海底管道外防護(hù)層清理設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)研制

王 徽，萬箭波，馮天賀，孫旭恒

天津市精研工程機(jī)械傳動有限公司，天津 300409

石油和天然氣是世界的主要能源，然而經(jīng)過長期的勘探開發(fā)，陸地上油氣資源已日漸枯竭，海上油氣開采已越來越重要。最近十幾年全球大型油氣田的勘探實踐表明，60%～70%的新增石油儲量均源自于海洋，其中又有一半是在水深500 m以內(nèi)的海域[1]。一般海上開發(fā)出來的油氣資源都要通過海底油氣管道進(jìn)行集輸和儲運(yùn)，因此稱海底管道是海上油氣田的生命線。此外，在現(xiàn)代海上油氣運(yùn)輸事業(yè)中，海底管道往往又是海上輸油終端工程的重要組成部分[2]。隨著海底管道的增多和使用年限的增長，海底管道發(fā)生事故的概率也將隨之增加，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，每1 000 km海底管道每年出現(xiàn)損傷和泄漏的概率為2%左右[3]。因此海底管道的應(yīng)急搶修工作對于保障油氣田的安全生產(chǎn)具有重要意義。

海底管道維修可以分為水上維修和水下維修兩種方式[4]。水上維修是把受損的管道提升到作業(yè)船甲板上進(jìn)行維修，適用于鋪設(shè)在海床上或是淺水區(qū)的小管徑海底管道；但當(dāng)水上維修無法滿足施工時，就必須對管道進(jìn)行水下維修，即所有維修施工作業(yè)都在水下進(jìn)行，而且在進(jìn)行海底管道水下維修作業(yè)前，首先要對待修理管道段的外表面進(jìn)行清理，包括附屬水生物、污泥、管道配重混凝土層、保溫層、防腐層等，以達(dá)到表面平滑[5]。管道外表面清理作業(yè)的傳統(tǒng)做法是由潛水員攜帶便攜式高壓水槍或液壓圓環(huán)鋸對管道外表面進(jìn)行切割并剝離，這種方法不僅受潛水員下潛時間限制，還受海況與洋流的影響，用時長，效率差，潛水員作業(yè)風(fēng)險大。在石油價格持續(xù)低迷的情況下，在海工領(lǐng)域也需要對施工工程進(jìn)行降本增效，由此在海底管道外表面清理作業(yè)中，就需要一種可以智能高效地清理海底管道外防護(hù)層的清理設(shè)備。

1 研制任務(wù)概況

1.1 任務(wù)來源

崖城13-1氣田香港管道連接位于海南島以南約90 km處的崖城13-1氣田海上平臺和香港中華電力龍鼓灘發(fā)電廠，總長約778 km，直徑為711 mm（28 in，1 in=25.4 mm），海底管道路由沿途平均水深在90 m左右。該管道KP500處于2013年受外力損傷進(jìn)行了一次臨時修復(fù)，深圳海油工程水下技術(shù)有限公司定于2016年2月至6月對該海底管道進(jìn)行一次永久修復(fù)。

項目施工過程中需要安裝管卡和機(jī)械三通，以進(jìn)行管道切割和開孔等水下作業(yè)，事先須將海底管道的水泥配重和防腐涂層清除以滿足安裝要求。由于崖城項目的清理作業(yè)量非常大，需要專業(yè)的清理設(shè)備才能保證清理作業(yè)高效地完成，如若使用傳統(tǒng)的方式（液壓鎬+液壓打磨刷），清理的工期將無法滿足項目最終完成交付的時間點。為滿足崖城項目海上施工的要求以及未來海底管道維修方面業(yè)務(wù)發(fā)展需求，受深圳海油工程水下技術(shù)有限公司的委托，研制了一套海底管道外防護(hù)層清理設(shè)備。

