一种轻型双节点管道J型铺设系统

摘要

本发明提供一种轻型双节点管道J型铺设系统，包括J型塔、J型塔角度调节部分、管道传送部分和管道铺设部分，J型塔用来支撑、固定和连接J型铺设的其他结构和关键设备；J型塔角度调节系统包括角度调节器、A型架和液压缸，可实现J型塔在一定角度范围内的自由调节；管道传送部分包括水平传送系统、装载臂、转动臂和垂向滚轮，管道铺设部分包括外部对中器、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。本发明中的J型铺设系统可以实现2×2节点的铺设方式，通过相关的设备的选择、布置及优化设计，实现了一些关键设备的安装，降低了铺设成本的同时增加了铺设效率。

权利要求

1.一种轻型双节点管道J型铺设系统，其特征在于：包括J型塔、J型塔角度调节部分、管道传送部分和管道铺设部分，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；

所述管道传送部分包括水平传送机构、装载臂和垂向滚轮，所述水平传送机构设置在船体甲板上，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，所述垂向滚轮至少有三个且均匀设置在垂向滚轮支撑板上，垂向滚轮支撑板安装在J型塔上部；

所述管道铺设部分包括张紧器、外部对中器、焊接站和移动平台，所述外部对中器包括对中器框架、设置在对中器框架上的竖直轨道、设置J型塔中间位置的水平轨道、安装在竖直轨道上的两个对中液压缸和分别设置在对中液压缸输出端的外部对中器的夹具，且所述对中器框架安装在水平轨道上，所述焊接站安装在J型塔上且位于外部对中器的下方，所述焊接站的下方设置有张紧器，移动平台包括设置在船体月池中的第一移动平台轨道、垂直安装在第一移动平台轨道上的第二移动平台轨道和安装在第二移动平台轨道上的移动平台夹具；

每个垂向滚轮包括支座、对称安装在支座两侧的两个滚轮液压缸和分别与两个滚轮液压缸的输出端连接的带有滚轮的夹具；液压卡夹与卡孔的截面形状均为方形。

说明书

一种轻型双节点管道J型铺设系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种管道铺设设备，尤其涉及一种轻型双节点管道J型铺设系统，主要用于深水海底管道及立管的铺设。

背景技术

[0002] 近年来，随着油气资源需求量的不断增加，海洋油气的开发不断向深海迈进。目前，适用于深水海底管道铺设的方法主要为S-Lay和J-Lay。由于S-Lay铺设方法中管道弯曲变形大，需要托管架和较大的张紧器能力，限制了其适用。而J型海底管线铺设法是一种将管线接近垂直的形态下放到海床上的管线铺设方法，所需的管线张力小、铺设过程中管线悬挂长度小、铺设后管线残余应力小，因此被认为是深水管线铺设的最适用方法。

[0003] 目前国际上J型铺管船大部分都是通过改装得到的，但根据铺管船J型铺设系统、起重吊运和铺管能力等的不同，大体将其分为轻型双节点管道和重型两类。虽然重型J型铺管船的管径范围、铺设水深、起重吊运能力和铺设能力有一定增加。但其铺设形式一般比较单一，而且目前这些比较大型J型铺管船和J型铺管先进技术都主要集中在荷兰的Heerema，意大利的Saipem和美国的McDermott等少数大公司手中，其铺设系统也并非完美。

[0004] 轻型双节点管道J型铺管船一般其铺管塔架都不高，大多采用2×2节点(有两段2节点管同时处于J型塔上进行铺设作业，2节点管道长24.4m)或者1×4节点(只有单根4节点管道处于J型塔上进行铺设作业，4节点管道长48.8m)的铺设形式，大部分都是针对2000m以内水深小管径柔性管道进行铺设。但是这类铺管船的费用相对较低，而且在其能力范围内铺设效率也不逊于重型铺管船，相比较而言，综合能力比较强。意大利Saipem公司的SaiBOS FDS是一艘具备动态定位的深水多功能起重铺管船，塔架52m高，可以完成1×4节点(单根4节点管段处于J型塔上进行铺设作业，4节点管段长48.8m)的铺设形式，铺设水深为2000m，其铺设倾角范围可以达到45°至96°，并且可以通过铺管船进行其他操作而不需要使用其他辅助船，这是J型铺管船里唯一的一艘能达到如此大倾角的铺管船。

