钻石线切割机ROV控制面板设计与应用

2021-07-15齐兵兵肖源彬曲有杰齐芳芳丁磊

机械工程师 2021年7期

齐兵兵，肖源彬，曲有杰，齐芳芳，丁磊

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

海底管线是海上油气田的生命线，近年来，随着海管数量的不断增加，由于设计建造年限已久、管道腐蚀、拖网渔船拖拽等原因导致海管损坏的事故愈发频繁。一旦海管发生损坏，将对海洋环境、油气田生产带来巨大威胁，因此在检测到海管发生破损时，必须及时进行维修。现有维修方法多数情况下需要先对受损管段进行切除，再在海管切除端口安装连接器、法兰等，以实现与新海管的连接。海管的切割作业是海管维修过程中的关键环节，在现阶段海洋油气救援领域有不可替代的作用。深水钻石线切割机是海管切割作业的必备工具，在实际工程应用中却遭遇深水领域难以操控的问题，无法满足现有海管抢修需求，严重限制了深水管道抢修效率。

本文设计一种由ROV（水下作业机器人）操控、应用于钻石线切割机的控制面板，并在项目中成功应用，有效解决了深水钻石线切割机深水难以操控及作业效率低下等问题[1-8]。

1 深水钻石线切割机

1.1 切割机执行机构

目前国际上主流的深水钻石线切割机的主体机械结构主要由3部分组成：1）海管抱管部分的液压卡爪；2）携带刀具直线进给的进给系统；3）带动金刚石线绕动轮高速旋转进行磨削的传动系统。它们分别接入切割机控制系统的3条不同液压支路，由相应的液压控制油路进行动作控制[4-7]。

图1 切割机执行机构部分

1.2 切割机液压系统

切割机的控制系统集成了液压油路的主要部分，而主体机械部分仅作为输出端配有液压缸、液压马达等执行机构。目前水下钻石线切割机的控制方式有2种：甲板HPU（液压动力站）控制式、Hot Stab（液压注入器）控制式。甲板HPU控制需要潜水员配合操作，且作业水深较深时液压管线过长，不利于油路循环，因此只适用于浅水领域。Hot Stab控制是通过一种6通道ROV Hot Stab将切割机各执行机构与ROV外置作业工具的控制支油路分别相连，通过控制各支路流量的大小来控制切割机执行指定动作，由于ROV自带的外置作业工具多为小型工具（如液压转矩扳手），可提供油压较小，且ROV内部控制油路装载了较多电磁阀等电控元件，对切割机作业时高温、高压、大流量的环境和复杂的受力比较敏感，易损坏。因而，此方法目前更多时候只是作为一种补充方案。

2 ROV控制面板设计

图2 HPU控制切割机作业

将一个专用于切割机的液压控制系统集成在ROV控制面板的机械结构内，使用时面板的安装框架与切割机进行固定，并将各油路通过快速接头相连完成组对。由2通道ROV Hot Stab将控制面板主油路与ROV液压泵供油干路相连，以提供液压动力，并通过ROV七功能机械手操控面板上的液压控制阀完成对切割机的操控。这种方法的优点是：适用水深范围广（可达2000 m）、操作方便、互换性好（可用于不同型号切割机），只与ROV液压泵相连，对ROV的液压系统适用性更好。

2.1 液压原理设计

控制面板的液压原理设计如图3所示。

图3 面板液压原理（左）和集成阀块（右）

1）抱管保压系统设计。为对抗切割机作业过程中横向振动、未知海洋湍流的影响，需要液压系统为卡爪液压缸提供足够且稳定的油压，以完成切割机抱管锁紧动作[8]。该支路采用O型中位换向阀，并在液压缸端配有一对液控单向阀组成的互锁结构，当该支路不需要ROV供油，但需要保持压力时，换向阀切换O型中位，回油通道由液控单向阀组与换向阀O型中位机能共同封闭，有效减少系统泄漏的风险，同时，液压缸进油通道接蓄能器辅助保压。

2）节流调速与限制泄漏设计。为削减在切割机作业过程中钻石串珠线受到阻尼突变而引起的系统内压剧烈波动对液压马达的损害，并满足不同的海管进行作业时对切管速度进行调节的作业需求，设计了节流调速回路，如图3所示。在ROV Hot Stab给系统供油定量的情况下，通过调节单向节流阀进入执行元件的流量Q实现变速，在不调节节流阀时，可通过调节Hot Stab进油量来实现执行元件的调速，配合干路溢流阀，可有效控制系统流量和保持压力稳定。同时，两回路都使用Y型中位换向阀，使液压马达在外加转矩的作用下能够进行一定的转动，避免在中位待机时马达转子等零件与外力直接对抗，降低其损坏风险。由于切割液压马达直接受钻石串珠与海管间磨削运动的阻尼和振动影响，泄漏不可避免，因此旁接一油道至回油路，将泄漏控制为内泄。

3）干路油压补偿设计。主油路增设补偿器，不发生外泄时持续为系统提供压力保障，发生外泄时可应急保压，为设备安全停车提供时间，且当外泄量较小时，亦可直接提供压力补偿至设备作业完成。

4）液压控制集成阀块结构设计。普通液压系统的液压控制元件一般设于油箱上，通过液压管线相连。而控制面板本身不带油箱，是通过ROV外接液压动力，且由于线切割机本身体积有限，为避免干扰切割机的正常运转，和提供更方便的装配性能，必须限制控制面板液压管线的数量和体积。因此,控制面板液压系统主结构采用集成阀块设计，液压集成阀块设计如图3（右）所示。

2.2 控制面板整体结构设计

如图4所示，控制面板的整体结构主要由以下部分组成：1）集成了油道与各液压元件的阀座装配体；2）安装了补偿器开关与ROV Hot Stab接口的ROV插座板；3）安装了各控制阀ROV操控手柄与压力表的控制面板控制面；4）用于ROV五功能机械手抓持面板的ROV扶手-扶手板；5）与切割机整体装配的控制面板安装板；6）用于补偿器安装的补偿器安装板；7）用于安装板固定的连接柱1和阀座与控制面固定的连接柱2；8）其他液压管线与快速接头。

图4 面板整体结构与应用示意图

3 工程应用

如图5所示，控制面板的工程应用步骤：1）工作人员在水上将ROV控制面板和切割机进行装配，吊机将切割机下放至吹坑后的海管切割位置（吹坑法海管维修）；2）ROV就位，Hot Stab与面板相应接口位置连接，确认一切正常后，ROV机械手打开操作面板上的开关阀，液压系统油路接通；3）ROV打开抱管动作控制阀的工进位，卡爪液压缸柱塞伸出，切割机夹紧海管，压力读数正确后该控制阀退回中位；4）ROV打开进给动作控制阀工进位，液压马达正转，进给盘向下进给，在到达海管上方10 mm位置附近时，控制阀开关退回中位，使运动暂停；5）打开切割动作控制阀开关，使钻石串珠绳旋转至切割速度，确定机构整体稳定，压力正常后重新打开进给控制阀工进位，开始切割海管；6）作业完成后机构依次复位关闭，回收[4，7]。控制面板实际加工制造所得成品如图6所示，项目中的实践应用表明，控制面板能够有效解决钻石线切割机深水操控问题，提高其水下作业效率。