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(jī)械傳動有限公司，天津 300409

3.天津工程機(jī)械研究院有限公司，天津 300409

海底管道應(yīng)急維修方法分為水上維修和水下維修。國內(nèi)海底管道主要鋪設(shè)于水深300 m以內(nèi)的淺水區(qū)域，其維修主要采取水上維修方法，海底管道應(yīng)急回收是水上維修中的關(guān)鍵技術(shù)[1]。鉆石線切割機(jī)和管道回收工具作為專門用于深水海底管道修復(fù)的“黃金搭檔”，因其安全、高效、便捷，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，并且在國外已經(jīng)發(fā)展成熟，但該技術(shù)在國內(nèi)尚屬薄弱環(huán)節(jié)[2]。

為提高在深水海底管道領(lǐng)域的施工能力，國內(nèi)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(jī)械傳動有限公司聯(lián)合開展了海底管道回收工具創(chuàng)新設(shè)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(huán)境設(shè)計、應(yīng)力-強(qiáng)度設(shè)計、功能與耐久性驗證等可靠性設(shè)計。在此基礎(chǔ)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(nèi)驅(qū)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(yè)船甲板上，船舶到達(dá)維修作業(yè)海域后，開始進(jìn)行管道回收工具的前期準(zhǔn)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(huán)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(qū)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(tài)；控制機(jī)構(gòu)換向，在動力作用下球籠被推出、鋼球外脹，同時密封環(huán)被壓縮，定義為鎖緊狀態(tài)。

（4） 管道回收工具控制機(jī)構(gòu)復(fù)位，把平衡吊臂及連接絞車鋼絲繩的吊環(huán)安裝到管道回收工具上。

準(zhǔn)備工作完成后，通過船舶吊機(jī)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(jī)器人（ROV） 輔助將管道回收工具插入海底管道內(nèi)。

（2）ROV操作管道回收工具控制機(jī)構(gòu)換向，釋放內(nèi)部動力，管道回收工具實現(xiàn)鎖緊，工具承載鋼球和阻水密封環(huán)接觸海底管道內(nèi)表面。

（3）ROV釋放平衡吊臂分離機(jī)構(gòu)，吊機(jī)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(dǎo)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(tǒng)。海底管道回收工具核心技術(shù)是鋼球脹緊原理和內(nèi)驅(qū)控制機(jī)理。

2 海底管道回收工具

海底管道回收工具總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用鋼球?qū)蛐辈勖浘o方式：鋼球布置在芯軸外側(cè)，并通過外部球籠驅(qū)動定位，液壓驅(qū)動球籠沿回收工具軸向運動，實現(xiàn)鋼球向外脹緊及內(nèi)縮松開，實現(xiàn)對回收管道內(nèi)壁的鎖緊和解鎖。一個可壓縮外脹密封環(huán)安裝在球籠殼體端部，球籠運動時其端面作用在密封環(huán)上，壓縮密封環(huán)，使其向外膨脹，致使密封環(huán)與海底管道內(nèi)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(jìn)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(nèi)一個帶內(nèi)錐槽芯棒的阻水球進(jìn)入軸套內(nèi)腔，推動鋼球與軸套向左側(cè)運動，當(dāng)芯棒內(nèi)錐槽與鋼球結(jié)合時，在彈簧作用下，通過斜面作用將阻水球芯棒鎖緊，實現(xiàn)阻水球接收功能。

圖1 海底管道回收工具總體結(jié)構(gòu)

管道回收工具采用內(nèi)置液壓驅(qū)動方式，如圖2所示：液壓儲能裝置和球籠驅(qū)動通過控制油路連通協(xié)同工作；液壓儲能裝置可實現(xiàn)管道回收工具所需球籠驅(qū)動能量的儲存；球籠驅(qū)動由控制模塊、端蓋、環(huán)形活塞、液壓密封件構(gòu)成；控制模塊集成有兩位三通應(yīng)急轉(zhuǎn)閥和工作轉(zhuǎn)閥，通過轉(zhuǎn)閥換向完成整個球籠驅(qū)動的動作控制過程?？刂颇K表面設(shè)計有外接動力源油口，通過外部動力源實現(xiàn)液壓儲能裝置蓄能。

