深水海管機(jī)械連接器和海管坡口機(jī)安裝裝置研究

柳宇， 李晶， 曲有杰， 林守強(qiáng)， 李井純

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518067）

0 引 言

海管機(jī)械連接器屬于成熟的管道連接產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于海管水下濕式維修[1]。目前國內(nèi)海管機(jī)械連接器安裝主要集中在淺水區(qū)海管維修[2]，在淺水區(qū)進(jìn)行機(jī)械連接器安裝時(shí)，通常由潛水員根據(jù)機(jī)械連接器設(shè)計(jì)形式，選擇是否在目標(biāo)海管端口上先采用坡口機(jī)開坡口以形成一過渡錐面，便于后續(xù)機(jī)械連接器套入至海管上，然后利用A架或浮袋將海管機(jī)械連接器和海管吊起進(jìn)行軸線對(duì)中，最后借助配重塊將其拉近套入至海管段上進(jìn)行螺栓拉伸和密封圈試漏，最終完成機(jī)械連接器安裝?？偨Y(jié)淺水區(qū)機(jī)械連接器安裝要點(diǎn)，其輔助安裝工具需滿足以下功能需求：1）在作業(yè)前，能夠根據(jù)機(jī)械連接器設(shè)計(jì)形式確定是否需在海管端口面提前開坡口，形成一過渡錐面，以便后續(xù)機(jī)械連接器能夠順利插入海管中，減少在插入作業(yè)過程中機(jī)械連接器密封圈損壞的風(fēng)險(xiǎn)；2）在安裝時(shí)，能夠進(jìn)行機(jī)械連接器與海管端口軸線對(duì)中；3）在對(duì)中后，能夠引導(dǎo)機(jī)械連接器拉近并套入海管上；4）在機(jī)械連接器安裝就位后，能協(xié)助進(jìn)行機(jī)械連接器螺栓拉伸和試漏[3-4]。上述功能要求同樣適用于深水區(qū)海管機(jī)械連接器安裝輔助安裝機(jī)具設(shè)計(jì)，目前國內(nèi)尚未涉足深水海管機(jī)械連接器安裝機(jī)具研究。本文對(duì)一種深水海管機(jī)械連接器及坡口機(jī)安裝裝置的結(jié)構(gòu)組成和工作流程進(jìn)行分析，以便為深水機(jī)械連接器安裝機(jī)具研發(fā)及工程應(yīng)用提供思路。

1 國外深水海管機(jī)械連接器安裝裝置的現(xiàn)狀

根據(jù)機(jī)械連接器是否在膨脹彎上預(yù)先安裝分為機(jī)械連接器獨(dú)立安裝和機(jī)械連接器預(yù)安裝等2種形式，目前Oil States公司的機(jī)械連接器安裝裝置采用的是機(jī)械連接器獨(dú)立安裝形式，而Songsub公司和Oceaneering公司機(jī)械連接器安裝裝置采用的是機(jī)械連接器預(yù)安裝形式。

1）Stateoil公司的海管機(jī)械連接器安裝裝置。Stateoil公司海管機(jī)械連接器安裝裝置如圖1所示，其由海管管爪結(jié)構(gòu)、機(jī)械連接器控制結(jié)構(gòu)、主框架結(jié)構(gòu)、膨脹彎管爪結(jié)構(gòu)、雙頭機(jī)械連接器組成。在進(jìn)行機(jī)械連接器安裝之前，將新的膨脹彎管段先下放至海管端口就位，然后下放海管機(jī)械連接器安裝裝置在海管與膨脹彎的端口處就位，啟動(dòng)海管管爪結(jié)構(gòu)將海管提起至工作高度，然后啟動(dòng)機(jī)械連接器控制結(jié)構(gòu)，完成機(jī)械連接器在海管側(cè)的安裝。完成機(jī)械連接器海管側(cè)安裝后，啟動(dòng)膨脹彎管爪結(jié)構(gòu)將膨脹彎提起至工作高度，然后啟動(dòng)機(jī)械連接器控制結(jié)構(gòu)，完成機(jī)械連接器在膨脹彎側(cè)的安裝[5]。待完成海管與膨脹彎的第一側(cè)機(jī)械連接器安裝后，將裝置挪位至海管與膨脹彎的第二側(cè)進(jìn)行機(jī)械連接器安裝。

