CN110107740A - 一种用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置，适用于管道最大直径介于280～500mm之间、水深≤60m、管道悬跨高度≤2m的海底管道悬跨处理情况。它包括头部液压系统、支撑杆、伸缩臂液压缸、打桩机构、旋转机构驱动电机、抓取机构、抓取驱动缸、定位杆、提拉缸、输油管道、限位块等组件。本发明的立式桩支撑装置由于其安装施工简单方便，工期短，可以适应多种复杂的海底地理环境，且不需要人工水下作业，其优势日益显现出来。

Description

一种用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置

技术领域

本发明涉及一种用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置，属于海洋装备技术领域。

背景技术

海底管道是海上油田生产系统中的一个重要组成部分，被称为海上油气田开发的生命线，是一种高效、经济可靠的油气输送方式。维护海底管道的安全是保证安全生产和保护海洋环境的重要环节，因此保护海底管道的安全尤为重要。海底环境相对于陆地来说比较恶略，海水对海床面的冲刷，海底地形的凹凸不平以及管道的残余应力等都会使输油管道产生悬跨现象。海底管道悬跨现象的出现会改变输油管道的受力，当海底的水流经过悬跨的管道时将会引起管道产生周期性的震动，即涡激振动。一旦这种振动引起的动应力超过疲劳极限，管道就会在悬空最严重的部分产生应力集中以致产生疲劳裂纹。当海底管道局部位置超过一定的屈服极限，就极有可能断裂，造成油气泄露等海上重大污染事故，严重破坏海洋生态系统的平衡，并给油气公司带来巨大的经济损失。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置。

本发明的目的是这样实现的：包括打桩机构、旋转机构、伸缩臂、提拉缸和抓取机构，打桩机构下方设置有支撑桩，旋转机构包括设置在支撑桩上的电机托盘，电机托盘上安装有电机，电机输出端设置有小齿轮，电机托盘上还设置有大齿轮，小齿轮有大齿轮啮合，伸缩臂与大齿轮连接，提拉缸竖直设置在伸缩臂的末端，抓取机构包括与提拉缸输出端连接的支撑板、对称设置在支撑板两侧的抓取驱动缸，每个抓取驱动缸的输出端连接有一推杆，每个推杆的下端铰接有两个连杆，每个连杆的端部铰接有一卡爪，卡爪铰接在支撑板上，在支撑板上还设置有限制推杆位移的限位块，支撑板的下端是与管道配合的圆弧形状，在支撑板中间位置设置有定位套杆，定位套杆的下端设置有弧形杆。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.在伸缩臂的末端设置有头部液压系统，头部液压系统包括用于控制伸缩臂的伸缩臂控制回路、用于控制抓取机构的抓取机构控制回路和用于控制提拉缸的提拉缸控制回路。

2.打桩机构包括缸体、设置在缸体内的活塞和锤芯，缸体上端形成锤顶腔，缸体的进油端依次连接进油阀、进油侧储能器、滤油器、液压泵和油箱，缸体的回油端依次连接并联设置的回油阀和单向阀、回油侧储能器、滤油器、油箱；在打桩之前进油阀和回油阀均处于导通状态，液压油高低压两端直接相连，形成一个回路，打桩开始时，回油阀通电关闭，进油阀仍处于断电导通状态，液压泵输出的高压油进入活塞下空隙中，锤芯被高压油顶起，锤顶腔中空气被压缩，形成高压气体，进油阀通电关闭，回油阀断电打开，活塞下空隙中的高压油返回油箱，锤芯依靠自身重力和锤顶腔内高压气体的压力落下，完成打桩动作。

3.在伸缩臂与支撑桩之间设置有支撑杆。

4.定位套杆包括与支撑板连接的外杆、设置在外杆内的内杆、设置在内杆与外杆之间的弹簧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明由自带的打桩机构将支撑桩打入海底面以下，实现整个支撑装置的固定。旋转机构带动伸缩臂旋转到合适的位置。伸缩臂的伸缩缸在液压系统的驱动下伸缩到要抓取管道的正上方。抓取机构的升降由提拉缸控制。抓取管道前由定位杆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，当推杆与限位块接触时管道被夹紧并实现自锁，保证夹紧的可靠性。

