CN108994423B - 一种无潜式水下管道遥操作焊接维修设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无潜式水下管道遥操作焊接维修设备及方法，包括H型管道支撑架、套管定位器、焊接舱、套管；H型管道支撑架上设上有液压驱动的高低调整机构、左右调整机构、前后调整机构和抱管卡爪；套管定位器上设置有液压驱动的套管定位卡爪；套管带有楔形密封环；焊接舱包括三个焊接舱瓣和六个焊接卡爪，闭合后成六边形结构，中间的焊接舱瓣上设有驱动室，左焊接室和焊接舱重量调节室安装在左焊接舱瓣上，右焊接室和焊接舱排水室安装在右焊接舱瓣上，左焊接室与右焊接室呈对称布置，所述驱动室设有驱动机构和驱动齿轮；依靠套筒实现新、旧管道连接，克服了大尺寸管道水下维修时对中难的问题，遥控操作和GMAW堆焊+角焊的连接工艺又克服了水深的限制。可广泛用于水下和海底管道维修领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下管道维修技术，尤其涉及一种无潜式水下管道遥操作焊接维修设备及方法。
背景技术
随着深海油气田开发力度的增加，深水和超深水海底管道的保障和破损后快速修复任务日益艰巨。
现有的海底管道维修技术主要有：无潜式深水管道法兰连接系统—BRUTUS、基于卡爪式法兰连接的海底管道维修系统DSRS(Driverless Sealine Repair System)、基于螺栓夹具法的深水管道快速应急修复系统—DW RUPE等。
采用远程安装机械连接器对海底管道进行无潜水员辅助的维修作业时，大直径管道维修费用高、周期长的缺陷日益明显。对于直径为42″的管道，采用无潜式水下机械连接器的维修费用高达100万美元之多，因此采用机械连接器对大直径管道进行无潜式水下维修有些不切实际。为此，无潜式焊接维修系统的研发受到了广泛的关注，目前，主要的无潜式焊接维修系统有Comex公司研发的THOR-2系统、Statoil公司研发的RPRS(RemotePipeline Repair System)系统。THOR-2系统由船上控制系统、高压舱、焊接机头与轨道等三部分组成。整个焊接过程可通过计算机对电气参数和焊机位置等进行控制。但是，THOR-2系统采用GTAW(钨极惰性气体保护焊)对接焊工艺，需要完成高精度的管道对中，而大直径管道的水下对中作业难度大，且旧管道的圆度误差大，因此对接焊的维修工艺操作难度大，可行性差。此外，由于GTAW焊随着压力的增加会出现电弧等离子稳定性变差的现象，其适用水深一般不超过500m，远无法满足深水管道修复的水深要求。
RPRS系统是挪威Statoil公司在有潜水员辅助的PRS系统基础上研发，主要由支持模块、船上控制系统和焊接舱等组成。RPRS系统采用套筒连接新旧管道，然后利用GMAW(熔化极气体保护焊)角焊工艺将管道和套筒焊接在一起，进而避免了大直径管道水下对中难的问题。而GMAW焊接工艺的应用水深可以超过1000m，满足深水管线维修的要求，且维修大直径管道的成本和周期均远远小于机械连接器的维修方案。然而该方案仍处于保密状态，且依然存在水下对中难、操纵不灵活等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种无潜式水下管道遥操作焊接维修设备及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的无潜式水下管道遥操作焊接维修设备，包括H型管道支撑架、套管定位器、焊接舱、套管；
所述H型管道支撑架上设上有液压驱动的高低调整机构、左右调整机构、前后调整机构和抱管卡爪；
所述套管定位器上设置有液压驱动的套管定位卡爪；
所述套管带有楔形密封环；
根据切下破损的旧管段长度在船上预制新管段，预制的新管段放入水下前，其两端分别安装所述套管定位器和带有楔形密封环的套管，预制的新管段水下就位后，启动所述套管定位器上的套管定位卡爪推动所述套管与旧管道初步连接；
所述焊接舱包括三个焊接舱瓣和六个焊接卡爪，闭合后成六边形结构，中间的焊接舱瓣上设有驱动室，左焊接室和焊接舱重量调节室安装在左焊接舱瓣上，右焊接室和焊接舱排水室安装在右焊接舱瓣上，左焊接室与右焊接室呈对称布置，所述驱动室设有驱动机构和驱动齿轮；
