深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置研究

陳俊友，肖清軍，李剛，郝靜，李晶，姚輝

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

我國(guó)有豐富的深水海洋石油儲(chǔ)備，但在深水海洋石油裝備領(lǐng)域的研究起步較晚，與國(guó)外存在明顯差距，隨著國(guó)內(nèi)深水油氣田的開發(fā)建設(shè)，如何保證油氣安全輸送，是深水管道回接技術(shù)需要解決的問題。目前管道回接技術(shù)主要分為水下焊接、水下機(jī)械聯(lián)接、水下帶壓開孔，其中以水下機(jī)械聯(lián)接方法使用最為普遍。海底管道水下機(jī)械聯(lián)接技術(shù)根據(jù)是否需要人工潛水輔助回接可以分為有潛機(jī)械聯(lián)接和無潛機(jī)械聯(lián)接[1]。深水管道法蘭連接技術(shù)屬于無潛機(jī)械聯(lián)接，是將海底管道通過法蘭螺栓連接方式連接，實(shí)現(xiàn)管道鋪設(shè)的技術(shù)，該技術(shù)同樣可應(yīng)用于深水海管維修[2-3]。本文針對(duì)深水管道法蘭連接裝置現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對(duì)一種深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能進(jìn)行分析，并對(duì)其工作流程進(jìn)行介紹，以便為法蘭連接裝置的研究和應(yīng)用提供借鑒。

1 深水管道法蘭連接裝置研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外水下法蘭連接裝置的發(fā)展

在深水海管法蘭連接機(jī)具研究和應(yīng)用領(lǐng)域，美國(guó)Sonsub公司和挪威Acergy公司技術(shù)和產(chǎn)品較為成熟，并均在實(shí)際工程中有過應(yīng)用[2]。

1）Sonsub公司的水下法蘭連接機(jī)具產(chǎn)品。

Sonsub公司水下法蘭連接機(jī)具產(chǎn)品BRUTUS系統(tǒng)如圖1所示，其由軸向?qū)?zhǔn)工具、螺栓庫、螺母庫和接應(yīng)工具組成，可實(shí)現(xiàn)海管法蘭拉近、軸向?qū)?zhǔn)、螺栓插入、螺母安裝和螺栓液壓拉伸等作業(yè)。BRUTUS系統(tǒng)最大工作水深和最大適應(yīng)海管管徑分別為3000 m和24 in[4-5]。2）Acergy公司的水下法蘭連接機(jī)具產(chǎn)品。

圖1 Sonsub公司BRUTUS系統(tǒng)

Acergy公司水下法蘭連接機(jī)具產(chǎn)品MATIS系統(tǒng)如圖2所示，其由螺栓倉、螺母?jìng)}、拉伸器倉、密封圈放置工具和H 架組成，可實(shí)現(xiàn)螺栓插入、螺母安裝和螺栓液壓拉伸等作業(yè)。MATIS系統(tǒng)最大工作水深和最大適應(yīng)海管管徑分別為3000 m和36 in[2]。

圖2 Acergy公司MATIS系統(tǒng)

1.2 國(guó)內(nèi)水下法蘭連接裝置的發(fā)展

國(guó)內(nèi)水下回接技術(shù)與裝備的研究起步較晚，在國(guó)家“十一五”“863”重大課題“深水海底管道鋪設(shè)技術(shù)”項(xiàng)目的支持下，由海油工程公司與哈爾濱工程大學(xué)對(duì)水下法蘭連接技術(shù)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，并取得一定的進(jìn)展，但目前尚未有具有實(shí)際水下作業(yè)能力的回接系統(tǒng)裝備出現(xiàn)[4-5]。

2 深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置如圖3所示，其由主框架結(jié)構(gòu)、橫向液壓桿結(jié)構(gòu)、螺栓卡具結(jié)構(gòu)、螺栓庫、法蘭卡具結(jié)構(gòu)、螺母卡具結(jié)構(gòu)組成。

圖3 深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置主要結(jié)構(gòu)

2.1 主框架結(jié)構(gòu)組成

主框架結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括主框架、控制面板、下放導(dǎo)向槽、垂向升降液壓缸。

