《膨胀弯水下测量技术》解析

膨胀弯水下测量技术和设备
摘要：本文主要论述了在浅水区和深水区国内外几种膨胀弯水下测量的技术，分别介绍了应用这些水下测量技术中所需要的设备，并分析了各种设备的使用范围和优缺点。

1，概述，随着海洋石油事业的蓬勃发展，将来会有越来越多的海底管线铺设到海底，这就必然伴生出海关法兰膨胀弯的连接工程，几乎在绝大部分的海洋工程项目中，都存在海管法兰膨胀弯的连接。

所谓海管法兰膨胀弯的连接，是指在导管架立管底部和海底管线平管之间用法兰和膨胀弯的连接形式。

过去的经验表明，连接海管法兰膨胀弯最关键的工序是海管法兰之间相对空间位置和方位角的测量，即：测量立管底部法兰和海管平管法兰之间的距离、角度、高差等各种相对空间位置和方位。

为了准确的预制出所要安装的膨胀弯，继而顺利的进行安装工作，缩短工期，降低海上施工成本，减少浪费，所以必须精确的在水下测量出膨胀弯两端法兰的各项参数。

只有准确地测量出这些参数，然后根据这些参数在施工船甲板上放样，这样才能准确地预制出膨胀弯，从而使膨胀弯能顺利地安装。

也就是保证所安装的法兰试压合格率高。

在国内以往的项目中，膨胀弯法兰的测量只是潜水员下水，用钢尺量出两个法兰面的距离（相对位置），然后就开始在甲板上预制膨胀弯，但是由于没有测量立管法兰和平管法兰之间的角度（相对方位）和高度（相对高差），因此，所预制的膨胀弯大都不能顺利安装，其法兰面不能吻合，这样连接的法兰大都不密封，一试压就泄露。

这样就只好返工。

有的法兰可能要多次返工，从而造成工期严重推迟，由于海上施工船队日费率以几十万、上百万计，所以，就可能仅仅因为法兰的测量不准而造成惨重的经济损失。

例如，1999 年由海上工程公司承担的涠洲12-1 项目海管法兰膨胀弯连接工程就是由于没有能够准确地测量法兰之间的距离、角度和高差，所预制的膨胀弯无一能顺利安装，所有16 个法兰口没有一个合格，有的要返修3~4 次，使本来一个月的工期，竟然两个月才完成。

近年来，由我公司承担的一些项目的海管法兰连接工程，在试压时出现泄露，很大原因就是海管法兰膨胀弯测量不准确造成的
并且，现在海洋工程的领域逐渐向深海拓展，水深一般在1000 以下。