1.2 主要技術(shù)要求

海底管道外防護(hù)層清理設(shè)備作為清除水下管道涂層的專用設(shè)備，可滿足海底管道維護(hù)的需要。該設(shè)備由四個部分組成：海底管道外防護(hù)層清理夾持裝置、臍帶纜絞車、液壓動力站和電氣控制系統(tǒng)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）設(shè)備具有軸向和圓周旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動模式，滿足單/雙噴頭、旋轉(zhuǎn)角度360°/180°的使用要求，符合水下（海水）的作業(yè)環(huán)境。

（2）設(shè)備本體主要應(yīng)包含主體結(jié)構(gòu)（夾持機(jī)構(gòu)）、軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)（軸向移動機(jī)構(gòu)）和環(huán)向進(jìn)給機(jī)構(gòu)（旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）。

（3）設(shè)備本體應(yīng)能滿足管徑28～36 in的夾持尺寸要求。

（4）設(shè)備應(yīng)能滿足連續(xù)清理海底管道長度超過5 m情況的軸向快速移動安裝要求。

（5）作業(yè)水深不低于100 m。

（6）控制精度在±0.5%內(nèi)。

2 總體設(shè)計方案

2.1 設(shè)備基本組成結(jié)構(gòu)

整套設(shè)備作為清除海底管道外防護(hù)層的專用設(shè)備，需配套獨(dú)立的高壓水系統(tǒng)。實際作業(yè)中既需要實現(xiàn)高壓水噴嘴固定功能，又需要高壓水噴嘴按照既定速度沿待切割管道做圓周運(yùn)動及軸向運(yùn)動，從而實現(xiàn)海底管道外防護(hù)層的切割清理作業(yè)功能[6]。設(shè)備作業(yè)時處于水下，操作人員無法親臨海底作業(yè)現(xiàn)場，只能憑借水面裝備遙控海底作業(yè)設(shè)備。基于此實際工況，從作業(yè)時間、空間分布情況，可以把整個夾持設(shè)備分為水面支持系統(tǒng)與水下作業(yè)設(shè)備兩大部分。其中水面支持系統(tǒng)由水面監(jiān)控系統(tǒng)、水面液壓動力站、臍帶纜絞車組成；水下作業(yè)設(shè)備由夾緊機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、軸向運(yùn)動機(jī)構(gòu)、爬行機(jī)構(gòu)、水下閥箱、水下電控箱及其水下各類傳感器組成。其基本組成和部分實物結(jié)構(gòu)見圖 1～2。

圖1 外防護(hù)層清理設(shè)備基本組成

圖2 外防護(hù)層清理設(shè)備部分實物結(jié)構(gòu)

2.2 電控系統(tǒng)設(shè)計方案

整個控制系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)設(shè)備作業(yè)情況可分為水上與水下兩個部分。水上部分承擔(dān)動力站啟停控制、系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)、設(shè)備控制動作信號給定、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控與故障診斷任務(wù)；水下部分承擔(dān)水下作業(yè)設(shè)備的信號采集與控制功能執(zhí)行任務(wù)。由設(shè)備基本組成可知，整套設(shè)備的水下動作執(zhí)行單元眾多，對應(yīng)的信號采集與執(zhí)行信號也多，具體信號類型及數(shù)量見表1。

表1 水下采集與執(zhí)行信號

系統(tǒng)設(shè)計如果采用傳統(tǒng)信號雙絞線直連的集中控制方式，線纜連接繁瑣，且線纜間易產(chǎn)生互相干擾現(xiàn)象；而設(shè)計時若采用現(xiàn)場總線方式，就可以避免以上控制風(fēng)險。從設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)考慮，將主站布置在水上，從站布置在水下。水上主站采用工業(yè)觸屏一體計算機(jī)與S7-300PLC方式，便于數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與軟件的升級；水下從站布置在水下，分布式I/0模塊與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間距離近，動態(tài)響應(yīng)性高。

