水下膨脹彎測量工具

周 健

（海洋石油工程股份有限公司海洋工程技術(shù)服務(wù)公司，天津 300461）

0 引言

為完成中國海洋石油集團(tuán)有限公司5000萬m3和渤海3000萬m3的宏偉目標(biāo)，目前中海油正在原有平臺附近新建一批采油平臺，并同時(shí)加緊新海管的鋪設(shè)工作。膨脹彎是海管鋪設(shè)路由中不可或缺的環(huán)節(jié)，因此未來一段時(shí)間的膨脹彎安裝工作量將大大增加。過去的經(jīng)驗(yàn)表明，連接海管法蘭膨脹彎最關(guān)鍵的工序是海管法蘭之間相對空間位置和方位角的測量。對比了新設(shè)備數(shù)顯示法蘭測量儀和以往使用老式法蘭測量儀，并對最新研發(fā)的法蘭測量儀進(jìn)行敘述。

過去用于海上膨脹彎測量的工具為老式機(jī)械法蘭測量儀，其設(shè)備笨重、精度極低、工作效率低，針對這些缺點(diǎn)，研制開發(fā)了新設(shè)備數(shù)顯示法蘭測量儀。

1 膨脹彎測量工具歷史

老式機(jī)械法蘭測量儀如圖1所示。機(jī)械法蘭測量儀的測量精度為1°，重量40 kg，高度0.7 m，需要使用水平泡調(diào)平、螺栓固定、機(jī)械式測量讀?。▓D2）。

使用難點(diǎn)：待測量的2個(gè)膨脹彎一般距離較遠(yuǎn)，二者測量角度誤差越大，換算成長度后長度誤差越大，如果要提高精度就會增大刻度板尺寸，從而增大測量儀尺寸，導(dǎo)致測量儀過重，難以操作，對結(jié)構(gòu)形式和各部件連接形式較難確定；法蘭測量儀的密封材料和形式需要考慮水密性、防腐、加工難度等諸多問題，較難確定；法蘭測量儀的研制需要實(shí)踐進(jìn)行檢驗(yàn)，并根據(jù)試用結(jié)果修改方案，反復(fù)試制，可能會導(dǎo)致研發(fā)周期較長。

圖1 老式機(jī)械法蘭測量儀

圖2 工作現(xiàn)場

老式膨脹彎測量設(shè)備重量有40 kg左右，在陸地上需要2個(gè)人抬，在水下一般只有一位潛水員操作，要完成拆卸螺栓、安裝固定、調(diào)平、上緊螺栓等一系列工作。僅調(diào)平一項(xiàng)工作，都要花費(fèi)0.5 h左右，如果遇到水下能見度低的情況，更是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。

另外，以前的測量設(shè)備精度不高，有時(shí)第一次測量不準(zhǔn)確，安裝時(shí)還需要返工。

2 研發(fā)新式法蘭測量儀的想法

經(jīng)過反復(fù)論證，先后設(shè)計(jì)了3種法蘭測量儀（表1、圖3）。

表1 新設(shè)計(jì)的3種法蘭測量儀

圖3 3種法蘭測量儀

經(jīng)過綜合考慮預(yù)制難度、原理成熟性、使用方便性等因素，最后決定采用第二種作為第二代法蘭測量儀（圖4）。其優(yōu)點(diǎn)主要有2個(gè)：①重量比原來減輕了62.5%；②精度比原來提高了1倍。

3 新設(shè)備數(shù)顯示法蘭測量儀（圖5）

圖4 第二代法蘭測量儀

數(shù)顯式法蘭測量系統(tǒng)主要由拉繩測量裝置、檢測控制系統(tǒng)與監(jiān)控軟件組成。主體結(jié)構(gòu)主要分為機(jī)械部分和控制部分。采用2個(gè)磁耦合傳感器來測取擺桿的水平轉(zhuǎn)角以及豎直仰角，數(shù)據(jù)自動記錄及顯示，其作用范圍為50 m。該系統(tǒng)方案適合兩海管法蘭連接作業(yè)的相對位姿參數(shù)的高精度測量。數(shù)顯示法蘭測量儀主要技術(shù)指標(biāo)：工作水深50 m，測量精度0.008°，測量角度0°～120°，適用海底管道法蘭或其他水下被測物。

該設(shè)備同樣也適用于深海管道及水下其他兩硬質(zhì)管道間位姿參數(shù)的測量。研制數(shù)顯式法蘭位姿精確測量設(shè)備的目的在于測量水下兩管道的相對位姿（包括相對距離和相對角度），為連接管道時(shí)的陸上預(yù)制膨脹彎提供連接參數(shù)，確保最終實(shí)現(xiàn)海底管道的鋪設(shè)并提高潛水員水下作業(yè)效率。

當(dāng)測量鋼絲繩張緊后，通過測量儀的拉手，帶動測量儀的轉(zhuǎn)動主體，繞主軸與水平軸旋轉(zhuǎn)一定角度。該角度通過2個(gè)傳感器讀出，即是測量儀伸出臂的水平擺角及垂直俯仰角。

圖6為測量儀總裝的爆炸圖，包括測量主體組件、水密電纜、控制器組件、基座組件。測量主體組件內(nèi)有2個(gè)磁耦合傳感器，控制器組件里安裝有正交傾角傳感器和主控電路?；M件用于測量儀與海管法蘭的連接。

為了提高膨脹彎的計(jì)算效率，還開發(fā)了專門用于處理法蘭測量儀數(shù)據(jù)的應(yīng)用軟件，大大縮短了海上的工期（圖7）。新設(shè)備數(shù)顯式法蘭測量儀和老式機(jī)械法蘭測量儀的比見表2。

4 結(jié)語

圖6 測量儀總裝的爆炸圖

圖7 應(yīng)用軟件界面

表2 新設(shè)備數(shù)顯式法蘭測量儀和老式機(jī)械法蘭測量儀的對比

圖5 新數(shù)顯示法蘭測量儀

在總結(jié)原有海洋工程膨脹彎測量設(shè)備機(jī)械式法蘭測量儀的基礎(chǔ)上，簡述了機(jī)械式法蘭測量儀在設(shè)計(jì)、制作及使用上的不足，提出研發(fā)新式法蘭測量儀的思路及想法，總結(jié)幾種新設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)介紹新設(shè)備數(shù)顯示法蘭測量儀，對比老式機(jī)械法蘭測量儀的優(yōu)缺點(diǎn)，顯出數(shù)顯示法蘭測量儀的推廣應(yīng)用價(jià)值。此技術(shù)在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。