而使用潜水员测量所需的饱和潜水系统，最多只能下潜300 米左右。

这时，即使派遣潜水员下水进行粗糙的水下测量，也是不可行的。

所以我们需要研究一些新的膨胀弯水下测量的技术和方法及所负载的设备。

膨胀弯法兰的水下测量目前可以分为两大类，浅水和深水。

浅水区内，还是可以派遣潜水员携带精准的测量仪器下水，在水下具体的精确的测量法兰之间的相对距离、相对角度、相对高度，而不再是粗放的单一的测量。

深水区内，可以使用ROV携带各种精密的、便于安
装的测量仪器进行测量。

2,水下测量技术具体方法和所需设备:
2.1浅水区水下测量
浅水区潜水员下水测量大部分都是使用海管法兰测量仪，简便，有效，准确度高。

大部分水下的直接测量技术，无论是深水或是浅水，技术原理都和海管法兰测量仪使用原理类似，所以在此对海管法兰测量仪的原理和使用方法进行一下详细的阐述。

海管法兰测量仪具体结构如下:
2. 1.1 :支撑结构：
底座：用于支撑整个仪器及固定于被测法兰上。

竖向角度仪旋转轴：用于支撑竖向角度仪旋转外套。

竖向角度仪旋转外套：用于固定竖向角度仪。

2.1.2 ：测量系统：
水平角度仪：用于测量法兰的水平方位角。

刻度范围：-90°到0°到+ 90 °，（参见图二）水平角度指针：用于显示法兰的水平方位角。

竖向角度仪：用于测量法兰的竖向倾角。

刻度范围：-90°到0°到+ 90 °，（参见图二）竖向角度指针：用于显示法兰的竖向倾角。

水平气泡：用于显示测量仪的水平度。

钢丝葫芦：用于收紧（或放松）测距钢丝。

（参见图一）张力计：当测距钢丝收紧到某张力时，插上张力计上的定位销，使测距钢丝始终保持这一恒定张力。

（参见图一）
测距钢丝：用于测量两个法兰之间的距离。

（参见图一）直径为?3mm长度为40m左右。

钢丝标记卡：当测距钢丝保持恒定张力后，拧紧钢丝标记卡，作为水上测量法兰之间距离时测距钢丝上的标记。

2.1.3 ：具体测量步骤：
1：作业船甲板上准备海管法兰测量仪（两个），分别标明立管端和平管端。

2：潜水员水下安装
测量仪。

注意下列事项：
1 ，使测量仪的竖向旋转轴中心线与立管（或平管）的法兰面对齐。

2 ，调整测量仪底座，使水平气泡仪上的气泡对中，表明底座水平。

3 ，拧紧固定螺栓，固定好测量仪。

3：潜水员在立管与平管测量仪中间连接测距钢丝和安装钢
丝葫芦。

4：潜水员收紧钢丝葫芦，当张力到达一定值后，插上张力计上的定位销，使张力保持定。

同时潜水员拧紧钢丝标记卡。

5：潜水员进行测量系统检查，检查内容包括：
1 ，两端测量仪状况。

2 ，测距钢丝是否绷直，有没有被障碍物影响。

6：潜水员检查完毕，认为无误后，分别读出测
量仪的水平角和竖向角，并逐一报告给水上的现场工程师。

7：潜水员放松钢丝葫芦，卸下测距钢丝，送到水上，由现场技术人员根据钢丝标记卡位置测出钢丝长度，再加上张力计、竖向角度指针等长度，就是立管与平管法兰之间的距离。

通过这些步骤，由海管法兰测量仪测量出两法兰面之间的水平角、竖向角和它们之间的
距离，然后通过陆地上现场工程师对这些数据进行进一步的整合分析计算, 为预制膨胀
使数据更为准确,
弯做好充分准备，提高制作合格率。

22深水区水下测量
由于深水一般在1000以下，饱和潜水系统最多只能下潜300米左右，这时就要使
用ROV搭载测量仪器来代替人力进行水下作业。

由于ROV只能做出一些简单的动作，所以
要求所搭载的测量仪器必须安装简便，或者另行制作安装器件以方便ROM S行测量。

深水测量技术按技术类别可以分为直接测量，声纳测量，激光测量，定位测量等。

下面从这几方面来分别介绍当今比较先进的一些深水测量技术和设备。

2.2.1直接测量技术
直接测量技术是指对两法兰面之间的相对位置、角度，利用仪器进行直接的测量。

直接测量技术的优点就是，能够直观的测量并读出数据，使用方法比较简便，所使用的测量仪器也比较简单，测量原理不复杂。

缺点是，测量方式略为粗放，测量所得数据不精准。

海下施工成本较高，若测量数据偏差较大，不仅会耽误工期，而且会提高生产成本。

下面介
绍几种直接测量技术及所使用的仪器。

2.2.1.1 Smart wire metrology system
Smart wire metrology system 以下简称SWMR统。

SWh系统由century subsea 公司
于2005年设计制造，如下图。

Wire winch
Wire anchor
PC with
SWM
software
Calibration beam
SWM measuring unit
图3
Wire win ch :用于收放测量缆绳的绞车
Wire anchor :固定在一端法兰端面的锚
SWM measuring unit :用来测量和记录两个法兰端面之间的相对角度和相对位置Calibratio n beam :带有刻度的横杆
PC with SWM software :用于分析所测量的各种数据的计算机及软件
SWM系统有三种功能和用法:
，Dual units with hardwire link Diver operated 女口下图
2 ，Single unit Diver/ROV operated 如下图
Jumpers
ROV supply;
200Bar hydr. 24
Vdc power
2 off signal lines
winch
control
Wii
Wire
anchor SWM meflSHrino unit Surface supply:
SOOBar hydr. 24
Vdc power 2 off
signal lines
Hardwire link
图4
图5
由于ROV 搭载SWM 测量系统，只能做一些简单的动作，所以安装此测量系统必须要有
简便的插座，确保测量作业顺利进行。