圖4 深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置主框架結(jié)構(gòu)

1）主框架。作為整個(gè)裝置的承重和支撐結(jié)構(gòu)。

2）控制面板。作為水下機(jī)器人（Remote Operated Vehicle，簡(jiǎn)稱ROV）與裝置的接口，配有液壓、電控等接口。

3）下放導(dǎo)向槽。作裝置下放至海管作業(yè)支持平臺(tái)就位導(dǎo)向，可在插入至海管維修作業(yè)支持平臺(tái)上的導(dǎo)向柱，從而引導(dǎo)裝置下放至海管維修作業(yè)支持平臺(tái)就位。

4）垂向升降液壓缸。在液壓驅(qū)動(dòng)下可帶動(dòng)支撐桿結(jié)構(gòu)及法蘭卡具結(jié)構(gòu)升降。

2.2 螺栓卡具結(jié)構(gòu)

螺栓卡具結(jié)構(gòu)如圖5所示，具體包括支撐框架、螺栓卡盤橫向行走液壓缸、螺栓卡盤、螺栓螺母轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、螺栓卡盤抱臂、螺栓卡盤抱臂開合液壓缸、螺栓螺母轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)板、螺栓庫掛鉤、螺栓庫掛鉤開合液壓缸。

圖5 深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置螺栓卡具結(jié)構(gòu)

1）支撐框架。作為螺栓卡具結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)框架，承受其結(jié)構(gòu)重力。

2）螺栓卡盤橫向行走液壓缸?？稍谝簤候?qū)動(dòng)下，帶動(dòng)螺栓卡盤行走，以便螺栓螺母轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)板頂緊或退出與螺栓庫螺母接觸。

3）螺栓卡具固定板。使螺栓卡具結(jié)構(gòu)固定在橫向液壓桿結(jié)構(gòu)上。

4）螺栓卡盤。作為支撐結(jié)構(gòu)，螺栓螺母轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在其上均勻分布。

5）螺栓螺母轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。可在液壓驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)螺栓螺母轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)板轉(zhuǎn)動(dòng)。

6）螺栓卡盤抱臂?？稍诼菟ūP抱臂開合液壓缸帶動(dòng)下進(jìn)行開合，以便螺栓卡具結(jié)構(gòu)抱緊或脫離海管。

7）螺栓卡盤抱臂開合液壓缸。可在液壓驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)螺栓卡盤抱臂開合。

8）螺栓庫頂緊導(dǎo)向孔。固定螺栓庫頂緊導(dǎo)向桿至螺栓卡盤抱臂上，從而可通過螺栓卡盤抱臂帶動(dòng)螺栓庫進(jìn)行開合完成螺栓庫抱緊或脫離海管。

9）螺栓螺母轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)板。由螺栓螺母轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)螺母旋進(jìn)驅(qū)動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)，從而完成螺栓庫上的螺母在進(jìn)行拉伸時(shí)拉伸器側(cè)的螺母旋進(jìn)螺栓。

10）螺栓庫掛鉤。將螺栓庫掛銷掛住并鎖死，以便螺栓庫能隨主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸、螺栓卡具結(jié)構(gòu)一起上下移動(dòng)。

11）螺栓庫掛鉤開合液壓缸。在液壓驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)螺栓庫掛鉤開合。

2.3 橫向液壓桿結(jié)構(gòu)

橫向液壓桿結(jié)構(gòu)如圖6所示，具體包括橫向液壓桿、限位固定板、螺栓卡具結(jié)構(gòu)行走液壓缸、螺栓卡具結(jié)構(gòu)固定支撐板、螺栓卡具結(jié)構(gòu)行走位置標(biāo)記桿、螺母卡具結(jié)構(gòu)固定支撐板、螺母卡具結(jié)構(gòu)行走液壓缸。

圖6 深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置橫向液壓桿結(jié)構(gòu)

1）橫向液壓桿。作為螺栓卡具結(jié)構(gòu)、法蘭卡具結(jié)構(gòu)和螺母卡具結(jié)構(gòu)的支撐桿件，承受其重力。

2）限位固定板。作為固定兩根橫向液壓桿的結(jié)構(gòu)板，同時(shí)與主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸其中之一連接，控制兩根橫向液壓桿同時(shí)升降移動(dòng)。

