海洋復(fù)合軟管用鋼帶復(fù)繞機(jī)的研制

萬箭波，王東峰，雷江河，陳建長，王永剛，周 然，石新艷

天津市精研工程機(jī)械傳動(dòng)有限公司，天津300409

隨著海洋油氣開采范圍日益擴(kuò)大，深海油氣開發(fā)已逐漸成為石油工業(yè)的研究熱點(diǎn)。海底管道是海洋油氣最主要的運(yùn)輸工具，復(fù)合軟管（Flexible Pipe，又稱撓性管） 作為海底管道的應(yīng)用也越來越廣泛[1]。海洋復(fù)合軟管是連接深水油氣田水下井口和海面浮式采油設(shè)備的關(guān)鍵特種裝備之一，并具有工作壓力高、耐腐蝕、抗結(jié)垢、摩阻小、產(chǎn)品使用壽命長（20 年以上）、抗拉能力強(qiáng)等特點(diǎn)。海洋復(fù)合軟管由高性能金屬材料作為中間層，內(nèi)層和外層由高分子聚合物材料連續(xù)擠出制成，既具有塑料卓越的耐腐蝕性，又具有鋼管的耐高壓性，而且可根據(jù)用戶需求連續(xù)纏繞幾百米到幾千米，是海洋油氣田理想的輸油、輸氣和輸水管道[2-3]。目前深水海洋復(fù)合軟管的設(shè)計(jì)技術(shù)主要由國外公司掌握，國內(nèi)尚處于起步階段。為了提高海上油氣開發(fā)能力，我國把“深水海底管道和立管工程技術(shù)”納入“十二五”規(guī)劃中，大力發(fā)展海洋資源開發(fā)的相關(guān)裝備技術(shù)[3]。

1 研制任務(wù)概況

國外海洋復(fù)合軟管的設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但其設(shè)計(jì)、制造、施工被少數(shù)幾家大公司壟斷，通常針對(duì)用戶要求進(jìn)行專門設(shè)計(jì)、制造和檢測，技術(shù)復(fù)雜，費(fèi)用高昂。對(duì)于國內(nèi)市場，海洋復(fù)合軟管還是一個(gè)新型產(chǎn)品，海洋復(fù)合軟管廠家還處于起步階段。在復(fù)合軟管的生產(chǎn)制造過程中，異形（如Z 形） 鋼帶作為復(fù)合軟管的承壓層，是不可或缺的重要材料。Z 形鋼帶一般都經(jīng)過熱軋成型，由于工藝限制，經(jīng)過熱軋后的鋼帶卷出廠時(shí)在滾筒上纏繞得并不規(guī)則，如果將出廠后的鋼帶卷直接在復(fù)合軟管生產(chǎn)設(shè)備上使用，由于鋼帶纏繞得不規(guī)則，鋼帶會(huì)出現(xiàn)卡頓及張力不穩(wěn)定的情況，影響整個(gè)復(fù)合軟管的生產(chǎn)連續(xù)性和產(chǎn)品的合格率。國內(nèi)某海洋復(fù)合軟管生產(chǎn)廠家委托我公司研發(fā)一種Z 形鋼帶復(fù)繞機(jī)，以解決上述問題。該復(fù)繞機(jī)可以將鋼帶廠生產(chǎn)的不規(guī)則鋼帶卷按照設(shè)定的張力重新進(jìn)行卷繞，使Z 形鋼帶整齊地纏繞在鋼帶滾筒上，以保證后續(xù)復(fù)合軟管的生產(chǎn)過程順暢平穩(wěn)。

所需復(fù)繞的Z 形鋼帶截面示意如圖1 所示，其厚度有6.4、8、12、16 mm 幾種，所研制的復(fù)繞機(jī)需同時(shí)滿足這些規(guī)格尺寸鋼帶的復(fù)繞要求。

圖1 Z 型鋼帶截面

復(fù)合軟管生產(chǎn)廠家根據(jù)調(diào)研的國外同類廠家的資料，提出復(fù)繞機(jī)的工作流程（如圖2 所示） 及以下主要技術(shù)指標(biāo)：

（1） 收線機(jī)收線盤轉(zhuǎn)速為0 ～60 r/min，無級(jí)可調(diào)。

（2） 鋼帶最大線速度為110 m/min。

（3） 收線機(jī)最大載荷（線盤滿卷） 為98 kN。

（4） 放線機(jī)最大載荷（線盤滿卷） 為98 kN。

（5） 使用收線盤尺寸為直徑1 200 mm、寬度1 500 mm。

（6） 使用放線盤尺寸為直徑1 500 mm、寬度1 000 mm。

（7） 放線機(jī)阻尼力矩為0 ～1 000 N·m，可調(diào)。

（8） 工作電制為三相380 V/50 Hz，其他工作電壓設(shè)備內(nèi)部轉(zhuǎn)換。

圖2 復(fù)繞機(jī)工作流程示意

2 總體設(shè)計(jì)方案

依據(jù)復(fù)繞機(jī)的工作流程，可作為機(jī)電液一體化設(shè)備整體考慮，細(xì)分為放線機(jī)總成、遞送矯直機(jī)、預(yù)矯形機(jī)、收線機(jī)總成、液壓控制系統(tǒng)和電控系統(tǒng)六部分。