[0005] 经检索发现编号为US 20030231931A1的专利“FLEX J-LAY TOWER”设计了一个固定的塔架，结构简单，主要为桁架结构，通过其内部卡夹的控制，使塔架上待铺设管段的下端产生一定的弯曲，完成与铺设入水管道的对接。由于管段弯曲程度的限制，其可适应的角度范围也相对较小，且铺设管段的弯曲，有可能对管道造成损伤。而且其塔架上没有相关的上管装置，需借助船体上的其他起重设备进行管道的传送，使管段的传送复杂化。

[0006] 综上所述，综合考虑现有各种铺设系统的优缺点，本发明提供一种新的深水轻型双节点管道J型铺设系统，对结构和设备都进行了优化处理，具有较高的铺设能力，同时可以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

[0007] 本发明的目的是为了提高铺设效率、降低相应的铺设成本而提供一种可行的轻型双节点管道J型铺设系统。

[0008] 本发明的目的是这样实现的：包括J型塔、J型塔角度调节部分、管道传送部分和管道铺设部分，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；

[0009] 所述管道传送部分包括水平传送机构、装载臂和垂向滚轮，所述水平传送机构设置在船体甲板上，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，所述垂向滚轮至少有三个且均匀设置在垂向滚轮支撑板上，垂向滚轮支撑板安装在J型塔上部；

[0010] 所述管道铺设部分包括张紧器、外部对中器、焊接站和移动平台，所述外部对中器包括对中器框架、设置在对中器框架上的竖直轨道、设置J型塔中间位置的水平轨道、安装在竖直轨道上的两个对中液压缸和分别设置在对中液压缸输出端的外部对中器的夹具，且所述对中器框架安装在水平轨道上，所述焊接站安装在J型塔上且位于外部对中器的下方，所述焊接站的下方设置有张紧器，移动平台包括设置在船体月池中的第一移动平台轨道、垂直安装在第一移动平台轨道上的第二移动平台轨道和安装在第二移动平台轨道上的移动平台夹具。

[0011] 本发明还包括这样一些结构特征：

[0012] 1.每个垂向滚轮包括支座、对称安装在支座两侧的两个滚轮液压缸和分别与两个滚轮液压缸的输出端连接的带有滚轮的夹具。

[0013] 2.所述液压卡夹与卡孔的截面形状均为方形。

[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明综合考虑国外各J型铺设系统的优缺点以及J型铺设系统的铺设成本、效率和操作性，对J型铺设系统结构和设备进行优化设计，可以完成2×2节点的铺设方式，即完成有两段2节点管同时处于J型塔上进行铺设作业，每段2节点管道长24.4m，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，同时通过焊接站与涂层站位置的布置，实现焊接作业与涂层作业同时进行，节省了管道的铺设时间，增加了铺设效率；对角度调节系统的优化，实现J型塔角度在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，J型塔底端增设移动平台，实现PLET、PLEM等关键设备的安装。

附图说明

[0015] 图1是本发明的总体结构示意图一(正视方向)；

[0016] 图2是本发明的总体结构示意图二(侧视方向)；

[0017] 图3是本发明的A字架的结构示意图；

[0018] 图4是本发明的角度调节器的正视图；

[0019] 图5是本发明的角度调节器的俯视图；

[0020] 图6是本发明的J型塔角度调节部分的液压调节机构的正视图；

[0021] 图7是本发明的J型塔角度调节部分的液压调节机构的俯视图；

[0022] 图8是本发明的装载臂的端部的夹具的结构示意图；

[0023] 图9是本发明的垂向滚轮的正视图；

[0024] 图10是本发明的垂向滚轮的侧视图；

[0025] 图11是本发明的外部对中器的结构示意图；

[0026] 图12是本发明的移动平台的俯视图。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

[0028] 本发明包括J型塔、J型塔角度调节部分、管道传送部分和管道铺设部分。J型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；J型塔角度调节部分包括角度调节器、A型架和液压缸，连接在船体和J型塔之间，可以实现J型塔在一定角度范围内的自由调节；管道传送部分包括水平传送系统、装载臂、转动臂和垂向滚轮，用于管段在铺管船和J型塔上的传送；管道铺设部分包括外部对中器、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。本发明中的J型铺设系统可以实现2×2节点的铺设方式(有两段2节点管同时处于J型塔上进行铺设作业，每段2节点管道长24.4m)，通过相关的设备的选择、布置及优化设计，实现了一些关键设备的安装，降低了铺设成本的同时增加了铺设效率。