所述焊接舱卡爪上设有焊接舱驱动从动齿轮、卡箍和T形槽，所述焊接舱的三个焊接舱瓣两端通过T形轨道装于所述T形槽中，卡箍的内径与待维修管道外径一致，所述从动齿轮与所述驱动齿轮啮合，同一焊接舱可匹配多种不同尺寸的焊接舱卡爪；
所述左焊接室与右焊接室通过自动舱门和焊接舱、套管以及新旧管道组成的封闭焊接空间连通，所述自动舱门与安装在所述排水室内的水位传感器连锁；
所述排水室的外表面上设有单向排水阀，排水室的舱门始终处于开启状态，所述左焊接室和右焊接室的自动舱门开启前，先启动焊接舱的驱动机构，使焊接舱在限定范围内往复摆动，以尽量将舱内剩余的水自排水室排出；
所述重量调节室用于调节焊接舱的平衡，并使排空水后的焊接舱整体密度接近其所在位置水的密度。
本发明的上述的无潜式水下管道遥操作焊接维修设备实现无潜式水下管道遥操作焊接维修方法，包括：
利用H型管道支撑架固定破损管段，调整旧管的位置，焊接过程维持焊接舱和管道的平稳；
新管段根据切下来的破碎管段长度在船上预制；
在船上将套管定位器和带有楔形密封环的套管安装在新管段的两端；
套管定位器在水下的唯一动作是推动套管实现新旧管道的初步连接；
利用套管两端直径大于管道外径的特性初步连接新旧管道，安装在套筒内的楔形密封环具有较大的变形量，提供密封压紧力的同时还可以补偿水下管道的圆度误差；
焊接舱闭合后，焊接舱、新旧管道和套管组成一封闭的空间，在重量调节室作用下，焊接舱处于静平衡状态，旋转过程中可以在任意位置停稳，且排空水后的焊接舱整体密度接近于其所在位置水的密度，焊接过程中焊接舱处于悬浮状态；
采用高压保护气排出焊接舱、新旧管道和套管组成的封闭空间内的水，营造干燥的焊接环境；
焊接舱向水下放置时应尽量使排水室在下面，在重量和高压气体的作用下，排出的水会从焊接舱最低点的位于焊接室外表面的排水阀排出；
只有当水位传感器确定位于焊接舱底部的排水室内无水时，才允许打开自动舱门；
焊接室和的自动舱门开启后，设置在两个焊接室内的摄像照明机构和排烟器自动开启；
在船上遥控操作焊枪角度调整机构、焊枪纵向调整机构和焊枪横向调整机构来调整焊枪夹持机构的位置和形态，使焊枪对准套管和管道间形成的角焊缝，按照规定的焊接工艺进行GMAW堆焊+角焊焊接；完成套管一端焊接后，重复焊枪调整操作，对套管的另一端进行焊接；
焊接过程中持续向焊接舱内注入高压保护气，确保焊接舱、新旧管道和套管所形成的密闭空间内的气压高于外界水压。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的无潜式水下管道遥操作焊接维修设备及方法，依靠套筒实现新、旧管道连接，克服了大尺寸管道水下维修时对中难的问题，遥控操作和GMAW堆焊+角焊的连接工艺又克服了水深的限制。可广泛用于水下和海底管道维修领域。
附图说明
图1为本发明实施例中的破损管道示意图；
图2为带有套管9和套管定位器4的新管段示意图；
图3为焊接舱就位后，焊接舱及新旧管道的示意图；
图4为修复后放回原位的管道示意图；
图5为图3中焊接完成后的套管和新旧管道连接状态6的局部剖视图；
图6为图5中楔形密封环10的截面图；
图7为图3中焊接舱5的详细结构图；
图8为图7中焊接舱瓣16的结构图；
图9为图7中卡爪20的结构图；
图10为图7中焊接室12的剖视图；
图11为图2中H型管道支撑架2的详细结构图；
图12为图2中套管定位器4的详细结构图；
图13为图12中套管定位卡爪34的详细机构图。
图中各标号对应的部件为：
1-管道破损点示意、2-H型管道支撑架、3-两端带有套管和套管定位器的新管段、4-套管定位器、5-焊接舱、6-焊接完成后套管和新、旧管道的连接状态、7-旧管道、8-GMAW堆焊+角焊焊缝成型示意、9-套管、10-楔形密封环、11-新管段、12、17-左右焊接室、13-驱动齿轮、14-驱动室、15-焊接舱开合液压缸、16-焊接舱瓣、18-排水室、19-重量调节室、20-焊接舱卡爪、21-卡箍、22-焊接舱驱动从动齿轮、23-焊接室内摄像和照明机构、24-焊枪角度调整机构、25-焊枪夹持机构、26-自动舱门、27-排烟器、28-焊枪纵向调整机构、29-焊枪横向调整机构、30-H型管道支撑架高低调整机构、31-H型管道支撑架左右调整机构、32-H型管道支撑架前后调整机构、33-H型管道支撑架抱管卡爪、34-套管定位卡爪。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的无潜式水下管道遥操作焊接维修设备及方法，其较佳的具体实施方式是：
