深海管道法蘭連接方案研究

摘 要

摘要：法蘭式連接是深水海底管道常用的機械連接方式，也是海底管道回接技術急需解決的課題。為此，她深海管道法蘭連接機具的發(fā)展現(xiàn)狀進行了概述，對比了典型法蘭連接機具的特點，通過
摘要：法蘭式連接是深水海底管道常用的機械連接方式，也是海底管道回接技術急需解決的課題。為此，她深海管道法蘭連接機具的發(fā)展現(xiàn)狀進行了概述，對比了典型法蘭連接機具的特點，通過分析國外典型機具(包括國外機具的機構特點和工作原理)，提出了具有自主知識產權的三瓣式深海管道法蘭連接機具的結構方案，設計了機具連接作業(yè)過程方案。該研究成果對于追蹤國外先進科技，為機具進步設計提供依據(jù)和提高我國深水回接作業(yè)水平具有一定意義。
關鍵詞：深海管道鋪設；法蘭連接技術；機具結構設計；水下作業(yè)；方案；連接作業(yè)過程
    對油氣資源需求量越來越大的今天，人們正在將目光投向海洋。全球海上油氣資源大約有44%儲存在海平面300m以下的深水海域。中國海洋石油總公司正在建造3000m深水鋪管船，在“十一五”期間要建成3000m海底管道敷設能力。因此，在海洋石油走向深水的發(fā)展趨勢下[1]，水下自動化作業(yè)機具的研制具有重大現(xiàn)實意義。
    水深500m左右的淺水海底管道大多是通過潛水員直接操縱或以水下密封艙作為作業(yè)空間實施連接。而深水區(qū)域海底管道的連接方法大都是機械連接方法[2]，大致可以分為3種：卡爪式連接、夾具式連接和法蘭式連接。法蘭式連接是常用機械連接方式，是當前海洋探索研究的管道回接方式之一[3]。針對深海管道法蘭連接技術，著重介紹其作業(yè)機具的發(fā)展現(xiàn)狀，并對其工作原理進行總結，以便為法蘭連接機具的研制提供研究思路。
1 深海管道法蘭連接技術
1.1 水下法蘭連接技術概述
水下回接是深海管道敷設重要組成部分。水下回接技術是指將新開發(fā)的生產管道并入已建的管網，充分利用已建設施，使邊際小油田開發(fā)變得經濟有效，其主要內容包括：管道與平臺的連接、管道與管網的連接、管道與立管的連接和管道間的連接等。深海管道法蘭連接技術屬于水下回接技術，是將海底管道通過法蘭螺栓連接方式連接，實現(xiàn)管道敷設的技術[4]。深海管道法蘭連接機具是應用于海底管道水下作業(yè)技術的一種特種機具。機具可以完成海底管道的法蘭連接，是回接過程的最后一步。其同時可以應用于水下維修，適合于各類海區(qū)和不同水深的作業(yè)要求[5]。因為潛水員在深水海底不能直接施工，只有在水下機器人ROV(Remotely Operated Vehicle)的輔助下作業(yè)，同時深海又具有高靜壓、腐蝕等特性，導致深海管道法蘭連接機具設計具有很大難度。設計出遠程操控的法蘭連接機具將大大提高我國在水下回接的技術水平。
1.2 典型法蘭連接機具
    在深海管道法蘭連接機具的研究和應用領域中，美國Sonsub公司、挪威Acergy公司和瑞士的Allseas Group公司均擁有相關技術和產品。其中Sonsub公司和Acergy公司的深海管道法蘭連接機具最具有代表性，并都有實際工程應用。
    1) Sonsub公司水下管道連接BRUTUS系統(tǒng)[6～7]的法蘭連接機具如圖1所示。法蘭連接機具由兩部分構成，分別是螺栓插入張緊機具BITT(Bolt Inseration and Tensioning T001)和螺母庫NM(NUT Magazine)。圖1-a為螺栓插入張緊機具，用于攜帶連接法蘭的螺栓；圖1-b為攜帶螺母的螺母庫。螺栓插入張緊機具和螺母庫上安裝有ROV接口模塊，ROV可以攜帶螺栓插入張緊工具和螺母庫在水下運動，并向螺栓插入張緊工具和螺母庫提供動力和控制信號，同時將反饋信號傳遞給工作母船。為了方便水下操作，螺栓插入張緊工具和螺母庫上安裝有浮力材料，使其處于零浮力狀態(tài)。機具對孔操作由水下電視監(jiān)測，通過視覺觀察不斷
調整誤差，完成對孔作業(yè)。對螺栓預緊力監(jiān)測采用傳感器，以便精確控制預緊力。2000年在挪威外海400m深處完成了406.4mm管道法蘭的連接和254.0mm軟管法蘭的連接。該機具最大工作水深是3000m，最大連接管徑是609.6mm，適用于API標準法蘭。
 
