鋪管船運動補償系統(tǒng)的設計與研究

王曉波，李建楠，孟祥偉，聶 霞，牛建樂(.海洋石油工程股份有限公司，天津 30045；.貝特海利科技有限公司，北京 000)

鋪管船運動補償系統(tǒng)的設計與研究

王曉波1，李建楠1，孟祥偉1，聶 霞2，牛建樂2
(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.貝特海利科技有限公司，北京 100102)

為了減少鋪管船在風浪中的升沉運動對托管架、纜繩以及鋪管作業(yè)效率的影響，可在鋪管船上建立一個運動補償系統(tǒng)。文章以鋪管船F(xiàn)ORTUNA為研究對象，對該系統(tǒng)進行了方案設計，介紹了該系統(tǒng)的結構組成和工作原理，并用MOSES軟件建立模型，進行頻域和時域分析，分析涵蓋了各個不同鋪管半徑的作業(yè)工況。分析結果表明，這套運動補償系統(tǒng)的設計合理，且技術上可行。

鋪管船；運動補償；液壓系統(tǒng)；托管架；儲能器

托管架鋪管是目前世界上海底石油管道鋪設的常用方法，這種方法施工方便，投資最省，工期最短[1]。而托管架鋪管船在實際鋪管時會遭遇到各種海況，這時鋪管船需要棄管、自存或者航行等。在此過程中托管架會隨鋪管船上下升沉，連接托管架和船上絞車的纜繩也會因此承受著不可預測的瞬間變化的力，或張緊，或放松，影響纜繩的使用壽命。

為了保證鋪管作業(yè)的順利進行，提高鋪管的作業(yè)效率，減小各種海況對鋪管作業(yè)及纜繩的影響，就必須合理地解決鋪管船升沉運動的補償問題。補償系統(tǒng)在起重船上應用較為廣泛[2-5]，而在鋪管船上類似的研究至今少見。為此，本文對鋪管船運動補償系統(tǒng)進行了設計與研究，它能夠有效地補償托管架上下升沉運動，從而減小對管線鋪設的影響；同時緩解連接托管架的纜繩上力的變化，使得纜繩一直處于變化較為平緩的張緊狀態(tài)。進而在選用纜繩時可適當降低規(guī)格，節(jié)約費用。所以開展鋪管船運動補償系統(tǒng)的研究，對于我國鋪管船的發(fā)展，提升我國海洋石油開發(fā)能力具有重要意義。

1 鋪管船及運動補償系統(tǒng)的總體介紹

本文以169 m起重鋪管船F(xiàn)ORTUNA為研究對象,其主尺度如下:總長，169 m；型寬，46 m；設計吃水，8 m；型深，13.5 m；結構吃水，9 m。

為鋪管船F(xiàn)ORTUNA設計的運動補償系統(tǒng)位于船尾，在船尾桁架結構頂部安裝有連桿，連桿端部安裝固定滑輪組，用以導向連接絞車和托管架的纜繩。運動補償系統(tǒng)的液壓缸的兩端分別與連桿和船尾桁架結構鉸接，見圖1。

圖1 鋪管船運動補償系統(tǒng)布置示意圖

2 運動補償系統(tǒng)的結構組成和工作原理

2.1運動補償系統(tǒng)的結構組成

為鋪管船F(xiàn)ORTUNA設計的運動補償液壓系統(tǒng)是由一套位于連桿之下，連接連桿和船尾桁架的液壓缸等組成的液壓系統(tǒng)，與液壓缸相連的是調節(jié)缸內氣體壓強的上部儲能器、下部儲能器以及氣瓶等，見圖2，液壓系統(tǒng)的參數(shù)見表1。

圖2 運動補償液壓系統(tǒng)的結構組成圖

表1 液壓系統(tǒng)參數(shù)

液壓缸：液壓缸數(shù)量應根據(jù)實際合理選取，缸內活塞上部和下部的壓力差提供有效的推力，通過活塞桿，頂住連桿。

儲能器：儲能器內有空氣和油，設置有上部儲能器和下部儲能器，二者配合調節(jié)儲能器內空氣體積，從而改變壓強，進而調節(jié)液壓缸內氣體壓強。

氣瓶：給儲能器提供空氣，增加或減少氣瓶數(shù)量會相應減小或增大與之相連的儲能器的氣體壓強，應根據(jù)實際需要，設置合理的氣瓶數(shù)量。

關閉閥：考慮適應不同的鋪管半徑，以及鋪管作業(yè)、棄管、自存和航行等工況，總的氣瓶數(shù)量應足夠，但實際操作中，要通過關閉閥控制與各儲能器相連的氣瓶數(shù)量。

