海洋非粘結(jié)型柔性軟管制造裝備現(xiàn)狀分析

余榮華，袁鵬斌，秦林肖

（1.上海海隆石油管材研究所，上海 200949；2.海隆石油工業(yè)集團(tuán)有限公司，上海 200949）

1 引言

海洋非粘結(jié)型柔性軟管由于其特殊結(jié)構(gòu)，在海洋工程中的應(yīng)用日益增多，將成為深海開發(fā)的必需管道。我國海洋非粘結(jié)型柔性軟管的生產(chǎn)和相關(guān)技術(shù)才開始起步，目前主要針對(duì)于淺海應(yīng)用。國內(nèi)海洋非粘結(jié)型柔性軟管的相關(guān)制造裝備研制相對(duì)落后，與國外先進(jìn)裝備和技術(shù)相差較遠(yuǎn)。為加快我國深海油氣資源開發(fā)技術(shù)的自主創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)核心裝備技術(shù)的國產(chǎn)化并且打破技術(shù)封鎖和商業(yè)壟斷，介紹了海洋非粘結(jié)型柔性軟管的結(jié)構(gòu)功能，重點(diǎn)論述非粘結(jié)型柔性軟管的制造裝備現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)外制造裝備的差距及發(fā)展方向，為國內(nèi)海洋非粘結(jié)型柔性軟管的制造裝備設(shè)計(jì)和設(shè)備生產(chǎn)提供參考[1]。

2 海洋非粘結(jié)型柔性軟管的結(jié)構(gòu)

海洋非粘結(jié)型柔性軟管[2-3]包括管體和接頭。管體主要包括：骨架層、內(nèi)襯層、抗壓鎧裝層、耐磨層、抗拉鎧裝層、中間層（多層、多結(jié)構(gòu)，可選）和外包覆層，如圖1所示。

圖1 軟管結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The Structure of Flexible Pipe

3 海洋非粘結(jié)型柔性軟管成型制造設(shè)備和工藝

3.1 骨架層互鎖鎧裝機(jī)

骨架層互鎖鎧裝機(jī)為同心旋轉(zhuǎn)體，主要由放帶裝置、成型裝置、鎧裝頭、支撐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及支架系統(tǒng)組成，如圖2所示。旋轉(zhuǎn)體由前后兩組軸承座支撐，交流變頻電機(jī)由減速器減速帶動(dòng)一組齒輪驅(qū)動(dòng)骨架層互鎖鎧裝機(jī)同心旋轉(zhuǎn)。放帶裝置位于旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)盤后部，兩組儲(chǔ)帶盤直接套裝在裝夾軸上，由放帶張力恒張力磁滯控制，張力大小可調(diào)。成型裝置安裝在旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)盤上，有6對(duì)或更多呈一線分布式主動(dòng)成型滾輪，每對(duì)成型滾輪的間隙根據(jù)金屬帶材的厚度可以單獨(dú)微調(diào)。鎧裝頭安裝在旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)盤上，6組滾壓輪均勻分布，每組滾壓輪的位置沿機(jī)體主軸的徑向、軸向位置單獨(dú)可調(diào)，根據(jù)所繞管材的直徑調(diào)整每組滾壓輪的徑向位置，根據(jù)所繞管材的節(jié)距調(diào)整每組滾壓輪的軸向位置，6組滾壓輪沿軸向形成一個(gè)完整的節(jié)距。旋轉(zhuǎn)體帶動(dòng)5組滾壓輪，對(duì)模芯圓周6點(diǎn)滾壓互鎖成型管材和螺旋推出。根據(jù)所繞管材的直徑，配置管材模芯胎具。文獻(xiàn)[4]的骨架層成型機(jī)的主要參數(shù)，如表1所示。

