深水海管涂層及焊縫清理裝置研究

柳宇， 曲有杰， 林守強(qiáng)， 陳俊友， 李井純

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518067）

0 引 言

隨著海洋石油工業(yè)高速發(fā)展，新鋪設(shè)的海管逐年增多，相應(yīng)海管損壞事故也逐年增多，在我國南海海域，由于所處海域水深的緣故，針對(duì)海管損壞多采用水下維修。在進(jìn)行海管水下維修時(shí)，首先需要對(duì)海管涂層和縱焊縫進(jìn)行清理，之后再根據(jù)海管受損類型進(jìn)行后續(xù)的維修工作[1]。在淺水區(qū)海管維修時(shí)，通常采用潛水員配備高壓水槍、沖擊鎬和液壓打磨刷來完成海管相關(guān)破損段涂層及焊縫清理工作，這些工具多為接觸式工具，存在清理速度慢、工作負(fù)荷大、清理后的海管表面不均勻且光潔度不達(dá)標(biāo)、海管本體二次傷害等缺點(diǎn)。針對(duì)上述情況，近年來，國內(nèi)引入高壓水射流裝置來進(jìn)行海管表面清理，并取得了很好的工程應(yīng)用效果[2-4]，但該裝置目前僅能清理海管涂層，無法清理海管縱焊縫，且僅適用于淺水區(qū)海管維修，無法應(yīng)用于深水海管維修。目前我國已進(jìn)入深水油氣田開發(fā)，國內(nèi)尚無深水海管維修配套的涂層及焊縫清理裝備，因而設(shè)計(jì)一種適用于深水海管表面清理裝置，對(duì)深水海管維修至關(guān)重要。

1 國外深水海管表面清理裝置的現(xiàn)狀

由于國外深水油氣田開發(fā)早于國內(nèi)，相關(guān)深水海管表面清理設(shè)備研究較為成熟，部分廠家如Proserv公司、ITech公司和Oceaneering公司的設(shè)備已有深水海管搶修項(xiàng)目成功應(yīng)用先例。

1）Proserv公司海管表面清理裝置如圖1所示，其由抱爪機(jī)構(gòu)、噴嘴機(jī)構(gòu)、沿海管軸向伸縮機(jī)構(gòu)、噴嘴沿海管徑向進(jìn)退機(jī)構(gòu)組成。裝置采用高壓水射流清理方式，滿足最大作業(yè)水深3000 m的作業(yè)能力，能夠覆蓋4～48 in的海管[5]。

2）I-Tech 公司海管海管表面清理裝置如圖2所示，其由抱爪機(jī)構(gòu)、噴嘴機(jī)構(gòu)、沿海管軸向伸縮機(jī)構(gòu)、噴嘴沿海管徑向進(jìn)退機(jī)構(gòu)組成。裝置采用高壓水射流清理方式，能夠覆蓋8～44 in的海管[6]。

圖2 I-Tech公司海管表面清理裝置

3）Oceaneering公司海管海管表面清理裝置如圖3所示，其由框架機(jī)構(gòu)、噴嘴機(jī)構(gòu)、沿海管軸向伸縮機(jī)構(gòu)、噴嘴沿海管周向轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、噴嘴沿海管徑向進(jìn)退機(jī)構(gòu)組成。涂層清理裝置采用高壓水射流清理方式，可根據(jù)海管管徑尺寸選擇不同型號(hào)的涂層清理裝置，能夠覆蓋4～64 in的海管涂層清理要求，該涂層清理裝置采用高壓水射流清理方式，最大工作水深達(dá)200 m[7]。

圖3 Oceaneering公司海管表面清理裝置

2 深水海管涂層及焊縫清理裝置結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)上節(jié)內(nèi)容可知，深水海管表面清理裝置主要由抱爪機(jī)構(gòu)、沿海管軸向伸縮機(jī)構(gòu)、沿海管徑向進(jìn)退機(jī)構(gòu)及沿海管軸向轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，上述機(jī)構(gòu)的功能也能同樣用于海管焊縫清理中，下文將針對(duì)一種深水海管涂層和焊縫清理裝置的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析。