无潜式水下管道遥操作焊接维修设备包括H型管道支撑架2、套管定位器4、焊接舱5、套管9；
所述H型管道支撑架2上设上有液压驱动的高低调整机构30、左右调整机构31、前后调整机构32和抱管卡爪33；
所述套管定位器4上设置有液压驱动的套管定位卡爪34；
所述套管9带有楔形密封环10；
根据切下破损的旧管段长度在船上预制新管段11，预制的新管段11放入水下前，其两端分别安装所述套管定位器4和带有楔形密封环10的套管9，预制的新管段11水下就位后，启动所述套管定位器4上的套管定位卡爪34推动所述套管9与旧管道7初步连接；
所述焊接舱5包括三个焊接舱瓣16和六个焊接卡爪20，闭合后成六边形结构，中间的焊接舱瓣16上设有驱动室14，左焊接室12和焊接舱重量调节室19安装在左焊接舱瓣16上，右焊接室17和焊接舱排水室18安装在右焊接舱瓣16上，左焊接室12与右焊接室17呈对称布置，所述驱动室14设有驱动机构和驱动齿轮13；
所述焊接舱卡爪20上设有焊接舱驱动从动齿轮22、卡箍21和T形槽，所述焊接舱5的三个焊接舱瓣16两端通过T形轨道装于所述T形槽中，卡箍21的内径与待维修管道外径一致，所述从动齿轮22与所述驱动齿轮13啮合，同一焊接舱可匹配多种不同尺寸的焊接舱卡爪20；
所述左焊接室12与右焊接室17通过自动舱门26和焊接舱、套管以及新旧管道组成的封闭焊接空间连通，所述自动舱门26与安装在所述排水室18内的水位传感器连锁；
所述排水室18的外表面上设有单向排水阀，排水室18的舱门始终处于开启状态，所述左焊接室12和右焊接室17的自动舱门26开启前，先启动焊接舱的驱动机构，使焊接舱在限定范围内往复摆动，以尽量将舱内剩余的水自排水室18排出；
所述重量调节室19用于调节焊接舱的平衡，并使排空水后的焊接舱整体密度接近其所在位置水的密度。
所述套管9两端设有长度约为30mm到50mm的内锥面，最外端内径比待维修管道外径大5mm以上，距所述套管9两端向中间60mm处设置有环形密封槽，环形密封槽内装有楔形密封圈10，密封圈10内径大的一端朝外侧安装。
所述楔形密封环10为中空型，受压时能产生较大的变形，其最大内径比所述套管9的内径大约1mm，最小内径比待维修管道外径小5mm到10mm。
所述焊接舱5瓣闭合后，每端的三个从动齿轮22组成一个完成的圆柱齿轮，焊接舱瓣16两端的T形轨道和卡箍21上的T槽也分别组成一完整的圆环，且焊接舱卡爪20与焊接舱瓣16同轴。
所述左焊接室12与右焊接室17内均设有焊枪角度调整机构24、焊枪纵向调整机构28、焊枪横向调整机构29、摄像照明机构23和排烟器27。
上述的无潜式水下管道遥操作焊接维修设备实现无潜式水下管道遥操作焊接维修方法，其特征在于，包括：
利用H型管道支撑架2固定破损管段，调整旧管的位置，焊接过程维持焊接舱和管道的平稳；
新管段11根据切下来的破损管段长度在船上预制；
在船上将套管定位器4和带有楔形密封环10的套管9安装在新管段11的两端；
套管定位器4在水下的唯一动作是推动套管实现新旧管道的初步连接；
利用套管9两端直径大于管道外径的特性初步连接新旧管道，安装在套筒9内的楔形密封环10具有较大的变形量，提供密封压紧力的同时还可以补偿水下管道的圆度误差；
焊接舱5闭合后，焊接舱、新旧管道和套管组成一封闭的空间，在重量调节室19作用下，焊接舱处于静平衡状态，旋转过程中可以在任意位置停稳，且排空水后的焊接舱整体密度接近于其所在位置水的密度，焊接过程中焊接舱处于悬浮状态；
采用高压保护气排出焊接舱、新旧管道和套管组成的封闭空间内的水，营造干燥的焊接环境；
焊接舱5向水下放置时应尽量使排水室18在下面，在重量和高压气体的作用下，排出的水会从焊接舱5最低点的位于焊接室18外表面的排水阀排出；
只有当水位传感器确定位于焊接舱底部的排水室18内无水时，才允许打开自动舱门26；
焊接室12和17的自动舱门26开启后，设置在两个焊接室内的摄像照明机构23和排烟器27自动开启；
