一种深水j型快速铺设系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种深水J型快速铺设系统，包括铺设塔、铺设塔角度调节系统、J型铺设管段传送系统、J型铺设的相关设备。铺设塔角度调节系统主要包括A字架、角度调节器、液压缸，J型铺设管段传送系统包括水平传送系统、装载臂、转动臂、提升机；J型铺设的相关设备一般包括对中器、焊接站和移动平台，本实用新型可以在控制铺设塔高度的情况下，可以实现1×4节点(有1段4节点管段处于铺设塔上进行铺设作业，每段4节点管道长48.8m)的铺设方式，通过优化设备结构以及布局，实现铺设速度相对典型J型铺设1.5km/d提升了80.2％，降低铺设成本。
【专利说明】
一种深水J型快速铺设系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种铺设系统，尤其涉及一种深水J型快速铺设系统，应用于深水和超深水海底管道及立管的铺设。
【背景技术】
[0002]在过去几十年，深水铺管法技术以令人难以想象的速度发展，现在可以10000英尺以上的深度开发油气资源，但这还不是极限。世界海洋石油不断向深水发展，对深水管道铺设的技术要求也越来越高。世界海洋石油工业的高速发展推动了深水铺管技术的快速发展，也带动了起重铺管船装备的快速发展。目前在深水项目中，管线的铺设方法主要有三种:S型铺设、卷筒铺设及J型铺设。J型铺设是一种新型铺管方法，立管下放时通过铺设塔，以近似垂直状态离开铺管船，下放到海底，末端到达海底井口后，立管整体形态呈现出J型。J型铺设保证管道在铺设过程中，更加贴近“自然”状态，应力状态维持较好，需要的铺设张力较小，因此底部张力也相对较小，减少了管道的自由跨度，而且触地点与铺管船的距离较近，便于动力定位，受外界的影响较小。目前，在深水工程项目中尤其是在超深水项目中(水深超过1500m)，J型铺管法依据自身的优势，在实际工程项目中得到广泛的应用。
[0003]虽然J型铺设提高了立管下放过程的安全性能，但是存在铺设效率低的问题。由于立管在J型铺设过程中需要在铺设塔上完成焊接-无损检测-涂层-下放等工作，而这些流程无法同步进行，并且受设备数量等制约，典型J型铺设速度为1-1.5千米/天，导致立管安装费用较高。
[0004]综上所述，通过对国外先进的J型铺设技术的借鉴和对较为成熟的J型铺设工程的关键技术的研究，综合考虑目前铺管过程中的一些难题，本文设计一种深水J型快速铺设系统，既具有较高的铺设能力，又能完成一些关键设备的安装，提高J型铺设的可行性。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的是为了可以完成4节点管道的铺设和大范围的角度调节，同时可以实现一些关键设备的安装，如管道终端(PLET、PLEM)，提高J型铺设的可行性而提供一种深水J型快速铺设系统。
[0006]本实用新型的目的是这样实现的:包括铺设塔、铺设塔角度调节系统、管领式张紧系统、管段传送系统和铺设相关设备，所述J型塔铰接安装在船体甲板上，J型塔中间位置的两侧分别设置有角度调节器连接轴，所述J型塔角度调节部分有两套且每套都包括安装在船体甲板上的A字架、与A字架上端铰接的液压缸主体结构、对称安装在液压缸主体结构两端的两个液压调节机构、同时与两个液压调节机构输出端连接的中间板、均匀设置在中间板上的两个液压卡夹以及铰接安装在对应的角度调节器连接轴上的角度调节器，所述角度调节器的端部设置有一列与液压卡夹配合的卡孔，管段传送系统包括水平传送系统、装载臂，所述水平传送系统设置在船体甲板上，装载臂铰接安装在船体甲