动力定位状态下张紧器的调试分析

冯铁骥，陈 磊，蓝彬彬

● （江苏熔盛重工有限公司，江苏南通 226532）

动力定位状态下张紧器的调试分析

冯铁骥，陈 磊，蓝彬彬

● （江苏熔盛重工有限公司，江苏南通 226532）

随着深海海洋工程装备的发展，深水铺管起重船“海洋石油 201”建造完成。张紧器是铺管船上的关键铺管设备，而在动力定位状态下的张紧器调试又是将铺管船的全部能力发挥出来保证铺管成功的重要工作。本文简述了张紧器的工作原理，以“海洋石油 201”上的张紧器为实例介绍了 S-lay张紧器在动力定位状态下的调试工作，并提出了以后深水铺管船张紧器的改进建议。

张紧器；动力定位；深水铺管起重船；调试；S-lay

1 张紧器简介

S-lay铺管船是通过张紧器来实现铺设管线与船舶之间张力转换的，张紧器使用设定的张力夹持管线，并保证在移船过程中维持设定张力并以与船舶配合的速度下放管线。张紧器通过保持一定压紧力的上下履带将管线夹紧，一般通过带阻尼器的液压装置来提供压紧力。上下履带通过电动或液压马达来带动进行转动，收放管线。通常一条铺管船安装2台或以上的张紧器，这些张紧器并联运行，分担负载。这种方式不仅可以在不破坏管线涂敷层的情况下提供更大的张力，更重要的是对于这样关键的铺管设备提供冗余度，降低由于设备问题出现事故及待机的情况。

动力定位铺管船上的张紧器，工作在浅水情况时，经常会受到海况的影响，造成铺设管线上张力的迅速变化，而这时张紧器就必须能够将铺设的管线上的张力在船舶位置不变的情况下保持稳定，这时张紧器会通过短距离上快速的收放管线来实现，也就是当船舶工作在动力定位情况下海况恶劣时，船舶会在首尾方向产生频繁移动，这时张紧器要快速的进行响应，以维持管线上的张力在允许的范围内。张紧器根据铺设管线上的张力输入值，调整履带的移动速度和方向。

表1介绍了“海洋石油201”铺管船张紧器的关键技术参数。

保持铺管船在预设的位置和稳定的移船动作是铺管作业成败的关键。如果船舶失位（包括位置和首向变化超出允许范围），通过尾部托管架铺设到海底的管线会承受巨大的弯力，这样管线很可能会超过屈服强度或断管。第一代铺管驳船使用工作锚机的锚泊定位系统，通过绞锚来移船。受作业水域水深以及作业区域水下已安装的设施等影响很大。当前动力定位的铺管船使用推进器进行定位，在复杂的海况条件下能够进行精确定位。动力定位铺管船的控制框图如图1。

表1 “海洋石油201”铺管船张紧器的关键技术参数

图1 典型的动力定位铺管船控制框图

2 张紧器调试的前期工作

张紧器在进行动力定位状态的调试前要完成一些前期工作，包括：

1）完工检查工作（包括3D测量问题）

完成机械完工检查，完成机管电仪的预调试工作，液压系统的完工检查，单个设备工作正常，控制网络通畅，逻辑正确。其中要确认张紧器与主作业线和尾部托管架处于同一条中心线上，需要进行3D测量，也就是确保张紧器的中心垂面与作业线和托管架处于同一个平面内。

2）张紧器标定及静态试验

完成张紧器的测力装置的标定、恒扭矩和恒张力状态的调试工作。

3）张紧器控制系统的动态测试

动态试验就是为了验证张紧器在恒张力和恒扭矩模式下，能够保证海管上的拉力在设定范围内。

3 动力定位状态下的张紧器调试

铺管船工作在动力定位模式时，张紧器的张力控制是一个非常关键的因素。张紧器控制一般使用PI控制（就是比例积分控制）。张紧器根据安装的张力传感器实时测量铺设管线的张力，以实际测量到的张力作为系统控制的输入，与系统设定张力进行比较，使用两者之间的差值，作为负反馈控制的输入量，（调试过程中需要对增益因数进行不断的调整），通过增益因数P进行调整，之后要对比当前电动机上需要的扭矩，进行叠加。下图中自动模式时选择根据张紧器收放速度进行控制，计算处理后的扭矩差值会与收放速度的计算机进行叠加，计算后的结果送给履带驱动电机进行输出与执行。当选择根据移船速度进行控制或手动模式时，将会根据移船速度进行叠加，最终进行输出。详细的控制流程如图2所示。

图2 张紧器的控制逻辑图

在船舶动力定位状态的张紧器调试过程中，需要不断调整各个参数（图中斜字体），使张紧器与动力定位能够协调工作，也就是能够保证张力变化在可以接受的范围之内。

4 深水模式下的张紧器调试

当动力定位铺管船工作在深水工况时，从船尾铺设到海底的管线主要处于垂直状态，当船舶移船时，管线的张力变化比较小，张紧器不会像浅水时随着移船自动的收放管线。此时就需要用到张紧器的深水模式。在深水模式下，每次移船之前，可以设定本次张紧器释放管线的长度，当张紧器收到移船的指令后（一般是由动力定位系统移船时发出），张紧器会释放刹车装置，根据设定时间提升放管速度到最大值，按指定长度释放管线并减速到最终停止。

