CN112629396A - 一种深水管道回接位姿测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深水管道回接位姿测量装置，由测量装置(I)与测量装置(II)及辅助测量钢丝绳3组成。其中测量装置(I)的结构主要包括正交倾角测量机构、法兰对接机构以及俯仰与水平摆角测量机构。测量装置(II)的结构主要包括正交倾角测量机构、法兰对接机构、绳长检测机构以及俯仰与水平摆角测量机构。本发明通过设计相应对接机构从而充分利用法兰端面定位以及法兰外圆夹紧，提升了轴向定位精度，从而将法兰端面与测量绳伸出位点的间距从一个未知量变为固定值；本发明将钢丝绳在测量装置中的引出位点调整至相对应被测管道的中心轴延长线上，进而同样在基于过渡矩阵算法的基础上简化求解过程。

Description

一种深水管道回接位姿测量装置

技术领域

本发明涉及一种深水管道回接位姿测量装置，是一种针对深海管道回接作业时用于测量管道间相对距离与角度的测量装置，属于深水测量作业设备领域。

背景技术

随着经济的蓬勃发展，各国对油气资源的需求与日俱增。近年来由于陆地资源的日渐减少，各国都将油气资源开发的重点投向了深海。在近10年被探明的超过l亿吨储量的油气田中，海洋油气田约占60％且其中一半位于水深500m以上的海域。因此，深海油气开采装备与技术也随之成为国际海洋工程界研发的热点。近年来随着我国对深海油气资源的开发以及经济的快速增长，极大地促进了油气输送通道与区域配送管网的发展。而对于深水油气的开发，其主要面临的难题有：复杂与极端的海底环境，深水的高压、低温，远程遥控操作，水下分离与生产作业以及长距离水下回接作业等。经验表明，水下回接技术作为深海管道铺设过程中的一项重要技术，对油气的开发意义重大。水下回接技术即：将新开发的生产管道并入已建成的管道网络中，从而充分利用已建设施，更加经济、有效地开发边际油田。考虑到海底地形因素以及深水恶劣环境的影响，待回接管道下放至海底后与预留管道间存在一定的距离以及相对角度。因此，如何在错综复杂的海底环境条件下将待回接管道并入已建好的管网中，是水下回接技术主要解决的问题。通常采取定制一根中间连接短管来完成两管道之间的连接，短管的形状完全取决于待连接管道在海底的相对位姿参数。如何准确地测量该参数，即：两海底管道的法兰间距与角度等相对空间位置，是水下回接技术的关键。

目前针对其的水下测量法主要有水声测量法与辅助拉绳测量法。而辅助拉绳测量法视作业深度分为潜水员辅助拉绳测量法和ROV辅助拉绳测量法。在深水作业领域，在测量精度方面水声测量法与辅助拉绳测量法的测量精度相当，并且相对于辅助拉绳测量法水声测量法的应用更加广泛。但在对作业环境的要求上，由于易受水下环境中杂质影响，水声测量法对作业环境的要求相对较高。如：水下悬浮物会使声速改变，从而导致不真实的测量误差。从测量装置安装的角度来看，水声测量的应答器在安装和回收过程相对复杂，易造成破坏或丢失，导致一定的经济损失。此外，水声测量过程耗时较长导致其经济性较差。因此，当环境噪声较大时或特殊地形，如：漏斗地形造成潜在的声波反射以及在海洋平台等钢结构上进行测量作业时，前者相对于水声测量法更有优势。

目前现有针对回接作业设计的深水管道位姿测量系统主要包括1999年挪威NGI公司与英国Deep Water Solutions公司联合开发的Smart Wire辅助绳测量系统以及2010年哈尔滨工程大学所提出的一种基于被测管道定位的深海管道位姿测量系统。根据相关文献分析，上述测量系统一定程度上可以较好满足测量作业的需要，但仍存在一定的不足：

