硬浮體槍陣輔助收放及間距擴(kuò)展系統(tǒng)

蔣先鋒,余錦,石曉虎,冷見(jiàn)明,曾孟

(中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司,上海 200120)

0 引言

20世紀(jì)90年代初伴隨大型物探多纜船陸續(xù)產(chǎn)出,硬浮體震源因其獨(dú)特的自擴(kuò)展功能、高度機(jī)械化、槍陣承載力大以及震源間距的相對(duì)穩(wěn)定,在海洋物探領(lǐng)域得到推廣與應(yīng)用[1]。但硬浮體震源存在的問(wèn)題也越來(lái)越明顯,①對(duì)大型液壓收放裝備的依賴(lài)性,增加了液壓設(shè)備的投入和維護(hù)成本;②大型液壓設(shè)備對(duì)單排震源整體收放的工作模式,增加了對(duì)海況苛刻要求;③目標(biāo)沉放深海,洋流的影響會(huì)造成震源源距超標(biāo),不能線(xiàn)上實(shí)時(shí)調(diào)控;④線(xiàn)下釋放和回收過(guò)程中硬浮體槍陣與前導(dǎo)纜發(fā)生纏繞,造成設(shè)備損壞,延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間,將導(dǎo)致項(xiàng)目成本增加[2-3]。

近年來(lái),在施工安全、作業(yè)成本管控及技術(shù)升級(jí)優(yōu)化的大背景下,硬浮體槍陣存在的以上問(wèn)題是工程技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題。

1 硬浮體震源現(xiàn)狀

硬浮體震源解決了傳統(tǒng)軟浮體震源無(wú)法自擴(kuò)展的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了震源間距自擴(kuò)展,并擺脫了傳統(tǒng)軟浮體槍陣對(duì)橫向擴(kuò)展臂使用的依賴(lài),一定程度上增大了震源槍陣橫向擴(kuò)展間距,但在海洋石油物探行業(yè)廣泛使用后也暴露了一些問(wèn)題[4-7]。

震源起吊收放方式對(duì)大型液壓收放裝備的依賴(lài)程度高,直接增加了設(shè)備投入成本和維護(hù)成本。

海況對(duì)槍陣設(shè)備安全收放的影響,導(dǎo)致不能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)震源間距和子陣間距。如圖1所示,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,外舷槍陣回收和釋放時(shí)硬浮體角度向外張開(kāi)很大,為使其不跨過(guò)內(nèi)側(cè)前導(dǎo)纜,通常需要提前將前導(dǎo)纜用橫向擴(kuò)展臂擴(kuò)開(kāi),海況不好時(shí)經(jīng)常需要船體調(diào)整航向從而達(dá)到順利回收或釋放外舷槍陣的目的。

圖1 槍陣收放輔助牽引Fig.1 Gun array spread tow

槍陣在采集作業(yè)時(shí)受船速和水流影響,槍陣間距常會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)的情況。目前硬浮體槍陣系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)線(xiàn)上調(diào)控震源間距。出現(xiàn)槍陣間距超標(biāo)時(shí)需要線(xiàn)下調(diào)整,為此造成項(xiàng)目成本增加,同時(shí)加大了設(shè)備損壞和人員安全隱患。

如圖2所示,處于中間位置的兩排槍陣之間因鏡相擴(kuò)展的緣故,很難實(shí)現(xiàn)常規(guī)小間距,在做多源槍陣時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)源間距均衡排布。

圖2 槍陣收放輔助牽引示意圖Fig.2 Gun array spread

2 系統(tǒng)方案

為解決硬浮體槍陣無(wú)法實(shí)時(shí)線(xiàn)上、線(xiàn)下震源間距調(diào)整;中間位置槍陣間距過(guò)大,無(wú)法實(shí)現(xiàn)多源均衡排布的問(wèn)題。本文提供一套氣動(dòng)絞盤(pán)系統(tǒng)的解決方案,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)氣槍陣列在線(xiàn)上出現(xiàn)超標(biāo)狀況時(shí),不停止作業(yè)的情況下,可線(xiàn)上對(duì)槍陣間距實(shí)施線(xiàn)上調(diào)整,以滿(mǎn)足采集要求,保證勘探作業(yè)持續(xù)推進(jìn)。同時(shí)線(xiàn)下槍陣釋放、回收過(guò)程中,實(shí)時(shí)調(diào)整槍陣擴(kuò)展角度,避免設(shè)備纏繞,實(shí)現(xiàn)快速收放,達(dá)到降本增效。