板上，装载臂上部均匀设置有至少三个夹具，每个夹具通过链接转轴与装载臂连接，装载臂上还设置有吊耳，铺设相关设备包括对中器、焊接站和移动平台，其特征在于:所述管段传送系统还包括转动臂，所述转动臂包括安装在铺设塔上的上固定板和下固定板，上固定板的端部的上下两个面分别安装一号连接板和二号连接板，下固定板的端部的上下两个面分别安装有三号连接板和四号连接板，二号连接转轴的一端穿过二号连接板、上固定板和一号连接板并与一号连接板和二号连接板固连，二号连接转轴的另一端穿过三号连接板、下固定板和四号连接板并与三号连接板和四号连接板固连，一号连接转轴的一端穿过一号连接板和二号连接板的端部并与之固连，一号连接转轴的另一端穿过三号连接板和四号连接板的端部并与之固连，一号连接转轴上号固连有支撑架，支撑架的两侧对称安装有一号液压缸和二号液压缸，支撑架的端部铰接有转动臂卡夹，转动臂卡夹包括左右两个卡夹，一号液压缸和二号液压缸的输出端分别和对应的卡夹铰接;所述管领式张紧系统包括提升机和外部绞车，所述提升机包括安装在铺设塔内侧的两根滑轨中的两个滑块、与外部绞车连接的两个提升机吊耳、提升机液压缸和提升机定型夹持爪，两个提升机吊耳分别与对应的两个滑块固连，提升机定型夹持爪设置在两个滑块之间，提升机定型夹持爪的端部设置有与待铺管路管领配合的管领夹具，提升机定型夹持爪上设置有控制管领夹具开合的提升机液压缸。
[0007]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:(I)提高管道铺设速度。管道焊接前对中及预热约需2分钟，管道焊接时间约需12分钟，无损检测约需5分钟，涂装约需3分钟，提升机下放速度约为12.2m/min。故所设计的三节点管道铺设系统理论铺设速度为:
[0008]24X60^ {(2+12+5+3) + ( 12.2 X4^ 12.2)} X 12.2 X4 = 2702.8m/d
[0009]相比典型J型铺设速度1.5km/d效率提升了80.2%。
[0010](2)可以完成1X4节点(有I段4节点管处于铺设塔上进行铺设作业，每段4节点管道长48.Sm)的铺设方式。使用提升机与绞车替代张紧器，主要有3个优点(I)提高管道下放速度，加快铺设效率。张紧器工作原理是对管道外表面施加适当的压力，利用摩擦力平衡重力，下放速度不能过快。提升机与绞车工作原理是利用预先在管段顶端截面外侧多焊接上管领，提升机中定型夹持爪在液压机的帮助下与管领紧紧相嵌，管段外凸管领截面平衡管段重力，下放速度比张紧器快(2)使用张紧器，上管时管线末端高度必须高于张紧器顶端高度，为了提高效率，铺设塔必须设计成2X4节点形式，所以不考虑其余设备高度，铺设塔设计高度至少为96m(12X2X4 = 96)。但使用提升机，对管线末端高度没有限制，可实现1X4节点上管方式，所设计铺设塔高度为52m，高度降低45%以上，同时减轻铺设塔重量。(3)张紧器必须对管段截面施加压力，有可能会产生周向变形，而提升机与绞车则不对管段外表面施加任何压力，提高作业安全性。
[0011](3)上管装置的设计，减少了上管过程中一些不必要的工序，使管段的传送简单易行。转动臂与装载臂配合，保证管道精准进入下放路径。由于装载4节点管段质量较大，为减小转动连接在旋转过程中受力，保证安全作业，改变将装载臂与转动臂组合形式，变为装载臂只提供竖直面运动，转动臂只提供水平面运动。