在船上遥控操作焊枪角度调整机构24、焊枪纵向调整机构28和焊枪横向调整机构29来调整焊枪夹持机构25的位置和形态，使焊枪对准套管和管道间形成的角焊缝，按照规定的焊接工艺进行GMAW堆焊+角焊焊接；完成套管一端焊接后，重复焊枪调整操作，对套管的另一端进行焊接；
焊接过程中持续向焊接舱内注入高压保护气，确保焊接舱、新旧管道和套管所形成的密闭空间内的气压高于外界水压。
所有水下作业均在船上遥控操作，无需潜水员辅助。
本发明的无潜式水下管道遥操作焊接维修设备及方法，包括船上遥控系统、水下焊接舱、水下辅助模块等。采用套管和GMAW堆焊+角焊的焊接工艺，拟设计水深1000m，可维修的最大管道直径为42″。本发明依靠套筒实现新、旧管道连接，克服了大尺寸管道水下维修时对中难的问题，遥控操作和GMAW堆焊+角焊的连接工艺又克服了水深的限制。
本发明的无潜式水下管道遥操作焊接维修设备及方法，借鉴无潜式机械修复过程，通过套筒连接新旧管线；利用焊接舱形成干燥的焊接环境，采用GMAW堆焊+角焊焊接工艺完成管道和套筒间的连接。降低了无潜式管道焊接修复过程中大直径管道的对中难度，减少了水下焊接坡口加工工艺步骤，避免了无潜式深水管道机械维修成本高、周期长的问题。相对机械维修方法而言，所提供的设备操作灵活大，整体尺寸小。
本发明的无潜式水下管道遥操作焊接维修设备及方法，通过套筒连接新旧管线，套筒端部加工成锥形，大大降低了水下新旧管线的对中难度。利用焊接舱、套管、新旧管道以及安装在套筒内的密封件营造封闭的空间，并利用高压保护气排出密闭空间内的液体，形成水下干燥的焊接环境，保证了优质的焊接环境。采用GMAW堆焊+角焊的工艺完成新、旧管道和套筒间的连接，简化了遥控焊接操作的难度，减少了旧管道焊接坡口加工工序，并可以满足10MPa以上的高压环境下的焊接质量。可见，本发明所提供的无潜式水下管道遥操作焊接维修设备及方法操作灵活大，整体尺寸小，解决了无潜式管道焊接修复过程中大直径管道对中难、对焊焊接操作复杂以及机械维修大直径管道时费用高、周期长等问题，具有较大的推广应用价值。
具体实施例：
如图1至13所示，本发明实施例提供的一种无潜式水下管道遥操作焊接维修设备及方法，可实现深水破损管道的遥控焊接维修作业，维修过程无需潜水员辅助操作，主要设备包括：
H型管道支撑架2、套管定位器4、焊接舱5、套管9、楔形密封环10、左、右焊接室12和17、焊接舱驱动齿轮13、焊接舱驱动室14、焊接舱开合液压缸15、焊接舱瓣16、焊接舱排水室18、焊接舱重量调节室19、焊接舱卡爪20、卡箍21、焊接舱驱动从动齿轮22、焊接室内摄像照明机构23、焊枪角度调整机构24、焊枪夹持机构25、焊接室自动舱门26、焊接室排烟器27、焊枪纵向调整机构28、焊枪横向调整机构29、H型管道支撑架高低调整机构30、H型管道支撑架左右调整机构31、H型管道支撑架前后调整机构32、H型管道支撑架抱管卡爪33、套管定位卡爪34；其中，
H型管道支撑架2用于固定破损管段，调整旧管的相对位置实现新旧管道的初步对中，维持焊接过程中焊接舱和管道的平稳；
根据切下破损管段长度，在船上预制新管段11；预制的新管段11放入水下前，其两端分别安装套管定位器4和带有楔形密封环10的套管9，新管段水下就位后，启动套管定位器4上的套管定位卡爪34推动套筒9实现新旧管道的初步连接；
焊接舱5是由三个焊接舱瓣16和六个焊接舱卡爪20组成的中空六边形机构，左焊接室12和焊接舱重量调节室19安装在同一个焊接舱瓣上，右焊接室17和焊接舱排水室18安装在一个舱瓣上，各室均安装在舱瓣的平面上，并保持左右焊接室12、17呈对称布置；焊接舱驱动室14独立安装在一个舱瓣上，为协调焊接舱的平衡，焊接舱驱动室14安装在所在舱瓣的中间位置。焊接舱驱动从动齿轮22固定安装在卡箍21上，二者共同组成焊接舱卡爪20，卡箍21上设有“T”槽。焊接舱瓣的两端设有“T”形轨道，“T”形轨道和卡箍21上的“T”槽配合，焊接舱闭合后，焊接舱两端的驱动从动齿轮22组成完整的圆柱齿轮，舱瓣和卡箍间形成圆形的“T”形轨道，在焊接舱驱动齿轮13和焊接舱驱动从动齿轮22啮合驱动下，焊接舱可绕卡箍旋转。卡箍21的内径根据待维修管道的外径选取，一般同一焊接舱可以配五种尺寸的卡箍。