CN105909865A - 水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法，应用于海底管道严重破损时的修复作业。该海底管道修复装置依据双气囊和双吊索对称布置于平衡管两侧的构造及管道连接器的液压推进系统，实施海底管道切割、预制和预对中以及水下气囊平衡对中、对接和固定连接的整套作业流程，实现海底管道破损管段的修复；气囊采用立式厚壁罐体，用来存储气体并协助完成气囊平衡吊装、对中和对接作业；平衡管采用卧式厚壁管体，用来存储气体并与气囊一同平衡吊装和对接作业中海上吊机经吊绳传递的振荡载荷，且平衡管提供浮力以减小吊机在修复装置回收过程中的钩载；吊绳完成整套修复装置的吊装作业，而吊索则实现气囊和平衡管与管道连接器的联接。

Description

水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种水下生产系统海底管道严重破损时用的修复装置及其方法，特别是涉及一种水下气囊平衡海底管道的快速修复方法及其作业流程。

背景技术

海洋工程领域的海底管道由于其水下运行工况的特殊性，存在介质腐蚀、船舶抛锚、地质灾害和海洋开发第三方破坏等风险，并由此引发海底管道损伤事故，海底管道一旦发生损伤后，不仅会造成海洋水体污染、油气资源浪费和海上生产中断，而且还会对其下游及终端用户的正常生产造成不利影响。

海底管道具体的修复技术和方案因其损伤形式和作业水深而异，目前采取的主要修复手段可概括为水下修复技术和水上修复技术。其中，机械式封堵和复合补强材料封堵为水下修复技术，其优点在于作业方法和流程相对简单、实施周期较短，可用于腐蚀、母材缺陷、裂纹等原因引起的无大机械变形的管道泄漏，然而对于海底管道出现严重破损或有较大变形的情况，就难以实现有效的封堵修复。提升法修复主要为一种水上修复技术，是在水下切除破损管段之后将切割后的两管端分别提升至海面施工船焊接法兰，最后再次下水完成连接，该技术规避了水下过程中的风险，目前主要应用于浅水区域，其缺点是海上焊接对接施工技术复杂，作业中操作风险大，提升和下水作业均易造成管段局部屈曲和发生弯折，更重要的是该技术的流程较为复杂且修复时间较长。水下管段更换修复技术其特点是适用范围广，可完成腐蚀或断裂等各种形式的海底管道破损修复，但缺点是修复用机械连接器这一关键备件的生产技术及其修复作业装置和操作流程一直掌握在国外专业公司手中，国内还没有形成相应的研发与生产技术以及海上实施修复作业能力。

发明内容

为了有效解决海底管道的快速修复问题并克服现有修复技术和作业方案存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种采用水下气囊平衡方式的海底管道修复装置及其方法。依据海底管道修复装置双气囊和双吊索对称布置于平衡管两侧的构造及管道连接器的液压推进系统，实施海底管道切割、预制和预对中以及水下气囊平衡对中、对接和固定连接的作业流程，实现水下生产系统海底管道破损管段的修复。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法，该海底管道修复装置主要由气囊、平衡管、吊绳、吊索、卡具和管道连接器组成，其海底管道修复方法依次实施管道切割和预制作业、切割管段测量和预对中作业、气囊平衡吊装和对中作业、气囊平衡对接作业、修复装置拆装作业和管道固定连接作业的整套作业流程，最终实现海底管道严重破损时的快速修复。

海底管道修复装置整体设计为分体式全对称构造，其中气囊、吊绳、吊索和卡具均采用双分体式结构，即气囊、吊绳、吊索和卡具均含有左右两个结构和规格尺寸完全相同的单体，且其左右两个单体对称布置于平衡管和管道连接器的两侧，而平衡管和管道连接器则采用左右对称的单管体结构，管道连接器用来完成切割后海底管道两管端的固定连接。

气囊采用立式厚壁罐体构造，用来存储气体并协助完成气囊平衡吊装、对中和对接作业，它包括气罐、泄气阀、通气阀和排液阀。气罐采用对称双封头结构，其材质选用超级双相不锈钢，它由上封头、罐体和下封头组成，上封头和下封头均采用半椭圆球体并对称布置于罐体的两侧，且上封头和下封头通过圆周焊与罐体相连；罐体腔壁下部加工有上下两个密封性管螺纹孔，并分别配置通气阀，实现气囊同平衡管连为一体，且通过通气阀可以控制气囊的进气量和排气量；上下通气阀开启后，通过气囊为平衡管进行充气，上下通气阀关闭后，通过压气机继续为气囊充气，充气结束后两气囊中的气压相等。气罐上封头的中央部位设置泄气阀，用于控制罐体腔室内气体的泄放量，完成气囊平衡对接作业中管道连接器的调偏，同时作为修复装置拆装作业中海水填充气囊的通道；而气罐下封头的中央部位设置排液阀，用于排放气囊腔室内填充的海水及沉积的杂物。

