深水軟管及臍帶纜滾筒驅(qū)動(dòng)裝置樣機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

劉培林，李懷亮，王立權(quán)，于文太，畢國(guó)軍，曹為

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300461 2.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

深水軟管及臍帶纜滾筒驅(qū)動(dòng)裝置樣機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

劉培林1，李懷亮1，王立權(quán)2，于文太1，畢國(guó)軍2，曹為1

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300461 2.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

深水軟管及臍帶纜滾筒驅(qū)動(dòng)裝置是一種應(yīng)用于軟管、臍帶纜或其他柔性連續(xù)體水下鋪設(shè)作業(yè)的海洋工程裝備。通過(guò)分析軟管或臍帶纜鋪設(shè)的主要作業(yè)過(guò)程及裝備，明確了深水軟管及臍帶纜滾筒驅(qū)動(dòng)裝置的功能要求。設(shè)計(jì)了深水軟管及臍帶纜滾筒驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)及液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。利用負(fù)載模擬絞車(chē)和波浪模擬液壓缸來(lái)分別模擬管纜的重力和鋪管敷纜船的運(yùn)動(dòng)，搭建了陸地模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。進(jìn)行了初始鋪設(shè)試驗(yàn)以及恒張力鋪設(shè)試驗(yàn)，獲得了系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力矩、鋪設(shè)速度及鋪設(shè)張力等數(shù)據(jù)，對(duì)樣機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果及實(shí)際性能參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)論可為進(jìn)一步海試提供一定的參考。

深水軟管;臍帶纜;滾筒驅(qū)動(dòng)裝置;樣機(jī)設(shè)計(jì);模擬試驗(yàn)

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深水軟管、臍帶纜或其他柔性連續(xù)體的水下鋪設(shè)是一項(xiàng)較為困難的海工作業(yè)，由于鋪設(shè)過(guò)程中存在著柔性管纜自身運(yùn)動(dòng)與鋪管敷纜船運(yùn)動(dòng)的相互疊加，并且還存在著海洋環(huán)境的影響，鋪設(shè)作業(yè)效果在極大程度上依賴(lài)于鋪設(shè)裝備的性能［1-3］。因此，要求鋪設(shè)裝備不僅能夠滿足工作負(fù)載，同時(shí)能夠?qū)ν饨鐢_動(dòng)具有一定的適應(yīng)補(bǔ)償能力，保證軟管及臍帶纜鋪設(shè)安全［4-5］。

1　深水軟管及臍帶纜鋪設(shè)系統(tǒng)

圖1為深水軟管及臍帶纜鋪設(shè)系統(tǒng)，主要包括鋪設(shè)塔、張緊器、滾筒驅(qū)動(dòng)裝置3類(lèi)裝備。其中鋪設(shè)塔的主要功能是支撐和導(dǎo)向，對(duì)柔性管纜進(jìn)行退扭并控制其入水角度。張緊器的主要功能是夾持并輸送柔性管纜，維持水下管纜的張力。滾筒驅(qū)動(dòng)裝置主要用以驅(qū)動(dòng)纏繞有待鋪設(shè)管纜的滾筒旋轉(zhuǎn)放出管纜，并維持與張緊器之間段管纜的鋪設(shè)張力。

圖1　深水軟管鋪設(shè)系統(tǒng)

深水柔性管纜的水下鋪設(shè)需首先完成滾筒驅(qū)動(dòng)裝置與滾筒的對(duì)接并將滾筒傳送到規(guī)定的鋪設(shè)位置，調(diào)節(jié)鋪設(shè)塔傾角以及對(duì)管纜端頭進(jìn)行預(yù)處理等工作。接著由絞車(chē)牽引管纜端頭上升至鋪設(shè)塔并進(jìn)入張緊器，并且這一過(guò)程中還需要滾筒驅(qū)動(dòng)裝置配合旋轉(zhuǎn)放出管纜。最后當(dāng)管纜端頭通過(guò)張緊器后，則由張緊器開(kāi)始拉緊管纜并控制其運(yùn)動(dòng)。此時(shí)滾筒驅(qū)動(dòng)裝置需提供阻尼制動(dòng)力矩以維持與張緊器之間段管纜的張力，直至管纜端頭觸底并連接后開(kāi)始正式鋪設(shè)［6-7］。

