水泥压块自动释放系统的工程应用.pdf

综合技术刘朋：水泥压块自动释放系统的工程应用油气田地面工程 https:/水泥压块自动释放系统的工程应用刘朋海洋石油工程股份有限公司摘要：在海底管道上覆盖水泥压块是保护海底管道常规的做法，通常由潜水员水下完成，施工效率较低，施工风险高。自动摆放水泥压块现有 2种方法：一种是工作型 ROV 配置水下高清摄像头，将水下图像传送到工作区，通过操控 ROV 进行脱钩释放水泥压块；另一种是液压自动释放吊架系统配备三维声呐系统，三维声呐将水下结构物以图像的形式传送到工作区，液压驱动自动释放吊架将水泥压块摆放到位。工作型 ROV 成本较高，适用于水质清的深海海域；液压自动释放吊架系统配备三维声呐系统适用于水质浑浊的浅海海域，工作性能稳定。液压系统自动释放吊架配备三维声呐方法能够实现水泥压块自动释放，在渤海项目中成功应用，施工效率和摆放精确度得到显著提高。关键词：水泥压块；液压自动释放吊架系统；三维声呐；海管扫测Engineering Application of Concrete Mattress Automatic Release SystemLIU PengOffshore Oil Engineering Co.，Ltd.Abstract：Covering the submarine pipelines with concrete mattresses is a conventional way to protectthe submarine pipelines，which is usually completed underwater by divers，with low construction effi-ciency and high construction risk.There are two methods for automatically placing concrete mattresses:the first one is using a working ROV equipped with an underwater high-definition camera，which cantransmit underwater images to the work area，the ROV is manipulated to decouple and release the con-crete mattress.The other one is using a hydraulic automatic release lifting frame system equipped with athree-dimensional sonar system，the three-dimensional sonar transmits the underwater structures to thework area in the form of images，and then automatically releases the lifting frame to place the concretemattress in place by hydraulic driven.The working ROV has a high cost，and is suitable for deep-seawater with clear water quality.The hydraulic automatic release lifting frame system equipped with athree-dimensional sonar is suitable for shallow water with turbid water quality，and it has stable work-ing performance.The method of hydraulic automatic release lifting frame system equipped with three-dimensional sonar can achieve the automatic release of concrete mattresses.It has been successfully ap-plied in the Bohai project，the construction efficiency and placement accuracy have been significantlyimproved.Keywords：concrete mattress；hydraulic automatic release lifting frame system；three-dimensional so-nar；submarine pipeline survey渤海海域水下能见度低，ROV（Remotely Op-erated Vehicle，无人遥控潜水器）配备水下摄像头无法在能见度低的海域进行工作，摆放水泥压块一直由潜水员进行潜水作业完成1-6。