平衡管采用卧式厚壁管体构造，用来联接吊绳和吊索，同时存储气体并与气囊一同平衡吊装和对接作业中海上吊机经吊绳传递的振荡载荷，而且平衡管提供浮力以减小吊机在修复装置回收过程中的钩载，它包括基管、上吊座、下吊座和六边形金属环。

基管的轴线与两气囊的轴线均保持垂直且处于同一平面内，基管的两侧分别布置端部法兰和盲端法兰，且端部法兰的外侧端面和盲端法兰的内侧端面上均加工有环形凹槽，环形凹槽的横截面呈等腰梯形，各等腰梯形截面均全等，基管两侧的端部法兰和盲端法兰的环形凹槽对称布置且所构成的环腔中配置六边形金属环。六边形金属环的横截面呈长六边形，且其长形截面的中心线与平衡管的轴线相平行，同时六边形金属环采用粗金属环体且其外部均包裹有金属箔片。基管两侧的端部法兰和盲端法兰通过夹紧螺柱所施加的夹紧力使六边形金属环产生变形并形成金属环密封。

上吊座和下吊座分别位于基管的上部和下部，并沿基管的外环面依次对称布置，同时上吊座均位于下吊座的内侧。上吊座和下吊座均分为两组，每组吊座含有两个单体的分吊座且两分吊座平行放置；每个分吊座的规格大小和尺寸相同，且每个分吊座均采用半圆形和等腰梯形相结合的钢板，半圆形钢板中心的开孔直径相等；上吊座分别与各上销轴配合而实现基管与吊绳间的联接，同时下吊座分别与各中销轴配合而实现基管与吊索间的联接。

吊绳位于平衡管的上部，用来完成整套修复装置的吊装作业，吊索位于平衡管的下部，用来实现气囊和平衡管与管道连接器间的联接，两吊绳和吊索的轴线与平衡管的轴线均处于同一平面内。吊绳和吊索的结构相同且均由接头、连接筒和接绳组成，吊绳与吊索的接头和连接筒的规格尺寸相同；左右两吊绳均配有一个接头、连接筒和接绳，且其接头与上吊座间采用铰接，其接绳与施工船上的吊机联接在一起；左右两吊索均配置两个接头和连接筒及一根接绳，且两接头和连接筒依次对称布置于吊索接绳的两侧并连为一个整体，吊索上部接头与下吊座间采用铰接，而吊索下部接头则与卡座间采用铰接。

接头上部采用半圆柱体和四方体相结合的柱体，其中四方体的截面为等腰梯形，等腰梯形截面的两侧边分别与半圆柱体的圆形截面相切，接头上部柱体的左右两侧端面相互平行，且其两侧端面的间距均小于两分吊座和两分卡座的间距；接头下部采用阶梯回转轴，其上端通过卸载槽与接头上部柱体相连，而其下端则通过螺纹与连接筒进行联接。连接筒采用长筒体，其内壁采用阶梯回转面结构，连接筒内壁的上部环面采用内螺纹，且其中间环面和下部环面的变截面处构成环形卡槽并定位接绳的绳端，同时接绳自连接筒端部的变径锥体内引出。

卡具用来完成吊索与管道连接器间的联接，它包括卡盘和卡座，卡盘采用半环形法兰盘，卡盘的外径与管道连接器中管端密封器外环面上圆锥面的小端圆面直径相等，卡盘通过管端螺柱与管道连接器进行联接。卡座位于卡盘的正上方，每个卡具仅含有一组卡座，该组卡座含有两个单体的分卡座且两分卡座平行放置，每个分卡座的规格大小和尺寸相同；而且每个分卡座均采用圆盘形和矩形相结合的钢板，其圆盘形和矩形钢板结合处采用圆弧面进行过渡，分卡座矩形钢板的厚度与卡盘的厚度相等，分卡座圆盘形钢板中心的开孔直径与上吊座和下吊座中分吊座的半圆形钢板中心的开孔直径相等；卡座分别与各下销轴配合而实现卡具与吊索间的联接，同时下销轴与上销轴和中销轴的轴端均加工有螺纹盲孔并配置六角头螺钉进行固定。

管道切割和预制作业用来完成海底管道的切割和切割管段两管端环面的预制，其流程为，首先实施海底管道泄漏位置的吹泥作业，然后通过海底冷切割方式整体切除破损管段，泄漏处的破损面位于破损管段的中部，切割下来的破损管段两侧端分别套入绳索并通过吊机提升至海面施工船上；接着，水下切割后的切割管段先清理两管端的水泥配重层及防腐层，再采用打磨机将切割管段两管端打磨成内侧为圆柱面的预制柱面和外侧为圆锥面的预制锥面，切割管段预制柱面的外径和轴向长度以及预制锥面的锥度和锥高均与管道连接器中管端密封器和修复器的内壁规格尺寸保持一致，最后在切割管段预制柱面的端部车制倒角，以便于管道连接器和切割管段各管端的对接。

