海洋脐带缆张紧器总体方案设计

王文明，张仕民，徐克彬，李寅，郭志平，王晓华，郭毅

（1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京， 102249；2.渤海钻探井下作业公司，河北任丘 062552；3.内蒙古工业大学机械学院，呼和浩特 010051；4.西安交通大学，西安 710049）

陆上油气资源日渐匮乏，海洋油气资源越来越受到人们的关注［1］。脐带缆张紧器是夹持脐带缆并控制其下放入水中铺设的专用设备，脐带缆的铺设可以实现海洋油气工程通信、电信号传输以及液体注入等功能。脐带缆是承受张力为主的柔性细长结构，为浮式系统中较为薄弱的环节，且受到的载荷具有显著的动态特性，如周期性的波浪载荷、流载荷、不同浮体及系泊系统的动力影响，安装时需要保证脐带缆压力均布并恒张力铺设，所以对脐带缆张紧器性能具有较高要求。脐带缆张紧器根据履带布置形式和数量可分为：两履带上下或水平布置式、三履带对中布置式和四履带对中布置式3种。常用驱动方式为液压马达驱动与电机驱动2种。国外具有代表性的脐带缆张紧器研发机构有英国Aquatic公司、意大利Remacut公司、美国Westech 公司与NOV（National Oilwell Varco）公司、荷兰SAS Gouda公司等。

目前，国内的主要厂家及研究机构有海洋工程股份有限公司、中国石油大学（北京）、天津精研工程机械传动有限公司、胜利石油化工建设有限责任公司等。我国1996年开始进行国产滩海铺管船用300kN 张紧器的研究，采用双履带式液压恒压控制。“十一五”期间，由海洋工程股份有限公司主持与中国石油大学（北京）协作，完成了2000kN 海底管道铺设张紧器的国产化研究。针对张紧器的关键技术，国内外学者也开展了相关研究：Mattiazzo、Giuliana［2］等设计了一种数字仿真方法；张俊亮［3］等分析了深水铺管船用张紧器液压夹紧系统建模与仿真，采用PID 控制使液压缸具有良好的同步性；孙亮等［4］在铺管船用张紧器研究方面，确定了海洋铺管船用张紧器的基本参数、总体结构方案和总体控制系统方案。随着海洋油气开发的不断发展，脐带缆张紧器的研制对于海洋油气开发具有重要意义。

1 国内外脐带缆张紧器综述

国外已经可以生产具有从数十千牛到几百千牛张紧力的张紧器，型号众多，主要生产张紧器的厂家有Aquatic、One－Offshore、Westech、SAS Gouda、Amclyde、Huisman、Remacut、NOV 等。张紧器可以铺设脐带缆、软管或者钢制管道，由于脐带缆或软管可承受的最小破断载荷较小、摩擦因数较小，一般铺设脐带缆或软管的张紧器最大张紧力都较小。其中：Aquatic公司的脐带缆张紧器最大铺管张力有30～500kN 多种，有两履带和四履带2种形式，两履带张紧器又有水平与垂直2种，可以铺设软管、脐带缆和钢管；荷兰SAS Gouda公司生产的张紧器主要有水平或垂直的两履带式张紧器系列；新加坡ONE－OFFSHORE公司的脐带缆张紧器铺管能力为100～400kN，包括两履带和四履带2种；美国NOV 公司生产三履带式脐带缆张紧器；AmClyde Norson设计陆上和海上使用的张紧器，形式上有水平／垂直／倾斜操作，可以铺设柔性或刚性的产品，铺管／绕线机操作和任何负载要求，供应有两履带、三履带和四履带的张紧器，张紧能力为10～2750 kN；Huisman公司生产有四履带600kN 张紧器。

1.1 两履带式张紧器

两履带张紧器分为水平布置和垂直布置2种。图1a为Aquatic公司AQTT－08B－3型两履带水平布置式张紧器；图1b为该公司AQTT－07C－5型公司上下布置式张紧器。两履带张紧器的主要优点是：结构简单、尺寸较小、容易布置；只有上下或者左右2个履带，不管是用液压驱动，还是电机驱动都有足够的空间来布置驱动系统；主框架结构简单，设计、制造、安装过程简便。主要缺点是：被夹持管线两面受力，易引起变形；被夹持管线承压能力愈弱，张紧器在满足张紧力要求的情况下，纵向长度就愈大。

图1 两履带张紧器

1.2 三履带式张紧器

三履带张紧器一般采用对中式，图2为美国NOV 公司的三履带式张紧器。三履带式张紧器的主要优点是：上部空间开阔，便于管线放置；3个方向的夹紧力呈120°，可以将夹紧力均匀地分散到水平和竖直方向，有利于框架稳定；三履带对中布置，能够保证被夹持管线受力均匀，不易造成管线变形。在满足系统张紧力的要求下，纵向尺寸较两履带式张紧器缩短。主要缺点是：结构较两履带式张紧器复杂，外形宽度尺寸增大。

图2 NOV 公司三履带对中布置式张紧器

1.3 四履带式张紧器

四履带式张紧器根据结构形式的不同可以分为“＋”字式与“X”字式2种。图3a为Huisman公司600kN“＋”字式张紧器，图3b为AmClyde Norson公司“X”字式张紧器。“＋”字式通常采取顶部开合的结构形式；“X”字式张紧器有顶部开合及侧面开合2种形式。