[0012](4)相比于美国Pub.No:US 2008/011831 IAl号专利，在安装操作流程上有两点优势:(a)美国专利中管线首先通过装载臂提升到铺设塔中层，随后管线电梯夹住管线将其吊至铺设塔顶层，而本实用新型中装载臂直接将管线提升至安装塔顶层，省去了管线电梯这一繁琐的步骤，使管段的传送简单易行，减少设备使用，减轻重量，提高工作效率。(b)美国专利中管线提升到安装塔上层，随后上层的三个固定式夹钳固定住管线，然后安装塔下层的三个活动式夹钳通过滑轨移动到安装塔上层，活动式夹钳夹住管线随后固定式夹钳松开管线，最后活动式管线移动到安装塔下层从而完成管线的输送。
[0013](5)增加陆地管道预制工作，减少海上管道焊接工作，提高铺设效率，节约费用。焊接装置与无损检测装置布置在同一工作位，若焊接检测质量不合格，可及时处理，减少不必要工序，避免影响铺设效率。管道焊接、检测和涂层过程，位置不移动，确保安装质量符合指标。
[0014](6)可实现铺设塔角度在70°到110°之间平稳的调节，可以满足不同水深和管径的铺设要求，减小管段顶端的受力，保证铺管作业的顺利进行。在铺设塔底端增加悬挂平台，实现PLET、PLEM等关键设备的安装，保证铺设作业安全性的同时也提高了铺设效率。通过调节铺设塔角度、张紧器施加力与船舶动力配合控制管道的下管速度和水下形态，保持管道稳定性，减小弯曲应力和变形以防止失稳或发生破坏。
【附图说明】
[0015]图1是J型铺设系统正视结构示意图；
[0016]图2是J型铺设系统侧视结构示意图；
[0017]图3是装载臂液压夹具正视结构示意图；
[0018]图4是转动臂的结构示意图一；
[0019]图5是转动臂的结构示意图二；
[0020]图6是提升机正视结构示意图；
[0021 ]图7是A字架正视结构示意图；
[0022]图8是角度调节器正视结构示意图；
[0023]图9是角度调节器俯视结构示意图；
[0024]图10是液压缸正视结构示意图；
[0025]图11是液压缸俯视结构示意图。
[0026]图中:铺设塔1、A字架2、角度调节器3、液压缸4、平传送系统5、装载臂6、转动臂7、提升机8、焊接站9、移动平台10、角度调节器连接轴11、转动臂卡夹12、一号转动臂液压缸13、二号转动臂液压缸14、支撑板15、一号连接转轴16、二号连接转轴17、一号连接板18、二号连接板19、三号连接板20、连接板四号21、上固定板22、下固定板23、提升机吊耳24、定型夹持爪25、提升机液压机26、管领27、钢槽28。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图与【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细描述。
[0028]结合图1至图11，该J型铺设系统主要包括铺设塔1、A字架2、角度调节器3、液压缸
4、平传送系统5、装载臂6、转动臂7、提升机8、焊接站9、移动平台10、角度调节器连接轴11、转动臂卡夹12、一号转动臂液压缸13、二号转动臂液压缸14、支撑板15、一号连接转轴16、二号连接转轴17、一号连接板18、二号连接板19、三号连接板20、连接板四号21、上固定板22、下固定板23、提升机吊耳24、定型夹持爪25、提升机液压机26、管领27、钢槽28。
[0029]该系统中铺设塔I主要作用是用来固定和支撑J型铺设相关设备和待铺设管段。
[0030]在管段开始铺设之前，可以根据不同的海况，通过调节铺设塔I的角度满足铺设管段曲率的要求，进而减小铺设管段顶端的受力，保证铺管作业的顺利进行。角度调节时，在A字架2的支撑下，改变液压卡夹夹持的卡孔，实现角度调节器3的前后移动，角度调节器移3动的同时，顶端与铺设塔I上连接轴11的连接处以及液压缸4与A字架2连接处发生相对转动，进而改变铺设塔I的相对角度。
