柳宇， 李晶， 曲有杰， 林守強(qiáng)， 李剛

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518067）

0 引 言

隨著我國逐漸進(jìn)入深水海底油氣田開發(fā)，國內(nèi)深水海底管線將逐漸增多，深水海管水下濕式應(yīng)急維修潛在需求將越來越大。

目前海管水下濕式維修時(shí)需在海管與海床間制作出一合適的工作區(qū)，以便后續(xù)開展海管相關(guān)維修工作（如安裝堵漏管卡或進(jìn)行破損管段更換），為創(chuàng)造出海管水下維修合適工作區(qū)，通常采用吹坑法和提管法[1-2]等2種方法。吹坑法由潛水員或水下機(jī)器人（ROV）利用吸泥泵在海管漏點(diǎn)周邊海床上進(jìn)行局部吹坑，以便后續(xù)安裝海管堵漏管卡需要。提管法是利用提管架將海管從海床上提起至一定高度，以便開展后續(xù)海管水下維修工作。在淺水區(qū)海管維修時(shí)，可用一簡易H架作為提管架并在其上配備吊點(diǎn)和手拉葫蘆，由潛水員將手拉葫蘆和海管連接，通過操縱手拉葫蘆將海管從海床上提起至一定高度后進(jìn)行后續(xù)海管水下維修工作。但在深水海管維修中，潛水員配備簡易H架無法勝任此項(xiàng)工作，需由水下機(jī)器人配備特殊提管架來完成全部過程[3-4]。海管維修提管架設(shè)備作為深水海管維修的關(guān)鍵裝備，深水海管維修提管架裝備的研究對(duì)保障我國深水海管安全運(yùn)營起著至關(guān)重要的作用。

1 國外深水海管提管架的現(xiàn)狀

深水海管提管架通常由底座、支腿、橫梁結(jié)構(gòu)、卡爪結(jié)構(gòu)、防沉板等組成，根據(jù)提管架與防沉板在設(shè)計(jì)時(shí)是否相互獨(dú)立安裝，可將提管架分為集成式和獨(dú)立式，根據(jù)提管架提升液壓缸設(shè)置位置，可將提管架分為支腿提升式和橫梁提升式。目前Oceaneering、Stateoil、Oil States等公司在深水海管提管架設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用方面較有經(jīng)驗(yàn)，其提管架產(chǎn)品如圖1所示，表1列出了其提管架參數(shù)及形式分類。

圖1 Oceaneering、Stateoil和Oil States公司提管架

表1 海管提管架參數(shù)及形式分類

2 深水海管提管架結(jié)構(gòu)組成

本文所涉及的深水海管提管架裝置如圖2所示，該提管架能滿足最大作業(yè)水深達(dá)2000 m，適用管徑6～30 in，海管垂向提升高度-1.5～2.0 m，垂向提升拉力達(dá)500 kN，可將埋設(shè)于海床面以下的海管從埋坑中提起。其采用支腿提升式設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)與防沉板相互獨(dú)立安裝，可減輕提管架自重和底面積，有利于海上施工時(shí)提管架的收放。該提管架由支腿結(jié)構(gòu)、橫梁結(jié)構(gòu)、ROV控制面板和卡爪結(jié)構(gòu)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)介紹支腿結(jié)構(gòu)、橫梁結(jié)構(gòu)和卡爪結(jié)構(gòu)。

2.1 支腿結(jié)構(gòu)組成

支腿結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1)支腿底座。作為裝置的承重結(jié)構(gòu)，承載整個(gè)裝置和所提海管的重力。

2)支腿。作為垂向固定結(jié)構(gòu)，垂向液壓缸及液壓缸在其上進(jìn)行固定，允許橫梁結(jié)構(gòu)通過滑車在支腿上移動(dòng)。

3)滑車?？蓭?dòng)橫梁結(jié)構(gòu)在支腿的滑軌上進(jìn)行上下移動(dòng)。

4)滑靴。將滑車壓緊使其緊貼在支腿的滑軌上。

5)滑軌。作為支腿的軌道，允許滑車和滑靴在其上移動(dòng)。

6) 垂向液壓桿。兩側(cè)固定在支腿上，允許垂向液壓缸在其上移動(dòng)。

7)垂向位置探測器。監(jiān)控垂向液壓缸在垂向位置的行走距離。

8)萬向連接結(jié)。將橫梁固定板、支腿垂向液壓缸及支腿滑車固定在一起。

9)垂向液壓缸。在左右支腿上各配備兩個(gè)垂向液壓缸，可在液壓驅(qū)動(dòng)下在支腿垂向液壓桿上移動(dòng)。

10)液壓桿保護(hù)罩。保護(hù)液壓桿上部結(jié)構(gòu)。

圖2 海管提管架主要結(jié)構(gòu)

