CN105333227B - 一种用于处理海底管道悬跨的结构支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于处理海底管道悬跨的结构支撑装置，包括头部液压系统、主支撑板、腿部主伸缩缸、防沉板、支撑腿侧向伸缩缸、抓取机构、抓取驱动缸、定位杆、提拉缸、输油管道、吊耳等，主伸缩缸和侧向伸缩缸配合实现整体结构支撑装置的升降和角度调整，抓取机构升降由提拉缸控制，抓取管道前由定位环确定管道与抓取机构的距离，抓取驱动缸控制手抓的张开与闭合，当手爪连杆与挡块接触时管道被夹紧并实现自锁，保证夹紧的可靠性。本发明可以适应较多的海底地貌状况，结构支撑法具有一定的自动化能力，具有施工过程简单无需停产，工期短，适应悬跨高度变化性强等优点。

Description

一种用于处理海底管道悬跨的结构支撑装置

技术领域

本发明涉及一种结构支撑装置，尤其涉及一种用于处理海底管道悬跨的结构支撑装置，属于海洋装备技术领域。

背景技术

海洋输油管道铺设过程中，海底水流运动对海床存在剪切力的作用，进而导致海床地貌的改变。原本海底管道应与海床表面接触，但是因为海水冲刷使海床高度下降，管道悬置起来形成悬跨。根据海洋冲刷动力学原理，海底冲刷的形成主要是因为在海底安装了输油管道或者其他海底设施之后，打破了原有的海底流场动平衡，致使局部水流流速变快或者变慢，使正常流动的水流形成流速梯度而出现剪切力作用于海床，导致冲刷现象产生；铺设海底设施以后还会打破原有水动力平衡，使管道周围产生漩涡激流，从而加剧对海床表面的冲刷作用，使悬跨不断增大，直到再次达到平衡状态。

因为海底管道悬跨诱发的后果及其严重，悬跨会使输油管道承受额外的轴向应力和疲劳载荷，一段时间后交变的疲劳载荷使管道表面出现裂纹，随着交变应力作用的时间加长，管道裂纹不断增大，这种情况及其危险，管道会出现油气泄漏情况，给油气公司造成经济损失的同时更加增加了环境负担，还会对海洋生物构成致命的威胁，严重威胁海底管道的安全运营。

例如普遍采用的类似中国专利(CN 101963257 A)的通过安放海底基座并用法兰盘固定短桩达到支撑管道的方法，当悬跨高度在一段时间后发生变化时并不能起到有效的支撑作用，甚至会增大管道所受的弯曲载荷。本专利所采用的方法虽然成本有所增加，但是相比于海上施工的复杂程度和高风险投入，结构支撑法的优势也日益显现出来。只需要使用ROV载体将支撑装置运送到准确地点，到达准确地点后通过脐带和一定的人工外力辅助控制结构支撑装置的一系列动作。结构支撑装置对环境适应能力较强，随着海底管道悬跨高度的变化，支撑腿的高度、张开角度独立控制改变，可以适应较多的海底地貌状况，结构支撑法具有一定的自动化能力。

发明内容

本发明的目的是为了适用于管道最大直径介于280～520mm之间、水深≤60m、管道悬跨高度1.2～2.4m、管道悬跨跨度≤30m的海底管道悬跨处理情况而提供一种用于处理海底管道悬跨的结构支撑装置。

