CN108436597A - 深水管道作业机具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深水管道作业机具，包括后夹具装置、前夹具装置、转动刀盘、切割/外坡口刀具模块、内坡口/焊缝去除刀具模块、磨削刀具模块、浮力材料、整体框架、横推液压缸。工作原理是机具首先依靠自身的自定心夹具抱紧在管道上，然后控制机具上的三把复合刀具依次工作，一次下水完成管道表面防腐层去除，钻孔，切断，内/外倒角，焊缝去除等多种作业任务。本发明能在管道维修连接前降低连接器安装阻力，降低深水管道维修费用，提高水下管道维修效率，缩短我国与国外在深水管道维修技术方面的差距。

Description

深水管道作业机具

技术领域

本发明涉及一种深水管道作业机具，适用于深水管道的应急维修，是深水作业的一种重要装备。

背景技术

伴随着我国海洋石油天然气开发不断有新的进展，油气产量的逐年增加，对于海洋资源开发技术的要求也越来越高，为此，进行水下油气的开采才是我国海洋能源的重点，其开采技术应作为重点研究对象。深水管道作业机具在整个管道维修过程中占有很重要的部分，它是管道顺利维修的前提，主要作业于管道的预处理阶段，即管道连接维修前的管道处理，以实现对管道的打磨、开孔、切割、坡口等多种功能。目前国内暂无相关装置，这给水下ROV以及操作人员带来了较多的工作量。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种深水管道作业机具，研制出具有自主知识产权的深水管道作业机具及其相关技术，满足我国水下油气开发的需求，填补国内在水下作业方面的空白，不断缩小我国与世界先进水平之间的差距。

本发明的目的是这样实现的：包括整体框架、设置在整体框架端面上的转动刀盘、实现水下管道的切割/坡口作业的切割/外坡口刀具模块、实现水下管道内皮口作业和焊缝去除的内坡口/焊缝去除刀具模块、实现水下管道FBE涂层去除的磨削刀具模块、设置在整体框架中的前夹具装置和后夹具装置、设置在前夹具装置和后夹具装置之间的横推液压缸；所述转动刀盘包括刀盘安装板、通过连接件设置在刀盘安装板端面上的大齿轮、设置在刀盘安装板端面上的两圈滚轮、机架连接板、通过立柱设置在机架连接板端面上的运动轨道、设置在机架连接板上的液压马达、与液压马达输出端连接的蜗杆、安装在机架连接板上的两个蜗轮轴，每个蜗轮轴的一端安装有与蜗杆啮合的蜗轮、另一端安装有与大齿轮啮合的小齿轮，运动轨道通过两侧设置的凸起结构卡在两圈滚轮之间，所述刀盘安装板、大齿轮、运动轨道、机架连接板均是横截面是C型的结构；切割/外坡口刀具模块、内坡口/焊缝去除刀具模块、磨削刀具模块分别设置在刀盘安装板上且沿着C型的圆弧段设置。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述整体框架包括设置在机架连接板上的可伸缩的连接柱、设置在连接柱端部的固定板，所述前夹具装置设置在机架连接板的端面上，前夹具装置与固定板之间设置有可伸缩的导向柱，所述后夹具装置设置在可伸缩的导向柱上。

2.横推液压缸的动作结合前夹具装置和后夹具装置的交替的松开或夹紧动作实现整体沿水下管道的轴线方向的运动。

3.所述刀盘安装板上、前夹具装置上、机架连接板上均设置有浮力材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的模块化设计便于设备的调试和控制，可以对不同部分单独测试，可进行独立模块的改进和升级。模块化设计便于维修，在不影响其他模块功能的情况下，可对损坏的模块进行维修，能节省大量维护成本。模块化设计通用性强，采用标准的通用接口和设备，更快的进行不同部位的临时更换。模块化设计便于机具的安装和拆卸，方便机具的清理和维护。

附图说明

图1是深水管道作业机具侧面结构示意图；

图2是浮力材料布局示意图；

图3是后夹具装置结构示意图；

图4是前夹具装置结构示意图；

图5是刀具模块位置示意图；

图6是转动刀盘结构分解示意图；

图7是切割/外坡口刀具模块结构图；

图8是内坡口/焊缝去除刀具模块结构图；

图9是磨削刀具模块结构图；

图10是本发明的整体结构示意图。

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10，本发明的一种深水管道作业机具包括后夹具装置10、前夹具装置20、转动刀盘30、切割/外坡口刀具模块40、内坡口/焊缝去除刀具模块50、磨削刀具模块60、浮力材料7、整体框架8、横推液压缸9。