水上部分與水下部分之間采用臍帶纜連接，目前研制的設(shè)備僅考慮使用在水深100 m以內(nèi)的海域，通訊距離較短，主從站之間采用PROFIBUS-DP總線連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。從而臍帶纜絞車僅需要配置普通的電滑環(huán)，臍帶纜線芯只需連接電源與DP總線即可，大幅度減少了臍帶纜線芯數(shù)量，既滿足了使用性能又降低了硬件成本。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

水面支持系統(tǒng)布置在作業(yè)船舶甲板上，包括水面監(jiān)控系統(tǒng)及水面液壓動力站，為水下設(shè)備本體提供動力源及操作支持，并實時反饋水下設(shè)備在水下的作業(yè)狀態(tài)。兩者集中布置在一個標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，為可移動類設(shè)備，外接船電作為動力源，水面支持系統(tǒng)集裝箱見圖3。

圖3 水面支持系統(tǒng)集裝箱

3.1 水上主站

選用西門子S7-300系列PLC的緊湊式中央處理單元CPU 314C-2 PN/DP作為系統(tǒng)主站，這款CPU具有一個MPI/DP接口與一個PROFINET接口，可同時連接PROFIBUS-DP與PROFINET（工業(yè)以太網(wǎng)）兩種形式的總線；具有集成計數(shù)器計數(shù)、頻率測量、周期測量、脈沖輸出數(shù)量、開環(huán)位控、“Controlling”SFB等多種工藝功能；具有數(shù)據(jù)記錄路由、二進(jìn)制運(yùn)算和浮點運(yùn)算時處理速度快、支持整個S7-300模塊系列的特點。其中PROFINET接口與工業(yè)觸屏一體計算機(jī)連接通訊，PROFIBUS-DP接口與水下從站連接通訊。工業(yè)觸屏一體計算機(jī)選用防護(hù)等級達(dá)到IP65的12.1"XGA TFT LCD工業(yè)觸摸屏作為人機(jī)交互界面，可設(shè)置、修改和顯示當(dāng)前設(shè)定參數(shù)，以適合作業(yè)需要；可實時顯現(xiàn)設(shè)備作業(yè)過程姿態(tài)、夾緊壓力、對中位移、旋轉(zhuǎn)角度、軸向位移、爬行距離、整體姿態(tài)等工作參數(shù)的在線監(jiān)測結(jié)果；可對作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和管理。水上主站PLC選型見表2。

表2 水上主站PL C選型

3.2 水下從站

（1）水下從站電控箱。采用圓筒形結(jié)構(gòu)，316L不銹鋼材質(zhì)，兩側(cè)端蓋采用螺栓固定密封，采用一次成型優(yōu)質(zhì)橡膠密封圈，耐酸堿和海水腐蝕，可多次拆卸。箱內(nèi)充滿變壓器絕緣油。布置有ET200M的I/O系統(tǒng)模塊作為系統(tǒng)從站，完成數(shù)據(jù)采集與功能控制；布置有雙軸角度傳感器測量設(shè)備在水下整體姿態(tài)；布置有絕壓傳感器測量箱內(nèi)漏水狀況。選用美國SEACON公司的MICRO WET CON SERIES系列濕插拔連接器及電纜與控制箱外不銹鋼外殼封裝的傳感器、編碼器、執(zhí)行元件等連接。桶內(nèi)設(shè)有滑動軌道，方便元器件安裝板插入及抽出，安裝板進(jìn)出線與端蓋水密接插件用矩形連接器連接。水下從站電控箱及其內(nèi)部元器件布置如圖4～5所示。

