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    深海立管作業(yè)機(jī)器人摩擦學(xué)與可靠性研究概述

    2016-09-05 03:58:21譚桂斌王德國(guó)陳迎春
    石油礦場(chǎng)機(jī)械 2016年5期
    關(guān)鍵詞:摩擦學(xué)立管管內(nèi)

    譚桂斌,王德國(guó),陳迎春

    (1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司 國(guó)家橡塑密封工程技術(shù)研究中心,廣州 510535;2.國(guó)家機(jī)器人檢測(cè)與評(píng)定中心(廣州),廣州 510535;3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院,北京102249 )

    ?

    技術(shù)綜述

    深海立管作業(yè)機(jī)器人摩擦學(xué)與可靠性研究概述

    譚桂斌1,2,3,王德國(guó)3,陳迎春3

    (1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司 國(guó)家橡塑密封工程技術(shù)研究中心,廣州 510535;2.國(guó)家機(jī)器人檢測(cè)與評(píng)定中心(廣州),廣州 510535;3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院,北京102249 )

    我國(guó)管道輸送安全保障特種作業(yè)機(jī)器人的研究與世界先進(jìn)水平存在差距,制約了我國(guó)海洋資源勘探開發(fā)水平。從摩擦學(xué)和可靠性角度分析海洋立管作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)制造和服役的主要特點(diǎn)。介紹了海洋管道和立管作業(yè)機(jī)器人的主要作用。分別討論了管道清理機(jī)器人、智能檢測(cè)機(jī)器人、海管維修張緊器設(shè)備、智能式封堵機(jī)器人等服役過程的摩擦學(xué)系統(tǒng)和可靠性研究進(jìn)展。從管道輸送的流動(dòng)保障、節(jié)能降耗、安全高效,及機(jī)器人安全可靠運(yùn)行、檢測(cè)及評(píng)定等方面進(jìn)行了探討。提出了海洋立管作業(yè)機(jī)器人的研究建議。

    海上平臺(tái);立管;機(jī)器人;可靠性

    目前,我國(guó)石油勘探開發(fā)向深海、深部、沙漠、高寒及海外發(fā)展,對(duì)石油裝備性能和可靠性提出了更高要求,然而對(duì)其摩擦學(xué)和可靠性研究不系統(tǒng)。此外,在石油裝備制造領(lǐng)域,國(guó)產(chǎn)化深井海洋鉆機(jī)、成套壓裂設(shè)備、半潛式鉆井平臺(tái)、深海鋪管船等大型設(shè)施得到了應(yīng)用,但是基礎(chǔ)件(元器件)、基礎(chǔ)材料等出現(xiàn)了“空殼化”,所以開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。2010年,墨西哥灣“深水地平線”平臺(tái)爆炸沉沒后導(dǎo)致了立管的破裂、漏油,造成巨大損失;2013年,中石化黃島管道爆燃事故;2014年,高雄市管道爆燃事故。這些事故都引起國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。所以,在國(guó)家政策引導(dǎo)下,特種機(jī)器人在石油行業(yè)大有可為。以宏觀視角看,其產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋核心零部件、機(jī)器人本體、系統(tǒng)集成及行業(yè)應(yīng)用等4方面。中國(guó)在工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)階段必須抓住機(jī)遇,在企業(yè)、科研院所和高校之間進(jìn)行分工與合作,加強(qiáng)深海作業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究。本文討論海洋立管作業(yè)機(jī)器人服役摩擦學(xué)與可靠性基礎(chǔ)科學(xué)問題,以期增強(qiáng)海洋油氣勘探開發(fā)和安全保障裝備水平。

    1 海洋立管智能檢測(cè)與維護(hù)技術(shù)進(jìn)展

    1.1海洋立管在役檢測(cè)和維護(hù)的難題

    鉆井立管、生產(chǎn)立管等是海上石油生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備之一。工信部2014年《海洋工程裝備工程實(shí)施方案》,建議通過集成創(chuàng)新和協(xié)同創(chuàng)新,加強(qiáng)浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(FDPSO)、自升鉆井儲(chǔ)卸油平臺(tái)等裝備的研發(fā)設(shè)計(jì)和建造技術(shù)研究,其中浮式結(jié)構(gòu)物“單點(diǎn)系泊系統(tǒng)”和離岸“單點(diǎn)系泊輸油終端系統(tǒng)”是關(guān)鍵裝備。系泊裝置包括系泊頭、旋轉(zhuǎn)接頭、海洋立管等,它直接影響海上油田產(chǎn)能。立管是海底管道和浮式結(jié)構(gòu)物之間的必經(jīng)安全通道,防止油氣介質(zhì)泄漏與污染環(huán)境。此外,旋轉(zhuǎn)接頭和密封裝置保障了腐蝕介質(zhì)流動(dòng)及浮式結(jié)構(gòu)物自由度。但是,海洋立管服役時(shí)檢測(cè)、維護(hù)與緊急救援過程,需要怎樣的輕便快捷機(jī)器人技術(shù)工藝?系泊裝置的旋轉(zhuǎn)接頭密封系統(tǒng)有怎樣失效模式?哪些關(guān)鍵的摩擦學(xué)與可靠性問題亟需解決? 這些難題都關(guān)系到海上石油生產(chǎn)的安全。