四履带式张紧器的主要优点是：四履带对中布置，被夹持管线受力更均匀，不易造成管线变形；张紧力相同情况下，被夹持管线所受压强更小，因此四履带式张紧器被广泛用于柔性管或脐带缆海洋铺设中；另外，四履带式每根履带分担的张紧力较三履带式更小，在纵向和横向尺寸上比三履带式更有优势；在船面空间有限的情况下，占用相同空间的张紧器可以提供更大的张紧力。主要缺点是：机构复杂，四履带上下、左右4面布置，形成封闭空腔，放置管线困难，需要对上履带增设开合机构，以便在放置管线时，打开上部空间；另外，增加了驱动电机或液压马达，设备成本增加，也增加了控制系统的复杂性。

图3 四履带式张紧器

典型脐带缆张紧器性能参数如表1。铺缆能力较强、能提供较大张力的张紧器多采用三履带甚至四履带形式。由于四履带对中布置，张紧力相同情况下被夹持管线受力更均匀，不易造成脐带缆变形，所以脐带缆张紧器多采用四履带式。受管壁所能承受的夹持径向载荷的限制，深海铺管船常采用几个张紧器串联使用的技术方案。

表1 典型脐带缆张紧器的性能参数

续表1

2 总体方案设计

针对柔性管或脐带缆的铺设特点［5－7］，总体方案为：为保证夹持脐带缆受力均匀，选择了四履带式的对中布置方案；考虑到受管壁所能承受的夹持径向载荷的限制，在深海铺设环境可以采用2个或2个以上的张紧器串联使用，达到增大拖拽力的目的；张紧器有2种工作模式，即单独控制水平2个履带夹紧和控制四履带同时夹紧，可根据实际工况在保证足够夹紧力的情况下进行工作模式的转换。

2.1 性能指标

脐带缆张紧器的参数如表2。

表2 脐带缆张紧器设计参数

2.2 总体结构

脐带缆张紧器总体结构如图4所示，设计采用上、下、左、右四履带总成“＋”字形式布局，总长7065mm，宽4754mm，高4932mm。包括开合机构、履带机构、夹紧机构、驱动系统、支架和底座、检测系统等6部分：

1）开合机构实现上履带的张开与闭合，确保脐带缆的装载与脐带缆接头导入导出。

2）履带机构分为上、下、左、右四履带，每个履带总成由若干链轨节组成，每个链轨节外侧连接有V 形履带板，履带板上安装有橡胶缓冲垫块，用于加大摩擦力和使载荷均匀，进而加大与脐带缆外壁的接触面积，降低接触比压。

3）夹紧机构主要由液压缸组成，通过液压缸带动履带总成向脐带缆提供正压力。

4）驱动系统由电动马达提供驱动力，链轮驱动履带完成铺缆作业时对脐带缆的收放动作。

5）支架和底座起到支撑和固定各机构的作用。

6）检测系统由转速传感器、张力传感器、位移传感器、压力传感器等组成，实现铺设速度、管线张力、液压缸位移的测量。

图4 总体结构

2.3 履带机构总成

履带总成如图5所示，包括动力系统总成、履带靴、内框架、链轮和其他固定件5部分，总长6017 mm，高1323mm，履带宽1000mm。

1）前部驱动链轮把动力系统和传动链相连接，起传递动力作用。

2）后部张紧轮起导向定位、张紧作用。

3）履带靴固定在链节上，主要用途是作橡胶衬块的安装底座，整条履带共有76个履带靴部件。

4）内框架起支撑作用。

5）链轨节与驱动齿轮啮合传递扭矩，同时固定履带靴，整条履带共由76个链轨节组成。

6）托链轮用来防止履带运转时下垂。

7）每条履带设计有11组支重轮，保证最外2支重轮中心线≥3m，其作用是承受管线压力。

图5 履带总成

2.4 动力系统

2.4.1 履带驱动

根据设计要求，张紧器每条履带提供最大夹紧力为300kN／m，最大铺设速度v＝0.33 m／s。驱动轮直径D＝881mm，则转速n＝0.75rad／s。有效夹紧长度3m，设计摩擦因数μ＝0.1，则每条履带所提供摩擦力为

额定功率为

履带标定扭矩为

可以计算得到驱动系统选型的功率与扭矩数值，分别为30kW 与4×104N·m。

2.4.2 液压驱动

夹紧液压缸是张紧器液压系统的执行元件，为管线提供正压力。夹紧液压缸共有16个，每个履带安装4个，分别安置于张紧器每条履带的4个角，其位置如图5所示。脐带缆张紧器的液压系统采用液压站来提高液压动力。

3 结语

海洋脐带缆的铺设作业需要多机具联合作业，设计具有难度，针对油气资源开发需求，综合考虑作业环境、水下作业机具要求等因素，提出了具有自主知识产权的四履带式对中式的脐带缆张紧器结构方案，为进一步研究脐带缆张紧器指明了方向。

［1］苗玉坤，赵学峰.我国海洋石油装备现状及市场前景［J］.石油矿场机械，2011，40（9）：29－32.

［2］Mattiazzo G，Mauro S，Guinzio P S.A tensioner simulator for use in a pipelaying design tool［J］.Mechatronics，2009，19（8）：1280－1285.

［3］张俊亮，刘文利，陈翠和，等.深水铺管船用张紧器液压夹紧系统建模与仿真［J］.系统仿真学报，2010（2）：521－527.

［4］孙亮，张仕民，林立，等.海洋铺管船用张紧器的总体设计［J］.石油机械，2008（8）：36－38.

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