淺析深水鋪管船托管架監(jiān)控系統(tǒng)

李書霖 交通運(yùn)輸部煙臺打撈局

1.引言

托管架作為深水鋪管船的一個非常關(guān)鍵的設(shè)備，在船舶進(jìn)行鋪管作業(yè)的時候懸掛在船舶艉部，起到海管在下水的過程中控制海管在托管架上的曲率的作用，防止海管因?yàn)樵谏蠌澏螐澗剡^大而導(dǎo)致的屈服或破裂，確保海管沿著托管架順利入水。海管在上彎段時由安裝在托管架上的輥輪組支撐，其高度可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同管徑及不同鋪設(shè)深度的要求如圖1所示。

為了確保鋪設(shè)的海管處于正確位置，海管脫離托管架入水前要對海管的姿態(tài)、輥輪的受力情況以及托管架的工作角度（托管架與船體的相對角度）等狀態(tài)通過安裝在其上面的負(fù)載監(jiān)測、CCTV（視頻監(jiān)控系統(tǒng)）、聲吶、角度監(jiān)測和深度監(jiān)測等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測，確保鋪管作業(yè)處于良好的狀態(tài)。

2.托管架監(jiān)測系統(tǒng)

托管架監(jiān)測系統(tǒng)主要包含以下5個方面：聲吶系統(tǒng)、水下CCTV系統(tǒng)、角度監(jiān)測系統(tǒng)、托管架壓力測量系統(tǒng)和輥輪壓力測量系統(tǒng)、深度測量系統(tǒng)。托管架監(jiān)測系統(tǒng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)對各輥輪組上的管線的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時的跟蹤和監(jiān)視，確保海管鋪設(shè)工作的順利進(jìn)行。

2.1 托管架監(jiān)測系統(tǒng)的功能

托管架監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該具體如下的功能：

（1）管線經(jīng)過托管架的全過程監(jiān)控，主要是管線離開托管架最后一組輥輪時的姿態(tài)；

（2）顯示托管架相對于船體的角度；

（3）顯示管線在移動過程中相對于托管架的位置和角度；

（4）顯示船體和托管架的相對位置；

（5）顯示托管架的入水深度；

（6）顯示管線在托管架運(yùn)行過程中各輥輪所受的力的大小和方向；

（7）顯示托管架作用于船體的力和方向；

（8）顯示各個分系統(tǒng)的報警值；

（9）記錄鋪管過程中各個分系統(tǒng)的參數(shù)及報警值。

2.2 托管架監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成

2.2.1 托管架壓力監(jiān)測系統(tǒng)和輥輪壓力監(jiān)測系統(tǒng)

托管架壓力監(jiān)測系統(tǒng)和輥輪壓力監(jiān)測系統(tǒng)用于顯示托管架作用于船體的力和方向及管線在托管架運(yùn)行過程中各個輥輪所受的力的大小和方向。

（1）托管架壓力監(jiān)測系統(tǒng)

托管架壓力負(fù)載監(jiān)測設(shè)備并不是單獨(dú)存在的，而是集成于連接托管和船體的兩個軸銷的內(nèi)部，在制作測力軸銷時先車出軸銷的大致輪廓，再將軸銷的內(nèi)部掏空，在其內(nèi)部按照測力位置布置相應(yīng)的壓應(yīng)片，然后充入惰性氣體，將其密封。其壓應(yīng)片的監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出至托管架監(jiān)測系統(tǒng)，在鋪管工作中，通過測量大軸橫向和縱向的剪切力來計(jì)算托管架負(fù)載，進(jìn)而對托管架進(jìn)行調(diào)整。銷軸用于連接托管架、絞車支持架和船體，并且當(dāng)絞車運(yùn)轉(zhuǎn)、帶動托管架升降來調(diào)整鋪管位置時，銷軸和托管架保持相對靜止，絞車支持架和船體相對靜止，銷軸和船體則產(chǎn)生相對運(yùn)動。因此，在銷軸和絞車支持架的連接部分將產(chǎn)生剪切力，當(dāng)銷軸上受力大于設(shè)定警戒點(diǎn)后，控制室內(nèi)將會產(chǎn)生報警，提醒操作人員改變作業(yè)工況。

圖1 托管架系統(tǒng)

圖2 托管架聲納系統(tǒng)示意圖

通過對該剪切力的監(jiān)測可以直觀的反映出托管架的位置是否需要調(diào)整，托管架升降作業(yè)是否正常以及是否有意外情況發(fā)生，同時每一個剪切力在數(shù)據(jù)處理的過程中均應(yīng)當(dāng)拆分成X軸和Y軸兩個方向來顯示，從而更加直觀的顯示出軸銷在每個方向所承受的力的大小。

（2）托管架輥輪壓力監(jiān)測系統(tǒng)

托管架輥輪壓力的監(jiān)測通過安裝在托管架測力輥輪上的測力軸（附有測力傳感器）來實(shí)現(xiàn)，用于監(jiān)測管線在托管架上運(yùn)行過程中輥輪組實(shí)時受力的大小和方向，并輸出至托管架監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時的顯示，同時設(shè)置報警值，當(dāng)測量值大于報警預(yù)設(shè)值系統(tǒng)發(fā)出報警。

2.2.2 聲吶系統(tǒng)

