CN105605315A - 一种三节点管领式j型铺设系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种三节点管领式J型铺设系统，包括铺设塔、液压角度调节系统、装载臂、水平传送系统、移动平台，铺设塔底部铰接在船体甲板上，铺设塔的顶部安装绞车和提升机，移动平台安装铺设塔下方，液压角度调节系统包括上段支撑杆、下段支撑杆和液压缸，上段支撑杆的上端通过连接轴连接铺设塔，下段支撑杆的下端与船体甲板铰接，液压缸的缸体与上段支撑杆的下端相连，液压缸的活塞与下段支撑杆的下端相连，装载臂的下端铰接在船体甲板上，装载臂的上端部设置液压夹具，液压夹具通过连接转轴与装载臂连接，装载臂的两侧设置有吊耳，吊耳通过钢索与绞车连接。本发明既具有较高的铺设能力，又能完成一些关键设备的安装。

Description

一种三节点管领式J型铺设系统

技术领域

本发明涉及的是一种海底管道或立管的深水铺管设备。

背景技术

随着世界海洋石油的大面积开发，对深水起重铺管船的需求量越来越大。随着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。

虽然J型铺设提高了立管下放过程的安全性能，但是存在如下问题：

1、铺设效率低。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。

2、铺设塔作业时所有操作都在垂直方向进行，由于高度大，重量大，且一般布置在铺管船船首或船尾，稳定性是一个难题。

发明内容

本发明的目的在于提供既具有较高的铺设能力，又能完成一些关键设备的安装的一种三节点管领式J型铺设系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种三节点管领式J型铺设系统，其特征是：包括铺设塔、液压角度调节系统、装载臂、水平传送系统、移动平台，铺设塔底部铰接在船体甲板上，铺设塔的顶部安装绞车和提升机，移动平台安装铺设塔下方，绞车与提升机相连，提升机的轨道布置于铺设塔中间内侧，所述液压角度调节系统包括上段支撑杆、下段支撑杆和液压缸，上段支撑杆的上端通过连接轴连接铺设塔，下段支撑杆的下端与船体甲板铰接，液压缸的缸体与上段支撑杆的下端相连，液压缸的活塞与下段支撑杆的下端相连，水平传送系统包括支架、水平滚轮，支架固定在船体甲板上，水平滚轮安装在支架上，装载臂的下端铰接在船体甲板上，装载臂的上端部设置液压夹具，液压夹具通过连接转轴与装载臂连接，装载臂的两侧设置有吊耳，吊耳通过钢索与绞车连接，管段经水平滚轮运送至装载臂的液压夹具内。

本发明还可以包括：

1、铺设塔的底部设置焊接站，焊接站里安装焊接设备、无损检测设备和涂层设备。

本发明的优势在于：

1、相比于美国Pub.No:US2008/0118311A1号专利，在安装操作流程上有三点优势：(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，而本发明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)美国专利中管线从装载臂传送到固定在铺设塔桁架上的旋转臂上，再由旋转臂将管线移动到预铺设路径上。本发明中，旋转臂集成在装载臂之上，省去管线在不同设备之间的传递，提高安全作业性，简化安装流程。(c)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。本发明直接使用电脑控制的绞车运输管线，在效率与精准度上都比该专利先进许多。

2、使用管领式张紧装置替代张紧器。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，J型塔必须设计成2×4节点形式，所以不考虑其余设备高度，J型塔设计高度至少为96m(12×2×4＝96)。但使用管领式张紧装置，对管线末端高度没有限制，可实现1×4节点上管方式，所设计J型塔高度为52m，高度降低45％以上，同时减轻J型塔重量。而且使用管领式张紧装置，提高了管道下放速度，加快铺设效率。

3、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，管领式张紧装置下放速度约为12.2m/min。故所设计的三节点管道铺设系统理论铺设速度为：

24×60÷{(2+12+5+3)+(12.2×3÷12.2)}×12×3＝2073.6m/d

相比典型J型铺设速度1.5km/d效率提升了38％

4、使用液压缸替代A字架，既能保证强度要求，同时克服A字架质量大、占空间的缺点。使用液压缸，可以在船中月池之上布置铺设塔，由此可将钻井船改装成J型铺管船，以充分利用原钻井船上的井架和管道输送装置，降低造价。

5、焊接设备与无损检测设备布置在一起，这样在检测结果不合格的情况下，可以进行及时的处理，减少不必要的工序。

6、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。

附图说明

图1为本发明的正视图；

图2为本发明的侧视图；

图3为装载臂俯视图；

图4为管领式张紧系统正视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，本发明的目的是针对现有J型铺管船铺设过程中存在的问题，综合考虑J型铺设系统的铺设效率及操作性，通过对J型铺设系统的优化，设计一种新型的深水J型铺设系统，可以完成3节点管道的铺设，并且在铺设过程中可以实现铺设塔大范围的角度调节，适应更多管道在不同水深下的铺设，同时实现了一些关键设备的安装，如管道终端(PLET、PLEM)等，提高了J型铺设的可行性。

本发明采用下列技术方案，主要包括管道支撑装置、角度调节装置、上管装置、管领式张紧装置、管道连接装置。管道支撑装置即铺设塔1，角度调节装置即液压角度调节系统2，液压角度调节系统2的两端分别与铺设塔1和船体甲板连接；上管装置包括管道的水平传送系统5和装载臂6，装载臂6布置在塔架前侧；管领装置由绞车7和提升机8组成，位于铺设塔1顶部，提升机的轨道位于铺设塔1中间内侧；管道连接装置布置在焊接站9内，位于塔架的底端，主要包括焊接装置、检测装置和涂层处理装置；此外，在塔架底部布置移动平台3。