2.1 設(shè)備基本組成結(jié)構(gòu)

2.1.1 放線機(jī)總成

放線機(jī)總成包括標(biāo)準(zhǔn)放線盤（廠供）、放線機(jī)上部活動(dòng)支架、放線機(jī)底部固定底座、阻尼制動(dòng)器等，具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 放線機(jī)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)

放線機(jī)上部活動(dòng)支架由支架底盤1、左支架2、右支架3、升降固定滑軌4、升降活動(dòng)滑塊5、升降油缸6、橫移夾緊對(duì)中油缸7、橫移固定滑軌8、橫移活動(dòng)滑塊9 和收線盤放置底座10 等組成。通過橫移夾緊對(duì)中油缸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)左支架和右支架的橫移夾緊/張開運(yùn)動(dòng)，方便放線盤的起吊安裝，左/右支架移動(dòng)范圍都為0 ～300 mm。左/右支架上都安裝有升降固定滑軌、升降活動(dòng)滑塊和升降油缸，升降油缸舉升范圍為0 ～200 mm，兩個(gè)帶有位移傳感器的液壓油缸同步動(dòng)作，可方便根據(jù)設(shè)定運(yùn)動(dòng)到預(yù)定高度，實(shí)現(xiàn)放線盤的自動(dòng)對(duì)中和插拔拆卸?；顒?dòng)滑塊上的傳動(dòng)軸，通過撥叉?zhèn)鬟f扭矩，阻尼制動(dòng)器安裝在傳動(dòng)軸的另一端，通過電磁力對(duì)放線盤提供一定的阻力矩，使鋼帶在收放過程中始終保持一定張力。制動(dòng)器最大力矩為1 000 N·m，可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整大小，制動(dòng)器散熱采用水冷方式。放線盤放置底座固定在支架底盤上用來對(duì)放線盤進(jìn)行對(duì)中位置調(diào)整，其調(diào)整范圍為0 ～100 mm，滿足不同尺寸盤的使用要求。

放線機(jī)底部固定底座由底部固定框架11、橫移固定軌道12、橫移活動(dòng)滑塊13 和直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)14 組成。橫移位置由伺服電機(jī)自動(dòng)控制，即放線盤轉(zhuǎn)一圈，直線機(jī)構(gòu)走一個(gè)節(jié)距（帶寬）。當(dāng)直線機(jī)構(gòu)位移到放線盤盡頭時(shí)，根據(jù)設(shè)定方向盤的寬度自行反向運(yùn)動(dòng)，保證鋼帶按層釋放。直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)范圍為0 ～1 500 mm，滿足放線盤寬度1 000 mm 的使用要求。

2.1.2 收線機(jī)總成

收線機(jī)總成與放線機(jī)總成的結(jié)構(gòu)基本一致，只是結(jié)構(gòu)尺寸有所不同。放線機(jī)總成為被動(dòng)工作模式，無動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，只有阻尼制動(dòng)器提供恒定的阻力力矩；而收線機(jī)總成為主動(dòng)工作模式，由驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)收線盤工作。

活動(dòng)滑塊上的傳動(dòng)軸通過撥叉?zhèn)鬟f扭矩，驅(qū)動(dòng)減速機(jī)組安裝在傳動(dòng)軸的另一端，通過控制的扭矩和速度實(shí)現(xiàn)鋼帶的順利纏繞。電機(jī)功率15 kW，線盤內(nèi)圈輸出轉(zhuǎn)速60 r/min 時(shí)，減速機(jī)最大力矩為2 387 N·m；線盤外圈輸出轉(zhuǎn)速30 r/min 時(shí)，減速機(jī)最大力矩為3581 N·m。收線機(jī)底部固定于底座的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)范圍為0 ～2 000 mm，滿足收線盤寬度1 500 mm 的使用要求。

2.1.3 遞送矯直機(jī)

遞送矯直機(jī)共有兩套，一套在放線盤總成的出線位置，用于將放線盤上的鋼帶從放線盤上帶出，并矯直進(jìn)入焊接站區(qū)；另一套在收線盤總成的進(jìn)線位置，用于向收線盤卷曲鋼帶提供拖拽力。遞送矯直機(jī)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要由底部安裝柜體和上部遞送矯直機(jī)構(gòu)組成。其中底部安裝柜體為封閉式柜體，內(nèi)部安裝有工具及備件貨架，方便使用者操作，其主要作用為調(diào)整遞送輪拆裝作業(yè)高度。

