《膨脹彎水下測量技術(shù)》

1、膨脹彎水下測量技術(shù)和設(shè)備摘要：本文主要論述了在淺水區(qū)和深水區(qū)國內(nèi)外幾種膨脹彎水下測量的技術(shù)，分別介紹了應(yīng) 用這些水下測量技術(shù)中所需要的設(shè)備，并分析了各種設(shè)備的使用范圍和優(yōu)缺點。1, 概述，隨著海洋石油事業(yè)的蓬勃發(fā)展，將來會有越來越多的海底管線鋪設(shè)到海底，這就 必然伴生出海關(guān)法蘭膨脹彎的連接工程，兒乎在絕大部分的海洋工程項目中，都存在海管法 蘭膨脹彎的連接。所謂海管法蘭膨脹彎的連接，是指在導(dǎo)管架立管底部和海底管線平管之間用法蘭和膨脹 彎的連接形式。過去的經(jīng)驗表明，連接海管法蘭膨脹彎最關(guān)鍵的工序是海管法蘭之間相對空間位置和方 位角的測量，b|j：測量立管底部法蘭和海管平管法蘭之間的距離、角度、高差

2、等各種相對空 間位置和方位。為了準(zhǔn)確的預(yù)制出所要安裝的膨脹彎，繼而順利的進(jìn)行安裝工作，縮短工期，降低海上 施工成本，減少浪費，所以必須精確的在水下測量出膨脹彎兩端法蘭的各項參數(shù)。只有準(zhǔn)確 地測量出這些參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)在施工船甲板上放樣，這樣才能準(zhǔn)確地預(yù)制出膨脹彎, 從而使膨脹彎能順利地安裝。也就是保證所安裝的法蘭試壓合格率高。在國內(nèi)以往的項目中，膨脹彎法蘭的測量只是潛水員下水，用鋼尺量出兩個法蘭面的距 離（相對位置），然后就開始在甲板上預(yù)制膨脹彎，但是由于沒有測量立管法蘭和平管法蘭 z間的角度（相對方位）和高度（相對高差），因此，所預(yù)制的膨脹彎大都不能順利安裝， 其法蘭面不能吻合，這樣連

3、接的法蘭大都不密封，一試壓就泄露。這樣就只好返工。有的法 蘭可能耍多次返工，從而造成工期嚴(yán)重推遲，由于海上施工船隊日費率以幾十萬、上百萬計, 所以，就可能僅僅因為法蘭的測量不準(zhǔn)而造成慘重的經(jīng)濟(jì)損失。例如，1999年由海上工程 公司承擔(dān)的漓洲12-1項日海管法蘭膨脹彎連接工程就是由于沒有能夠準(zhǔn)確地測量法蘭之間 的距離、角度和高差，所預(yù)制的膨脹彎無一能順利安裝，所有16個法蘭口沒有一個合格， 有的要返修34次，使本來一個月的工期，竟然兩個月才完成。近年來，由我公司承擔(dān)的一 些項目的海管法蘭連接工程，在試壓時出現(xiàn)泄露，很大原因就是海管法蘭膨脹彎測量不準(zhǔn)確 造成的并且，現(xiàn)在海洋工程的領(lǐng)域逐漸向深海拓展

4、，水深一般在1000以下。而使用潛水員測 量所需的飽和潛水系統(tǒng)，最多只能下潛300米左右。這時，即使派遣潛水員下水進(jìn)行粗糙的 水下測量，也是不可行的。所以我們需要研究一些新的膨脹彎水下測量的技術(shù)和方法及所負(fù) 載的設(shè)備。膨脹彎法蘭的水下測塑目前可以分為兩大類，淺水和深水。淺水區(qū)內(nèi)，還是可以派遣潛 水員攜帶精準(zhǔn)的測量儀器下水，在水下具體的精確的測量法蘭z間的相對距離、相對角度、 相對高度，而不再是粗放的單一的測量。深水區(qū)內(nèi)，可以使用r0v攜帶各種精密的、便于安 裝的測量儀器進(jìn)行測量。2, 水下測量技術(shù)具體方法和所需設(shè)備:2.1淺水區(qū)水下測量淺水區(qū)潛水員下水測量大部分都是使用海管法蘭測量儀，簡便，有