    深海油氣勘探開發(fā)時(shí),單點(diǎn)系泊裝置、立管、水下采油樹等是海洋工程核心裝備,主要難點(diǎn)是核心設(shè)計(jì)建造和維護(hù)技術(shù)[1]。因此,2013年工信部等支持開展了單點(diǎn)系泊裝置功能分析和設(shè)計(jì)參數(shù)研究、單點(diǎn)系泊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多種接卸管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析、旋轉(zhuǎn)接頭浮筒及其主要附屬裝置設(shè)計(jì)研究等?,F(xiàn)階段,雖然國(guó)內(nèi)開展了大量的設(shè)計(jì)研制工作,但浮式結(jié)構(gòu)物、系泊裝置和立管均在海上服役10 a以上,在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)、高低溫、非線性振動(dòng)等環(huán)境下,其損傷檢測(cè)、維護(hù)和緊急救援機(jī)器人技術(shù)非常重要,也存在諸多摩擦學(xué)與可靠性難題待攻克。

    1.2基于柔性桿技術(shù)的海洋立管檢測(cè)方法研究

    深水環(huán)境的立管檢測(cè)和緊急救援十分重要,因?yàn)楣艿缽钠脚_(tái)至海床的懸空段受風(fēng)、浪、潮、海冰等影響而多自由度垂蕩,尤其是浪花飛濺區(qū)腐蝕影響,就使得懸空管段的腐蝕區(qū)域與應(yīng)力驟變區(qū)產(chǎn)生損傷(如水深500~ 3 000 m)。由于深海水下油氣輸送系統(tǒng)環(huán)境惡劣,從而使管道介質(zhì)工況復(fù)雜、救援成本更高,急需穩(wěn)定可靠的便捷修復(fù)技術(shù);如果采用發(fā)球筒和收球筒工藝,或人工潛水等方式,管線將面臨卡堵和停輸風(fēng)險(xiǎn)。所以,輕便快捷的立管救援工藝與技術(shù)裝備在海管輸送時(shí)可兼具安全、高效兩大目標(biāo),由于海上平臺(tái)柔性管作業(yè)適用性強(qiáng),機(jī)動(dòng)性好,已成為熱門的深海立管維護(hù)和檢測(cè)方法。為提高該技術(shù)裝備的適用性和安全可靠性,需要系統(tǒng)的分析和討論相關(guān)應(yīng)用摩擦學(xué)和技術(shù)進(jìn)展[2]。

    在深海油氣管道輸送時(shí),基于海洋平臺(tái)的連續(xù)管(Coil Tubing,CT)作業(yè)工藝,在去除水合物、流動(dòng)保障、管道檢測(cè)、修復(fù)維護(hù)等方面具有靈活輕便及效率高等優(yōu)點(diǎn)。2015年,譚桂斌等[3]、陳迎春等人[4]將細(xì)長(zhǎng)柔性桿與智能裝備用于海洋立管檢測(cè)和井筒清理等,還嘗試用于管端維修,如圖1所示。該作業(yè)工藝能夠連接不同功能的機(jī)器人,送入海底管道后進(jìn)行便捷檢測(cè)或維護(hù),以避免復(fù)雜工況下清管器發(fā)送、回收等高風(fēng)險(xiǎn)過程。然而,為了避免管內(nèi)卡堵或介質(zhì)停輸?shù)葐栴},從摩擦學(xué)和可靠性角度出發(fā),可開展以下研究:

    1)分析不同類型蠟沉積物、水合物等介質(zhì)去除率和摩擦學(xué)規(guī)律[5]。

    2)分析內(nèi)檢測(cè)裝備在立管內(nèi)運(yùn)移時(shí)的非線性振動(dòng)和摩擦接觸特性等[6]。

    3)在立管維護(hù)和檢測(cè)前進(jìn)行技術(shù)適用性分析。

    4)管內(nèi)智能機(jī)器人作業(yè)的系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。

    1—作業(yè)機(jī)器人和平臺(tái)示意;2—檢測(cè)組件結(jié)構(gòu);3—密封摩擦副;4—點(diǎn)接觸副;5—機(jī)器人關(guān)鍵部件摩擦學(xué)系統(tǒng)模型。