所述前夹具装置20中的副夹具21在液压缸22的作用下松开，后夹具装置10夹紧或者前夹具装置20中的副夹具21夹紧，后夹具装置10松开时，在横推液压缸9的驱动下，前、后夹具装置20、10交替作用可推动整个机具框架8沿管道轴线移动，实现机具轴向的位置调整。

所述转动刀盘30为多功能作业刀具的载体，采用“C”形框架，其通过转动刀盘30中的刀盘安装板39与之相连的多个滚轮32搭载到和机架连接板34相对固定的运动轨道33上，实现对转动刀盘30的定位。动力传输是通过马达的输入轴35将动力传递给蜗杆36带动蜗轮进而带动轴37继而把动力传递给小齿轮38，再通过小齿轮38与大齿轮31的啮合将动力输送至转动刀盘30，从而实现转动刀盘30上刀具的周向进给，完成管道的切割、打磨等功能。转动刀盘30上附带通用的接口，便于安装。

所述切割/外坡口刀具模块40主要实现水下管道的切割/坡口作业，为后期的管道连接做准备。它利用马达42带动减速器41将动力传送给切割/外坡口刀头43，切割/外坡口刀头43是一个适合高速转动的立式铣刀，刀柄底部为多刀刃的粗加工刀具，顶部有一个45°的成型倒角刀具，以此实现管道切割和外倒角。

所述内坡口/焊缝去除刀具模块50通过马达52带动减速器51将动力传送给燕尾式铣刀53对水下管道进行内坡口作业，同时燕尾式铣刀53端面具有切削刃，能够实现焊缝去除功能。

所述磨削刀具模块60通过马达62带动减速器61将动力传送给高速旋转的研磨盘63对水下管道FBE涂层进行磨削去除，为切断等作业做好准备。

所述浮力材料7用于调整整个机具的浮心位置，防止机具在水下发生侧歪，倾斜等情况，同时，也能减小机具在水下的重力，便于ROV协作。

所述整的体框架8为机具的主体支撑结构，主要用来更加方便的控制和调整通用工具平台，这样使得整个机具便于安装和存储，包括与机架连接板固连的可伸缩的连接柱81，与连接柱81端部固连的固定板82，设置在前夹具装置和固定板之间的可伸缩的导向柱83。

所述横推液压缸9在前夹具装置20中的副夹具21松开，后夹具装置10夹紧或者前夹具装置20中的副夹具21夹紧，后夹具装置10松开的情况下，可以将机具通过前后夹具交替作用来推动整个机具沿管道轴线移动，以实现机具轴向的位置调整。

前夹具装置20、后夹具装置10和横推液压缸9的动作，使机具能够爬行移动到指定位置，并固定在管道上。用磨削刀具模块60去除管道外涂层，刀具进给量由上位机程序来确定，除涂层时需要转动刀盘30的转动以实现周向进给。

调整控制前夹具装置20、后夹具装置10、横推液压缸9以及转动刀盘30，使内坡口/焊缝去除刀具模块50正对焊缝上方，用内坡口/焊缝去除刀具模块50进行焊缝去除，刀具进给量由上位机程序来确定，在除焊缝过程中也需要转动刀盘30的转动。

调整机具到合适位置，用切割/外坡口刀具模块40先对管道进行钻孔，当刀具钻透管道后，再控制转动刀盘30旋转一周以切断管道，然后将转动刀盘30反向旋转回到初始位置，再次进刀直到切割/外坡口刀具模块40对管道的倒角达到要求，之后控制转动刀盘30旋转一周来完成管道的外倒角。

再次调整机具到合适位置，用内坡口/焊缝去除刀具模块50以同样的方法进行管道的内倒角处理。

转动刀盘30退回到初始位置，调节前、后夹具装置20、10，使其松开管道能够顺利起吊，完成任务。

本发明的深水管道作业机具，作业对象为长期处于深海高压力、低温的恶劣环境中，同时还受各种混合物以及腐蚀物的侵蚀，很容易发生损坏失效现象的石油管道。管道维修主要包括管道前期处理、管道连接以及管道后期的防护处理等程序，而深水管道作业机具完成管道前期处理过程，如管道切割、坡口、钻孔、打磨等作业。当机具被放入水下工作时，首先通过ROV携带机具到工作位置，然后机具夹紧在管道上，必要时需要通过前后夹具的配合，使机具在管道上爬行移动到需要切割处理的位置。在到达指定位置后，磨削、切割和外倒角刀具、焊缝去除和内倒角刀具开始工作，完成打磨、切割、坡口和焊缝去除等工作。上述作业动作都由通过液压系统来提供动力，最终实现作业机具预定的各项功能。

具体的，是通过以下方式实现的：

第一部分是通过上位机控制前、后夹具装置20、10和横推液压缸9的动作，使机具能够爬行移动到指定位置，夹紧在管道上。用磨削刀具模块60去除管道外涂层，刀具进给量及进给速度由上位机程序来确定，除涂层时需要转动刀盘30的转动。

