深水海管法蘭組對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有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

我國有豐富的深水海洋石油儲備，但在深水海洋石油裝備領域的研究起步較晚，與國外存在明顯差距，隨著國內深水油氣田的開發建設，如何保證油氣安全輸送，是深水管道回接技術需要解決的問題。目前管道回接技術主要分為水下焊接、水下機械聯接、水下帶壓開孔，其中以水下機械聯接方法使用最為普遍。海底管道水下機械聯接技術根據是否需要人工潛水輔助回接可以分為有潛機械聯接和無潛機械聯接[1]。深水管道法蘭連接技術屬于無潛機械聯接，是將海底管道通過法蘭螺栓連接方式連接，實現管道鋪設的技術，該技術同樣可應用于深水海管維修[2-3]。本文針對深水管道法蘭連接裝置現狀進行分析，對一種深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置結構設計、功能進行分析，并對其工作流程進行介紹，以便為法蘭連接裝置的研究和應用提供借鑒。

1 深水管道法蘭連接裝置研究現狀

1.1 國外水下法蘭連接裝置的發展

在深水海管法蘭連接機具研究和應用領域，美國Sonsub公司和挪威Acergy公司技術和產品較為成熟，并均在實際工程中有過應用[2]。

1）Sonsub公司的水下法蘭連接機具產品。

Sonsub公司水下法蘭連接機具產品BRUTUS系統如圖1所示，其由軸向對準工具、螺栓庫、螺母庫和接應工具組成，可實現海管法蘭拉近、軸向對準、螺栓插入、螺母安裝和螺栓液壓拉伸等作業。BRUTUS系統最大工作水深和最大適應海管管徑分別為3000 m和24 in[4-5]。2）Acergy公司的水下法蘭連接機具產品。

圖1 Sonsub公司BRUTUS系統

Acergy公司水下法蘭連接機具產品MATIS系統如圖2所示，其由螺栓倉、螺母倉、拉伸器倉、密封圈放置工具和H 架組成，可實現螺栓插入、螺母安裝和螺栓液壓拉伸等作業。MATIS系統最大工作水深和最大適應海管管徑分別為3000 m和36 in[2]。

圖2 Acergy公司MATIS系統

1.2 國內水下法蘭連接裝置的發展

國內水下回接技術與裝備的研究起步較晚，在國家“十一五”“863”重大課題“深水海底管道鋪設技術”項目的支持下，由海油工程公司與哈爾濱工程大學對水下法蘭連接技術相關技術進行了研究，并取得一定的進展，但目前尚未有具有實際水下作業能力的回接系統裝備出現[4-5]。

2 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置結構設計

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

圖3 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置主要結構

2.1 主框架結構組成

主框架結構如圖4所示，主要包括主框架、控制面板、下放導向槽、垂向升降液壓缸。

圖4 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置主框架結構

1）主框架。作為整個裝置的承重和支撐結構。

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

3）下放導向槽。作裝置下放至海管作業支持平臺就位導向，可在插入至海管維修作業支持平臺上的導向柱，從而引導裝置下放至海管維修作業支持平臺就位。

4）垂向升降液壓缸。在液壓驅動下可帶動支撐桿結構及法蘭卡具結構升降。

2.2 螺栓卡具結構

螺栓卡具結構如圖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、螺栓螺母轉動驅動馬達、螺栓卡盤抱臂、螺栓卡盤抱臂開合液壓缸、螺栓螺母轉動驅動板、螺栓庫掛鉤、螺栓庫掛鉤開合液壓缸。

