收是水上維修中的關(guān)鍵技術(shù)[1]。鉆石線切割機和管道回收工具作為專門用于深水海底管道修復(fù)的“黃金搭檔”，因其安全、高效、便捷，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，并且在國外已經(jīng)發(fā)展成熟，但該技術(shù)在國內(nèi)尚屬薄弱環(huán)節(jié)[2]。

為提高在深水海底管道領(lǐng)域的施工能力，國內(nèi)相繼開展了海底管道回收工具方案研究[3-4]。2018年海洋石油工程股份有限公司與天津市精研工程機械傳動有限公司聯(lián)合開展了海底管道回收工具創(chuàng)新設(shè)計和研制，通過海底管道回收工具工作原理、組成、FMEACA分析，完成了耐環(huán)境設(shè)計、應(yīng)力-強度設(shè)計、功能與耐久性驗證等可靠性設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，通過分析海底管道回收流程及回收工具，并運用鋼球脹緊原理，研制出內(nèi)驅(qū)液壓控制的管道回收工具；開展了海底管道回收工具試驗方法、原理和試驗裝置研究，最后完成管道回收工具的試驗驗證。

1 海底管道回收流程分析

施工前，海底管道回收工具置于作業(yè)船甲板上，船舶到達維修作業(yè)海域后，開始進行管道回收工具的前期準備工作，包括：

（1） 零部件完好性檢查。

（2）如果需要阻水密封功能，將阻水密封環(huán)安裝到管道回收工具上；如果需要阻水球回收功能，將阻水球回收模塊連接至管道回收工具前端。

（3） 開展球籠驅(qū)動功能檢查。外接動力源，在動力作用下球籠被回退、鋼球回縮，定義為解鎖狀態(tài)；控制機構(gòu)換向，在動力作用下球籠被推出、鋼球外脹，同時密封環(huán)被壓縮，定義為鎖緊狀態(tài)。

（4） 管道回收工具控制機構(gòu)復(fù)位，把平衡吊臂及連接絞車鋼絲繩的吊環(huán)安裝到管道回收工具上。

準備工作完成后，通過船舶吊機將海底管道回收工具放入海底，水下工作過程如下：

（1） 水下機器人（ROV） 輔助將管道回收工具插入海底管道內(nèi)。

（2）ROV操作管道回收工具控制機構(gòu)換向，釋放內(nèi)部動力，管道回收工具實現(xiàn)鎖緊，工具承載鋼球和阻水密封環(huán)接觸海底管道內(nèi)表面。

（3）ROV釋放平衡吊臂分離機構(gòu)，吊機吊起平衡臂至甲板上。

（4） 絞車拖拉與管道回收工具連接的鋼絲繩，從而帶動海底管道，使其吊離海床，通過導(dǎo)管架將管道拉到船舶上。

（5） 管道回收工具接入動力源，管道回收工具解鎖，將其脫離管道。

上述工作流程分析主要涉及到平衡吊臂、海底管道回收、阻水密封和阻水球接受四大系統(tǒng)。海底管道回收工具核心技術(shù)是鋼球脹緊原理和內(nèi)驅(qū)控制機理。

2 海底管道回收工具

海底管道回收工具總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用鋼球?qū)蛐辈勖浘o方式：鋼球布置在芯軸外側(cè)，并通過外部球籠驅(qū)動定位，液壓驅(qū)動球籠沿回收工具軸向運動，實現(xiàn)鋼球向外脹緊及內(nèi)縮松開，實現(xiàn)對回收管道內(nèi)壁的鎖緊和解鎖。一個可壓縮外脹密封環(huán)安裝在球籠殼體端部，球籠運動時其端面作用在密封環(huán)上，壓縮密封環(huán)，使其向外膨脹，致使密封環(huán)與海底管道內(nèi)表面接觸，建立起良好的密封，在開始提升之前對海底管道進行除水密封。芯軸的尾端加工有吊裝孔，用于安裝管道吊裝卸扣。

