浅析深水铺管船托管架监控系统

李书霖 交通运输部烟台打捞局

1.引言

托管架作为深水铺管船的一个非常关键的设备，在船舶进行铺管作业的时候悬挂在船舶艉部，起到海管在下水的过程中控制海管在托管架上的曲率的作用，防止海管因为在上弯段弯矩过大而导致的屈服或破裂，确保海管沿着托管架顺利入水。海管在上弯段时由安装在托管架上的辊轮组支撑，其高度可以调节，以适应不同管径及不同铺设深度的要求如图1所示。

为了确保铺设的海管处于正确位置，海管脱离托管架入水前要对海管的姿态、辊轮的受力情况以及托管架的工作角度（托管架与船体的相对角度）等状态通过安装在其上面的负载监测、CCTV（视频监控系统）、声呐、角度监测和深度监测等设备进行实时的监测，确保铺管作业处于良好的状态。

2.托管架监测系统

托管架监测系统主要包含以下5个方面：声呐系统、水下CCTV系统、角度监测系统、托管架压力测量系统和辊轮压力测量系统、深度测量系统。托管架监测系统的主要目的是实现对各辊轮组上的管线的状态进行实时的跟踪和监视，确保海管铺设工作的顺利进行。

2.1 托管架监测系统的功能

托管架监测系统应该具体如下的功能：

（1）管线经过托管架的全过程监控，主要是管线离开托管架最后一组辊轮时的姿态；

（2）显示托管架相对于船体的角度；

（3）显示管线在移动过程中相对于托管架的位置和角度；

（4）显示船体和托管架的相对位置；

（5）显示托管架的入水深度；

（6）显示管线在托管架运行过程中各辊轮所受的力的大小和方向；

（7）显示托管架作用于船体的力和方向；

（8）显示各个分系统的报警值；

（9）记录铺管过程中各个分系统的参数及报警值。

2.2 托管架监测系统的系统构成

2.2.1 托管架压力监测系统和辊轮压力监测系统

托管架压力监测系统和辊轮压力监测系统用于显示托管架作用于船体的力和方向及管线在托管架运行过程中各个辊轮所受的力的大小和方向。

（1）托管架压力监测系统

托管架压力负载监测设备并不是单独存在的，而是集成于连接托管和船体的两个轴销的内部，在制作测力轴销时先车出轴销的大致轮廓，再将轴销的内部掏空，在其内部按照测力位置布置相应的压应片，然后充入惰性气体，将其密封。其压应片的监测数据输出至托管架监测系统，在铺管工作中，通过测量大轴横向和纵向的剪切力来计算托管架负载，进而对托管架进行调整。销轴用于连接托管架、绞车支持架和船体，并且当绞车运转、带动托管架升降来调整铺管位置时，销轴和托管架保持相对静止，绞车支持架和船体相对静止，销轴和船体则产生相对运动。因此，在销轴和绞车支持架的连接部分将产生剪切力，当销轴上受力大于设定警戒点后，控制室内将会产生报警，提醒操作人员改变作业工况。

图1 托管架系统

图2 托管架声纳系统示意图

通过对该剪切力的监测可以直观的反映出托管架的位置是否需要调整，托管架升降作业是否正常以及是否有意外情况发生，同时每一个剪切力在数据处理的过程中均应当拆分成X轴和Y轴两个方向来显示，从而更加直观的显示出轴销在每个方向所承受的力的大小。

（2）托管架辊轮压力监测系统

托管架辊轮压力的监测通过安装在托管架测力辊轮上的测力轴（附有测力传感器）来实现，用于监测管线在托管架上运行过程中辊轮组实时受力的大小和方向，并输出至托管架监测系统实时的显示，同时设置报警值，当测量值大于报警预设值系统发出报警。

2.2.2 声呐系统

在托管架的最末端各装有一台扫描声呐，其主要作用有如下几点：

（1）监测托管架离开最后一组辊轮时是否脱离中心位置，其工作原理如图2所示。

托管架最末端的两台声呐同时扫描，从而确定托管架离开辊轮时是否偏离中心位置并将扫描结果输出至托管架监测系统，同时设置报警范围，当托管架偏离中心位置超过报警范围时托管架监测系统将发出报警，提醒作业人员及时调整相关设备的参数确保管线离开辊轮时处于中心位置。

（2）实时监测铺管区域海底的实时地貌及管线在海底的状态

采用扫描式声呐可以将海底的地貌实时的显示出来，对海管在海底的着床情况实时的监测，从而及时的调整船舶的艏向，确保海管沿着预定的规划铺设。

（3）实时的监测铺管区域的水深

托管架末端的扫描声呐同时起到测量铺管区域作业水深的作用，并将测量数据输出至托管监测系统实时监测铺管作业区域大洋水深。

（4）实时监测海管离开托管架一段距离内的状态信息

在水文条件较好的情况下，海管离开托管架一定距离内的状态信息的监测主要有托管架末端的水下摄像头来实现，当水文条件恶劣水下摄像头无法清晰的采集水下画面时，该功能主要由声呐的扫描成像功能来实现，并将实时监测的数据输出至托管架监测系统。

2.2.3 CCTV系统

CCTV系统包含水下和水上两部分，水下摄像头布置于每一组辊轮组的立柱上，用于实时监测记录海管通过辊轮组的实时画面及监测辊轮的运转情况，在托管架的最末端设置有两个朝向托管架后方的水下摄像头，用于监测海管离开托管架后一段距离内的状态。

在托管架的A字架上布置水上云台式摄像头，用于实时监测托管架绞车钢丝绳的缠绕情况及托管架周边的海况，确保作业安全。

CCTV系统有独立的监视器显示采集的画面，实时的调取任意摄像头的画面，并具备有录像功能，能够保存一段时间内摄像头的画面。同时将摄像头所采集的实时画面集中输出至托管架监测系统，托管架监测系统配置有键盘和操作手柄，可以进行信号切换，使监测系统显示器也可显示CCTV的图像。

2.2.4 角度监测系统

托管架角度监测系统共配备有3个倾斜测量仪，其中两个装在第一节托管架的最末端，用于测量托管架相对水平面的角度，第三个倾斜测量仪作为参考测量仪装在船体上，用于测量船体的倾斜角度，三个倾斜测量仪的数据同时输出至托管架监测系统，当进行铺管作业时，系统会将两组数据相比较，从而计算出托管架与船体的相对张角。

2.2.5 深度测量系统

深度测量系统包含有两个测深传感器，其中一个作为托管架入水深度测量传感器安装于托管架的最末端，另外一个作为参照传感器安装于托管架控制室的外部，用于测量铺管作业处的大气压，两组测量数据同时输出至托管架监测系统，系统通过两个压力传感器的压强差来计算托管架最末端精确的入水深度。

3.托管架监测系统的功能设置

托管架监测系统能够对5个分系统所监测的数据进行实时的显示与记录,当数据超过报警值时发出报警，提醒作业人员注意，但是出于安全方面的考虑，托管件监测系统不允许参与托管架的控制，仅仅是对各个参数的显示和报警。

4.结束语

深海油气的开发是未来油气产量的主要增长点，我局投入重金建造的5000吨起重铺管船，其具备有3000米水深的S型铺管能力，其托管架系统是实现该铺管功能的关键设备。

通过对托管架监测系统的系统构成和功能设置分析和研究，对其功能有了详细的了解，为将来烟台5000吨起重铺管船托管架监测系统的招标、定货技术的签订有了可靠的技术依据，并为以后的使用与管理打下基础，为其安全运营营造良好的前提条件。