鋪管張緊器張力檢測偏差及機(jī)械成因

顧 豪， 程大地,， 陳賦秋

(1. 上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司， 上海 200125；2. 上海振華重工集團(tuán)(南通)傳動(dòng)機(jī)械有限公司， 江蘇 南通 226017)

0 引 言

海洋石油資源占世界石油資源總量的34%[1]。海上開采出的油氣主要通過海底管道進(jìn)行輸送[2]，因此，海洋管道鋪設(shè)技術(shù)在海洋油氣運(yùn)輸中扮演著不可或缺的角色。張緊器是海洋管道鋪設(shè)系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一[3]，其主要作用是控制調(diào)節(jié)管線的縱向張力，防止鋪管船在受潮汐及海上風(fēng)浪作用時(shí)管線張力發(fā)生變化[4]，并使管線張力始終保持在允許的數(shù)值范圍內(nèi)，確保鋪管船上的焊接作業(yè)得以有序進(jìn)行，避免管線因超出許用應(yīng)力而遭到破壞。

張緊器設(shè)有專門的張力檢測裝置，實(shí)時(shí)檢測張緊器在工作時(shí)管線受到的張力。實(shí)時(shí)張力也是計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)張緊器電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速的主要參考依據(jù)，因此，張緊器對(duì)張力檢測的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、重復(fù)性有較高的要求。對(duì)真實(shí)項(xiàng)目的S-Lay 鋪管張緊器在工廠測試(Factory Acceptance Test, FAT)試驗(yàn)中產(chǎn)生的張力檢測偏差問題進(jìn)行分析，從機(jī)械構(gòu)造及試驗(yàn)中尋找和驗(yàn)證產(chǎn)生張力偏差的原因，并給出解決方案，為以后的研究提供經(jīng)驗(yàn)與思路。

1 張緊器原理及構(gòu)造簡介

張緊器利用鏈軌上的壓載板與管線之間的摩擦力、驅(qū)動(dòng)電機(jī)間接對(duì)鏈軌的拽拉來產(chǎn)生張緊能力，并通過實(shí)時(shí)檢測管線張力來控制相應(yīng)電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速的輸出以達(dá)到控制張力功能的目的[5]。

張緊器的外觀和基本構(gòu)造如圖1和圖2所示。

圖1 張緊器外觀

圖2 張緊器構(gòu)造示例

根據(jù)工作管徑大小，調(diào)整上壓載器至合適位置，壓載補(bǔ)償系統(tǒng)通過壓載板鏈對(duì)管線予以夾緊，具有一定的管徑補(bǔ)償功能，最終通過傳動(dòng)系統(tǒng)把管線上的張力傳遞給驅(qū)動(dòng)部分(電機(jī))。張緊器受到的張力會(huì)致使浮動(dòng)的上下壓載器與外框架產(chǎn)生作用力，位于其間的重量傳感器從而檢測出張力的大小，作為電氣系統(tǒng)控制的依據(jù)。

2 張力檢測試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)及流程簡要說明

為檢查張緊器在工作中檢測到的張力與管線實(shí)際張力的偏差情況，對(duì)2臺(tái)張緊器進(jìn)行張力檢測試驗(yàn)，而此試驗(yàn)實(shí)際為更大的FAT試驗(yàn)的一部分。

所有設(shè)備通過底座安裝并固定在車間內(nèi)平鋪的底板上，如圖3所示。底板上密鋪配重以防止底板屈曲和翹起，在張緊器前后分別布置固定縱向傳輸滾輪，并在尾部添加安全配重塊。利用A&R絞車作為力源，2臺(tái)張緊器所夾持的管線與鋼絲繩通過索具連接，鋼絲繩之間串聯(lián)拉力傳感器，以檢測實(shí)際的管線張力。每臺(tái)張緊器上都安裝重量傳感器，以獲得間接的管線張力值，通過比較拉力傳感器與重量傳感器之間的數(shù)值偏差得到實(shí)際張力檢測偏差。張緊器的現(xiàn)場布置和張緊器拉力試驗(yàn)情況如圖4和圖5所示。

圖3 張力測試布置圖

試驗(yàn)時(shí)控制A&R絞車?yán)Ч芫€產(chǎn)生張力，從0 t逐步加大至60 t，然后再逐步減少至0 t，每10 t記錄1對(duì)拉力傳感器及重量傳感器讀數(shù)，每臺(tái)張緊器做3組數(shù)據(jù)。