本发明的目的是这样实现的：三角形主支撑板上端设置有头部液压系统箱，三角形主支撑板的三个角分别铰接有腿部主伸缩缸，每个腿部主伸缩缸的输出端铰接有防沉板，三角形支撑板的下端还铰接安装有三套支撑腿侧向伸缩缸，且每套支撑腿侧向伸缩缸的输出端通过侧向伸缩缸铰接环与对应的腿部主伸缩缸的缸套连接，所述三角形主支撑板的下端中心位置安装有抓取机构提拉缸，所述抓取机构提拉缸是二级液压缸，且所述抓取机构提拉缸的一级输出端与抓取机构框架固连，所述抓取机构框架内设置有可移动的灌浆滑板，灌浆滑板的上端与抓取机构提拉缸的二级输出端固定连接，灌浆滑板的端部铰接安装有灌浆袋机构液压缸，灌浆袋机构液压缸的输出端与灌浆平台连杆铰接，灌浆平台连杆的上端与灌浆滑板的下端铰接，灌浆平台连杆的下端固连有灌浆袋储放盒，所述灌浆滑板的下端的中心位置还设置有管道定位半环，所述抓取机构框架的上方对称设置有两个手爪驱动缸，每个手爪驱动缸的输出端固连有连接件，连接件的端部固连有抓取机构推杆，抓取机构推杆的端部对称固连有两个抓取机构连杆，每个抓取机构连杆的端部铰接有手爪，且每个手爪的中间位置通过销轴与抓取机构框架连接，所述抓取机构框架的两个侧面上均设置有限制抓取机构推杆极限位置的限位块。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述液压系统箱包括箱体、安装在箱体内的三角柱体油箱、三角柱体油箱上的液压泵和电机、安装在三角柱体油箱侧面的两个蓄能器以及安装在箱体内分别用于控制每个腿部主伸缩缸、每套支撑腿侧向伸缩缸、抓取机构提拉缸、灌浆袋机构液压缸和手爪驱动缸的控制阀，所述电机的输出端与液压泵连接，液压泵的输出端与三角柱体油箱连接，每个腿部主伸缩缸、每套支撑腿侧向伸缩缸、抓取机构提拉缸、灌浆袋机构液压缸和手爪驱动缸分别通过管路依次和对应的控制阀以及三角柱体油箱连接。

2.所述三角形主支撑板上还设置有三个吊耳。

3.所述管道定位半环是柔性管道定位半环。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明只需要使用ROV载体将支撑装置运送到准确地点，到达准确地点后通过脐带和一定的人工外力辅助控制结构支撑装置的一系列动作。结构支撑装置对环境适应能力较强，随着海底管道悬跨高度的变化，支撑腿的高度、张开角度独立控制改变，可以适应较多的海底地貌状况，结构支撑法具有一定的自动化能力。本发明可以处理的海底管道悬跨高度在1.2～2.4m范围内，并且为避免支撑装置陷入海床的深度过大，本发明适用于质地较硬的海床环境。本发明采用液压传动控制方式，可以通过脐带在船上控制装置的整体高度和支撑腿的张开角度，并可在定位后准确抓取夹紧管道，然后通过抓取机构的提拉缸提取管道至指定高度，本发明具有施工过程简单无需停产，工期短，适应悬跨高度变化性强等优点。本发明实现了钢管直径φ280～520mm、管道悬跨高度1.2～2.4m的管道悬跨支撑作业。结构支撑装置对环境适应能力较强，随着海底管道悬跨高度的变化，支撑腿的高度、张开角度独立控制改变，可以适应较多的海底地貌状况。虽然制造成本较高，但是相比于海上施工的复杂程度和高风险投入，机械支撑法的优势也日益显现出来。

附图说明

图1是本发明的主视方向结构示意图；

图2是本发明的抓取机构的结构示意图；

图3是本发明的俯视方向结构示意图；

图4是本发明的液压油路原理图；

图5是本发明的三维结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图5，本发明由防沉板1、腿部主伸缩缸2、侧向伸缩缸铰接环3、支撑腿侧向伸缩缸4、吊耳5、头部液压系统箱6、主支撑板7、抓取机构提拉缸8、限位块9、管道定位半环10、待抓取管道11、手爪12、抓取机构框架13、抓取机构连杆14、抓取机构推杆15、抓取液压缸-爪连接件16、手爪驱动缸17、灌浆装置滑板18、灌浆袋机构液压缸19、灌浆平台连杆20、灌浆袋储放盒21组成。

具体的说本发明包括头部液压系统、主支撑板、腿部主伸缩缸、防沉板、支撑腿侧向伸缩缸、抓取机构、抓取驱动缸、管道定位半环、提拉缸、输油管道、吊耳等组件，主伸缩缸和侧向伸缩缸配合实现整体结构支撑装置的升降和角度调整。抓取机构升降由提拉缸控制。抓取管道前由管道定位半环确定管道与抓取机构的距离，以便决定抓取的确切时机。抓取驱动缸控制手抓的张开与闭合，当手爪连杆与挡块接触时管道被夹紧并实现自锁，保证夹紧的可靠性。为了保证装置的长时间效用，在抓取提拉管道到达预定高度后又添加了一个灌浆袋施放过程。