切割管段测量和预对中作业用来测定切割管段的相对位置并完成切割管段管端的初步对中，其流程为，准确测定切割管段预制柱面和预制锥面的相对位置，包括空间方位角和两管端轴线间的偏移距离，并依据水下测量参数制定相应的吊装作业方案；接着，依据所测定的切割管段两管端偏移距离参数，分别在海底泥面切割管段预制锥面的外侧垫支水泥块，以调低切割管段两管端的偏移距离，水泥块采用分层交错叠加的方式放置，且每层的块数由上而下依次增加，最顶层水泥块的上端面预制有柱形沟槽，柱形沟槽的截面呈圆拱形，且柱形沟槽圆拱形截面的圆心位于切割管段管端的轴线上。

气囊平衡吊装和对中作业通过气囊和平衡管的平衡作用将整套海底管道修复装置吊装至切割管段两管端之间并完成管道连接器与对应管端的对中，其流程为，通过气囊向平衡管内充入气体，然后向两气囊中分别充入相同重量和压力的气体，依据所测定的水下切割管段相对位置参数，采用施工船上的吊机通过吊绳下放整套海底管道修复装置，并通过气囊和平衡管的平衡作用吊装至切割管段两管端之间的位置；切割管段两管端无偏移时，通过气囊和平衡管的平衡作用将管道连接器中管端密封器的内壁缓慢调整至与对应侧切割管段的预制环面重合；切割管段两管端存在偏移时，通过气囊和平衡管的平衡作用将管道连接器中管端密封器的内壁缓慢调整至与较低位置处切割管段的预制环面重合，完成吊装和对中操作。

气囊平衡对接作业完成管道连接器的调偏操作及其与切割管段两管端的水下对接，其流程为，通过气囊和平衡管的平衡作用将整套海底管道修复装置稳定于切割管段两管端之间的位置，在切割管段两管端无偏移时，依靠管道连接器中液压推进系统提供的驱动力，管道连接器中左右两侧的管端密封器、修复器和滑移密封器一起沿滑移体轴向推进，推至管端密封器内壁的外锥面与切割管段的预制锥面相重合。而切割管段两管端存在偏移时，首先启动较低位置切割管段一侧液压推进系统的各液压缸，管道连接器对应侧的管端密封器、修复器和滑移密封器沿滑移体轴向推进，推至管端密封器内壁的外锥面与较低位置切割管段的预制锥面相重合；然后，利用水下机器人打开气囊的泄气阀，缓慢按比例调整两气罐中气体的泄放量，并保持较低位置切割管段一侧气囊的泄气量多于较高位置切割管段一侧气囊的泄气量，以保证管道连接器始终处于水平状态，由此逐步抬升海底管道修复装置和较低位置的切割管段，直至较高位置切割管段一侧管端密封器的内壁与该侧切割管段的预制环面重合为止；接着，关闭气囊的泄气阀并启动较高位置切割管段一侧液压推进系统的各液压缸，管道连接器中对应侧的管端密封器、修复器和滑移密封器沿滑移体轴向推进，推至管端密封器内壁的外锥面与较高位置切割管段的预制锥面相重合；最后，利用吊机缓慢下放海底管道修复装置和切割管段至海底泥面最顶层水泥块的柱形沟槽内。

修复装置拆装作业用来完成海底管道修复装置的拆卸并通过平衡管辅助回收，其流程为，利用水下机器人打开气囊的泄气阀并泄放出两气囊中剩余的全部气体，接着打开排液阀，将两气囊中分别充满海水，然后关闭泄气阀和排液阀；再接着，利用水下机器人拧开管道连接器上部的各管端螺柱，将左右两侧的卡具分别从管道连接器上拆卸下来，依靠平衡管的平衡作用并利用吊机的钩载将拆卸后的海底管道修复装置回收至海面施工船上；最后，卸载管道连接器中液压推进系统，利用水下机器人将液压推进系统的各液压缸从管道连接器上拆卸下来，并利用吊机回收至海面施工船上。

管道固定连接作业通过管道连接器完成切割管段两管端间的固定连接，其流程为，利用水下机器人旋紧管端密封器的各管端螺柱，形成金属圈密封和金属环密封，完成管道连接器与切割管段两管端间的固定连接；然后利用水下机器人旋紧滑移密封器的各滑移螺柱，形成金属圈密封和金属环密封，完成管道连接器各部件间的固定连接。