    2 立管作業(yè)機(jī)器人及其服役可靠性研究進(jìn)展

    石油和天然氣“安全、高效、經(jīng)濟(jì)”的鉆探及采輸能力成為事關(guān)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的重要因素之一。開展陸地/海底輸送管道完整性管理,提高管道檢測(cè)和維修技術(shù),進(jìn)行海洋立管和陸上管道的作業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究,面臨以下幾方面難題。

    2.1管壁損傷和缺陷內(nèi)檢測(cè)技術(shù)裝備的安全可靠性

    現(xiàn)階段,雖然國(guó)內(nèi)開展了陸地和海底管道檢測(cè)器研制,但是技術(shù)方面與國(guó)外還有較大差距,還需要突破。然而,國(guó)外廠家對(duì)管道內(nèi)檢測(cè)裝備嚴(yán)格保密、在全世界全面技術(shù)封鎖,賺取高額檢測(cè)費(fèi)用,國(guó)外的內(nèi)檢測(cè)裝備搭載三維測(cè)繪組件能隨意獲取我國(guó)戰(zhàn)略數(shù)據(jù)(陸地、海岸和深海),影響我國(guó)安全。所以,為了提高國(guó)產(chǎn)化管道內(nèi)檢測(cè)裝備的準(zhǔn)確性、精度及作業(yè)安全,需要從裝備具體的工作環(huán)境出發(fā)進(jìn)行研究,特別是從內(nèi)檢測(cè)裝備與管道組成的摩擦學(xué)系統(tǒng)的角度開展研究。此外,近30 a來(lái)摩擦學(xué)的減摩耐磨、改善潤(rùn)滑的設(shè)計(jì)理論已發(fā)展到節(jié)能、節(jié)材、減排、減振、降噪以及改善機(jī)械裝備服役的生命質(zhì)量[7]。為提高缺陷內(nèi)檢測(cè)和定位精度,需要研究摩擦界面失穩(wěn)、污垢微觀去除、介質(zhì)流動(dòng)遷移及蠟塞淤積等機(jī)制,從摩擦學(xué)試驗(yàn)臺(tái)、測(cè)試方法、試驗(yàn)建模、應(yīng)用基礎(chǔ)等層面開展工作。

    另外,開展管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)研究(如圖2所示),尤其是通過試驗(yàn)揭示不同介質(zhì)條件下、不同內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦學(xué)作用機(jī)制,有助于開展裝備結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)和工藝優(yōu)化研究。其中,圖2a為管道幾何測(cè)徑作業(yè),用普通的圓板鋁盤初探管道變形情況;圖2b為鋁盤初步測(cè)徑作業(yè)之后,選取合適清管工藝[8],去除管內(nèi)污垢以提高內(nèi)檢測(cè)裝備運(yùn)行平穩(wěn)度,減輕管道腐蝕速率和失效風(fēng)險(xiǎn)[9];圖2c為管道變形智能通徑儀,它利用高精度傳感器探頭采集管壁變形量,同時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確定位,高精度基線檢測(cè)和幾何變形數(shù)據(jù)能夠避免檢測(cè)器卡堵;圖2d為不同功能單元組成的多功能內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人,它在橡膠皮碗支撐和驅(qū)動(dòng)作用下沿管道運(yùn)行。所以,深入的研究橡膠皮碗摩擦學(xué)特性以保障管內(nèi)機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)性,將直接影響到管道內(nèi)檢測(cè)準(zhǔn)確性、精度及輸送安全保障的水平。

    圖2 管道內(nèi)檢測(cè)裝備和密封摩擦副簡(jiǎn)圖[3]

    從管道智能機(jī)器人與管壁組成密封接觸系統(tǒng)的角度出發(fā),譚桂斌等[3,10]建立了非穩(wěn)態(tài)運(yùn)移過程的動(dòng)力學(xué)方程:

    (1)

    式中:m為機(jī)器人總質(zhì)量;a為加速度;dpipe為管道內(nèi)徑;λ為管道與水平面的夾角;Δp為橡膠密封皮碗前后流體壓差;Fc為蠟沉積物的機(jī)械剝離阻力(假設(shè)未出現(xiàn)蠟塞運(yùn)移過程,Wax-slug transportating);Fm為不同數(shù)量橡膠密封件與鋼管非穩(wěn)態(tài)摩擦阻力。