三个腿部主伸缩缸2铰接在主支撑板7上，其下部安装有在一定范围内可调的防沉板1；支撑腿侧向伸缩缸4一端铰接在主支撑板7上，一端铰接在侧向伸缩缸铰接环3上，腿部主伸缩缸2配有两个支撑腿侧向伸缩缸4，确保有足够的作用力；抓取机构中的抓取液压缸-爪连接件16和手爪驱动缸17、抓取机构推杆15连接，驱动缸控制抓取机构的打开和闭合。抓取管道前由管道定位半环10确定管道与装置的合适距离，决定适当的时间夹紧，当推杆15与限位块9接触时处于夹紧位置，到达机构自锁位置，这时如撤去手爪驱动缸的驱动力，管道也不会自行脱落，并且由手爪驱动缸的活塞端对这一位置进行限位；整个抓取机构可由抓取机构提拉缸8进行短位置调动；提拉缸8一端固定在主支撑板7上；当抓取管道到预定高度后，灌浆袋机构液压缸19的液压杆伸长，通过灌浆台连杆使灌浆袋储放盒摆动至平行于海床面位置，然后通过抓取机构提拉缸8的二级液压缸控制灌浆装置滑板18向下运动至与海床表面接触紧密。然后向灌浆袋内注入浆液，当灌浆袋足以撑起管道时停止灌浆。此装置消除海底管道悬跨将机械支撑法与灌浆袋支撑法结合起来，有了各自的优点，长时间避免了海底管道悬跨的产生。由于此装置重量在1.2吨左右，考虑到水下操作的可行性，装置下水前在三个吊耳5上分别增设一个浮力箱降低整个装置的水中重力，然后通过ROV载体将装置运送到指定悬跨发生地点。头部脐带可与母船脐带缆连接，并接收由母船提供的动力。

图4给出了本发明的液压系统，其中：G1支撑腿上下伸缩缸、G2支撑腿侧向伸缩缸、G3是提拉缸、G4是抓取缸：支撑腿的张开角度范围为0～60°，这个范围的控制元件为侧向伸缩缸，每个支撑腿由两个侧向缸控制，这时对两侧向缸有同步性要求；支撑腿是主要的承力机构，其上下伸缩缸对管道的提拉起到重要作用，并且每个缸对相应腿是单独作用的，以适应海床复杂地形；抓取机构控制是由抓取液压缸实现，抓取机构本身具有自锁功能，为保证抓取的可靠性，可对抓取缸油路设计锁紧回路；提拉缸的作用是上下移动抓取机构和导向机构，并可对管道起到一定的提拉作用。灌浆袋投放部分有两个液压缸，一个控制灌浆台高度，一个控制灌浆台杆部角度。综上所述可对执行元件(液压缸)分为五组：支撑腿上下伸缩缸、支撑腿侧向伸缩缸、抓取缸和微调提拉缸、灌浆台控制缸。装置的整个液压系统被密封在头部箱体之中，采用螺栓连接，且连接处用O形圈密封，三角形主支撑板三个侧面有油路接口通过油管与液压缸连接，以控制各个液压缸工作。液压系统包括三角柱体油箱24以达到节省空间的目的，油箱上布置有电机26和与之相连接的液压泵25。油箱侧面设有两个蓄能器23，保证在脐带断开后补偿液压缸的压力损失或者为补偿悬跨变化改变主支撑腿的伸缩长度。剩余部分安置各种控制阀22来控制每个液压缸按预期设定正常工作。

工作原理：用于处理海底管道悬跨的结构支撑装置的操作过程分为放置和姿态的调整、定位夹紧、各个液压缸配合提拉管道、灌浆袋施放并灌浆、撤去辅助装置五个步骤。针对海底海床地况复杂，为使支撑装置很好的就位，实现对悬跨管道的支撑，提出了下作业方案：

