深水海底管道弃管自动脱扣装置设计与试验研究

李 斌，孟祥伟，马天亮，甘惠良，魏作水，陈建长

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

2.天津市精研工程机械传动有限公司，天津 300409

随着海洋油气资源开发的持续深入，海上油气开采已逐渐向深海环境延伸，因此适用于深海环境下的工程装备及施工技术引起业界的广泛关注，尤其是针对深水海底管道铺设的高效施工技术与装备更成为关注的焦点[1]。目前，国内铺管船进行深水海底管道铺设/弃管作业时，通常采用弃管回收连接装置：一端，吊点与绞车钢丝缆连接；另一端，钩体与海底管道上的弃管封头钢丝绳扣连接，通过ROV水下作业，将弃管钢丝绳扣从弃管回收连接装置钩体中脱出[2-4]。由于作业水深及船舶运动等因素的影响，其操作难度大，风险高，且施工效率较低。因此，研发深水海底管道（以下简称海管）弃管自动脱扣技术与装置具有重大价值。

陆上无线远程自动脱扣技术与产品比较成熟，德国Elebia-Deutschland GmbH&Co.KG拥有设计专利的自动起重机吊钩，它的底部配有一块磁铁，能够捕捉吊环或吊索。陆上无线远程自动脱扣装置通过锂电池供电驱动电机，电机轴齿轮驱动吊钩上的被动齿轮做旋转运动，实现吊扣的开合[5]；受脱钩机构限制，其最大起重吨位不超过50 t。

水下无线远程遥控自动脱扣装置研究很少，自动脱扣装置在深海中应用时，需要解决水密、水下远程通讯、控制机理等难题，使得装置结构更加复杂。通过对国内外该技术领域的调研分析，并结合深水铺管作业的特点，本文提出了一种新型的深水海管弃管自动脱扣装置，用于解决施工过程中必须依赖ROV操作的难题，从而节省施工设备资源。

1 自动脱扣装置原理

深水海管弃管自动脱扣装置（如图1）主要组成部分包括：安装在钩体内部的连杆机构、驱动装置和端部密封板，安装在支撑钢筒内部的电气转换筒、声呐接收传感器，钩体与支撑钢筒通过连接卡箍连接。声呐接收传感器接收脱扣信号，通过电气转换筒、端部密封板水密接头传输给驱动装置；驱动装置将离子电池电力转换为液压动力，驱动连杆机构液压缸运动。该装置在水下待机时，驱动装置处于待机状态以减小功耗，液压缸活塞杆伸出，使连杆机构处于初始位置，当水下通信装置接收到脱扣信号后，实现弃管作业的自动脱扣。

图1 自动脱扣装置组成

深水海管弃管自动脱扣装置钩体内部设计有凹槽，凹槽内部嵌有自动脱扣液压驱动连杆机构（如图2所示），当液压缸活塞杆回缩时，带动连杆Ⅱ同时进行直线及绕油缸连接轴旋转的组合运动，从而带动连杆Ⅰ进行绕连杆固定轴的旋转运动，使挂在钩头内部的钢丝绳扣被连杆Ⅰ不断从钩头的沟槽底部向外推出，直至完全将钢丝绳扣与钩头脱开。脱扣作业完成后，施加反向驱动力将液压油缸活塞杆伸出，使自动脱扣连杆机构复位。因此，连杆机构是脱扣装置的主要执行机构，是能否实现成功脱扣的最重要部件。

图2 连杆机构组成

2 连杆机构受力分析

对连杆机构的连杆Ⅰ、连杆Ⅱ及液压缸活塞杆等主要承载构件进行受力分析，以确定动力源对液压油缸的驱动力，进而为驱动系统的元件选型和设计提供可靠依据。连杆机构开始脱扣前的复位状态定为初始位置，脱扣完成后的状态定为终点位置，连杆机构各状态位置的参数设定如表1所示。连杆机构的初始位置及终点位置受力简图如图3所示。连杆Ⅰ初始位置及终点位置与竖直方向（即运动方向） 夹角分别为β=49°、β′=165°；连杆Ⅰ初始位置及终点位置与连杆Ⅱ夹角分别为α=34°、α′=163°；连杆Ⅱ初始位置及终点位置与竖直方向夹角分别为 γ=15°、γ′=2°。

表1 连杆机构参数设定

图3 连杆机构受力简图

根据连杆机构受力简图，在不考虑连杆机构自重的情况下，根据力矩平衡原理得到如下关系：

根据连杆机构运动轨迹及钢丝绳扣在钩板内位置可知，当β≤90°时，外载荷F1完全由连杆机构承担；当β＞90°时，钢丝绳扣逐渐沿连杆Ⅰ向钩板滑动，外载荷F1由连杆机构和钩板共同承担。因此，当研究最大受力工况时，只考虑β≤90°时的情况，即 β∈[49°，90°]，此时 α∈[34°，68°]，γ∈[15°，22°]。sin β·cosγ/sinα 值随β角的变化趋势图如图4所示。由图可知，sin β·cosγ/sinα值随β角增加而逐渐减小，当β=49°时，sinβ·cosγ/sinα值最大为 1.304，此时液压油缸驱动力也最大，即F3，max=1.304F1。

图 4 sinβ·cosγ/sinα 值随 β角变化趋势

3 连杆机构脱扣试验及载荷分析

为验证深水海管弃管自动脱扣装置连杆机构的脱扣效果，制造了一套简化的试验原理样机，对此机构的工作效果进行验证，如图5所示。试验装置垂直起吊后保持自由状态，此时底部钩体基本保持垂直状态，试验过程中整体结构允许有轻微自由晃动或倾斜。无载荷试验时，分钢丝绳扣在钩体前部和后部两种工况分别进行脱扣试验；带载试验时，将钢丝绳扣一端挂进钩体，绳扣另一端悬挂外载荷配重分别为1 270、4 500、5 980、9 200 N。在上述三种工况下分别进行脱扣试验，试验过程如图6所示，试验数据记录在表2中。

表2 试验数据记录

图5 自动脱扣连杆机构试验装置

图6 脱扣试验过程

由以上试验数据可知，试验工装连杆机构等结构件自重约为125 N，为确定传感器读数与悬挂配重即驱动力与外载荷之间的比例关系，将试验工装连杆机构等结构件的自重从传感器读数中扣除，因此得到驱动力与外载荷之间的数值关系如表3所示。

表3 驱动力与外载荷关系

根据试验结果，各种工况下经多次试验均可保证成功脱扣。另外，根据试验数据得出最大驱动力与外载荷的比例系数均值为1.214，根据上述理论计算结果，最大驱动力与外载荷的比例系数为1.304，两组系数相差仅6.9%，偏差较小。分析产生偏差的主要原因是在脱扣试验过程中，传感器读数的波动及试验工装轻微晃动等因素产生的影响。

4 结论

（1）在分析海底管道弃管工艺的基础上，提出一种新型的连杆机构驱动脱扣装置，分析了其组成与工作原理，为深水海管弃管自动脱扣装置的研发奠定了基础。

（2）根据连杆机构的结构形式及运动路径，对其受力进行了理论分析，并得出最大驱动力与外载荷之间的数值关系，确定了二者之间的理论比例系数，为深水海管弃管自动脱扣装置设计提供了理论支撑。

（3）对连杆机构在各种典型工况下的脱扣效果进行了试验验证，验证结果为均可成功脱扣。另外，通过对试验数据的处理分析，得到最大驱动力与外载荷之间的比例系数，并与理论比例系数进行了对比，结果基本一致。