海底管道清管用新型水下發(fā)球裝置研究

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(中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲運工程學(xué)院，北京 102249)

在海洋油氣資源開發(fā)過程中，海底管道作為油氣運輸通道，地位重要。然而，海底管道常年處于低溫狀態(tài)，會出現(xiàn)結(jié)蠟和水合物凝結(jié)的現(xiàn)象，縮小了管道有效輸送內(nèi)徑，甚至?xí)氯艿?，降低管道的輸送效率。為了提高輸送效率，必須定期對管道進(jìn)行清管[1-3]。傳統(tǒng)的海洋清管一般是采用“U型”環(huán)路的方式，即平臺上將清管器發(fā)出，清理海底管道，然后在另一平臺上回收清管器，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)“U型”海底管道清管示意

由于“U型”環(huán)路清管成本較高，因此研究了“單海管”清管方式，即在水下發(fā)射清管器清理管匯和立管，然后在平臺上放置收球筒以回收清管器。選用單海管最重要的原因是“U型”環(huán)路需要建設(shè)2條水上到水下的立管，而單海管只需要鋪設(shè)1條立管，從而大幅降低了清管成本。除此之外，單海管清管還具有管線中清理的蠟等不會到采油樹和水下其他設(shè)備，生產(chǎn)無需中斷等優(yōu)點[4]。單海管清管是海底管道清管維護(hù)比較理想的手段，也是海底管道清管的發(fā)展趨勢[5]。

1 發(fā)球裝置結(jié)構(gòu)

水下發(fā)球裝置是單海管清管技術(shù)的核心部分，由快開盲板、發(fā)球單元及連接單元組成，如圖2所示。該裝置通過連接單元與管匯轂座連接，通過ROV控制閥門開啟，操控發(fā)球單元動作，清管器順序發(fā)出，在生產(chǎn)流體的推動下，清管器經(jīng)過海底管道和立管，到達(dá)平臺上的收球筒，完成清管作業(yè)。

整個裝置長約2.5 m，寬約2 m，高約7.5 m，用于?457 mm海底管道的清管作業(yè)。設(shè)計壓力為15 MPa。

圖2 水下發(fā)球裝置

1.1 快開盲板

快開盲板適用于壓力管道或者壓力容器的開口處，并能快速打開和關(guān)閉?？扉_盲板主要有牙嵌型、卡箍型、插口型，其中，卡箍型快開盲板因其適應(yīng)壓力高、大口徑而被大量使用[6]?？扉_盲板安裝于發(fā)球裝置上端，用來快速開啟和關(guān)閉發(fā)球筒?？扉_盲板由轂座、頭蓋、密封圈、三瓣卡箍、絲杠螺母、ROV接口等組成，如圖3所示。

圖3 快開盲板

當(dāng)需要關(guān)閉盲板時，通過遠(yuǎn)程控制ROV正向旋轉(zhuǎn)絲杠，卡箍移動，將頭蓋與轂座夾緊，夾緊力的豎直分力預(yù)緊兩者之間的密封圈，實現(xiàn)密封；當(dāng)需要開啟盲板時，控制ROV反向旋轉(zhuǎn)絲杠即可。

1.2 發(fā)球單元

發(fā)球單元由旁通阻隔機(jī)構(gòu)、雙作用單活塞液壓缸、發(fā)球筒、控制面板、陽極塊、液壓軟管等組成，如圖4所示。旁通阻隔機(jī)構(gòu)用來隔離清管器，通過閥芯的移動來改變內(nèi)部流道的通斷，實現(xiàn)順序發(fā)射清管器的功能；雙作用單活塞液壓缸連接閥芯，給閥芯提供直線動力；發(fā)球筒用來儲存清管器，本文中，發(fā)球筒存放4個清管器，也可以根據(jù)現(xiàn)場需求增加旁通阻隔機(jī)構(gòu)個數(shù)，進(jìn)而調(diào)節(jié)清管器存儲數(shù)量；控制面板設(shè)計有液壓飛線口，用來接入液壓飛線，給發(fā)球裝置提供驅(qū)動液(甲醇)[7]和液壓油。另外設(shè)計有ROV旋鈕，可以遠(yuǎn)程控制ROV，實現(xiàn)發(fā)球裝置閥門的開啟或者關(guān)閉，進(jìn)而控制發(fā)球單元的動作；陽極塊起到防腐蝕的作用，犧牲自己，保護(hù)發(fā)球裝置不被海水腐蝕。