放置和姿态的调整：装置的支撑腿侧向伸缩缸4伸出，使支撑腿大角度打开；手爪驱动缸17收缩，使手爪12大幅度张开，管道11顺畅进入手爪抓取范围内；抓取机构提拉缸收缩使灌浆装置滑板18处于较高位置；灌浆袋机构液压缸19收缩，使灌浆台大幅度偏离装置垂直于海床面的轴线以利于管道定位半环10和抓取机构定位夹紧管道的顺利进行；其由母船上脐带缆下放，每个吊耳上分别放置一浮力箱减小整个装置在水中的重力，在水中的移动通过ROV载体实现。

定位夹紧：柔性管道定位半环10就位后，提拉缸8的液压杆伸长，可使柔性管道定位半环10接触管道后压缩，以确保抓取机构能够包容悬跨管道11。然后手爪驱动缸17液压杆伸长，两对手爪12闭合抓紧，到达手抓驱动缸17极限位置时，推杆15恰好与限位块9接触，抓取机构到达自锁位置，并且控制手抓驱动缸的液压回路为锁紧回路，保证夹紧的长时间有效。

各个液压缸配合提拉管道：支撑腿侧向缸4回收，使支撑腿下部防沉板1与海床接触，根据各个腿的支撑状况，可驱动侧向缸4和腿部主伸缩缸2进行调节。在对悬跨管道11进行向上提升的过程中，各个腿部主伸缩缸2与海床作用力不同，就意味着三个支撑腿必须要单独的控制，而且，侧向缸要与其相配的上下缸一起动作以实现装置的多角度和多高度变化，以达到比较好的支撑效果。

灌浆袋施放并灌浆：当提取管道至预定高度时悬跨被消除，此时灌浆袋机构液压缸19杆部伸长到极限位置，使灌浆台底面平行于海床面。然后灌浆装置滑板18向下移动带动灌浆台与海床面贴合紧密，再通过管道向灌浆袋内打入浆液至一定高度后起到支撑管道的作用。通过以上双重作用大大避免长时间内了悬跨的产生。而且头部液压系统中设有两个蓄能器，保证液压系统内压力恒定，避免结构支撑失效。

撤去辅助装置：支撑稳定后，人工辅助断开母船与支撑装置之间的防水电缆接头，并在支撑装置端电缆接头连接一个浮标记录地理位置。这样做的原因是装置的自重和管道施加给装置向下的力使装置下沉，虽然有灌浆带的支撑，但是长时间的沉积积累使作用在管道上的力越来越大，轻者会使输油管道产生一定程度的挠曲，重者甚至会压垮输油管道，后果不堪设想。标记电缆接头的目的就是为了便于实现后续母船与支撑装置的再次对接，通过再次微调各个液压缸的伸长或者缩短弥补防沉板下沉高度差，消除海底管道悬跨；灌浆袋注入浆液的管道应该扎结紧密，防止浆液泄漏；与吊耳5连接的浮力箱不得撤去，避免撤去后装置重力剧增压垮输油管道。

本发明是根据我国海底油气输送管线悬跨治理的实际需要，并结合我国海洋地质与水动力条件做出的，满足如下设计要求：

1)装置最大作业水深60m，具有一定自动化能力，易于安装和实施；

2)装置具有处理不小于2m悬跨高度的能力；

3)装置能够治理不同尺寸规格管道的悬跨问题。

本发明用于处理海底管道悬跨的结构支撑装置主要应用于管道直径φ280～520mm、水深≤60m、管道悬跨高度1.2～2.4m、管道悬跨跨度≤30m，提升管道的重量最大45KN的消除海底管道悬跨的作业。主支撑腿液压缸内壁直径D＝140mm、液压杆直径d＝86mm，额定压力16MPa。对于此设计的实施例中所抓取的钢管桩直径φ500mm，悬跨长度25m，悬跨高度2m。水深为45m的近海水域。如图1～图5所示，结构支撑装置的设计参数为：规格(长×宽×高)：2100×2100×3100mm；重量：1200kg；防沉板1直径：φ1545mm；腿部主伸缩缸2规格：φ140mm，行程1100mm，额定压力：16Mpa；侧向伸缩缸铰接环3：内圈φ210mm，外圈250mm；支撑腿侧向伸缩缸4规格：φ80mm，行程630mm，额定压力：16Mpa；吊耳5螺纹规格M50×80；头部液压系统箱6油箱容积60L；主支撑板7钢板壁厚20cm；抓取机构提拉缸8规格：φ100mm，行程320mm，额定压力：16Mpa；限位块9尺寸60×25×30mm；管道定位半环10半径R360mm；待抓取管道11外壁直径500mm；手爪12板厚20mm；抓取机构框架13板厚20mm；抓取机构连杆14长250mm；抓取机构推杆15两个铰接孔距离120mm；抓取液压缸-爪连接件16厚度40mm，两中心孔距离135mm；手爪驱动缸17规格φ40mm，行程320mm；灌浆装置滑板18壁厚10mm；灌浆袋机构液压缸19规格φ20mm，行程160mm；灌浆平台连杆20长1380mm；灌浆袋储放盒21尺寸1500×1100×100mm，钢板厚度2mm。