海底管道回收工具前端通過螺釘集成阻水球回收模塊，在氣壓作用下，管道內(nèi)一個帶內(nèi)錐槽芯棒的阻水球進入軸套內(nèi)腔，推動鋼球與軸套向左側(cè)運動，當(dāng)芯棒內(nèi)錐槽與鋼球結(jié)合時，在彈簧作用下，通過斜面作用將阻水球芯棒鎖緊，實現(xiàn)阻水球接收功能。

圖1 海底管道回收工具總體結(jié)構(gòu)

管道回收工具采用內(nèi)置液壓驅(qū)動方式，如圖2所示：液壓儲能裝置和球籠驅(qū)動通過控制油路連通協(xié)同工作；液壓儲能裝置可實現(xiàn)管道回收工具所需球籠驅(qū)動能量的儲存；球籠驅(qū)動由控制模塊、端蓋、環(huán)形活塞、液壓密封件構(gòu)成；控制模塊集成有兩位三通應(yīng)急轉(zhuǎn)閥和工作轉(zhuǎn)閥，通過轉(zhuǎn)閥換向完成整個球籠驅(qū)動的動作控制過程?？刂颇K表面設(shè)計有外接動力源油口，通過外部動力源實現(xiàn)液壓儲能裝置蓄能。

圖2 內(nèi)驅(qū)液壓驅(qū)動

3 鋼球脹緊原理分析

鋼球脹緊機構(gòu)如圖3所示。環(huán)形活塞、芯軸、球籠構(gòu)成相對軸向運動副，而球籠、鋼球、芯軸構(gòu)成徑向運動副。當(dāng)環(huán)形活塞左側(cè)進油，在液壓力作用下，球籠向右移，鋼球沿斜槽外伸，鋼球與海底管道內(nèi)壁鎖緊；當(dāng)環(huán)形活塞右側(cè)進油時，球籠向左移，使鋼球沿斜槽回縮，鋼球與海底管道內(nèi)壁分離（解鎖）。

圖3 鋼球脹緊機構(gòu)示意

鎖緊工況受力簡圖如圖4所示。參數(shù)設(shè)定：N1為鋼球?qū)﹀F體的正壓力；λ為芯軸驅(qū)動傾斜角；f1為鋼球?qū)﹀F體正壓力工況的靜摩擦力；F為作用在吊環(huán)上的外力；F0為預(yù)緊力；f2為鋼球?qū)鼙诘恼龎毫r的靜摩擦力；m為鋼球總數(shù)；N2為鋼球?qū)鼙诘恼龎毫Γ籐為球籠內(nèi)徑距管壁距離；R為鋼球半徑；μ為動摩擦系數(shù)；a為靜力平衡力矩的作用點。

圖4 鎖緊工況受力簡圖

不考慮設(shè)備自重，根據(jù)力的平衡原理得芯軸受力平衡式：

鋼球的靜力平衡方程由∑Fx=0，∑Fy=0以及∑Ma=0得：

判定自鎖條件：鋼球與錐體f1＜μN1。

解鎖工況受力簡圖如圖5所示，F(xiàn)1為解鎖壓力。

不考慮設(shè)備自重，根據(jù)力的平衡原理，得芯軸受力平衡式：

鋼球的靜力平衡方程由∑Fx=0，∑Fy=0以及∑Ma=0得：

圖5 解鎖工況受力簡圖

設(shè)： C=cosλ/（ 1+cosλ） ， 則由式 （ 6） ～（ 9）可得:

判定解鎖條件：鋼球與錐體f1＞μN1。

4 脹緊機構(gòu)有限元分析

管道回收工具脹緊機構(gòu)主要包括：芯軸、鋼球和球籠，是海底管道回收的承力單元，涉及鋼球與海底管道、鋼球與球籠、鋼球與芯軸、芯軸與吊環(huán)四個力作用副。為保證海底管道回收過程的可靠性，將鋼球與海底管道耦合模式設(shè)計為硬-軟耦合，通過鋼球作用引起海底管道接觸部位變形，進而增強海底管道回收工具與海底管道的可靠接觸；為保證海底管道回收工具的耐久性，將鋼球與球籠、鋼球與芯軸的耦合模式設(shè)計為硬-硬耦合，從而確保管道回收工具的使用壽命。