潜水员摆放水泥压块有 4 个缺点：施工效率低，受到潮汐的影响，渤海海域潜水作业的有效工作时间每天平均约为 8 h，有效工作时长短；存在较大的安全隐患，潜水员在水下近距离与压块接触，潜水装具脐带缆可能发生缠绕或被下落的压块挤压；施工质量不高，主要由潜水员视觉判断压块的位置，水下DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2024.04.01486第 43卷第 4期（2024-04）油气田地面工程 https:/综合技术可见度和可视距离受限，水泥压块摆放的位置会发生偏差；潜水员依靠 USBL（超短基线定位系统）信标确认水下位置，靠近平台信号受到干扰不稳定，定位不够精确。为了解决这些问题，研制了水泥压块自动释放吊架，配备三维实时声呐检测水泥压块的水下状态和位置，实现无潜水作业进行摆放水泥压块的功能，施工效率显著提高，施工质量得到保障并降低了潜水员的作业风险。1设备组成及工作原理水泥压块自动释放系统由自动释放吊架系统和三维实时声呐系统两部分组成。自动释放吊架系统包括自动压块吊架和液压站，液压驱动液压缸实现水泥压块的释放。压块吊架的尺寸为 8 000 mm3 000 mm，主体结构采用 H 型钢制作，上部排架与H 型钢框架之间能够水平滑动，安装 1 个液压缸推动排架往复运动，实现脱钩销轴与脱钩底座之间关闭和开合，一次可以吊装 2块水泥压块下水。吊装水泥压块时将吊带一端固定在吊架本体上，另一端穿过水泥压块绳套后穿入脱钩销轴（图 1）。图 1压块吊架Fig.1 Concrete mattress lifting frame液压站集成安装在 4 m 标准集装箱内，主要由电控箱、液压油箱、电机、液压泵、液压马达、卷管器、液压软管、电源电缆等构成7，通过液压管线与压块吊架连接。采用手柄操作，卷管器与液压缸驱动分开控制，最大压力为 17 MPa。液压站技术参数如表 1所示。表 1液压站技术参数Tab.1 Hydraulic station technical parameters出口流量/(Lmin-1)1040(可调)出口压力/MPa510(可调)驱动电机/V380(船用户外电机)频率/Hz50液压管线长度/m100三维实时声呐系统包括 Coda Echoscope 声呐、DPGS 定 位 设 备 和 F180 GNSS 辅 助 惯 性 姿 态 仪（图 2），其中 Coda Echoscope 利用相控阵技术产生16 384 条同时存在的波束，声呐技术参数见表 2，形成三维图像传输到终端形式可视画面，通过立体图像展示水下结构物形态，三维声呐安装在云台上，云 台 可 以 水 平 360 旋 转，竖 向 旋 转 角 度90，可实现半径50m范围内的球形可视水下空间8-12。图 2三维声呐系统Fig.2 Three-dimensional sonar systemDPGS 定位设备提供水下位置信息，将水泥压块的摆放位置进行记录，通过姿态仪对水下信息进行校准13-14。2项目实施2020 年渤海中部某油田海管预调试工作完成后需要在膨胀弯及平管上摆放水泥压块进行保护。在该项目中使用了水泥压块自动释放系统摆放了124 块水泥压块，主要施工过程包括设备布置、地貌扫测以及水泥压块位置调整及摆放（图 3）。图 3施工流程图Fig.3 Construction flow chart2.1设备布置摆放水泥压块的工作在工程浮吊船上进行。将Coda Echoscope 声呐固定在水泥压块下水的一侧，DPGS 定位设备安放在船舶的空旷位置。三维实时声呐系统的布置原则如下：（1）Coda Echoscope 声呐需要下放至水中，在安装过程中需要考虑船体对接收信号的干扰，声呐表 2Coda Echoscope声呐技术参数Tab.2 Coda Echoscope sonar technical parameters工作频率/kHz375接收波束数128128有效测量范围/m50分辨率/cm1最小测距/m1角视场/()5050角分辨率/()0.587综合技术刘朋：水泥压块自动释放系统的工程应用油气田地面工程 https:/探头的水下位置一般低于船底 2 m。（2）Coda Echoscope 声呐的摆放位置需要考虑设备工作范围的影响，结合施工工况声呐探头与水泥压块摆放位置的直线距离一般为 2540 m。（3）使 用 130 mm 18 mm 的 不 锈 钢 管 将Coda Echoscope 声呐探头固定在甲板上，为了防止声呐探头在水中发生晃动导致声呐扫测图像发生畸形，声 呐 探 头 垂 直 下 放 到 水 中 之 后，采 用 40 mm8 mm 钢管撑杆和 20 mm 斜拉尼龙缆对不锈钢管进行固定。（4）DPGS 定位设备布置在船舶的空旷位置，避免障碍物对定位精度造成干扰。