氣動(dòng)絞盤(pán)系統(tǒng)的基本原理如圖3所示,通過(guò)氣動(dòng)絞盤(pán)繩纜牽引的方式改變槍陣擴(kuò)展角度α,再通過(guò)槍陣擴(kuò)展角度改變槍陣擴(kuò)展能力,從而實(shí)現(xiàn)槍陣間距的調(diào)整。當(dāng)氣動(dòng)絞盤(pán)繩纜收緊時(shí),槍陣擴(kuò)展角度α變小,槍陣的橫向擴(kuò)展間距變小;當(dāng)氣動(dòng)絞盤(pán)纜繩釋放時(shí),槍陣擴(kuò)展角度α變大,槍陣橫向擴(kuò)展間距變大。遠(yuǎn)程控制電源通過(guò)炮纜水下端輔助道的直流電流供應(yīng),動(dòng)力源由槍陣壓縮空氣提供,氣動(dòng)絞盤(pán)需選擇合適的氣動(dòng)馬達(dá),并在硬浮筒合適的位置上安裝。

圖3 基本原理圖Fig.3 Basic schematic diagram

氣路原理圖見(jiàn)圖4,物探震源用空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣作為空氣槍和氣動(dòng)絞盤(pán)系統(tǒng)的動(dòng)力源,經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾后到達(dá)調(diào)壓閥,將壓縮空氣的高壓轉(zhuǎn)換成氣動(dòng)絞盤(pán)的工作壓力,經(jīng)潤(rùn)滑器潤(rùn)滑氣動(dòng)馬達(dá),提高馬達(dá)的工作壽命,潤(rùn)滑后的壓縮空氣經(jīng)三位五通中位閉式電磁換向閥,見(jiàn)圖5,可控制不同氣路進(jìn)入雙向氣動(dòng)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)馬達(dá)正反轉(zhuǎn)。

圖4 氣路原理圖Fig.4 Schematic diagram of air circuit

圖5 三位五通中位閉式電磁閥Fig.5 3-posuiton 5-way closed center solenoid valve

3 系統(tǒng)部件

3.1 氣動(dòng)馬達(dá)

本系統(tǒng)方案選擇葉片式蝸桿傳動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá),型號(hào)為Deprag Machine Unimited-68-W090KA,可滿(mǎn)足氣動(dòng)控制、防水封裝、低速、大扭矩、帶剎車(chē)(或自鎖)、正反轉(zhuǎn)及結(jié)構(gòu)緊湊等特征。該馬達(dá)正常轉(zhuǎn)數(shù)37 r/min,滿(mǎn)足低轉(zhuǎn)速和大扭矩特征;正常扭矩980 N·m,最大負(fù)載扭矩1250 N·m,蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)是自鎖功能,能滿(mǎn)足馬達(dá)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)載牽引要求,而且不溜車(chē)。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 氣動(dòng)馬達(dá)參數(shù)

3.2 調(diào)壓閥

為滿(mǎn)足絞盤(pán)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,調(diào)壓閥進(jìn)口壓力必須能達(dá)到2000 PSI,出口壓力必須能調(diào)節(jié)到上述氣動(dòng)馬達(dá)的工作壓力,即85 PSI。為了馬達(dá)能正常工作,馬達(dá)附件調(diào)壓閥和潤(rùn)滑部件油霧器通流口徑必須不小于G1。綜上所述,本系統(tǒng)方案選用了PRESSURE TECH公司的HF250型調(diào)壓閥。該型調(diào)壓閥采用316 L不銹鋼材質(zhì),進(jìn)口最大壓力250 bar,1″ NPT接口,出口最大壓力10 bar,能滿(mǎn)足氣動(dòng)馬達(dá)對(duì)壓縮空氣的壓力要求(6 bar),同時(shí)滿(mǎn)足氣動(dòng)馬達(dá)無(wú)論線(xiàn)上還是線(xiàn)下均可正常工作的功能要求。

3.3 油霧器

油霧器是利用壓縮空氣霧化潤(rùn)滑油從而實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑馬達(dá)內(nèi)部部件的功能;本系統(tǒng)方案對(duì)油霧氣的要求有:①滿(mǎn)足口徑要求1″ NPT;②進(jìn)出口壓力不小于85 PSI;③不銹鋼材質(zhì)。

綜上所述,本系統(tǒng)方案選用了Insert Deal公司的310L2#型油霧器。其最大進(jìn)口壓力:725 PSI;接口可選擇1″ NPT;316L不銹鋼材質(zhì)。均滿(mǎn)足以上要求。