本发明所能达到的技术效果是，该海底管道修复装置依据双气囊和双吊索对称布置于平衡管两侧的构造及管道连接器的液压推进系统，实施海底管道切割、预制和预对中以及水下气囊平衡对中、对接和固定连接的整套作业流程，实现水下生产系统海底管道破损管段的修复；气囊采用立式厚壁罐体，用来存储气体并协助完成气囊平衡吊装、对中和对接作业；平衡管采用卧式厚壁管体，用来存储气体并与气囊一同平衡吊装和对接作业中海上吊机经吊绳传递的振荡载荷，而且平衡管提供浮力以减小吊机在修复装置回收过程中的钩载；吊索位于平衡管的下部，实现气囊和平衡管与管道连接器间的联接，而吊绳位于平衡管的上部，用来完成整套修复装置的吊装作业。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。

图1是根据本发明所提出的水下气囊平衡海底管道修复装置的典型结构简图。

图2是水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法中气囊、吊绳和平衡管的结构简图。

图3是图2的A—A剖视图。

图4是水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法中吊索、卡具和管道连接器的结构简图。

图5是图4的左视图。

图6是水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法中管道切割和预制作业的流程简图。

图7是水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法中切割管段测量和预对中作业的流程简图。

图8是水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法中切割管段两管端无偏移时气囊平衡吊装和对中作业以及气囊平衡对接作业的流程简图。

图9是水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法中切割管段两管端存在偏移时气囊平衡吊装和对中作业以及气囊平衡对接作业的流程简图。

图10是水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法中修复装置拆装作业的流程简图。

图11是水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法中管道固定连接作业的流程简图。

图中1－气囊，2－吊绳，3－平衡管，4－吊索，5－卡具，6－管道连接器，7－切割管段，8－泄气阀，9－气罐，10－通气阀，11－排液阀，12－夹紧螺柱，13－六边形金属环，14－下吊座，15－中销轴，16－基管，17－上吊座，18－上销轴，19－接头，20－连接筒，21－接绳，22－下销轴，23－卡座，24－卡盘，25－管端螺柱，26－管端密封器，27－修复器，28－液压推进系统，29－滑移密封器，30－滑移体，31－绳索，32－破损管段，33－水泥块。

具体实施方式

在图1中，水下气囊平衡海底管道修复装置主要由气囊1、吊绳2、平衡管3、吊索4、卡具5和管道连接器6组成，其海底管道修复方法依次实施管道切割和预制作业、切割管段7测量和预对中作业、气囊1平衡吊装和对中作业、气囊1平衡对接作业、修复装置拆装作业和管道固定连接作业的整套流程，最终实现海底管道严重破损时的快速修复。

在图1中，该海底管道修复装置组装前，气囊1、平衡管3和管道连接器6主体部件的外表面分别进行喷漆处理，防止海水腐蚀。该海底管道修复装置组装时，首先将气囊1通过通气阀接到平衡管3上，并将吊索4通过中销轴接到平衡管3上；然后，将卡具5通过下销轴与吊索4进行联接，并通过管端螺柱将气囊1、平衡管3、吊索4和卡具5一起接到管道连接器6上；最后，吊绳2通过上销轴与平衡管3进行联接。

在图1中，该海底管道修复装置调试时，管道连接器6的管端密封器、修复器和滑移密封器应沿滑移体灵活滑移且无阻滞，并保持气囊1和平衡管3内壁的清洁；同时，检查平衡管3和管道连接器6的各金属环和金属圈有无损伤，检查气囊1和平衡管3各阀门的开关是否正确，检查各销轴和螺纹联接处是否牢固且有无锈蚀。

在图1中，该海底管道修复装置采用双气囊1、双吊绳2、双吊索4和双卡具5，且均对称布置于平衡管3的两侧，通过气囊1和平衡管3的平衡作用完成整套海底管道修复装置在切割管段7两管端之间的吊装和对中并实现管道连接器6的调偏操作及其与切割管段7两管端的水下对接。

在图2和图3中，气囊1中两个气罐9的罐腔容积依据协助完成气囊1平衡吊装、对中和对接作业所在海域的海况和所需要的最大浮载进行设计，平衡管3的管腔容积依据吊装和对接作业所在海域的海况、吊机的振荡载荷以及修复装置回收过程中所需要提供的浮力等因素进行选型，而平衡管3的轴向长度则与管道连接器6以及破损管段的轴向长度保持一致，吊绳2的规格尺寸依据吊装作业所在海域的海况以及提升修复装置和切割管段7管端所需要的最大钩载进行设计。