圖5可抽拉安裝板元器件布置示意

（2）水下從站元器件。各元器件為采集與控制單元，整體功率小，采用24 V直流供電，水下電控箱內(nèi)部元件集成度高，需整體打壓試漏（2 MPa外壓）才可投入使用，以防止電控箱漏水時海水導(dǎo)電產(chǎn)生的二次傷害。水下設(shè)備上的各傳感器分散分布在設(shè)備上，水下施工存在各種不可預(yù)測風(fēng)險（比如一旦傳感器信號電纜破損短路，為避免由此產(chǎn)生的故障，就需對水下電控箱進(jìn)行拆箱檢修，而現(xiàn)場又無法滿足打壓試漏條件，檢修回裝后電控箱存在漏水風(fēng)險），為此水下電控箱直流電源采用MURR的MICO CLASSIC智能電流分配器模塊進(jìn)行電流分配與監(jiān)測，以規(guī)避上述風(fēng)險，從而無須拆箱檢修。該模塊通過集成橋接系統(tǒng)相互連接，減少了安裝時間和潛在的接線錯誤。獨(dú)立電流通道的級聯(lián)啟動可以消除啟動尖峰，使電源供電大小依平均使用情況而定。發(fā)生電路短路時輸出通道瞬時切斷并存儲每個通道的運(yùn)行情況，使通道重新上電時的故障診斷變得簡易化。發(fā)生短路狀況或某一通道選定電流負(fù)載達(dá)到90%時，產(chǎn)生故障報警信號供PLC采集。可通過24 V信號實現(xiàn)遠(yuǎn)程復(fù)位與遠(yuǎn)程啟動。

（3）水下從站PLC選型。選用西門子ET200M模塊化I/O系統(tǒng)作為水下從站，與S7-300的信號和功能模塊通用，可提供兩種性能等級的接口模塊，支持故障安全技術(shù)，具有選擇靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點。水下從站與水上主站組成一個完整的PLC控制系統(tǒng)，水下從站接收水上主站信號，完成對液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。主要功能有：對水下傳感器信息進(jìn)行采集，并將采集結(jié)果傳送至水上主站，漏水檢測，整體姿態(tài)檢測，執(zhí)行水上傳輸?shù)目刂浦噶睿?zhí)行結(jié)果反饋給水上。見表3。

表3 水下從站PL C選型

3.3 水下傳感器

水下傳感器用于實現(xiàn)水下各種參數(shù)和狀態(tài)的測量和監(jiān)視，并將信號傳輸至水下電控箱進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由主/輔參數(shù)傳感器、信號變送器、絕緣和漏水探頭、耐壓和密封封裝（2 MPa外壓）、以及水密連接器（SEACON：MICRO WET CON SERIES）組成，見表4。具有設(shè)備傾角測量、位移（前后對中與軸向運(yùn)動）測量、壓力（抱管夾緊與行走夾緊）測量、旋轉(zhuǎn)角度測量、爬行距離測量、漏水檢測與執(zhí)行動作回饋檢測功能。除了設(shè)備傾角測量與漏水檢測傳感器以外，其他傳感器均布置在水下電控箱外。

外置的水下傳感器均耐壓密封封裝，水密連接器方式出線，與水下電控箱之間采用水下電纜連接。水下電纜采用耐海水外護(hù)套，水下所有暴露在外的電纜導(dǎo)體連接位置使用硫化膠進(jìn)行硫化密封。

表4 水下傳感器選型

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

整套設(shè)備具有軸向和圓周旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動模式，滿足單/雙噴頭，旋轉(zhuǎn)角度360°/180°的使用要求，可在海底管道上自動爬行，滿足單次定位，連續(xù)多點工作的能力，可實現(xiàn)抱管夾緊-清管作業(yè)-自持爬行三大功能。

清管作業(yè)控制流程如圖6所示。

其控制過程為：

（1）在觸摸屏中輸入旋轉(zhuǎn)起點、終點，軸向移動起點、終點、軸向移動步進(jìn)值等參數(shù)，選定工況（單噴頭作業(yè)設(shè)備旋轉(zhuǎn)360°，雙噴頭作業(yè)設(shè)備旋轉(zhuǎn)180°），并確認(rèn)系統(tǒng)夾緊壓力在正常值范圍內(nèi)。