[0031]J型铺设所需要的管段首先在陆地上加工好，然后通过运输船运送到铺管船附近，由铺管船上的起重机将加工好的管段吊至管段储存区。管段铺设过程中，通过铺管船上的吊机将待铺设管段吊运至水平传送系统5，此时装载臂6处于水平状态，且其上的液压夹具与水平传送系统的水平滚轮处于同一水平线上，由水平滚轮将待铺设的管段送至装载臂6的夹具内。夹具夹紧，通过装载臂6上连接绞车钢索的收放，完成装载臂6由水平至竖直的旋转。
[0032]当转载臂6处于竖直状态后，转动臂7在液压马达驱动下，绕着两个转轴使夹具旋转到管段处，夹紧管段，释放装载臂7的夹具，再通过旋转将管段运送至铺设塔I的预铺设路径上，与铺设塔顶端提升机8的夹具对准，打开提升机8的夹具，借助绞车慢慢下放提升机8至管段顶端的第一层管领处，固定提升机8，加紧夹具。松开转动臂7夹的具并将转动臂7旋转至铺设塔I外侧。
[0033]开始铺设之前，预先将PLET与一段管道连接，整体下放入水，利用移动平台3夹持住与PLET相接的管段上方，等待与正式铺设第一段管道末端对中焊接。当第一段铺设的管段被提升机8夹持后，下放铺设塔顶端的内部对中器，上端管段在提升机8的夹持下固定不动，通过调节移动平台10的位置，完成上端管段与入水管段的对中，对中完成后，通过焊接站9进行焊接，并做无损检测和涂层处理，完成后，通过提升机8将管段下放入水，之后由移动平台10和相关的张紧装置共同固定管道，并将提升机8升回铺设塔I顶部，此时第二根管段已经经过装载臂6和转动臂7运送至铺设塔I顶部，继续由转动臂7将管段旋转至预铺设路径上，进行下一段管道的连接。
[0034]待管段铺设完成后，通过铺设塔I底端的移动平台10和相关的张紧装置将管段夹住，随后通过焊接站9将终止管道终端与管段的末端焊接，并通过绞车将其下放到海底，完成整个管道的铺设。
[0035]本实用新型专利采用下列技术方案，一种深水J型快速铺设系统主要包括铺设塔1、铺设塔角度调节系统、J型铺设管段传送系统、J型铺设的相关设备。铺设塔角度调节系统主要包括A字架2、角度调节器3、液压缸4; J型铺设管段传送系统包括水平传送系统5、装载臂6、转动臂7、提升机8;J型铺设的相关设备一般包括对中器、焊接站9和移动平台10。
[0036]所述的铺设塔I高52m，可以满足4节点管段的铺设作业，顶部为2m高的箱体结构，内壁设有足够的加强材，加强材根据位置的不同分别选用不同型号的T型材和角钢，箱体结构内用来安装内部对中器的相关设备和与提升机和装载臂相连的绞车。铺设塔I整体设计为稳定的桁架结构，左右两侧分别设有四根尺寸较大的主支撑管，主支撑管之间分别设有斜撑，这样既可以满足强度要求，又能减轻结构的重量，在桁架结构的基础上，下部四周使用钢板焊接成封闭的箱体结构，既可以降低铺设塔I的重心，增加稳定性，又能作为设备间，在其内部存放电力设备、液压设备以及升降电梯等。铺设塔I右侧的两根主支撑管用来固定和支撑转动臂7，铺设塔I的中间顶部设有提升机8，实现待铺设管段的下放。铺设塔I底端设有移动平台10，用来夹持已铺设管道以及辅助管道终端的安装。铺设塔I左右两侧一定的高度处设有连接轴11，与角度调节器3连接，底端采用铰接的方式连接在船体甲板上，以便实现铺管过程中铺设塔角度的调节。
[0037]所述的A字架2下端通过螺栓固定在船体的甲板上，主体由钢板焊接而成，内壁面布置足够的加强材，加强材根据位置的不同分别选用不同型号的T型材和角钢，既能满足强度要求又能减轻结构质量，上端设有一个圆形通孔，用来与液压缸4连接。A字架2的作用是支撑以及固定角度调节器3和液压缸4。
