深水海底管道棄管自動脫扣裝置設(shè)計與試驗研究

李 斌，孟祥偉，馬天亮，甘惠良，魏作水，陳建長

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

隨著海洋油氣資源開發(fā)的持續(xù)深入，海上油氣開采已逐漸向深海環(huán)境延伸，因此適用于深海環(huán)境下的工程裝備及施工技術(shù)引起業(yè)界的廣泛關(guān)注，尤其是針對深水海底管道鋪設(shè)的高效施工技術(shù)與裝備更成為關(guān)注的焦點[1]。目前，國內(nèi)鋪管船進行深水海底管道鋪設(shè)/棄管作業(yè)時，通常采用棄管回收連接裝置：一端，吊點與絞車鋼絲纜連接；另一端，鉤體與海底管道上的棄管封頭鋼絲繩扣連接，通過ROV水下作業(yè)，將棄管鋼絲繩扣從棄管回收連接裝置鉤體中脫出[2-4]。由于作業(yè)水深及船舶運動等因素的影響，其操作難度大，風(fēng)險高，且施工效率較低。因此，研發(fā)深水海底管道（以下簡稱海管）棄管自動脫扣技術(shù)與裝置具有重大價值。

陸上無線遠程自動脫扣技術(shù)與產(chǎn)品比較成熟，德國Elebia-Deutschland GmbH&Co.KG擁有設(shè)計專利的自動起重機吊鉤，它的底部配有一塊磁鐵，能夠捕捉吊環(huán)或吊索。陸上無線遠程自動脫扣裝置通過鋰電池供電驅(qū)動電機，電機軸齒輪驅(qū)動吊鉤上的被動齒輪做旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)吊扣的開合[5]；受脫鉤機構(gòu)限制，其最大起重噸位不超過50 t。

水下無線遠程遙控自動脫扣裝置研究很少，自動脫扣裝置在深海中應(yīng)用時，需要解決水密、水下遠程通訊、控制機理等難題，使得裝置結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。通過對國內(nèi)外該技術(shù)領(lǐng)域的調(diào)研分析，并結(jié)合深水鋪管作業(yè)的特點，本文提出了一種新型的深水海管棄管自動脫扣裝置，用于解決施工過程中必須依賴ROV操作的難題，從而節(jié)省施工設(shè)備資源。

1 自動脫扣裝置原理

深水海管棄管自動脫扣裝置（如圖1）主要組成部分包括：安裝在鉤體內(nèi)部的連桿機構(gòu)、驅(qū)動裝置和端部密封板，安裝在支撐鋼筒內(nèi)部的電氣轉(zhuǎn)換筒、聲吶接收傳感器，鉤體與支撐鋼筒通過連接卡箍連接。聲吶接收傳感器接收脫扣信號，通過電氣轉(zhuǎn)換筒、端部密封板水密接頭傳輸給驅(qū)動裝置；驅(qū)動裝置將離子電池電力轉(zhuǎn)換為液壓動力，驅(qū)動連桿機構(gòu)液壓缸運動。該裝置在水下待機時，驅(qū)動裝置處于待機狀態(tài)以減小功耗，液壓缸活塞桿伸出，使連桿機構(gòu)處于初始位置，當(dāng)水下通信裝置接收到脫扣信號后，實現(xiàn)棄管作業(yè)的自動脫扣。

圖1 自動脫扣裝置組成

深水海管棄管自動脫扣裝置鉤體內(nèi)部設(shè)計有凹槽，凹槽內(nèi)部嵌有自動脫扣液壓驅(qū)動連桿機構(gòu)（如圖2所示），當(dāng)液壓缸活塞桿回縮時，帶動連桿Ⅱ同時進行直線及繞油缸連接軸旋轉(zhuǎn)的組合運動，從而帶動連桿Ⅰ進行繞連桿固定軸的旋轉(zhuǎn)運動，使掛在鉤頭內(nèi)部的鋼絲繩扣被連桿Ⅰ不斷從鉤頭的溝槽底部向外推出，直至完全將鋼絲繩扣與鉤頭脫開。脫扣作業(yè)完成后，施加反向驅(qū)動力將液壓油缸活塞桿伸出，使自動脫扣連桿機構(gòu)復(fù)位。因此，連桿機構(gòu)是脫扣裝置的主要執(zhí)行機構(gòu)，是能否實現(xiàn)成功脫扣的最重要部件。