1.安装方式相对复杂。由于深水作业需要借助ROV的辅助完成，由于通过法兰螺栓孔安装的可操作性较低，现有设备皆通过对接底座安装在被测管道上。因此，一方面需设计专用底座与对接接头完成水下测量装置与管道的对接，从而导致ROV水下作业周期较长，增加作业难度。另一方面海底恶劣的环境导致管道不可避免地被腐蚀，从而影响底座连接的可靠性进而影响测量精度。此外，该对接结构导致测量绳的伸出位点不在被测管道中心线的延长线上，因此，一定程度上增加了求解的难度与计算量，在通过上位机求解时会不可避免地造成测量误差与不确定度的累积；

2.测量装置没有设计相应轴向定位机构，即实际对接底座与法兰端面的距离未知。通过对过渡矩阵求解算法分析可得，虽然底座与法兰端面间的偏移值相对两法兰间距较小，但不利于误差与不确定度的控制。由于相关文献并未对偏移量的解决进行讨论，而在实际深水测量作业过程中利用螺栓孔安装较为困难，因此偏移量无法避免且无法精确测量，需对其进行结构上的改进与优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种以法兰端面定位安装的水下管道位姿测量装置，在保证测量精度的前提下通过对结构的优化从而简化安装过程与求解过程的测量装置。

本发明的目的是这样实现的：包括测量装置I、测量装置II、辅助测量钢丝绳，测量装置I和测量装置II均包括依次设置的摆角测量机构、法兰对接机构和正交倾角测量机构，测量装置II还包括设置在摆角测量机构和法兰对接机构之间的绳长检测机构，摆角测量机构包括十字轴组件、设置在十字轴组件上的前方向节和后万向节、设置在十字轴组件的两个轴上的编码器I和编码器II，法兰对接机构包括标准三爪卡盘和驱动电机、设置在标准三爪卡盘上的T字架、设置在标准三爪卡盘上的用于消除法兰连接机构与法兰端面间的间距的电磁铁组件，正交倾角测量机构包括承压壳体、设置在承压壳体两端的后盖板和前盖板、设置在承压壳体内的水浸传感器和正交倾角传感器，正交倾角测量机构与法兰对接机构的端面连接；所述摆角测量机构包括与测量装置II的后万向节连接的连接板、设置在连接板上的安装框架、对称设置在安装框架中的两组压紧轮和位于两组压紧轮中间位置的大摩擦轮、设置在大摩擦轮轴上的磁耦合编码器组件，测量装置I的后万向节连接板与对应的法兰倾角测量机构的另一端连接，测量装置II的法兰倾角测量机构与摆角测量机构端面连接；辅助测量钢丝绳的一端与绞车连接、另一端穿过摆角测量机构的安装框架后依次绕过第一组压紧轮、大摩擦轮和第二组压紧轮后穿出安装框架，再穿过测量装置II的后万向节、十字轴组件和前万向节，再穿过测量装置I的前万向节、十字轴组件后与后万向节连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.标准三爪卡盘包括卡盘体、夹持臂和卡爪驱动机构。

2.正交倾角测量机构在工作过程中位于待连接管道中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本发明通过设计相应对接机构从而充分利用法兰端面定位以及法兰外圆夹紧，提升了轴向定位精度，从而将法兰端面与测量绳伸出位点的间距从一个未知量变为固定值；2.该测量装置安装简便。不同于基于管道定位的测量装置的安装方式，基于法兰定位的结构设计通过一次安装就可完成夹持作业，而基于管道定位的结构设计需通过先安装对接底座后再完成测量装置的对接。因此本发明可大大降低实际水下作业时操作的难度，提升作业效率；3.本发明将钢丝绳在测量装置中的引出位点调整至相对应被测管道的中心轴延长线上，进而同样在基于过渡矩阵算法的基础上简化求解过程。