同时，基座也是一种测量基准。

SWM 系统的基座如
下图：
测量原理跟海管法兰测量仪一样，测两个法兰端面的相对位置和角度，如下图:
3 , Single unit with Gyro ROV operated
如下图
ROV supply:
200Bar hydr.
24 Vdc power 2 off 9i 电n£l line$
图6
图7
在进行测量作业时，为了所得到的测量数据更加精确, SWM系统采用调换测量单元重
复测量的方法，如下图:
然后，测量单元将所得的测量数据发送到计算机，由计算机对数据进行整合，归纳。

如果
测量时震动较大，此时产生的数据波动很大，因此是无效的。

等到数据稳定的时候记录下的数据，
才是科学的数据。

Readings with wire anchor ar\d measuring unit
In opposite positions are required for complete
oT metrology data
图8
图9
waofch B M 图9
图10
SWh 系统的测量有一个缺点，在测量角度时，水平角度的测量不能超过 80度，垂直角
度不能超过45度
总体来上来讲，SWM 测量系统既能被潜水员简单操作，也能搭载在
ROV 上进行测量,
用途比较广泛，使用起来也比较方便、简单，同时，测量精度较高。

缺点是，在测量水平 角度和垂直角度时有限制。

整合数据软件的输出会被转化为测量图表:
Trw 込
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2.2.1.2 Pre Measureme nt Tool
Pre Measurment Tool 简称PMT也是一种深水测量的实用仪器。

它的组织材料由复合泡沫塑料、不锈钢、铝合金组成。

外观如下图：
图12
PMT测量系统是由液压驱动，操作简单，容易保养，测量效率高。

此系统已经于1990 年在墨西哥湾成功应用，现在在非洲西部仍在大量使用。

PMT 测量系统的测量原理，和海管法兰测量仪、SWM系统大概一致，都是由硬质缆
绳牵动，直接对水平角度和垂直角度进行测量。

PMT的各项参数如下：
长: 31.5英寸
宽
:
26英寸
高:
41.5英寸
最大下潜深度：7000英尺
测量长度氾围：
0-150英尺
最大测量长度：200英尺
水平角范围：360度
垂直角范围：26度
测量精度如下：
10-100英尺：误差0.1英尺
100-200英尺：误差0.2英尺
水平角：0.5度
垂直角：0.5度
最大承受压强：
运行时：1500psi
运行时最小受压：1400psi
运行时最大流量：1.5加仑/分钟
运行时最小流量：1加仑/分钟
PMT测量系统的优点是，容易操作，测量效率高，容易保养，使用费用低。

缺点是，对测量角度有限制。

2.2.1.3 ROV operated subsea taut wire metrology system
ROV operated subsea taut wire metrology system 简称MRP测量系统。

此测量系
统包含两个模块，分别由工作级ROV搭载安装在两个法兰接口上。

系统如下图：
图13
MRP测量系统由四个特点：
1 ，可以适用于任何类型工作级ROV搭载
2，快速，效率高，更节约成本
3, 只有一个体系的建立需要获得计量结果
4，有效测量距离高达100米
MRP测量系统是由ROV搭载海底计量系统，提供了一种快速和节省成本的办法来有效地解决海底测量问题。

MRP系统的在法兰两端的各项数据，例如水平角度、垂直角度、模块的
俯仰和翻转姿态，这些都被记录下来，所测量数据和远程控制都由ROV脐带缆传输。

MRP莫块易于安装转接板和锥刺，让ROV能轻易的把测量模块分别安装在两个法兰上。

水平测量距离长度为0-100米。

下面是两个模块的参数：
模块1:（连接在ROV上）
长:
1062m m
宽
:
942mm 高
：
556mm 空气中重量：175k g
水中的重量：48kg 模块2:（锚点）
长: 770mm
宽
:
420mm 高
:
543mm 空气中重量：48 kg
水中的重量：
16 kg
安装模块时，在ROV上先制作一个放置模块的架子，然后留下一条脐带缆留作
和模块1之间的通信使用。