3.4 三位五通中位閉式電磁閥

為滿(mǎn)足馬達(dá)正反轉(zhuǎn)及遠(yuǎn)程控制要求,本系統(tǒng)方案選擇三位五通中位閉式電磁閥,見(jiàn)圖5。在馬達(dá)處于非工作狀態(tài)時(shí),電磁閥處于中間位置,整個(gè)氣路關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)打開(kāi)開(kāi)關(guān)給電磁閥供電時(shí),電磁閥打開(kāi)相應(yīng)的閥芯通路,給馬達(dá)供氣實(shí)現(xiàn)了馬達(dá)正反轉(zhuǎn)功能。圖6是三位五通中位閉式電磁閥的外形尺寸參數(shù)。

圖6 電磁閥尺寸參數(shù)Fig.6 Solenoid valve parameter

3.5 單向閥

單向閥安裝在電磁閥控制箱體排放管路上,可以防海水倒灌造成的電磁閥進(jìn)水損壞。本系統(tǒng)方案選用Flomatic公司的Model 100SS型不銹鋼單向閥。圖7為單向閥尺寸參數(shù)圖。

圖7 單向閥尺寸參數(shù)圖Fig.7 Check valve parameter

4 絞盤(pán)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)絞盤(pán)主要是由氣動(dòng)馬達(dá)、齒輪軸、支撐圓板、輪轂、保護(hù)罩組成。絞盤(pán)上可選擇纏繞Dynema或Kevlar高強(qiáng)度纖維繩。支撐圓板采用焊接的方式固定在馬達(dá)側(cè)面,其主要作用是固定保護(hù)罩,防止絞盤(pán)繩纜跳出。齒輪軸一端和馬達(dá)之間半圓鍵連接,另外一端齒輪連接到絞盤(pán),并通過(guò)絞盤(pán)端面的兩根螺桿固定,如圖8所示。

圖8 氣動(dòng)絞盤(pán)分解圖Fig.8 Exploded view of pneumatic winch

4.1 齒輪軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證

齒輪軸根據(jù)氣動(dòng)絞盤(pán)傳動(dòng)載荷、齒輪材質(zhì)及機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的要求選取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù),得出齒輪軸的參數(shù),同時(shí)使用軟件Inventor進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證。

齒輪軸的材料是雙相不銹鋼,外齒輪模數(shù)m=3;齒數(shù)z=34;壓力角αp=20°;齒根高h(yuǎn)f=3.75 mm;齒頂高h(yuǎn)a=3 mm;齒距p=9.42 mm;頂隙cp=0.75 mm;齒根圓角半徑ρf=1.14 mm;分度圓直徑d1=102 mm;齒頂圓直徑da=105 mm;齒根圓直徑df=98.25 mm。

嚙合內(nèi)齒輪模數(shù)m=3;齒數(shù)z=34;壓力角αp=20°;齒根高h(yuǎn)f=3.75 mm;齒頂高h(yuǎn)a=3 mm;齒距p=9.42 mm;頂隙cp=0.75 mm;齒根圓角半徑ρf=1.14 mm;分度圓直徑d1=102 mm;齒頂圓直徑da=98.25 mm;齒根圓直徑df=105 mm。

4.2 齒輪軸靜態(tài)載荷應(yīng)力分析

已知?dú)鈩?dòng)馬達(dá)的額定扭矩輸出為980 N·m;齒輪軸的質(zhì)量6.5 kg;輪轂的質(zhì)量約10 kg;圖9是在Inventor軟件中建立的分析模型。

圖9 模型分析Fig.9 Model analysis

齒輪軸承受3個(gè)載荷:①馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶來(lái)的扭矩;②齒輪軸自身的重量;③承受輪轂的重量。圖9(a)為建立的等效應(yīng)力模型,圖9(b)為第一主應(yīng)力即承受齒輪軸自身重量后軸的應(yīng)力分布,圖9(c)為齒輪軸承受來(lái)自輪轂重量后的應(yīng)力分布,圖9(d)為齒輪軸的綜合形變及分布。圖9(e)、(f)、(g)為綜合載荷下三個(gè)不同軸向的形變位移。圖9(h)為綜合安全系數(shù)。根據(jù)圖9(h)所示的復(fù)合載荷下的齒輪軸形變后安全系數(shù)為藍(lán)色,藍(lán)色表示安全系數(shù)穩(wěn)定可靠,因此上述軸參數(shù)可直接使用。