5、效，準(zhǔn)確度高。大部分水下的直接測量技術(shù)，無論是深水或是淺水，技術(shù)原理都和海管法蘭測量儀使用 原理類似，所以在此對海管法蘭測量儀的原理和使用方法進(jìn)行一下詳細(xì)的闡述。海管法蘭測量儀具體結(jié)構(gòu)如下：2. 1. 1：支撐結(jié)構(gòu)：底座：用于支撐整個儀器及固定于被測法蘭上。 豎向角度儀旋轉(zhuǎn)軸：用于支撐豎向角度儀旋轉(zhuǎn)外套。 豎向角度儀旋轉(zhuǎn)外套：用于固定豎向角度儀。2.1.2：測量系統(tǒng)：水平角度儀：用于測量法蘭的水平方位角。刻度范闈：-90°到0°到+ 90° ,（參見圖二）水平角度指針：用于顯示法蘭的水平方位角。豎向角度儀：用于測量法蘭的豎向傾角?？潭确秶?90°到0&

6、#176;到+ 90° ,（參見圖二）豎向角度指針：用于顯示法蘭的豎向傾角。水平氣泡：用于顯示測量儀的水平度。鋼絲葫蘆：用于收緊（或放松）測距鋼絲。（參見圖一）張力計：當(dāng)測距鋼絲收緊到某張力時，插上張力計上的定位銷，使測距鋼絲始終保持 這一恒定張力。（參見圖一）測距鋼絲：用于測量兩個法蘭之間的距離。（參見圖一）直徑為03nmi,長度為40m左右。鋼絲標(biāo)記卡：當(dāng)測距鋼絲保持恒定張力后，擰緊鋼絲標(biāo)記卡，作為水上測量法蘭之間 距離時測距鋼絲上的標(biāo)記。2. 1.3：具體測量步驟：1：作業(yè)船甲板上準(zhǔn)備海管法蘭測量儀（兩個），分別標(biāo)明立管端和平管端。2：潛水員水下安裝測量儀。注意下列事項：1，使

7、測量儀的豎向旋轉(zhuǎn)軸中心線與立管（或平管）的法蘭面對齊。2, 調(diào)整測量儀底座，使水平氣泡儀上的氣泡對屮，表明底座水平。3, 擰緊固定螺栓，固定好測量儀。3：潛水員在立管與平管測量儀川間連接測距鋼絲和安裝鋼絲葫蘆。4：潛水員收緊鋼絲葫蘆，當(dāng)張力到達(dá)一定值后，插上張力計上的定位銷，使張力保 持定。同時潛水員擰緊鋼絲標(biāo)記卡。5：潛水員進(jìn)行測量系統(tǒng)檢查，檢查內(nèi)容包括：1, 兩端測量儀狀況。2, 測距鋼絲是否繃直，有沒有被障礙物影響。6：潛水員檢查完畢，認(rèn)為無誤后，分別讀出測量儀的水平角和豎向角，并逐一報 告給水上的現(xiàn)場工程師。7：潛水員放松鋼絲葫蘆，卸下測距鋼絲，送到水上，由現(xiàn)場技術(shù)人員根據(jù)鋼絲標(biāo) 記卡

8、位置測出鋼絲長度，再加上張力計、豎向角度指針等長度，就是立管與平 管法蘭之i'可的距離。通過這些步驟，由海管法蘭測量儀測量出兩法蘭面之間的水平角、豎向角和它們z間的距離，然后通過陸地上現(xiàn)場工程師對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的整合分析計算，使數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確, 為預(yù)制膨脹彎做好充分準(zhǔn)備，提高制作合格率。2.2深水區(qū)水下測量由于深水一般在1000以下，飽和潛水系統(tǒng)最多只能下潛300米左右，這時就要使 用rov搭載測量儀器來代替人力進(jìn)行水下作業(yè)。由于rov只能做出一些簡單的動作，所以 要求所搭載的測量儀器必須安裝簡便，或者另行制作安裝器件以方便rov進(jìn)行測量。深水 測量技術(shù)按技術(shù)類別可以分為直接測量，聲

9、納測量，激光測量，定位測量等。下面從這兒 方面來分別介紹當(dāng)今比較先進(jìn)的一些深水測量技術(shù)和設(shè)備。2. 2. 1直接測量技術(shù)直接測量技術(shù)是指對兩法蘭面之間的相對位置、角度，利用儀器進(jìn)行直接的測量。直接 測量技術(shù)的優(yōu)點就是，能夠直觀的測量并讀出數(shù)據(jù)，使用方法比較簡便，所使用的測量儀 器也比較簡單，測量原理不復(fù)雜。缺點是，測量方式略為粗放，測量所得數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)。海 下施工成本較高，若測量數(shù)據(jù)偏差較大，不僅會耽誤工期，而且會提高生產(chǎn)成本。下面介 紹兒種直接測量技術(shù)及所使用的儀器。2.2.1.1 smart wire metrology systemsmart wire metrology system 以