3）螺栓卡具結(jié)構(gòu)行走液壓缸。能在液壓驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)螺栓卡具結(jié)構(gòu)在橫向液壓桿上做橫向移動(dòng)，達(dá)到將螺栓庫的螺栓插入至法蘭的目的。

4）螺栓卡具結(jié)構(gòu)固定支撐板。將螺栓卡具結(jié)構(gòu)固定在橫向液壓桿上。

5）螺栓卡具結(jié)構(gòu)行走位置標(biāo)記桿。其上有刻度顯示，以便ROV監(jiān)控螺栓卡具結(jié)構(gòu)在將螺栓庫的螺栓插入法蘭時(shí)行走的距離。

6）螺母卡具結(jié)構(gòu)固定支撐板。將螺母卡具結(jié)構(gòu)固定在橫向液壓桿上。

7）螺母卡具結(jié)構(gòu)行走液壓缸。能在液壓驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)螺母卡具結(jié)構(gòu)在橫向液壓桿上做橫向移動(dòng)，將螺母頂緊至螺栓庫的螺栓上。

2.4 螺栓庫

螺栓庫如圖7所示，具體包括螺栓、螺栓庫掛銷、螺栓庫固定板、螺母旋進(jìn)驅(qū)動(dòng)桿、螺栓庫頂緊導(dǎo)向桿、螺栓張緊器。

圖7 深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置螺栓庫結(jié)構(gòu)

1）螺栓。為海管法蘭螺栓。

2）螺栓庫掛銷。掛在螺栓卡具結(jié)構(gòu)的螺栓庫掛鉤上。

3） 螺 栓庫固定板。作為螺栓的主結(jié)構(gòu)支撐，螺栓及螺栓張緊器均在其上分分布并固定。

4） 螺 母旋進(jìn)驅(qū)動(dòng)桿?？稍诼菟ň呓Y(jié)構(gòu)的螺栓螺母轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)板旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下，完成螺栓庫上的螺栓張緊器側(cè)的螺母旋進(jìn)螺栓。

5）螺栓庫頂緊導(dǎo)向桿?？刹迦肼菟ň呓Y(jié)構(gòu)的螺栓庫頂緊導(dǎo)向孔中，被螺栓卡具結(jié)構(gòu)的卡盤抱臂帶動(dòng)螺栓庫進(jìn)行開合，完成螺栓庫抱緊或脫離海管。

6）螺栓張緊器。待螺栓完成插入和螺母安裝后，可在液壓驅(qū)動(dòng)下對(duì)螺栓進(jìn)行液壓拉伸。

2.5 法蘭卡具結(jié)構(gòu)

法蘭卡具結(jié)構(gòu)如圖8所示，具體包括卡具支持框架、卡具吊點(diǎn)、法蘭卡槽行走液壓缸、法蘭卡槽。

圖8 深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置法蘭卡具結(jié)構(gòu)

1）卡具支持框架。作為法蘭卡具結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)框架，安裝在橫向液壓桿上，兩根橫向液壓桿貫穿其中。

2）卡具吊點(diǎn)。與主框架結(jié)構(gòu)的左右兩根垂向升降液壓缸連接，通過垂向升降液壓缸升降，帶動(dòng)法蘭卡具結(jié)構(gòu)升降，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)法蘭組對(duì)和螺孔對(duì)中。

3）法蘭卡槽行走液壓缸?？稍谝簤候?qū)動(dòng)下，帶動(dòng)法蘭卡槽卡緊或脫離海管法蘭操縱球柄。

4）法蘭卡槽。將法蘭球柄包裹在其中，通過法蘭球柄帶動(dòng)法蘭隨法蘭卡具左右上下一起運(yùn)動(dòng)，完成法蘭組對(duì)和螺孔對(duì)中。

2.6 螺母卡具結(jié)構(gòu)