在图2和图3中，平衡管3中的基管16通过依次开启气罐9罐壁上的泄气阀8和通气阀10进行充气，基管16充气结束后需要关闭通气阀10，然后通过泄气阀8继续为气罐9进行充气，气罐9充气结束后两气罐9中的气量和气压均相等，以便保证气囊1的平衡作用，气囊1中存在杂物或积液时，通过开启排液阀11进行排放。平衡管3中的六边形金属环13依据夹紧螺柱12所施加的夹紧力来实现基管16两管端的密封，基管16通过其外环面上的下吊座14与中销轴15间的配合而下接吊索4以及上吊座17与上销轴18间的配合而上联吊绳2。

在图4和图5中，吊索4中接绳21的规格尺寸依据吊装作业所在海域的海况以及提升修复装置和切割管段7管端所需要的最大钩载进行设计，而接绳21的长度则依据管道连接器6轴向推进的最大位移进行调整，接头19和连接筒20的规格尺寸与接绳21保持一致，管端螺柱25的强度需要考虑吊索4传递最大钩载所形成的剪应力情况，管道连接器6的内壁直径依据切割管段7的管径进行调整。

在图4和图5中，吊索4通过接头19与下销轴22和卡座23间的配合而与卡具5进行铰接，同时吊索4和卡具5通过卡盘24与管端螺柱25间的配合而与管道连接器6连为一体，管道连接器6依靠液压推进系统28提供的驱动力将管端密封器26、修复器27和滑移密封器29沿滑移体30轴向推进，从而完成管道连接器6与切割管段7的对接作业。

在图6中，管道切割和预制作业流程中，首先利用水下切割机实施管道切割作业，先切割破损管段32的一侧端，其切口沿圆周方向达到四分之三左右的周长段后停止，然后再切割破损管段32的另一侧端，其切口沿圆周方向同样达到四分之三左右的周长段后停止，最后对破损管段32的两侧端统一实施切除，并通过吊机和绳索31对切割后的破损管段32实施吊装，绳索31的规格尺寸依据吊装作业所在海域的海况和切割下来破损管段32的重量及其管径进行选取。接着，利用水下打磨机实施管道预制作业，在切割管段7的两管端分别打磨出预制环面，打磨出的预制环面包括轴向长度为h₁的预制柱面和锥高为h₂的预制锥面，此外h₁和h₂的实际值依据管道连接器6的管端密封器26和修复器27内壁的轴向长度进行调整。

在图7中，切割管段测量和预对中作业流程中，首先利用水下测量仪器实施切割管段7测量作业，测定出切割管段7两管端间相对位置的各项参数值，包括两管端轴线间的偏移距离Δe₁。接着，采用垫支水泥块33的方式实施切割管段7预对中作业，在切割管段7两管端的海底泥面上分别分层交错叠加放置水泥块33，从而将切割管段7两管端的偏移距离由Δe₁调低至Δe₂，Δe₂需控制在气囊1平衡吊装、对中和对接作业中管道连接器6的最大允许偏移距离范围之内，切割管段7两管端的水泥块33叠放层数依据偏移距离Δe₁进行调整。

在图8中，切割管段两管端无偏移时的气囊平衡吊装和对中作业流程中，利用施工船上的吊机和吊绳2并通过水下机器人进行辅助，将整套海底管道修复装置吊装至切割管段7两管端之间的位置，整个吊装过程中均利用气囊1和平衡管3来保证管道连接器6的稳定。接着，通过气囊1和平衡管3的平衡作用，保持管道连接器6始终处于水平非振荡状态，直至管道连接器6的轴线与切割管段7两管端的轴线重合为止。

在图8中，切割管段两管端无偏移时的气囊平衡对接作业流程中，首先启动吊机的恒张力补偿装置，并结合气囊1和平衡管3的平衡作用，管道连接器6稳定悬吊于切割管段7两管端之间的位置；然后，启动液压推进系统28，并给左右两端的各液压缸进行供油，推动管道连接器6左右两侧的管端密封器26、修复器27和滑移密封器29沿滑移体30同步轴向推进，管端密封器26内壁的外锥面与切割管段7两管端的预制锥面均重合后，关闭液压推进系统28，同时各液压缸停止供油。

在图9中，切割管段两管端存在偏移时气囊平衡吊装和对中作业流程中，利用施工船上的吊机和吊绳2并通过水下机器人进行辅助，将整套海底管道修复装置吊装至切割管段7预对中后两管端之间的位置，整个吊装过程中均利用气囊1和平衡管3来保证管道连接器6的稳定。接着，通过气囊1和平衡管3的平衡作用，保持管道连接器6始终处于水平非振荡状态，直至管道连接器6的轴线与较低位置处切割管段7管端的轴线重合为止。

