J型铺管用管塔角度调节器设计

朱裕谱，段梦兰，王伟鹏，范嘉堃

（中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249） ①

在深海石油开采前，需要对海底油管进行铺设，J型铺管方法是当前最适合深水和超深水油管铺设的方法［1－2］。由于管道以近乎垂直的角度进入水中，并平铺在海床上，使得管道整体形状呈现J型而得名。在国内，由于受到我国深水勘探开发技术的限制，对J型铺管的研究才刚起步，而国外已经有了非常成熟的应用。J型铺管方法实质上是张力铺管法的一种［3］，在铺管船上架设铺管塔，对于不同水深和管径，在铺设过程中通过调节J型铺管塔的倾角来改善管道受力状态，达到安全作业的目的。铺管塔上主要包括有塔架、角度调节装置、管道输送装置等。其中，角度调节装置是实现塔架角度调节的关键装置。本文分析了现有角度调节器存在的问题，提出新的设计方案。

1 现有J型铺管船的角度调节器简介

角度调节器在铺管过程中起固定、支撑塔架的作用。与此同时，针对不同水深及海床状况，角度调节器可以使塔架在一定的角度调节范围内转动，从而减小所铺设管道顶端的应力，保证铺管作业的顺利进行［4］。

1.1 Saipem7000型铺管船简介

图1是装有液压插孔角度调节器的铺管船Saipem7000［5］。Saipem7000是意大利著名的海洋公司Saipem于1988年建成的半潜式起重船，用于进行J型管道铺设，长为198 m，宽为84 m，主机板深度为45 m，塔转角度90～110°。它安装有世界上最大的J型管道铺设塔吊，配备有先进的动力定位设施，能够在水深超过1 980 m的海域安装直径为102～810 mm的管道。其应用的是销轴与液压缸配合式（即液压插孔式）角度调节器。

图1 Saipem7000型船的角度调节器

1.2 管塔角度调节器分析

Saipem7000型铺管船所使用的角度调节器结构如图2～3所示。其工作原理：在初始状态时，所有液压缸均处于收缩状态。当需要增大角度时，同步拔出下部插销，将控制角度调节的液压缸伸出，在上部插销剪切力作用下将支撑杆拉长，将下部插销插入支撑杆中，锁定支撑杆的相对位置，拔出上部插销，将液压缸缩回至原长后，再插入上部插销，完成1次增大角度的调节。当需要减小角度时，拔出上部插销，液压缸伸出，然后将插销插入支撑杆中，松开下部插销，控制液压缸缩回，带动支撑杆缩短1个液压缸行程的距离，再插入下部插销，锁定支撑杆的相对位置，完成1次减小角度的调节。所调节的角度须是液压缸行程的倍数，重复上述调节动作直到既定角度为止。

这种液压插孔式的J型铺管角度调节器通过顺序插拔销轴虽然实现了塔架倾斜角度可调，但其仍然存在诸多缺陷：

1） 调节精度不高，不能进行连续角度的调节，只能进行液压缸行程倍数跳跃调节，达不到适合的角度。

2） 调节过程复杂，需要反复多次的调节才能达到既定的角度；

3） 通过插销插孔进行角度调节需要比较高的定位精度，插销一旦无法正常插入就无法实现角度调节。

4） 铺管过程中，塔架可能存在一定的扭转，两侧的液压插孔式调节器同步性较差。

图2 现有角度调节器整体结构

图3 调节杆总成

2 新型角度调节器

鉴于上述缺点，笔者对塔架的角度调节装置进行创新设计，提出了一种能够支持塔架倾斜角度连续调节的J型铺管角度调节装置，期望通过齿轮齿条机构替代传统的套杆插孔式结构，来避免塔架角度调节时，无法连续调整角度、插孔对位以及角度调整过程复杂、耗工耗时的问题。新型角度调节器由电机、蜗杆减速箱、齿轮齿条等构成。

2.1 工作原理

新型角度调节器结构如图4所示。电动机提供动力，通过蜗轮蜗杆减速箱减速后，传递到齿轮上，驱动齿轮驱动齿条，在反力的作用下，反向推动塔架，进而达到调节角度的目的。具体调节过程为：当铺管深度减小时，电动机开始正转，通过蜗杆减速箱将转动传递至齿轮上，齿轮齿条啮合传动。由于齿条下端铰接固定，从而由于反力的作用，塔架绕着铰接点向右转动，增大塔架与竖直方向的夹角，减小管道应力；当水深增加后，电动机反转，塔架向左转动，减小塔架与竖直方向的夹角，从而减小管道应力。当达到既定角度时，利用蜗轮蜗杆的自锁功能对塔架角度进行锁止，从而实现角度调节。