圖2 內(nèi)驅(qū)液壓驅(qū)動

3 鋼球脹緊原理分析

鋼球脹緊機(jī)構(gòu)如圖3所示。環(huán)形活塞、芯軸、球籠構(gòu)成相對軸向運動副，而球籠、鋼球、芯軸構(gòu)成徑向運動副。當(dāng)環(huán)形活塞左側(cè)進(jìn)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(nèi)壁鎖緊；當(dāng)環(huán)形活塞右側(cè)進(jìn)油時，球籠向左移，使鋼球沿斜槽回縮，鋼球與海底管道內(nèi)壁分離（解鎖）。

圖3 鋼球脹緊機(jī)構(gòu)示意

鎖緊工況受力簡圖如圖4所示。參數(shù)設(shè)定：N1為鋼球?qū)﹀F體的正壓力；λ為芯軸驅(qū)動傾斜角；f1為鋼球?qū)﹀F體正壓力工況的靜摩擦力；F為作用在吊環(huán)上的外力；F0為預(yù)緊力；f2為鋼球?qū)鼙诘恼龎毫r的靜摩擦力；m為鋼球總數(shù)；N2為鋼球?qū)鼙诘恼龎毫Γ籐為球籠內(nèi)徑距管壁距離；R為鋼球半徑；μ為動摩擦系數(shù)；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(shè)備自重，根據(jù)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，F(xiàn)1為解鎖壓力。

不考慮設(shè)備自重，根據(jù)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(shè)： 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(jī)構(gòu)有限元分析

管道回收工具脹緊機(jī)構(gòu)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(huán)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(shè)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(jìn)而增強(qiáng)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(shè)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(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，計算載荷為3倍工作載荷，結(jié)果見圖6～11。

圖6 芯軸結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖/MPa

圖7 芯軸結(jié)構(gòu)徑向位移云圖/mm

圖8 海底管道結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖/MPa

圖9 海底管道結(jié)構(gòu)徑向位移云圖/mm

根據(jù)應(yīng)力及位移云圖，主體結(jié)構(gòu)及各部分部件的計算結(jié)果匯總見表1。

由計算結(jié)果可見，海底管道回收裝置的芯軸及球籠等主體承力結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為354.9 MPa，位于芯軸端部拖拉吊孔周圍區(qū)域；鋼球結(jié)構(gòu)最大應(yīng)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(nèi)壁部分區(qū)域應(yīng)力達(dá)到許用應(yīng)力極限區(qū)域，已存在塑性變形，鎖緊狀態(tài)明顯。上述計算結(jié)果滿足使用要求。

圖10 鋼球結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖/MPa

圖11 鋼球結(jié)構(gòu)徑向位移云圖/mm

表1 應(yīng)力及位移計算結(jié)果

5 管道回收工具載荷試驗

進(jìn)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(shè)施起重設(shè)備中可卸零部件，對此，中國船級社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》 第7章有如下的試驗規(guī)定：

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

（2） 驗證負(fù)荷可用試驗機(jī)或懸重法進(jìn)行，保持驗證負(fù)荷的時間應(yīng)不少于5 min。

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

海底管道回收載荷工具采用試驗機(jī)試驗方法，根據(jù)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(dāng)?shù)囊簤簞恿φ九浜鲜褂?。通過液壓動力站驅(qū)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(shù)：

（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(fù)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(jìn)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(qiáng)度和剛度均滿足要求，未見異常；試驗后，進(jìn)行了功能和解體檢查，承力元件整體無破損及變形。

6 結(jié)論

（1） 在分析了海底管道回收工具結(jié)構(gòu)及管道回收工作流程的基礎(chǔ)上，指出鋼球脹緊和內(nèi)驅(qū)控制是海底管道回收工具的核心技術(shù)。

（2） 提出了芯軸集成液壓蓄能器、環(huán)形活塞缸球籠驅(qū)動單元、兩位三通轉(zhuǎn)閥和控制模塊的內(nèi)驅(qū)液壓驅(qū)動機(jī)理。

（3） 推導(dǎo)出脹緊機(jī)構(gòu)鎖緊、解鎖條件，分析了海底管道回收承力單元應(yīng)力-強(qiáng)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(chǎn)品進(jìn)行了試驗驗證。