在图9中，切割管段两管端存在偏移时气囊平衡对接作业流程中，首先启动吊机的恒张力补偿装置，并结合气囊1和平衡管3的平衡作用，管道连接器6稳定悬吊于切割管段7两管端之间的位置；然后，启动较低位置切割管段7一侧的液压推进系统28，并给该侧的各液压缸进行供油，该侧管端密封器26内壁的外锥面与较低位置切割管段7的预制锥面重合后，关闭液压推进系统28，同时各液压缸停止供油；接着，利用水下机器人泄放两气罐9中的气体，并通过气囊1和平衡管3的平衡作用及其浮力，将管道连接器6和较低位置切割管段7一起水平提升Δe₂的距离而达到调偏的目的，此时管道连接器6的轴线与较高位置切割管段7管端的轴线重合，两气囊1中气体的泄放量和泄放比例依据管道连接器6和较低位置切割管段7提升过程中的受力情况进行调整；最后，启动较高位置切割管段7一侧的液压推进系统28，并给该侧的各液压缸进行供油，该侧管端密封器26内壁的外锥面与较高位置切割管段7的预制锥面重合后，关闭液压推进系统28，同时各液压缸停止供油，然后关闭吊机的恒张力补偿装置并下放海底管道修复装置和切割管段7。

在图10中，修复装置拆装作业流程中，首先利用水下机器人对气囊1实施泄气作业，打开一侧气囊1的泄气阀8进行缓慢泄气的同时，打开另一侧气囊1的泄气阀8也进行缓慢泄气，以免因气囊1泄气过快而对管道连接器6和切割管段7产生较大的冲击力；然后，利用水下机器人对气囊1实施充水作业，依次打开两气囊1的排液阀11形成联通罐腔；接着，利用水下机器人对卡具5实施拆卸作业，拧开各管端螺柱25最外侧的螺母，依次卸下管道连接器6两端的卡盘24；最后，利用水下机器人对液压推进系统28实施拆卸作业，拧开各六角头螺钉并拔出各销轴，依次卸下左右两侧的所有液压缸，拆卸后的海底管道修复装置以及液压推进系统28均通过吊机回收至海面施工船上。

在图11中，管道固定连接作业流程中，利用水下机器人旋紧管端密封器26的各管端螺柱25，管端密封器26和修复器27各金属圈和金属环的轴向变形总量达到Δl₁后，依次形成金属圈密封和金属环密封，由此完成管道连接器6与切割管段7两管端间的固定连接，水下机器人对各管端螺柱25所施加的最大拧紧力矩依据各金属圈和金属环产生最大变形所需要的夹紧力和推力的合力进行设计。接着，利用水下机器人旋紧滑移密封器29的各滑移螺柱，修复器27内侧的金属圈和其端部的各金属环的轴向变形总量达到Δl₂后，依次形成金属圈密封和金属环密封，由此完成管道连接器6各部件间的固定连接，水下机器人对各滑移螺柱所施加的最大拧紧力矩依据金属圈和各金属环产生最大变形所需要的夹紧力和推力的合力进行设计。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法，海底管道修复装置主要由气囊、平衡管、吊绳、吊索、卡具和管道连接器组成，其海底管道修复方法依次实施管道切割和预制作业、切割管段测量和预对中作业、气囊平衡吊装和对中作业、气囊平衡对接作业、修复装置拆装作业和管道固定连接作业的整套作业流程，并依据双气囊和双吊索对称布置于平衡管两侧的构造及管道连接器的液压推进系统，实施海底管道切割、预制和预对中以及水下气囊平衡对中、对接和固定连接的作业流程，实现海底管道严重破损时的快速修复，其特征在于：

海底管道修复装置整体设计为分体式全对称构造，其中气囊、吊绳、吊索和卡具均采用双分体式结构，而平衡管和管道连接器则采用左右对称的单管体结构；

一气囊；所述气囊采用立式厚壁罐体构造，用来存储气体并协助完成气囊平衡吊装、对中和对接作业，气罐采用对称双封头结构，上封头和下封头均采用半椭圆球体并对称布置于罐体的两侧；罐体腔壁下部加工有上下两个密封性管螺纹孔，并分别配置通气阀，实现气囊同平衡管连为一体；气罐上封头的中央部位设置泄气阀，控制罐体腔室内气体的泄放量；

一平衡管；所述平衡管采用卧式厚壁管体构造，用来存储气体并与气囊一同平衡吊装和对接作业中海上吊机经吊绳传递的振荡载荷，而且平衡管提供浮力以减小吊机在修复装置回收过程中的钩载；基管的轴线与两气囊的轴线均保持垂直且处于同一平面内，基管两侧的端部法兰和盲端法兰的环形凹槽对称布置且所构成的环腔中配置六边形金属环，六边形金属环的横截面呈长六边形；上吊座和下吊座沿基管的外环面依次对称布置，同时上吊座均位于下吊座的内侧，上吊座和下吊座均分为两组；