[0029] 结合图1至图12，本发明包括J型塔1、J型塔角度调节部分、管道传送部分、管道铺设部分。J型塔角度调节部分包括A字架2、角度调节器3、液压缸4，所述液压缸4包括液压缸主体结构31、液压调节机构17、液压卡夹16和中间板28；管道传送部分包括平传送系统5、装载臂6、垂向滚轮7；管道铺设部分包括张紧器8、外部对中器9、焊接站10、可移动平台11。

[0030] 本发明的J型塔1主要作用是用来固定和支撑J型铺设的其他相关设备。

[0031] 在管道开始铺设之前，可以根据不同的海况，通过调节J型塔的角度满足铺设管道曲率的要求，进而减小铺设管道顶端的受力，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，通过改变液压卡夹16夹持的卡孔15的位置，实现角度调节器3的前后移动。角度调节器移动的同时，顶端与J型塔角度调节器连接轴12的连接处以及液压缸4相对A字架2的圆形通孔14发生相对转动，进而改变J型塔的相对角度。

[0032] 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。管道铺设过程中，通过铺管船上的吊机将待铺设管道吊运至水平传送系统5，此时装载臂6处于水平状态，且其上的夹具18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18内。夹紧夹具，通过与装载臂吊耳20连接的绞车钢缆的收放，完成装载臂6由水平至竖直的转动。

[0033] 当转载臂6处于竖直状态后，装载臂6上的夹具18在液压系统的驱动下，绕连接转轴19旋转，将管段运送至J型塔1内部的垂向滚轮7和外部对中器9的夹具内，夹紧垂向滚轮7和外部对中器9的夹具，松开装载臂夹具并旋转至J型塔1外侧。

[0034] 开始铺设时，已先借助可移动平台11将连接一段管线的起始端PLET下放入水，铺设的第一段管线时，借助外部对中器9将管段调整到时适当位置，然后直接将管段下放至焊接站10下方的张紧器8内，并由张紧器8继续下放，将管段下放到J型塔1的底端，此时管段的顶端刚好处于焊接站10内。借助临时焊接站将已经连接一段管线的PLET与第一段管线底端焊接，并进行无损检测和涂层处理，最后夹紧上端张紧器，固定管段的位置。当第二根管段借助管段传送系统被传送至垂向滚轮7和外部对中器9的夹具内后，通过外部对中器9对管段进行初步对中后，随后管段在外部对中器夹具22的夹持以及垂向滚轮7的协助下，被运送至焊接站10内，由内部对中器完成准确对中后，与第一段管段完成焊接和无损检测，若检测结果满足要求，则通过张紧器8将管道下放，当焊缝到达涂层站内，停止下放，此时，第三段管段已经被运送到J型塔1的上部，完成第二段和第三段管的准确对中后，焊接站10处对上端的管段进行焊接和无损检测的同时，下端涂层站对焊缝进行涂层处理。待工作都完成后，继续下放焊接好的管道。通过管段不停的传送和连接，实现了管道的连续铺设。

[0035] 待管道铺设完成后，J型塔底端的可移动平台11将管道夹住，随后将终止端PLET与管道的末端连接，并通过可移动平台11和绞车的共同作用将管道下放到海底，完成整个管道的铺设。

[0036] 本发明目的是综合考虑各J型铺设系统的优缺点，考虑J型铺设系统的铺设成本、效率及操作性，通过对J型铺设系统结构和设备进行优化，设计一种新的深水轻型双节点管道J型铺设系统，可以完成2×2节点(有两段2节点管同时处于J型塔上进行铺设作业，每段2节点管道长24.4m)的铺设方式，具有较高的铺设效率，降低了相应的铺设成本，同时使铺设过程中的一些关键设备(管道终端PLET、PLEM)的安装变得简单易行，提高J型铺设的可行性。

[0037] 本发明专利采用下列技术方案，一种深水重型J型铺设系统主要包括J型塔、J型塔角度调节部分、管道传送部分、管道铺设部分。J型塔角度调节部分包括A字架、角度调节器和液压缸；管道传送部分包括水平传送系统、装载臂和垂向滚轮；管道铺设部分主要包括张紧器、外部对中器、焊接站、移动平台。