图4 新型角度调节器结构

2.2 关键参数设计

齿轮齿条作为本设计最重要的结构，设计依据是自升式平台升降装置［6－7］，结构示意图如图5所示。齿轮齿条升降系统作为自升式平台的关键部分，几乎承担了整个平台的自重力和工作载荷。结构上，通常采用少于正常齿数的齿轮，4、6、7个不等，齿轮齿条经由特殊加工以及处理，使得能承受更高强度的载荷，单个升降齿轮所承受的载荷可以达到2 960 k N。

塔架整体重力约为25 000 k N，塔重心位置距离底部铰接点为45 m，齿条铰接点距原点为60 m，角度调节范围为90～110°，角度调节速度较慢，齿轮的转速取值为1 r/min，角度调节如图6所示。

设齿条上的作用力为F，同时水平方向上的距离为a，如图a，则有：

图5 自升式平台升降结构

图6 角度调节过程示意

由（1）～（2）计算可得：当θ1＝70°，即调节至110°时，齿条上所受的力最大。综合考虑，取a＝60 m可得适当大小的拉力F，极限位置如图6b所示，此时最大拉力值Fmax＝11 180 k N，取电机台数为4，主动齿轮所受的力，进而确定电机型号以及蜗杆减速器的传动比。由图6计算可得：齿条齿面部分长：

本设计齿轮齿条的结构参数定为：

齿轮：模数m＝100 mm，齿数Z＝10，齿宽b1＝625 mm。齿条：齿宽b2＝625 mm。

2.3 关键部件强度校核

齿轮的齿数为10，模数为100 mm，压力角为20°，齿轮的转速为1 r/min，约为0.1 rad/s。齿条受到的压力以及和运动方向相反的拉力分别为1 017 k N、2 795 k N。齿轮齿条的齿面材料为20Cr NiMo，其屈服强度为785 MPa，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.30，密度为7.8×103kg/m3。分析其在啮合过程中的接触力的变化。

由于是对角度调节器的主要构件进行分析，选择的是齿轮齿条。所以将分析的重点放在轮齿上，通过简化处理，可建立几何模型如图7所示。

图7 齿轮－齿条啮合传动模型

边界条件：齿轮轴和工作台作为刚体处理，工作台全固定，齿轮存在绕z轴的转动自由度，转速为0.1 rad/s。齿轮绕齿轮轴转动，齿条在工作台上表面移动，齿轮齿条啮合，进行动态分析［8］。分析结果如图8所示。

由Mises应力云图可看出，在齿轮齿条啮合传动过程中，轮齿的齿根部分以及轮齿和轮齿的接触部分发生应力集中现象，齿根部分容易发生折断，齿面容易出现磨损、胶合以及塑性流动等失效形式。这与工程应用中的实际情况是一致的，其最大值为638 MPa，小于材料屈服强度（785 MPa），满足材料要求，达到设计目标。

图8 齿轮－齿条的Mises应力云图

3 结论

1） 现有的角度调节器存在无法连续调整角度、插孔对位精度、同步性差以及角度调整过程复杂、耗工耗时等问题，影响了J型铺管船的作业效率。

2） 研制了新型的角度调节器，确定其关键部件结构参数，并对其进行有限元校核，达到设计要求，有效地解决了现有J型调节器的问题。

3） 新型角度调节器的优点：调节精度高，能进行连续角度的调节；调节过程简便，控制电机的正反转快速调节至所需角度；两侧齿条同步性高，可以防止塔架扭曲的发生，提高塔架的稳定性及安全性。

［1］ 何宁，段梦兰.J型铺管法研究进展［J］.石油矿场机械，2011，40（3）：63－67.

［2］ Gary E Harrison Kary.Method of Deepwater Pipelay：US 4992001［P］.1991.

［3］ Choi H S.Deepwater pipelay analysis［J］.Journal of Offshore Technology，1999，7（2）：18－20.

［4］ 管德旺，段梦兰.深水管道J形铺设工艺分析［J］.石油机械，2011，39（10）：131－135.

［5］ 赵炜，张胭脂.意大利新型海上油田作业设备［J］.国外石油机械，2000，28（12）：58－60.

［6］ ROODENBURG.MARINE J－LAY PIPELAYING SYSTEM：EP，1779013B1［P］.008.

［7］ 梁小玲.海上自升式钻井平台升降控制系统设计与研究［D］.大连海事大学，2010.

［8］ 赵腾伦.ABAQUS在机械工程中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.