10、下簡稱 swm 系統(tǒng)。swm 系統(tǒng)由 century subsea 公司于2005年設(shè)計制造，如下圖。wire winchcalibration beamswm measuring unitwire anchorswm softwarewire winch：用于收放測量纜繩的絞車wire anchor：固定在一端法蘭端而的錨swm measuring unit：用來測量和記錄兩個法蘭端面z間的相對角度和相對位置calibration beam：帶有刻度的橫桿pc with swm software：用于分析所測量的各種數(shù)據(jù)的計算機(jī)及軟件swm系統(tǒng)有三種功能和用法：1, dual units w

11、ith hardwire 1 ink diver operated 女口下圖surface supply: 200bar hydr. 24 vdc power 2 off signal linesumbilicalhardwire link圖42, single unit diver/rov operated如下圖rov supply: 200bar hydr.24 vdc power 2 off signal linesswm measuring unitwire anchorwinch control圖63, single unit with gyro rov operated如下圖rov

12、 supply: 200bar hydr.24 vdc power 2 off signal linesswm measuring unitwire anchorq由于rov搭載swm測量系統(tǒng)，只能做一些簡單的動作，所以安裝此測量系統(tǒng)必須要有簡便的插座，確保測量作業(yè)順利進(jìn)行。同時，基座也是一種測量基準(zhǔn)。swm系統(tǒng)的基座如下圖:圖7測量原理跟海管法蘭測量儀一樣，測兩個法蘭端面的相對位置和角度，如下圖:在進(jìn)行測量作業(yè)時，為了所得到的測量數(shù)據(jù)更加精確，swm系統(tǒng)釆用調(diào)換測量單元重復(fù)測量的方法，如下圖:base unitreadings with wire anchor and measuring u

13、nit in opposite positions are required for complete set of metrology data圖8然后，測量單元將所得的測量數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機(jī)，由計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，歸納。如果測量時震動較大，此時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)波動很大，因此是無效的。等到數(shù)據(jù)穩(wěn)定的時候記 錄下的數(shù)據(jù)，才是科學(xué)的數(shù)據(jù)。整合數(shù)據(jù)軟件的輸出會被轉(zhuǎn)化為測量圖表:圖10swm系統(tǒng)的測量有一個缺點，在測量角度時，水平角度的測暈不能超過80度，垂直角 度不能超過45度tautwirewire exitrange vertical angle : ±45xazimuth sensor

14、with shaftrange horizontal angle : ± 80°圖11總體來上來講，swm測量系統(tǒng)既能被潛水員簡單操作，也能搭載在r0v上進(jìn)行測量,用途比較廣泛，使用起來也比較方便、簡單，同時，測量精度較高。缺點是，在測量水平 角度和垂直角度時有限制。2212 pre measurement toolpre measurment tool簡稱pmt,也是一種深水測量的實用儀器。它的組織材料由 復(fù)合泡沫塑料、不銹鋼、鋁合金組成。外觀如下圖：圖12pmt測量系統(tǒng)是由液壓驅(qū)動，操作簡單，容易保養(yǎng)，測量效率高。此系統(tǒng)已經(jīng)于1990 年在墨西哥灣成功應(yīng)用，現(xiàn)在在非洲西

15、部仍在大量使用。pmt測量系統(tǒng)的測量原理，和海管法蘭測量儀、swm系統(tǒng)大概一致，都是由硬質(zhì)纜 繩牽動，直接對水平角度和垂直角度進(jìn)行測量。pmt的各項參數(shù)如下：長：31.5英寸寬：26英寸高：41.5英寸最大下潛深度：7000英尺測量長度范圍：0-150英尺最大測量長度：200英尺水平角范圍：360度垂直角范圍：26度測量精度如下：10-100英尺：誤差0.1英尺100-200英尺：誤差0.2英尺水平角：0.5度垂直角：0.5度最大承受壓強(qiáng)：運行時：1500psi運行時最小受壓：1400psi運行時最大流量：1.5加侖/分鐘運行時最小流量：1加侖/分鐘pmt測量系統(tǒng)的優(yōu)點是，容易操作，測量效率高

