鉆石線切割機(jī)ROV控制面板設(shè)計(jì)與應(yīng)用

齊兵兵，肖源彬，曲有杰，齊芳芳，丁磊

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

海底管線是海上油氣田的生命線，近年來，隨著海管數(shù)量的不斷增加，由于設(shè)計(jì)建造年限已久、管道腐蝕、拖網(wǎng)漁船拖拽等原因?qū)е潞９軗p壞的事故愈發(fā)頻繁。一旦海管發(fā)生損壞，將對海洋環(huán)境、油氣田生產(chǎn)帶來巨大威脅，因此在檢測到海管發(fā)生破損時(shí)，必須及時(shí)進(jìn)行維修?，F(xiàn)有維修方法多數(shù)情況下需要先對受損管段進(jìn)行切除，再在海管切除端口安裝連接器、法蘭等，以實(shí)現(xiàn)與新海管的連接。海管的切割作業(yè)是海管維修過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在現(xiàn)階段海洋油氣救援領(lǐng)域有不可替代的作用。深水鉆石線切割機(jī)是海管切割作業(yè)的必備工具，在實(shí)際工程應(yīng)用中卻遭遇深水領(lǐng)域難以操控的問題，無法滿足現(xiàn)有海管搶修需求，嚴(yán)重限制了深水管道搶修效率。

本文設(shè)計(jì)一種由ROV（水下作業(yè)機(jī)器人）操控、應(yīng)用于鉆石線切割機(jī)的控制面板，并在項(xiàng)目中成功應(yīng)用，有效解決了深水鉆石線切割機(jī)深水難以操控及作業(yè)效率低下等問題[1-8]。

1 深水鉆石線切割機(jī)

1.1 切割機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

目前國際上主流的深水鉆石線切割機(jī)的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：1）海管抱管部分的液壓卡爪；2）攜帶刀具直線進(jìn)給的進(jìn)給系統(tǒng)；3）帶動(dòng)金剛石線繞動(dòng)輪高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行磨削的傳動(dòng)系統(tǒng)。它們分別接入切割機(jī)控制系統(tǒng)的3條不同液壓支路，由相應(yīng)的液壓控制油路進(jìn)行動(dòng)作控制[4-7]。

圖1 切割機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分

1.2 切割機(jī)液壓系統(tǒng)

切割機(jī)的控制系統(tǒng)集成了液壓油路的主要部分，而主體機(jī)械部分僅作為輸出端配有液壓缸、液壓馬達(dá)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前水下鉆石線切割機(jī)的控制方式有2種：甲板HPU（液壓動(dòng)力站）控制式、Hot Stab（液壓注入器）控制式。甲板HPU控制需要潛水員配合操作，且作業(yè)水深較深時(shí)液壓管線過長，不利于油路循環(huán)，因此只適用于淺水領(lǐng)域。Hot Stab控制是通過一種6通道ROV Hot Stab將切割機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)與ROV外置作業(yè)工具的控制支油路分別相連，通過控制各支路流量的大小來控制切割機(jī)執(zhí)行指定動(dòng)作，由于ROV自帶的外置作業(yè)工具多為小型工具（如液壓轉(zhuǎn)矩扳手），可提供油壓較小，且ROV內(nèi)部控制油路裝載了較多電磁閥等電控元件，對切割機(jī)作業(yè)時(shí)高溫、高壓、大流量的環(huán)境和復(fù)雜的受力比較敏感，易損壞。因而，此方法目前更多時(shí)候只是作為一種補(bǔ)充方案。

2 ROV控制面板設(shè)計(jì)

圖2 HPU控制切割機(jī)作業(yè)

將一個(gè)專用于切割機(jī)的液壓控制系統(tǒng)集成在ROV控制面板的機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)，使用時(shí)面板的安裝框架與切割機(jī)進(jìn)行固定，并將各油路通過快速接頭相連完成組對。由2通道ROV Hot Stab將控制面板主油路與ROV液壓泵供油干路相連，以提供液壓動(dòng)力，并通過ROV七功能機(jī)械手操控面板上的液壓控制閥完成對切割機(jī)的操控。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：適用水深范圍廣（可達(dá)2000 m）、操作方便、互換性好（可用于不同型號切割機(jī)），只與ROV液壓泵相連，對ROV的液壓系統(tǒng)適用性更好。

2.1 液壓原理設(shè)計(jì)

控制面板的液壓原理設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 面板液壓原理（左）和集成閥塊（右）

1）抱管保壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為對抗切割機(jī)作業(yè)過程中橫向振動(dòng)、未知海洋湍流的影響，需要液壓系統(tǒng)為卡爪液壓缸提供足夠且穩(wěn)定的油壓，以完成切割機(jī)抱管鎖緊動(dòng)作[8]。該支路采用O型中位換向閥，并在液壓缸端配有一對液控單向閥組成的互鎖結(jié)構(gòu)，當(dāng)該支路不需要ROV供油，但需要保持壓力時(shí)，換向閥切換O型中位，回油通道由液控單向閥組與換向閥O型中位機(jī)能共同封閉，有效減少系統(tǒng)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，液壓缸進(jìn)油通道接蓄能器輔助保壓。