    另外,根據(jù)管內(nèi)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式分為柔性管注入式[11]、流體壓差驅(qū)動(dòng)式[12]及電機(jī)牽引式等[13],高端橡塑密封件是保障機(jī)器人安全可靠的核心元件,而且可以提供高可靠的支撐和壓差驅(qū)動(dòng)力。不論陸地還是海洋環(huán)境的管道作業(yè),如圖2~3所示,從內(nèi)檢測(cè)裝備與管壁組成摩擦學(xué)系統(tǒng)的角度出發(fā),譚桂斌等[14]研究了蠟層不斷剝落、堆疊的物理模型,討論了摩擦入口區(qū)的污垢體積增加、卡堵概率問題,以避免管道淤塞、設(shè)備卡堵。但是,國(guó)內(nèi)外對(duì)蠟層剝離過程和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律還缺乏系統(tǒng)性的研究成果,橡膠皮碗運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)摩擦學(xué)理論,也暫未用于現(xiàn)場(chǎng)管道蠟沉積物去除的工藝優(yōu)化。

    2.2管道損傷缺陷檢測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)可靠性難題

    2013-11-22,中國(guó)石化東黃管道原油泄漏后爆炸燃燒(簡(jiǎn)稱黃島管道爆燃事故),造成62人死亡、直接經(jīng)濟(jì)損失7.5億元,成為我國(guó)最嚴(yán)重管道事故,而事故發(fā)生直接原因是埋地管道腐蝕減薄、破裂,在應(yīng)急修復(fù)時(shí)違規(guī)動(dòng)火作業(yè)。這涉及了管道應(yīng)急救援技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)控制。隨后類似事故:2014-06-30,大連某企業(yè)定向鉆時(shí),將中國(guó)石油新大一線輸油管道破壞后泄漏爆炸;臺(tái)灣高雄市一條丙烯管道于2014-07-31,在市區(qū)泄漏爆燃,28人遇難、287人受傷,另有2人失蹤,遺憾的是,破壞現(xiàn)場(chǎng)與黃島管道爆燃事故極其相似[15]。

    圖3 管道機(jī)器人前方污垢淤積摩擦學(xué)模型

    值得大家認(rèn)真思考的是,我國(guó)引入油氣管道(包括了長(zhǎng)輸埋地鋼管、集輸管道與深海管道等)完整性管理體系和技術(shù)裝備并在企業(yè)應(yīng)用約10 a,也組建了大型的油氣管道應(yīng)急維搶修技術(shù)隊(duì)伍[16],一方面,為什么還有如此惡劣管道損傷泄漏、爆燃災(zāi)難,從基礎(chǔ)理論和行業(yè)應(yīng)用等角度看,特種環(huán)境管內(nèi)機(jī)器人怎樣高效率、高可靠性的設(shè)計(jì)制造和服役?另一方面,鋼制管道內(nèi)污垢分布不均勻,管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)擔(dān)心作業(yè)裝備在“黑箱”環(huán)境出現(xiàn)事故,業(yè)主關(guān)心怎樣安全、高效控制管壁潔凈度?此外,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)不同的管內(nèi)機(jī)器人通常也難以高精度、高可靠性、高效率運(yùn)行,究竟有哪些主要影響因素?

    避免清管檢測(cè)裝備服役時(shí)出現(xiàn)里程輪打滑卡球、堵管、盲目開挖甚至割管事故,需解決兩方面的問題。①需解決管內(nèi)裝備服役過程的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題,包括污垢淤積變化、污垢殘留粘附、構(gòu)件磨損失效、摩擦阻力問題、蠟層歷史老化效應(yīng)、內(nèi)檢測(cè)器前端漿液流變學(xué)特性等;②基于前一部分研究,建立清管動(dòng)力學(xué)模型,智能化控制清管檢測(cè)裝備的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,最終指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的施工工藝制定、參數(shù)優(yōu)化與檢測(cè)精度提高等。前一部分是后一部分的基礎(chǔ)。目前,正是由于前一部分的基礎(chǔ)問題尚未揭示清楚,在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、參數(shù)選取、工藝制定方面與國(guó)外存在很大差距,阻礙了我國(guó)在管道運(yùn)營(yíng)和維護(hù)、高精度缺陷檢測(cè)和定位等技術(shù)裝備進(jìn)步。