16、，容易保養(yǎng)，使用費用低。缺點是，對 測量角度有限制。2.2.1.3 rov operated subsea taut wire metrology systemrov operated subsea taut wire metrology system 簡稱 mrp 測量系統(tǒng)。此測量系統(tǒng)包含兩個模塊，分別由工作級rov搭載安裝在兩個法蘭接口上。系統(tǒng)如下圖:圖13mrp測量系統(tǒng)由|川個特點：1, 可以適用于任何類型工作級rov搭載2, 快速，效率高，更節(jié)約成本3, 只有一個體系的建立需要獲得計量結(jié)果4, 有效測量距離高達(dá)100米mrp測量系統(tǒng)是由rov搭載海底計量系統(tǒng)，提供了一種快速和節(jié)省成本的

17、辦法來冇效地 解決海底測量問題。mrp系統(tǒng)的在法蘭兩端的各項數(shù)據(jù)，例如水平角度、垂直角度、模塊的 俯仰和翻轉(zhuǎn)姿態(tài)，這些都被記錄下來，所測量數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制都由rov臍帶纜傳輸。mrp模塊易于安裝轉(zhuǎn)接板和錐刺，讓rov能輕易的把測量模塊分別安裝在兩個法蘭上。 水平測量距離長度為0-100米。下面是兩個模塊的參數(shù)：模塊1：（連接在rov上）圖14長：1062mm寬:942mm高:556mm空氣中重量:175kg水中的重量:48kg模塊2：（錨點）圖15長：770mm寬:420mm高：543mm空氣中重量：48kg水中的重量:16kg安裝模塊時，在rov上先制作一個放置模塊的架子，然后留下一條臍帶纜留

18、作rov 和模塊1之間的通信使用。rov的動力要求，液壓50 bar,電力要求，24vdc, 4a。此系 統(tǒng)測量精度，測量水平距離長度時低于所測長度的0.1%,測量角度時低于所測角度的0. 5%o運行的最大深度2000米。2.2.2間接測量技術(shù)間接測量技術(shù)是指，通過特定的技術(shù)和方法，例如激光、聲納這類不與法蘭端口直接 進(jìn)行接觸測量的方法。間接測量相比直接測量方法的優(yōu)點就是，它不需要繁瑣的水下操作, 對設(shè)備在水下的要求不高，測量方法簡單明了、快速，缺點是，測量的精度相對較低，水 下的抗干擾能力較差，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)精度不高。間接測量技術(shù)主要包括激光、聲納技術(shù)、定 位技術(shù)等。尤其提出，定位技術(shù)作為一種新

19、的測量技術(shù)，精度較高，現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛。 2.2. 2. 1聲納測量技術(shù)1, minispoolmtntspool系統(tǒng)結(jié)合了激光陀螺儀和多普勒聲納，用于裝備在r0v上，可以更加快速、 精準(zhǔn)的測量膨脹彎。這種測量系統(tǒng)已經(jīng)在近海油氣田作業(yè)了三年，很多膨脹彎都被精準(zhǔn)的4 cdl minipos inertial navigation unit rdi workhorse doppler velocity log paroscientific digiquartz depth sensoro cdl survey pc ruggedised topside pc令 cdl minispool con

20、trol software圖16minispool 的性能：1, 首向精確度達(dá)到0.15度2, 傾斜角和旋轉(zhuǎn)角達(dá)到0.03度3, 對震動有很強(qiáng)的抵抗能力4, 一小時全精度靜態(tài)校準(zhǔn)5, 五分鐘以內(nèi)測量單條基線6, 深度精度0.017, 單條基線精準(zhǔn)度在0.5%8, 第二基準(zhǔn)偏差在0.2%minispool 的優(yōu)點：1, 直接和rov連接2, 無需外部的轉(zhuǎn)接器3, 安裝在rov上比較簡單4, 尺寸小重量輕5, 節(jié)省測量時間6, 節(jié)省測量成本minispool的測量效率很高，能節(jié)約不少時間，因為它不需要調(diào)度時間，是直接安裝 在rov上的，也不需要轉(zhuǎn)接器的校準(zhǔn)，操作一般在12小時之內(nèi)完成，最短時間處理傳送 上來的數(shù)據(jù)，不需要復(fù)原時間。同時，minispool也能節(jié)省不少成本，它不需要安裝在船 上，而是直接安裝在一臺工作級rov上，很少量人員操作即可，不需要耗材，較低廉的運 輸成本。下圖為mtntspool安裝在工作級rov上：圖17minispool being held in the manipulato