2）Songsub公司的海管機(jī)械連接器安裝裝置。Songsub公司海管機(jī)械連接器安裝裝置如圖2所示，其由膨脹彎管段、機(jī)械連接器組成、下放引線導(dǎo)向裝置、浮筒裝置組成。在進(jìn)行機(jī)械連接器安裝時(shí)，下放該整套裝置至海管端口上端，ROV引導(dǎo)該機(jī)械連接器下放引線導(dǎo)向裝置與海管端口上預(yù)安裝的下放引線固定架配對(duì)，待配對(duì)成功后，下放裝置直至機(jī)械連接器就位，然后啟動(dòng)機(jī)械連接器將其安裝至海管上，完成機(jī)械連接器安裝后，回收浮筒裝置[6]。

圖1 Stateoil公司機(jī)械連接器安裝裝置

圖2 Songsub公司機(jī)械連接器安裝裝置

圖3 Oceaneering公司機(jī)械連接器安裝裝置

3）Oceaneering公司的海管機(jī)械連接器安裝裝置。Oceaneering公司海管機(jī)械連接器安裝裝置如圖3所示，其由膨脹彎管段、機(jī)械連接器組成、下放導(dǎo)向架組成。在進(jìn)行機(jī)械連接器安裝時(shí)，下放該整套裝置至海管提管架上的導(dǎo)向柱上，ROV引導(dǎo)該機(jī)械連接器安裝裝置下放導(dǎo)向架進(jìn)入海管提管架的導(dǎo)向柱直至機(jī)械連接器就位，然后啟動(dòng)機(jī)械連接器安裝至海管上，完成后回收機(jī)械連接器下放導(dǎo)向架[7]。

2 深水海管機(jī)械連接器和坡口機(jī)安裝裝置結(jié)構(gòu)組成

深水海管機(jī)械連接器安裝裝置設(shè)計(jì)需要考慮下放導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、機(jī)械連接器固定結(jié)構(gòu)、機(jī)械連接器液壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)等，以下將對(duì)一種深水海管機(jī)械連接器及坡口機(jī)安裝裝置結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析。

深水海管機(jī)械連接器及坡口機(jī)安裝裝置如圖4所示，其由主框架結(jié)構(gòu)、螺母驅(qū)動(dòng)卡盤、ROV控制面板組成。ROV控制面板為ROV閥門及液壓插頭的集成面板，以下重點(diǎn)介紹主框架結(jié)構(gòu)和螺母驅(qū)動(dòng)卡盤。

圖4 海管機(jī)械連接器和坡口機(jī)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5所示，主要包括主框架、機(jī)械連接器支撐架、吊點(diǎn)、鎖銷下放導(dǎo)向槽、固定銷、鎖銷。主框架作為裝置的連接承載結(jié)構(gòu)，其上設(shè)有用以和海管維修作業(yè)支持平臺(tái)固定的鎖銷，用以裝置吊裝的吊點(diǎn)，用以控制裝置下放至海管維修作業(yè)支持平臺(tái)的下放導(dǎo)向槽，用以將機(jī)械連接器固定的固定銷和對(duì)機(jī)械連接器法蘭進(jìn)行支持的支撐架。