焊接舱驱动齿轮13的驱动机构安装在焊接舱驱动室14内，驱动轴和驱动室14间采用旋转机械密封进行密封，室内和高压气体相连，维修深水管线时，需要向驱动室内注入高压气体，用于平衡水压，防止密封的失效。焊接舱开合液压缸15的缸体固定在驱动室14所在舱瓣的吊装架上，活塞杆则固定在焊接室12或17上，用于打开或关闭焊接舱；焊接室12和17均通过自动舱门和焊接舱、套管和新旧管道组成的封闭焊接空间连通，自动舱门和安装在排水室内的水位传感器连锁；排水室18外表面设有单向排水阀，排水室18的舱门始终处于开启状态，放置焊接舱5时应尽量使排水室18在下面，在重量作用下，排出的水会从焊接舱5的最低点(位于排水室18外表面的排水阀)排出；焊接室的自动舱门开启前，先启动焊接舱的驱动机构，使焊接舱在一定范围内摆动，以尽量将舱内剩余的水从排水室18排出；重量调节室19固定安装在焊接舱的一个舱瓣平面上，其主要作用是保证焊接舱的平衡，并使排空水后的焊接舱整体密度接近于其所在位置水的密度，进而提高焊接舱的操作性能。
上述维修设备中，H型管道支撑架2起到维修辅助作用。
上述维修设备中，套管定位器4的唯一作用是推动套管实现新旧管道的初步连接。
上述维修设备中，在船上将套管定位器4和带有楔形密封环10的套管9安装在新管段11上。
上述维修设备中，三个焊接舱瓣16通过铰链连接组成焊接舱5，焊接舱关闭时成六边形。
上述维修设备中，六个焊接舱卡爪20通过设置在卡箍21上的“T”形槽和三个焊接舱瓣16两端的“T”形轨道配合。
上述维修设备中，焊接舱5闭合后，焊接舱卡爪20和焊接舱瓣16同轴，焊接舱5的旋转轨道为舱瓣16和卡箍21间相互配合的“T”轨道，卡箍21和管道间为静连接。
上述维修设备中，左焊接室12和右焊接室17均固定安装在舱瓣的平面上，并保持左右焊接舱12、17呈对称布置。
上述维修设备中，两个焊接室12和17内均设有自动舱门26、焊枪角度调整机构24、焊枪纵向调整机构28、焊枪横向调整机构29、摄像照明机构23和排烟器27；自动舱门26和安装在排水室18内的水位传感器连锁，只有当水位传感器确定位于焊接舱底部的排水室18内无水时，才允许打开自动舱门；焊接室自动舱门开启后摄像照明机构和排烟器自动开启；在船上遥控操作焊枪角度调整机构24、焊枪纵向调整机构28和焊枪横向调整机构29来调整焊枪夹持机构25的位置和形态，使焊枪对准套管和新或旧管道间形成的角焊缝，按照规定的焊接工艺进行GMAW堆焊+角焊焊接作业，完成套管和管道的连接；重复焊枪调整操作，对套管的另一端进行焊接；焊接过程中持续向焊接舱内注入高压保护气，确保焊接舱、新旧管道和套管所形成的密闭空间内的气压高于外界水压。
本发明实施例提供的无潜式水下管道遥操作焊接维修方法，包括：
H型管道支撑架2将管道破损段抬起一定高度，调整旧管道位置，使新旧管道初步对中，在焊接维修作业过程中保持焊接舱和管道的稳定；
通过套管初步连接新、旧管道，采用GMAW堆焊+角焊焊接工艺完成套管和管道间的连接；
套管9和套管定位器4与新管段的连接在船上完成；
焊接舱5抱紧管道后，焊接舱、套管和新旧管道间形成密闭的空间，通过排水、预热等工序营造了水下无潜水员辅助的干式焊接环境；
焊接舱5由舱瓣16和卡爪20组成，卡爪的卡箍内径和待维修管道外径一致，待维修管道尺寸变化时，需要更换卡箍；
自动舱门26和安装在排水室18底部的水位传感器连锁，只有当水位传感器确定位于焊接舱底部的排水室18内无水时，才允许打开自动舱门26。
上述方法中，依靠套筒实现新、旧管道的连接，采用GMAW堆焊+角焊的焊接工艺，且所有水下作业均在船上进行遥控操作，实现了管线的无潜水员辅助的焊接修复。
具体实施例的原理是：
