ROV打磨技術(shù)研究

朱國僑

（深圳市深水生態(tài)環(huán)境技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518031）

0 引言

國內(nèi)海底油氣管道鋪設(shè)深度正逐年上升，海管受損維修難度也隨之加大。位于300 m以潛的海管應(yīng)急維修多數(shù)會采用水上維修方法，而大于300 m水深的海底管道，無法采用水上維修且超過300 m水深的海管，潛水員也無法直接下潛進行水下維修。大于300 m的海底油氣管道只能由ROV（水下機器人）進行水下維修[1-2]。ROV打磨技術(shù)是ROV水下維修技術(shù)中一項必要和關(guān)鍵的工藝技術(shù)，在該技術(shù)中，ROV和打磨設(shè)備同時下放至海底，技術(shù)人員通過遠程操作ROV即可進行打磨作業(yè)。通過對海管表面焊縫或涂層進行打磨處理，使海管滿足海管堵漏管卡、海管連接法蘭等維修工具的安裝要求。目前國際上僅有少數(shù)國家研究ROV打磨技術(shù)，國內(nèi)ROV打磨技術(shù)的應(yīng)用尚處于起步階段[3-6]。該文以30.48 cm海管的打磨技術(shù)為例，對該技術(shù)進行詳細介紹，為其他類似項目提供借鑒和幫助。

1 打磨技術(shù)設(shè)備組成

ROV打磨技術(shù)設(shè)備由ROV設(shè)備、打磨器、配套支撐模塊以及液壓管等組成。

1.1 ROV設(shè)備

打磨技術(shù)中所需的ROV規(guī)格如下：1）最大作業(yè)水深為3 000 m，額定功率為110 kW，能在水下攜帶打磨技術(shù)設(shè)備自由行動。2）有2只機械手臂，可按照要求將打磨設(shè)備安裝固定在海管上。3）自帶配套液壓接口，能夠為打磨技術(shù)設(shè)備提供正常作業(yè)所需要的液壓動力。4）有照明和視覺影像功能，用于觀測水下情況、打磨器安裝情況、海管打磨效果。工作級ROV設(shè)備如圖1所示。

圖1 工作級ROV設(shè)備

1.2 打磨器

打磨器是海管打磨技術(shù)的執(zhí)行機構(gòu)，工作時打磨帶旋轉(zhuǎn)，對海管相應(yīng)位置進行打磨。打磨帶由液壓馬達驅(qū)動，液壓動力來源于ROV。海管維修工藝要求打磨后海管表面達到SA2.0，打磨精度要求較高，ROV不能直接手持打磨器進行作業(yè)，打磨器安裝在配套設(shè)計的支撐模塊上，作業(yè)時通過固定配套支撐模塊，從而定位打磨器的位置。打磨器正面結(jié)構(gòu)如圖2所示，打磨器反面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 打磨器正面結(jié)構(gòu)

圖3 打磨器反面結(jié)構(gòu)