    2) Acergy公司的MATIS系統(tǒng)陪93法蘭連接機具如圖2所示。該機具結構是一體的，所有功能部件都安裝在外框架上，包括螺栓插入功能部件、螺母擰緊功能部件、機械手和一個存儲螺栓、螺母、密封墊片的機具倉等。采用模塊化設計可依據(jù)連接管道尺寸、工作水深和連接管道形式的不同采用不同的組合方式。螺栓插入功能部件和螺母擰緊功能部件被安裝在一個滑動梁上，在液壓缸的推動下螺栓插入功能部件和螺母擰緊功能部件可沿著滑梁移動，完成螺栓插入等動作。法蘭連接機具上設置ROV接口和浮力塊，整套機具可由ROV水下攜帶，并從ROV獲得動力和控制信號。ROV可以在工作母船上安裝到連接機具上，也可以在水下與連接機具結合。對孔操作由水下電視監(jiān)測，通過視覺觀察不斷調整誤差，完成對孔作業(yè)。該機具裝有一個存儲螺栓、螺母和密封墊片的機具倉，攜帶的螺栓、螺母和密封墊片數(shù)量能夠滿足三對法蘭的連接，所以一次下水可以進行多次連接，并減少了由于螺栓、螺母或墊片跌落造成的連接失敗概率。
    Acergy公司對法蘭連接機具的研究起于1994年，機具具有更多的工程應用和更深的水下工作記錄。第一次應用于1999年，在挪威為Statoil公司(挪威國家石油公司)完成了一個228.6mm管道法蘭的連接，水深98m。2000年10月又為Statoil公司在北海的Gullfaks完成了558.8～609.6mm管道法蘭的連接，水深215m。2001年10月在西非安哥拉的Girassol進行了100多個法蘭的連接，管道法蘭尺寸為228.6～330.2mm，最大水深達到1400m，連接形式包括管道與平臺的連接、管道與立管的連接等。Acergy法蘭連接機具的最大工作水深達3000m，可連接管徑范圍是101.6～914.4mm，適用于API和ANSI標準法蘭。
    綜上所述，目前深海法蘭連接機具技術只掌握在國外少數(shù)大公司手中，而國內較少有相關研究，沒有成熟設備，都是通過租賃美國或挪威等國家水下機具進行作業(yè)。
2 三瓣式深海管道法蘭連接機具結構設計
    深海管道法蘭連接機具采用三瓣式結構，主要包括：外框架、內框架、液壓控制模塊、水下攝像機、卡爪機構、螺栓庫、螺母庫和ROV接口平臺等8部分。三維模型如圖3所示。外框架為桁架式結構，是整個機具的支撐體，聯(lián)結各個部件并保證各部件與管道、法蘭的相對位置精度；內框架搭載螺栓庫和螺母庫，其可以繞管道周向轉動，保證螺栓與法蘭孔可以實現(xiàn)對準；液壓閥箱內液壓閥的開合，驅動液壓缸和液壓馬達動作，實現(xiàn)機具的各項功能；水下攝像機監(jiān)測機具作業(yè)狀態(tài)，反饋管道與機具、法蘭與機具的位置信息，并將其顯示在上位機顯示終端上；卡爪機構與外框架通過螺栓連接，可將整個機具定位于海底管道；ROV接口平臺與輔助作業(yè)ROV上的專用接口對接，實現(xiàn)ROV動力液壓源、信號源與機具連接；螺栓庫用于存放螺栓并插入螺栓，安裝在管道的活動法蘭一側，采用三瓣式結構，具有拉伸預緊螺栓的功能；螺母庫用于存放螺母并擰入螺母，安裝在管道的固定法蘭一側，也采用三瓣式結構，擰入固定法蘭一側的螺母。管道為機具的操作對象。操控系統(tǒng)由操控面板和上位機PC組成，操控系統(tǒng)發(fā)出指令后，PLC下位機控制系統(tǒng)控制液壓閥箱動作，實現(xiàn)機具各部分作業(yè)。遠程操控的ROV，可以為無人法蘭連接提供必要的輔助作業(yè)，如攜帶機具定位到管道上、與ROV接口平臺對接等，同時為機具提供液壓動力源。
 
