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智能遥控封堵隔离系统 |
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作者：中国石油大学 王莹莹 赵宏林 张海英 赵毅 |
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智能遥控封堵隔离系统近年来已经广泛地应用在管道维修作业中。此系统可以在不直接接触管道的情况下，实现对陆、海油气管道的远端遥控操作。操作人员在地面或船上的监控中心即可对封堵模块进行追踪定位、遥控密封、遥控解封等操作。其最大的优点就是缩短了管道停输时间，提高了维修质量，降低了维修费用，与传统的封堵方式相比节省了大量的人力、物力。文章以海底管道施工为背景，详细介绍了系统的机械模块和通讯模块的工作模式和原理，对于我国管道维修系统的发展提供了一定的参考价值。 
智能遥控封堵隔离系统概况
智能遥控封堵隔离系统是PSI公司于1999年成功研发的世界上最先进的一种油气管道封堵器。如图1所示，在海底管道的维修中，此系统由船上的控制中心（SCC）发出信号，采用声纳技术传到海底，经海底天线接收并转换成ELF电磁波信号，通过ELF发射接收系统，使其穿透泥土、钢管发射出去。而在管道内部的清管模块中，也同样装有ELF控制通讯系统，接收钢管外部的信号，并同时将管道内部压力、温度等数据返回到SCC，实现海上平台和海下管道内部相关数据的双向交换。从而，用SCC即可实现对远端封堵系统进行追踪定位、遥控密封、遥控解封等操作。此系统主要有机械部分和通讯控制部分两大块组成。机械部分包括清管模块和封堵模块；通讯部分包含SCC、ELF通讯链路(ECL)、遥控执行系统（RAS）三个子模块。
机械部分
系统的机械部分是由两个位于中部的封堵模块和位于两侧的清管模块组成，如图1所示。使用双封堵模块的设计主要是用来提高密封可靠性的安全冗余度，而设计两个清管模块除了实现清洗功能外，主要是用来容纳主控制群和辅助控制群，包括液压源、RAS执行控制系统、ELF电磁波发射接收系统、电池组、传感器等，从而保证封堵模块的密封效果，控制封堵模块的执行动作，实现封堵模块的追踪定位等功能。各个独立模块之间以球形接头连接，消除了模块在弯管和斜口接头中行进时对模块造成的破坏，并可使各个模块能够独立承受管道压差对其的冲击。
a 智能遥控封堵隔离系统全貌
b 单个封堵模块的全貌
c 封堵模块剖面图
封堵模块。PSI公司研发的封堵模块是一种新型封堵模块，每个封堵模块两侧都有12个弹性承载轮、封隔器、卡瓦、卡瓦座、致动法兰、球形接头、液压缸、活塞、压头等组成。图2是单个封堵模块的示意图。两个封堵模块都可以独自完成密封和锁定功能，拥有100%的冗余度，且可以单独承受全管线的压差。封堵模块主要有两个功能，一是通过表面带有网纹的金属卡瓦将封堵模块坐封在管道内壁上。二是通过压缩封隔器使其径向扩张贴紧管道内壁，实现封堵模块的密封。
封堵模块的密封。封堵模块进入管道后，首先依靠弹性承载轮来提供辅助支持，使其保持在管线中央，防止因封隔器不对中，而造成密封错位。然后，在整个清管封堵模块行进的过程中，封堵模块逆流侧（行进方向一侧）的清管模块将附着在管壁上的油污等杂质清洗干净，确保封堵模块的后期封堵效果。当封堵模块到达预定位置后，船上的工作人员发送指令，打开液压电磁阀，通过封堵模块后部的液压软管向封堵模块的内腔充入液压油。如图3所示，随着活塞右侧液压油的不断充入，使得活塞右侧的压力大于活塞左侧的压力，导致活塞向左移动，从而推动带有螺纹的卡瓦沿着卡瓦座向管壁贴合。一旦卡瓦接触到管壁，其外表面尖锐的硬质螺纹结构能够确保卡瓦齿充分卡入管线内壁，当卡瓦齿全部咬合入内管壁时，这种穿透也仅仅是1μm,且在API规定的擦痕公差范围之内。只要卡瓦齿的1/3卡入管线内壁,就能提供足够的抓紧力，从而使封堵模块整个坐封在管道中。坐封后，随着活塞右腔的内压力不断增大，活塞继续向左移动。由于封隔器是由中等硬度弹性材料制成的，所以当活塞向左移动挤压封隔器时，使封隔器的径向尺寸向外扩张，并贴紧管线内壁，实现封堵模块的密封。
封堵模块的解封。 ELF遥控封堵隔离系统有三种解封方法。第一种常用的方式，是利用ELF电磁波通讯手段，通过RAS遥控液压执行系统，平衡封堵模块上的压差，进行遥控解封。如图3，在施工完成后，释放液压执行机构右侧缸中的压力，并同时增大左侧缸中的压力，使活塞左侧压力高于右侧，驱使活塞向右移动，使致动法兰带动卡瓦脱离管壁，封堵模块完成解封动作。