（5）F180 GNSS 辅助惯性姿态仪安装在 CodaEchoscope 声呐的正上方纠正声呐设备因为船舶晃动而导致声呐探头随之晃动而造成的偏差，因船舶在潮汐、水流、风的作用下会发生横摇和纵摇，三维实时声呐系统如图 4所示。图 4三维声呐系统布置示意图Fig.4 Layout diagram of three-dimensional sonar system水泥压块由驳船运输到施工现场，施工前将水泥压块倒驳到浮吊工程船甲板。水泥压块的单块重量为 7 t，浮吊工程船的甲板承载力为 5 t/m2。自动压块吊架一次可以吊装 2块，倒驳水泥压块时，将水泥压块在长度 4 150 mm 方向放置 2块，根据压块重量和船舶甲板承载力计算，垂直方向摆放 6 层，每垛摆放 12块水泥压块（图 5）。图 5水泥压块甲板摆放示意图Fig.5 Schematic diagram of concrete mattress deck lay out液压站与自动释放吊架之间用液压管线连接，施工前对液压站和自动释放吊架进行调试检查，确保能够正常工作，确保液压管线接头位置无渗漏。液压站集装箱临近 Coda Echoscope 声呐位置摆放，将声呐的显示终端放置在液压站集装箱内。液压管线与自动释放吊架的吊索具绑扎在一起，吊装时与压块一起下水（图 6）。图 6自动释放吊架系统布置图Fig.6 Layout diagram of automatic release lifting frame system2.2地貌扫测水泥压块吊装下水前，使用三维实时声呐系统对海底地貌进行扫测有以下目的：（1）调试三维实时声呐系统，设置声呐软件系统的参数，使其与 DPGS 定位的坐标相对应，调整终端显示界面颜色，以便于分辨水下结构物。（2）确认待摆放水泥压块的海管位置及海管周围环境。（3）通过云台旋转声呐探头，将扫测到的海管呈现在显示终端的中心，以便在摆放水泥压块的过程中三维声呐将水泥压块全程覆盖。三维声呐终端软件通过不同的颜色显示不成高度的结构物，如图 7所示海管高于海床，在图像中显示为蓝绿色；海床为绿黄色；图像中间绿色原点为法兰，对接法兰时在法兰下方挖一个施工圆坑，在图像上显示为橙黄色。通过调整浮吊工程船的位置和操控三维声呐云台的角度，将待摆放水泥压块区域扫测完整。2.3水泥压块位置调整及摆放水泥压块吊装入水后调整水泥压块的位置，使水泥压块能够被三维声呐扫测到并在终端显示。三维声呐实时显示水下结构物的形态和位置，指挥吊车调整压块趋近于待摆放位置。施工海域平均水深为 24 m，在压块吊架两侧各绑一根尼龙缆绳，通88第 43卷第 4期（2024-04）油气田地面工程 https:/综合技术图 7海管扫测Fig.7 Submarine pipelines survey过调节尼龙缆绳实现压块吊架的水平转动。缓慢下放压块自动释放吊架，在下放的过程中通过终端图像观察压块吊架的位置，如偏离海管路由时及时进行调节。可通过三维声呐软件终端测量水泥压块与海管之间的垂直高度，在压块下放至海管上方 2 m时暂缓下放，通过吊机和尼龙缆绳调节自动释放吊架使水泥压块位于待摆放位置的正上方。再次缓慢下放自动释放吊架并随时观察水下的状态，自动释放吊架发生旋转或出现位置偏移及时调整，最终将压块放置海管上（图 8）。水泥压块与海床接触后淤泥被卷起，将水泥压块位置的水质搅混，干扰三维声呐的成像效果。在海流作用下 3090 s 后水体恢复清澈，检查摆放位置合适后操控液压站进行脱钩。脱钩完成后先缓慢起吊，确保水泥压块与自动释放吊架已完全脱落，在自动释放吊架离开压块1.5 m 高度后，较快起吊将自动释放吊架吊装出水。每摆放 2块水泥压块的平均速度为 30 min。图 8摆放过程中水泥压块水下形态Fig.8 Underwater shape of concrete mattress during placement3结束语该项目中应用的水泥压块自动释放系统适合50 m 水深以内的浅水域，相对于工作型 ROV 配置水下高清摄像头具有以下优势：施工效率相近但施工成本低，施工成本每天节省 7万元；能够适用于水质较差的海域；设备结构相对简单，操作稳定性更高。相比潜水员摆放具有以下优势：施工效率显著提高，受潮汐、海流的影响小，平均每天的有效工作时长加长，由潜水员摆放的 22 块/天提高到 40块/天；施工过程中无潜水作业，降低了作业风险；自动释放吊架结构简单、故障率低，三维声呐工作性能稳定；在摆放水泥压块的整个过程中全程监控摆放位置，施工质量得以提升；水泥压块摆放完成后扫测摆放的效果，无需再进行后调查工作。