2.2 螺母驅(qū)動(dòng)卡盤

螺母驅(qū)動(dòng)卡盤如圖6所示，包括卡盤框架、螺母驅(qū)動(dòng)套、卡盤抱臂。螺母驅(qū)動(dòng)卡盤主要和機(jī)械連接器螺栓進(jìn)行組對(duì)，在機(jī)械連接器安裝到位后，對(duì)機(jī)械連接器拉伸時(shí)，啟動(dòng)螺母驅(qū)動(dòng)套，配合機(jī)械連接器螺母旋進(jìn)螺栓，待機(jī)械連接器完成安裝后，打開卡盤抱臂，將螺母驅(qū)動(dòng)卡盤從機(jī)械連接器上釋放。

圖5 海管機(jī)械連接器和坡口機(jī)安裝裝置主框架結(jié)構(gòu)

圖6 海管機(jī)械連接器和坡口機(jī)安裝裝置螺母驅(qū)動(dòng)卡盤結(jié)構(gòu)

2.3 機(jī)械連接器

機(jī)械連接器如圖7所示，包括機(jī)械連接器、機(jī)械連接器固定板、機(jī)械連接器固定板插銷。機(jī)械連接器可裝置在主框架結(jié)構(gòu)上，隨主框架結(jié)構(gòu)一起下放至海管維修作業(yè)支持平臺(tái)上就位，進(jìn)行機(jī)械連接器安裝。

圖7 海管機(jī)械連接器結(jié)構(gòu)組成

2.4 坡口機(jī)

坡口機(jī)如圖8所示，包括坡口機(jī)、坡口機(jī)固定板、坡口機(jī)液壓源插頭、海管插入導(dǎo)向柱。坡口機(jī)可裝置在主框架結(jié)構(gòu)上，隨主框架結(jié)構(gòu)一起下放至海管維修作業(yè)支持平臺(tái)上就位，進(jìn)行開坡口作業(yè)。

圖8 海管坡口機(jī)結(jié)構(gòu)組成

3 深水海管機(jī)械連接器和坡口機(jī)安裝裝置工作流程

本裝置涉及兩個(gè)作業(yè)階段，即首先進(jìn)行海管開坡口作業(yè)，然后進(jìn)行安裝海管機(jī)械連接器作業(yè)，以下將就2種作業(yè)分別介紹工作流程。

3.1 準(zhǔn)備階段

1）開坡口作業(yè)。在下放深水海管機(jī)械連接器及坡口機(jī)安裝裝置至海管維修作業(yè)支持平臺(tái)就位之前，在甲板上將坡口機(jī)固定板固定在主框架的固定銷上，并采用螺栓固定；連接坡口機(jī)馬達(dá)液壓管至坡口機(jī)液壓源插頭；將坡口機(jī)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)調(diào)整成至坡口機(jī)最外端；打開主框架機(jī)構(gòu)的吊點(diǎn)，吊機(jī)將吊索具安裝在吊點(diǎn)上。

2）安裝機(jī)械連接器作業(yè)。在完成開坡口作業(yè)并將深水海管機(jī)械連接器及坡口機(jī)安裝裝置回收至甲板后，甲板上將坡口機(jī)從主框架固定銷上拆除，并將機(jī)械連接器裝入至裝置中，確保機(jī)械連接器固定板掛在主框架的固定銷上，且機(jī)械連接器法蘭接觸主框架結(jié)構(gòu)的機(jī)械連接器支撐架上；啟動(dòng)卡盤抱臂液壓缸，關(guān)閉卡盤抱臂；啟動(dòng)螺母驅(qū)動(dòng)套，將螺母卡套旋轉(zhuǎn)與機(jī)械連接器上的螺母對(duì)齊；將機(jī)械連接器推入至主框架結(jié)構(gòu)，直至機(jī)械連接器固定板與框架固定銷頂緊，此時(shí)機(jī)械連接器法蘭被置于主框架結(jié)構(gòu)的機(jī)械連接器支撐架上，機(jī)械連接器螺母與螺母驅(qū)動(dòng)套連接并能在螺母驅(qū)動(dòng)套帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)；安裝機(jī)械連接器固定板插銷；吊機(jī)將吊索具裝在主框架機(jī)構(gòu)的吊點(diǎn)上。