本文所涉及的深水海管涂層和焊縫清理裝置如圖4、圖5所示，該裝置能滿足最大作業(yè)水深2000 m的作業(yè)能力，覆蓋6～30 in的海管，采用高壓水射流清理和機(jī)械打磨方式進(jìn)行海管涂層及焊縫清理，最大涂層清理厚度達(dá)100 mm，海管表面清理光潔度達(dá)SA2.0。

圖4 海管涂層清理裝置主要結(jié)構(gòu)

圖5 海管焊縫清理裝置主要結(jié)構(gòu)

海管涂層清理裝置由噴嘴卡盤、框架機(jī)構(gòu)、ROV閥箱、浮材機(jī)構(gòu)、卡爪機(jī)構(gòu)、卡盤夾具機(jī)構(gòu)組成；海管焊縫清理裝置由焊縫打磨卡盤、框 架 機(jī) 構(gòu)、ROV 閥箱、浮材機(jī)構(gòu)、卡爪機(jī)構(gòu)、卡盤夾具機(jī)構(gòu)組成；海管涂層和焊縫清理裝置除去卡盤不同外，剩余結(jié)構(gòu)為共用結(jié)構(gòu)。在深水海管涂層和焊縫清理裝置中，ROV閥箱作為液壓控制閥的儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)，浮材機(jī)構(gòu)作為裝置的浮力提供機(jī)構(gòu)，能使裝置處于零重力。以下將重點(diǎn)介紹裝置的框架結(jié)構(gòu)、卡爪結(jié)構(gòu)、卡盤夾具結(jié)構(gòu)、噴嘴卡盤及焊縫打磨卡盤。

2.1 框架結(jié)構(gòu)組成

框架結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包括：ROV把手、卡爪固定板、卡盤夾具液壓缸?？ㄗ潭ò遄鳛榭ㄗΦ墓潭ㄖ螜C(jī)構(gòu)，承受卡爪機(jī)構(gòu)的質(zhì)量；卡盤夾具液壓缸可在液壓驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)卡盤夾具沿海管軸向進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)。

圖6 海管涂層及焊縫清理裝置框架結(jié)構(gòu)組成

2.2 卡爪結(jié)構(gòu)

卡爪結(jié)構(gòu)如圖7所示，具體包括：卡爪開合液壓缸、卡爪周向轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)輪、卡爪、卡爪周向轉(zhuǎn)動(dòng)被動(dòng)輪、卡爪周向轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。卡爪開合液壓缸控制卡爪開合以便卡爪在海管上抱緊或釋放；卡爪周向轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在液壓驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)卡爪周向轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，從而可使裝置繞海管進(jìn)行周向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 海管涂層及焊縫清理裝置卡爪結(jié)構(gòu)

2.3 卡盤夾具結(jié)構(gòu)

卡盤夾具機(jī)構(gòu)如圖8所示，具體包括：卡盤夾具支撐板、卡盤徑向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、卡盤徑向進(jìn)給機(jī)構(gòu)?？ūP徑向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)馬達(dá)可在液壓驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)卡盤徑向進(jìn)給機(jī)構(gòu)沿海管徑向上下移動(dòng)。

圖8 海管涂層及焊縫清理裝置卡盤夾具結(jié)構(gòu)

2.4 噴嘴卡盤結(jié)構(gòu)

噴嘴卡盤結(jié)構(gòu)如圖9所示，具體包括：噴嘴卡盤、噴嘴、噴嘴擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、噴嘴擺動(dòng)搖桿。在進(jìn)行海管涂層清理時(shí)，將噴嘴卡盤結(jié)構(gòu)安裝在卡盤夾具機(jī)構(gòu)上進(jìn)行相應(yīng)涂層清理作業(yè)。