（2）上述工作完成后，通知啟動高壓水設(shè)備。

（3）高壓水設(shè)備啟動，得到允許清管作業(yè)的許可后，操作者給出開始作業(yè)指令。

（4）PLC程序判斷夾持設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是否處于設(shè)定起始點，如果不是，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)自動回起始點位置。

（5）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回到起始點后，PLC程序判斷軸向移動機(jī)構(gòu)是否處于設(shè)定起始點，如果不是，軸向移動機(jī)構(gòu)自動移動到起始點。

（6）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與軸向移動機(jī)構(gòu)都處于起始點后，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)開始順時針旋轉(zhuǎn)至旋轉(zhuǎn)終點，旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)夾持下水前甲板實物測試時所得出的值在HMI上設(shè)定，并可根據(jù)實際效果微調(diào)。

圖6 清管作業(yè)控制流程

（7）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)順時針旋轉(zhuǎn)至終點后，軸向移動機(jī)構(gòu)開始移動，移動位移達(dá)到設(shè)定的步進(jìn)值后停止。移動速度根據(jù)夾持下水前甲板實物測試時所得出的值在HMI上設(shè)定，并可根據(jù)實際效果微調(diào)。

（8）上一步完成后，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)從設(shè)定終點逆時針旋轉(zhuǎn)回到設(shè)定初始點。

（9）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回到初始點后，軸向移動機(jī)構(gòu)開始移動，位移達(dá)到設(shè)定的步進(jìn)值后停止。

（10）如果軸向移動機(jī)構(gòu)達(dá)到設(shè)定終點，則單區(qū)間內(nèi)清管作業(yè)完成；如果沒有到達(dá)終點，則重復(fù)步驟（6） 至步驟（9）。

（11）單區(qū)間清管作業(yè)完成后，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與軸向移動機(jī)構(gòu)快速回到起始點，并通知高壓水設(shè)備停機(jī)。

5 工程應(yīng)用驗證

（1）清理設(shè)備的驗收測試。經(jīng)過4個月的設(shè)計與生產(chǎn)，于2016年2月完成了海底管道外防護(hù)層清理設(shè)備的工廠安裝調(diào)試，并通過了客戶工廠驗收測試。測試現(xiàn)場與測試結(jié)果見圖1和表5。

表5 出廠驗收試驗數(shù)據(jù)

（2）工程應(yīng)用驗證。2016年4月海底管道外防護(hù)層清理設(shè)備由廣州打撈局南天龍?zhí)栕鳂I(yè)船送往崖城13-1氣田KP500作業(yè)點，進(jìn)行作業(yè)長度為4.4 m的外涂層連續(xù)清理作業(yè)，整體切割方向由平臺側(cè)往香港側(cè)切割，其中4.4 m長切割段兩端各留20 cm長由潛水員手動剝除，以免破壞其CTE層，中間4 m長主體段由海底管道外涂層清理設(shè)備進(jìn)行往復(fù)環(huán)切清理，并按計劃節(jié)點順利完成任務(wù)。

6 結(jié)束語

（1）研制的海底管道外防護(hù)層清理設(shè)備，可滿足水下施工工況，可代替以往潛水員下水人工作業(yè)的方式，避免了作業(yè)受下潛時間、海況和洋流等因素的影響，大幅度提高了工作效率。

（2）研制的設(shè)備配套高壓水噴嘴進(jìn)行清理，施工工程中需配套一套獨(dú)立的高壓水系統(tǒng)，此高壓水系統(tǒng)造價較高，可在此設(shè)備研制的基礎(chǔ)上，試驗改進(jìn)使用其他高強(qiáng)度金屬刀頭進(jìn)行清理工作，以節(jié)省高壓水系統(tǒng)的設(shè)備投資。

（3）目前設(shè)備設(shè)計使用水深為100 m以內(nèi)，此設(shè)備的研制成功，積累了在此領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)備研制的經(jīng)驗，為將來開發(fā)同類深海水下工程作業(yè)設(shè)備提供了基礎(chǔ)和方向。

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