如图1至13所示，本发明实施例提供的无潜式水下管道遥操作焊接维修方法和设备，可实现深水破损管道的遥控焊接维修作业，维修过程无需潜水员辅助操作，其中，图1为本发明实施例提供的破损管道示意图，图2为带有套管9和套管定位器4的新管段示意图，图3为焊接舱就位后，焊接舱及新旧管道的示意图，图4为修复后放回原位的管道示意图，图5为图3中焊接完成后套管和新旧管道连接状态6的剖视图，图6为图5中楔形密封环10的截面图，图7为图3中焊接舱5的详细结构图，图8为图7中焊接舱瓣16的结构图，图9为图7中卡爪20的结构图，图10为图7中焊接室12的剖视图，图11为图2中H型管道支撑架2的详细结构图，图12为图2中套管定位器4的详细结构图，图13为图12中套管定位卡爪34的详细机构图。所述的设备包括：H型管道支撑架2、套管定位器4、焊接舱5、套管9等。其中，H型管道支撑架2用于固定破损管段，调整旧管到的位置，维持焊接过程焊接舱和管道的平稳。根据切下的破损管段长度，在船上预制新管段11；在船上将套管定位器4和带有楔形密封环10的套管9安装到新管段11的两端，新管段11和旧管道在水下初步对中后，启动套管定位器4上的套管定位卡爪34推动套筒9实现新旧管道的初步连接。焊接舱5由六个焊接卡爪20和三个焊接舱瓣16组成的六边形机构，左焊接室12和焊接舱重量调节室19安装在同一个焊接舱瓣上，右焊接室17和焊接舱排水室18安装在同一个舱瓣上，各室均安装在舱瓣的平面上，并保持左右焊接舱12、17呈对称布置。焊接舱驱动室14独立安装在一个舱瓣上，为协调焊接舱的平衡，焊接舱驱动室14安装在所在舱瓣的中间位置。焊接舱卡爪20上设有卡箍21和焊接舱驱动从动齿轮22，卡箍21的内径根据待维修管道外径选取，一般同一焊接舱可以配五种不同内径的卡箍21。卡箍21上设有“T”型槽，焊接舱瓣16两端设有“T”形轨道，卡箍21上的“T”型槽和焊接舱瓣16两端的“T”形轨道配合；焊接舱瓣闭合后，焊接舱两端的驱动从动齿轮22组成完整的圆柱齿轮，舱瓣和卡箍间形成圆形的“T”形轨道，在焊接舱驱动齿轮13和焊接舱驱动从动齿轮22啮合驱动下，焊接舱可以绕卡箍21旋转。焊接舱驱动齿轮13的驱动机构安装在焊接舱驱动室14内，驱动轴和驱动室14间设有旋转机械密封，焊接室内和高压气体相连，进行深水管道维修时，需要向驱动室内注入高压气体以平衡外部水压，防止密封的失效。焊接舱开合液压缸15的缸体固定在驱动室14所在舱瓣的吊装架上，活塞杆则固定在焊接室12或17上，用于打开或关闭焊接舱5；焊接室12和17均通过自动舱门26和焊接舱、套管以及新旧管道组成的封闭焊接空间连通；自动舱门26和安装在排水室18内的水位传感器连锁。排水室18外表面设有单向排水阀，排水室18的舱门的始终处于开启状态，焊接舱5放入水下时应尽量使排水室18在下面，在重力作用下，密闭空间的水从焊接舱5的最低点(排水室18外表面的单向排水阀)排出；焊接室的自动舱门开启前，先启动焊接舱的驱动机构，使焊接舱在一定范围内摆动，以尽量将舱内可能剩余的水通过排水室18排出。重量调节室19固定安装在焊接舱的一个舱瓣的平面上，其主要作用是保证焊接舱的平衡，使排空水后的焊接舱整体密度接近于其所在位置水的密度。左焊接室12和右焊接室17均固定安装在舱瓣的平面上，并保持左右焊接舱室12、17呈对称布置。两个焊接室内均设有自动舱门26、焊枪角度调整机构24、焊枪纵向调整机构28、焊枪横向调整机构29、摄像照明机构23和排烟器27；焊接室自动舱门26开启后摄像照明机构23和排烟器27自动开启。在船上遥控操作焊枪角度调整机构24、焊枪纵向调整机构28和焊枪横向调整机构29来调整焊枪夹持机构25的位置和形态，使焊枪对准套管和新或旧管道间形成的角焊缝，按照规定的焊接工艺进行GMAW堆焊+角焊焊接作业。完成套管一端的焊接后，重复焊枪调整操作，对套管的另一端进行焊接；焊接过程中必须持续向焊接舱内注入高压保护气，确保焊接舱、新旧管道和套管所形成的密闭空间内气压高于外界水压。
本发明涉及的无潜式水下管道遥操作焊接维修方法和设备的具体操作过程为：①利用H型管道支撑架2将管道破损段抬起一定高度，对破损管道的两端进行清理和切断，切断处尽量靠近液压卡爪33；②船上预制两端装配有套管9和套管定位器4的新管段时，新管段的长度应和切下破损管段的长度一致；③放下新管段时，尽量使新管段端部和旧管道端部对齐，启动套管定位器4推动安装在新管段端部的套管实现新、旧管道的初步连接；④移除套管定位器4，并将焊接舱5移至套管9上方中间位置，启动焊接舱5，依次完成抱管、排水、预热和焊接等工作，实现新旧管到和套管的连接；⑤一端焊接完成后，打开焊接舱5，并移动至另一端，重复抱管、排水、预热和焊接工序；⑥两端均焊接完成后，回收焊接舱5，并对修复处的管道进行防腐和配重处理等；⑦利用H型管道支撑架2将修复后的管道放回海底，并回收管道支架2。