参考文献1 李 应 勇 海 底 管 道 解 堵 措 施 J 油 气 田 地 面 工 程，2015，34（1）：67-68LI Yingyong Blocking removal measures for submarinepipelineJOil-Gas Field Surface Engineering，2015，34（1）：67-682 陈荣旗，雷震名中国海底管道工程技术发展与展望J油气储运，2022，41（4）：667-672CHEN Rongqi，LEI Zhenming Development and prospectof submarine pipeline engineering technology in ChinaJOil&Gas Storage and Transportation，2022，41（4）：667-6723 张杰，纪文亮ROV 原理及在我国海洋石油工程中的应用J中国造船，2007（B11）：132-136ZHANG Jie，JI WenliangROV principles and its applica-tion in China offshore oil projectsJShipbuilding of China，2007（B11）：132-1364 张云鹏，石锦坤，杨盛，等基于 ROV操作的深水多层水泥压块吊放装置设计及应用J机械工程师，2022，3（4）：79-81ZHANG Yunpeng，SHI Jinkun，YANG Sheng，et alDe-sign and application of subsea multi-layer concrete mattress-es lifting device based on ROV operationJMechanical En-gineer，2022，3（4）：79-815 庞维新，李清平，李迅科我国海洋油气 ROV作业能力现状与展望J油气储运，2015，34（11）：1157-1160PANG Weixin，LI Qingping，LI Xunke Current and fu-ture applications of ROV in offshore oil and gas developmentin ChinaJ Oil&Gas Storage and Transportation，2015，34（11）：1157-11606 孟凡生，李军深水海底管道水泥压块的安装过程及检验要点J船舶标准化工程师，2015，4（1）：42-45MENG Fansheng，LI JunInstallation process and inspec-tion of deepwater subsea pipeline concrete mattressesJShip Standardization Engineer，2015，4（1）：42-457 张宪阵，王晓敏，张凡，等水下生产系统液压动力单元液压系统原理研究J液压与气动，2014，5（10）：33-3689综合技术刘朋：水泥压块自动释放系统的工程应用油气田地面工程 https:/ZHANG Xianzhen，WANG Xiaomin，ZHANG Fan，et alHydraulic theory study for hydraulic power unit of subsea pro-duction control systemJ Chinese Hydraulics&Pneumat-ics，2014，5（10）：33-368 翟京生，邹博，徐剑，等一种高精度水下成像声呐性能实验研究J振动与冲击，2018，37（2）：223-227ZHAI Jingsheng，ZOU Bo，XU Jian，et alTests for per-formances of a high-resolution underwater imaging sonarJJournal of Vibration and Shock，2018，37（2）：223-2279 赵百龙三维成像声呐在海底管道悬跨治理中的应用J化工装备技术，2020，41（6）：56-58ZHAO BailongApplication of 3D imaging sonar in subma-rine pipeline span controlJChemical Equipment Technol-ogy，2020，41（6）：56-5810 栾涛，江锦，刘朋，等几种新型水下检测技术在国内海洋石油工程中的应用J石油工程建设，2017，43（5）：73-75LUAN Tao，JIANG Jin，LIU Peng，et alApplication ofseveral new underwater inspection techniques in domesticoffshore petroleum engineeringJ Petroleum EngineeringConstruction，2017，43（5）：73-7511 代兆立，窦海余，徐爽，等实时三维声呐技术在平台 水 下 检 测 中 的 应 用 J 石 油 工 程 建 设，2018，44（6）：38-41DAI Zhaoli，DOU Haiyu，XU Shuang，et al Applica-tion of real-time 3D sonar technique in platform underwaterdetectionJ Petroleum Engineering Construction，2018，44（6）：38-4112 