圖3 海管提管架支腿結(jié)構(gòu)組成

2.2 橫梁結(jié)構(gòu)

橫梁結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 海管提管架橫梁結(jié)構(gòu)組成

1)橫梁。作為橫梁結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)，承載卡爪結(jié)構(gòu)和所提海管的重力。

2)滑軌。作為橫梁的軌道，允許卡爪機(jī)構(gòu)的滑車和滑靴在其上移動(dòng)。

3)橫梁固定板。與支腿結(jié)構(gòu)的萬向連接結(jié)，將橫梁結(jié)構(gòu)固定在支腿垂向液壓缸上。

4)橫向液壓桿。兩側(cè)固定在橫梁上，允許橫向液壓缸在其上移動(dòng)。

5)橫向液壓缸。可通過提供液壓，使其在橫梁橫向液壓桿上移動(dòng)。

6)吊點(diǎn)。作為整個(gè)裝置的吊索具吊點(diǎn)。

7)吊點(diǎn)鎖銷?？捎蒖OV操作進(jìn)行開合，以便將吊索具在吊點(diǎn)上鎖住/釋放。

8)橫向位置探測器。監(jiān)控橫向液壓缸在橫向位置的行走距離。

2.3 卡爪結(jié)構(gòu)

卡爪結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 海管提管架卡爪結(jié)構(gòu)組成

1)卡爪。通過卡爪開合液壓缸可進(jìn)行開合，從而將海管抱緊/釋放。

2)卡爪中心軸。作為卡爪和海管導(dǎo)向槽的支撐結(jié)構(gòu)，允許卡爪繞其進(jìn)行開合。

3)固定軸（上/下）。允許卡爪中心軸在卡爪前/后傾液壓缸（上/下）帶動(dòng)下，繞其進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

4)卡爪內(nèi)支撐軸?？衫@固定軸（下）做一定程度的擺動(dòng)，同時(shí)也可繞連接軸做一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)。

5)卡爪外支撐軸?？衫@固定軸（上）做一定程度的擺動(dòng)。

6)連接軸?？衫@固定軸（上）做一定程度的擺動(dòng)。

7)滑車。固定在橫向液壓缸，可帶動(dòng)卡爪結(jié)構(gòu)在橫梁的滑軌上進(jìn)行左右移動(dòng)。

8)滑靴?？蓪⒒噳壕o使其緊貼在橫梁的滑軌上。

9)卡爪前/后傾液壓缸（上/下）。可在液壓驅(qū)動(dòng)下，調(diào)整卡爪與海管間的相對(duì)傾角。

10)卡爪開合液壓缸?？稍谝簤候?qū)動(dòng)下，帶動(dòng)卡爪做開合運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到將海管抱緊/釋放的目的。

11)卡爪轉(zhuǎn)向液壓缸。可在液壓驅(qū)動(dòng)下，調(diào)整卡爪與海管軸向相對(duì)角度。

12)海管導(dǎo)向槽。可引導(dǎo)海管進(jìn)入卡爪。

3 深水海管提管架液壓控制系統(tǒng)分析

根據(jù)上節(jié)深水海管提管架結(jié)構(gòu)組成分析可知，提管架在進(jìn)行提管操作時(shí)卡爪會(huì)涉及以下4種運(yùn)動(dòng)：垂向上下移動(dòng)，橫向左右移動(dòng)，繞海管轉(zhuǎn)動(dòng)，沿海管前/后傾運(yùn)動(dòng)。因此在進(jìn)行提管架液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需實(shí)現(xiàn)上述4種功能。圖6為提管架的液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中包括以下3種模式：正常工作模式，備用工作模式和應(yīng)急回收模式。

圖6 海管提管架液壓控制系統(tǒng)

3.1 正常工作模式

此模式為首選工作模式，啟用此模式時(shí)需關(guān)閉液壓系統(tǒng)上其他ROV閥門RV01～RV08，ROV將液壓接頭插入PLF上液壓接口HYD01（兩孔），通過電磁閥（solenoid valve, SV）SV01-07，分別控制垂向液壓缸（左）、卡爪轉(zhuǎn)向液壓缸、卡爪開合液壓缸、橫向液壓缸、卡爪前/后傾液壓缸（上）、卡爪前/后傾液壓缸（下）、垂向液壓缸（右），并通過壓力傳感器（pressure transmitter, PT）PT01-05分別對(duì)垂向液壓缸（左）、垂向液壓缸（右）、卡爪開合液壓缸、橫向液壓缸（左）、橫向液壓缸（右）內(nèi)的壓力進(jìn)行監(jiān)控，來完成相關(guān)作業(yè)。