3.2 實(shí)施階段

1）開坡口作業(yè)。下放深水海管機(jī)械連接器及坡口機(jī)安裝裝置至海管維修作業(yè)支持平臺(tái)就位，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協(xié)助吊機(jī)拆除裝置吊索具；啟動(dòng)海管維修作業(yè)支持平臺(tái)滑車系統(tǒng)，移動(dòng)滑車直至主框架結(jié)構(gòu)的鎖銷落入兩側(cè)滑車的鎖銷孔；拆除主框架結(jié)構(gòu)下放導(dǎo)向槽的限位銷，此時(shí)機(jī)械連接器安裝框架可在作業(yè)支持平臺(tái)滑車帶動(dòng)下沿海管軸向移動(dòng)；繼續(xù)啟動(dòng)海管維修作業(yè)支持平臺(tái)滑車，滑車帶動(dòng)裝置向海管靠近，直至坡口機(jī)海管插入導(dǎo)向柱插入并頂住海管；ROV接通坡口機(jī)液壓源插頭，即可進(jìn)行開坡口作業(yè)。

2）機(jī)械連接器安裝作業(yè)。將機(jī)械連接器裝入至深水海管機(jī)械連接器及坡口機(jī)安裝裝置后，后續(xù)下放至海管維修作業(yè)支持平臺(tái)就位、將機(jī)械連接器拉入至海管就位步驟與上述開坡口作業(yè)步驟相同，待機(jī)械連接器完全進(jìn)入海管，并達(dá)到設(shè)計(jì)插入深度后，ROV啟動(dòng)機(jī)械連接器螺栓拉伸，同時(shí)在拉伸過程啟動(dòng)裝置的螺母驅(qū)動(dòng)套，伴隨螺栓拉伸將螺母進(jìn)行擰緊；待機(jī)械連接器完成螺栓拉伸后，ROV啟動(dòng)機(jī)械連接器試漏；機(jī)械連接器試漏成功后，ROV拆除機(jī)械連接器固定板插銷；啟動(dòng)卡盤抱臂液壓缸，打開卡盤抱臂。

3.3 回收階段

開坡口作業(yè)和機(jī)械連接器安裝作業(yè)的回收階段流程相同。待完成作業(yè)后，啟動(dòng)海管維修作業(yè)支持平臺(tái)滑車，滑車帶動(dòng)深水海管機(jī)械連接器及坡口機(jī)安裝裝置遠(yuǎn)離海管端面；待滑車退至深水海管機(jī)械連接器及坡口機(jī)安裝裝置下放就位初始位置后，將主框架結(jié)構(gòu)下放導(dǎo)向槽的限位銷裝回；ROV將主框架結(jié)構(gòu)的鎖銷從海管作業(yè)支持平臺(tái)滑車的鎖銷孔上拔出，繼續(xù)啟動(dòng)作業(yè)支持平臺(tái)滑車系統(tǒng)，將滑車系統(tǒng)恢復(fù)至深水海管機(jī)械連接器及坡口機(jī)安裝裝置下放時(shí)的初始位置，此時(shí)海管維修作業(yè)支持平臺(tái)滑車系統(tǒng)與主框架結(jié)構(gòu)再無干涉；ROV指引吊機(jī)將吊索具裝在主框架結(jié)構(gòu)的吊點(diǎn)上，然后對(duì)裝置進(jìn)行回收。

4 結(jié) 語

深水海管機(jī)械連接器在海管維修領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，但受限于國外公司的技術(shù)壟斷和封鎖，國內(nèi)深水海管維修機(jī)械連接器和坡口機(jī)輔助安裝機(jī)具暫無相關(guān)研究，本文介紹了一種深水海管維修機(jī)械連接器和坡口機(jī)安裝裝置的結(jié)構(gòu)組成及工作流程，為深水海管維修機(jī)械連接器和坡口機(jī)安裝裝置未來國產(chǎn)化研發(fā)和工程應(yīng)用提供了參考。