圖2 骨架層成型機(jī)Fig.2 Carcass Machine

表1 骨架層成型機(jī)的參數(shù)（Bartell）Tab.1 Parameters of Carcass Machine（Bartell）

骨架層的制造過程主要為：將儲(chǔ)帶盤套裝在裝夾軸上，由恒張力磁滯控制鎧裝帶材被動(dòng)放帶，鎧裝帶材通過導(dǎo)帶裝置由轉(zhuǎn)盤后部進(jìn)入轉(zhuǎn)盤前部到主動(dòng)成型裝置。鎧裝帶材通過多對(duì)主動(dòng)成型滾輪擠壓逐漸由平帶成型為近S型結(jié)構(gòu)，近S型結(jié)構(gòu)的金屬型材進(jìn)入鎧裝頭的6組滾壓輪。6組滾壓輪逐漸將金屬型材滾壓互鎖成與管體軸線成近88.5°的螺旋管。

3.2 抗壓鎧裝層成型機(jī)

抗壓鎧裝機(jī)以空心旋轉(zhuǎn)體為主軸系統(tǒng)，從后到前依次有導(dǎo)電機(jī)構(gòu)、后支承架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、鋼帶盤、前承壓盤、牽引機(jī)構(gòu)、成型機(jī)構(gòu)等。整個(gè)空心旋轉(zhuǎn)體由后支承架和前承壓盤支承，整個(gè)旋轉(zhuǎn)體上機(jī)構(gòu)裝置的動(dòng)力系統(tǒng)由導(dǎo)電機(jī)構(gòu)將電力提供。同心旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)由交流變頻電機(jī)經(jīng)過減速后直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)體?？箟烘z裝機(jī)三維模型，如圖3所示。實(shí)際設(shè)備，如圖4所示。抗壓鎧裝機(jī)有異形鋼帶盤2套或4套，主軸對(duì)稱分布，每個(gè)異形鋼帶盤采用一臺(tái)交流變頻電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)放帶，端軸式電機(jī)夾緊和放松異形鋼帶盤，放帶時(shí)保持恒定的放帶張力。異形鋼帶從鋼帶盤放出沿主軸系統(tǒng)向后經(jīng)過對(duì)應(yīng)的搖擺式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置有半圓形分布的導(dǎo)輥，可以使異形鋼帶180°轉(zhuǎn)向。同時(shí)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)異形鋼帶從鋼帶盤放出時(shí)自動(dòng)排線。異形鋼帶經(jīng)過擺桿式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)180°轉(zhuǎn)向后沿主軸系統(tǒng)向前進(jìn)入到一一對(duì)應(yīng)的牽引機(jī)構(gòu)，每套牽引機(jī)構(gòu)由上下多組主動(dòng)導(dǎo)輥組成。每套牽引機(jī)構(gòu)由交流變頻電機(jī)通過減速器減速后帶動(dòng)主動(dòng)導(dǎo)輥牽引異形鋼帶向前行進(jìn)。在牽引機(jī)構(gòu)的出口處，有成排圓弧形分布的轉(zhuǎn)向?qū)л伣M成的成型機(jī)構(gòu)將2套或4套異形鋼帶換向互鎖不斷纏繞成管。Bartell公司的抗壓鎧裝層成型機(jī)的主要參數(shù)，如表2所示。

圖3 抗壓鎧裝機(jī)三維模型Fig.3 3D Model of Pressure Armor Machine

圖4 抗壓鎧裝層成型機(jī)Fig.4 Pressure Armor Machine

表2 抗壓鎧裝層成型機(jī)的參數(shù)（Bartell）Tab.2 Parameters of Pressure Armor Machine（Bartell）

3.3 抗拉鎧裝層成型機(jī)

抗拉鎧裝層由兩層或四層、成對(duì)纏繞、方向相對(duì)的扁鋼絲螺旋纏繞而成[5]?？估z裝層制造設(shè)備由兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向相反的抗拉鎧裝機(jī)組成，如圖5所示。抗拉鎧裝機(jī)為空心整體框架轉(zhuǎn)動(dòng)絞體，轉(zhuǎn)動(dòng)絞體一端由傳動(dòng)齒輪箱體支承并提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，另一端由雙承壓托輪支承。轉(zhuǎn)動(dòng)絞體圓周8等分，10列排列，共放置有80個(gè)鋼絲盤。鋼絲盤前6列和后4列8等分相互錯(cuò)為22.5°，便于鋼絲盤內(nèi)扁鋼絲走絲路線順暢。扁鋼絲與管子纏繞的切入角通過調(diào)節(jié)承壓盤處的導(dǎo)輪角度實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)動(dòng)絞體最前端設(shè)置有絞合模具，絞合模具同轉(zhuǎn)動(dòng)絞體同步旋轉(zhuǎn)，扁鋼絲纏繞角度的調(diào)整通過調(diào)整固定在絞合模拉桿上的左右絲杠調(diào)節(jié)。