圖2 連桿機構(gòu)組成

2 連桿機構(gòu)受力分析

對連桿機構(gòu)的連桿Ⅰ、連桿Ⅱ及液壓缸活塞桿等主要承載構(gòu)件進行受力分析，以確定動力源對液壓油缸的驅(qū)動力，進而為驅(qū)動系統(tǒng)的元件選型和設(shè)計提供可靠依據(jù)。連桿機構(gòu)開始脫扣前的復(fù)位狀態(tài)定為初始位置，脫扣完成后的狀態(tài)定為終點位置，連桿機構(gòu)各狀態(tài)位置的參數(shù)設(shè)定如表1所示。連桿機構(gòu)的初始位置及終點位置受力簡圖如圖3所示。連桿Ⅰ初始位置及終點位置與豎直方向（即運動方向） 夾角分別為β=49°、β′=165°；連桿Ⅰ初始位置及終點位置與連桿Ⅱ夾角分別為α=34°、α′=163°；連桿Ⅱ初始位置及終點位置與豎直方向夾角分別為 γ=15°、γ′=2°。

表1 連桿機構(gòu)參數(shù)設(shè)定

圖3 連桿機構(gòu)受力簡圖

根據(jù)連桿機構(gòu)受力簡圖，在不考慮連桿機構(gòu)自重的情況下，根據(jù)力矩平衡原理得到如下關(guān)系：

根據(jù)連桿機構(gòu)運動軌跡及鋼絲繩扣在鉤板內(nèi)位置可知，當(dāng)β≤90°時，外載荷F1完全由連桿機構(gòu)承擔(dān)；當(dāng)β＞90°時，鋼絲繩扣逐漸沿連桿Ⅰ向鉤板滑動，外載荷F1由連桿機構(gòu)和鉤板共同承擔(dān)。因此，當(dāng)研究最大受力工況時，只考慮β≤90°時的情況，即 β∈[49°，90°]，此時 α∈[34°，68°]，γ∈[15°，22°]。sin β·cosγ/sinα 值隨β角的變化趨勢圖如圖4所示。由圖可知，sin β·cosγ/sinα值隨β角增加而逐漸減小，當(dāng)β=49°時，sinβ·cosγ/sinα值最大為 1.304，此時液壓油缸驅(qū)動力也最大，即F3，max=1.304F1。

圖 4 sinβ·cosγ/sinα 值隨 β角變化趨勢

3 連桿機構(gòu)脫扣試驗及載荷分析

為驗證深水海管棄管自動脫扣裝置連桿機構(gòu)的脫扣效果，制造了一套簡化的試驗原理樣機，對此機構(gòu)的工作效果進行驗證，如圖5所示。試驗裝置垂直起吊后保持自由狀態(tài)，此時底部鉤體基本保持垂直狀態(tài)，試驗過程中整體結(jié)構(gòu)允許有輕微自由晃動或傾斜。無載荷試驗時，分鋼絲繩扣在鉤體前部和后部兩種工況分別進行脫扣試驗；帶載試驗時，將鋼絲繩扣一端掛進鉤體，繩扣另一端懸掛外載荷配重分別為1 270、4 500、5 980、9 200 N。在上述三種工況下分別進行脫扣試驗，試驗過程如圖6所示，試驗數(shù)據(jù)記錄在表2中。

表2 試驗數(shù)據(jù)記錄

圖5 自動脫扣連桿機構(gòu)試驗裝置

圖6 脫扣試驗過程

由以上試驗數(shù)據(jù)可知，試驗工裝連桿機構(gòu)等結(jié)構(gòu)件自重約為125 N，為確定傳感器讀數(shù)與懸掛配重即驅(qū)動力與外載荷之間的比例關(guān)系，將試驗工裝連桿機構(gòu)等結(jié)構(gòu)件的自重從傳感器讀數(shù)中扣除，因此得到驅(qū)動力與外載荷之間的數(shù)值關(guān)系如表3所示。

表3 驅(qū)動力與外載荷關(guān)系

根據(jù)試驗結(jié)果，各種工況下經(jīng)多次試驗均可保證成功脫扣。另外，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出最大驅(qū)動力與外載荷的比例系數(shù)均值為1.214，根據(jù)上述理論計算結(jié)果，最大驅(qū)動力與外載荷的比例系數(shù)為1.304，兩組系數(shù)相差僅6.9%，偏差較小。分析產(chǎn)生偏差的主要原因是在脫扣試驗過程中，傳感器讀數(shù)的波動及試驗工裝輕微晃動等因素產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)論

（1）在分析海底管道棄管工藝的基礎(chǔ)上，提出一種新型的連桿機構(gòu)驅(qū)動脫扣裝置，分析了其組成與工作原理，為深水海管棄管自動脫扣裝置的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

（2）根據(jù)連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及運動路徑，對其受力進行了理論分析，并得出最大驅(qū)動力與外載荷之間的數(shù)值關(guān)系，確定了二者之間的理論比例系數(shù)，為深水海管棄管自動脫扣裝置設(shè)計提供了理論支撐。

（3）對連桿機構(gòu)在各種典型工況下的脫扣效果進行了試驗驗證，驗證結(jié)果為均可成功脫扣。另外，通過對試驗數(shù)據(jù)的處理分析，得到最大驅(qū)動力與外載荷之間的比例系數(shù)，并與理論比例系數(shù)進行了對比，結(jié)果基本一致。