2）節(jié)流調(diào)速與限制泄漏設(shè)計(jì)。為削減在切割機(jī)作業(yè)過程中鉆石串珠線受到阻尼突變而引起的系統(tǒng)內(nèi)壓劇烈波動(dòng)對液壓馬達(dá)的損害，并滿足不同的海管進(jìn)行作業(yè)時(shí)對切管速度進(jìn)行調(diào)節(jié)的作業(yè)需求，設(shè)計(jì)了節(jié)流調(diào)速回路，如圖3所示。在ROV Hot Stab給系統(tǒng)供油定量的情況下，通過調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥進(jìn)入執(zhí)行元件的流量Q實(shí)現(xiàn)變速，在不調(diào)節(jié)節(jié)流閥時(shí)，可通過調(diào)節(jié)Hot Stab進(jìn)油量來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的調(diào)速，配合干路溢流閥，可有效控制系統(tǒng)流量和保持壓力穩(wěn)定。同時(shí)，兩回路都使用Y型中位換向閥，使液壓馬達(dá)在外加轉(zhuǎn)矩的作用下能夠進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，避免在中位待機(jī)時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)子等零件與外力直接對抗，降低其損壞風(fēng)險(xiǎn)。由于切割液壓馬達(dá)直接受鉆石串珠與海管間磨削運(yùn)動(dòng)的阻尼和振動(dòng)影響，泄漏不可避免，因此旁接一油道至回油路，將泄漏控制為內(nèi)泄。

3）干路油壓補(bǔ)償設(shè)計(jì)。主油路增設(shè)補(bǔ)償器，不發(fā)生外泄時(shí)持續(xù)為系統(tǒng)提供壓力保障，發(fā)生外泄時(shí)可應(yīng)急保壓，為設(shè)備安全停車提供時(shí)間，且當(dāng)外泄量較小時(shí)，亦可直接提供壓力補(bǔ)償至設(shè)備作業(yè)完成。

4）液壓控制集成閥塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。普通液壓系統(tǒng)的液壓控制元件一般設(shè)于油箱上，通過液壓管線相連。而控制面板本身不帶油箱，是通過ROV外接液壓動(dòng)力，且由于線切割機(jī)本身體積有限，為避免干擾切割機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，和提供更方便的裝配性能，必須限制控制面板液壓管線的數(shù)量和體積。因此,控制面板液壓系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)采用集成閥塊設(shè)計(jì)，液壓集成閥塊設(shè)計(jì)如圖3（右）所示。

2.2 控制面板整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖4所示，控制面板的整體結(jié)構(gòu)主要由以下部分組成：1）集成了油道與各液壓元件的閥座裝配體；2）安裝了補(bǔ)償器開關(guān)與ROV Hot Stab接口的ROV插座板；3）安裝了各控制閥ROV操控手柄與壓力表的控制面板控制面；4）用于ROV五功能機(jī)械手抓持面板的ROV扶手-扶手板；5）與切割機(jī)整體裝配的控制面板安裝板；6）用于補(bǔ)償器安裝的補(bǔ)償器安裝板；7）用于安裝板固定的連接柱1和閥座與控制面固定的連接柱2；8）其他液壓管線與快速接頭。

圖4 面板整體結(jié)構(gòu)與應(yīng)用示意圖

3 工程應(yīng)用

如圖5所示，控制面板的工程應(yīng)用步驟：1）工作人員在水上將ROV控制面板和切割機(jī)進(jìn)行裝配，吊機(jī)將切割機(jī)下放至吹坑后的海管切割位置（吹坑法海管維修）；2）ROV就位，Hot Stab與面板相應(yīng)接口位置連接，確認(rèn)一切正常后，ROV機(jī)械手打開操作面板上的開關(guān)閥，液壓系統(tǒng)油路接通；3）ROV打開抱管動(dòng)作控制閥的工進(jìn)位，卡爪液壓缸柱塞伸出，切割機(jī)夾緊海管，壓力讀數(shù)正確后該控制閥退回中位；4）ROV打開進(jìn)給動(dòng)作控制閥工進(jìn)位，液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)，進(jìn)給盤向下進(jìn)給，在到達(dá)海管上方10 mm位置附近時(shí)，控制閥開關(guān)退回中位，使運(yùn)動(dòng)暫停；5）打開切割動(dòng)作控制閥開關(guān)，使鉆石串珠繩旋轉(zhuǎn)至切割速度，確定機(jī)構(gòu)整體穩(wěn)定，壓力正常后重新打開進(jìn)給控制閥工進(jìn)位，開始切割海管；6）作業(yè)完成后機(jī)構(gòu)依次復(fù)位關(guān)閉，回收[4，7]?？刂泼姘鍖?shí)際加工制造所得成品如圖6所示，項(xiàng)目中的實(shí)踐應(yīng)用表明，控制面板能夠有效解決鉆石線切割機(jī)深水操控問題，提高其水下作業(yè)效率。

圖5 吹坑法面板應(yīng)用示意圖

圖6 控制面板制造成品

4 結(jié)語

針對鉆石線切割機(jī)的深水海管維修使過程中出現(xiàn)的問題，本文提出一種ROV控制面板的解決方案，進(jìn)行控制面板的液壓系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在實(shí)踐中成功應(yīng)用，促進(jìn)深水海管維修技術(shù)的進(jìn)步，對國內(nèi)海洋工程技術(shù)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。