圖5 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置螺栓卡具結構

1）支撐框架。作為螺栓卡具結構的結構框架，承受其結構重力。

2）螺栓卡盤橫向行走液壓缸。可在液壓驅動下，帶動螺栓卡盤行走，以便螺栓螺母轉動驅動板頂緊或退出與螺栓庫螺母接觸。

3）螺栓卡具固定板。使螺栓卡具結構固定在橫向液壓桿結構上。

4）螺栓卡盤。作為支撐結構，螺栓螺母轉動驅動馬達在其上均勻分布。

5）螺栓螺母轉動驅動馬達。可在液壓驅動下帶動螺栓螺母轉動驅動板轉動。

6）螺栓卡盤抱臂。可在螺栓卡盤抱臂開合液壓缸帶動下進行開合，以便螺栓卡具結構抱緊或脫離海管。

7）螺栓卡盤抱臂開合液壓缸。可在液壓驅動下帶動螺栓卡盤抱臂開合。

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

9）螺栓螺母轉動驅動板。由螺栓螺母轉動驅動馬達帶動螺母旋進驅動桿旋轉，從而完成螺栓庫上的螺母在進行拉伸時拉伸器側的螺母旋進螺栓。

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構的垂向升降液壓缸、螺栓卡具結構一起上下移動。

11）螺栓庫掛鉤開合液壓缸。在液壓驅動下，帶動螺栓庫掛鉤開合。

2.3 橫向液壓桿結構

橫向液壓桿結構如圖6所示，具體包括橫向液壓桿、限位固定板、螺栓卡具結構行走液壓缸、螺栓卡具結構固定支撐板、螺栓卡具結構行走位置標記桿、螺母卡具結構固定支撐板、螺母卡具結構行走液壓缸。

圖6 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置橫向液壓桿結構

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

2）限位固定板。作為固定兩根橫向液壓桿的結構板，同時與主框架結構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升降移動。

3）螺栓卡具結構行走液壓缸。能在液壓驅動下帶動螺栓卡具結構在橫向液壓桿上做橫向移動，達到將螺栓庫的螺栓插入至法蘭的目的。

4）螺栓卡具結構固定支撐板。將螺栓卡具結構固定在橫向液壓桿上。

5）螺栓卡具結構行走位置標記桿。其上有刻度顯示，以便ROV監控螺栓卡具結構在將螺栓庫的螺栓插入法蘭時行走的距離。

6）螺母卡具結構固定支撐板。將螺母卡具結構固定在橫向液壓桿上。

7）螺母卡具結構行走液壓缸。能在液壓驅動下，帶動螺母卡具結構在橫向液壓桿上做橫向移動，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、螺母旋進驅動桿、螺栓庫頂緊導向桿、螺栓張緊器。

圖7 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置螺栓庫結構

1）螺栓。為海管法蘭螺栓。

2）螺栓庫掛銷。掛在螺栓卡具結構的螺栓庫掛鉤上。

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

4） 螺 母旋進驅動桿。可在螺栓卡具結構的螺栓螺母轉動驅動板旋轉帶動下，完成螺栓庫上的螺栓張緊器側的螺母旋進螺栓。

5）螺栓庫頂緊導向桿。可插入螺栓卡具結構的螺栓庫頂緊導向孔中，被螺栓卡具結構的卡盤抱臂帶動螺栓庫進行開合，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，可在液壓驅動下對螺栓進行液壓拉伸。

2.5 法蘭卡具結構

法蘭卡具結構如圖8所示，具體包括卡具支持框架、卡具吊點、法蘭卡槽行走液壓缸、法蘭卡槽。

圖8 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置法蘭卡具結構

1）卡具支持框架。作為法蘭卡具結構的支撐結構框架，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。與主框架結構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，帶動法蘭卡具結構升降，從而實現對法蘭組對和螺孔對中。

3）法蘭卡槽行走液壓缸。可在液壓驅動下，帶動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，通過法蘭球柄帶動法蘭隨法蘭卡具左右上下一起運動，完成法蘭組對和螺孔對中。

2.6 螺母卡具結構

螺母卡具結構如圖9所示，具體包括液壓閥箱、油補器、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、螺母卡盤驅動馬達。