一吊绳和吊索；所述吊绳和吊索的轴线与平衡管的轴线均处于同一平面内，吊绳和吊索的结构相同且均由接头、连接筒和接绳组成，左右两吊绳均配有一个接头、连接筒和接绳，而左右两吊索均配置两个接头和连接筒及一根接绳，且两接头和连接筒依次对称布置于吊索接绳的两侧并连为一个整体，接头上部采用半圆柱体和四方体相结合的柱体，连接筒采用长筒体，其内壁的中间环面和下部环面的变截面处构成环形卡槽并定位接绳的绳端；

一卡具；所述卡具完成吊索与管道连接器间的联接，卡盘采用半环形法兰盘，卡座位于卡盘的正上方，每个卡具仅含有一组卡座，每个分卡座均采用圆盘形和矩形相结合的钢板；

切割管段测量和预对中作业测定切割管段的相对位置并完成切割管段管端的初步对中；

气囊平衡吊装和对中作业通过气囊和平衡管的平衡作用将整套海底管道修复装置吊装至切割管段两管端之间并完成管道连接器与对应管端的对中；

气囊平衡对接作业完成管道连接器的调偏操作及其与切割管段两管端的水下对接；

修复装置拆装作业用来完成海底管道修复装置的拆卸并通过平衡管辅助回收；

管道固定连接作业通过管道连接器完成切割管段两管端间的固定连接。

2.根据权利要求1所述的水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法，其特征在于：所述水下气囊平衡海底管道修复装置的气囊、吊绳、吊索和卡具均含有左右两个结构和规格尺寸完全相同的单体，且其左右两个单体对称布置于平衡管和管道连接器的两侧。

3.根据权利要求1所述的水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法，其特征在于：所述气囊的气罐由上封头、罐体和下封头组成，罐体腔壁下部通过通气阀可以控制气囊的进气量和排气量，上下通气阀开启后，通过气囊为平衡管进行充气，上下通气阀关闭后，通过压气机继续为气囊充气，充气结束后两气囊中的气压相等；

所述气囊的泄气阀完成气囊平衡对接作业中管道连接器的调偏，同时作为修复装置拆装作业中海水填充气囊的通道，而气罐下封头的中央部位设置排液阀。

4.根据权利要求1所述的水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法，其特征在于：所述平衡管用来联接吊绳和吊索；

所述基管的两侧分别布置端部法兰和盲端法兰，且端部法兰的外侧端面和盲端法兰的内侧端面上均加工有环形凹槽，环形凹槽的横截面呈等腰梯形，各等腰梯形截面均全等；

所述六边形金属环的长形截面的中心线与平衡管的轴线相平行，基管两侧的端部法兰和盲端法兰通过夹紧螺柱所施加的夹紧力使六边形金属环产生变形并形成金属环密封；

所述上吊座和下吊座分别位于基管的上部和下部，上吊座和下吊座中的每组吊座均含有两个单体的分吊座且两分吊座平行放置，每个分吊座均采用半圆形和等腰梯形相结合的钢板。

5.根据权利要求1所述的水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法，其特征在于：所述吊绳位于平衡管的上部，而吊索位于平衡管的下部，用来实现气囊和平衡管与管道连接器间的联接；吊绳与吊索的接头和连接筒的规格尺寸相同，左右两吊绳的接头与上吊座间采用铰接，而其接绳与施工船上的吊机联接在一起，左右两吊索上部接头与下吊座间采用铰接，而吊索下部接头则与卡座间采用铰接；

所述吊绳与吊索的接头上部四方体的截面为等腰梯形，等腰梯形截面的两侧边分别与接头上部半圆柱体的圆形截面相切，接头上部柱体的左右两侧端面相互平行，且其两侧端面的间距均小于两分吊座和两分卡座的间距；接头下部采用阶梯回转轴，其上端通过卸载槽与接头上部柱体相连，而其下端则通过螺纹与连接筒进行联接；

所述吊绳与吊索的连接筒内壁采用阶梯回转面结构，同时其接绳自连接筒端部的变径锥体内引出。

6.根据权利要求1所述的水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法，其特征在于：所述卡具包括卡盘和卡座，卡盘的外径与管道连接器中管端密封器外环面上圆锥面的小端圆面直径相等，卡盘通过管端螺柱与管道连接器进行联接；

所述卡具的一组卡座含有两个单体的分卡座且两分卡座平行放置，每个分卡座的圆盘形和矩形钢板结合处采用圆弧面进行过渡，分卡座矩形钢板的厚度与卡盘的厚度相等，分卡座圆盘形钢板中心的开孔直径与上吊座和下吊座中分吊座的半圆形钢板中心的开孔直径相等。