圖4 發(fā)球單元

1.3 連接單元

連接單元包括卡箍連接器、轂座、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等，如圖5所示?？ü窟B接器是連接管匯轂座與水下發(fā)球裝置轂座的機(jī)構(gòu)，由三瓣卡箍、絲杠螺母、ROV接口、密封圈、底座等組成?？ü窟B接器底座起支撐整個機(jī)構(gòu)的作用。

圖5 連接單元

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)實現(xiàn)轂座與發(fā)球裝置初步對中功能，其規(guī)格按照API標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，外徑是管匯轂座外徑的1.5倍，傾角為45°。遠(yuǎn)程操控ROV與接口對接，旋轉(zhuǎn)絲杠使得卡爪收回，將發(fā)球裝置的轂座與管匯的轂座夾緊，上下轂座受卡箍夾緊力的豎直分力壓緊兩者之間的密封圈，保證轂座面之間密封。

2 發(fā)球裝置清管工藝流程

水下發(fā)球裝置的工藝流程如圖6所示。首先，工作人員在安裝船上將發(fā)球裝置調(diào)試好，并且填滿清管器，將頭蓋蓋好；用船上的吊機(jī)，通過鋼絲繩將發(fā)球裝置送到海底，到達(dá)指定位置并與管匯相連接[8]。需要清管作業(yè)時，通過主控臺操控ROV攜帶液壓飛線和電飛線[9]一起下到海底，一端與采油樹相連，另一端與發(fā)球裝置相連接，用來給發(fā)球單元提供驅(qū)動液(甲醇)和液壓油。

在發(fā)球之前，暫時停止生產(chǎn)，并且關(guān)閉所有的球閥。工作人員通過操控發(fā)球裝置發(fā)射第1個清管器，第1個過球指示儀發(fā)出信號時，說明清管器已經(jīng)離開發(fā)球裝置，此時將閥門換到中位，液壓缸停止供油。當(dāng)?shù)?個過球指示儀發(fā)出信號時，說明清管器已經(jīng)通過海底三通，此時關(guān)閉管道管匯終端的球閥，打開采油樹閘板閥閥門，關(guān)閉液壓飛線源，讓生產(chǎn)流體驅(qū)動清管器繼續(xù)前進(jìn)，經(jīng)過立管回到浮式生產(chǎn)儲油裝置上的收球筒，清理的廢物到達(dá)相應(yīng)污池中，第1次水下清管過程結(jié)束。后續(xù)的清管過程與第1次類似。

圖6 海底管道清管工藝流程

2.1 發(fā)球單元工作流程

清管驅(qū)動液——甲醇經(jīng)過旁通阻隔機(jī)構(gòu)，進(jìn)入發(fā)球筒，由于直板清管器與發(fā)球筒存在過盈且甲醇壓力低，甲醇只能通過發(fā)球筒內(nèi)小孔流到下一個旁通阻隔機(jī)構(gòu)，依次類推，甲醇逐漸將整個發(fā)球筒充滿，實現(xiàn)清管器前后壓力平衡；接著液壓缸活塞桿向左移動，將閥芯收回，此時發(fā)球筒甲醇入口關(guān)閉，甲醇全部進(jìn)入下一個旁通阻隔機(jī)構(gòu)，此時待發(fā)射清管器前端壓力不變，而后端壓力逐漸升高，當(dāng)清管器后面壓力足夠大于前面壓力時，清管器掉落。如圖7所示。

圖7 發(fā)球單元工作流程

2.2 連接單元工作流程

當(dāng)ROV與連接單元接口對接后，其攜帶的轉(zhuǎn)矩工具正向旋轉(zhuǎn)時，絲杠帶動螺母移動，卡箍收回，鎖緊兩個轂座；反之，當(dāng)需要松開轂座之間的連接，只需要控制轉(zhuǎn)矩工具方向旋轉(zhuǎn)即可。以轉(zhuǎn)矩工具正向旋轉(zhuǎn)為例，工作流程如圖8所示?？扉_盲板工作流程與連接單元類似。