第二部分通过调整控制前、后夹具装置20、10、横推液压缸9以及转动刀盘30，使内坡口/焊缝去除刀具模块50正对焊缝上方，用内坡口/焊缝去除刀具模块50进行焊缝去除，刀具进给量由上位机程序来确定，在除焊缝过程中也需要转动刀盘30的转动。

第三部分是调整机具到合适位置，用切割/外坡口刀具模块4先对管道进行钻孔，当刀具钻透管道后，再控制转动刀盘30旋转一周以切断管道。然后将转动刀盘30反向旋转回到初始位置，再次进刀直到切割/外坡口刀具模块40对管道的倒角达到要求，之后控制转动刀盘30旋转一周来完成管道的外倒角。

第四部分是调整机具到合适位置，用内坡口/焊缝去除刀具模块50以同样的方法进行管道的内倒角处理。

第五部分是转动刀盘30退回到正常位置，调节前、后夹具装置20、10，使其松开管道能够顺利起吊，完成任务。

根据深水管道作业机具动作的分解，可以将系统进行模块化编程，系统包括以下几个模块，即机具爬行模块、除涂层模块、去除焊缝模块、切割和外倒角模块、内倒角模块。其中爬行模块包括前、后夹具装置20、10的动作控制以及横推液压缸9的控制，除涂层模块包括相应刀具模块60的控制和转动刀盘30的控制，切割和外倒角模块包括相应刀具模块40的控制和转动刀盘30的控制，内倒角模块包括内坡口/焊缝去除刀具模块50和转动刀盘30的控制。

综上，本发明提供的是一种深水管道作业机具，以满足我国快速发展的海洋石油开采相关配套技术的需求。其意义在于着力解决深水管道连接的相关关键技术，该机具能在管道维修连接前降低连接器安装阻力，降低深水管道维修费用，提高水下管道维修效率，缩短我国与国外在深水管道维修技术方面的差距。工作原理是机具首先依靠自身的自定心夹具抱紧在管道上，然后控制机具上的三把复合刀具依次工作，一次下水完成管道表面防腐层去除，钻孔，切断，内/外倒角，焊缝去除等多种作业任务。驱动方式为液压驱动，液压系统采用一个阀箱，将液压系统的液压阀和传感器等元件集成在里面；控制系统采用一个控制舱，下位机控制系统集成在里面；液压阀箱和控制舱集成在机具上；液压动力源为独立设备，随机具一起下水，在水下完成能源连接；上下位机控制系统能实现远程遥操作，总监控制在水上完成。

Claims (4)

1.深水管道作业机具，其特征在于：包括整体框架、设置在整体框架端面上的转动刀盘、实现水下管道的切割/坡口作业的切割/外坡口刀具模块、实现水下管道内皮口作业和焊缝去除的内坡口/焊缝去除刀具模块、实现水下管道FBE涂层去除的磨削刀具模块、设置在整体框架中的前夹具装置和后夹具装置、设置在前夹具装置和后夹具装置之间的横推液压缸；所述转动刀盘包括刀盘安装板、通过连接件设置在刀盘安装板端面上的大齿轮、设置在刀盘安装板端面上的两圈滚轮、机架连接板、通过立柱设置在机架连接板端面上的运动轨道、设置在机架连接板上的液压马达、与液压马达输出端连接的蜗杆、安装在机架连接板上的两个蜗轮轴，每个蜗轮轴的一端安装有与蜗杆啮合的蜗轮、另一端安装有与大齿轮啮合的小齿轮，运动轨道通过两侧设置的凸起结构卡在两圈滚轮之间，所述刀盘安装板、大齿轮、运动轨道、机架连接板均是横截面是C型的结构；切割/外坡口刀具模块、内坡口/焊缝去除刀具模块、磨削刀具模块分别设置在刀盘安装板上且沿着C型的圆弧段设置。

2.根据权利要求1所述的深水管道作业机具，其特征在于：所述整体框架包括设置在机架连接板上的可伸缩的连接柱、设置在连接柱端部的固定板，所述前夹具装置设置在机架连接板的端面上，前夹具装置与固定板之间设置有可伸缩的导向柱，所述后夹具装置设置在可伸缩的导向柱上。

3.根据权利要求2所述的深水管道作业机具，其特征在于：横推液压缸的动作结合前夹具装置和后夹具装置的交替的松开或夹紧动作实现整体沿水下管道的轴线方向的运动。

4.根据权利要求1或2或3所述的深水管道作业机具，其特征在于：所述刀盘安装板上、前夹具装置上、机架连接板上均设置有浮力材料。