深水海管法兰组对及螺栓安装装置研究

陈俊友，肖清军，李刚，郝静，李晶，姚辉

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067）

0 引言

我国有丰富的深水海洋石油储备，但在深水海洋石油装备领域的研究起步较晚，与国外存在明显差距，随着国内深水油气田的开发建设，如何保证油气安全输送，是深水管道回接技术需要解决的问题。目前管道回接技术主要分为水下焊接、水下机械联接、水下带压开孔，其中以水下机械联接方法使用最为普遍。海底管道水下机械联接技术根据是否需要人工潜水辅助回接可以分为有潜机械联接和无潜机械联接[1]。深水管道法兰连接技术属于无潜机械联接，是将海底管道通过法兰螺栓连接方式连接，实现管道铺设的技术，该技术同样可应用于深水海管维修[2-3]。本文针对深水管道法兰连接装置现状进行分析，对一种深水海管法兰组对及螺栓安装装置结构设计、功能进行分析，并对其工作流程进行介绍，以便为法兰连接装置的研究和应用提供借鉴。

1 深水管道法兰连接装置研究现状

1.1 国外水下法兰连接装置的发展

在深水海管法兰连接机具研究和应用领域，美国Sonsub公司和挪威Acergy公司技术和产品较为成熟，并均在实际工程中有过应用[2]。

1）Sonsub公司的水下法兰连接机具产品。

Sonsub公司水下法兰连接机具产品BRUTUS系统如图1所示，其由轴向对准工具、螺栓库、螺母库和接应工具组成，可实现海管法兰拉近、轴向对准、螺栓插入、螺母安装和螺栓液压拉伸等作业。BRUTUS系统最大工作水深和最大适应海管管径分别为3000 m和24 in[4-5]。2）Acergy公司的水下法兰连接机具产品。

图1 Sonsub公司BRUTUS系统

Acergy公司水下法兰连接机具产品MATIS系统如图2所示，其由螺栓仓、螺母仓、拉伸器仓、密封圈放置工具和H 架组成，可实现螺栓插入、螺母安装和螺栓液压拉伸等作业。MATIS系统最大工作水深和最大适应海管管径分别为3000 m和36 in[2]。

图2 Acergy公司MATIS系统

1.2 国内水下法兰连接装置的发展

国内水下回接技术与装备的研究起步较晚，在国家“十一五”“863”重大课题“深水海底管道铺设技术”项目的支持下，由海油工程公司与哈尔滨工程大学对水下法兰连接技术相关技术进行了研究，并取得一定的进展，但目前尚未有具有实际水下作业能力的回接系统装备出现[4-5]。

2 深水海管法兰组对及螺栓安装装置结构设计

深水海管法兰组对及螺栓安装装置如图3所示，其由主框架结构、横向液压杆结构、螺栓卡具结构、螺栓库、法兰卡具结构、螺母卡具结构组成。

图3 深水海管法兰组对及螺栓安装装置主要结构

2.1 主框架结构组成

主框架结构如图4所示，主要包括主框架、控制面板、下放导向槽、垂向升降液压缸。

图4 深水海管法兰组对及螺栓安装装置主框架结构

1）主框架。作为整个装置的承重和支撑结构。

2）控制面板。作为水下机器人（Remote Operated Vehicle，简称ROV）与装置的接口，配有液压、电控等接口。

3）下放导向槽。作装置下放至海管作业支持平台就位导向，可在插入至海管维修作业支持平台上的导向柱，从而引导装置下放至海管维修作业支持平台就位。

4）垂向升降液压缸。在液压驱动下可带动支撑杆结构及法兰卡具结构升降。

2.2 螺栓卡具结构

螺栓卡具结构如图5所示，具体包括支撑框架、螺栓卡盘横向行走液压缸、螺栓卡盘、螺栓螺母转动驱动马达、螺栓卡盘抱臂、螺栓卡盘抱臂开合液压缸、螺栓螺母转动驱动板、螺栓库挂钩、螺栓库挂钩开合液压缸。