    2.3海底管道維修和修復(fù)的摩擦學(xué)與可靠性

    目前,我國(guó)海底管道服役老化已進(jìn)入事故高發(fā)期且新建管道還在增加,需研究不同服役工況的高可靠性、高平穩(wěn)性、高精度管道維修與救援技術(shù)。例如,我國(guó)在鋪管/鋪纜設(shè)備及其核心裝置方面,逐步形成了研發(fā)和建造技術(shù)能力,但是控制精度、穩(wěn)定性及其基礎(chǔ)零部件等方面與國(guó)外的差距很大,在一定程度上制約了我國(guó)海管打撈救援與維修水平。另外,深水油氣管道安裝投產(chǎn)、修復(fù)及更換等作業(yè)過程中(如圖4所示),深海鋪管船張緊器的彈性墊塊和管子構(gòu)成了橡膠摩擦學(xué)系統(tǒng)[17];圖4所示(序號(hào)1)管子鋪設(shè)過程中管內(nèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí),橡膠皮碗與管道等組成摩擦學(xué)系統(tǒng),橡膠和管壁密封系統(tǒng)的磨損失效等應(yīng)用基礎(chǔ)研究還有待加強(qiáng)。

    中海油梁富浩等[18]綜述了海底管道維修系統(tǒng)DPRS (Deepwater Pipeline Repair System)主要組成和工藝,介紹了深水海管維修技術(shù)難點(diǎn);雖然國(guó)內(nèi)初步研究了雙層管聲學(xué)檢漏、封堵卡具等裝置,也開展了海試等功能驗(yàn)證,但尚未見可靠性設(shè)計(jì)[19]。此外,由于深海和陸上管道的維搶修技術(shù)壟斷性,我國(guó)在管道救援時(shí)主要采用開孔機(jī)、筒刀、封堵三通、封堵器等[20]。我國(guó)正處于工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)時(shí)期,在智能裝備和新型機(jī)器人科技協(xié)同攻關(guān)時(shí),應(yīng)加強(qiáng)野外和受限環(huán)境管道救援機(jī)器人研究與實(shí)際應(yīng)用,進(jìn)一步提高其信息化、智能化、數(shù)字化水平等。

    1—鋪管張緊器和海底管道簡(jiǎn)圖;2—張緊器橡膠塊摩擦副;3—摩擦力和夾緊力;4—摩擦微間隙簡(jiǎn)圖;5—橡膠摩擦副。

    2.4海洋水下管道管內(nèi)封堵式機(jī)器人技術(shù)

    隨著我國(guó)海上油田生產(chǎn)模式優(yōu)化、井口布局調(diào)整、港口航道升級(jí)及管道鋪設(shè)里程增加等[21],海底管道和立管的維修封堵案例增加,對(duì)高可靠度、高性能、高精度的管內(nèi)機(jī)器人的需求越來(lái)越多[22]。海洋立管的主動(dòng)或被動(dòng)式管內(nèi)封堵機(jī)器人技術(shù)具有重大意義,一方面,需要在極端天氣下、生產(chǎn)事故、油井廢棄、戰(zhàn)爭(zhēng)紛爭(zhēng)等被迫封堵立管,被動(dòng)地密封管內(nèi)介質(zhì)以避免泄漏污染,對(duì)智能封堵式機(jī)器人的操控精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、服役可靠性有苛刻要求[23];另一方面,主動(dòng)式密封隔離管內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行輕便、快捷修復(fù)作業(yè),如閥門更換與修理、海底管線改道、增設(shè)井口與試壓檢測(cè)等[24],也需要安全、高效、便捷的封堵機(jī)器人作業(yè)技術(shù)和工藝。

    如圖5所示(序號(hào)1),柔軟皮碗和剛性骨架構(gòu)成了壓差驅(qū)動(dòng)組件,而高壓油缸或氣動(dòng)方式擠壓封堵裝置的錨定卡瓦和橡膠密封圈實(shí)現(xiàn)高壓密封[25],封堵裝置和橡膠圈甚至密封了管內(nèi)20 MPa的壓差[26]。

    此外,管內(nèi)智能封堵機(jī)器人服役過程準(zhǔn)確性、定位精度及作業(yè)安全[27],需要從裝備具體介質(zhì)條件和污垢非均勻工況等研究[28]。因此,2010年至今,譚桂斌等[29]研究了柔軟橡膠皮碗在摩擦過程跨尺度接觸模型,如圖5所示,特別是從驅(qū)動(dòng)支撐皮碗(Elastomer sealing-cup)與管道組成的橡膠摩擦接觸區(qū)開展了研究,研究了橡膠摩擦真實(shí)接觸率和介質(zhì)殘留率等,建立了復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境的橡膠摩擦學(xué)系統(tǒng)模型,從摩擦學(xué)設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)的角度改善管內(nèi)封堵機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造和服役的生命質(zhì)量。