鋼絲盤的放絲由端軸式電機(jī)夾緊或放松，并有氣動(dòng)鎖緊保護(hù)裝置。每個(gè)扁鋼絲放絲有單獨(dú)的張力氣動(dòng)摩擦控制，轉(zhuǎn)動(dòng)絞體設(shè)有16個(gè)壓力傳動(dòng)器，用于檢測和顯示鋼絲盤扁鋼絲實(shí)際張力并反饋該信號(hào)給進(jìn)口氣動(dòng)比例閥控制器控制比例閥輸出氣壓（張力氣缸氣壓），來實(shí)現(xiàn)從滿盤至空盤鋼絲單線放線張力恒定。安裝新鋼線盤采用側(cè)下方方式。側(cè)下方上盤裝置主要由線盤托架、導(dǎo)向支架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和獨(dú)立電控系統(tǒng)等組成。安裝新鋼線盤和拆卸空鋼線盤時(shí)采用單獨(dú)慢速回轉(zhuǎn)定位電機(jī)來定位轉(zhuǎn)動(dòng)絞體的狀態(tài)，液壓安裝和拆卸鋼線盤，安裝新鋼線盤帶有電氣互鎖保護(hù)，即轉(zhuǎn)動(dòng)絞體定位后，安裝新鋼線盤才能啟動(dòng)，拆卸空鋼線盤完成到位后，轉(zhuǎn)動(dòng)絞體才能啟動(dòng)。Bartell公司的抗拉鎧裝層成型機(jī)的主要參數(shù)，如表3所示。

圖5 抗拉鎧裝層成型機(jī)Fig.5 Tensile Armor Machine

表3 抗拉鎧裝層成型機(jī)的參數(shù)（Bartell）Tab.3 Parameters of Tensile Armor Machine（Bartell）

3.4 耐磨層及中間層纏繞機(jī)

耐磨層由聚合物帶纏繞而成，耐磨層采用薄帶纏繞機(jī)，共有4盤聚合物帶盤，纏繞角度可調(diào)，角度范圍（60～85）°。聚合物帶盤規(guī)格（內(nèi)徑×外徑）為：國內(nèi)設(shè)備Φ（100×600）mm，國外設(shè)備 Φ（75×900）mm。聚合物帶盤張力機(jī)械摩擦控制，張力大小可調(diào)。交流變頻電機(jī)通過同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)4盤聚合物帶盤整體旋轉(zhuǎn)。

中間層采用厚帶纏繞機(jī)，共有2個(gè)儲(chǔ)帶盤，180°對(duì)稱分布。儲(chǔ)帶盤規(guī)格（外徑×內(nèi)徑×寬度）：國內(nèi)設(shè)備 Φ（1250×300×340）mm，國外設(shè)備Φ（1200×600×1200）mm。儲(chǔ)帶盤通過行車吊裝直接套裝到纏繞機(jī)儲(chǔ)帶盤固定軸上，然后儲(chǔ)帶盤外盤用螺母鎖緊，設(shè)有防松后退保護(hù)。放帶過程通過張力機(jī)械摩擦控制，帶有機(jī)械反饋機(jī)構(gòu)保證滿盤到空盤張力恒定。纏繞角度可在（70～90）°可調(diào)。每套中間層纏繞機(jī)交流變頻電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)2套纏繞機(jī)正反向纏繞，如圖6所示。

圖6 耐磨層及中間層纏繞機(jī)Fig.6 Anti-Wear Layer Machine and Intermediate Layer Machine

3.5 內(nèi)襯層和外包覆層擠塑機(jī)