一种用于处理海底管道悬跨的结构支撑装置是一种可以在水下通过一定程度上的人工辅助完成的支撑海底管道消除悬跨的结构支撑装置。它可以处理的海底管道悬跨高度在1.2～2.4m范围内，并且为避免支撑装置陷入海床的深度过大，该装置一般适用于质地较硬的海床环境。结构支撑装置采用液压传动控制方式，可以通过脐带在船上控制装置的整体高度和支撑腿的张开角度，并可在定位后准确抓取夹紧管道，然后通过抓取机构的提拉缸提取管道至指定高度。它具有施工过程简单无需停产，工期短，适应悬跨高度变化性强等优点。属于海洋装备技术领域。

Claims (5)

1.一种用于处理海底管道悬跨的结构支撑装置，其特征是：三角形主支撑板上端设置有头部液压系统箱，三角形主支撑板的三个角分别铰接有腿部主伸缩缸，每个腿部主伸缩缸的输出端铰接有防沉板，三角形主支撑板的下端还铰接安装有三套支撑腿侧向伸缩缸，且每套支撑腿侧向伸缩缸的输出端通过侧向伸缩缸铰接环与对应的腿部主伸缩缸的缸套连接，所述三角形主支撑板的下端中心位置安装有抓取机构提拉缸，所述抓取机构提拉缸是二级液压缸，且所述抓取机构提拉缸的一级输出端与抓取机构框架固连，所述抓取机构框架内设置有可移动的灌浆滑板，灌浆滑板的上端与抓取机构提拉缸的二级输出端固定连接，灌浆滑板的端部铰接安装有灌浆袋机构液压缸，灌浆袋机构液压缸的输出端与灌浆平台连杆铰接，灌浆平台连杆的上端与灌浆滑板的下端铰接，灌浆平台连杆的下端固连有灌浆袋储放盒，所述灌浆滑板的下端的中心位置还设置有管道定位半环，所述抓取机构框架的上方对称设置有两个手爪驱动缸，每个手爪驱动缸的输出端固连有连接件，连接件的端部固连有抓取机构推杆，抓取机构推杆的端部对称固连有两个抓取机构连杆，每个抓取机构连杆的端部铰接有手爪，且每个手爪的中间位置通过销轴与抓取机构框架连接，所述抓取机构框架的两个侧面上均设置有限制抓取机构推杆极限位置的限位块。

2.根据权利要求1所述的一种用于处理海底管道悬跨的结构支撑装置，其特征是：所述液压系统箱包括箱体、安装在箱体内的三角柱体油箱、三角柱体油箱上的液压泵和电机、安装在三角柱体油箱侧面的两个蓄能器以及安装在箱体内分别用于控制每个腿部主伸缩缸、每套支撑腿侧向伸缩缸、抓取机构提拉缸、灌浆袋机构液压缸和手爪驱动缸的控制阀，所述电机的输出端与液压泵连接，液压泵的输出端与三角柱体油箱连接，每个腿部主伸缩缸、每套支撑腿侧向伸缩缸、抓取机构提拉缸、灌浆袋机构液压缸和手爪驱动缸分别通过管路依次和对应的控制阀以及三角柱体油箱连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于处理海底管道悬跨的结构支撑装置，其特征是：所述三角形主支撑板上还设置有三个吊耳。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于处理海底管道悬跨的结构支撑装置，其特征是：所述管道定位半环是柔性管道定位半环。

5.根据权利要求3所述的一种用于处理海底管道悬跨的结构支撑装置，其特征是：所述管道定位半环是柔性管道定位半环。