铺设塔1高40m，可以满足3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，所述的铺设塔1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1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1的中间顶部设有提升机8，用于固定和传送管道，通过绞车7上钢缆的收放，实现管道的下放。铺设塔1底端设有移动平台3，用来夹持已铺设管道以及辅助管道终端等设备的安装。铺设塔左右两侧一定的高度处设有连接轴4，与液压角度调节系统2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1角度的调节。

液压角度调节系统2由四个液压缸和二段支撑杆组成。上段支撑杆顶端与铺设塔连接轴铰接，支撑杆底端的钢平面四角分别与液压缸铰接；下段支撑杆底端与船体甲板铰接，支撑杆顶端的钢平面四角分别与液压缸铰接。通过改变液压缸活塞长度，液压角度调节系统底端与船体甲板连接处转动，液压角度调节系统顶端与连接轴4的连接处转动，铺设塔1底部与船体甲板连接处必然发生相对转动，从而实现铺设塔角度的调节。

移动平台3位于塔架底端船体上，在正常铺设过程中，通过平台的移动实现已铺设管道与上部管段的对中；通过与管领式张紧装置共同作用，夹持已铺设入水的管道；同时具有辅助管道终端的安装的作用。

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1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。

装载臂6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6上设有液压夹具，液压夹具与装载臂主体之间通过链接转轴连接、上面配有液压马达，用于控制夹具的转动。装载臂6主体两侧设有吊耳，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平稳的旋转。装载臂6下端通过铰接的方式连接在靠近铺设塔1的船体甲板上。装载臂6的作用是将水平传送系统5传送过来的管段夹紧，旋转至竖直位置，之后在液压马达的驱动下，夹具绕连接转轴实现旋转，将待铺设管段运送至预铺设路径上，为管道铺设下一步作业做准备。

提升机8位于塔架内侧的顶部，与通过螺栓固定在铺设塔1顶部的绞车7相连接，铺设塔1内部两侧装有导轨，用来控制提升机8的运动。提升机8上设有夹具，可夹持待铺设管段顶端的管领，对管段起到固定作用，待管段下端与已铺设管道焊接完成后，通过绞车钢缆的收放可实现管道的下放。

焊接站9是位于铺设塔1底部，焊接站9内包含焊接、无损检测和涂层设备，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。

铺设塔1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。

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，由于液压缸底端与船体甲板铰接，上端与连接轴4铰接，改变液压缸活塞长度，液压缸活塞顶端与底端均转动，铺设塔底部与船体甲板连接处必然发生相对转动，从而改变了铺设塔的相对角度。

J型铺设所需要的具有外凸管领的立管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的夹具内。夹具夹紧，通过装载臂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。

当装载臂6处于竖直状态后，装载臂6上的夹具在液压马达驱动下，绕连接转轴旋转，将管段运送至铺设塔1上的预铺设路径上，与铺设塔1顶端提升机8的夹具对准，打开提升机8夹具，借助绞车7慢慢下放提升机8至管段顶端的第一层外凸管领处，固定提升机8，利用提升机8夹具加紧立管顶端管领，保持立管固定不动。松开装载臂上的夹具并将装载臂6旋转至铺设塔1外侧。

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。

当正式开始铺设的第一段管段被提升机8夹持后，下放铺设塔1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3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完成两管段焊接工作，并进行无损检测和涂层处理，随后打开移动平台，借助绞车7将连接完成的管段下放入水，之后继续由移动平台和其他相关设备固定管道。将提升机8升到塔架顶部，此时第二根管段已经由装载臂6和运送至铺设塔1顶部，继续通过装载臂6的夹具将管段旋转至预铺设路径上，进行下一段管道的连接。

待管段铺设完成后，铺设塔1底端的移动平台3夹持住最后一段管道管领，随后通过焊接站9将该管段顶端与终止管道终端焊接，并通过绞车7将其下放到海底，完成整个管道的铺设。

Claims (2)

1.一种三节点管领式J型铺设系统，其特征是：包括铺设塔、液压角度调节系统、装载臂、水平传送系统、移动平台，铺设塔底部铰接在船体甲板上，铺设塔的顶部安装绞车和提升机，移动平台安装铺设塔下方，绞车与提升机相连，提升机的轨道布置于铺设塔中间内侧，所述液压角度调节系统包括上段支撑杆、下段支撑杆和液压缸，上段支撑杆的上端通过连接轴连接铺设塔，下段支撑杆的下端与船体甲板铰接，液压缸的缸体与上段支撑杆的下端相连，液压缸的活塞与下段支撑杆的下端相连，水平传送系统包括支架、水平滚轮，支架固定在船体甲板上，水平滚轮安装在支架上，装载臂的下端铰接在船体甲板上，装载臂的上端部设置液压夹具，液压夹具通过连接转轴与装载臂连接，装载臂的两侧设置有吊耳，吊耳通过钢索与绞车连接，管段经水平滚轮运送至装载臂的液压夹具内。

2.根据权利要求1所述的一种三节点管领式J型铺设系统，其特征是：铺设塔的底部设置焊接站，焊接站里安装焊接设备、无损检测设备和涂层设备。