3.2 備用工作模式

此模式為提管架正常工作模式失效（如SV01-07電磁閥失效）后的選擇，該模式只能控制垂向液壓缸（左）、垂向液壓缸（右）、卡爪開合液壓缸、橫向液壓缸，但在大多數(shù)情況下，通過對(duì)上述4個(gè)液壓缸控制就能確保提管架在水下完成相關(guān)作業(yè)。啟用此模式時(shí)，首選需退出正常工作模式，ROV將兩孔液壓接頭從液壓接口HYD01上拔下，在HYD02和HYD03液壓接口上分別插入四孔液壓接頭來啟動(dòng)備用工作模式。

3.3 應(yīng)急回收模式

此模式為正常工作模式和備用工作模式均失效的情況下應(yīng)急釋放海管進(jìn)行提管架回收時(shí)使用，此情況下需首先將海管下放至海床，然后打開卡爪，過程涉及到垂向液壓缸（左）、垂向液壓缸（右）和卡爪開合液壓缸。通過操作RV01、RV02、RV03、RV04、RV06、RV08閥門開合，平衡上述液壓缸內(nèi)外壓力，將海管從提管架卡爪中釋放。

4 深水海管提管架工作流程

4.1 準(zhǔn)備階段

在下放深水海管維修提管架裝置至海管就位之前，啟動(dòng)橫梁的橫向液壓缸，將卡爪位置調(diào)至橫梁中心位置；啟動(dòng)支腿的垂向液壓缸，將橫梁調(diào)至支腿最頂端位置；啟動(dòng)卡爪開合液壓缸，將卡爪完全打開；啟動(dòng)卡爪轉(zhuǎn)向液壓缸，將卡爪旋轉(zhuǎn)至卡爪軸線與橫梁成垂直位置；啟動(dòng)卡爪前/后傾液壓缸（上）和卡爪前/后傾液壓缸（下），使卡爪相對(duì)支腿底座無任何前/后傾；吊機(jī)將吊索具分別裝在橫梁的吊點(diǎn)上。此時(shí)提管架的初始狀態(tài)設(shè)置完畢。

4.2 實(shí)施階段

下放提管架至海底，ROV協(xié)助提管架在海管上進(jìn)行就位；待提管架就位成功后，ROV協(xié)助吊機(jī)拆除提管架吊索具；啟動(dòng)橫梁的橫向液壓缸，將卡爪位置移至海管正上方；啟動(dòng)卡爪轉(zhuǎn)向液壓缸，將卡爪旋轉(zhuǎn)至卡爪軸線與海管軸線成同一朝向；啟動(dòng)卡爪前/后傾液壓缸（上）和卡爪前/后傾液壓缸（下），使卡爪相對(duì)海管無傾角；啟動(dòng)支腿的垂向液壓缸，將卡爪下放直至海管進(jìn)入海管導(dǎo)向槽，且海管能夠被卡爪完全包裹；啟動(dòng)卡爪開合液壓缸，將海管抱入卡爪中；確認(rèn)抱管成功后，啟動(dòng)支腿的垂向液壓缸，將橫梁、卡爪和海管一起從海床上提起，直至提起高度達(dá)到海管維修設(shè)計(jì)高度。

4.3 回收階段

待海管完成維修后，啟動(dòng)支腿的垂向液壓缸，將橫梁、卡爪和海管一起緩慢下放至海床上；啟動(dòng)卡爪開合液壓缸，將卡爪完全打開；確認(rèn)海管于海床上就位后，重復(fù)準(zhǔn)備階段步驟，將提管架恢復(fù)成初始狀態(tài)位置，之后下放吊機(jī)回收提管架。

5 結(jié) 語

本文對(duì)深水海管提管架裝置的結(jié)構(gòu)組成、液壓控制系統(tǒng)及工作流程進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：1）提管架支腿結(jié)構(gòu)、橫梁結(jié)構(gòu)和卡爪結(jié)構(gòu)作為提管架核心功能結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮。2）提管架液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，除考慮正常的工作模式外，還需兼顧備用工作模式和應(yīng)急回收模式。3）提管架在進(jìn)行工作時(shí)，需將卡爪的橫向、豎向、軸向及前后傾4個(gè)方位與海管方位調(diào)整成一致后，才能進(jìn)行抱管和提管作業(yè)。

提管架是深水海管應(yīng)急維修系統(tǒng)的主要設(shè)備，可用于深水海管、基盤、管匯、管線終端回接或維修，目前我國在深水海管提管架研究仍為空白，因此研究提管架對(duì)我國深水油氣管道安全保障具有重要意義。