在托管架的最末端各裝有一臺掃描聲吶，其主要作用有如下幾點(diǎn)：

（1）監(jiān)測托管架離開最后一組輥輪時是否脫離中心位置，其工作原理如圖2所示。

托管架最末端的兩臺聲吶同時掃描，從而確定托管架離開輥輪時是否偏離中心位置并將掃描結(jié)果輸出至托管架監(jiān)測系統(tǒng)，同時設(shè)置報警范圍，當(dāng)托管架偏離中心位置超過報警范圍時托管架監(jiān)測系統(tǒng)將發(fā)出報警，提醒作業(yè)人員及時調(diào)整相關(guān)設(shè)備的參數(shù)確保管線離開輥輪時處于中心位置。

（2）實(shí)時監(jiān)測鋪管區(qū)域海底的實(shí)時地貌及管線在海底的狀態(tài)

采用掃描式聲吶可以將海底的地貌實(shí)時的顯示出來，對海管在海底的著床情況實(shí)時的監(jiān)測，從而及時的調(diào)整船舶的艏向，確保海管沿著預(yù)定的規(guī)劃鋪設(shè)。

（3）實(shí)時的監(jiān)測鋪管區(qū)域的水深

托管架末端的掃描聲吶同時起到測量鋪管區(qū)域作業(yè)水深的作用，并將測量數(shù)據(jù)輸出至托管監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測鋪管作業(yè)區(qū)域大洋水深。

（4）實(shí)時監(jiān)測海管離開托管架一段距離內(nèi)的狀態(tài)信息

在水文條件較好的情況下，海管離開托管架一定距離內(nèi)的狀態(tài)信息的監(jiān)測主要有托管架末端的水下攝像頭來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)水文條件惡劣水下攝像頭無法清晰的采集水下畫面時，該功能主要由聲吶的掃描成像功能來實(shí)現(xiàn)，并將實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)輸出至托管架監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2.3 CCTV系統(tǒng)

CCTV系統(tǒng)包含水下和水上兩部分，水下攝像頭布置于每一組輥輪組的立柱上，用于實(shí)時監(jiān)測記錄海管通過輥輪組的實(shí)時畫面及監(jiān)測輥輪的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，在托管架的最末端設(shè)置有兩個朝向托管架后方的水下攝像頭，用于監(jiān)測海管離開托管架后一段距離內(nèi)的狀態(tài)。

在托管架的A字架上布置水上云臺式攝像頭，用于實(shí)時監(jiān)測托管架絞車鋼絲繩的纏繞情況及托管架周邊的海況，確保作業(yè)安全。

CCTV系統(tǒng)有獨(dú)立的監(jiān)視器顯示采集的畫面，實(shí)時的調(diào)取任意攝像頭的畫面，并具備有錄像功能，能夠保存一段時間內(nèi)攝像頭的畫面。同時將攝像頭所采集的實(shí)時畫面集中輸出至托管架監(jiān)測系統(tǒng)，托管架監(jiān)測系統(tǒng)配置有鍵盤和操作手柄，可以進(jìn)行信號切換，使監(jiān)測系統(tǒng)顯示器也可顯示CCTV的圖像。

2.2.4 角度監(jiān)測系統(tǒng)

托管架角度監(jiān)測系統(tǒng)共配備有3個傾斜測量儀，其中兩個裝在第一節(jié)托管架的最末端，用于測量托管架相對水平面的角度，第三個傾斜測量儀作為參考測量儀裝在船體上，用于測量船體的傾斜角度，三個傾斜測量儀的數(shù)據(jù)同時輸出至托管架監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)進(jìn)行鋪管作業(yè)時，系統(tǒng)會將兩組數(shù)據(jù)相比較，從而計(jì)算出托管架與船體的相對張角。

2.2.5 深度測量系統(tǒng)

深度測量系統(tǒng)包含有兩個測深傳感器，其中一個作為托管架入水深度測量傳感器安裝于托管架的最末端，另外一個作為參照傳感器安裝于托管架控制室的外部，用于測量鋪管作業(yè)處的大氣壓，兩組測量數(shù)據(jù)同時輸出至托管架監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)通過兩個壓力傳感器的壓強(qiáng)差來計(jì)算托管架最末端精確的入水深度。

3.托管架監(jiān)測系統(tǒng)的功能設(shè)置

托管架監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)?個分系統(tǒng)所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的顯示與記錄,當(dāng)數(shù)據(jù)超過報警值時發(fā)出報警，提醒作業(yè)人員注意，但是出于安全方面的考慮，托管件監(jiān)測系統(tǒng)不允許參與托管架的控制，僅僅是對各個參數(shù)的顯示和報警。

4.結(jié)束語

深海油氣的開發(fā)是未來油氣產(chǎn)量的主要增長點(diǎn)，我局投入重金建造的5000噸起重鋪管船，其具備有3000米水深的S型鋪管能力，其托管架系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)該鋪管功能的關(guān)鍵設(shè)備。

通過對托管架監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成和功能設(shè)置分析和研究，對其功能有了詳細(xì)的了解，為將來煙臺5000噸起重鋪管船托管架監(jiān)測系統(tǒng)的招標(biāo)、定貨技術(shù)的簽訂有了可靠的技術(shù)依據(jù)，并為以后的使用與管理打下基礎(chǔ)，為其安全運(yùn)營營造良好的前提條件。