本发明的立式桩支撑法是治理海底管道悬跨的一种可靠有效的方法，只需要利用打桩机构将支撑桩打入海底面，利用支撑桩上的旋转、伸缩、抓取等机构自动抓取悬跨管道，然后通过提升装置提拉管道到指定的位置。立式桩支撑装置由于被打桩机构打入到海底面很深的地方，所以具有很好的稳定性和可靠性，并且可以适应复杂的海底地形，由于支撑装置采用立式桩，所需要的工作空间小，对海底面的平整度要求不高，但对于海底面太硬或太软的情况不太适用。当支撑装置被打桩机构固定到水下以后，它能够自动完成管道的抓取，提拉和固定，不需要潜水员在水下作业，具有一定的自动化能力。

本发明是一种通过打桩机构将一根带有伸缩臂的钢柱打入海底面，并由伸缩臂上的抓取机构抓取和固定管道从而消除管道悬跨的结构支撑装置。它可以处理悬跨高度不大于2米且水深不超过60米的悬跨管道。结构支撑装置采用液压和电机共同驱动的方式，可以通过钢柱上的旋转机构将伸缩臂旋转到合适的位置，然后通过定位杆使伸缩臂上的抓取机构准确的抓取并提拉管道至指定高度。它具有安装过程简单，工期短，适应海底地形变化性强等优点。

附图说明

图1是用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置主视图；

图2是用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置旋转机构图；

图3是用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置打桩机构图；

图4是用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置头部液压系统图；

图5是用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置抓取机构图；

图6是用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置液压系统图。

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6，本发明的目的是公开一种用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置，适用于管道最大直径介于280～500mm之间、水深≤60m、管道悬跨高度≤2m的海底管道悬跨处理情况。它包括头部液压系统、支撑杆、伸缩臂液压缸、打桩机构、旋转机构驱动电机、抓取机构、抓取驱动缸、定位杆、提拉缸、输油管道、限位块等组件。

一种用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置由图1中的支撑杆1、旋转机构2、支撑桩3、打桩机构4、伸缩臂5、头部液压系统6、提拉缸7、抓取机构8组成。其中，旋转机构由图2中的套筒2-1、电机托盘2-2、电机2-3、小齿轮2-4、大齿轮2-5组成；头部液压系统由图4中的箱体6-1、液压泵6-2、控制阀组6-3、蓄能器6-4组成；抓取机构由图5中的抓取驱动缸8-1、推杆8-2、限位块8-3、定位套杆8-4、支撑板8-5、卡爪8-6组成。工作时，首先由打桩机构将整个支撑装置固定在水下，然后由旋转机构的电机2-3带动与伸缩臂固连在一起的大齿轮2-5转动，伸缩臂通过套筒2-1和支撑钢桩3连接，通过控制电机使伸缩臂转动到悬跨管道的正上方；接下来进行悬跨管道的抓取与提拉，先由抓取驱动缸8-1的活塞杆向上运动，同时活塞杆推动推杆8-2也向上运动，实现了卡爪8-6的张开动作；接着提拉缸7的活塞杆向下运动，定位套杆8-4下端的弧状杆与悬跨管道接触，定位套杆被逐渐压缩，当定位套杆的内杆缩到最短的位置时，悬跨管道与支撑板的下圆弧面接触，提拉缸停止运动，此时为抓取管道的最佳时机；接下来抓取驱动缸8-1的活塞杆向下运动并带动推杆8-2一起向下运动，实现了卡爪自身的闭合以及对悬跨管道的抓取；当推杆8-2与限位块8-3接触时，卡爪已经完全闭合，此时机构处于自锁状态；在抓取机构完成抓取提拉动作之后，整个装置处于静止状态，此时卡爪承受管道向下的重力，这使得机构处于自锁状态。即使撤去了驱动力，卡爪也不会张开，很好的保证了海底管道的安全运营。

液压系统：在立式桩支撑装置中，液压传动控制系统的作用是通过液压系统控制的液压缸来控制伸缩装置的伸缩、悬跨管道的抓取以及对抓取机构的提拉等动作，整个液压传动控制系统分为伸缩机构控制回路、抓取回路以及提拉回路三个部分。装置的整个液压系统被密封在伸缩臂头部的箱体之中，采用螺栓连接，且连接处用O形圈密封，头部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。液压系统采用三角柱体油箱以达到节省空间的目的，油箱上面布置有电机并设有两个蓄能器，保证在脐带断开后补偿液压缸的压力损失。剩余部分安置各种控制阀来控制每个液压缸按预期设定正常工作。