本发明实际使用时，首先根据破损管道的外径选择合适的卡箍内径；将破损管道抬起并切除破损段，根据切除破损段的尺寸在船上预制新管段；利用套管预连接新旧管道，并用GMAW堆焊+角焊焊接工艺完成套管和新旧管道间的焊接；完成修复后，回收套管定位器、焊接舱和H型管道支撑架等。
本发明的无潜式水下管道遥操作焊接维修方法和设备具有以下优点：
(1)通过套管初步连接新、旧管道，并用GMAW堆焊+角焊焊接工艺完成套管和管道间的焊接，进而降低了管道修复过程中水下管道对中和焊接操作的难度，减少了水下焊接坡口加工工序。
(2)船上预制新管段时，将套管9和套管定位器4一并安装在新管段两端，减少了水中作业工序。
(3)焊接舱5抱紧管道后，焊接舱、套管和新旧管道间形成密闭的空间，通过排水、预热等作业后，营造了水下的无潜水员辅助的干式焊接作业，降低了焊接工艺难度，提高了焊接质量。
(4)焊接舱5由舱瓣16和卡爪20组成，设在卡爪20上的卡箍21的内径和待维修管道外径配合，待维修管道尺寸变化时，仅需要更换卡箍21，进而大大提高了焊接舱的适用范围，降低了设备建造成本。
(5)焊接过程中，焊接舱5绕舱瓣和卡箍间形成的“T”型轨道旋转，避免了管道圆度对焊接舱旋转运动的影响，提高了维修过程的操作性能；卡箍21和管道间为静连接，提高了水下作业时卡箍和管道间的密封可靠性。
(6)焊接舱5的两侧对称设置有焊接室12和17，焊接时两个焊接室分别焊接对应侧的焊缝，使得焊接过程无空行程，大大提高了水下作业效率。
(7)重量调节室19的设置，使得排空液相后的焊接舱整体密度与其所在位置水的密度一致，避免了重力、浮力等对焊接舱旋转速度的影响，提高了设备的操作性能。
(8)自动舱门26和安装在排水室18内的水位传感器连锁，只有当水位传感器确定位于焊接舱底部的排水室18内无水时，才可以打开自动舱门26，提高了维修过程的安全性能。
在实际操作中，本发明的无潜式水下管道遥操作焊接维修方及设备主要用于深水和超深水水下管道维修，解决无潜式管道焊接修复过程中大直径管道对中难、对焊焊接工艺操作复杂以及机械维修大值径管道时费用高、周期长等问题。维修时，通过套管预连接新旧管道，采用GMAW堆焊+角焊的焊接工艺连接套管和新旧管道，减少了水下管道焊接坡口的制作工序，所有的水下作业均采用遥控操作，无需潜水员辅助，适用于深水和超深水的水下大直径管道维修作业。在船上进行新管段预制，同时将套管和套管定位器安装在新管段两端，最大限度的降低了水下作业的工作量。利用焊接舱在水下形成的封闭空间，实现干式环境下的焊接操作，提高了焊接质量。焊接舱两侧设有对称的两个焊接室，焊接过程无空行程，大大提高了焊接效率。焊接舱由舱瓣和卡爪两部分组成，通过调整卡爪上卡箍的内径实现了一个焊接舱维修多种尺寸管道，提高了设备的适用性，降低了维修成本。设计水深1000m，对环境温度没有特殊要求，所有水下作业均可以在船上遥控操作，满足深水和超深水水下管道的无潜水员辅助的修复要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种无潜式水下管道遥操作焊接维修设备，其特征在于，包括H型管道支撑架(2)、套管定位器(4)、焊接舱(5)、套管(9)；
所述H型管道支撑架(2)上设上有液压驱动的高低调整机构(30)、左右调整机构(31)、前后调整机构(32)和抱管卡爪(33)；
所述套管定位器(4)上设置有液压驱动的套管定位卡爪(34)；
所述套管(9)带有楔形密封环(10)；
根据切下破损的旧管段长度在船上预制新管段(11)，预制的新管段(11)放入水下前，其两端分别安装所述套管定位器(4)和带有楔形密封环(10)的套管(9)，预制的新管段(11)水下就位后，启动所述套管定位器(4)上的套管定位卡爪(34)推动所述套管(9)与旧管道(7)初步连接；
所述焊接舱(5)包括三个焊接舱瓣(16)和六个焊接舱卡爪(20)，闭合后成六边形结构，中间的焊接舱瓣(16)上设有驱动室(14)，左焊接室(12)和焊接舱重量调节室(19)安装在左焊接舱瓣(16)上，右焊接室(17)和焊接舱排水室(18)安装在右焊接舱瓣(16)上，左焊接室(12)与右焊接室(17)呈对称布置，所述驱动室(14)设有驱动机构和驱动齿轮(13)；