5 结论及改进建议

“海洋石油201”深水铺管船上2台200mT的张紧器，每台张紧器的履带由4台变频电机驱动。而8台电机连同AR绞车的驱动电机的变频驱动分布到4台变频器上。当任意一台变频器出现故障时，控制系统处于对系统保护的原因会把2台张紧器同时刹车，不能进行任何动作，也就是2台张紧器会由于一个故障同时失效。如果移船过程中突然刹车，DP系统会在尽可能短的时间内停船但是也会导致管线张力的升高，对管线和船舶都有可能造成危害，基于以上情况，可以考虑在以后的项目中将张紧器的驱动电机的变频器合理分布，加大单台电机的容量，同时改进控制系统，当出现单台甚至两台变频器不能工作时，还能确保每台张紧器在失去一个或两个电机的情况下能够正常工作，可以最大限度的提高张紧器的冗余及可靠度。

深海开发是以后海洋工程的重要方向，“海洋石油201”项目大型的变频驱动的张紧器的调试经验将是以后此船舶项目实施的重要参考，同时也为后续同类型船舶的开发提供经验借鉴。

[1]Gullik Anthon Jensen.Offshore Pipelaying Dynamics[D].Norwegian University of Science and Technology, 2010.

[2]Federico Gaggiotti.Deep Water Pipe Laying: from Mooring-Based Station Keeping to Dynamic Positioning[D].Università Politecnica delle Marche.

[3]Ben C.Gerwick Jr..Construction of Marine and Offshore Structures[M].Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2007.

[4]KONGSBERG K-Pos Manual[Z].Kongsberg, 2007.

DNV 发布2020 年航运报告

DNV发布的《2020年航运报告》是对全球船队至2020年发展变化的一项综合性情景研究报告成果。DNV分析了未来八年全球船队的发展情况并给出了明确的答案：在向2020年迈进的过程中全球船队构成将会发生变化。

该项研究基于预测的市场发展情况、监管法规的变化、燃油价格、各项新技术的成本和可用性以及船东的具体要求，探讨了具有最佳成效同时又符合相关环保要求的多项技术。

全球经济中心正向亚洲转移，这将影响到航运线路和对船舶的需求量。天然气和石油价格有望脱钩，页岩气的发展将有可能增加天然气的供应量。针对包括上述因素在内的发展趋势，DNV评估了未来四种可能的发展情景，通过模拟模型，对全球船队到2020年对技术的采纳情况作出了预测。

DNV海事与油气总裁石万胜（Tor Svensen）先生表示，“目前全球经济仍很脆弱，不仅金融分析师、银行家和决策者希望了解世界未来十年的发展情况，航运界也提出了相同的问题。尽管预测未来的风险很大，我们还是希望分享我们对航运业至2020年乃至2020年之后的发展及其技术采纳情况的看法，希望能激发业界的探讨和有助正确决策。

该报告研究表明，在实施全球硫氧化物限值之前对洗涤器的使用可能会非常有限。污染排放控制区的设立不会造成大量使用洗涤器。但是船东可能会在从目前到2019年的新造船上预留安装洗涤器的空间，但安装洗涤器可能要等到这项技术进一步成熟并确定实施全球含硫限值以后。

对于压载水处理系统的应用，报告认为如果压载水管理公约的批准延迟，也只会造成与压载水处理系统有关的技术订单的积压，对这项技术的分阶段实施时间表几乎没有影响。采纳这项技术的高峰会在2017年出现，主要是受到美国实施相关法规的推动。船舶改装预计将在2019年后完成，除非国际海事组织决定放宽计划的实施时间表。

能效设计指数（EEDI）法规要求2025年新建的船舶比目前船舶的平均能效提高30%，这项法规会促进能效措施的实施以及采用液化天然气作为燃料。目前还不确定的是船东是否会加紧提前推进EEDI计划，现在就按EEDI要求新建船舶。

DNV《2020年航运报告》的主要发现还包括：未来八年内每交付10艘新船中有超过1艘会配备天然气为燃料的发动机；到2020年，船用馏分油的年需求量会高达2-2.5亿吨；到2020年，新建船舶的二氧化碳排放量将比现有船舶的排放减少最高达35%；到2016年，至少30%的新建船舶都将安装废气循环（EGR）或选择性催化反应器（SCR）系统。

Commissioning Analysis for Tensioner under Dynamic Positioning State

FENG Tie-ji, CHEN Lei, LAN Bin-bin
(Jiangsu Rongsheng Heavy Industries Co., Ltd., Nantong 226532, China)

With the development of offshore engineering equipment, the construction of DPV “HAI YANG SHI YOU 201” has been completed.The tensioner is one of the most critical equipments on pipe laying vessel.The commissioning work under dynamic positioning state will affect the successful pipe laying performance.This paper describes the technical principle of the tensioner, and introduces the commissioning procedure under dynamic positioning state of the S-lay tensioner which is equipped on “HAI YANG SHI YOU 201”.The optimization advices for the DPV tensioner are given at the end of the article.

tensioner; dynamic positioning; DPV; commissioning; S-lay

U667.34

A

冯铁骥（1979-），男，工程师。研究方向：海洋工程调试。