    3 安全高效管道輸送應(yīng)用摩擦學(xué)和可靠性研究進(jìn)展

    海洋和陸地管道輸送必須考慮安全節(jié)能、經(jīng)濟(jì)可靠等,涉及到的主要摩擦學(xué)和可靠性問題為:管壁蠟沉積物去除及防蠟防污涂層摩擦學(xué)問題;管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)支撐部件和耐磨設(shè)計(jì);輸送管道減阻防腐涂層和綠色摩擦學(xué)等。上述方向近年來(lái)取得了新進(jìn)展。

    3.1管內(nèi)壁潔凈與流動(dòng)保障的摩擦學(xué)與可靠性問題

    若水深400 m海底管道被蠟層堵塞,修復(fù)費(fèi)用高達(dá)62.14萬(wàn)美元/km(100萬(wàn)美元/英里),而且中國(guó)至今尚未掌握深海管道維修裝備與技術(shù)。對(duì)于深海水下、陸上管道至關(guān)重要的蠟沉積物機(jī)械式去除,主要是研究清蠟?zāi)Σ翗?gòu)件與鋼管的非線性摩擦接觸問題,針對(duì)其摩擦學(xué)系統(tǒng)的研究主要集中在蠟沉積物分布形態(tài)和機(jī)械去除效率等方面[30]。在蠟沉積物去除研究方面,國(guó)內(nèi)外通常采用密閉管道環(huán)路、冷指、油田割管等昂貴低效方法。最近中國(guó)石油大學(xué)(北京)在蠟層機(jī)械剝離過程中引入原位可視化試驗(yàn)方法[31],發(fā)現(xiàn)了摩擦入口區(qū)的蠟顆?!拔⒂俜e效應(yīng)”,建立了考慮3種不同摩擦界面的蠟層正交去除模型,還采用熒光示蹤[32]、光學(xué)觀測(cè)等可視化技術(shù)[33],深入到單個(gè)蠟晶層面揭示蠟層微去除難題。另外一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是,在管道流動(dòng)安全保障時(shí)采用化學(xué)藥劑和旁通射流清管器提高其清防蠟效果(例如:被剝離蠟層同時(shí)受到了切削應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流體場(chǎng)的多物理作用),油田常用的工藝有:化學(xué)輔助式清管,在發(fā)送多個(gè)清管器之間投放不同化學(xué)藥劑;射流輔助式清管器,在機(jī)械式清管器空腔安裝新型調(diào)控裝置[34],以環(huán)狀或旋轉(zhuǎn)射流去除污垢來(lái)提高作業(yè)效率[35]。

    1—管道封堵式機(jī)器人簡(jiǎn)圖;2—橡膠密封摩擦接觸;3—密封盤微接觸區(qū);4—摩擦入口區(qū)簡(jiǎn)圖;5—橡膠摩擦微凸體模型。

    到目前為止,尚無(wú)普適性模型可預(yù)測(cè)不同國(guó)家不同油田管道蠟沉積,而針對(duì)不同地區(qū)不同管段蠟沉積物的去除及其智能控制更加復(fù)雜[36]。蠟層去除效率和動(dòng)態(tài)行為是由摩擦學(xué)系統(tǒng)所決定,另考慮了化學(xué)藥劑、射流等,而蠟污垢層物性又受管道尺寸、溫度、壓力、降溫速率、老化時(shí)間及膠質(zhì)瀝青質(zhì)等因素影響,因此,對(duì)管內(nèi)壁潔凈程度的機(jī)械式除蠟過程而言,合理應(yīng)用高可靠的智能機(jī)器人技術(shù),也是油田和科研機(jī)構(gòu)需要重視的方向。

    3.2管內(nèi)機(jī)器人磨損失效的摩擦學(xué)和可靠性問題

    近年來(lái),我國(guó)對(duì)管道機(jī)器人抗磨損設(shè)計(jì)的研究主要集中在如何提高部件耐磨損和摩擦可靠性方面。柔軟密封碗主要有丁苯橡膠和聚氨酯等,例如研究納米粒子增強(qiáng)橡膠材料用于管道內(nèi)檢測(cè)裝備,在各油田進(jìn)行應(yīng)用;另外,盡管油氣儲(chǔ)運(yùn)學(xué)科等不同領(lǐng)域開展了清管規(guī)律研究[37],也涉及了一些摩擦力計(jì)算的理論公式[38],但僅把清管檢測(cè)裝備作為不損壞、整體剛體;從耐磨損設(shè)計(jì)出發(fā),檢測(cè)器探頭設(shè)計(jì)了噴焊碳化鎢硬質(zhì)涂層、氧化鋯陶瓷,從動(dòng)力學(xué)角度考慮了焊縫凸起、管壁凹坑等具體特征進(jìn)行可靠性研究。

