脐带缆铺设中张紧器总体方案设计

廖洪千 李怀亮 刘 军 王立权 鞠 明

（1.哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨150001；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

由于海洋开发起步较晚，技术相对落后，深水脐带缆安装系统在我国仍处于空白阶段。因此，在引进国外设备的同时，消化吸收国外的先进技术，为我所用，并与我国实际情况相结合，研制出具有自主知识产权的产品具有重要实际意义［1］。张紧器在脐带缆安装过程中扮演着重要的角色，其主要作用是夹持并匀速收放脐带缆［1－2］，即使在风浪等外界干扰下张紧器仍能提供恒定的张力，保证脐带缆的安全性，防止作业管线由于超过许用应力受到破坏或因为张紧器张力变化而产生屈曲变形［3－4］。

本文通过对张紧器性能的具体研究，提出了一种适用于脐带缆铺设的张紧器结构总体设计方案，并对其主要部件进行了详细的结构设计，最后给出了张紧器液压系统设计方案和控制系统总体方案。

1 结构总体方案

通过研究国外相关产品和论文之后，确定了张紧器的总体方案，其主要包括夹紧系统、履带系统、驱动系统、可开合式框架、测量系统、控制系统等六部分［2］。

夹紧机构由对称布置的液压缸组成，通过液压缸施加压力，将脐带缆夹持在张紧器中心［2］。履带系统是由链轨节首尾连接而组成的一个密封式机构，链轨节的连接通常采用销轴和销套的方式。驱动系统由三相异步电机和转壳式行星齿轮减速器组成，并带动驱动轮转动以实现脐带缆的收放作业。履带系统位于可开合式框架内部，可开合式框架能够为履带系统的运动提供导向。张紧器的角度调整底座可以通过焊接等方式固定在铺管船甲板上的指定位置，通过角度调整机构可实现履带系统角度在一个较小范围内进行调整。力传感器可测量张紧器的张力，为控制系统的工作提供数据，实现张紧器的恒张力控制，从而保证脐带缆的安全性。经过分析研究，确定了四履带张紧器总体结构方案，如图1所示。

2 关键部件

2.1 履带靴和链轨节

张紧器履带是组合式履带，由履带板、链轨节、履带销和销套组成。履带靴的主要作用是夹持管道，提供一定的摩擦力，从而使得张紧器为铺设中的脐带缆提供张力，并且要求履带靴不能对脐带缆造成任何损坏。聚氨酯弹性体材料具有良好的综合机械性能，摩擦磨损性优良，因此采用聚氨酯作为履带靴的材料。根据张紧器的作业要求，链轨节需具有足够的抗拉和抗压强度，且轨面应具有良好的耐磨性［5］。履带靴和链轨节装配图如图2所示。

图1 张紧器总体结构

图2 链轨节与履带靴装配图

2.2 驱动轮系统

根据张紧器铺设脐带缆的特点，采用驱动链轮与张紧器铺设脐带缆方向相反的位置布置。张紧器驱动轮系统采用齿块拼合式驱动链轮，使用方便，且可以随时更换。工作时，驱动链轮轮齿将会受到履带销套的弯曲压应力，且轮齿与销套之间存在磨料磨损，故驱动链轮的材料采用铸钢齿面中频淬火。驱动轮系统装配图如图3所示。

图3 驱动轮系统装配图

2.3 引导轮系统

引导轮系统的主要作用是引导履带正确卷绕，同时利用引导轮系统的位置移动来调整履带系统的张紧度。引导轮系统中的张紧装置，一方面能够防止由履带松弛引起的振跳现象，减小由履带振跳引起的冲击载荷和额外功率的消耗，减缓履带销和销套的磨损；另一方面能够防止履带过紧，减小引导轮轴承中的摩擦力，减缓履带销和销套的磨损。引导轮系统装配图如图4所示。

图4 引导轮系统装配图

2.4 支重轮

悬挂系统中的支重轮是用来支撑履带以及工作时负载的，当履带滚动并夹持管道时，能够防止履带因产生横向位移而脱轨，且支重轮能够承受较大的冲击载荷。由此需要支重轮具有可靠的密封性能、良好的耐磨性、足够小的滚动阻力系数，所选个数和布置方式应有利于使履带接地比压分布均匀。支重轮装配图如图5所示。