[0038]所述的角度调节器3上部设计为桁架结构，顶端与铺设塔I上的连接轴11铰接，下部由钢板焊接而成，留有等间距等尺寸的长方形卡孔，用来与液压缸4上的卡夹连接。通过与液压缸4协调作用，实现铺设塔I角度的调节。
[0039]所述的液压缸4主要包括液压卡夹、液压调节机构和主体结构，通过液压卡夹与角度调节器上卡孔的连接，实现角度调节器3的下部固定;液压调节机构用来调节卡夹的高度，液压缸主体利用所述A字架2上的圆形通孔与其铰接在一起。通过卡孔位置的改变和液压缸4相对于A字架2的旋转，来调节铺设塔I的角度。
[0040]所述的水平传送系统5主要由水平滚轮构成，通过螺栓固定在铺设塔I下方的船体夹板上，管段储存区的管段通过船体上的吊机吊至水平滚轮上，然后通过水平滚轮的旋转将待铺设的管段运送至处于水平位置的装载臂6的夹具内。
[0041]所述的装载臂6主要由主体支撑结构和液压夹具组成，作用是利用主体结构上液压夹具将水平滚轮传送过来的管段夹紧，然后利用绞车收紧钢索，提升主体结构与管段至竖直位置，为管段传递给转动臂7，进入预铺设轨道做准备。主体结构由钢板焊接而成，内部焊接足够的加强材，加强材根据位置的不同分别选用不同型号的T型材和角钢，既能满足强度要求又能减轻结构重量。装载臂主体结构两侧设有吊耳，与绞车的钢索连接，通过两侧绞车钢索的收放实现装载臂6在竖直面内平稳的旋转。装载臂6主体结构上焊有三个同样规格的液压夹具，每个液压夹具由两个液压缸和两个半圆形卡夹组成，通过同步改变液压缸活塞长度实现两个卡夹张开与合紧的动作，完成夹持待铺设的管段。装载臂6下端通过铰接的方式连接在靠近铺设塔I处的甲板上，确保装载臂6处于竖直状态时，其上的夹具与转动臂7的夹具处于同一直线上，保证待铺设管段在装载臂6和转动臂7之间顺利完成传递。
[0042]所述的转动臂7主要由夹持管段夹具、两个固定板22及23和两个连接转轴16及17组成，作用是将装载臂夹持的管段水平移动到铺设塔I预铺设轨道内。其中夹持管段夹具由两个水平布置的液压缸13及14、卡夹12和支撑板15组成，通过同步改变液压缸活塞长度实现两个卡夹张开与合紧的动作，夹持管段。固定板22与23上下布置，既与铺设塔I 一侧的两个主支撑管连接，又与连接转轴17相连，用来固定转动臂7的位置。连接转轴16与17通过四个连接板18、19、20及21连接，连接转轴16与支撑板15相连，两个连接转轴及四个连接板可以在液压马达的驱动下实现相对转动，能够在水平面内移动夹持有管段的夹具。设有两个连接转轴的目的是为了实现更大角度的旋转，使管段的传送更加方便，更加安全。
[0043]所述的提升机8主要由定型夹持爪25和液压机26组成，主要作用是为管道提供顶部张力。提升机8位于铺设塔I顶部，通过吊耳24与上端绞车相连，铺设塔I内部两侧装有导轨，与钢槽28相嵌，保证绞车移动提升机时不做水平运动，具有很好的稳定性。定型夹持爪25，在液压机26的帮助下通过设置的管领夹具可实现与管领27紧紧相嵌，平衡管段重力。提升机夹持好管段之后，在绞车的作用下改变管段的高度，完成焊接、无损检测和涂层等工作，并实现管道下放。
[0044]所述的焊接站9是位于铺设塔底部，焊接站内包含焊接、无损检测和涂层等设备，对完成对中的管道进行焊接后，可以立刻对接口进行无损检测以及涂层处理。
[0045]所述的移动平台10位于塔架底端船体上设置的月池处，在正常铺设过程中用来夹持铺设入水的管道，通过平台的移动可以实现已铺设管道与上部管段的对中。起始端管道终端(PLET、PLEM)安装时，打开移动平台10，管道终端通过月池直接下方入水，随后关闭移动平台10，夹持与管道终端连接的管段顶端，之后进入管道的正常铺设阶段。待铺设结束后，移动平台10同管道张紧装置协同固定已铺设的管道，在焊接站9处完成管道与终止管道终端的连接，打开移动平台10，通过绞车下放终止管道终端，完成管道的铺设。