[0038] 所述的J型塔高52m，可以满足两段2节点管同时位于J型塔上，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以及其他设备的绞车、滑轮等。所述的J型塔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，主支撑管之间分别焊有斜撑，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J型塔的重心，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。J型塔一侧的两根主支撑管用来固定和支撑转动臂，上部结构的中间位置竖直布置垂向滚轮支撑板13，用来固定垂向滚轮，J型塔的中部设有外部对中器工作平台，为了实现待铺设管道的下放，平台中部设有可供管道通过和对中的开孔。J型塔底端设有移动平台，在管道终端(PLET、PLEM)安装时可以用来夹持管道。J型塔左右两侧在设计高度处布有角度调节器连接轴，底端采用铰接的方式与船体甲板相连，通过改变角度调节器整体长度，使J型塔以底端为圆心转动，实现铺管过程中J型塔角度的调节。

[0039] 所述的A字架下端通过焊接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，采用铰接方式与液压缸连接。A字架的作用是支撑以及固定角度调节器和液压缸。

[0040] 所述的角度调节器上部设计为桁架结构，与J型塔上的角度调节器连接轴铰接，下部由钢板焊接而成，留有等间距等尺寸的长方形卡孔，与液压缸上的液压卡夹相嵌定位。通过与液压缸协调作用，改变液压卡夹嵌入卡孔位置，调节角度调节器的有效长度，使J型塔实现转动。

[0041] 所述的液压缸主要包括液压卡夹、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，液压缸主体通过所述A字架上的圆形通孔与其铰接在一起。通过液压卡夹嵌入卡孔位置的改变和液压缸主体与A字架铰接处的相对旋转，来调节J型塔的角度。

[0042] 所述的水平传送系统主要由两组成一定角度的水平滚轮组构成，水平滚轮组的支架焊固在甲板上，管段储存区的管道通过船体上的吊机吊至水平滚轮组上，然后通过水平滚轮组将管道运送至装载臂的夹具内，两组成一定角度的水平滚轮组可以防止管段脱离传送轨道。

[0043] 所述的装载臂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。装载臂上设有液压夹具，主要由夹具、链接转轴、液压系统组成，用于夹持待铺设的管段，两侧设有吊耳，与绞车的钢索连接，通过绞车钢索的收放实现装载臂平稳的旋转。装载臂下端通过铰接的方式连接在靠近J型塔处的甲板上。装载臂的作用是将水平滚轮传送过来的管道夹紧，然后旋转至竖直位置，随后通过其上的液压夹具的旋转将管道旋转至J型塔的垂向滚轮内。

[0044] 所述的垂向滚轮是一种导向轮，通过支座29和螺栓连接J型塔上部中间支撑板上，一般由相互交错的带有滚轮的夹具21组成，一般只能提供较小的张紧力，主要在管段的下放过程中起到辅助传送和侧向控制的作用，防止管段上端的倾斜弯曲。

[0045] 所述的外部对中器主要由对中器框架30、水平轨道24、竖直轨道23、外部对中器的夹具22、液压系统以及主体结构组成。对中器的夹具可以适应不同的管径，通过夹具两端的液压缸的伸缩可以实现管道的左右移动；对中器的夹具还可以沿着主体结构上的竖直轨道完成上下移动，将管段运送至焊接站；同时外部对中器主体可以沿着外部对中器工作平台上的水平轨道前后移动。通过上述简单结构的组合可实现J型铺设管道对中时的前后、左右、上下三个自由度的运动，对管道进行初步对中。

[0046] 所述的张紧器通过螺栓连接在J型塔焊接站下方，主要对已完成铺设的管道起到固定和提供顶部张力的作用，以便完成与上端管段的焊接以及无损检测，在焊接和无损检测完成之后，通过张紧器以及绞车等相关设备的共同作用，将管道下放至J型塔底端的涂层站处，对焊缝进行涂层处理。

[0047] 所述的焊接站是位于外部对中器和张紧器之间的一个工作室，内设焊接设备和无损检测设备，对完成对中的管段进行焊接和焊缝的无损检测。焊接站的位置距离J型塔底端涂层站的高度刚好是一段2节点管的长度，上端管段焊接的同时下端可以进行焊缝的处理工作，提高工作效率。