對海底管道回收工況下的脹緊機構(gòu)進行有限元分析，計算載荷為3倍工作載荷，結(jié)果見圖6～11。

圖6 芯軸結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖/MPa

圖7 芯軸結(jié)構(gòu)徑向位移云圖/mm

圖8 海底管道結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖/MPa

圖9 海底管道結(jié)構(gòu)徑向位移云圖/mm

根據(jù)應(yīng)力及位移云圖，主體結(jié)構(gòu)及各部分部件的計算結(jié)果匯總見表1。

由計算結(jié)果可見，海底管道回收裝置的芯軸及球籠等主體承力結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為354.9 MPa，位于芯軸端部拖拉吊孔周圍區(qū)域；鋼球結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為581.1 MPa，位于尾部鋼球與海底管道接觸點，最大變形值約為0.08 mm，而海底管道徑向最大變形為0.13 mm。因此可判斷海底管道內(nèi)壁部分區(qū)域應(yīng)力達到許用應(yīng)力極限區(qū)域，已存在塑性變形，鎖緊狀態(tài)明顯。上述計算結(jié)果滿足使用要求。

圖10 鋼球結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖/MPa

圖11 鋼球結(jié)構(gòu)徑向位移云圖/mm

表1 應(yīng)力及位移計算結(jié)果

5 管道回收工具載荷試驗

進行管道回收工具載荷試驗的目的是驗證其性能是否滿足使用要求。管道回收工具歸類為海上設(shè)施起重設(shè)備中可卸零部件，對此，中國船級社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》 第7章有如下的試驗規(guī)定：

（1） 每個可卸零部件應(yīng)進行驗證試驗，對于吊環(huán)、吊鉤、卸扣類零件驗證負荷有以下要求：SWL≤245 kN， 驗證負荷為 2×SWL；SWL＞245 kN，驗證負荷為1.22×SWL+196 kN。

（2） 驗證負荷可用試驗機或懸重法進行，保持驗證負荷的時間應(yīng)不少于5 min。

（3） 可卸零部件驗證試驗后，應(yīng)進行全面檢查，不允許存在殘余變形、裂紋或其他缺陷；對能轉(zhuǎn)動的部件，應(yīng)檢查其是否能自由轉(zhuǎn)動。

海底管道回收載荷工具采用試驗機試驗方法，根據(jù)以上要求，其試驗載荷見表2。

表2 海底管道回收工具試驗載荷

海底管道回收工具載荷試驗裝置采用水平加載方式，如圖12所示。本試驗裝置需與適當(dāng)?shù)囊簤簞恿φ九浜鲜褂谩Ｍㄟ^液壓動力站驅(qū)動加載液壓缸，從而推動頂推滑移板施加試驗載荷。

圖12 管道回收工具載荷試驗裝置

試驗裝置基本參數(shù)：

（1） 海底管道回收工具外徑：6～18 in。

（2） 試驗裝置水平最大試驗負荷4 704 kN。

（3） 采用4個缸徑220 mm雙作用液壓缸作為加載元件。

管道回收工具試驗項目主要有：外觀檢查、功能測試和拉力試驗。

在該試驗裝置上，對研制的外徑12 in管道回收工具進行了試驗，水平試驗載荷為2 288.3 kN，采用逐級加力的方式試驗。試驗過程中，管道回收工具能夠安全工作，各部件的強度和剛度均滿足要求，未見異常；試驗后，進行了功能和解體檢查，承力元件整體無破損及變形。

6 結(jié)論

（1） 在分析了海底管道回收工具結(jié)構(gòu)及管道回收工作流程的基礎(chǔ)上，指出鋼球脹緊和內(nèi)驅(qū)控制是海底管道回收工具的核心技術(shù)。

（2） 提出了芯軸集成液壓蓄能器、環(huán)形活塞缸球籠驅(qū)動單元、兩位三通轉(zhuǎn)閥和控制模塊的內(nèi)驅(qū)液壓驅(qū)動機理。

（3） 推導(dǎo)出脹緊機構(gòu)鎖緊、解鎖條件，分析了海底管道回收承力單元應(yīng)力-強度，研制出新型海底管道回收工具。

（4） 開展了海底管道回收工具試驗裝置和試驗方法研究，并對研制產(chǎn)品進行了試驗驗證。