螺母卡具結(jié)構(gòu)如圖9所示，具體包括液壓閥箱、油補(bǔ)器、螺母卡具固定板、螺母卡套、螺母卡盤、螺母卡盤抱臂開合液壓缸、螺母卡盤抱臂、螺母卡盤驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。

圖9 深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置螺母卡具結(jié)構(gòu)

1）液壓閥箱。作為整個(gè)裝置的液壓閥存貯箱。

2）油補(bǔ)器。平衡液壓閥箱和深水海水壓力的壓差影響。

3）螺母卡具固定板。與橫向液壓桿上的螺母卡具固定支撐板連接，將螺母卡具結(jié)構(gòu)固定在橫向液壓桿上。

4）螺母卡套。用于將螺母臨時(shí)卡住，以便在裝置下放至海底時(shí)螺母不會(huì)脫落。

5）螺母卡盤。作為主支撐結(jié)構(gòu)，螺母卡套在其上均勻分布。

6）螺母卡盤抱臂開合液壓缸?？稍谝簤候?qū)動(dòng)下，帶動(dòng)螺母卡盤抱臂開合。

7）螺母卡盤抱臂。可在螺母卡盤抱臂開合液壓缸帶動(dòng)下開合，進(jìn)行抱緊或脫離海管。

8）螺母卡盤驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。可在液壓驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)螺母卡套轉(zhuǎn)動(dòng)，完成螺母旋進(jìn)螺栓。

3 深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置作業(yè)流程

本裝置涉及3個(gè)作業(yè)階段，即準(zhǔn)備階段、實(shí)施階段、回收階段，以下將就3個(gè)作業(yè)階段逐一進(jìn)行分析。

3.1 準(zhǔn)備階段

在下放深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置至海管就位之前，在甲板上將螺栓庫放置在螺栓卡具結(jié)構(gòu)下方，確保螺栓庫固定板與螺栓庫安裝導(dǎo)向槽對(duì)齊；控制主框架結(jié)構(gòu)垂向升降液壓缸下放橫向液壓桿和法蘭卡具結(jié)構(gòu)，將螺栓庫裝入螺栓卡具結(jié)構(gòu)中；啟動(dòng)螺栓卡具結(jié)構(gòu)上的螺栓庫掛鉤，將螺栓庫掛銷掛住鎖死；啟動(dòng)螺栓卡盤橫向行走液壓缸，控制螺栓卡盤行走，分別使螺栓庫頂緊導(dǎo)向孔和螺栓螺母轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)板頂住螺栓庫上的螺栓庫頂緊導(dǎo)向桿和螺母旋進(jìn)驅(qū)動(dòng)桿；啟動(dòng)螺栓卡盤抱臂開合液壓缸，操縱螺栓卡盤抱臂完全打開，并通過螺栓卡具結(jié)構(gòu)的卡盤抱臂帶動(dòng)螺栓庫完全打開；啟動(dòng)螺母卡盤抱臂開合液壓缸，將螺母卡盤抱臂完全打開；啟動(dòng)法蘭卡槽行走液壓缸，操縱法蘭卡槽完全打開；分別啟動(dòng)橫向液壓桿螺栓卡具行走液壓缸和螺母卡具行走液壓缸，使螺栓卡具結(jié)構(gòu)和螺母卡具結(jié)構(gòu)分別退至距離法蘭卡具結(jié)構(gòu)最遠(yuǎn)的初始位置。啟動(dòng)主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸提升橫向液壓桿和法蘭卡具結(jié)構(gòu)至最頂端的初始位置；連接裝置吊索具至吊機(jī)吊鉤上，此時(shí)裝置具備下放條件。

