水下膨脹彎測量工具

周 健

（海洋石油工程股份有限公司海洋工程技術服務公司，天津 300461）

0 引言

為完成中國海洋石油集團有限公司5000萬m3和渤海3000萬m3的宏偉目標，目前中海油正在原有平臺附近新建一批采油平臺，并同時加緊新海管的鋪設工作。膨脹彎是海管鋪設路由中不可或缺的環節，因此未來一段時間的膨脹彎安裝工作量將大大增加。過去的經驗表明，連接海管法蘭膨脹彎最關鍵的工序是海管法蘭之間相對空間位置和方位角的測量。對比了新設備數顯示法蘭測量儀和以往使用老式法蘭測量儀，并對最新研發的法蘭測量儀進行敘述。

過去用于海上膨脹彎測量的工具為老式機械法蘭測量儀，其設備笨重、精度極低、工作效率低，針對這些缺點，研制開發了新設備數顯示法蘭測量儀。

1 膨脹彎測量工具歷史

老式機械法蘭測量儀如圖1所示。機械法蘭測量儀的測量精度為1°，重量40 kg，高度0.7 m，需要使用水平泡調平、螺栓固定、機械式測量讀取（圖2）。

使用難點：待測量的2個膨脹彎一般距離較遠，二者測量角度誤差越大，換算成長度后長度誤差越大，如果要提高精度就會增大刻度板尺寸，從而增大測量儀尺寸，導致測量儀過重，難以操作，對結構形式和各部件連接形式較難確定；法蘭測量儀的密封材料和形式需要考慮水密性、防腐、加工難度等諸多問題，較難確定；法蘭測量儀的研制需要實踐進行檢驗，并根據試用結果修改方案，反復試制，可能會導致研發周期較長。

圖1 老式機械法蘭測量儀

圖2 工作現場

老式膨脹彎測量設備重量有40 kg左右，在陸地上需要2個人抬，在水下一般只有一位潛水員操作，要完成拆卸螺栓、安裝固定、調平、上緊螺栓等一系列工作。僅調平一項工作，都要花費0.5 h左右，如果遇到水下能見度低的情況，更是一項巨大挑戰。

另外，以前的測量設備精度不高，有時第一次測量不準確，安裝時還需要返工。

2 研發新式法蘭測量儀的想法

經過反復論證，先后設計了3種法蘭測量儀（表1、圖3）。

表1 新設計的3種法蘭測量儀

圖3 3種法蘭測量儀

經過綜合考慮預制難度、原理成熟性、使用方便性等因素，最后決定采用第二種作為第二代法蘭測量儀（圖4）。其優點主要有2個：①重量比原來減輕了62.5%；②精度比原來提高了1倍。

3 新設備數顯示法蘭測量儀（圖5）

圖4 第二代法蘭測量儀

數顯式法蘭測量系統主要由拉繩測量裝置、檢測控制系統與監控軟件組成。主體結構主要分為機械部分和控制部分。采用2個磁耦合傳感器來測取擺桿的水平轉角以及豎直仰角，數據自動記錄及顯示，其作用范圍為50 m。該系統方案適合兩海管法蘭連接作業的相對位姿參數的高精度測量。數顯示法蘭測量儀主要技術指標：工作水深50 m，測量精度0.008°，測量角度0°～120°，適用海底管道法蘭或其他水下被測物。

該設備同樣也適用于深海管道及水下其他兩硬質管道間位姿參數的測量。研制數顯式法蘭位姿精確測量設備的目的在于測量水下兩管道的相對位姿（包括相對距離和相對角度），為連接管道時的陸上預制膨脹彎提供連接參數，確保最終實現海底管道的鋪設并提高潛水員水下作業效率。

當測量鋼絲繩張緊后，通過測量儀的拉手，帶動測量儀的轉動主體，繞主軸與水平軸旋轉一定角度。該角度通過2個傳感器讀出，即是測量儀伸出臂的水平擺角及垂直俯仰角。

圖6為測量儀總裝的爆炸圖，包括測量主體組件、水密電纜、控制器組件、基座組件。測量主體組件內有2個磁耦合傳感器，控制器組件里安裝有正交傾角傳感器和主控電路。基座組件用于測量儀與海管法蘭的連接。

為了提高膨脹彎的計算效率，還開發了專門用于處理法蘭測量儀數據的應用軟件，大大縮短了海上的工期（圖7）。新設備數顯式法蘭測量儀和老式機械法蘭測量儀的比見表2。

4 結語

圖6 測量儀總裝的爆炸圖

圖7 應用軟件界面

表2 新設備數顯式法蘭測量儀和老式機械法蘭測量儀的對比

圖5 新數顯示法蘭測量儀

在總結原有海洋工程膨脹彎測量設備機械式法蘭測量儀的基礎上，簡述了機械式法蘭測量儀在設計、制作及使用上的不足，提出研發新式法蘭測量儀的思路及想法，總結幾種新設計思路，重點介紹新設備數顯示法蘭測量儀，對比老式機械法蘭測量儀的優缺點，顯出數顯示法蘭測量儀的推廣應用價值。此技術在國內處于領先地位。