海底管道回收工具設計與試驗研究

虞明星，陳建長，李懷亮，于文太，王福山，馬天亮，吳仕鵬

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

2.天津市精研工程機械傳動有限公司，天津 300409

3.天津工程機械研究院有限公司，天津 300409

海底管道應急維修方法分為水上維修和水下維修。國內海底管道主要鋪設于水深300 m以內的淺水區域，其維修主要采取水上維修方法，海底管道應急回收是水上維修中的關鍵技術[1]。鉆石線切割機和管道回收工具作為專門用于深水海底管道修復的“黃金搭檔”，因其安全、高效、便捷，在世界范圍內得到廣泛應用，并且在國外已經發展成熟，但該技術在國內尚屬薄弱環節[2]。

為提高在深水海底管道領域的施工能力，國內相繼開展了海底管道回收工具方案研究[3-4]。2018年海洋石油工程股份有限公司與天津市精研工程機械傳動有限公司聯合開展了海底管道回收工具創新設計和研制，通過海底管道回收工具工作原理、組成、FMEACA分析，完成了耐環境設計、應力-強度設計、功能與耐久性驗證等可靠性設計。在此基礎上，通過分析海底管道回收流程及回收工具，并運用鋼球脹緊原理，研制出內驅液壓控制的管道回收工具；開展了海底管道回收工具試驗方法、原理和試驗裝置研究，最后完成管道回收工具的試驗驗證。

1 海底管道回收流程分析

施工前，海底管道回收工具置于作業船甲板上，船舶到達維修作業海域后，開始進行管道回收工具的前期準備工作，包括：

（1） 零部件完好性檢查。

（2）如果需要阻水密封功能，將阻水密封環安裝到管道回收工具上；如果需要阻水球回收功能，將阻水球回收模塊連接至管道回收工具前端。

（3） 開展球籠驅動功能檢查。外接動力源，在動力作用下球籠被回退、鋼球回縮，定義為解鎖狀態；控制機構換向，在動力作用下球籠被推出、鋼球外脹，同時密封環被壓縮，定義為鎖緊狀態。

（4） 管道回收工具控制機構復位，把平衡吊臂及連接絞車鋼絲繩的吊環安裝到管道回收工具上。

準備工作完成后，通過船舶吊機將海底管道回收工具放入海底，水下工作過程如下：

（1） 水下機器人（ROV） 輔助將管道回收工具插入海底管道內。

（2）ROV操作管道回收工具控制機構換向，釋放內部動力，管道回收工具實現鎖緊，工具承載鋼球和阻水密封環接觸海底管道內表面。

（3）ROV釋放平衡吊臂分離機構，吊機吊起平衡臂至甲板上。

（4） 絞車拖拉與管道回收工具連接的鋼絲繩，從而帶動海底管道，使其吊離海床，通過導管架將管道拉到船舶上。

（5） 管道回收工具接入動力源，管道回收工具解鎖，將其脫離管道。

上述工作流程分析主要涉及到平衡吊臂、海底管道回收、阻水密封和阻水球接受四大系統。海底管道回收工具核心技術是鋼球脹緊原理和內驅控制機理。

2 海底管道回收工具

海底管道回收工具總體結構如圖1所示，采用鋼球導向斜槽脹緊方式：鋼球布置在芯軸外側，并通過外部球籠驅動定位，液壓驅動球籠沿回收工具軸向運動，實現鋼球向外脹緊及內縮松開，實現對回收管道內壁的鎖緊和解鎖。一個可壓縮外脹密封環安裝在球籠殼體端部，球籠運動時其端面作用在密封環上，壓縮密封環，使其向外膨脹，致使密封環與海底管道內表面接觸，建立起良好的密封，在開始提升之前對海底管道進行除水密封。芯軸的尾端加工有吊裝孔，用于安裝管道吊裝卸扣。

海底管道回收工具前端通過螺釘集成阻水球回收模塊，在氣壓作用下，管道內一個帶內錐槽芯棒的阻水球進入軸套內腔，推動鋼球與軸套向左側運動，當芯棒內錐槽與鋼球結合時，在彈簧作用下，通過斜面作用將阻水球芯棒鎖緊，實現阻水球接收功能。

圖1 海底管道回收工具總體結構

管道回收工具采用內置液壓驅動方式，如圖2所示：液壓儲能裝置和球籠驅動通過控制油路連通協同工作；液壓儲能裝置可實現管道回收工具所需球籠驅動能量的儲存；球籠驅動由控制模塊、端蓋、環形活塞、液壓密封件構成；控制模塊集成有兩位三通應急轉閥和工作轉閥，通過轉閥換向完成整個球籠驅動的動作控制過程。控制模塊表面設計有外接動力源油口，通過外部動力源實現液壓儲能裝置蓄能。

圖2 內驅液壓驅動

3 鋼球脹緊原理分析

鋼球脹緊機構如圖3所示。環形活塞、芯軸、球籠構成相對軸向運動副，而球籠、鋼球、芯軸構成徑向運動副。當環形活塞左側進油，在液壓力作用下，球籠向右移，鋼球沿斜槽外伸，鋼球與海底管道內壁鎖緊；當環形活塞右側進油時，球籠向左移，使鋼球沿斜槽回縮，鋼球與海底管道內壁分離（解鎖）。

