深水海管机械连接器和海管坡口机安装装置研究

2020-09-08柳宇李晶曲有杰林守强李井纯

机械工程师 2020年8期

柳宇，李晶，曲有杰，林守强，李井纯

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳518067）

0 引言

海管机械连接器属于成熟的管道连接产品，广泛应用于海管水下湿式维修[1]。目前国内海管机械连接器安装主要集中在浅水区海管维修[2]，在浅水区进行机械连接器安装时，通常由潜水员根据机械连接器设计形式，选择是否在目标海管端口上先采用坡口机开坡口以形成一过渡锥面，便于后续机械连接器套入至海管上，然后利用A架或浮袋将海管机械连接器和海管吊起进行轴线对中，最后借助配重块将其拉近套入至海管段上进行螺栓拉伸和密封圈试漏，最终完成机械连接器安装。总结浅水区机械连接器安装要点，其辅助安装工具需满足以下功能需求：1）在作业前，能够根据机械连接器设计形式确定是否需在海管端口面提前开坡口，形成一过渡锥面，以便后续机械连接器能够顺利插入海管中，减少在插入作业过程中机械连接器密封圈损坏的风险；2）在安装时，能够进行机械连接器与海管端口轴线对中；3）在对中后，能够引导机械连接器拉近并套入海管上；4）在机械连接器安装就位后，能协助进行机械连接器螺栓拉伸和试漏[3-4]。上述功能要求同样适用于深水区海管机械连接器安装辅助安装机具设计，目前国内尚未涉足深水海管机械连接器安装机具研究。本文对一种深水海管机械连接器及坡口机安装装置的结构组成和工作流程进行分析，以便为深水机械连接器安装机具研发及工程应用提供思路。

1 国外深水海管机械连接器安装装置的现状

根据机械连接器是否在膨胀弯上预先安装分为机械连接器独立安装和机械连接器预安装等2种形式，目前Oil States公司的机械连接器安装装置采用的是机械连接器独立安装形式，而Songsub公司和Oceaneering公司机械连接器安装装置采用的是机械连接器预安装形式。

1）Stateoil公司的海管机械连接器安装装置。Stateoil公司海管机械连接器安装装置如图1所示，其由海管管爪结构、机械连接器控制结构、主框架结构、膨胀弯管爪结构、双头机械连接器组成。在进行机械连接器安装之前，将新的膨胀弯管段先下放至海管端口就位，然后下放海管机械连接器安装装置在海管与膨胀弯的端口处就位，启动海管管爪结构将海管提起至工作高度，然后启动机械连接器控制结构，完成机械连接器在海管侧的安装。完成机械连接器海管侧安装后，启动膨胀弯管爪结构将膨胀弯提起至工作高度，然后启动机械连接器控制结构，完成机械连接器在膨胀弯侧的安装[5]。待完成海管与膨胀弯的第一侧机械连接器安装后，将装置挪位至海管与膨胀弯的第二侧进行机械连接器安装。

2）Songsub公司的海管机械连接器安装装置。Songsub公司海管机械连接器安装装置如图2所示，其由膨胀弯管段、机械连接器组成、下放引线导向装置、浮筒装置组成。在进行机械连接器安装时，下放该整套装置至海管端口上端，ROV引导该机械连接器下放引线导向装置与海管端口上预安装的下放引线固定架配对，待配对成功后，下放装置直至机械连接器就位，然后启动机械连接器将其安装至海管上，完成机械连接器安装后，回收浮筒装置[6]。

图1 Stateoil公司机械连接器安装装置

图2 Songsub公司机械连接器安装装置

图3 Oceaneering公司机械连接器安装装置

3）Oceaneering公司的海管机械连接器安装装置。Oceaneering公司海管机械连接器安装装置如图3所示，其由膨胀弯管段、机械连接器组成、下放导向架组成。在进行机械连接器安装时，下放该整套装置至海管提管架上的导向柱上，ROV引导该机械连接器安装装置下放导向架进入海管提管架的导向柱直至机械连接器就位，然后启动机械连接器安装至海管上，完成后回收机械连接器下放导向架[7]。

2 深水海管机械连接器和坡口机安装装置结构组成

深水海管机械连接器安装装置设计需要考虑下放导向结构、机械连接器固定结构、机械连接器液压驱动结构等，以下将对一种深水海管机械连接器及坡口机安装装置结构组成进行分析。

深水海管机械连接器及坡口机安装装置如图4所示，其由主框架结构、螺母驱动卡盘、ROV控制面板组成。ROV控制面板为ROV阀门及液压插头的集成面板，以下重点介绍主框架结构和螺母驱动卡盘。

图4 海管机械连接器和坡口机安装装置主要结构

2.1 主框架结构组成

主框架结构如图5所示，主要包括主框架、机械连接器支撑架、吊点、锁销下放导向槽、固定销、锁销。主框架作为装置的连接承载结构，其上设有用以和海管维修作业支持平台固定的锁销，用以装置吊装的吊点，用以控制装置下放至海管维修作业支持平台的下放导向槽，用以将机械连接器固定的固定销和对机械连接器法兰进行支持的支撑架。