    機具工作原理：機具通過卡爪機構定位到管道后，螺栓庫與螺母庫隨內框架轉動；螺栓庫攜帶的螺栓部分插入旋轉法蘭孔，帶動旋轉法蘭轉動，調整旋轉法蘭與固定法蘭使其對正；法蘭孔對正之后，螺栓庫插入螺栓，另一側的螺母庫擰入螺母。其中，螺栓庫沿周向均布16個結構相同的拉伸擰，緊機構，采用拉伸螺栓預緊方式，每個都具有拉伸螺栓擰入螺母的功能，法蘭兩側的螺母擰入施加了預緊力的螺栓，最終實現(xiàn)管道的法蘭螺栓連接。
3 三瓣式深海管道法蘭連接機具作業(yè)方案
    深海管道的連接，由于受到水深的制約，不可能采取潛水員作業(yè)形式，也不便采取水下密封艙作業(yè)形式，它采用一種無潛水員的自動回接方法，通過水下機器人ROV控制法蘭連接機具完成管道的法蘭連接。該自動法蘭連接機具的前提條件有：ROV控制整個過程，可以監(jiān)測法蘭孔的對正精度、提供液壓油源等外部動作；兩個管道已經由其他作業(yè)機具拖拽靠近，且保證兩個管道的法蘭貼近距離和管道同軸度在規(guī)定的范圍內。圖4為作業(yè)機具就位圖，包括連接機具和輔助機具。輔助機具有軸向對準機具、接應機具、ROV和H架等。在法蘭連接作業(yè)之前，H架將管道提升離海底面一定高度，軸向對準機具和接應機具配合作業(yè)實現(xiàn)管道的初對準，這樣輔助機具可以將兩管道對齊到一定精度，再由法蘭連接機具作業(yè)，最終實現(xiàn)管道法蘭的連接。
 
    詳細連接作業(yè)過程方案如下，部分動作如圖5所示：
    1) 海上操控船裝載法蘭連接機具和其他輔助機具定位到回接地點的海面，然后把所有設備傳送到水下回接地點，準備進行對接任務。
    2) ROV攜帶輔助機具就位到工作地點后，軸向對準機具和接應機具將管道粗對準。
    3) ROV將機具傳送到完成粗對準的管道上，控制機具的卡爪機構夾緊管道，三瓣式開合機構閉合，螺栓庫和螺母庫中心線基本與法蘭中心線對正。
    4) 控制機具框架調節(jié)裝置推動螺栓庫前進，至接近法蘭端面停止；旋轉機構轉動螺栓螺母庫，調節(jié)螺栓與旋轉法蘭的法蘭孔對準。
    5) 待螺栓與法蘭孔對準后，推動螺栓庫前進，將螺栓末端插入旋轉法蘭孔；再次轉動螺栓螺母庫，調節(jié)旋轉法蘭與固定法蘭的法蘭孔對準，如圖5-a。
    6) 待法蘭孔對準后，將螺栓完全插入旋轉法蘭，同時推動螺母庫前進與法蘭端面貼合；控制機具螺母庫旋入螺母。
    7) 待螺母旋入后，控制機具螺栓庫張緊螺栓，如圖5-b；完成連接后，推動螺栓螺母庫后退，如圖5-b。
    8) 待螺栓螺母庫后退到初始位置，控制機具開合機構爪瓣與夾緊機構卡爪張開，準備撤離機具；最后，由ROV控制機具撤離管道，如圖5-d。至此，作業(yè)結束，完成管道法蘭的遠程操控連接。
4 結論
    我國深水海域環(huán)境較為復雜，海底管道法蘭連接需要多機具聯(lián)合作業(yè)，設計具有難度。針對深海管道敷設的要求，綜合考慮作業(yè)環(huán)境、水下作業(yè)機具要求等因素，提出了具有自主知識產權的三瓣式法蘭連接機具結構和作業(yè)過程方案，為進一步研究法蘭連接機具指明了方向。
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(本文作者：王立權1 王文明1 趙冬巖2 曹為2 王才東1 1.哈爾濱工程大學機電工程學院；2.中國海洋石油工程股份有限公司)