圖4 車間里的2臺(tái)張緊器 圖5 張緊器拉力試驗(yàn)

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)得到如表1所示的傳感器的數(shù)據(jù)表格，并繪制成圖，如表1所示。

(1) 張緊器T1的3次測試情況如圖6所示。

表1 張緊器拉力測試數(shù)據(jù)

圖6 張緊器T1的3次測試情況

(2) 張緊器T2的3次測試情況，如圖7所示。

圖7 張緊器T2的3次測試情況

理想狀況時(shí)，拉力傳感器與重量傳感器的測量值相同，即在平面坐標(biāo)軸上應(yīng)表現(xiàn)為一條斜45°的直線，而實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6和圖7所示，拉力傳感器和張力傳感器的實(shí)測值兩者曲線并不重合，存在偏差。

2.3 試驗(yàn)圖形初步分析

綜合2臺(tái)張緊器的實(shí)測數(shù)據(jù)，可以得出張力偏差有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1) 張力增加時(shí)的上升曲線高于理想直線。

(2) 張力減少時(shí)的下降曲線低于理想直線。

(3) 張力回歸至0時(shí)，重量傳感器數(shù)值有殘余。

(4) 在相同拉力傳感器讀數(shù)的情況下，上升段與下降段的重量傳感器讀數(shù)差約為4 t。

(5) 張緊器T1在上升段與理想直線有偏差，而張緊器T2在上升段更貼近理想直線。

從機(jī)械角度分析考慮，張力偏差應(yīng)來自于系統(tǒng)的某種作用力，比如摩擦力或裝配力。在張力增加并傳遞到重量傳感器的過程中，該力分擔(dān)了一部分管線張力，故而顯示出圖形特點(diǎn)(1)；在張力減少并傳遞到重量傳感器的過程中，該力又額外增加了重量傳感器檢測到的力，故而顯示出圖形特點(diǎn)(2)；圖形特點(diǎn)(3)則進(jìn)一步說明該作用力無法自然消除；而我們希望張緊器在正常工作時(shí)其檢測的張力與實(shí)際張力之間的偏差控制在1 t以內(nèi)，同時(shí)上升段與下降段的張力偏差在2 t以內(nèi)，所以圖形特點(diǎn)(4)并不符合期望，必須進(jìn)一步分析偏差成因，并予以消除；圖形特點(diǎn)(5)則指示2臺(tái)張緊器之間存在的綜合差異。

3 張力偏差成因機(jī)械分析

考慮張緊器的實(shí)際構(gòu)造與分析，可得出張緊器張力檢測傳遞示例如圖8所示。

圖8 張緊器受力簡化示例

可以簡單地列出張緊器的受力公式為

T=F+X(1)

式中：T為拉力傳感器讀數(shù)，即實(shí)際張力；F為張力傳感器讀數(shù)，即檢測到的綜合作用力；X為未知作用力(阻力、裝配力等)。

仔細(xì)觀察和考慮張緊器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以判斷X主要由以下3部分產(chǎn)生：(1) 下支撐產(chǎn)生的摩擦阻力f1；(2)內(nèi)側(cè)擋產(chǎn)生的摩擦阻力f2；(3)螺桿與外框架結(jié)構(gòu)之間接觸產(chǎn)生的阻力f3。

X=f1+f2+f3(2)

3.1 下支撐摩擦力f1產(chǎn)生的原因及優(yōu)化方案

當(dāng)外載荷T拉動(dòng)管線時(shí)，張力傳感器會(huì)產(chǎn)生壓縮，同時(shí)上下壓載器結(jié)構(gòu)靠近驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生壓縮，而其余部分產(chǎn)生拉伸，故會(huì)導(dǎo)致壓載器與管線整個(gè)一體在受張力T的時(shí)候會(huì)與下支承產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，從而產(chǎn)生摩擦力f1，如圖9所示。

圖9 下支撐摩擦力f1成因示例

(1) 當(dāng)張力T逐漸增加時(shí)，T=F+f1，此時(shí)T>F；

(2) 當(dāng)張力T逐漸減小時(shí)，T=F-f1，此時(shí)T

整改方案如圖10所示。

圖10 消除下支承摩擦力f1的方案圖

(1) 增加滾子直徑?？梢栽龃笞枇1的作用力矩，使得滾子易于滾動(dòng)，從而減小f1值，達(dá)到部分減小f1的目的。

(2) 滾子表面及與滾子接觸的結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行淬火處理，增加硬度?？蓽p小滾子與結(jié)構(gòu)之間的接觸變形，從而減小滾動(dòng)阻力距，減小滾動(dòng)摩擦系數(shù)，最終減小摩擦阻力f1。