附图说明

图1为测量系统总体示意图；

图2为正交倾角测量机构结构示意图；

图3为测量装置(I)中水平、俯仰摆角测量机构结构示意图；

图4为测量装置(II)中水平、俯仰摆角测量机构结构示意图；

图5为法兰对接机构结构示意图；

图6为绳长检测机构结构示意图；

图7相对距离求解示意图；

图8相对角度求解示意图。

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。

结合本发明的装置的作业环境与操作方式，即在实际测量过程中通过ROV运载测量装置至指定作业区域并完成与管道的对接安装，设计相应对接机构使得测量设备以法兰端面定位安装，保证钢丝绳在测量装置中的伸出位点与法兰端面的间距是一个固定值。此外，基于该对接机构对测量装置进行设计，包括测量装置(I)与测量装置(II)。二者均由正交倾角测量机构，水平与俯仰摆角测量机构以及法兰对接机构组成，其用于对钢丝绳相对不同坐标系的各角度进行测量，包括：测量装置相对绝对坐标系的正交倾角、相对自身坐标系的水平摆角以及俯仰摆角。其中测量装置(II)相对测量装置(I)增加一个绳长检测机构，其用于检测测量装置(I)拉出的钢丝绳长度。其中：

所述正交倾角测量机构安装于法兰对接机构的前部，在测量装置与被测管道对接后通过法兰中心孔插入管道内部。其主要包括安装于传感器安装板上的传感器组件，包括水浸传感器与正交倾角传感器、密封组件、承压组件以及水密接头组件；

所述水平、俯仰摆角测量机构在测量装置(I)与测量装置(II)中的结构略有不同。在测量装置(I)俯仰摆角测量机构直接通过法兰对接机构中底部连接板与其连接，而在测量装置(II)中其安装于绳长检测机构前端。该机构主要由十字轴组件、万向节组件、编码器组件以及轴承组件组成。测量绳在测量装置安装作业后直接反映管道的位姿，从而带动十字轴组件与万向节组件转动完成测量绳相对各测量装置坐标系的各角度值的获取；

所述法兰对接机构主要由安装于上、下外壳中的传动组件、驱动电机部分、夹持臂、电磁铁组件，包括电磁铁以及滑轮、底部连接板所组成。实际作业过程中通过电磁铁组件消除测量装置与法兰端面的偏置量并通过驱动电机带动夹持臂完成夹持作业。另外在该机构顶部设计T字架便于ROV作业夹持；

所述绳长检测机构参照专利CN 101655364A深海管道位姿精确测量装置中所提出的一种绳长检测方法进行适当的结构调整。该机构主要包括支撑组件、压紧轮组件、摩擦轮组件以及磁耦合编码器组件。钢丝绳在压紧轮的作用下通过摩擦力带动摩擦轮转动，摩擦轮的转动角度可由磁耦合传感器测量而得，进而求得钢丝绳作业长度。

其次通过上述各角度与长度测量值并结合钢丝绳水下悬链线模型与过渡矩阵算法进而完成两管道间相对距离与位姿参数的求解。

该装置不仅适用于深水测量作业，同样也可用于浅水测量作业。

本发明的基于法兰定位的深水管道位姿测量系统主要设计参数为：

1)测量系统的工作水深为1500m；

2)两被测量管道最大距离为30m，陆地实验的最大测量距离为7m；

3)测量装置可实现的测量角度范围为±60°；

4)在7m测量作业时误差不大于60mm；角度测量误差不大于±1°；

5)作业海况为：波高≤2.5m；波浪周期6.0-12s；流速2节。

结合图1至图6，本发明，即一种深水管道回接位姿测量装置主要由测量装置(I)2与测量装置(II)4及辅助测量钢丝绳3组成。其中测量装置(I)2的结构结合图1、图2、图3与图5进行阐述，其主要包括正交倾角测量机构、法兰对接机构以及俯仰与水平摆角测量机构。测量装置(II)4的结构结合图1、图2、图4、图5以及图6进行阐述，其主要包括正交倾角测量机构、法兰对接机构、绳长检测机构以及俯仰与水平摆角测量机构。