擠塑機(jī)由齒輪箱、螺桿機(jī)筒、擠出模、加熱和冷卻系統(tǒng)、機(jī)架裝置等組成。擠出模又稱擠出機(jī)機(jī)頭。塑料在經(jīng)過螺桿和料筒后成為熔融態(tài)，再通過擠出機(jī)機(jī)頭，經(jīng)過擠出模的定型而生產(chǎn)出產(chǎn)品。

4 國內(nèi)外制造設(shè)備的現(xiàn)狀分析

文獻(xiàn)[6]、美國GE的Wellstream、美國NOV旗下的某公司[7]是全球海洋非粘結(jié)型柔性軟管的生產(chǎn)制造領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，占全球市場的95%。國內(nèi)只有一兩家企業(yè)具備淺海非粘結(jié)型柔性軟管的生產(chǎn)能力。國外公司的海洋非粘結(jié)型柔性軟管十幾套生產(chǎn)設(shè)備主要由美國某公司設(shè)計(jì)和制造。某公司主要研發(fā)生產(chǎn)電纜生產(chǎn)設(shè)備和軟管生產(chǎn)設(shè)備。該公司在軟管專用設(shè)備方面實(shí)力最為雄厚，具有較完整的技術(shù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，以訂制設(shè)備加工為主，在全球最先研究軟管制造設(shè)備，設(shè)備性能領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)巨大。此外與某公司相關(guān)聯(lián)的公司—加拿大某公司和巴西某公司也具有一定的軟管設(shè)備制造能力。軟管生產(chǎn)線的擠出設(shè)備主要由芬蘭某公司生產(chǎn)。國內(nèi)合肥神馬科技集團(tuán)有限公司是中國電線電纜裝備制造行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)。在線纜設(shè)備生產(chǎn)和研究的基礎(chǔ)上給國內(nèi)海王星海上工程技術(shù)有限公司提供抗拉鎧裝機(jī)，為歐亞管業(yè)股份有限公司提供一套海洋柔性軟管生產(chǎn)設(shè)備。國內(nèi)由于開展海洋非粘結(jié)型柔性軟管的研究及生產(chǎn)較晚，制造設(shè)備和技術(shù)與國外相差較遠(yuǎn)。目前，國內(nèi)外制造裝備的差距及發(fā)展有如下幾點(diǎn)。

4.1 骨架層互鎖鎧裝機(jī)

國外設(shè)備制造廠針對(duì)超深海的非粘結(jié)型軟管的結(jié)構(gòu)發(fā)展，S型互鎖鋼帶尺寸已有140mm×3.5mm超厚鋼帶設(shè)計(jì)，互鎖鋼帶尺寸厚、強(qiáng)度高，鋼帶彎曲性能差，儲(chǔ)帶盤不能放置在旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)盤后部，新型設(shè)計(jì)將儲(chǔ)帶盤放置在旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)盤上，由于旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)盤中心為空心模具，儲(chǔ)帶盤只能放置偏離旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)盤中心一側(cè)，這樣將需要解決旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)儲(chǔ)帶盤由于放帶重量不斷減小而引起整個(gè)旋轉(zhuǎn)體重心變化的問題。國內(nèi)由于骨架層生產(chǎn)較少，鎧裝頭模具系列化還需要不斷設(shè)計(jì)、模擬分析和實(shí)驗(yàn)測試，生產(chǎn)的骨架層存在表面劃傷、毛糙、不平整及鎧裝節(jié)距不均勻等問題。

4.2 抗壓鎧裝機(jī)

國內(nèi)只有一兩家企業(yè)生產(chǎn)淺海非粘結(jié)型軟管的抗壓鎧裝層，簡化為幾組平薄鋼帶纏繞層，而金屬異形機(jī)構(gòu)互鎖的抗壓鎧裝機(jī)幾乎為空白。國外已生產(chǎn)出同時(shí)纏繞2組、3組、4組相同結(jié)構(gòu)或不同結(jié)構(gòu)的抗壓異形材，結(jié)構(gòu)涉及Z型、C型、T型，還有復(fù)雜的X異形結(jié)構(gòu)、K異形結(jié)構(gòu)等[8]。