3.2 實(shí)施階段

下放深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置，ROV協(xié)助主框架結(jié)構(gòu)下放導(dǎo)向槽順利進(jìn)入海管維修作業(yè)支持平臺(tái)的導(dǎo)向柱；待裝置在海管維修作業(yè)支持平臺(tái)上完成就位后，ROV解開吊機(jī)吊鉤；啟動(dòng)主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸下放橫向液壓桿和法蘭卡具結(jié)構(gòu)，并在過程中監(jiān)控垂向位置標(biāo)識(shí)桿上的距離標(biāo)記，確保螺栓卡具結(jié)構(gòu)、法蘭卡具結(jié)構(gòu)、螺母卡具結(jié)構(gòu)平穩(wěn)地下放至海管和法蘭上進(jìn)行就位；啟動(dòng)螺栓卡盤抱臂開合液壓缸，操縱螺栓卡盤抱臂關(guān)閉，并通過螺栓卡盤抱臂的卡盤抱臂帶動(dòng)螺栓庫完全關(guān)閉抱緊海管，啟動(dòng)螺母卡盤抱臂開合液壓缸，將螺母卡盤抱臂完全關(guān)閉抱緊海管；啟動(dòng)法蘭卡槽行走液壓缸，操縱法蘭卡槽完全包裹住海管法蘭的操作球柄；啟動(dòng)主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸，通過主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸上升，將法蘭卡具連同海管法蘭向上提起進(jìn)行法蘭組對(duì)螺孔對(duì)中；對(duì)中成功后，分別啟動(dòng)螺栓卡具行走液壓缸和螺母卡具行走液壓缸，將螺栓插入至法蘭孔中，插入過程中監(jiān)控螺栓卡具行走位置標(biāo)記桿行走距離讀數(shù)；完成螺栓插入法蘭后，啟動(dòng)螺母卡套頂住螺栓并啟動(dòng)螺母卡套驅(qū)動(dòng)馬達(dá)將螺母旋進(jìn)至螺栓中；完成螺母安裝后，啟動(dòng)螺栓張緊器進(jìn)行螺栓拉伸，然后啟動(dòng)螺栓螺母轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，完成螺栓庫上的螺母旋進(jìn)安裝。

3.3 回收階段

啟動(dòng)主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸下放橫向液壓桿和法蘭卡具結(jié)構(gòu)，并在過程中監(jiān)控垂向位置標(biāo)記桿上的距離標(biāo)記，確保螺栓卡具結(jié)構(gòu)、法蘭卡具結(jié)構(gòu)、螺母卡具結(jié)構(gòu)平穩(wěn)地下放至法蘭組對(duì)前的高度；啟動(dòng)螺栓卡具結(jié)構(gòu)上的螺栓庫掛鉤，將螺栓庫掛銷脫離；啟動(dòng)螺栓卡盤橫向行走液壓缸，控制螺栓卡盤撤出螺栓庫，分別使螺栓庫頂緊導(dǎo)向孔螺栓螺母轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)板脫離螺栓庫上的螺栓庫頂緊導(dǎo)向桿和螺母旋進(jìn)驅(qū)動(dòng)桿；啟動(dòng)螺栓卡盤抱臂開合液壓缸，操縱螺栓卡盤抱臂完全打開；啟動(dòng)螺母卡具行走液壓缸，使螺母卡具結(jié)構(gòu)與螺栓脫離接觸。啟動(dòng)螺母卡盤抱臂開合液壓缸，將螺母卡盤抱臂完全打開；啟動(dòng)法蘭卡槽行走液壓缸，操縱法蘭卡槽完全打開；分別啟動(dòng)橫向液壓桿螺栓卡具行走液壓缸和螺母卡具行走液壓缸，使螺栓卡具結(jié)構(gòu)和螺母卡具結(jié)構(gòu)分別退至距離法蘭卡具結(jié)構(gòu)最遠(yuǎn)的初始位置。啟動(dòng)主框架結(jié)構(gòu)的垂向升降液壓缸，提升橫向液壓桿和法蘭卡具結(jié)構(gòu)至最頂端的初始位置；ROV水下連接吊索具至吊機(jī)吊鉤，吊機(jī)回收裝置至甲板。

4 結(jié)語

深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置技術(shù)目前主要為國(guó)外幾個(gè)公司所掌握，本文介紹了國(guó)內(nèi)海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置的結(jié)構(gòu)組成及工作流程，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，推進(jìn)了國(guó)內(nèi)深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置技術(shù)的發(fā)展。文中介紹的我國(guó)首套深水海管應(yīng)急搶修系統(tǒng)中深水海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置的結(jié)構(gòu)組成及工作流程，可為國(guó)內(nèi)類似裝置研究提供參考和借鑒。