從整改后的效果來看，張力偏差變小并不明顯，可見該阻力不是導(dǎo)致張力偏差的主因。

3.2 內(nèi)側(cè)擋摩擦力f2產(chǎn)生的原因及優(yōu)化方案

內(nèi)側(cè)擋摩擦阻力f2產(chǎn)生的原因有如下2個(gè)方面：

(1) 內(nèi)側(cè)擋過于頂緊導(dǎo)致?lián)鯄K平面與外框架立柱導(dǎo)軌之間產(chǎn)生摩擦力所須的正壓力。

(2) 外載張力T的作用下，張力傳感器與壓載結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致內(nèi)側(cè)擋與外框架立柱導(dǎo)軌之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，從而產(chǎn)生摩擦阻力f2。

張力T增大和減小過程引起的變形與恢復(fù)分別導(dǎo)致摩擦阻力f2的方向改變，如圖11所示。

(1) 當(dāng)張力T逐漸增加時(shí)，T=F+f2，此時(shí)T>F；

(2) 當(dāng)張力T逐漸減小時(shí)，T=F-f2，此時(shí)T

整改方案如圖12所示。

圖11 內(nèi)側(cè)擋摩擦力f2成因示例

圖12 消除內(nèi)側(cè)擋摩擦阻力f2的方案圖

(1) 增加斜面傾角，涂抹油脂潤滑。增加傾角是為了避免自鎖導(dǎo)致楔塊卡在導(dǎo)軌與結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生永久正壓力，而涂抹油脂一方面減小摩擦系數(shù)，另一方面減小楔塊的自鎖角度，減小對(duì)傾角的制造要求。

(2) 與導(dǎo)軌接觸面涂抹油脂，不頂緊。涂抹油脂減小摩擦系數(shù)，并在安裝時(shí)不頂緊，接觸即可，可滿足頂升導(dǎo)向的要求而不會(huì)產(chǎn)生過大摩擦阻力。

(3) 調(diào)整螺栓與楔塊之間留1～2 mm間隙。一方面仍然對(duì)楔塊的位置有所限制，保證頂升時(shí)的導(dǎo)向作用；一方面給予楔塊浮動(dòng)的空間，避免結(jié)構(gòu)變形帶動(dòng)楔塊卡進(jìn)結(jié)構(gòu)。

(4) 螺母鎖緊。保證螺栓的位置不變動(dòng)，亦即保證楔塊的浮動(dòng)空間有限。

從整改后的效果分析，張力檢測偏差明顯減小，因此內(nèi)側(cè)擋摩擦阻力f2應(yīng)是導(dǎo)致張力偏差的主要原因之一。

3.3 螺桿與外框架接觸阻力f3產(chǎn)生的原因及優(yōu)化方案

張緊器采用螺桿頂升的方式，上端為懸臂自由端。但由于設(shè)計(jì)和裝配原因，導(dǎo)致螺桿與外框支架孔間隙過小，安裝或結(jié)構(gòu)變形原因使得螺桿浮動(dòng)的上端與外框架接觸從而產(chǎn)生阻力。在縱向平面內(nèi)分析，螺桿分左右2處，根據(jù)安裝的初始狀況，可分為9種組合情況，同時(shí)假設(shè)變形沒那么嚴(yán)重，螺桿在工作過程中只可能與其中的一邊接觸到，如圖13所示。

圖13 接觸阻力f3成因示例

在理想的安裝情況下，螺桿與支架孔始終不接觸，則f3=0，兩傳感器讀數(shù)相同，即T=F。但現(xiàn)實(shí)情況可能存在以上任何一種，以安裝情況1為例，在張緊器受力導(dǎo)致螺桿與支架孔接觸受力產(chǎn)生側(cè)向撓度時(shí)又存在以下3種可能。

(1)f3L≤0,f3R≤ 0 →T≤F

(2)f3L=0,f3R=0 →T=F

(3)f3L≤ 0,f3R≤ 0 →T≤F

由于安裝、桿端受力變形的大小等都不確定，會(huì)產(chǎn)生多種組合情況，也會(huì)導(dǎo)致管線張力在傳遞過程中受到或增或減的影響，從而產(chǎn)生張力檢測偏差過大，以及不同張緊器之間的檢測差異。