郭树华，张震三维声呐系统在水工建筑物水下结构检测中的应用J陕西水利，2020，3（4）：12-14GUO Shuhua，ZHANG Zhen Application of three-di-mensional sonar system in underwater structure inspectionofhydraulicbuildingsJ ShaanxiWaterResources，2020，3（4）：12-1413 徐剑，李海森，周天基于多波束合成孔径声呐的三维 场 景 构 建 仿 真 研 究 J 微 计 算 机 信 息，2012，3（6）：16-18XU Jian，LI Haisen，ZHOU Tian Research on multi-beam synthetic aperture sonar 3D data simulationJ Mi-crocomputer Information，2012，3（6）：16-1814 林键，黄轶伦相控阵三维声呐信号采集与处理系统J计算机工程，2011，37（1）：282-284LIN Jian，HUANG YilunSystem of phase-array 3D sonarsignal acquisition and processingJ Computer Engineer-ing，2011，37（1）：282-284作者简介刘朋：工程师，硕士研究生，2014 年毕业于西南石油大学结 构 工 程 专 业，从 事 海 底 管 道 安 装 及 维 修 相 关 工 作，15222097675，天津市滨海新区渤海石油路滨海新村西区安装公司，300452。收稿日期2023-12-15（编辑刘伟）（上接第 85页）7 成庆林，常泰，王雨新，等油田地面集输系统能效指标体系的建立及分析方法J石油化工高等学校学报，2020，33（5）：67-73CHENG Qinglin，CHANG Tai，WANG Yuxin，et alEs-tablishment and analysis method of energy efficiency indexsystem of oilfield gathering and transportation systemJJournal of Petrochemical Universities，2020，33（5）：67-738 苗夏楠抽油机采油和地面集输一体化能耗优化研究及应用D大庆：东北石油大学，2022MIAO Xianan Research and application of energy con-sumption optimization for integrated oil production of pump-ing unit and surface gathering and transportationD Daq-ing：Northeast Petroleum University，20229 王春雨加热炉热效率影响因素分析及改进方法J油气田地面工程，2022，41（12）：28-32WANG Chunyu Analysis of influencing factors of heatingfurnace thermal efficiency and improvement methodsJOil-Gas Field Surface Engineering，2022，41（12）：28-3210 徐秀芬，李泓霏，曹莹，等提高抽油机采油系统效率研究J石油石化节能，2019，9（2）：1-4XU Xiufen，LI Hongfei，CAO Ying，et alStudy on im-proving the efficiency of pumping unit oil production systemJEnergy Conservation in Petroleum&Petrochemical In-dustry，2019，9（2）：1-411 姜怀杏北油田生产能效综合评价体系建立与应用J石油石化节能，2021，11（8）：26-29JIANG Huai Establishment and application of productionenergy efficiency comprehensive evaluation system in Xing-bei OilfieldJEnergy Conservation in Petroleum&Petro-chemical Industry，2021，11（8）：26-29作者简介曹莹：博士，副教授，2016 年毕业于东北石油大学石油与天然气工程专业，从事油气田节能节水理论研究和节能节水技术开发与推广、节能审查与新能源利用项目评价，以及负责石油天然气工业上游领域节能节水国家标准和行业标 准 的 制 修 订 和 管 理 工 作，13674590189，黑龙江省大庆市东北石油大学机械科学与工程学院，163318。收稿日期2023-12-21（编辑史晶莹）90