海底管道清管用新型水下发球装置研究

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(中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249)

在海洋油气资源开发过程中，海底管道作为油气运输通道，地位重要。然而，海底管道常年处于低温状态，会出现结蜡和水合物凝结的现象，缩小了管道有效输送内径，甚至会堵塞管道，降低管道的输送效率。为了提高输送效率，必须定期对管道进行清管[1-3]。传统的海洋清管一般是采用“U型”环路的方式，即平台上将清管器发出，清理海底管道，然后在另一平台上回收清管器，如图1所示。

图1 传统“U型”海底管道清管示意

由于“U型”环路清管成本较高，因此研究了“单海管”清管方式，即在水下发射清管器清理管汇和立管，然后在平台上放置收球筒以回收清管器。选用单海管最重要的原因是“U型”环路需要建设2条水上到水下的立管，而单海管只需要铺设1条立管，从而大幅降低了清管成本。除此之外，单海管清管还具有管线中清理的蜡等不会到采油树和水下其他设备，生产无需中断等优点[4]。单海管清管是海底管道清管维护比较理想的手段，也是海底管道清管的发展趋势[5]。

1 发球装置结构

水下发球装置是单海管清管技术的核心部分，由快开盲板、发球单元及连接单元组成，如图2所示。该装置通过连接单元与管汇毂座连接，通过ROV控制阀门开启，操控发球单元动作，清管器顺序发出，在生产流体的推动下，清管器经过海底管道和立管，到达平台上的收球筒，完成清管作业。

整个装置长约2.5 m，宽约2 m，高约7.5 m，用于ø457 mm海底管道的清管作业。设计压力为15 MPa。

图2 水下发球装置

1.1 快开盲板

快开盲板适用于压力管道或者压力容器的开口处，并能快速打开和关闭。快开盲板主要有牙嵌型、卡箍型、插口型，其中，卡箍型快开盲板因其适应压力高、大口径而被大量使用[6]。快开盲板安装于发球装置上端，用来快速开启和关闭发球筒。快开盲板由毂座、头盖、密封圈、三瓣卡箍、丝杠螺母、ROV接口等组成，如图3所示。

图3 快开盲板

当需要关闭盲板时，通过远程控制ROV正向旋转丝杠，卡箍移动，将头盖与毂座夹紧，夹紧力的竖直分力预紧两者之间的密封圈，实现密封；当需要开启盲板时，控制ROV反向旋转丝杠即可。

1.2 发球单元

发球单元由旁通阻隔机构、双作用单活塞液压缸、发球筒、控制面板、阳极块、液压软管等组成，如图4所示。旁通阻隔机构用来隔离清管器，通过阀芯的移动来改变内部流道的通断，实现顺序发射清管器的功能；双作用单活塞液压缸连接阀芯，给阀芯提供直线动力；发球筒用来储存清管器，本文中，发球筒存放4个清管器，也可以根据现场需求增加旁通阻隔机构个数，进而调节清管器存储数量；控制面板设计有液压飞线口，用来接入液压飞线，给发球装置提供驱动液(甲醇)[7]和液压油。另外设计有ROV旋钮，可以远程控制ROV，实现发球装置阀门的开启或者关闭，进而控制发球单元的动作；阳极块起到防腐蚀的作用，牺牲自己，保护发球装置不被海水腐蚀。

图4 发球单元

1.3 连接单元

连接单元包括卡箍连接器、毂座、导向机构等，如图5所示。卡箍连接器是连接管汇毂座与水下发球装置毂座的机构，由三瓣卡箍、丝杠螺母、ROV接口、密封圈、底座等组成。卡箍连接器底座起支撑整个机构的作用。

图5 连接单元

导向机构实现毂座与发球装置初步对中功能，其规格按照API标准设计，外径是管汇毂座外径的1.5倍，倾角为45°。远程操控ROV与接口对接，旋转丝杠使得卡爪收回，将发球装置的毂座与管汇的毂座夹紧，上下毂座受卡箍夹紧力的竖直分力压紧两者之间的密封圈，保证毂座面之间密封。

2 发球装置清管工艺流程

水下发球装置的工艺流程如图6所示。首先，工作人员在安装船上将发球装置调试好，并且填满清管器，将头盖盖好；用船上的吊机，通过钢丝绳将发球装置送到海底，到达指定位置并与管汇相连接[8]。需要清管作业时，通过主控台操控ROV携带液压飞线和电飞线[9]一起下到海底，一端与采油树相连，另一端与发球装置相连接，用来给发球单元提供驱动液(甲醇)和液压油。

在发球之前，暂时停止生产，并且关闭所有的球阀。工作人员通过操控发球装置发射第1个清管器，第1个过球指示仪发出信号时，说明清管器已经离开发球装置，此时将阀门换到中位，液压缸停止供油。当第2个过球指示仪发出信号时，说明清管器已经通过海底三通，此时关闭管道管汇终端的球阀，打开采油树闸板阀阀门，关闭液压飞线源，让生产流体驱动清管器继续前进，经过立管回到浮式生产储油装置上的收球筒，清理的废物到达相应污池中，第1次水下清管过程结束。后续的清管过程与第1次类似。