2　滾筒驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在上述重點(diǎn)裝備中，特別是淺水鋪設(shè)工況下，滾筒驅(qū)動(dòng)裝置［8-9］是系統(tǒng)鋪設(shè)動(dòng)力的主要來(lái)源。圖2為滾筒驅(qū)動(dòng)裝置樣機(jī)，主要包括主驅(qū)動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、調(diào)整主驅(qū)動(dòng)盤(pán)位置的垂向、橫向滑塊系統(tǒng)以及縱向行走系統(tǒng)等幾個(gè)部分。

圖2　滾筒驅(qū)動(dòng)裝置樣機(jī)

內(nèi)層水平滑塊系統(tǒng)上布置有主驅(qū)動(dòng)盤(pán)及其旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)單元，并通過(guò)水平導(dǎo)軌與外層垂直滑塊系統(tǒng)相連。垂直滑塊系統(tǒng)通過(guò)垂向?qū)к壟c主機(jī)架相連。行走拖車(chē)系統(tǒng)則與主機(jī)架通過(guò)液壓缸相連。通過(guò)水平、垂直滑塊系統(tǒng)及行走拖車(chē)系統(tǒng)相互配合，可實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)盤(pán)位置的任意調(diào)整，實(shí)現(xiàn)滾筒的對(duì)接、夾持及舉升操作。

圖3為主驅(qū)動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)單元傳動(dòng)原理。主要?jiǎng)恿υ?個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和1個(gè)阻尼泵，二者經(jīng)一系列傳動(dòng)系統(tǒng)與主驅(qū)動(dòng)盤(pán)相連，用于驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)或在穩(wěn)定鋪設(shè)階段對(duì)滾筒進(jìn)行動(dòng)力制動(dòng)。由于采用的阻尼泵為單向泵，故在阻尼泵與傳動(dòng)系之間增設(shè)液壓離合器，用于滾筒逆鋪設(shè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)將阻尼泵脫開(kāi)，防止泵反轉(zhuǎn)。

圖3　主驅(qū)盤(pán)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)單元傳動(dòng)原理

圖4為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)馬達(dá)及阻尼泵液壓驅(qū)動(dòng)原理［10］。阻尼泵出口回路中的比例調(diào)壓閥和阻尼元件組成了阻尼制動(dòng)回路，其產(chǎn)生的高壓回油阻力形成了阻礙滾筒旋轉(zhuǎn)的阻尼制動(dòng)力矩。同時(shí)，在回路耦合電磁閥開(kāi)啟、阻尼泵輸出油液分流進(jìn)入驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的狀態(tài)下，阻尼泵與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)組成了驅(qū)動(dòng)控制回路?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整馬達(dá)排量來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力矩，控制滾筒轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道張力的控制。

圖4　旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)原理

深水軟管及臍帶纜滾筒驅(qū)動(dòng)裝置樣機(jī)設(shè)計(jì)總重約290 t，最大可承載375 t重管纜滾筒。主驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)總功率75 kW，最大可提供15 t鋪設(shè)張力、鋪設(shè)速度最大達(dá)30 m/min。主驅(qū)動(dòng)盤(pán)位置調(diào)整部分橫向最大位移0.75 m、垂向2.3 m、縱向不受限制，可對(duì)接直徑8.6～11.4 m范圍內(nèi)的各型號(hào)滾筒。

3　滾筒驅(qū)動(dòng)裝置樣機(jī)模擬試驗(yàn)研究

3.1模擬試驗(yàn)原理

由于陸地試驗(yàn)條件下不易實(shí)現(xiàn)鋪管敷纜船運(yùn)動(dòng)對(duì)鋪設(shè)裝備造成的干擾，并且以大量管纜的重力對(duì)系統(tǒng)加載也將占用較大的空間，故搭建模擬試驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)模擬實(shí)際鋪管敷纜作業(yè)的負(fù)載及環(huán)境狀況。