图5 深水海管法兰组对及螺栓安装装置螺栓卡具结构

1）支撑框架。作为螺栓卡具结构的结构框架，承受其结构重力。

2）螺栓卡盘横向行走液压缸。可在液压驱动下，带动螺栓卡盘行走，以便螺栓螺母转动驱动板顶紧或退出与螺栓库螺母接触。

3）螺栓卡具固定板。使螺栓卡具结构固定在横向液压杆结构上。

4）螺栓卡盘。作为支撑结构，螺栓螺母转动驱动马达在其上均匀分布。

5）螺栓螺母转动驱动马达。可在液压驱动下带动螺栓螺母转动驱动板转动。

6）螺栓卡盘抱臂。可在螺栓卡盘抱臂开合液压缸带动下进行开合，以便螺栓卡具结构抱紧或脱离海管。

7）螺栓卡盘抱臂开合液压缸。可在液压驱动下带动螺栓卡盘抱臂开合。

8）螺栓库顶紧导向孔。固定螺栓库顶紧导向杆至螺栓卡盘抱臂上，从而可通过螺栓卡盘抱臂带动螺栓库进行开合完成螺栓库抱紧或脱离海管。

9）螺栓螺母转动驱动板。由螺栓螺母转动驱动马达带动螺母旋进驱动杆旋转，从而完成螺栓库上的螺母在进行拉伸时拉伸器侧的螺母旋进螺栓。

10）螺栓库挂钩。将螺栓库挂销挂住并锁死，以便螺栓库能随主框架结构的垂向升降液压缸、螺栓卡具结构一起上下移动。

11）螺栓库挂钩开合液压缸。在液压驱动下，带动螺栓库挂钩开合。

2.3 横向液压杆结构

横向液压杆结构如图6所示，具体包括横向液压杆、限位固定板、螺栓卡具结构行走液压缸、螺栓卡具结构固定支撑板、螺栓卡具结构行走位置标记杆、螺母卡具结构固定支撑板、螺母卡具结构行走液压缸。

