海洋臍帶纜張緊器總體方案設(shè)計(jì)

王文明，張仕民，徐克彬，李寅，郭志平，王曉華，郭毅

（1.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京， 102249；2.渤海鉆探井下作業(yè)公司，河北任丘 062552；3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051；4.西安交通大學(xué)，西安 710049）

陸上油氣資源日漸匱乏，海洋油氣資源越來越受到人們的關(guān)注［1］。臍帶纜張緊器是夾持臍帶纜并控制其下放入水中鋪設(shè)的專用設(shè)備，臍帶纜的鋪設(shè)可以實(shí)現(xiàn)海洋油氣工程通信、電信號傳輸以及液體注入等功能。臍帶纜是承受張力為主的柔性細(xì)長結(jié)構(gòu)，為浮式系統(tǒng)中較為薄弱的環(huán)節(jié)，且受到的載荷具有顯著的動態(tài)特性，如周期性的波浪載荷、流載荷、不同浮體及系泊系統(tǒng)的動力影響，安裝時(shí)需要保證臍帶纜壓力均布并恒張力鋪設(shè)，所以對臍帶纜張緊器性能具有較高要求。臍帶纜張緊器根據(jù)履帶布置形式和數(shù)量可分為：兩履帶上下或水平布置式、三履帶對中布置式和四履帶對中布置式3種。常用驅(qū)動方式為液壓馬達(dá)驅(qū)動與電機(jī)驅(qū)動2種。國外具有代表性的臍帶纜張緊器研發(fā)機(jī)構(gòu)有英國Aquatic公司、意大利Remacut公司、美國Westech 公司與NOV（National Oilwell Varco）公司、荷蘭SAS Gouda公司等。

目前，國內(nèi)的主要廠家及研究機(jī)構(gòu)有海洋工程股份有限公司、中國石油大學(xué)（北京）、天津精研工程機(jī)械傳動有限公司、勝利石油化工建設(shè)有限責(zé)任公司等。我國1996年開始進(jìn)行國產(chǎn)灘海鋪管船用300kN 張緊器的研究，采用雙履帶式液壓恒壓控制?！笆晃濉逼陂g，由海洋工程股份有限公司主持與中國石油大學(xué)（北京）協(xié)作，完成了2000kN 海底管道鋪設(shè)張緊器的國產(chǎn)化研究。針對張緊器的關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者也開展了相關(guān)研究：Mattiazzo、Giuliana［2］等設(shè)計(jì)了一種數(shù)字仿真方法；張俊亮［3］等分析了深水鋪管船用張緊器液壓夾緊系統(tǒng)建模與仿真，采用PID 控制使液壓缸具有良好的同步性；孫亮等［4］在鋪管船用張緊器研究方面，確定了海洋鋪管船用張緊器的基本參數(shù)、總體結(jié)構(gòu)方案和總體控制系統(tǒng)方案。隨著海洋油氣開發(fā)的不斷發(fā)展，臍帶纜張緊器的研制對于海洋油氣開發(fā)具有重要意義。

1 國內(nèi)外臍帶纜張緊器綜述

國外已經(jīng)可以生產(chǎn)具有從數(shù)十千牛到幾百千牛張緊力的張緊器，型號眾多，主要生產(chǎn)張緊器的廠家有Aquatic、One－Offshore、Westech、SAS Gouda、Amclyde、Huisman、Remacut、NOV 等。張緊器可以鋪設(shè)臍帶纜、軟管或者鋼制管道，由于臍帶纜或軟管可承受的最小破斷載荷較小、摩擦因數(shù)較小，一般鋪設(shè)臍帶纜或軟管的張緊器最大張緊力都較小。其中：Aquatic公司的臍帶纜張緊器最大鋪管張力有30～500kN 多種，有兩履帶和四履帶2種形式，兩履帶張緊器又有水平與垂直2種，可以鋪設(shè)軟管、臍帶纜和鋼管；荷蘭SAS Gouda公司生產(chǎn)的張緊器主要有水平或垂直的兩履帶式張緊器系列；新加坡ONE－OFFSHORE公司的臍帶纜張緊器鋪管能力為100～400kN，包括兩履帶和四履帶2種；美國NOV 公司生產(chǎn)三履帶式臍帶纜張緊器；AmClyde Norson設(shè)計(jì)陸上和海上使用的張緊器，形式上有水平／垂直／傾斜操作，可以鋪設(shè)柔性或剛性的產(chǎn)品，鋪管／繞線機(jī)操作和任何負(fù)載要求，供應(yīng)有兩履帶、三履帶和四履帶的張緊器，張緊能力為10～2750 kN；Huisman公司生產(chǎn)有四履帶600kN 張緊器。

