深水海管機械連接器和海管坡口機安裝裝置研究

柳宇， 李晶， 曲有杰， 林守強， 李井純

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳518067）

0 引 言

海管機械連接器屬于成熟的管道連接產品，廣泛應用于海管水下濕式維修[1]。目前國內海管機械連接器安裝主要集中在淺水區海管維修[2]，在淺水區進行機械連接器安裝時，通常由潛水員根據機械連接器設計形式，選擇是否在目標海管端口上先采用坡口機開坡口以形成一過渡錐面，便于后續機械連接器套入至海管上，然后利用A架或浮袋將海管機械連接器和海管吊起進行軸線對中，最后借助配重塊將其拉近套入至海管段上進行螺栓拉伸和密封圈試漏，最終完成機械連接器安裝。總結淺水區機械連接器安裝要點，其輔助安裝工具需滿足以下功能需求：1）在作業前，能夠根據機械連接器設計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，以便后續機械連接器能夠順利插入海管中，減少在插入作業過程中機械連接器密封圈損壞的風險；2）在安裝時，能夠進行機械連接器與海管端口軸線對中；3）在對中后，能夠引導機械連接器拉近并套入海管上；4）在機械連接器安裝就位后，能協助進行機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海管機械連接器安裝輔助安裝機具設計，目前國內尚未涉足深水海管機械連接器安裝機具研究。本文對一種深水海管機械連接器及坡口機安裝裝置的結構組成和工作流程進行分析，以便為深水機械連接器安裝機具研發及工程應用提供思路。

1 國外深水海管機械連接器安裝裝置的現狀

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

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

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

圖1 Stateoil公司機械連接器安裝裝置

圖2 Songsub公司機械連接器安裝裝置

圖3 Oceaneering公司機械連接器安裝裝置

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

2 深水海管機械連接器和坡口機安裝裝置結構組成

深水海管機械連接器安裝裝置設計需要考慮下放導向結構、機械連接器固定結構、機械連接器液壓驅動結構等，以下將對一種深水海管機械連接器及坡口機安裝裝置結構組成進行分析。

深水海管機械連接器及坡口機安裝裝置如圖4所示，其由主框架結構、螺母驅動卡盤、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，以下重點介紹主框架結構和螺母驅動卡盤。

圖4 海管機械連接器和坡口機安裝裝置主要結構

2.1 主框架結構組成

主框架結構如圖5所示，主要包括主框架、機械連接器支撐架、吊點、鎖銷下放導向槽、固定銷、鎖銷。主框架作為裝置的連接承載結構，其上設有用以和海管維修作業支持平臺固定的鎖銷，用以裝置吊裝的吊點，用以控制裝置下放至海管維修作業支持平臺的下放導向槽，用以將機械連接器固定的固定銷和對機械連接器法蘭進行支持的支撐架。

2.2 螺母驅動卡盤

螺母驅動卡盤如圖6所示，包括卡盤框架、螺母驅動套、卡盤抱臂。螺母驅動卡盤主要和機械連接器螺栓進行組對，在機械連接器安裝到位后，對機械連接器拉伸時，啟動螺母驅動套，配合機械連接器螺母旋進螺栓，待機械連接器完成安裝后，打開卡盤抱臂，將螺母驅動卡盤從機械連接器上釋放。

圖5 海管機械連接器和坡口機安裝裝置主框架結構

圖6 海管機械連接器和坡口機安裝裝置螺母驅動卡盤結構

2.3 機械連接器

機械連接器如圖7所示，包括機械連接器、機械連接器固定板、機械連接器固定板插銷。機械連接器可裝置在主框架結構上，隨主框架結構一起下放至海管維修作業支持平臺上就位，進行機械連接器安裝。

圖7 海管機械連接器結構組成

2.4 坡口機

坡口機如圖8所示，包括坡口機、坡口機固定板、坡口機液壓源插頭、海管插入導向柱。坡口機可裝置在主框架結構上，隨主框架結構一起下放至海管維修作業支持平臺上就位，進行開坡口作業。