图6 深水海管法兰组对及螺栓安装装置横向液压杆结构

1）横向液压杆。作为螺栓卡具结构、法兰卡具结构和螺母卡具结构的支撑杆件，承受其重力。

2）限位固定板。作为固定两根横向液压杆的结构板，同时与主框架结构的垂向升降液压缸其中之一连接，控制两根横向液压杆同时升降移动。

3）螺栓卡具结构行走液压缸。能在液压驱动下带动螺栓卡具结构在横向液压杆上做横向移动，达到将螺栓库的螺栓插入至法兰的目的。

4）螺栓卡具结构固定支撑板。将螺栓卡具结构固定在横向液压杆上。

5）螺栓卡具结构行走位置标记杆。其上有刻度显示，以便ROV监控螺栓卡具结构在将螺栓库的螺栓插入法兰时行走的距离。

6）螺母卡具结构固定支撑板。将螺母卡具结构固定在横向液压杆上。

7）螺母卡具结构行走液压缸。能在液压驱动下，带动螺母卡具结构在横向液压杆上做横向移动，将螺母顶紧至螺栓库的螺栓上。

2.4 螺栓库

螺栓库如图7所示，具体包括螺栓、螺栓库挂销、螺栓库固定板、螺母旋进驱动杆、螺栓库顶紧导向杆、螺栓张紧器。

图7 深水海管法兰组对及螺栓安装装置螺栓库结构

1）螺栓。为海管法兰螺栓。

2）螺栓库挂销。挂在螺栓卡具结构的螺栓库挂钩上。

3） 螺 栓库固定板。作为螺栓的主结构支撑，螺栓及螺栓张紧器均在其上分分布并固定。

4） 螺 母旋进驱动杆。可在螺栓卡具结构的螺栓螺母转动驱动板旋转带动下，完成螺栓库上的螺栓张紧器侧的螺母旋进螺栓。

5）螺栓库顶紧导向杆。可插入螺栓卡具结构的螺栓库顶紧导向孔中，被螺栓卡具结构的卡盘抱臂带动螺栓库进行开合，完成螺栓库抱紧或脱离海管。

6）螺栓张紧器。待螺栓完成插入和螺母安装后，可在液压驱动下对螺栓进行液压拉伸。

2.5 法兰卡具结构

法兰卡具结构如图8所示，具体包括卡具支持框架、卡具吊点、法兰卡槽行走液压缸、法兰卡槽。

图8 深水海管法兰组对及螺栓安装装置法兰卡具结构

1）卡具支持框架。作为法兰卡具结构的支撑结构框架，安装在横向液压杆上，两根横向液压杆贯穿其中。

2）卡具吊点。与主框架结构的左右两根垂向升降液压缸连接，通过垂向升降液压缸升降，带动法兰卡具结构升降，从而实现对法兰组对和螺孔对中。

3）法兰卡槽行走液压缸。可在液压驱动下，带动法兰卡槽卡紧或脱离海管法兰操纵球柄。

4）法兰卡槽。将法兰球柄包裹在其中，通过法兰球柄带动法兰随法兰卡具左右上下一起运动，完成法兰组对和螺孔对中。

2.6 螺母卡具结构

螺母卡具结构如图9所示，具体包括液压阀箱、油补器、螺母卡具固定板、螺母卡套、螺母卡盘、螺母卡盘抱臂开合液压缸、螺母卡盘抱臂、螺母卡盘驱动马达。

图9 深水海管法兰组对及螺栓安装装置螺母卡具结构

1）液压阀箱。作为整个装置的液压阀存贮箱。

2）油补器。平衡液压阀箱和深水海水压力的压差影响。

3）螺母卡具固定板。与横向液压杆上的螺母卡具固定支撑板连接，将螺母卡具结构固定在横向液压杆上。

4）螺母卡套。用于将螺母临时卡住，以便在装置下放至海底时螺母不会脱落。

5）螺母卡盘。作为主支撑结构，螺母卡套在其上均匀分布。

6）螺母卡盘抱臂开合液压缸。可在液压驱动下，带动螺母卡盘抱臂开合。

7）螺母卡盘抱臂。可在螺母卡盘抱臂开合液压缸带动下开合，进行抱紧或脱离海管。

8）螺母卡盘驱动马达。可在液压驱动下，带动螺母卡套转动，完成螺母旋进螺栓。

3 深水海管法兰组对及螺栓安装装置作业流程

本装置涉及3个作业阶段，即准备阶段、实施阶段、回收阶段，以下将就3个作业阶段逐一进行分析。

3.1 准备阶段

在下放深水海管法兰组对及螺栓安装装置至海管就位之前，在甲板上将螺栓库放置在螺栓卡具结构下方，确保螺栓库固定板与螺栓库安装导向槽对齐；控制主框架结构垂向升降液压缸下放横向液压杆和法兰卡具结构，将螺栓库装入螺栓卡具结构中；启动螺栓卡具结构上的螺栓库挂钩，将螺栓库挂销挂住锁死；启动螺栓卡盘横向行走液压缸，控制螺栓卡盘行走，分别使螺栓库顶紧导向孔和螺栓螺母转动驱动板顶住螺栓库上的螺栓库顶紧导向杆和螺母旋进驱动杆；启动螺栓卡盘抱臂开合液压缸，操纵螺栓卡盘抱臂完全打开，并通过螺栓卡具结构的卡盘抱臂带动螺栓库完全打开；启动螺母卡盘抱臂开合液压缸，将螺母卡盘抱臂完全打开；启动法兰卡槽行走液压缸，操纵法兰卡槽完全打开；分别启动横向液压杆螺栓卡具行走液压缸和螺母卡具行走液压缸，使螺栓卡具结构和螺母卡具结构分别退至距离法兰卡具结构最远的初始位置。启动主框架结构的垂向升降液压缸提升横向液压杆和法兰卡具结构至最顶端的初始位置；连接装置吊索具至吊机吊钩上，此时装置具备下放条件。

3.2 实施阶段

下放深水海管法兰组对及螺栓安装装置，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解开吊机吊钩；启动主框架结构的垂向升降液压缸下放横向液压杆和法兰卡具结构，并在过程中监控垂向位置标识杆上的距离标记，确保螺栓卡具结构、法兰卡具结构、螺母卡具结构平稳地下放至海管和法兰上进行就位；启动螺栓卡盘抱臂开合液压缸，操纵螺栓卡盘抱臂关闭，并通过螺栓卡盘抱臂的卡盘抱臂带动螺栓库完全关闭抱紧海管，启动螺母卡盘抱臂开合液压缸，将螺母卡盘抱臂完全关闭抱紧海管；启动法兰卡槽行走液压缸，操纵法兰卡槽完全包裹住海管法兰的操作球柄；启动主框架结构的垂向升降液压缸，通过主框架结构的垂向升降液压缸上升，将法兰卡具连同海管法兰向上提起进行法兰组对螺孔对中；对中成功后，分别启动螺栓卡具行走液压缸和螺母卡具行走液压缸，将螺栓插入至法兰孔中，插入过程中监控螺栓卡具行走位置标记杆行走距离读数；完成螺栓插入法兰后，启动螺母卡套顶住螺栓并启动螺母卡套驱动马达将螺母旋进至螺栓中；完成螺母安装后，启动螺栓张紧器进行螺栓拉伸，然后启动螺栓螺母转动驱动马达，完成螺栓库上的螺母旋进安装。

3.3 回收阶段

启动主框架结构的垂向升降液压缸下放横向液压杆和法兰卡具结构，并在过程中监控垂向位置标记杆上的距离标记，确保螺栓卡具结构、法兰卡具结构、螺母卡具结构平稳地下放至法兰组对前的高度；启动螺栓卡具结构上的螺栓库挂钩，将螺栓库挂销脱离；启动螺栓卡盘横向行走液压缸，控制螺栓卡盘撤出螺栓库，分别使螺栓库顶紧导向孔螺栓螺母转动驱动板脱离螺栓库上的螺栓库顶紧导向杆和螺母旋进驱动杆；启动螺栓卡盘抱臂开合液压缸，操纵螺栓卡盘抱臂完全打开；启动螺母卡具行走液压缸，使螺母卡具结构与螺栓脱离接触。启动螺母卡盘抱臂开合液压缸，将螺母卡盘抱臂完全打开；启动法兰卡槽行走液压缸，操纵法兰卡槽完全打开；分别启动横向液压杆螺栓卡具行走液压缸和螺母卡具行走液压缸，使螺栓卡具结构和螺母卡具结构分别退至距离法兰卡具结构最远的初始位置。启动主框架结构的垂向升降液压缸，提升横向液压杆和法兰卡具结构至最顶端的初始位置；ROV水下连接吊索具至吊机吊钩，吊机回收装置至甲板。

4 结语

深水海管法兰组对及螺栓安装装置技术目前主要为国外几个公司所掌握，本文介绍了国内海管法兰组对及螺栓安装装置的结构组成及工作流程，打破国外技术垄断，推进了国内深水海管法兰组对及螺栓安装装置技术的发展。文中介绍的我国首套深水海管应急抢修系统中深水海管法兰组对及螺栓安装装置的结构组成及工作流程，可为国内类似装置研究提供参考和借鉴。