ROV的动力要求，液压50 bar，电力要求，24Vdc, 4A。

此系ROV
图14
统测量精度，测量水平距离长度时低于所测长度的0.1%，测量角度时低于所测角度的
0.5%。

运行的最大深度2000米。

222间接测量技术
间接测量技术是指，通过特定的技术和方法，例如激光、声纳这类不与法兰端口直接进行接触测量的方法。

间接测量相比直接测量方法的优点就是，它不需要繁琐的水下操作,
对设备在水下的要求不高，测量方法简单明了、快速，缺点是，测量的精度相对较低，水下的抗干扰能力较差，
产生的数据精度不高。

间接测量技术主要包括激光、声纳技术、定位技术等。

尤其提出，定位技术作为一种新
的测量技术，精度较高，现阶段应用较为广泛。

2.2.2.1 声纳测量技术
1 ，MINISPOOL
MINISPOOL系统结合了激光陀螺仪和多普勒声纳，用于装备在ROV上,可以更加快速、
精准的测量膨胀弯。

这种测量系统已经在近海油气田作业了
三年，很
CDL MiniPOS™ Inertial navigatEon unit
RDI Workhorse™ Doppler velocity log
Paroscientific DigiQuartz™ depth sensor
CDL SurveyPC™ Ruggedised topside PC
CDL MiniSpool™ control software
图16
MINISPOOL 的性能：
1, 首向精确度达到0.15度
2, 倾斜角和旋转角达到0.03度
3, 对震动有很强的抵抗能力
4, 一小时全精度静态校准
5, 五分钟以内测量单条基线
6, 深度精度0.01
7, 单条基线精准度在0.5%
8, 第二基准偏差在0.2%
MINISPOOL的优点：
1直接和ROV1接
2, 无需外部的转接器
3, 安装在ROV上比较简单
4, 尺寸小重量轻
5, 节省测量时间
6, 节省测量成本
MINISPOOL的测量效率很高，能节约不少时间，因为它不需要调度时间，是直接安装在ROV上的，也不需要转接器的校准，操作一般在12小时之内完成，最短时间处理传送
上来的数据，不需要复原时间。

同时，MINISPOOL也能节省不少成本，它不需要安装在船
上，而是直接安装在一台工作级ROV上，很少量人员操作即可，不需要耗材，较低廉的运
输成本。

下图为MINISPOOL安装在工作
级ROV上:
MiniSpool being held in the
manipulator of a workclass
ROV.
2, BlueView 3D 声纳一BV5000系统
BV5000 3D声纳系统是一款新的轻便
的、极高分辨率的机械扫描测量系统，为水
下作业提供了很大便利。

图17
图18
BV5000声纳系统有三大特点：
一，观察更广阔
1. 更精细、准确的水下结构三维图像
2. 能创建三维的大型地域、结构、物体的马赛克影像
3. 在低甚至零能见度条件下，或者在某些难以达到的传统多波束不能工作的位置还能
继续测量
4. 合并了地形测量的3D激光扫描和水下3D声纳扫描，在吃水线上下做总体的观察二，计划更有效率
1. 使工程设计人员与调度人员计划工作更精确
2. 使项目经理获得更准确的监测数据，做出更好的决策
3. 创建准确模型并传送到CAD精确的挥出目标结构
三，作业更快更安全
1. 容易且快速的提供详细的、精确的信息
2. 能在能见度不良的情况下继续工作，节约成本
3. 提高了水下操作的安全系数
4. 容易检查项目进程，合适工程完结
BV5000声纳系统相对于传统多波束声纳的优点：
1. 使用简单简单的配置，非常轻便，无缝整合，直观的用户软件
2. 不需要定位、方向这方面的信息
3. 能灵活的进行观察，从任何角度，包括在目标的下方
4. 在固定的位置运行并获取数据
5. 使用基于windows系统的软件，不需要专门的硬件支持
6. 整合的徕卡测量系统软件，获取马赛克影像和CAD建模
下图为BV5000测量膨胀弯：
图19
所测数据包括两法兰端口的姿态、距离、高度、角度等，传送到计算机由软件进行处理。

此两种声纳测量系统，相对于激光测量，优点在于不受水下能见度的影响，使用简便，工作效率高。