圖8 海管坡口機結構組成

3 深水海管機械連接器和坡口機安裝裝置工作流程

本裝置涉及兩個作業階段，即首先進行海管開坡口作業，然后進行安裝海管機械連接器作業，以下將就2種作業分別介紹工作流程。

3.1 準備階段

1）開坡口作業。在下放深水海管機械連接器及坡口機安裝裝置至海管維修作業支持平臺就位之前，在甲板上將坡口機固定板固定在主框架的固定銷上，并采用螺栓固定；連接坡口機馬達液壓管至坡口機液壓源插頭；將坡口機進刀機構調整成至坡口機最外端；打開主框架機構的吊點，吊機將吊索具安裝在吊點上。

2）安裝機械連接器作業。在完成開坡口作業并將深水海管機械連接器及坡口機安裝裝置回收至甲板后，甲板上將坡口機從主框架固定銷上拆除，并將機械連接器裝入至裝置中，確保機械連接器固定板掛在主框架的固定銷上，且機械連接器法蘭接觸主框架結構的機械連接器支撐架上；啟動卡盤抱臂液壓缸，關閉卡盤抱臂；啟動螺母驅動套，將螺母卡套旋轉與機械連接器上的螺母對齊；將機械連接器推入至主框架結構，直至機械連接器固定板與框架固定銷頂緊，此時機械連接器法蘭被置于主框架結構的機械連接器支撐架上，機械連接器螺母與螺母驅動套連接并能在螺母驅動套帶動下轉動；安裝機械連接器固定板插銷；吊機將吊索具裝在主框架機構的吊點上。

3.2 實施階段

1）開坡口作業。下放深水海管機械連接器及坡口機安裝裝置至海管維修作業支持平臺就位，ROV協助主框架結構下放導向槽順利進入海管維修作業支持平臺的導向柱；待裝置在海管維修作業支持平臺上完成就位后，ROV協助吊機拆除裝置吊索具；啟動海管維修作業支持平臺滑車系統，移動滑車直至主框架結構的鎖銷落入兩側滑車的鎖銷孔；拆除主框架結構下放導向槽的限位銷，此時機械連接器安裝框架可在作業支持平臺滑車帶動下沿海管軸向移動；繼續啟動海管維修作業支持平臺滑車，滑車帶動裝置向海管靠近，直至坡口機海管插入導向柱插入并頂住海管；ROV接通坡口機液壓源插頭，即可進行開坡口作業。

2）機械連接器安裝作業。將機械連接器裝入至深水海管機械連接器及坡口機安裝裝置后，后續下放至海管維修作業支持平臺就位、將機械連接器拉入至海管就位步驟與上述開坡口作業步驟相同，待機械連接器完全進入海管，并達到設計插入深度后，ROV啟動機械連接器螺栓拉伸，同時在拉伸過程啟動裝置的螺母驅動套，伴隨螺栓拉伸將螺母進行擰緊；待機械連接器完成螺栓拉伸后，ROV啟動機械連接器試漏；機械連接器試漏成功后，ROV拆除機械連接器固定板插銷；啟動卡盤抱臂液壓缸，打開卡盤抱臂。

3.3 回收階段

開坡口作業和機械連接器安裝作業的回收階段流程相同。待完成作業后，啟動海管維修作業支持平臺滑車，滑車帶動深水海管機械連接器及坡口機安裝裝置遠離海管端面；待滑車退至深水海管機械連接器及坡口機安裝裝置下放就位初始位置后，將主框架結構下放導向槽的限位銷裝回；ROV將主框架結構的鎖銷從海管作業支持平臺滑車的鎖銷孔上拔出，繼續啟動作業支持平臺滑車系統，將滑車系統恢復至深水海管機械連接器及坡口機安裝裝置下放時的初始位置，此時海管維修作業支持平臺滑車系統與主框架結構再無干涉；ROV指引吊機將吊索具裝在主框架結構的吊點上，然后對裝置進行回收。

4 結 語

深水海管機械連接器在海管維修領域已廣泛應用，但受限于國外公司的技術壟斷和封鎖，國內深水海管維修機械連接器和坡口機輔助安裝機具暫無相關研究，本文介紹了一種深水海管維修機械連接器和坡口機安裝裝置的結構組成及工作流程，為深水海管維修機械連接器和坡口機安裝裝置未來國產化研發和工程應用提供了參考。