圖8 連接單元工作流程

3 發(fā)球裝置關(guān)鍵零部件校核

在海底管道清管作業(yè)中，水下發(fā)球裝置的工作環(huán)境惡劣，在深水環(huán)境下受到作業(yè)水深的壓力以及海流沖擊等影響。為了保證發(fā)球裝置在水下可以安全可靠的工作，選擇快開盲板的頭蓋、發(fā)球單元的旁通阻隔機(jī)構(gòu)閥體、發(fā)球筒以及連接單元的卡箍等關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元校核。

3.1 快開盲板頭蓋

快開盲板的頭蓋為承壓部件，為保證其可靠性，使用ANSYS軟件對其進(jìn)行強(qiáng)度校核。頭蓋材料為Q345鍛件，其密度為7.87×103kg/m3，泊松比為0.31，彈性模量為2.12×1011Pa ，許用應(yīng)力為174 MPa[10]。將最外圈固定，施加15 MPa壓力。網(wǎng)格選擇四面體網(wǎng)格，求解得到位移云圖、應(yīng)力云圖如圖9～10所示。

圖9 頭蓋位移云圖

圖10 頭蓋應(yīng)力云圖

由圖9可知，位移最大值為0.15 mm，在許用變形的范圍之內(nèi)。由圖10可知，應(yīng)力最大值為140.31 MPa，小于Q345鍛件的許用應(yīng)力。故頭蓋滿足強(qiáng)度要求。

3.2 旁通阻隔閥體

閥體為承壓部件，使用ANSYS軟件對其進(jìn)行校核。閥體材料為Q345鋼，其密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.28，彈性模量是2.06×1011Pa。網(wǎng)格選擇四面體網(wǎng)格，求解得到位移云圖、應(yīng)力云圖如圖11～12所示。

圖11 閥體位移云圖

圖12 閥體應(yīng)力云圖

由圖11可知，位移最大值為0.01 mm，在許用變形的范圍之內(nèi)。由圖12可知，應(yīng)力最大值為130.74 MPa，小于Q345的許用應(yīng)力。故旁通阻隔閥體滿足強(qiáng)度要求。

3.3 發(fā)球筒

發(fā)球筒采用?457 mm的無縫鋼管，管材為X70，其密度7.85×103kg/m3，彈性模量2.1×1011Pa，泊松比0.3。發(fā)球筒一端完全固定，一端軸向固定，施加15 MPa壓力。采用四面體網(wǎng)格，求解得到位移云圖、應(yīng)力云圖如圖13～14所示。

圖13 發(fā)球筒位移云圖

圖14 發(fā)球筒應(yīng)力云圖

由圖13可知，位移最大值為0.16 mm，在許用變形的范圍之內(nèi)。由圖14可知，應(yīng)力最大值為150.95 MPa，小于X70鋼的許用應(yīng)力。故發(fā)球筒滿足強(qiáng)度要求。

3.4 連接單元卡箍

卡箍的功能是鎖緊發(fā)球裝置轂座與海底管匯轂座，為了保證其工作強(qiáng)度，進(jìn)行強(qiáng)度校核。由于3個卡箍與轂座受力大小相同，以主動卡箍為例進(jìn)行有限元分析。卡箍材料為35CrMo鍛件[11]，其彈性模量2.13×1011Pa，密度7.87×103kg/m3，泊松比0.286，許用應(yīng)力556.0 MPa。采用四面體網(wǎng)格，施加載荷求解得到卡箍位移、應(yīng)力云圖如15～16。

圖15 卡箍位移云圖

圖16 卡箍應(yīng)力云圖

由圖15～16可知，卡箍最大位移為0.11 mm，在允許的范圍內(nèi)；最大應(yīng)力為328.52 MPa，小于35CrMo的許用應(yīng)力，卡箍強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

1) 與傳統(tǒng)的發(fā)球裝置不同，設(shè)計了一種適合單海管清管方式的水下發(fā)球裝置。即從水下發(fā)球，由生產(chǎn)流體驅(qū)動清管器經(jīng)過待清理海底管道和立管，回到平臺收球筒中，可以有效避免傳統(tǒng)清管方式的高成本和停輸問題。

2) 通過有限元法對發(fā)球裝置中快開盲板的頭蓋、發(fā)球單元的旁通阻隔機(jī)構(gòu)、發(fā)球筒以及連接單元的卡箍進(jìn)行了強(qiáng)度校核，校核結(jié)果表明，滿足設(shè)計要求。

3) 本文的研究成果對國內(nèi)單海管清管發(fā)球裝置的設(shè)計提供了一些思路，同時對單海管清管技術(shù)的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。