解封的第二种方式，是利用ELF电磁波通讯手段，通过RAS遥控液压执行系统,同时释放液压执行机构右侧缸和左侧缸中的压力，平衡整个系统的压差，进行遥控解封。此时，处在压缩状态的弹簧因突然泄压而产生很大的冲击力，使致动法兰带动卡瓦脱离管壁，从而卡瓦和封隔器回缩至清管状态，完成解封动作。
封堵模块的第三种解封方式是通讯控制系统所无法完成的，而是采用机械解封方式。当控制通讯系统意外失败后，此时不能够通过遥控解封，只能够启用机械解封系统。增大封堵模块致动法兰侧的压力至一预设操作压，此时，液压环路的泄油阀将自动打开，使得活塞两侧的压力得以平衡，压缩弹簧将使致动法兰带动卡瓦脱离管壁，从而完成机械解封，保证了解封的有效性。
清管模块。遥控封堵隔离系统设计了两个独立的清管模块，分别位于封堵模块的顺流侧和逆流侧，主要用来容纳微型的液压系统、主要控制群、次要控制群等，除了完成管线内壁的清洗外，还提供封堵模块所需的液压源、通讯控制系统所需的电源，并可以检测管线内部的压力、温度等参数，这些参数通过ELF通讯系统传输到船上的控制中心。控制中心通过这些参数判断遥控封堵隔离系统的位置和状态，并通过ELF通讯系统向封堵隔离系统发出相应的指令。实现海上母船和管道内部的双向数据交换。
系统的清管模块是一种常规的双向清管模块，每一个模块包括4个环形片，每个环形片由一个刮片和位于模块末端的聚氨酯片构成，此种清管模块适用于远距离清管。当封堵隔离系统通过管线时，即可对管壁进行清洗，从而确保了封堵模块的密封效果。位于逆流侧的清洗模块用来容纳含有RAS的主要控制群，例如用来控制封堵执行动作的控制和通讯系统。位于顺流侧的清洗模块用来容纳次要控制群，例如天线、电池组以及压力、温度传感器等。
通讯控制部分
SCC。SCC是地面或者船上的一个监控中心，操作界面是一个带有图形仿真的模拟环境,如图4所示。母船或者操作平台上的操作人员，用SCC传送或接收往返于船上与封堵隔离系统之间的指令和数据，通过声波调制解调器，把来自平台上的信号传输给海底天线，实现对封堵模块的跟踪和控制，并通过用户界面显示监控结果。此系统不仅界面简单明了，而且安全级别非常高。如果操作人员输入错误的操作指令，系统将终止操作，不给予识别，当涉及到隔离系统安全的任何操作时，都需要密码来确认执行，很好地保证了操作系统的安全性，降低了程序感染病毒的风险。系统共有10个压力指示器，向操作人员提供来自液压系统或者管线中所有相关的压力数值。当隔离系统需要机械解封时，报警系统将会自动报警，以提醒操作人员将液压系统的操作压力提升至预设值，完成机械解封。
图4 SCC系统的操作界面
ECL。ECL是遥控封堵隔离系统的核心部分，该系统基于ELF电磁波进行通讯，实现海上平台和管道内部之间的双向传送信号的交换。通过控制液压系统的压力来实现封堵模块的遥控密封和遥控解封动作；利用电磁定位原理实现封堵模块的追踪定位，从而检测封堵模块在管道中的位置以及深度。
ELF电磁波的通讯主要依靠管道内部RAS的天线和ECL上的海底天线来完成的。同时，海底天线也是SCC和RAS遥控系统之间的通讯链路。如图5所示，海底天线单元包含1个大气压的容器和ELF线路板，前者是用来容纳系统所需要的电池包，后者主要是实现声信号与ELF电磁波之间的转换。通常，来自SCC的声信号，通过声波调制解调器，在海底转换成ELF电磁波信号，再经ECL传送至管道内部的RAS中，从而对封堵模块进行控制。同时，管道内部的压力、温度等数据，经传感器测量，同样转换成ELF电磁波信号，返回到SCC，实现对封堵模块的实时监控。
图5 海底天线单元
遥控执行系统(RAS)。如图6所示，RAS位于封堵模块逆流侧的清管模块中，是实现海上平台和管道内部数据交换的重要部分。主要用来遥控完成封堵模块密封或者解封时所需要的一系列增压或者减压动作，同时将管道内部的状态，例如压力、温度、压差等数据信息反馈给SCC的操作人员。
图6 RAS
在RAS内部，有一个微型液压系统，此系统由液压蓄能器、电池组、带有电动机的液压泵、阀门和电磁控制阀等组成。微型液压系统通过与封堵模块后部的液压软管连接，提供液压，控制封堵模块的遥控密封、解封等动作。
RAS的所有部分都采用减振装置并由高能量的电池组来提供电源，确保了系统的可靠性。
智能遥控封堵隔离系统，缩短了停工时间，提高了管道的维修质量，降低了维修费用。我国海底管道维修技术起步较晚，长期以来基本上都是委托国外管道公司进行维修。所以，研制出具有完全独立自主知识产权的智能管道封堵隔离系统，对提高我国的管道维修技术，打破国外对我国的技术封锁，具有重要意义。(end)
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(7/16/2008) |
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