正交倾角测量机构主要由水密接头组件6、承压组件，即前盖板7、承压壳体9以及后盖板11、密封组件12，即O型密封圈以及传感器组件，即传感器安装板13、正交倾角传感器14以及水浸传感器15组成。传感器安装板13通过螺栓10设置在壳体内。由于作业水深最大为1500m，承压组件用于在深水作业过程中承受作业环境的高压，前盖板7、后盖板11与承压壳体间通过螺栓8连接，且盖板与壳体间通过O型密封圈进行密封。正交倾角传感器14与水浸传感器15通过螺栓连接安装于传感器安装板13上，前者用于对测量装置相对绝对坐标系倾角的测量，后者用于监测传感器舱的密封状态，若发生漏水便通过上位机及时发出警报。各传感器通过水密接头组件6与下位机连接通讯。

测量装置(I)2中水平、俯仰摆角测量机构主要包括磁耦合编码器组件，包括编码器(I)16与编码器(II)18、万向节组件，包括前万向节17与后万向节21、十字轴组件19以及滑动轴承组件20，包括滑动轴承以及轴承盖。十字轴组件19的水平轴一端利用螺栓安装编码器(I)16用于测量相对自身坐标系的俯仰摆角，另一端安装滑动轴承以减小转动摩擦力。编码器(II)18利用螺栓安装在后万向节21上，其用于测量相对自身坐标系的水平摆角。后万向节21背侧设计定滑轮结构以减小绞车张紧作业时的摩擦力，钢丝绳3通过前万向节17、十字轴组件19以及后万向节21上通孔经过定滑轮缠绕在搭载于ROV的绞车上。测量装置(I)2通过后万向节21与法兰连接机构螺栓连接。测量装置(II)4中水平、俯仰摆角测量机构主要包括磁耦合编码器组件，包括编码器(III)22以及编码器(IV)24、万向节组件，包括前万向节25与绳长检测机构连接板27、十字轴组件23以及滑动轴承组件26，包括滑动轴承以及轴承盖。同理，编码器(III)22通过螺栓连接安装在前万向节25上，其用于测量相对自身坐标系的俯仰摆角；编码器(IV)24利用螺栓安装在绳长检测机构底板上，用于测量相对自身坐标系的水平摆角。钢丝绳3经过绳长检测机构由十字轴组件以及前万向节上通孔引出，钢丝绳位姿的变化将带动前万向节17、25以及十字轴组件19、23进行转动，从而测得两十字轴组件中心孔连线的相对位姿。

法兰对接机构主要由T字架28、夹持组件和电磁铁组件32构成。其中夹持组件包含标准三爪卡盘29和驱动电机31组成，标准三爪卡盘29包括卡盘体、夹持臂33和卡爪驱动机构组成。电磁铁组件32，包括电磁铁与滑轮结构。电磁铁组件32用于消除法兰连接机构与法兰端面间的间距，为避免电磁铁与法兰端面吸附后摩擦阻力过大，因此设计滑轮机构以减小摩擦阻力。三爪卡盘中的卡爪驱动机构用于将驱动电机31的驱动力转换为夹持臂33的圆周夹持动作。其内部齿轮盘一面为伞状齿轮，另一面为平面螺纹。驱动电机输出轴轴头为小伞状齿轮。夹持臂末端为平面螺纹，其与齿轮盘平面螺纹面配合，当驱动电机带动小伞状齿轮转动时，小伞状齿轮通过与齿轮盘伞状齿轮一侧啮合，带动齿轮盘转动，而夹持臂通过与齿轮盘另一侧的平面螺纹啮合，实现在滑轨中的直线运动。该结构不仅具有自锁性，夹紧后不需要对电机持续供电，从而避免堵转对电机的损耗，而且该机构保证了较好的对中性。由于驱动电机的输出轴转速较低，可采用O型圈进行动态密封。T字架28作用为在测量装置的安装过程中便于ROV机械臂的夹持。在电磁铁组件通电后驱动电机工作，通过夹持臂的夹持力克服滑轮与法兰端面的摩擦并完成夹持作业。