1.1 兩履帶式張緊器

兩履帶張緊器分為水平布置和垂直布置2種。圖1a為Aquatic公司AQTT－08B－3型兩履帶水平布置式張緊器；圖1b為該公司AQTT－07C－5型公司上下布置式張緊器。兩履帶張緊器的主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、尺寸較小、容易布置；只有上下或者左右2個(gè)履帶，不管是用液壓驅(qū)動，還是電機(jī)驅(qū)動都有足夠的空間來布置驅(qū)動系統(tǒng)；主框架結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)、制造、安裝過程簡便。主要缺點(diǎn)是：被夾持管線兩面受力，易引起變形；被夾持管線承壓能力愈弱，張緊器在滿足張緊力要求的情況下，縱向長度就愈大。

圖1 兩履帶張緊器

1.2 三履帶式張緊器

三履帶張緊器一般采用對中式，圖2為美國NOV 公司的三履帶式張緊器。三履帶式張緊器的主要優(yōu)點(diǎn)是：上部空間開闊，便于管線放置；3個(gè)方向的夾緊力呈120°，可以將夾緊力均勻地分散到水平和豎直方向，有利于框架穩(wěn)定；三履帶對中布置，能夠保證被夾持管線受力均勻，不易造成管線變形。在滿足系統(tǒng)張緊力的要求下，縱向尺寸較兩履帶式張緊器縮短。主要缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)較兩履帶式張緊器復(fù)雜，外形寬度尺寸增大。

圖2 NOV 公司三履帶對中布置式張緊器

1.3 四履帶式張緊器

四履帶式張緊器根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同可以分為“＋”字式與“X”字式2種。圖3a為Huisman公司600kN“＋”字式張緊器，圖3b為AmClyde Norson公司“X”字式張緊器?！埃弊质酵ǔ２扇№敳块_合的結(jié)構(gòu)形式；“X”字式張緊器有頂部開合及側(cè)面開合2種形式。

四履帶式張緊器的主要優(yōu)點(diǎn)是：四履帶對中布置，被夾持管線受力更均勻，不易造成管線變形；張緊力相同情況下，被夾持管線所受壓強(qiáng)更小，因此四履帶式張緊器被廣泛用于柔性管或臍帶纜海洋鋪設(shè)中；另外，四履帶式每根履帶分擔(dān)的張緊力較三履帶式更小，在縱向和橫向尺寸上比三履帶式更有優(yōu)勢；在船面空間有限的情況下，占用相同空間的張緊器可以提供更大的張緊力。主要缺點(diǎn)是：機(jī)構(gòu)復(fù)雜，四履帶上下、左右4面布置，形成封閉空腔，放置管線困難，需要對上履帶增設(shè)開合機(jī)構(gòu)，以便在放置管線時(shí)，打開上部空間；另外，增加了驅(qū)動電機(jī)或液壓馬達(dá)，設(shè)備成本增加，也增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖3 四履帶式張緊器

典型臍帶纜張緊器性能參數(shù)如表1。鋪纜能力較強(qiáng)、能提供較大張力的張緊器多采用三履帶甚至四履帶形式。由于四履帶對中布置，張緊力相同情況下被夾持管線受力更均勻，不易造成臍帶纜變形，所以臍帶纜張緊器多采用四履帶式。受管壁所能承受的夾持徑向載荷的限制，深海鋪管船常采用幾個(gè)張緊器串聯(lián)使用的技術(shù)方案。

表1 典型臍帶纜張緊器的性能參數(shù)

續(xù)表1

2 總體方案設(shè)計(jì)

針對柔性管或臍帶纜的鋪設(shè)特點(diǎn)［5－7］，總體方案為：為保證夾持臍帶纜受力均勻，選擇了四履帶式的對中布置方案；考慮到受管壁所能承受的夾持徑向載荷的限制，在深海鋪設(shè)環(huán)境可以采用2個(gè)或2個(gè)以上的張緊器串聯(lián)使用，達(dá)到增大拖拽力的目的；張緊器有2種工作模式，即單獨(dú)控制水平2個(gè)履帶夾緊和控制四履帶同時(shí)夾緊，可根據(jù)實(shí)際工況在保證足夠夾緊力的情況下進(jìn)行工作模式的轉(zhuǎn)換。