所述焊接舱卡爪(20)上设有焊接舱驱动从动齿轮(22)、卡箍(21)和T形槽，所述焊接舱(5)的三个焊接舱瓣(16)两端通过T形轨道装于所述T形槽中，卡箍(21)的内径与待维修管道外径一致，所述从动齿轮(22)与所述驱动齿轮(13)啮合，同一焊接舱(5)匹配多种不同尺寸的焊接舱卡爪(20)；
所述左焊接室(12)与右焊接室(17)通过自动舱门(26)和焊接舱(5)、套管(9)以及新旧管道组成的封闭焊接空间连通，所述自动舱门(26)与安装在所述排水室(18)内的水位传感器连锁；
所述排水室(18)的外表面上设有单向排水阀，排水室(18)的舱门始终处于开启状态，所述左焊接室(12)和右焊接室(17)的自动舱门(26)开启前，先启动焊接舱(5)的驱动机构，使焊接舱(5)在限定范围内往复摆动，以尽量将舱内剩余的水自排水室(18)排出；
所述重量调节室(19)用于调节焊接舱(5)的平衡，并使排空水后的焊接舱(5)整体密度接近其所在位置水的密度；
所述套管(9)两端设有长度为30mm到50mm的内锥面，最外端内径比待维修管道外径大5mm以上，距所述套管(9)两端向中间60mm处设置有环形密封槽，环形密封槽内装有楔形密封环(10)，所述楔形密封环(10)内径大的一端朝外侧安装；
所述楔形密封环(10)为中空型，受压时能产生较大的变形，其最大内径比所述套管(9)的内径大1mm，最小内径比待维修管道外径小5mm到10mm；
所述焊接舱瓣(16)闭合后，每端的三个从动齿轮(22)组成一个完成的圆柱齿轮，焊接舱瓣(16)两端的T形轨道和卡箍(21)上的T槽也分别组成一完整的圆环，闭合后，焊接舱卡爪(20)与焊接舱瓣(16)同轴；
所述左焊接室(12)与右焊接室(17)内均设有焊枪角度调整机构(24)、焊枪纵向调整机构(28)、焊枪横向调整机构(29)、摄像照明机构(23)和排烟器(27)。
2.一种权利要求1所述的无潜式水下管道遥操作焊接维修设备实现无潜式水下管道遥操作焊接维修方法，其特征在于，包括：
利用H型管道支撑架(2)固定破损管段，调整旧管的位置，焊接过程维持焊接舱(5)和管道的平稳；
新管段(11)根据切下来的破损管段长度在船上预制；
在船上将套管定位器(4)和带有楔形密封环(10)的套管(9)安装在新管段(11)的两端；
套管定位器(4)在水下的唯一动作是推动套管(9)实现新旧管道的初步连接；
利用套管(9)两端直径大于管道外径的特性初步连接新旧管道，安装在套管(9)内的楔形密封环(10)具有较大的变形量，提供密封压紧力的同时还可以补偿水下管道的圆度误差；
焊接舱(5)闭合后，焊接舱(5)、新旧管道和套管(9)组成一封闭的空间，在重量调节室(19)作用下，焊接舱(5)处于静平衡状态，旋转过程中可以在任意位置停稳，且排空水后的焊接舱(5)整体密度接近于其所在位置水的密度，焊接过程中焊接舱(5)处于悬浮状态；
采用高压保护气排出焊接舱(5)、新旧管道和套管(9)组成的封闭空间内的水，营造干燥的焊接环境；
焊接舱(5)向水下放置时尽量使排水室(18)在下面，在重量和高压气体的作用下，排出的水会从焊接舱(5)最低点的位于排水室(18)外表面的排水阀排出；
只有当水位传感器确定位于焊接舱(5)底部的排水室(18)内无水时，才允许打开自动舱门(26)；
左焊接室(12)和右焊接室(17)的自动舱门(26)开启后，设置在两个焊接室内的摄像照明机构(23)和排烟器(27)自动开启；
在船上遥控操作焊枪角度调整机构(24)、焊枪纵向调整机构(28)和焊枪横向调整机构(29)来调整焊枪夹持机构(25)的位置和形态，使焊枪对准套管(9)和管道间形成的角焊缝，按照规定的焊接工艺进行GMAW堆焊+角焊焊接；完成套管(9)一端焊接后，重复焊枪调整操作，对套管(9)的另一端进行焊接；
焊接过程中持续向焊接舱(5)内注入高压保护气，确保焊接舱、新旧管道和套管(9)所形成的密闭空间内的气压高于外界水压。
3.根据权利要求2所述的无潜式水下管道遥操作焊接维修方法，其特征在于，所有水下作业均在船上遥控操作，无需潜水员辅助。
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