图5 支重轮装配图

3 液压系统工作原理

张紧器的液压系统主要有两个功能：一是通过控制液压缸推动活动部件运动，完成张紧器的开合和锁定、履带位置和角度调整等动作，这是液压系统的辅助功能；二是利用液压缸使履带能够夹紧管线并保持恒定的压力，确保工作时管线与张紧器履带之间始终不发生相对滑动，这是张紧器液压系统的主要功能。

张紧器的液压系统主要包括履带位置调整及夹紧系统、履带悬浮系统、张紧器倾角调整系统、开合系统、液压插销、安全制动系统六部分，通过位置、压力传感器对张紧器进行实时监控以保证张紧器各系统能够以最佳状态工作。液压系统工作原理如图6所示。

4 控制系统总体方案设计

4.1 设计要求

图6 液压系统原理框图

设计寿命应不少于25 年，达不到25 年的部件应指定备件。控制台的位置必须使操作者能观察到主要作业区域。设备结构件要求设置单独的底座，以方便可能的多次固定和移动，设备自底座向上1.5 m 要求水密，施工船甲板允许承重5ton/m2。设备作业中不应损坏脐带缆的外保护层。需做防腐处理的部件应先清洁，按SA2.5等级喷砂处理，并严格按照油漆制造商的要求进行喷涂。

脐带缆安装系统具备三个工作状态：（1）张紧器与滚筒驱动装置协同工作完成脐带缆的铺设，张紧器通过控制上下履带对缆线的夹紧力和履带的正反向驱动，自动实现恒张力条件下缆线沿船舶航迹铺设。（2）张紧器与A/R绞车协同放缆作业，在脐带缆铺设过程进入尾声时，张紧器夹持着缆线，维持缆线的张力。随着张紧器施加于缆线上的张紧力减小，A/R 绞车依据张紧器张力信息自动控制缆绳的拉力逐渐增大，直到拉力全部由A/R绞车承受，张紧器的履带张开，缆线在基本保持恒张力的状态下入水。（3）张紧器、滚筒驱动顶升装置与A/R绞车协同收缆作业。根据张紧器使用要求，其控制系统功能区块划分如图7所示。

图7 控制系统功能区块划分

4.2 控制方案

张紧器履带由电机驱动，其开合方式由双动力液压源控制。张紧器采用手动和自动并行的控制模式，当张紧器出现失效时能够进行失效刹车保护。张紧器控制系统主要包括履带驱动系统、夹紧系统、履带开合系统、BOP调节、悬浮系统、液压动力单元、±3°角调节系统等功能块。除此之外，张紧器系统采用主从冗余框架结构，框架内有任一CPU 出现故障，都能保障系统继续运行，且可在运行状态下进行维修。采用远程I/O 控制，且远程I/O 电源冗余，保障了远程I/O 的系统电源供应。履带驱动变频器设计在EtherNet/IP网络内，可满足时间要求的苛刻性，且简化了系统硬件连线。液压泵站变频器架设于EtherNet/IP网络内，实现了更可靠的控制，亦简化了系统连线。履带驱动变频电机通过EtherNet/IP实现与PLC CPU 通讯，通讯速率更高，动作反应更快，分别采用本地控制和远程控制。控制系统架构如图8所示。

图8 控制系统架构

5 结语

本文针对深水脐带缆铺设的实际需要，获得了所需张紧器的相关参数，在此基础上，提出了一种适用于脐带缆铺设的张紧器结构总体设计方案。然后，对张紧器关键零部件进行了详细的结构设计，其中包括履带靴、链轨节、支重轮、驱动轮系统和引导轮系统。最后，给出了液压系统设计方案和控制系统总体方案，为样机的研制打下了基础。

［1］孙晶晶，刘培林，段梦兰，等.深水脐带缆安装技术发展现状与趋势［J］.石油矿场机械，2011，40（12）：1－5.

［2］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，2008，36（8）：36－38.

［3］Dieumegard C，Fellows P.Installation of metallic tube umbilicals in 3 000 meters water［C］//Offshore Technology Conference，Houston，2003.

［4］张俊亮，王晓波，林立，等.铺管船用张紧器张紧系统分析［J］.石油机械，2008，36（9）：167－169.

［5］闫清东，张连第，赵毓芹，等.坦克构造与设计（下册）［M］.北京：北京理工大学出版社，2007.