结合图4与图6，绳长检测机构主要由支撑组件34，主要包括下底板、顶部安装板、左侧板以及右侧板、立柱35、压紧轮组件，包括轴套43、压紧轮轴36以及压紧轮39、摩擦轮组件，包括摩擦轮安装底座37、大摩擦轮轴38、滑动轴承42与大摩擦轮41、以及磁耦合编码器组件40，包括磁耦合编码器V、编码器安装底座以及调整垫片组成。各测量功能组件均通过螺栓连接安装在支撑组件34的顶部安装板与下底板间，并通过其在前端与水平、俯仰摆角测量机构利用螺栓连接。左侧板与右侧板用于引出测量钢丝绳3，同样利用螺栓安装在顶部安装板与下底板上。压紧轮组件主要用于调节测量钢丝绳3的张紧力，其包括四个压紧轮39以及压紧轮轴36。该组件安装在立柱35所开设的直槽口中，钢丝绳从左侧的一组压紧轮中间穿进，从大摩擦轮41下部分绕过，再从右侧的一组压紧轮中间穿出，通过调节压紧轮轴36的位置带动压紧轮39进而起到调节钢丝绳3相对大摩擦轮41的张紧力。轴套43用于调节两立柱间距进而减小立柱35与压紧轮39间的摩擦阻力且压紧轮轴36采用双螺母拧紧防松。摩擦轮轴38与大摩擦轮41间利用键连接，其一端利用挡圈限位，另一端与安装在编码器底座上的磁耦合编码器连接。从而两前万向节间所拉出钢丝绳的长度利用摩擦轮41带动摩擦轮轴38以角度形式通过磁耦合编码器进行测量。实际上，测量绳的水下线型在浮力与重力的作用下接近悬链线模型，因此，借助抛物线理论俯仰摆角θ_r与θ_b用于对两测量绳伸出位点间的直线距离的解算。

深水管道回接位姿测量装置的作业过程如下：

1)测量设备初始化，完成设备电气连接并检测各传感器是否工作正常；

2)将ROV移动至待作业区域，检查周围作业环境并对被测管道的法兰进行清刷；

3)定位ROV并选取合适作业姿态在被测管道(II)5的法兰端面安装测量装置(II)4；

4)移动ROV后将测量装置(I)2安装于被测管道(I)1的法兰端面上，具体过程为上位机向电磁铁组件发送信号，ROV将装置安装在法兰端面上，上位机再向夹持组件的驱动电机发送信号，驱动夹持组件中三爪卡盘29的夹持臂33收缩，夹持臂卡在法兰外边缘，使测量装置固定；

5)上位机给绞车发送收绳命令，绞车根据预设拉力拉紧测量绳，此时测量绳3处于张紧状态，从而带动测量装置测量装置(I)与测量装置(II)的水平与俯仰摆角测量机构运动，致使其中的各传感器值发生变化，获得钢丝绳张紧状态的位姿信息。；

6)通过上位机采集水平与俯仰倾角传感器、正交倾角传感器和磁耦合编码器的测量数据并解算，在上位机上显示管道间位姿；

7)上位机向绞车发送松绳命令，放松钢丝绳，再断开电磁铁，向夹持组件的驱动机电发送命令，使夹持臂伸出，松开与法兰端面的固定，通过ROV回收各测量装置并撤离，作业结束。

深水管道回接位姿测量装置的求解公式如下：

结合图7，测量装置I与II分别安装在被测管道I与II的法兰端面上，两法兰端面分别对应平面C与D，两测量装置中测量绳的伸出位点分别为A点与B点，过A点与B点分别做平面A与B与平面C与D。被测管道I的管道中心轴线与平面A及C分别交于A点与O_r点，被测管道II的管道中心轴线与平面B及D分别交于B点与O_b点。以O_r为原点建立绝对坐标系ΩR，先后绕x轴与y轴旋转坐标系ΩR至β_r与α_r建立参考坐标系Ω1，即被测管道I中心轴线为坐标系Ω1的y轴方向。同理建立绝对坐标系Ωb与参考坐标系Ω3。则法兰中心向量