液压系统工作原理：用于处理海底管道悬跨的立式桩结构支撑装置的操作过程分为机构的安装固定、伸缩臂伸缩、管道抓取及锁紧、管道提拉四个步骤。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，提出了以下作业方案：

1)机构安装固定：打桩机构的液压系统置于工作船上，打桩机构的顶部设置有吊耳，下端有法兰，打桩之前先在工作船上用法兰和螺栓将打桩机构和支撑钢桩连接起来，然后用吊机将整个装置吊入水下，待打桩机构将钢桩打入海底面以下完成打桩任务后，由潜水员将螺栓拆卸，将打桩机构吊回工作船上。打桩机构由图3中的液压泵4-1、滤油器4-2、进油侧储能器4-3、进油阀4-4、活塞4-5、锤顶腔4-6、回油阀4-7、回油侧储能器4-8、单向阀4-9、锤芯4-10组成，打桩机构在打桩之前进油阀4-4和回油阀4-7均处于导通状态，液压油高低压两端直接相连，形成一个回路。打桩开始时，回油端电磁阀4-7通电关闭，进油阀4-4仍处于断电导通状态，液压泵输出的高压油进入活塞下空隙中，锤芯被高压油顶起，锤顶腔4-6中空气被压缩，形成高压气体。然后，进油阀4-4通电关闭，回油阀4-7断电打开，活塞下空隙中的高压油返回油箱，锤芯4-10依靠自身重力和锤顶腔内高压气体的压力落下，完成打桩动作。液压打桩机构适用于各类土层，而且在精度要求高时也适用。

2)伸缩臂伸缩：在伸缩机构工作时，控制图6中的电磁铁1YA通电，使三位四通电磁换向阀V1的左位工作，经过减压阀J1调压的油液进入调速阀Q1进行调速，然后经过液控单向阀流入伸缩机构的液压缸G1内，从而推动机构的伸出。在机构伸出到合适的位置之后，控制电磁换向阀V1回归中位，使液压缸在该位置保持停止，等待进行下一步动作。

3)管道抓取：在机构伸出到合适的位置之后，便是对悬跨管道的抓取。由于抓取机构左右两侧的两个抓取驱动缸的工作原理完全相同，所以这里只对其中一个进行了说明，在抓取机构下放之前，首先控制电磁铁3YA通电，使电磁换向阀V2的左位工作，然后压力油流经双向液压锁后进入抓取驱动缸G2，此时抓取机构的卡爪张开；接着使电磁铁5YA通电，电磁换向阀V3的左位进行工作，此时抓取装置下降：等到定位杆确定了抓取时机之后，电磁铁6YA通电，电磁换向阀右位工作，此时卡爪闭合，实现了对悬跨管道的抓取。然后抓取液压缸在液控单向阀的作用下实现锁紧，防止管道的松脱。

4)管道提拉：在抓取管道之后，便是对悬跨管道进行提拉。提拉时，电磁铁6YA通电，电磁换向阀V3的右位进行工作，油液从有杆腔进入液压缸G3，活塞杆上升，同时整个抓取装置也跟着一起上升。等管道提拉到合适的位置之后，控制电磁换向阀V3处于中位，此时提拉停止，此后整个抓取装置就稳定保持在这个位置。

此用于海底管道悬跨治理的立式桩支撑装置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)装置具有处理悬跨高度不大于2m的悬跨管道的能力；

3)装置能够治理不同尺寸规格管道的悬跨问题。

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φ280～500mm、水深≤60m、管道悬跨高度≤2m，提升管道的重量最大50KN的消除海底管道悬跨的作业。伸缩机构液压缸行程为1500mm，液压缸内径为φ50mm，液压泵压力2.2KW。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6所示，结构支撑装置的设计参数为：