2.2 螺母驱动卡盘

螺母驱动卡盘如图6所示，包括卡盘框架、螺母驱动套、卡盘抱臂。螺母驱动卡盘主要和机械连接器螺栓进行组对，在机械连接器安装到位后，对机械连接器拉伸时，启动螺母驱动套，配合机械连接器螺母旋进螺栓，待机械连接器完成安装后，打开卡盘抱臂，将螺母驱动卡盘从机械连接器上释放。

图5 海管机械连接器和坡口机安装装置主框架结构

图6 海管机械连接器和坡口机安装装置螺母驱动卡盘结构

2.3 机械连接器

机械连接器如图7所示，包括机械连接器、机械连接器固定板、机械连接器固定板插销。机械连接器可装置在主框架结构上，随主框架结构一起下放至海管维修作业支持平台上就位，进行机械连接器安装。

图7 海管机械连接器结构组成

2.4 坡口机

坡口机如图8所示，包括坡口机、坡口机固定板、坡口机液压源插头、海管插入导向柱。坡口机可装置在主框架结构上，随主框架结构一起下放至海管维修作业支持平台上就位，进行开坡口作业。

图8 海管坡口机结构组成

3 深水海管机械连接器和坡口机安装装置工作流程

本装置涉及两个作业阶段，即首先进行海管开坡口作业，然后进行安装海管机械连接器作业，以下将就2种作业分别介绍工作流程。

3.1 准备阶段

1）开坡口作业。在下放深水海管机械连接器及坡口机安装装置至海管维修作业支持平台就位之前，在甲板上将坡口机固定板固定在主框架的固定销上，并采用螺栓固定；连接坡口机马达液压管至坡口机液压源插头；将坡口机进刀机构调整成至坡口机最外端；打开主框架机构的吊点，吊机将吊索具安装在吊点上。

2）安装机械连接器作业。在完成开坡口作业并将深水海管机械连接器及坡口机安装装置回收至甲板后，甲板上将坡口机从主框架固定销上拆除，并将机械连接器装入至装置中，确保机械连接器固定板挂在主框架的固定销上，且机械连接器法兰接触主框架结构的机械连接器支撑架上；启动卡盘抱臂液压缸，关闭卡盘抱臂；启动螺母驱动套，将螺母卡套旋转与机械连接器上的螺母对齐；将机械连接器推入至主框架结构，直至机械连接器固定板与框架固定销顶紧，此时机械连接器法兰被置于主框架结构的机械连接器支撑架上，机械连接器螺母与螺母驱动套连接并能在螺母驱动套带动下转动；安装机械连接器固定板插销；吊机将吊索具装在主框架机构的吊点上。

3.2 实施阶段

1）开坡口作业。下放深水海管机械连接器及坡口机安装装置至海管维修作业支持平台就位，ROV协助主框架结构下放导向槽顺利进入海管维修作业支持平台的导向柱；待装置在海管维修作业支持平台上完成就位后，ROV协助吊机拆除装置吊索具；启动海管维修作业支持平台滑车系统，移动滑车直至主框架结构的锁销落入两侧滑车的锁销孔；拆除主框架结构下放导向槽的限位销，此时机械连接器安装框架可在作业支持平台滑车带动下沿海管轴向移动；继续启动海管维修作业支持平台滑车，滑车带动装置向海管靠近，直至坡口机海管插入导向柱插入并顶住海管；ROV接通坡口机液压源插头，即可进行开坡口作业。

2）机械连接器安装作业。将机械连接器装入至深水海管机械连接器及坡口机安装装置后，后续下放至海管维修作业支持平台就位、将机械连接器拉入至海管就位步骤与上述开坡口作业步骤相同，待机械连接器完全进入海管，并达到设计插入深度后，ROV启动机械连接器螺栓拉伸，同时在拉伸过程启动装置的螺母驱动套，伴随螺栓拉伸将螺母进行拧紧；待机械连接器完成螺栓拉伸后，ROV启动机械连接器试漏；机械连接器试漏成功后，ROV拆除机械连接器固定板插销；启动卡盘抱臂液压缸，打开卡盘抱臂。

3.3 回收阶段

开坡口作业和机械连接器安装作业的回收阶段流程相同。待完成作业后，启动海管维修作业支持平台滑车，滑车带动深水海管机械连接器及坡口机安装装置远离海管端面；待滑车退至深水海管机械连接器及坡口机安装装置下放就位初始位置后，将主框架结构下放导向槽的限位销装回；ROV将主框架结构的锁销从海管作业支持平台滑车的锁销孔上拔出，继续启动作业支持平台滑车系统，将滑车系统恢复至深水海管机械连接器及坡口机安装装置下放时的初始位置，此时海管维修作业支持平台滑车系统与主框架结构再无干涉；ROV指引吊机将吊索具装在主框架结构的吊点上，然后对装置进行回收。