打磨器主要結(jié)構(gòu)有液壓馬達、驅(qū)動輪、從動輪、張緊輪、打磨帶以及支撐模塊安裝導(dǎo)軌等。

液壓馬達是動力機構(gòu)，馬達液壓接口通過液壓管連接至支撐模塊液壓控制盒內(nèi)，液壓控制盒與ROV液壓接口相連。

驅(qū)動輪是帶動打磨帶旋轉(zhuǎn)的執(zhí)行機構(gòu)，安裝在液壓馬達上，由液壓馬達帶動打磨帶轉(zhuǎn)動。

從動輪是支撐打磨帶的運動機構(gòu)，與主動輪對稱安裝，其間的跨度形成打磨區(qū)。

張緊輪設(shè)計在打磨區(qū)上方，張緊輪的主要作用有3個：1）便于更換打磨帶，打磨帶更換時，松開張緊輪螺栓，打磨帶松脫，更換新的打磨帶后再次旋緊張緊輪。2）起到打磨帶的張緊作用，在驅(qū)動輪上產(chǎn)生所需要的接觸壓力防止打磨帶與驅(qū)動輪之間打滑。但是打磨帶張力大小應(yīng)適中，如果張力太高，海管打磨區(qū)域可能會變得比海管表面稍平坦（半徑大于管道半徑）。如果張力太低，打磨區(qū)域可能會變得比管徑彎曲（半徑小于管道半徑），出現(xiàn)焊縫邊緣未適當平滑，驅(qū)動輪也可能打滑。3）判斷打磨作業(yè)時打磨帶與被打磨位置之間的擠壓力大小，張緊輪由位置調(diào)節(jié)螺桿進行調(diào)節(jié)，張緊輪位置調(diào)節(jié)螺桿設(shè)計為可伸縮式彈性螺桿機構(gòu)，螺桿受壓超過一定值后會被擠壓縮短，于是用于固定張緊輪位置，可限制張緊輪的張緊力度。在水下打磨作業(yè)時，打磨帶打磨區(qū)與海管貼合擠壓，此時張緊輪調(diào)節(jié)螺桿會增加額的外擠壓力，不斷增加打磨帶與海管之間的擠壓力直至達到張緊輪調(diào)螺桿的極限支撐力，觀測到張緊輪開始逆彈簧力移動，此時即為打磨帶與被打磨位置之間的最佳擠壓力。一般情況下，不同管徑的海管所需要的打磨擠壓力不盡相同，較小尺寸的管張緊力小于較大管道的張緊力，30.48 cm海管最佳打磨擠壓力為50 N～100 N。

打磨帶成帶狀，為防水材料制成，尺寸為50 mm×800 mm（W×L）。打磨帶屬耗材用品，需要經(jīng)常進行更換。在更換打磨帶時，首先用手將張緊輪向下壓住使打磨帶松脫，然后取下舊打磨帶，再次用手壓住張緊輪，換上新的打磨帶后松開張緊輪，更換后需要注意觀察打磨帶是否與驅(qū)動輪和從動輪對齊，否則在打磨過程中可能會出現(xiàn)打磨帶跑偏脫落的情況，同時還需要手動確認張緊輪是否滑動平穩(wěn)，打磨帶是否張緊充分。

1.3 配套支撐模塊

配套支撐模塊是指為了便于打磨器固定，在海管上進行打磨作業(yè)而設(shè)計的運動機構(gòu)，打磨器通過支撐模塊安裝導(dǎo)軌與支撐模塊進行連接，支撐模塊具有徑向進給機構(gòu)和橫向移動機構(gòu)。徑向進給機構(gòu)，由液壓油缸驅(qū)動，作用是使打磨器徑向移動，從而施加打磨帶與海管之間的壓力，對海管表面處進行打磨。橫向伸縮機構(gòu)，由液壓油缸驅(qū)動，作用是用來橫向移動打磨帶，使打磨器在橫向移動的過程中在不同位置進行打磨，且液壓油缸伸縮速度由自動化控制，可以根據(jù)打磨需要進行速度調(diào)節(jié)。配套支撐模塊如圖4所示。

圖4 配套支撐模塊

徑向進給機構(gòu)：行程約150 mm。

橫向伸縮機構(gòu)：行程約600 mm。

徑向進給機構(gòu)和橫向移動機構(gòu)的設(shè)計，可以有效擴大支撐模塊在一次固定位置后的打磨范圍，提高工作效率。在施工過程中，配套支撐模塊由ROV操作，使其固定在需要打磨的海管上，然后進行海管焊縫或海管表面涂層的打磨作業(yè)。

2 打磨技術(shù)施工步驟

海上施工時，首先在需要在工程船甲板上對打磨器各零部件進行調(diào)整，并與配套支撐模塊進行組裝，確認所有液壓和遠程控制功能正常運行，甲板測試正常后下放打磨設(shè)備和ROV至海管作業(yè)處附近，再由ROV將支撐模塊安裝在需要打磨的海管上，施工作業(yè)人員通過控制ROV，利用ROV操作打磨器進行打磨作業(yè)，作業(yè)完成后將各設(shè)備回收至工程船甲板，最后進行相關(guān)清潔與維保工作。