5 高低壓轉(zhuǎn)換箱體

高低壓轉(zhuǎn)換箱體是把從槍陣供應(yīng)的高壓氣源轉(zhuǎn)換成馬達(dá)正常工作的低壓氣源。根據(jù)采集作業(yè)線(xiàn)上、線(xiàn)下壓縮空氣壓力值的差異情況,配置調(diào)壓閥,實(shí)現(xiàn)高低壓力實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換,同時(shí)滿(mǎn)足空氣絞車(chē)正常運(yùn)轉(zhuǎn)潤(rùn)滑需要,并安裝油霧器潤(rùn)滑動(dòng)力源。箱體采用雙相不銹鋼材質(zhì),端蓋和箱體底座水密設(shè)計(jì),IP56防護(hù)等級(jí),端蓋和主箱體之間安裝密封圈。箱體處于氣槍的高頻振動(dòng)環(huán)境,為防止連接件松動(dòng),高低壓轉(zhuǎn)換閥及油霧器安裝時(shí)側(cè)面放置一塊高密度橡膠。圖10是高低壓空氣控制箱分解圖。

圖10 高低壓空氣控制箱Fig.10 Motor air supply box

6 電氣控制箱

電氣控制箱體內(nèi)部布置了三位五通中位閉式電磁換向控制閥,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力氣源的換向控制,完成氣動(dòng)馬達(dá)正反轉(zhuǎn)功能。排放管路上安裝了單向閥,為了防止馬達(dá)尾氣排放過(guò)程中,海水倒灌造成馬達(dá)功能失?；驌p壞。整個(gè)箱體水密設(shè)計(jì),IP56防護(hù)等級(jí)。如圖11所示。

圖11 電氣控制箱Fig.11 Motor control box

利用炮纜大頭上24 V電源,作為電磁閥換向操作的控制電源?？刂崎_(kāi)關(guān)可以設(shè)置在后甲板或儀器房,當(dāng)前采用手動(dòng)開(kāi)關(guān),后續(xù)將升級(jí)為開(kāi)關(guān)傳感器,軟件連接到導(dǎo)航ORCA系統(tǒng)控制界面實(shí)時(shí)調(diào)控震源參數(shù)。如圖12所示。

圖12 電路控制Fig.12 Circuit control

7 氣動(dòng)絞盤(pán)的安裝與布置

如圖13所示,氣動(dòng)絞盤(pán)安裝在分水板前部,馬達(dá)與分水板垂直布置,高低壓轉(zhuǎn)換控制箱體和電氣控制箱體安裝在分水板的側(cè)面。絞盤(pán)上纏繞繩纜直接牽引炮纜上滑套,在作業(yè)和收放時(shí)根據(jù)震源源距參數(shù)要求實(shí)時(shí)調(diào)控槍陣擴(kuò)展角度。

圖13 絞盤(pán)系統(tǒng)安裝圖Fig.13 Winch system installation system

為突破自擴(kuò)展槍陣中間排硬浮筒鏡像布置反向擴(kuò)展造成的無(wú)法小間距作業(yè)的瓶頸,如圖13在中間排硬浮體(兩排硬浮筒中任意一個(gè))安裝一臺(tái)氣動(dòng)絞盤(pán),繩纜連接到對(duì)面炮纜滑套上,槍陣釋放到工作位置后,根據(jù)震源間距調(diào)整氣動(dòng)絞盤(pán),回轉(zhuǎn)絞盤(pán)上的繩纜縮小中間排的距離。根據(jù)多項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用情況,因震源源距和子陣間距超限導(dǎo)致的槍陣下線(xiàn)率減少95%以上,大大降低了震源設(shè)備收放頻次,提高作業(yè)效率的同時(shí),降低了作業(yè)成本。

8 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)研制了一套氣動(dòng)絞盤(pán)系統(tǒng),通過(guò)調(diào)控槍陣擴(kuò)展角度,實(shí)現(xiàn)槍陣線(xiàn)上間距實(shí)時(shí)擴(kuò)展及調(diào)整,線(xiàn)下槍陣回收和釋放時(shí)槍陣擴(kuò)展角度的調(diào)控,避免槍陣?yán)p繞,提高收放效率,降本增效。通過(guò)合理布置氣動(dòng)絞盤(pán)及繩纜、滑套連接方式及位置,有效控制震源間距實(shí)現(xiàn)單源、多源小間距和多源地震采集大源距的震源作業(yè)參數(shù)要求,改變了過(guò)去硬浮體槍陣橫向擴(kuò)展角度無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的弊端,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)海洋石油物探在該領(lǐng)域空白。