圖5為模擬試驗(yàn)原理，以負(fù)載模擬絞車(chē)牽引試驗(yàn)滾筒旋轉(zhuǎn)作為加載方式，通過(guò)調(diào)整絞車(chē)?yán)纯赡M管纜開(kāi)始下水到觸底以及管纜自重拖拽滾筒旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，采取由波浪模擬液壓缸推拉絞車(chē)基座在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)的方式模擬鋪管敷纜船運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的干擾。試驗(yàn)系統(tǒng)所測(cè)試的數(shù)據(jù)包括鋪設(shè)張力及速度，所配測(cè)試元件包括布置于波浪模擬液壓缸上的稱(chēng)重傳感器以及布置于傳動(dòng)系中的扭矩傳感器和編碼器。

圖5　模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

3.2初始鋪設(shè)試驗(yàn)

初始鋪設(shè)試驗(yàn)驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)裝置能夠驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，并能提供與模擬負(fù)載相平衡的阻尼力矩。試驗(yàn)首先由波浪模擬液壓缸固定絞車(chē)基座，然后驅(qū)動(dòng)裝置啟動(dòng)放出試驗(yàn)管纜，絞車(chē)則隨動(dòng)收回模擬管纜但不對(duì)其施加拉力。設(shè)定目標(biāo)鋪設(shè)速度為2.5 m/min，圖6為控制系統(tǒng)輸出的驅(qū)動(dòng)力矩及扭矩傳感器實(shí)測(cè)值，圖7為由編碼器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)折算的鋪設(shè)速度?？梢?jiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)馬達(dá)輸出力矩，使靜止的滾筒啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)并穩(wěn)定在目標(biāo)鋪設(shè)速度。

圖6　系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力矩

圖7　鋪管速度

逐漸增大絞車(chē)?yán)ΓM實(shí)際情況下入水管纜重量不斷增加的過(guò)程。隨著絞車(chē)?yán)υ黾?，試?yàn)滾筒逐漸加速，控制程序逐漸減小馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力矩并增大阻尼泵制動(dòng)力矩，當(dāng)系統(tǒng)輸出力矩與絞車(chē)?yán)叵嗥胶鈺r(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定鋪設(shè)狀態(tài)。

圖8為滾筒所受驅(qū)動(dòng)馬達(dá)及阻尼泵力矩曲線，圖9為鋪設(shè)速度曲線?？梢?jiàn)隨著阻尼泵的啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置逐漸過(guò)渡到帶載狀態(tài)，鋪設(shè)速度先增加而后恢復(fù)原值。并且此過(guò)程中模擬鋪管敷纜系統(tǒng)已經(jīng)承受了工作負(fù)載，試驗(yàn)管纜受到拉伸，產(chǎn)生鋪設(shè)張力。

圖8　系統(tǒng)輸出力矩

圖9　鋪管速度

3.3恒張力鋪設(shè)試驗(yàn)

恒張力鋪設(shè)試驗(yàn)是驗(yàn)證在模擬位移擾動(dòng)下驅(qū)動(dòng)裝置能夠迅速補(bǔ)償、控制管纜張力。在恒張力鋪設(shè)狀態(tài)下，由自動(dòng)控制程序檢測(cè)并記錄扭矩傳感器及編碼器數(shù)據(jù)并反饋給控制器，動(dòng)態(tài)調(diào)整驅(qū)動(dòng)馬達(dá)排量以調(diào)整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總輸出力矩。當(dāng)波浪模擬液壓缸的位移擾動(dòng)造成管纜張力增加、鋪設(shè)速度加快時(shí)，程序控制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)排量減小，加速放出管纜以對(duì)張力上升加以補(bǔ)償。取波浪模擬液壓缸擾動(dòng)作用時(shí)間為30 s，擾動(dòng)位移值為0.2 m進(jìn)行試驗(yàn)。圖10、11為驅(qū)動(dòng)裝置輸出力矩保持不變的恒阻尼模式和力矩自動(dòng)調(diào)整的恒張力模式下管纜張力及鋪設(shè)速度曲線。恒張力鋪設(shè)有效地降低了管纜張力的增加，且反應(yīng)速度較快，但張力調(diào)節(jié)的同時(shí)卻造成鋪設(shè)速度的波動(dòng)幅度明顯增大。