2.1 設(shè)備安裝

海管焊縫打磨處需要打磨平整、均勻，因此打磨器的徑向進給力需要保持一致，打磨器及其支撐模塊需要牢固地安裝在海管上。安裝注意事項有5個：1）安裝前先將橫向伸縮桿伸出至最大長度，打磨器打磨區(qū)對準海管焊縫末端，保證設(shè)備單次固定后能最大打磨長度。2）打磨器支撐模塊需要固定在海管上，防止工作時由于支撐模塊的徑向進給力而出現(xiàn)松脫。3）打磨器的打磨區(qū)需要對準作業(yè)位置，通過ROV的視覺影像觀察是否對齊。4）支撐模塊徑向進給力不宜過大，焊縫可通過橫向移動機構(gòu)往返運動，多次打磨達到所需要的效果。一般徑向進給機構(gòu)壓緊時以觀測到打磨區(qū)的打磨帶出現(xiàn)微微彎曲，張緊輪發(fā)生位移即可。5）設(shè)備連接的各管線需要遠離打磨器運動機構(gòu)，避免出現(xiàn)損壞。打磨器及支撐模塊安裝至海管上如圖5所示。

圖5 打磨器及支撐模塊安裝至海管上

2.2 作業(yè)后檢查和保存

海管打磨作業(yè)完成后，將設(shè)備回收至工程船舶甲板后，需要第一時間進行清洗與保養(yǎng)，防止設(shè)備被腐蝕從而縮短設(shè)備的使用壽命。潛水后的檢查和保存要點如下：1）回收至甲板后，應(yīng)立即用淡水徹底清洗設(shè)備各個部位，以減少腐蝕和鹽污染。2）如果由于其他操作活動，設(shè)備回收至甲板后閑置超過24 h，應(yīng)使用干凈的油對設(shè)備進行充分地沖洗。3）對于暴露在外面的金屬部件，應(yīng)該涂抹適當?shù)臐櫥?，以減少在潮濕的環(huán)境中出現(xiàn)表面腐蝕的現(xiàn)象。4）打磨器配套支撐模塊上的橫向伸縮機構(gòu)和縱向進給機構(gòu)需要特別注意防止受到腐蝕，清洗時，應(yīng)在完全伸展的情況下進行，并在清洗和干燥后將導(dǎo)桿和導(dǎo)筒內(nèi)部涂抹一層薄薄的防腐潤滑劑，然后縮回至最短位置。

2.3 水下施工技術(shù)