圖9 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置螺母卡具結構

1）液壓閥箱。作為整個裝置的液壓閥存貯箱。

2）油補器。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，將螺母卡具結構固定在橫向液壓桿上。

4）螺母卡套。用于將螺母臨時卡住，以便在裝置下放至海底時螺母不會脫落。

5）螺母卡盤。作為主支撐結構，螺母卡套在其上均勻分布。

6）螺母卡盤抱臂開合液壓缸。可在液壓驅動下，帶動螺母卡盤抱臂開合。

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

8）螺母卡盤驅動馬達。可在液壓驅動下，帶動螺母卡套轉動，完成螺母旋進螺栓。

3 深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置作業流程

本裝置涉及3個作業階段，即準備階段、實施階段、回收階段，以下將就3個作業階段逐一進行分析。

3.1 準備階段

在下放深水海管法蘭組對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構下方，確保螺栓庫固定板與螺栓庫安裝導向槽對齊；控制主框架結構垂向升降液壓缸下放橫向液壓桿和法蘭卡具結構，將螺栓庫裝入螺栓卡具結構中；啟動螺栓卡具結構上的螺栓庫掛鉤，將螺栓庫掛銷掛住鎖死；啟動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向孔和螺栓螺母轉動驅動板頂住螺栓庫上的螺栓庫頂緊導向桿和螺母旋進驅動桿；啟動螺栓卡盤抱臂開合液壓缸，操縱螺栓卡盤抱臂完全打開，并通過螺栓卡具結構的卡盤抱臂帶動螺栓庫完全打開；啟動螺母卡盤抱臂開合液壓缸，將螺母卡盤抱臂完全打開；啟動法蘭卡槽行走液壓缸，操縱法蘭卡槽完全打開；分別啟動橫向液壓桿螺栓卡具行走液壓缸和螺母卡具行走液壓缸，使螺栓卡具結構和螺母卡具結構分別退至距離法蘭卡具結構最遠的初始位置。啟動主框架結構的垂向升降液壓缸提升橫向液壓桿和法蘭卡具結構至最頂端的初始位置；連接裝置吊索具至吊機吊鉤上，此時裝置具備下放條件。

3.2 實施階段

下放深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置，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解開吊機吊鉤；啟動主框架結構的垂向升降液壓缸下放橫向液壓桿和法蘭卡具結構，并在過程中監控垂向位置標識桿上的距離標記，確保螺栓卡具結構、法蘭卡具結構、螺母卡具結構平穩地下放至海管和法蘭上進行就位；啟動螺栓卡盤抱臂開合液壓缸，操縱螺栓卡盤抱臂關閉，并通過螺栓卡盤抱臂的卡盤抱臂帶動螺栓庫完全關閉抱緊海管，啟動螺母卡盤抱臂開合液壓缸，將螺母卡盤抱臂完全關閉抱緊海管；啟動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；啟動主框架結構的垂向升降液壓缸，通過主框架結構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行法蘭組對螺孔對中；對中成功后，分別啟動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，插入過程中監控螺栓卡具行走位置標記桿行走距離讀數；完成螺栓插入法蘭后，啟動螺母卡套頂住螺栓并啟動螺母卡套驅動馬達將螺母旋進至螺栓中；完成螺母安裝后，啟動螺栓張緊器進行螺栓拉伸，然后啟動螺栓螺母轉動驅動馬達，完成螺栓庫上的螺母旋進安裝。

3.3 回收階段

啟動主框架結構的垂向升降液壓缸下放橫向液壓桿和法蘭卡具結構，并在過程中監控垂向位置標記桿上的距離標記，確保螺栓卡具結構、法蘭卡具結構、螺母卡具結構平穩地下放至法蘭組對前的高度；啟動螺栓卡具結構上的螺栓庫掛鉤，將螺栓庫掛銷脫離；啟動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向孔螺栓螺母轉動驅動板脫離螺栓庫上的螺栓庫頂緊導向桿和螺母旋進驅動桿；啟動螺栓卡盤抱臂開合液壓缸，操縱螺栓卡盤抱臂完全打開；啟動螺母卡具行走液壓缸，使螺母卡具結構與螺栓脫離接觸。啟動螺母卡盤抱臂開合液壓缸，將螺母卡盤抱臂完全打開；啟動法蘭卡槽行走液壓缸，操縱法蘭卡槽完全打開；分別啟動橫向液壓桿螺栓卡具行走液壓缸和螺母卡具行走液壓缸，使螺栓卡具結構和螺母卡具結構分別退至距離法蘭卡具結構最遠的初始位置。啟動主框架結構的垂向升降液壓缸，提升橫向液壓桿和法蘭卡具結構至最頂端的初始位置；ROV水下連接吊索具至吊機吊鉤，吊機回收裝置至甲板。

4 結語

深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置技術目前主要為國外幾個公司所掌握，本文介紹了國內海管法蘭組對及螺栓安裝裝置的結構組成及工作流程，打破國外技術壟斷，推進了國內深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置技術的發展。文中介紹的我國首套深水海管應急搶修系統中深水海管法蘭組對及螺栓安裝裝置的結構組成及工作流程，可為國內類似裝置研究提供參考和借鑒。