圖9 海管涂層清理裝置噴嘴卡盤結(jié)構(gòu)

2.5 焊縫打磨卡盤結(jié)構(gòu)

焊縫打磨卡盤結(jié)構(gòu)如圖10所示，具體包括：焊縫打磨卡盤、焊縫打磨帶主動(dòng)輪、焊縫打磨帶壓緊輪、焊縫打磨帶被動(dòng)輪、焊縫打磨帶。在進(jìn)行海管焊縫清理時(shí)，將焊縫打磨卡盤機(jī)構(gòu)安裝在卡盤夾具機(jī)構(gòu)上進(jìn)行相應(yīng)焊縫清理作業(yè)。

圖10 海管焊縫打磨裝置焊縫打磨卡盤結(jié)構(gòu)

3 裝置液壓控制系統(tǒng)分析

根據(jù)上節(jié)深水海管涂層及焊縫清理裝置結(jié)構(gòu)組成分析可知，裝置在進(jìn)行海管涂層或焊縫清理時(shí)具有以下相同的4種運(yùn)動(dòng)：卡爪開合運(yùn)動(dòng)、卡爪繞海管周向轉(zhuǎn)動(dòng)、卡盤沿海管軸向伸縮運(yùn)動(dòng)、卡盤沿海管徑向上下移動(dòng)。對(duì)于噴嘴擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)及焊縫打磨帶主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)則分別為涂層清理和焊縫清理獨(dú)有運(yùn)動(dòng)，因而在進(jìn)行液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮上述功能需求。圖11是深水海管涂層及焊縫清理裝置的液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)圖11可知，海管涂層和焊縫清理共用卡爪開合液壓缸、卡爪周向轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、卡盤徑向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、卡盤夾具液壓缸，對(duì)于涂層清理和焊縫清理分別獨(dú)有運(yùn)動(dòng)的噴嘴擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)及焊縫打磨帶主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，則考慮對(duì)噴嘴卡盤和焊縫打磨卡盤上分別安裝一個(gè)獨(dú)立的馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)其所需的獨(dú)特功能。

圖11 海管涂層及焊縫清理裝置液壓控制系統(tǒng)

在進(jìn)行水下控制時(shí)，關(guān)閉液壓系統(tǒng)上其他ROV閥門RV01、RV02，ROV 將 液 壓 接 頭 插 入 裝 置 的 液 壓 接 口HYD01（兩孔），通過電磁閥（solenoid valve, SV）SV01-05，分別控制卡盤夾具液壓缸、噴嘴擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)/焊縫打磨帶主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、卡盤徑向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、卡爪周向轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、卡爪開合液壓缸，并通過壓力傳感器（pressure transmitter, PT）PT01-02對(duì)卡爪開合液壓缸進(jìn)油和回油壓力進(jìn)行監(jiān)控。

4 裝置工作流程

4.1 準(zhǔn)備階段

在下放深水海管涂層及焊縫清理裝置至海管就位之前，根據(jù)作業(yè)任務(wù)，選取噴嘴卡盤（或焊縫打磨卡盤）安裝在裝置的卡盤夾具上，啟動(dòng)卡盤徑向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，將噴嘴卡盤（或焊縫打磨卡盤）回縮至最頂端；啟動(dòng)卡盤夾具液壓缸，將噴嘴卡盤（或焊縫打磨卡盤）回縮直至貼住深水海管涂層及焊縫清理裝置本體；如需進(jìn)行焊縫打磨任務(wù)，則需調(diào)整焊縫打磨帶壓緊輪張緊調(diào)節(jié)螺栓，使焊縫打磨帶張緊程度適中；啟動(dòng)卡爪開合液壓缸，將卡爪開至最大狀態(tài)，此時(shí)初始狀態(tài)設(shè)置完畢。