4.3 抗拉鎧裝機(jī)

國外針對(duì)大尺寸規(guī)格的軟管，已具有生產(chǎn)可同時(shí)放置有120個(gè)鋼絲盤，并可同時(shí)纏繞120個(gè)扁鋼絲的抗拉鎧裝機(jī)?？估z裝機(jī)也可進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料絲的纏繞[9]。國內(nèi)抗拉鎧裝機(jī)尺寸較小，鋼絲放線張力控制目前存在一定問題，扁鋼絲纏繞時(shí)存在扁鋼絲間距不均勻、部分扁鋼絲會(huì)發(fā)生重疊、扁鋼絲在纏繞過程中應(yīng)力大導(dǎo)致扁鋼絲存在扭曲不平等問題。

4.4 新型海洋非粘結(jié)型柔性軟管的制造裝備

Technip公司開發(fā)了集束生產(chǎn)管IPB（Integrated Production Bundle）[10]，IPB作為深海動(dòng)態(tài)立管，是典型軟管和臍帶管的綜合，IPB將氣舉和電加熱放在了同一個(gè)管子里，電纜和隔離物以SZ的形式組裝在標(biāo)準(zhǔn)軟管核心的周圍。新型的軟管結(jié)構(gòu)需要開發(fā)新的制造裝備來應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的開發(fā)研究和生產(chǎn)制造。

5 結(jié)語

（1）海洋非粘結(jié)型柔性軟管典型管體主要包括：骨架層、內(nèi)襯層、抗壓鎧裝層、耐磨層、抗拉鎧裝層、中間層（多層、多結(jié)構(gòu)，可選）和外包覆層。各層在軟管中的作用和任務(wù)不同，可依據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)各層，各層結(jié)構(gòu)需要不同的成型制造裝備和工藝來進(jìn)行生產(chǎn)。（2）海洋非粘結(jié)型柔性軟管的制造裝備國內(nèi)外相差較大，國內(nèi)提供的制造裝備以生產(chǎn)淺海軟管為主，而國外提供的制造裝備還可以生產(chǎn)深海、超深海的非粘結(jié)型柔性軟管。國內(nèi)外柔性軟管的制造裝備主要在骨架層互鎖鎧裝機(jī)、抗壓鎧裝機(jī)、抗拉鎧裝機(jī)、新型海洋非粘結(jié)型柔性軟管的制造裝備等方面存在明顯差距，需研究國外制造設(shè)備尋求差距的解決方案為提高國內(nèi)的制造裝備提供依據(jù)。（3）新型海洋非粘結(jié)型柔性軟管制造裝備的發(fā)展方向是需要開發(fā)新的制造裝備（如集束生產(chǎn)管IPB等）來應(yīng)對(duì)軟管產(chǎn)品的開發(fā)研究和生產(chǎn)制造。

［1］Sullivan M O.Meeting the Future Challenges of Flexible Pipe Technology-Advances in Industry Standards［R］.OTC 20027，2009.

［2］Fernando U S，Graham S G，Davidson M.Flexible Pipe Body and Method of Producing Same：US，0276931 A1［P］.2013.

［3］Thygesen M，Ostergaard R S，Olsen K S.Flexible Pipe and a Method of Producing a Flexible Pipe：US，0266887 A1［P］.2012.

［4］Ceeco Bartell.http：//www.ceecobartell.com/［DB/OL］.

［5］Vaz M A，Rizzo N A S.A finite element model for flexible pipe armor wire instability［J］.Marine Structures，2011（24），275-291.

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［8］Rytter J，Rishj N J，Glejb l K.A Novel Compression Armour Concept for Unbonded Flexible Pipes［R］.OTC 14059，2002.

［9］Mark Kalman，Liang Yu，Mike Seymour.Qualification of composite armor materials for unbonded flexible pipe［R］.OTC23185，2012.

［10］Technip flexible pipe.Integrated production bundle（IPB）.［EB/OL］.