2.1 性能指標(biāo)

臍帶纜張緊器的參數(shù)如表2。

表2 臍帶纜張緊器設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 總體結(jié)構(gòu)

臍帶纜張緊器總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，設(shè)計(jì)采用上、下、左、右四履帶總成“＋”字形式布局，總長7065mm，寬4754mm，高4932mm。包括開合機(jī)構(gòu)、履帶機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、支架和底座、檢測系統(tǒng)等6部分：

1）開合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上履帶的張開與閉合，確保臍帶纜的裝載與臍帶纜接頭導(dǎo)入導(dǎo)出。

2）履帶機(jī)構(gòu)分為上、下、左、右四履帶，每個(gè)履帶總成由若干鏈軌節(jié)組成，每個(gè)鏈軌節(jié)外側(cè)連接有V 形履帶板，履帶板上安裝有橡膠緩沖墊塊，用于加大摩擦力和使載荷均勻，進(jìn)而加大與臍帶纜外壁的接觸面積，降低接觸比壓。

3）夾緊機(jī)構(gòu)主要由液壓缸組成，通過液壓缸帶動履帶總成向臍帶纜提供正壓力。

4）驅(qū)動系統(tǒng)由電動馬達(dá)提供驅(qū)動力，鏈輪驅(qū)動履帶完成鋪纜作業(yè)時(shí)對臍帶纜的收放動作。

5）支架和底座起到支撐和固定各機(jī)構(gòu)的作用。

6）檢測系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速傳感器、張力傳感器、位移傳感器、壓力傳感器等組成，實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)速度、管線張力、液壓缸位移的測量。

圖4 總體結(jié)構(gòu)

2.3 履帶機(jī)構(gòu)總成

履帶總成如圖5所示，包括動力系統(tǒng)總成、履帶靴、內(nèi)框架、鏈輪和其他固定件5部分，總長6017 mm，高1323mm，履帶寬1000mm。

1）前部驅(qū)動鏈輪把動力系統(tǒng)和傳動鏈相連接，起傳遞動力作用。

2）后部張緊輪起導(dǎo)向定位、張緊作用。

3）履帶靴固定在鏈節(jié)上，主要用途是作橡膠襯塊的安裝底座，整條履帶共有76個(gè)履帶靴部件。

4）內(nèi)框架起支撐作用。

5）鏈軌節(jié)與驅(qū)動齒輪嚙合傳遞扭矩，同時(shí)固定履帶靴，整條履帶共由76個(gè)鏈軌節(jié)組成。

6）托鏈輪用來防止履帶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)下垂。

7）每條履帶設(shè)計(jì)有11組支重輪，保證最外2支重輪中心線≥3m，其作用是承受管線壓力。

圖5 履帶總成

2.4 動力系統(tǒng)

2.4.1 履帶驅(qū)動

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，張緊器每條履帶提供最大夾緊力為300kN／m，最大鋪設(shè)速度v＝0.33 m／s。驅(qū)動輪直徑D＝881mm，則轉(zhuǎn)速n＝0.75rad／s。有效夾緊長度3m，設(shè)計(jì)摩擦因數(shù)μ＝0.1，則每條履帶所提供摩擦力為

額定功率為

履帶標(biāo)定扭矩為

可以計(jì)算得到驅(qū)動系統(tǒng)選型的功率與扭矩?cái)?shù)值，分別為30kW 與4×104N·m。

2.4.2 液壓驅(qū)動

夾緊液壓缸是張緊器液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，為管線提供正壓力。夾緊液壓缸共有16個(gè)，每個(gè)履帶安裝4個(gè)，分別安置于張緊器每條履帶的4個(gè)角，其位置如圖5所示。臍帶纜張緊器的液壓系統(tǒng)采用液壓站來提高液壓動力。

3 結(jié)語

海洋臍帶纜的鋪設(shè)作業(yè)需要多機(jī)具聯(lián)合作業(yè)，設(shè)計(jì)具有難度，針對油氣資源開發(fā)需求，綜合考慮作業(yè)環(huán)境、水下作業(yè)機(jī)具要求等因素，提出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的四履帶式對中式的臍帶纜張緊器結(jié)構(gòu)方案，為進(jìn)一步研究臍帶纜張緊器指明了方向。

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