图6 海底管道清管工艺流程

2.1 发球单元工作流程

清管驱动液——甲醇经过旁通阻隔机构，进入发球筒，由于直板清管器与发球筒存在过盈且甲醇压力低，甲醇只能通过发球筒内小孔流到下一个旁通阻隔机构，依次类推，甲醇逐渐将整个发球筒充满，实现清管器前后压力平衡；接着液压缸活塞杆向左移动，将阀芯收回，此时发球筒甲醇入口关闭，甲醇全部进入下一个旁通阻隔机构，此时待发射清管器前端压力不变，而后端压力逐渐升高，当清管器后面压力足够大于前面压力时，清管器掉落。如图7所示。

图7 发球单元工作流程

2.2 连接单元工作流程

当ROV与连接单元接口对接后，其携带的转矩工具正向旋转时，丝杠带动螺母移动，卡箍收回，锁紧两个毂座；反之，当需要松开毂座之间的连接，只需要控制转矩工具方向旋转即可。以转矩工具正向旋转为例，工作流程如图8所示。快开盲板工作流程与连接单元类似。

图8 连接单元工作流程

3 发球装置关键零部件校核

在海底管道清管作业中，水下发球装置的工作环境恶劣，在深水环境下受到作业水深的压力以及海流冲击等影响。为了保证发球装置在水下可以安全可靠的工作，选择快开盲板的头盖、发球单元的旁通阻隔机构阀体、发球筒以及连接单元的卡箍等关键零部件进行有限元校核。

3.1 快开盲板头盖

快开盲板的头盖为承压部件，为保证其可靠性，使用ANSYS软件对其进行强度校核。头盖材料为Q345锻件，其密度为7.87×103kg/m3，泊松比为0.31，弹性模量为2.12×1011Pa ，许用应力为174 MPa[10]。将最外圈固定，施加15 MPa压力。网格选择四面体网格，求解得到位移云图、应力云图如图9～10所示。

图9 头盖位移云图

图10 头盖应力云图

由图9可知，位移最大值为0.15 mm，在许用变形的范围之内。由图10可知，应力最大值为140.31 MPa，小于Q345锻件的许用应力。故头盖满足强度要求。

3.2 旁通阻隔阀体

阀体为承压部件，使用ANSYS软件对其进行校核。阀体材料为Q345钢，其密度为7.85×103kg/m3，泊松比为0.28，弹性模量是2.06×1011Pa。网格选择四面体网格，求解得到位移云图、应力云图如图11～12所示。

图11 阀体位移云图

图12 阀体应力云图

由图11可知，位移最大值为0.01 mm，在许用变形的范围之内。由图12可知，应力最大值为130.74 MPa，小于Q345的许用应力。故旁通阻隔阀体满足强度要求。

3.3 发球筒

发球筒采用ø457 mm的无缝钢管，管材为X70，其密度7.85×103kg/m3，弹性模量2.1×1011Pa，泊松比0.3。发球筒一端完全固定，一端轴向固定，施加15 MPa压力。采用四面体网格，求解得到位移云图、应力云图如图13～14所示。

图13 发球筒位移云图

图14 发球筒应力云图

由图13可知，位移最大值为0.16 mm，在许用变形的范围之内。由图14可知，应力最大值为150.95 MPa，小于X70钢的许用应力。故发球筒满足强度要求。

3.4 连接单元卡箍

卡箍的功能是锁紧发球装置毂座与海底管汇毂座，为了保证其工作强度，进行强度校核。由于3个卡箍与毂座受力大小相同，以主动卡箍为例进行有限元分析。卡箍材料为35CrMo锻件[11]，其弹性模量2.13×1011Pa，密度7.87×103kg/m3，泊松比0.286，许用应力556.0 MPa。采用四面体网格，施加载荷求解得到卡箍位移、应力云图如15～16。

图15 卡箍位移云图

图16 卡箍应力云图

由图15～16可知，卡箍最大位移为0.11 mm，在允许的范围内；最大应力为328.52 MPa，小于35CrMo的许用应力，卡箍强度满足设计要求。

4 结论

1) 与传统的发球装置不同，设计了一种适合单海管清管方式的水下发球装置。即从水下发球，由生产流体驱动清管器经过待清理海底管道和立管，回到平台收球筒中，可以有效避免传统清管方式的高成本和停输问题。

2) 通过有限元法对发球装置中快开盲板的头盖、发球单元的旁通阻隔机构、发球筒以及连接单元的卡箍进行了强度校核，校核结果表明，满足设计要求。

3) 本文的研究成果对国内单海管清管发球装置的设计提供了一些思路，同时对单海管清管技术的应用具有一定的指导作用。