圖4 遞送矯直機(jī)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)

上部遞送矯直機(jī)構(gòu)主要由安裝底座1、遞送框架2、遞送輪3、遞送間距調(diào)整油缸4、遞送減速機(jī)5、矯直框架6、矯直輪7 和矯直間距調(diào)整絲杠8 等組成。其中遞送框架、矯直框架和遞送減速機(jī)都安裝在安裝底座上，而安裝底座則固定在底部安裝柜體上。遞送輪和遞送間距調(diào)整油缸都安裝在遞送框架上，遞送輪分上遞送輪和下遞送輪，下遞送輪位置固定，三個(gè)下遞送輪通過齒輪嚙合傳動(dòng)使其同步動(dòng)作驅(qū)動(dòng)鋼帶運(yùn)動(dòng)，遞送減速機(jī)與中間遞送輪直接連接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)功率11 kW，最大輸出轉(zhuǎn)速為165 r/min（線速度為110 m/min），遞送減速機(jī)最大輸出力矩為637 N·m；三個(gè)上遞送輪通過滑道/滑塊在油缸作用下上下運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)整油缸工作壓力來實(shí)現(xiàn)夾緊力的調(diào)整，這樣在上下輪的共同作用下實(shí)現(xiàn)鋼帶的遞送。矯直輪和矯直間距調(diào)整絲杠都安裝在矯直框架上，矯直輪分上矯直輪和下矯直輪，其中兩個(gè)上矯直輪可通過電動(dòng)絲杠進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)顯示矯直輪位置，位置可在控制界面上根據(jù)帶鋼型號(hào)設(shè)定行走距離，然后電動(dòng)絲杠自動(dòng)運(yùn)行到指定位置。三個(gè)下矯直輪位置固定不動(dòng)，輪緣高度與遞送輪高度一致。根據(jù)更換不同規(guī)格的矯直輪，以適應(yīng)廠家不同規(guī)格的異型鋼帶的生產(chǎn)需要。

2.1.4 預(yù)矯形機(jī)

預(yù)矯形機(jī)具體結(jié)構(gòu)如圖5 所示，由矯形滾輪1、滾輪安裝支架2 等組成。安裝支架安裝在遞送矯直機(jī)上，矯形滾輪總共三組，分別安裝在滾輪支架上，形成三輥矯形機(jī)構(gòu)，上部兩個(gè)滾輪都可以通過螺桿3 調(diào)整位置，以改變鋼帶預(yù)彎曲半徑。預(yù)矯形機(jī)滾輪作業(yè)位置與遞送矯直機(jī)位置保持一致。

圖5 預(yù)矯形機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1.5 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)包括液壓動(dòng)力站、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥組。液壓動(dòng)力站主要由油箱、液壓泵組、壓力控制閥組、液壓附件和液壓管路組成，采用集成模塊化設(shè)計(jì)，為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力源。液壓系統(tǒng)主要控制收/放線機(jī)的升降/橫移夾緊對(duì)中油缸，同時(shí)也控制遞送矯直機(jī)上夾緊油缸的壓力和位置，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥組分別布置在系統(tǒng)主機(jī)內(nèi)。

2.2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

復(fù)繞機(jī)電氣控制系統(tǒng)包括液壓動(dòng)力模塊、中央控制模塊、放線機(jī)模塊、遞送校直機(jī)模塊1、遞送校直機(jī)模塊2 和收線機(jī)模塊。各模塊之間數(shù)據(jù)采取現(xiàn)場總線互聯(lián)，中央控制模塊控制各模塊協(xié)同工作。電控系統(tǒng)總體組成如圖6 所示。

圖6 電控系統(tǒng)總體組成

主要電氣元件選型如表1 所示。

表1 主要電氣元件選型

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

復(fù)繞機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用PLC 與工業(yè)觸屏一體計(jì)算機(jī)相結(jié)合的控制方法，PLC 作為下位機(jī)實(shí)現(xiàn)所有的控制實(shí)施；工業(yè)觸屏一體計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，不但具有人機(jī)交互功能，而且生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)能夠記錄存檔，便于實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)控和質(zhì)量追蹤。工業(yè)觸屏一體計(jì)算機(jī)與PLC 控制器進(jìn)行工業(yè)以太網(wǎng)連接，整體控制流程如圖7 所示，工業(yè)觸屏一體計(jì)算機(jī)的監(jiān)控主界面如圖8 所示。