2.2鋪管船運動補償系統(tǒng)的工作原理

當托管架向下運動時，纜繩上的力增加，帶動連桿向下運動，液壓缸氣體被壓縮，壓強增加，將連桿向上頂，進而使得纜繩帶動托管架向上運動；當托管架向上運動時，纜繩上的力變小，活塞桿向上運動，液壓缸氣體體積變大，壓強減小，將連桿向上頂?shù)牧p小，進而使得纜繩帶動托管架向下運動。如此往復，起到補償托管架運動，同時起到緩解連接托管架纜繩上變化力的作用。

3 運動補償系統(tǒng)的可行性分析

3.1MOSES建模

本文用MOSES軟件對運動補償系統(tǒng)在不同鋪管半徑的狀態(tài)進行分析,分析模型見圖3～圖6。運動補償系統(tǒng)在MOSES模型中是以虛擬的非線性彈簧的形式呈現(xiàn)的。不同鋪管半徑時所用管子管徑見表2。

圖3 MOSES模型的俯視圖

圖4 鋪管半徑為80 m的MOSES模型

圖5 鋪管半徑為275 m的MOSES模型

圖6 鋪管半徑為365 m的MOSES模型

表2 不同鋪管半徑時所用管子管徑

3.2運動補償系統(tǒng)的初始設置

分析過程中，通過反復調試計算，設置合理的氣瓶數(shù)量。對于不同鋪管半徑，在操作作業(yè)時，需根據(jù)實際的環(huán)境條件，來調整開啟的氣瓶數(shù)量，調整合理的液壓缸零位壓強。調整結果見表3。與之對應的液壓缸允許的沖程、壓強和受力見表4～表6。

3.3鋪管船和運動補償系統(tǒng)的運動分析

當鋪管船作業(yè)時，受到風、浪、流等環(huán)境影響，會連帶托管架產生搖擺和上下升沉運動。

表3 不同鋪管半徑時的零位壓強

表4 鋪管半徑80 m的液壓缸允許受力

表5 鋪管半徑275 m的液壓缸允許受力

表6 鋪管半徑365 m的液壓缸允許受力

當托管架向下運動時，纜繩上的受力增加，帶動連桿向下運動，液壓缸氣體被壓縮，壓強增加，將連桿向上頂，進而使得纜繩帶動托管架向上運動；當托管架向上運動時，纜繩上的受力變小，活塞桿向上運動，液壓缸氣體體積變大，壓強減小，將連桿向上頂?shù)牧p小，進而使得纜繩帶動托管架向下運動。循環(huán)往復的過程中，液壓缸的沖程和受力也會隨之不斷地變化。我們用MOSES進行頻域水動力分析，并通過3 h時域模擬分析，得到鋪管船遭遇表7中的環(huán)境條件時，液壓缸的沖程和受力結果見表8。

表7 運動補償系統(tǒng)分析的環(huán)境條件

表8 MOSES分析結果

從表8各個工況分析的結果可以看出，液壓缸在運動的過程中實際的沖程和受力均在其能力承受范圍之內。由此得出結論，液壓系統(tǒng)的設計滿足要求，技術上可行。

4 結束語

1)該設計方案能夠有效地提高鋪管船的作業(yè)效率，減小各種海況對鋪管作業(yè)、托管架及纜繩的影響，技術上可行，潛在回報高。

2)運動補償系統(tǒng)應用范圍廣泛而且靈活，可適用于不同的鋪管半徑，以及鋪管作業(yè)、棄管、自存和航行等工況。

3)運動補償系統(tǒng)的液壓缸盡量豎直安放，減小側向力的影響。

[1]王朝, 袁曉林, 于振華，等. 海底管道鋪設技術及發(fā)展[J]. 城市建設理論研究, 2013(29):262-263.

[2] 邵曼華,寇雄,趙鵬程. 幾種船用起重機波浪補償裝置[J]. 機械工程師,2004(2):14-16.

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Heavy motions produce negative effects on stingers,slings and pipe-laying efficiency as a pipelay vessel operates in stormy waves,but a motion compensation system can be built on the vessel to reduce the effects.This thesis focuses on the research of the pipelay vessel FORTUNA and designs the system for it.In addition,the thesis introduces the structural composition and working principle of the system,and establishes models with MOSES software as well as analyzes the system in both frequency domain and time domain.The analysis involves operating conditions of the pipelay mode with different radii,and its results show the system is well-designed and technically feasible.

pipelay vessel;motion compensation;hydraulic system;stinger;accumulator

PE75

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.004

王曉波(1972-)，男，天津人，高級工程師，工程碩士，主要從事海底管道工程設計和工程管理工作。

2015-07-06