满足：

其中，

在绝对坐标系中沿各坐标轴的长度为：

式中，m₁与m₂分别对应测量装置I与II中A点与B到法兰端面的垂直距离，由设计尺寸决定。L＝l²+c²为伸出位点间距，其根据悬链线理论的抛物线模型满足：

式中，l为测量绳弦长；c为两测量装置的高度差；T²θ_i＝tan²(θ_i)；Tθ_i＝tan(θ_i)。

结合图8，以被测管道I建立参考坐标系Ωr，两管道间主要角度参数包括：被测管道II在参考坐标系中与x轴的夹角ξ_x、被测管道II在参考坐标系中与y轴的夹角ξ_y以及被测管道II在参考坐标系中与z轴的夹角ξ_z。则各角度满足：

式中，Δp为过渡角，由过渡矩阵算法求解而得。其满足：

测量系统中所涉及各测量值含义分别为：

α_r——测量装置I中正交倾角传感器x轴与绝对水平面的夹角，°；

α_b——测量装置II中正交倾角传感器x轴与绝对水平面的夹角，°；

β_r——测量装置I中正交倾角传感器y轴与绝对水平面的夹角，°；

β_b——测量装置II中正交倾角传感器y轴与绝对水平面的夹角，°；

γ_r——测量绳在参考坐标系Ω1中的水平摆角，°；

γ_b——测量绳在参考坐标系Ω3中的水平摆角，°；

θ_r——测量绳在参考坐标系Ω1中的俯仰摆角，°；

θ_b——测量绳在参考坐标系Ω3中的俯仰摆角，°；

S_r——测量绳的长度，m。

Claims (3)

1.一种深水管道回接位姿测量装置，其特征在于：包括测量装置I、测量装置II、辅助测量钢丝绳，测量装置I和测量装置II均包括依次设置的摆角测量机构、法兰对接机构和正交倾角测量机构，测量装置II还包括设置在摆角测量机构和法兰对接机构之间的绳长检测机构，摆角测量机构包括十字轴组件、设置在十字轴组件上的前方向节和后万向节、设置在十字轴组件的两个轴上的编码器I和编码器II，法兰对接机构包括标准三爪卡盘和驱动电机、设置在标准三爪卡盘上的T字架、设置在标准三爪卡盘上的用于消除法兰连接机构与法兰端面间的间距的电磁铁组件，正交倾角测量机构包括承压壳体、设置在承压壳体两端的后盖板和前盖板、设置在承压壳体内的水浸传感器和正交倾角传感器，正交倾角测量机构与法兰对接机构的端面连接；所述摆角测量机构包括与测量装置II的后万向节连接的连接板、设置在连接板上的安装框架、对称设置在安装框架中的两组压紧轮和位于两组压紧轮中间位置的大摩擦轮、设置在大摩擦轮轴上的磁耦合编码器组件，测量装置I的后万向节连接板与对应的法兰倾角测量机构的另一端连接，测量装置II的法兰倾角测量机构与摆角测量机构端面连接；辅助测量钢丝绳的一端与绞车连接、另一端穿过摆角测量机构的安装框架后依次绕过第一组压紧轮、大摩擦轮和第二组压紧轮后穿出安装框架，再穿过测量装置II的后万向节、十字轴组件和前万向节，再穿过测量装置I的前万向节、十字轴组件后与后万向节连接。

2.根据权利要求1所述的一种深水管道回接位姿测量装置，其特征在于：标准三爪卡盘包括卡盘体、夹持臂和卡爪驱动机构。

3.根据权利要求1或2所述的一种深水管道回接位姿测量装置，其特征在于：正交倾角测量机构在工作过程中位于待连接管道中。

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