水下施工有16個步驟：1）搭載ROV設(shè)備的船舶定位至需要打磨作業(yè)的海管上方。2）安裝打磨帶至打磨器并調(diào)節(jié)張緊度，打磨器與配套支撐模塊進行組裝，連接各設(shè)備液壓管線，進行空載功能測試，保證各項功能均正常。3）ROV設(shè)備在甲板進行入水前檢查，安裝定位信標并進行功能測試，啟動液壓和電控系統(tǒng)，保證攝像頭、推進器等各項機構(gòu)及功能均正常。4）啟動ROV設(shè)備收放裝置，下放ROV設(shè)備入水，緩慢下放至海管到達作業(yè)區(qū)域附近。5）到達目標位置后，ROV設(shè)備沿海管路由尋找具體打磨位置，ROV設(shè)備水下航行速度控制在0.5556 km/h。6）確認打磨位置后，根據(jù)要求進行定位打點做標記。7）吊機就位，下放打磨設(shè)備，緩慢下放，停在作業(yè)區(qū)域上方10 m左右位置。8）ROV操作打磨器支撐模塊，使支撐模塊橫向伸縮桿伸出至最大長度。9）ROV操作打磨器移動至海管端口處，將打磨器打磨區(qū)與焊縫對齊，鎖定打磨位置；10）確認與打磨器連接的各管線未出現(xiàn)纏繞及與設(shè)備運動機構(gòu)無干涉，以最低速度啟動打磨帶驅(qū)動馬達。11）通過ROV觀察打磨帶啟動后設(shè)備有無異常，緩慢增加打磨帶驅(qū)動馬達速度到最大速度。12）ROV操作支撐模塊徑向進給打磨帶，緩慢地靠著管道焊縫進給，直到觀察到打磨帶打磨區(qū)略微彎曲，張緊輪開始逆彈簧力移動時停止。13）操作縱向伸縮機構(gòu)開始收縮，收縮速度要適當，以保證打磨效果和工作效率，一般伸縮速度為0.5 m/h。14）收縮到最短時繼續(xù)伸長，做往復(fù)運動，直到海管打磨區(qū)域的寬度平滑延伸到兩側(cè)焊縫處外側(cè)，無明顯凸臺或未打磨點。15）利用ROV設(shè)備攝像頭查看打磨效果，打磨后表面一般可達到SA2.0；打磨后海管如圖6所示。16）符合打磨要求后，回收ROV、打磨設(shè)備至船舶甲板，并對設(shè)備進行清理與維護。

圖6 打磨后海管

3 技術(shù)特點

ROV打磨技術(shù)有以下5個特點：1）設(shè)備輕便，動員速度快。海底油氣管道一旦受損，通常情況都十分緊急，維修設(shè)備的動員速度尤為重要。ROV設(shè)備是海洋工程水下作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一般直接安裝配備在海洋工程船舶上。打磨技術(shù)設(shè)備在空氣中的質(zhì)量332 kg，在水下為平衡浮力，長×寬×高為1229 mm×962 mm×1207.5 mm。設(shè)備體積小，可以快速穩(wěn)定地固定在工程船舶甲板，質(zhì)量輕，裝卸載速度快，一旦海上作業(yè)需要，可通過船舶、直升機等運輸工具快速運輸至作業(yè)現(xiàn)場。2）設(shè)備高度集成，安裝方便。僅耗時1 h即可在甲板完成設(shè)備組裝和調(diào)試，下放至海底后，ROV設(shè)備僅需要簡單操作即可將打磨設(shè)備安裝至海管指定位置，然后通過ROV控制啟動設(shè)備即可自動完成打磨。3）打磨效果好，效率高。由于徑向進給及橫向伸縮功能均由自控方式控制液壓缸完成，打磨后海管表面光滑可達SA2.0，打磨速度約0.5 m/h。4）應(yīng)用范圍廣。打磨器打磨帶長0.8 m，寬0.05 m，不僅可以用于打磨焊縫，還能用于海管表面涂層清理等施工需求。5）適用水深廣。ROV、打磨器及其支撐模塊最大工作水深可達3 000 m，能滿足我國當前所有深水海管作業(yè)的需求。

4 結(jié)語

ROV打磨技術(shù)具有輕巧便捷、設(shè)備集成高、打磨效果好、工作效率高、應(yīng)用范圍廣以及適用作業(yè)水深3 000 m范圍等特點，應(yīng)用于海管焊縫打磨清理或海管表面涂層打磨清理，是深水海管維修領(lǐng)域不可或缺的工藝技術(shù)之一。目前深水海管打磨設(shè)備和ROV主要由國外少數(shù)國家制造，國內(nèi)研究得較少，有關(guān)部門應(yīng)加強對海洋工程技術(shù)設(shè)備的研究，提升我國深水海管維修領(lǐng)域裝備實力，盡快實現(xiàn)深水海管作業(yè)關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化。研究ROV打磨技術(shù)，解決出現(xiàn)的問題，不斷優(yōu)化作業(yè)過程中的技術(shù)細節(jié)，能促進海管維修技術(shù)的進一步發(fā)展，同時對其他類似工程有一定的借鑒作用。