规格(长×宽×高)：2000×2000×2600mm；重量：1500kg；图1中的支撑杆1长度：900mm，直径：φ80mm；伸缩机构5的伸缩臂最大长度：1500mm，液压缸内径：φ50mm；旋转机构2的电机2-4选择Y系列电机Y132S-8，电机托盘2-2壁厚：20mm；支撑桩3长度：4000mm，直径：φ325mm；头部液压系统6的油箱容积：40L，液压泵压力：16Mpa；提拉缸7缸筒直径：φ194mm，行程：700mm；抓取机构8的卡爪8-1壁厚：35mm，支撑板8-3板厚：30mm，板宽：450mm；抓取驱动缸8-4缸筒直径：φ50mm，行程：28mm；定位杆8-6长：250mm。

用立式桩支撑装置进行海底悬跨管道的治理时，首先利用图1中的打桩机构4将钢柱3打入海底面很深的地方，然后由旋转机构的电机2-4驱动伸缩臂5旋转到合适的方位，伸缩臂在液压缸的驱动下伸缩，使伸缩臂上的抓取机构移动到悬跨管道的正上方，通过定位杆的作用使抓取机构准确抓取管道，并由提拉缸7提拉管道至指定的高度。

本发明的立式桩支撑装置由于其安装施工简单方便，工期短，可以适应多种复杂的海底地理环境，且不需要人工水下作业，其优势日益显现出来。

Claims (9)

1.一种用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置，其特征在于：包括打桩机构、旋转机构、伸缩臂、提拉缸和抓取机构，打桩机构下方设置有支撑桩，旋转机构包括设置在支撑桩上的电机托盘，电机托盘上安装有电机，电机输出端设置有小齿轮，电机托盘上还设置有大齿轮，小齿轮有大齿轮啮合，伸缩臂与大齿轮连接，提拉缸竖直设置在伸缩臂的末端，抓取机构包括与提拉缸输出端连接的支撑板、对称设置在支撑板两侧的抓取驱动缸，每个抓取驱动缸的输出端连接有一推杆，每个推杆的下端铰接有两个连杆，每个连杆的端部铰接有一卡爪，卡爪铰接在支撑板上，在支撑板上还设置有限制推杆位移的限位块，支撑板的下端是与管道配合的圆弧形状，在支撑板中间位置设置有定位套杆，定位套杆的下端设置有弧形杆。

2.根据权利要求1所述的一种用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置，其特征在于：在伸缩臂的末端设置有头部液压系统，头部液压系统包括用于控制伸缩臂的伸缩臂控制回路、用于控制抓取机构的抓取机构控制回路和用于控制提拉缸的提拉缸控制回路。

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立式桩支撑装置，其特征在于：打桩机构包括缸体、设置在缸体内的活塞和锤芯，缸体上端形成锤顶腔，缸体的进油端依次连接进油阀、进油侧储能器、滤油器、液压泵和油箱，缸体的回油端依次连接并联设置的回油阀和单向阀、回油侧储能器、滤油器、油箱；在打桩之前进油阀和回油阀均处于导通状态，液压油高低压两端直接相连，形成一个回路，打桩开始时，回油阀通电关闭，进油阀仍处于断电导通状态，液压泵输出的高压油进入活塞下空隙中，锤芯被高压油顶起，锤顶腔中空气被压缩，形成高压气体，进油阀通电关闭，回油阀断电打开，活塞下空隙中的高压油返回油箱，锤芯依靠自身重力和锤顶腔内高压气体的压力落下，完成打桩动作。

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立式桩支撑装置，其特征在于：在伸缩臂与支撑桩之间设置有支撑杆。

5.根据权利要求3所述的一种用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置，其特征在于：在伸缩臂与支撑桩之间设置有支撑杆。

6.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立式桩支撑装置，其特征在于：定位套杆包括与支撑板连接的外杆、设置在外杆内的内杆、设置在内杆与外杆之间的弹簧。

7.根据权利要求3所述的一种用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置，其特征在于：定位套杆包括与支撑板连接的外杆、设置在外杆内的内杆、设置在内杆与外杆之间的弹簧。

8.根据权利要求4所述的一种用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置，其特征在于：定位套杆包括与支撑板连接的外杆、设置在外杆内的内杆、设置在内杆与外杆之间的弹簧。

9.根据权利要求5所述的一种用于处理海底管道悬跨的立式桩支撑装置，其特征在于：定位套杆包括与支撑板连接的外杆、设置在外杆内的内杆、设置在内杆与外杆之间的弹簧。