铺管船运动补偿系统的设计与研究

王晓波，李建楠，孟祥伟，聂 霞，牛建乐(.海洋石油工程股份有限公司，天津 30045；.贝特海利科技有限公司，北京 000)

铺管船运动补偿系统的设计与研究

王晓波1，李建楠1，孟祥伟1，聂 霞2，牛建乐2
(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.贝特海利科技有限公司，北京 100102)

为了减少铺管船在风浪中的升沉运动对托管架、缆绳以及铺管作业效率的影响，可在铺管船上建立一个运动补偿系统。文章以铺管船FORTUNA为研究对象，对该系统进行了方案设计，介绍了该系统的结构组成和工作原理，并用MOSES软件建立模型，进行频域和时域分析，分析涵盖了各个不同铺管半径的作业工况。分析结果表明，这套运动补偿系统的设计合理，且技术上可行。

铺管船；运动补偿；液压系统；托管架；储能器

托管架铺管是目前世界上海底石油管道铺设的常用方法，这种方法施工方便，投资最省，工期最短[1]。而托管架铺管船在实际铺管时会遭遇到各种海况，这时铺管船需要弃管、自存或者航行等。在此过程中托管架会随铺管船上下升沉，连接托管架和船上绞车的缆绳也会因此承受着不可预测的瞬间变化的力，或张紧，或放松，影响缆绳的使用寿命。

为了保证铺管作业的顺利进行，提高铺管的作业效率，减小各种海况对铺管作业及缆绳的影响，就必须合理地解决铺管船升沉运动的补偿问题。补偿系统在起重船上应用较为广泛[2-5]，而在铺管船上类似的研究至今少见。为此，本文对铺管船运动补偿系统进行了设计与研究，它能够有效地补偿托管架上下升沉运动，从而减小对管线铺设的影响；同时缓解连接托管架的缆绳上力的变化，使得缆绳一直处于变化较为平缓的张紧状态。进而在选用缆绳时可适当降低规格，节约费用。所以开展铺管船运动补偿系统的研究，对于我国铺管船的发展，提升我国海洋石油开发能力具有重要意义。

1 铺管船及运动补偿系统的总体介绍

本文以169 m起重铺管船FORTUNA为研究对象,其主尺度如下:总长，169 m；型宽，46 m；设计吃水，8 m；型深，13.5 m；结构吃水，9 m。

为铺管船FORTUNA设计的运动补偿系统位于船尾，在船尾桁架结构顶部安装有连杆，连杆端部安装固定滑轮组，用以导向连接绞车和托管架的缆绳。运动补偿系统的液压缸的两端分别与连杆和船尾桁架结构铰接，见图1。

图1 铺管船运动补偿系统布置示意图

2 运动补偿系统的结构组成和工作原理

2.1运动补偿系统的结构组成

为铺管船FORTUNA设计的运动补偿液压系统是由一套位于连杆之下，连接连杆和船尾桁架的液压缸等组成的液压系统，与液压缸相连的是调节缸内气体压强的上部储能器、下部储能器以及气瓶等，见图2，液压系统的参数见表1。

图2 运动补偿液压系统的结构组成图

表1 液压系统参数

液压缸：液压缸数量应根据实际合理选取，缸内活塞上部和下部的压力差提供有效的推力，通过活塞杆，顶住连杆。

储能器：储能器内有空气和油，设置有上部储能器和下部储能器，二者配合调节储能器内空气体积，从而改变压强，进而调节液压缸内气体压强。

气瓶：给储能器提供空气，增加或减少气瓶数量会相应减小或增大与之相连的储能器的气体压强，应根据实际需要，设置合理的气瓶数量。

关闭阀：考虑适应不同的铺管半径，以及铺管作业、弃管、自存和航行等工况，总的气瓶数量应足够，但实际操作中，要通过关闭阀控制与各储能器相连的气瓶数量。

2.2铺管船运动补偿系统的工作原理

当托管架向下运动时，缆绳上的力增加，带动连杆向下运动，液压缸气体被压缩，压强增加，将连杆向上顶，进而使得缆绳带动托管架向上运动；当托管架向上运动时，缆绳上的力变小，活塞杆向上运动，液压缸气体体积变大，压强减小，将连杆向上顶的力减小，进而使得缆绳带动托管架向下运动。如此往复，起到补偿托管架运动，同时起到缓解连接托管架缆绳上变化力的作用。