7.根据权利要求1所述的水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法，其特征在于：所述管道切割和预制作业完成海底管道的切割和切割管段两管端环面的预制，其流程为，首先实施海底管道泄漏位置的吹泥作业，然后通过海底冷切割方式整体切除破损管段，泄漏处的破损面位于破损管段的中部；接着，水下切割后的切割管段先清理两管端的水泥配重层及防腐层，再采用打磨机将切割管段两管端打磨成内侧为圆柱面的预制柱面和外侧为圆锥面的预制锥面，切割管段预制柱面的外径和轴向长度以及预制锥面的锥度和锥高均与管道连接器中管端密封器和修复器的内壁规格尺寸保持一致；

所述切割管段测量和预对中作业的流程为，准确测定切割管段预制柱面和预制锥面的相对位置，包括空间方位角和两管端轴线间的偏移距离，并依据水下测量参数制定相应的吊装作业方案；接着，依据所测定的切割管段两管端偏移距离参数，分别在海底泥面切割管段预制锥面的外侧垫支水泥块，以调低切割管段两管端的偏移距离，水泥块采用分层交错叠加的方式放置，且每层的块数由上而下依次增加，最顶层水泥块的上端面预制有柱形沟槽，柱形沟槽的截面呈圆拱形，且柱形沟槽圆拱形截面的圆心位于切割管段管端的轴线上。

8.根据权利要求1所述的水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法，其特征在于：所述气囊平衡吊装和对中作业的流程为，通过气囊向平衡管内充入气体，然后向两气囊中分别充入相同重量和压力的气体，依据所测定的水下切割管段相对位置参数，采用施工船上的吊机通过吊绳下放整套海底管道修复装置，并通过气囊和平衡管的平衡作用吊装至切割管段两管端之间的位置；切割管段两管端无偏移时，通过气囊和平衡管的平衡作用将管道连接器中管端密封器的内壁缓慢调整至与对应侧切割管段的预制环面重合；切割管段两管端存在偏移时，通过气囊和平衡管的平衡作用将管道连接器中管端密封器的内壁缓慢调整至与较低位置处切割管段的预制环面重合，完成吊装和对中操作。

9.根据权利要求1所述的水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法，其特征在于：所述气囊平衡对接作业的流程为，通过气囊和平衡管的平衡作用将整套海底管道修复装置稳定于切割管段两管端之间的位置，在切割管段两管端无偏移时，依靠管道连接器中液压推进系统提供的驱动力，管道连接器中左右两侧的管端密封器、修复器和滑移密封器一起沿滑移体轴向推进，推至管端密封器内壁的外锥面与切割管段的预制锥面相重合；

切割管段两管端存在偏移时，首先启动较低位置切割管段一侧液压推进系统的各液压缸，管道连接器对应侧的管端密封器、修复器和滑移密封器沿滑移体轴向推进，推至管端密封器内壁的外锥面与较低位置切割管段的预制锥面相重合；然后，利用水下机器人打开气囊的泄气阀，缓慢按比例调整两气罐中气体的泄放量，并保持较低位置切割管段一侧气囊的泄气量多于较高位置切割管段一侧气囊的泄气量，以保证管道连接器始终处于水平状态，由此逐步抬升海底管道修复装置和较低位置的切割管段，直至较高位置切割管段一侧管端密封器的内壁与该侧切割管段的预制环面重合为止；接着，关闭气囊的泄气阀并启动较高位置切割管段一侧液压推进系统的各液压缸，管道连接器中对应侧的管端密封器、修复器和滑移密封器沿滑移体轴向推进，推至管端密封器内壁的外锥面与较高位置切割管段的预制锥面相重合；最后，利用吊机缓慢下放海底管道修复装置和切割管段至海底泥面最顶层水泥块的柱形沟槽内。

10.根据权利要求1所述的水下气囊平衡海底管道修复装置及其方法，其特征在于：所述修复装置拆装作业的流程为，利用水下机器人打开气囊的泄气阀并泄放出两气囊中剩余的全部气体，接着打开排液阀，将两气囊中分别充满海水，然后关闭泄气阀和排液阀；再接着，利用水下机器人拧开管道连接器上部的各管端螺柱，将左右两侧的卡具分别从管道连接器上拆卸下来，依靠平衡管的平衡作用并利用吊机的钩载将拆卸后的海底管道修复装置回收至海面施工船上；最后，卸载管道连接器中液压推进系统，利用水下机器人将液压推进系统的各液压缸从管道连接器上拆卸下来，并利用吊机回收至海面施工船上；

所述管道固定连接作业的流程为，利用水下机器人旋紧管端密封器的各管端螺柱，形成金属圈密封和金属环密封，完成管道连接器与切割管段两管端间的固定连接；然后利用水下机器人旋紧滑移密封器的各滑移螺柱，形成金属圈密封和金属环密封，完成管道连接器各部件间的固定连接。