整改方案如圖14所示。

(1) 擴(kuò)孔。拆卸4個(gè)安裝伸縮套用的支架，對(duì)原來的孔予以擴(kuò)大。

圖14 消除螺桿與外框架接觸阻力f3的方案圖

(2) 調(diào)整安裝。調(diào)整4根螺桿的位置，使螺桿浮動(dòng)上端不接觸支架孔。從整改后的效果來看，張力檢測偏差明顯減小，因此接觸阻力f3應(yīng)是導(dǎo)致張力偏差的主要原因之一。

4 整改優(yōu)化后的試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過對(duì)張力偏差的機(jī)械成因分析，并對(duì)各個(gè)可能的原因進(jìn)行整改，再對(duì)2臺(tái)張緊器進(jìn)行重新試驗(yàn)，并得出試驗(yàn)數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 張緊器整改后張力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制重量傳感器-拉力傳感器圖，比較檢測與實(shí)際張力的區(qū)別如下。

(1) 整改后，張緊器T1的3次測試情況如圖15所示。

(2) 整改后，張緊器T2的3次測試情況如圖16所示。

從整改后的圖線來看，雖然上升段和下降段仍未能完全重合，但相比較整改之前已更貼近理想直線，張力偏差基本在1 t以內(nèi)，可見整改取得了效果，機(jī)械成因基本得以驗(yàn)證。

圖15 張緊器T1優(yōu)化后的測試數(shù)據(jù)圖

圖16 張緊器T2優(yōu)化后的測試數(shù)據(jù)圖

5 結(jié) 語

通過機(jī)械構(gòu)造分析以及隨后的改造試驗(yàn)，張力檢測偏差得以緩解至1 t以內(nèi)， 可說明正是構(gòu)成X項(xiàng)的3個(gè)阻力導(dǎo)致較大的張緊力檢測偏差，額外指出是內(nèi)側(cè)擋阻力f2和螺桿與外框架接觸阻力f3起到了較大的作用。

這些阻力在試驗(yàn)張力不斷趨大的時(shí)候起到阻止張力增大的作用，故上升曲線略高于45°理想線，而在試驗(yàn)張力不斷趨小的時(shí)候又變換方向以阻止張力的減小，故下降曲線又略小于45°理想線。f1和f2皆為摩擦性質(zhì)的阻力，都可以直接解釋這種現(xiàn)象。f3作為彈性性質(zhì)的阻力，由于4根螺桿安裝偏差導(dǎo)致的多樣性，也可能組合產(chǎn)生導(dǎo)致張力偏差曲線形態(tài)的各種情況，事實(shí)證明也是如此。

另外，f1，f2和f3的產(chǎn)生及變向都與接觸零部件與結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)有關(guān)，除相關(guān)結(jié)構(gòu)部件須增加之間的接觸剛性以減小受力變形產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)外，重量傳感器的形式也必須重點(diǎn)關(guān)注，是否其構(gòu)造形式會(huì)導(dǎo)致其在受力時(shí)產(chǎn)生較大的變形(如懸臂梁構(gòu)造形式)，從而使重量傳感器連接接觸的兩部件整體之間輕易產(chǎn)生較大的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，使得其他接觸部位產(chǎn)生摩擦等阻力如f1，f2和f3等，值得進(jìn)一步研究。

機(jī)械構(gòu)造改進(jìn)是解決張力檢測偏差問題的一部分，考慮到拉力和重量傳感器本身的精度，及進(jìn)一步結(jié)合電氣控制等手段的優(yōu)化改進(jìn)，張力檢測偏差問題最終可得到基本解決。

[][]

[1] 金秋，張國忠.世界海洋油氣開發(fā)現(xiàn)狀及前景展望[J]. 國際石油經(jīng)濟(jì)，2005，13(3):43-44.

[2] 劉嵬輝，曾寶，程景彬，等. 國內(nèi)外鋪管船概況[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2007，26(6):11-15.

[3] 張俊亮，王曉波，林立，等. 鋪管船用張緊器張緊系統(tǒng)分析[J]. 石油機(jī)械，2008，36(9):167-169.

[4] 李明婕，段夢(mèng)蘭，李慧，等. S型鋪管船張緊器控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 石油礦場機(jī)械，2014(4):33-37.

[5] 王學(xué)軍，陳賦秋，曹洪鵬，等. 鋪管船用張緊器鏈軌張力計(jì)算方法以及張緊端受力的研究[J]. 造船技術(shù)，2014(4):26-31.