    另外,智能內(nèi)檢測(cè)器皮碗構(gòu)件橡膠磨損機(jī)理研究近期也有進(jìn)展,研究人員采用改變交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、交聯(lián)程度、納米粒子增強(qiáng)體系等優(yōu)化橡膠制品高耐磨配方[39],結(jié)合商業(yè)摩擦試驗(yàn)機(jī)、自制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、臺(tái)架試驗(yàn)等揭示橡膠磨損微觀機(jī)制;此外,從以前單純的材料磨損性能測(cè)試發(fā)展到智能清管器碰撞動(dòng)力學(xué)分析[40]、運(yùn)移過程摩擦計(jì)算[41]、壓差驅(qū)動(dòng)皮碗及摩擦過程智能化泄流及優(yōu)化等方面[42],研究者嘗試從多尺度分析來(lái)控制橡膠構(gòu)件的磨損和摩擦載荷,進(jìn)而提高內(nèi)檢測(cè)器和救援機(jī)器人服役可靠性[43]。

    3.3關(guān)于管內(nèi)壁減阻防腐的摩擦學(xué)和可靠性問題

    借助多功能管道機(jī)器人在管內(nèi)壁設(shè)計(jì)和涂覆不同類型的減阻涂層,在輸送介質(zhì)內(nèi)添加化學(xué)藥劑,降低輸送管道的腐蝕和泵組的能耗,是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn);同時(shí)管內(nèi)減阻藥劑需要清管器隔斷驅(qū)動(dòng),其運(yùn)移過程和技術(shù)應(yīng)用是核心難題。中國(guó)石油大學(xué)針對(duì)中國(guó)原油管道面臨的多種物性差異大原油同管輸送的挑戰(zhàn),研究原油加劑改性長(zhǎng)距離順序輸送、冷熱油交替輸送、長(zhǎng)距離含蠟原油管道間歇輸送過程等減阻增輸工藝,改進(jìn)了原油管道內(nèi)聚合物湍流減阻流動(dòng)理論,還研制了保障管道安全的多功能管道機(jī)器人;中國(guó)石油大學(xué)(北京)基于國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目《深水環(huán)境下易凝高黏原油-天然氣輸送系統(tǒng)流動(dòng)保障基礎(chǔ)問題研究》,為提高管內(nèi)過流面積,研究了蠟沉積物清除工藝、清蠟周期和材料微去除率,研制蠟沉積物剝離的模擬試驗(yàn)臺(tái),提高管內(nèi)壁潔凈度以期減阻增輸。此外,中科院固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)研究了多種油品在疏油表面的減阻行為,在管壁制備仿生超疏油(水)表面,總結(jié)出不同功能表面減阻增輸?shù)囊话阋?guī)律。所以,在大規(guī)模的天然氣管網(wǎng)、原油管道等工況,減阻防腐和輸送能耗都是共性問題,設(shè)備安全延壽和節(jié)能降耗更是綠色摩擦學(xué)重要目標(biāo)。

    3.4管內(nèi)機(jī)器人可靠性問題和檢測(cè)與評(píng)定研究

    深海立管作業(yè)等智能機(jī)器人質(zhì)量檢測(cè)評(píng)定是工業(yè)應(yīng)用的一大難題。海洋立管隔離了外部強(qiáng)腐蝕性海水的進(jìn)入,也密封管內(nèi)的高壓多相介質(zhì),避免油氣介質(zhì)泄漏和環(huán)境污染;立管作業(yè)機(jī)器人功能很多,可保障管道安裝、管壁清潔、缺陷檢測(cè)、維護(hù)修復(fù)、緊急救援等順利地進(jìn)行,所以其可靠性研究意義重大,但國(guó)內(nèi)外的相關(guān)成果較少,涉及機(jī)器人質(zhì)量檢測(cè)檢驗(yàn)的文獻(xiàn)不多。例如,不同管道口徑的智能機(jī)器人涉及不同類型的密封系統(tǒng)、傳感器、控制器、伺服電機(jī)、減速器等,都需要合適的試驗(yàn)方法和規(guī)程,然而,目前較成熟的電路(或器件)驗(yàn)證測(cè)試[44]、可靠性試驗(yàn)等,不能完全替代機(jī)器人的性能檢測(cè)試驗(yàn)與評(píng)價(jià),應(yīng)進(jìn)一步研究。