[0046]本实用新型涉及一种深水J型快速铺设系统，可以在控制铺设塔高度的情况下，可以实现1X4节点(有I段4节点管段处于铺设塔上进行铺设作业，每段4节点管道长48.Sm)的铺设方式，通过优化设备结构以及布局，实现铺设速度相对典型J型铺设1.5km/d提升了80.2%，降低铺设成本。
[0047]深水J型快速铺设系统包括铺设塔、铺设塔角度调节系统、管段夹持下放系统、J型铺设管道传送系统和J型铺设相关设备。铺设塔是整个铺管系统里的核心部分，用来支撑、固定和连接J型铺设的其他结构和关键设备;铺设塔角度调节系统包括角度调节器、A型架和液压缸，连接在船体和铺设塔之间，可以实现铺设塔在一定角度范围内的自由调节;管段夹持下放系统包括提升机和绞车，用来夹持管道和下放管道;J型铺设管道传送系统包括水平传送系统、装载臂、转动臂和垂向滚轮，用于管段在铺管船和铺设塔上的传送;J型铺设相关设备包括外部对中器、张紧器、焊接站和涂层站，在铺设过程中分别起到传送、对中和固定作用，通过焊接站和涂层站可以对管道进行焊接以及焊缝的后处理工作，为管段铺设入水做好准备。
【主权项】
1.一种深水J型快速铺设系统，包括铺设塔、铺设塔角度调节系统、管领式张紧系统、管段传送系统和铺设相关设备，所述J型塔铰接安装在船体甲板上，J型塔中间位置的两侧分别设置有角度调节器连接轴，所述J型塔角度调节部分有两套且每套都包括安装在船体甲板上的A字架、与A字架上端铰接的液压缸主体结构、对称安装在液压缸主体结构两端的两个液压调节机构、同时与两个液压调节机构输出端连接的中间板、均匀设置在中间板上的两个液压卡夹以及铰接安装在对应的角度调节器连接轴上的角度调节器，所述角度调节器的端部设置有一列与液压卡夹配合的卡孔，管段传送系统包括水平传送系统、装载臂，所述水平传送系统设置在船体甲板上，装载臂铰接安装在船体甲板上，装载臂上部均匀设置有至少三个夹具，每个夹具通过链接转轴与装载臂连接，装载臂上还设置有吊耳，铺设相关设备包括对中器、焊接站和移动平台，其特征在于:所述管段传送系统还包括转动臂，所述转动臂包括安装在铺设塔上的上固定板和下固定板，上固定板的端部的上下两个面分别安装一号连接板和二号连接板，下固定板的端部的上下两个面分别安装有三号连接板和四号连接板，二号连接转轴的一端穿过二号连接板、上固定板和一号连接板并与一号连接板和二号连接板固连，二号连接转轴的另一端穿过三号连接板、下固定板和四号连接板并与三号连接板和四号连接板固连，一号连接转轴的一端穿过一号连接板和二号连接板的端部并与之固连，一号连接转轴的另一端穿过三号连接板和四号连接板的端部并与之固连，一号连接转轴上号固连有支撑架，支撑架的两侧对称安装有一号液压缸和二号液压缸，支撑架的端部铰接有转动臂卡夹，转动臂卡夹包括左右两个卡夹，一号液压缸和二号液压缸的输出端分别和对应的卡夹铰接;所述管领式张紧系统包括提升机和外部绞车，所述提升机包括安装在铺设塔内侧的两根滑轨中的两个滑块、与外部绞车连接的两个提升机吊耳、提升机液压缸和提升机定型夹持爪，两个提升机吊耳分别与对应的两个滑块固连，提升机定型夹持爪设置在两个滑块之间，提升机定型夹持爪的端部设置有与待铺管路管领配合的管领夹具，提升机定型夹持爪上设置有控制管领夹具开合的提升机液压缸。
【文档编号】F16L1/19GK205578897SQ201620269535
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月5日
【发明人】康庄, 翟云贺, 孙丽萍, 张殿航
【申请人】哈尔滨工程大学