圖7 復(fù)繞機(jī)控制流程

圖8

復(fù)繞機(jī)控制過程如下。

（1） 啟動(dòng)液壓動(dòng)力模塊的油泵電機(jī)組，油液溫度控制選擇自動(dòng)控制模式，然后分別手動(dòng)控制收線機(jī)和放線機(jī)的舉升與夾持液壓缸動(dòng)作，將原料鋼帶滾筒和成品鋼帶滾筒安裝到位。

（2） 手動(dòng)逐一控制校直機(jī)和預(yù)彎機(jī)的牽引變頻器，低速將鋼帶牽引到成品滾筒，固定安裝到位。

（3） 在工業(yè)一體計(jì)算機(jī)的人機(jī)界面中分別輸入相關(guān)參數(shù)，具體有：纏繞原料鋼帶的寬度值D1、厚度值H1、牽引夾持壓力值P1、校直器直線位移值W11、預(yù)彎器直線位移值W21、原料鋼帶滾筒的寬度值A(chǔ)1、成品鋼帶滾筒的寬度值B1、成品鋼帶滾筒的內(nèi)徑及外徑值R11及R12、鋼帶纏繞張力值F1、鋼帶放線阻力扭矩值T1以及確定原料滾筒的初始排線方向。

（4） 通過公式的計(jì)算，可以得到成品鋼帶滾筒每層纏繞鋼帶的圈數(shù)n1和滾筒纏繞的最大層數(shù)NMAX，其中n1為成品鋼帶滾筒復(fù)繞時(shí)自動(dòng)換層的參照值，NMAX為成品鋼帶滾筒復(fù)繞時(shí)極限保護(hù)值。

（5） 在參數(shù)設(shè)定完成后，發(fā)出啟動(dòng)作業(yè)指令，校直機(jī)模塊和預(yù)矯形機(jī)模塊的伺服缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)移動(dòng)，位移值分別為W11和W21，并且校直機(jī)模塊和預(yù)彎機(jī)模塊夾持油缸也同時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)夾持鋼帶，油缸配套的壓力傳感器檢測的壓力值達(dá)到夾緊壓力值P1+ΔP，例如在本實(shí)施例中ΔP 可以選取0.2 MPa。然而ΔP 不限于上述數(shù)值，可根據(jù)鋼帶的技術(shù)工藝需求設(shè)定符合要求的ΔP 值，夾持油缸控制進(jìn)入在P1和（P1+0.2） 之間的恒定壓力控制過程；緩慢調(diào)節(jié)纏繞速度設(shè)定電位器，整套設(shè)備各模塊協(xié)同工作在設(shè)定速度值V1，同時(shí)收線機(jī)纏繞張力維持在恒定值F1。

4 工廠應(yīng)用驗(yàn)證

所研制的異形鋼帶復(fù)繞機(jī)在軟管生產(chǎn)企業(yè)的工廠中通過了設(shè)備工廠驗(yàn)收?，F(xiàn)場驗(yàn)收中，用戶企業(yè)使用了厚度為12 mm 的Z 形鋼帶進(jìn)行了多次復(fù)繞測試作業(yè)，過程中復(fù)繞機(jī)最大復(fù)繞速度為90 m/min，滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過復(fù)繞后的鋼帶，在滾筒上排列整齊，纏繞緊密，無錯(cuò)層與同層疊壓等現(xiàn)象出現(xiàn)，完全滿足后續(xù)海洋復(fù)合軟管生產(chǎn)工序的要求，有力地保障了整個(gè)復(fù)合軟管生產(chǎn)流程的順穩(wěn)運(yùn)行，設(shè)備得到了客戶的好評(píng)。

5 結(jié)束語

隨著我國海洋油氣開發(fā)工程由淺海到深海不斷發(fā)展，采用海洋復(fù)合軟管進(jìn)行海底油氣輸送將是未來的發(fā)展趨勢，因此海洋復(fù)合軟管的需求也將不斷增加。雖然我國在此領(lǐng)域起步較晚，但與國外發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品相比，國產(chǎn)海洋復(fù)合軟管具有生產(chǎn)和運(yùn)輸成本低、供貨周期短的優(yōu)勢。

為克服目前國內(nèi)海洋復(fù)合軟管廠家生產(chǎn)的鋼帶卷出廠時(shí)在滾筒上纏繞不規(guī)則的問題，成功研制出一套適用于海洋復(fù)合軟管制造的異形鋼帶復(fù)繞機(jī)。復(fù)繞機(jī)按期交付用戶后，為用戶按訂單排產(chǎn)海洋復(fù)合軟管提供了有利的保障。同時(shí)也為后續(xù)國內(nèi)其他海洋復(fù)合軟管生產(chǎn)廠家提供了更好的解決方案，應(yīng)用前景廣闊。