    各企業(yè)和高校要繼續(xù)深化產(chǎn)學(xué)研合作,共同研究機(jī)器人設(shè)計(jì)制造和服役的特殊工況、環(huán)境,聚焦在管道運(yùn)輸?shù)忍胤N機(jī)器人檢測(cè)和評(píng)定;同時(shí),注重核心技術(shù)的市場(chǎng)推廣和品牌宣傳,以獨(dú)具特色的模式來(lái)培育國(guó)內(nèi)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。另外,在石油、礦山、煉化、電力、冶金等行業(yè),適合于極端環(huán)境下作業(yè)的特種機(jī)器人系統(tǒng),能夠代替人類在海洋、地下、野外及受限空間等復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境下開展各種作業(yè)[45],輔助完成高精度、高穩(wěn)定性、高安全性的復(fù)雜作業(yè)任務(wù),其研究開發(fā)具有極其重要的社會(huì)效益,也體現(xiàn)了作業(yè)機(jī)器人摩擦學(xué)與可靠性工作提升產(chǎn)品服役質(zhì)量的研究意義。

    4 結(jié)論

    1)從摩擦學(xué)與可靠性角度綜述了我國(guó)在海洋立管作業(yè)機(jī)器人技術(shù)方面的進(jìn)展和主要問題,未來(lái)我國(guó)在摩擦學(xué)技術(shù)和可靠性方面應(yīng)加大研究力度。

    2)建議由國(guó)家和企業(yè)共同建立管道運(yùn)輸(或水運(yùn)安全、軌道交通、電網(wǎng)輸送)等特種機(jī)器人產(chǎn)品及部件認(rèn)證、校準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化工作、檢測(cè)、技術(shù)咨詢等服務(wù)平臺(tái)。

    3)通過模擬計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試手段,開展管道智能檢測(cè)機(jī)器人等機(jī)電耦合設(shè)備的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì),制定相關(guān)可靠性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)規(guī)范,在企業(yè)進(jìn)行推廣和有關(guān)認(rèn)證咨詢。

    4)加強(qiáng)高端橡塑密封、微型傳感器、高性能液壓件等研發(fā)測(cè)試能力,分析其安全節(jié)能服役基礎(chǔ)問題,深化產(chǎn)學(xué)研合作在我國(guó)深海油氣資源開發(fā)過程中進(jìn)行新理論和新技術(shù)應(yīng)用。

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    Advances in Tribology and Reliability Studies of In-pipe Robot for Deepwater Risers

    TAN Guibin1,2,3,WANG Deguo3,CHEN Yingchun3

    (1.National Engineering Research Center of Rubber & Plastic Sealing,GuangzhouMechanical Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510535,China;2.State Center of Robot Testing and Evaluation (Guangzhou),Guangzhou 510535,China;3.College of Mechanical and Transportation Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

    There are still huge gaps in our pipe-robots for oil & gas pipeline and its flow assurance;a better understanding of the researches in Europeans and Americans is needed.Large diameter,high pressure,long distance pipelines are being used in China in last decade (from 2004 to 2014),these in-pipe robots applications get more and more attentions and the world was shocked by its practical applications,such as pipe-laying,wax pigging,inspecting,isolating,repairing and so on.The main tribology and reliability problems of in-pipe robot are summarized and analyzed.Based on this,a discussion on green tribology,flow assurance,safe and efficiency,testing and evaluate of the various pipe-robots is carried out.Some open problems are discussed and the future trends are provided.

    offshore platform;standpipe;robot;reliability

    1001-3482(2016)05-0088-08

    2015-11-04

    2015工信部強(qiáng)基工程“高端橡塑密封元件研發(fā)檢測(cè)服務(wù)平臺(tái)”;國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“特殊環(huán)境下橡膠材料非穩(wěn)態(tài)摩擦學(xué)研究”(51375495);國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“油氣管道清管過程中軟摩擦的行為與作用機(jī)制研究”(51175514);中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金“含蠟油在機(jī)械裝備柔軟接觸區(qū)的遷移規(guī)律研究”(2462013YXBS008)

    譚桂斌(1988-),男,湖南郴州人,工學(xué)博士,主要研究方向?yàn)樯詈V悄苎b備、機(jī)器人與可靠性等,E-mail:tgb0510@126.com。

    TE952

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    10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.020

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