4.2 實(shí)施階段

針對(duì)不同作業(yè)任務(wù)，以下將分別介紹海管涂層清理及焊縫打磨實(shí)施階段工作流程。

4.2.1 海管涂層清理

下放裝置和高壓水供應(yīng)站至水下作業(yè)區(qū)，ROV水下提起裝置在海管的0點(diǎn)位置上進(jìn)行就位；待裝置就位成功后，啟動(dòng)卡爪開合液壓缸，將卡爪進(jìn)行關(guān)閉并抱緊海管；確認(rèn)抱管成功后，啟動(dòng)噴嘴擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，開始進(jìn)行噴嘴擺動(dòng)；啟動(dòng)卡盤徑向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，將噴嘴卡盤沿海管徑向方向向靠近海管移動(dòng)，直至噴嘴出水口與海管涂層距離達(dá)到設(shè)計(jì)安全作業(yè)距離；啟動(dòng)高壓水供應(yīng)站，為噴嘴提供高壓水；啟動(dòng)卡盤夾具液壓缸，使噴嘴卡盤沿海管軸向伸縮進(jìn)行涂層清理工作；待完成海管的0點(diǎn)位置的扇形面涂層清理工作后，啟動(dòng)卡爪周向轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，沿海管周向轉(zhuǎn)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)至下一位置進(jìn)行就位，需確保該位置與上一位置的涂層清理扇面存在重疊；重復(fù)上述步驟，直至海管指定表面涂層全部清理完畢。

4.2.2 海管焊縫打磨

ROV水下提起裝置在海管的0點(diǎn)位置上進(jìn)行就位；待裝置就位成功后，啟動(dòng)卡爪開合液壓缸，將卡爪進(jìn)行關(guān)閉并抱緊海管；確認(rèn)抱管成功后，啟動(dòng)卡爪周向轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，沿海管周向轉(zhuǎn)動(dòng)裝置直至焊縫打磨卡盤的焊縫打磨帶壓緊輪與海管縱焊縫對(duì)齊；啟動(dòng)卡盤徑向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，將焊縫打磨卡盤沿海管徑向方向向靠近海管縱焊縫移動(dòng)，直至焊縫打磨帶距離海管縱焊縫約1 cm位置時(shí)停止；啟動(dòng)焊縫打磨帶主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，此時(shí)焊縫打磨帶開始轉(zhuǎn)動(dòng)；繼續(xù)啟動(dòng)卡盤徑向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，將焊縫打磨卡盤沿海管徑向方向向靠近海管縱焊縫移動(dòng)；啟動(dòng)卡盤夾具液壓缸，使焊縫打磨卡盤沿海管軸向伸縮運(yùn)動(dòng)；待焊縫打磨帶接觸到海管開始進(jìn)行縱焊縫打磨后，根據(jù)現(xiàn)場情況適時(shí)調(diào)整卡盤徑向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和卡盤夾具液壓缸的速度，直至焊縫打磨完成。

4.3 回收階段

待海管完成涂層及焊縫清理后，啟動(dòng)卡盤徑向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，將噴嘴卡盤（或焊縫打磨卡盤）回縮至最頂端；啟動(dòng)卡盤夾具液壓缸，將噴嘴卡盤（或焊縫打磨卡盤）回縮直至貼住深水海管涂層及焊縫清理裝置本體；啟動(dòng)卡爪周向轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，沿海管周向轉(zhuǎn)動(dòng)裝置至海管的0點(diǎn)位置；啟動(dòng)卡爪開合液壓缸，將卡爪開至最大狀態(tài)；ROV水下從海管上提起裝置進(jìn)行回收。

5 結(jié) 語

結(jié)合國外現(xiàn)有的海管表面清理裝備，以裝備的結(jié)構(gòu)組成、液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工作流程為起點(diǎn)，對(duì)一種深水海管涂層及焊縫清理裝置進(jìn)行分析，打破了國外對(duì)深水海管表面清理裝備技術(shù)的壟斷，并推進(jìn)了我國深水海管維修裝備技術(shù)的發(fā)展。