圖10　管道張力

圖11　鋪設(shè)速度

表1為取波浪模擬液壓缸擾動(dòng)位移分別為0.2 m、0.3 m及0.4 m等3種工況試驗(yàn)所測(cè)得的管纜張力及鋪設(shè)速度與理想穩(wěn)定值之間的標(biāo)準(zhǔn)差?？梢?jiàn)隨著波浪模擬液壓缸位移擾動(dòng)的增強(qiáng)，管纜張力波動(dòng)增大。驅(qū)動(dòng)裝置的恒張力鋪設(shè)功能可大幅度減小張力上升，特別對(duì)于小擾動(dòng)的情況，張力波動(dòng)減小量達(dá)70%以上。隨著位移擾動(dòng)程度的加劇，張力補(bǔ)償能力減弱，最大模擬擾動(dòng)下，張力波動(dòng)減少了約36%左右。

表1　管纜張力及鋪設(shè)速度標(biāo)準(zhǔn)差

4　結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了深水軟管及臍帶纜鋪設(shè)作業(yè)過(guò)程及管纜滾筒驅(qū)動(dòng)裝置樣機(jī)的研制。以負(fù)載模擬絞車(chē)牽引試驗(yàn)滾筒模擬水下懸掛段管纜重力，以波浪模擬液壓缸推拉絞車(chē)基座運(yùn)動(dòng)模擬鋪管敷纜船運(yùn)動(dòng)，搭建了陸地模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。針對(duì)初始鋪設(shè)以及恒張力鋪設(shè)工況進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。結(jié)果標(biāo)明深水軟管及臍帶纜滾筒驅(qū)動(dòng)裝置能夠正向驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)放出管纜，且能夠產(chǎn)生與負(fù)載運(yùn)動(dòng)方向相反的阻尼制動(dòng)力矩，建立鋪設(shè)張力。在模擬鋪管船位移擾動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)裝置能夠?qū)芾|張力進(jìn)行調(diào)節(jié)補(bǔ)償控制，可降低50%～70%的管纜張力波動(dòng)，效果良好。

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Prototype design and experimental research on the
deep-sea flexible pipe and umbilical cable reel driving device

LIU Peilin1，LI Huailiang1，WANG Liquan2，YU Wentai1，BI Guojun2，CAO Wei1

1.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300461，China 2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

The deep-sea flexible pipe and umbilical cable reel driving device are a kind of ocean engineering equipment which is suitable for underwater laying operation of flexible pipe，umbilical cable and other flexible continuum.By means of analysis on the main operation process and equipment of flexible pipe and umbilical cable laying，the function requirement of deep-sea flexible pipe and umbilical cable reel driving device is confirmed.The mechanical structure and hydraulic driving and control system of deep-sea flexible pipe and umbilical cable reel driving device are designed.The load simulation winch and sea wave simulation hydraulic cylinder are introduced to represent the gravity of pipe or cable and the motion of laying barge respectively，thus an onshore simulation testing system is established.Both initial laying test and constant tension laying test are performed，and the resulting data of driving torque，laying speed and tension of the system are acquired.The design result and practical performance of the prototype are proven.The design and test results can provide some kind of experience to future field test.

deep-sea flexible pipe; umbilical cable; reel driving device; prototype design; simulation test

TP398

A

1009-671X(2015) 04-053-05

10.3969/j.issn.1009-671X.201501014

2015-01-29.網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-07-27.

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2011ZX05056).

劉培林(1965-)，男，高工，碩士.

畢國(guó)軍，E-mail: biguojunb09@hrbeu.edu.cn.