3 运动补偿系统的可行性分析

3.1MOSES建模

本文用MOSES软件对运动补偿系统在不同铺管半径的状态进行分析,分析模型见图3～图6。运动补偿系统在MOSES模型中是以虚拟的非线性弹簧的形式呈现的。不同铺管半径时所用管子管径见表2。

图3 MOSES模型的俯视图

图4 铺管半径为80 m的MOSES模型

图5 铺管半径为275 m的MOSES模型

图6 铺管半径为365 m的MOSES模型

表2 不同铺管半径时所用管子管径

3.2运动补偿系统的初始设置

分析过程中，通过反复调试计算，设置合理的气瓶数量。对于不同铺管半径，在操作作业时，需根据实际的环境条件，来调整开启的气瓶数量，调整合理的液压缸零位压强。调整结果见表3。与之对应的液压缸允许的冲程、压强和受力见表4～表6。

3.3铺管船和运动补偿系统的运动分析

当铺管船作业时，受到风、浪、流等环境影响，会连带托管架产生摇摆和上下升沉运动。

表3 不同铺管半径时的零位压强

表4 铺管半径80 m的液压缸允许受力

表5 铺管半径275 m的液压缸允许受力

表6 铺管半径365 m的液压缸允许受力

当托管架向下运动时，缆绳上的受力增加，带动连杆向下运动，液压缸气体被压缩，压强增加，将连杆向上顶，进而使得缆绳带动托管架向上运动；当托管架向上运动时，缆绳上的受力变小，活塞杆向上运动，液压缸气体体积变大，压强减小，将连杆向上顶的力减小，进而使得缆绳带动托管架向下运动。循环往复的过程中，液压缸的冲程和受力也会随之不断地变化。我们用MOSES进行频域水动力分析，并通过3 h时域模拟分析，得到铺管船遭遇表7中的环境条件时，液压缸的冲程和受力结果见表8。

表7 运动补偿系统分析的环境条件

表8 MOSES分析结果

从表8各个工况分析的结果可以看出，液压缸在运动的过程中实际的冲程和受力均在其能力承受范围之内。由此得出结论，液压系统的设计满足要求，技术上可行。

4 结束语

1)该设计方案能够有效地提高铺管船的作业效率，减小各种海况对铺管作业、托管架及缆绳的影响，技术上可行，潜在回报高。

2)运动补偿系统应用范围广泛而且灵活，可适用于不同的铺管半径，以及铺管作业、弃管、自存和航行等工况。

3)运动补偿系统的液压缸尽量竖直安放，减小侧向力的影响。

[1]王朝, 袁晓林, 于振华，等. 海底管道铺设技术及发展[J]. 城市建设理论研究, 2013(29):262-263.

[2] 邵曼华,寇雄,赵鹏程. 几种船用起重机波浪补偿装置[J]. 机械工程师,2004(2):14-16.

[3] 刘绍兴. 船用液压起重机加装波浪补偿装置的研究[J]. 机电设备,1999(5):21-25.

[4] 赵珍强. 船用起重机波浪补偿技术研究[J]. 船舶标准化工程师,2009(2):15-17.

[5] 陈远明, 叶家玮, 宋鑫. 波浪运动补偿稳定平台系统的设计与建模[J]. 机床与液压, 2007,35(10):115-117,170 .

Heavy motions produce negative effects on stingers,slings and pipe-laying efficiency as a pipelay vessel operates in stormy waves,but a motion compensation system can be built on the vessel to reduce the effects.This thesis focuses on the research of the pipelay vessel FORTUNA and designs the system for it.In addition,the thesis introduces the structural composition and working principle of the system,and establishes models with MOSES software as well as analyzes the system in both frequency domain and time domain.The analysis involves operating conditions of the pipelay mode with different radii,and its results show the system is well-designed and technically feasible.

pipelay vessel;motion compensation;hydraulic system;stinger;accumulator

PE75

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.004

王晓波(1972-)，男，天津人，高级工程师，工程硕士，主要从事海底管道工程设计和工程管理工作。

2015-07-06