[0048] 所述的可移动平台位于塔架底端船体的月池处，包括第一移动平台轨道26、第二移动平台轨道27和移动平台夹具25，可以沿着移动平台轨道实现前后左右的移动，在正常铺设过程中还可以用来夹持铺设入水的管道。起始端管道终端(PLET、PLEM)安装时，移开可移动平台，管道终端可以通过月池直接下方入水，随后移回可移动平台，夹持与管道终端连接的管段，并通过临时焊接设备与第一段铺设管段连接，随后进入管道的正常铺设阶段。待铺设结束后，可移动平台夹持住已铺设的管道，再次借助临时焊接设备完成管道与管道终端的连接，移开可移动平台，下放管道终端，完成终止端管道终端的安装。

[0049] 本发明包括J型塔1、J型塔角度调节部分、管道传送部分、管道铺设部分。J型塔角度调节部分包括A字架2、角度调节器3、液压缸4；管道传送部分包括水平传送系统5、装载臂6、垂向滚轮7；管道铺设部分主要包括张紧器8、外部对中器9、焊接站10、移动平台11。

[0050] 所述的J型塔1高50米，位于船首中部，可以满足两段2节点管同时位于其上。J型塔整体设计为稳定的桁架结构，既可以满足强度要求，又能减轻结构的重量，主要作用是支撑和固定J型铺设的其他相关设备。在桁架结构的基础上，下部结构四周使用钢板焊接成封闭的箱体结构，既可以降低J型塔的重心，又增加稳定性，同时还可以作为设备间，用于存放电力设备、液压设备等。J型塔下端设有移动平台，在管道与PLET连接时可以用来夹持管道。J型塔中部两端设有角度调节器连接轴12，底端和铺管船甲板采用铰接的连接方式，便于J型塔的旋转。

[0051] 所述的A字架2主体由钢板焊接而成，内壁布置足够的加强材以满足强度的要求，用来支撑固定角度调节器3和液压缸4。

[0052] 所述的角度调节器3上部设计为桁架结构，既可以满足强度要求，又可以减轻重量。顶端与J型塔上的角度调节器连接轴12连接，可以绕其旋转；下部设计为箱体结构，两侧留有多个等间距等尺寸的长方形卡孔，用来与液压缸上的卡夹连接。

[0053] 所述的液压缸4是角度调节器3与A字架2之间的连接构件，用来控制角度调节器3与A字架2之间的相对位置和角度。

[0054] 所述的水平传送系统5由多个滚轮组成，作用是完成待铺设管段在船体上的水平传送，将管段传送至处在水平位置的装载臂6的夹具内。

[0055] 所述的装载臂6的作用是将管段从水平旋转至竖直位置。主体结构由钢板焊接而成，内部布置足够的加强材，下端铰接在船体的甲板上。其上布置有可以旋转的液压夹具，液压夹具主要由夹具、链接转轴、液压系统组成，用于夹持管段并将管段运送至预铺设路径上。两侧设有吊耳，分别与绞车的钢索连接，通过两侧绞车钢索的收放实现装载臂平稳的旋转。

[0056] 所述的垂向滚轮7布置在塔架上侧的内部，主要起到辅助管段下放和侧向控制的作用，防止管段上端在下放过程中弯曲变形。

[0057] 所述的张紧器8中，安装在焊接站下方，用来固定已经铺设入水的管道，以便完成J型塔1上部的管段与已铺设管道的焊接和无损检测，在焊接和无损检测完成之后，通过张紧器将管道下放，当焊缝到达涂层站后，由张紧器固定管道，对焊缝进行涂层处理，此时张紧器起到提供管道顶部张力的作用。

[0058] 所述的外部对中器9主要由滑轨、管道夹具、液压系统以及主体结构。在管道铺设过程中起到管道的初步对中、固定以及辅助下放的作用。

[0059] 所述的焊接站8内包含焊接和无损检测设备，对完成对中的管线进行焊接，完成后，立刻对接口进行无损检测。

[0060] 所述的移动平台11位于塔架底部的月池处，在正常铺设过程中辅助管道的下放和固定，主要作用是进行一些关键设备(如管道终端PLET、PLEM)的安装作业。