圖3 鋼球脹緊機構示意

鎖緊工況受力簡圖如圖4所示。參數設定：N1為鋼球對錐體的正壓力；λ為芯軸驅動傾斜角；f1為鋼球對錐體正壓力工況的靜摩擦力；F為作用在吊環上的外力；F0為預緊力；f2為鋼球對管壁的正壓力工況的靜摩擦力；m為鋼球總數；N2為鋼球對管壁的正壓力；L為球籠內徑距管壁距離；R為鋼球半徑；μ為動摩擦系數；a為靜力平衡力矩的作用點。

圖4 鎖緊工況受力簡圖

不考慮設備自重，根據力的平衡原理得芯軸受力平衡式：

鋼球的靜力平衡方程由∑Fx=0，∑Fy=0以及∑Ma=0得：

判定自鎖條件：鋼球與錐體f1＜μN1。

解鎖工況受力簡圖如圖5所示，F1為解鎖壓力。

不考慮設備自重，根據力的平衡原理，得芯軸受力平衡式：

鋼球的靜力平衡方程由∑Fx=0，∑Fy=0以及∑Ma=0得：

圖5 解鎖工況受力簡圖

設： C=cosλ/（ 1+cosλ） ， 則由式 （ 6） ～（ 9）可得:

判定解鎖條件：鋼球與錐體f1＞μN1。

4 脹緊機構有限元分析

管道回收工具脹緊機構主要包括：芯軸、鋼球和球籠，是海底管道回收的承力單元，涉及鋼球與海底管道、鋼球與球籠、鋼球與芯軸、芯軸與吊環四個力作用副。為保證海底管道回收過程的可靠性，將鋼球與海底管道耦合模式設計為硬-軟耦合，通過鋼球作用引起海底管道接觸部位變形，進而增強海底管道回收工具與海底管道的可靠接觸；為保證海底管道回收工具的耐久性，將鋼球與球籠、鋼球與芯軸的耦合模式設計為硬-硬耦合，從而確保管道回收工具的使用壽命。

對海底管道回收工況下的脹緊機構進行有限元分析，計算載荷為3倍工作載荷，結果見圖6～11。

圖6 芯軸結構應力云圖/MPa

圖7 芯軸結構徑向位移云圖/mm

圖8 海底管道結構應力云圖/MPa

圖9 海底管道結構徑向位移云圖/mm

根據應力及位移云圖，主體結構及各部分部件的計算結果匯總見表1。

由計算結果可見，海底管道回收裝置的芯軸及球籠等主體承力結構最大應力值為354.9 MPa，位于芯軸端部拖拉吊孔周圍區域；鋼球結構最大應力值為581.1 MPa，位于尾部鋼球與海底管道接觸點，最大變形值約為0.08 mm，而海底管道徑向最大變形為0.13 mm。因此可判斷海底管道內壁部分區域應力達到許用應力極限區域，已存在塑性變形，鎖緊狀態明顯。上述計算結果滿足使用要求。

圖10 鋼球結構應力云圖/MPa

圖11 鋼球結構徑向位移云圖/mm

表1 應力及位移計算結果

5 管道回收工具載荷試驗

進行管道回收工具載荷試驗的目的是驗證其性能是否滿足使用要求。管道回收工具歸類為海上設施起重設備中可卸零部件，對此，中國船級社《船舶與海上設施起重設備規范》 第7章有如下的試驗規定：

（1） 每個可卸零部件應進行驗證試驗，對于吊環、吊鉤、卸扣類零件驗證負荷有以下要求：SWL≤245 kN， 驗證負荷為 2×SWL；SWL＞245 kN，驗證負荷為1.22×SWL+196 kN。

（2） 驗證負荷可用試驗機或懸重法進行，保持驗證負荷的時間應不少于5 min。

（3） 可卸零部件驗證試驗后，應進行全面檢查，不允許存在殘余變形、裂紋或其他缺陷；對能轉動的部件，應檢查其是否能自由轉動。

海底管道回收載荷工具采用試驗機試驗方法，根據以上要求，其試驗載荷見表2。

表2 海底管道回收工具試驗載荷

海底管道回收工具載荷試驗裝置采用水平加載方式，如圖12所示。本試驗裝置需與適當的液壓動力站配合使用。通過液壓動力站驅動加載液壓缸，從而推動頂推滑移板施加試驗載荷。

圖12 管道回收工具載荷試驗裝置

試驗裝置基本參數：

（1） 海底管道回收工具外徑：6～18 in。

（2） 試驗裝置水平最大試驗負荷4 704 kN。

（3） 采用4個缸徑220 mm雙作用液壓缸作為加載元件。

管道回收工具試驗項目主要有：外觀檢查、功能測試和拉力試驗。

在該試驗裝置上，對研制的外徑12 in管道回收工具進行了試驗，水平試驗載荷為2 288.3 kN，采用逐級加力的方式試驗。試驗過程中，管道回收工具能夠安全工作，各部件的強度和剛度均滿足要求，未見異常；試驗后，進行了功能和解體檢查，承力元件整體無破損及變形。

6 結論

（1） 在分析了海底管道回收工具結構及管道回收工作流程的基礎上，指出鋼球脹緊和內驅控制是海底管道回收工具的核心技術。

（2） 提出了芯軸集成液壓蓄能器、環形活塞缸球籠驅動單元、兩位三通轉閥和控制模塊的內驅液壓驅動機理。

（3） 推導出脹緊機構鎖緊、解鎖條件，分析了海底管道回收承力單元應力-強度，研制出新型海底管道回收工具。

（4） 開展了海底管道回收工具試驗裝置和試驗方法研究，并對研制產品進行了試驗驗證。