无动力电缆收放机构的研究与设计

凌聪

中海油能源发展装备技术有限公司湛江分公司 广东 湛江 524057

前言

本文思考及研究在单点电滑环故障返修期间提供一种可替代的临时电缆收放机构的一种可靠性替代研究设计方案，对机构设计流程中技术要点进行分析，总结。为后续同类型机构设计提供了一定的借鉴经验。希望借此提高整个行业的设计水平，对促进科学技术进步，都具有较大意义。

1 研究背景

某海上生产油轮单点电滑环返厂维修期间，为保障作业区内两生产平台的生产供电，需根据FPSO单点系泊艏向角统计分析，单点电缆弯曲半径对转筒和卷筒等绕转机构尺寸的要求，安装空间对机构中运动部件行程的限制等因素思考及设计一套模块式无动力高压电缆收放机构[1]。

2 设计依据

2.1 油轮转动参考数据

根据历年《FPSO单点系泊艏向角系统统计分析报告》，单点系泊艏向角统计分析数据显示，第四季度到第一季度，艏向角的方向性比较明显，基本停留在东北角50~70度，平均发生全回转的次数顺时针为2~4次，平均发生逆时针全回转的次数为1~2次。在此特定角度限制范围内，开展临时电缆收放机构的设计。

2.2 电缆收放机构－电缆收放圈数极限需求

（1）拟投用机构供电的时间区间在xx年12月至xx年03月，参考该时间区间的船体转动极限角度。

（2）电缆弯曲半径对转筒和卷筒等绕转机构尺寸的要求。

（3）安装空间对机构中运动部件行程的限制。

（4）临时收放机构中电缆收放圈数设置为：

1）电缆滚轮支撑平台整体随船体转动2.5圈（900度），即电缆在中心卷筒盘卷2.5圈；

2）旋转报警值设在1圈（360度）时报警，最高旋转角速度为4°/min，预留1.5圈裕量，可实现应急处理时间约为135min。

2.3 机构配套电缆选型

标准：VDE0250-813，订制专用保护加强层（高强度尼龙线）设计的高压电缆。电压：25kV，外径：41mm，重量：3379kg/km，最小弯曲半径10D，最大拉力：15N/mm2。

3 收放机构设计

整套收放机构分为四大部分：中心卷筒、滚轮系、重锤及护管、滚轮系支撑平台。

中心卷筒安装于电滑环原有基座上。滚轮系及其支撑平台整体安装于滑环堆栈支撑横梁上。重锤护管固定于单点舱壁，重锤通过钢丝绳和滑轮组连接于动滚轮的滑块座上[2]。

电缆从单点舱壁接线箱（新增）出线（分A平台和B平台两组，每组并排4根），绕过固定导向筒（高压电缆通过设计的应力自断式电缆夹，固定于导向筒），经过辊子托架上方，绕过动滚轮，经过另一侧辊子托架上方，绕过定滚轮，进入中心卷筒，在中心卷筒上用防涡流电缆夹用螺栓固定后，末端通过中心卷筒中，通过中心筒设计的中空内部到达并接入海缆箱；两组电缆分别通过上、下两层滚轮系，上、下两层滚轮系独立运动。

当单点舱壁接线箱、滚轮系及其支撑平台整体随油轮船体转动时，高压电缆将在中心卷筒上盘卷，电缆盘卷将带动机构的动滚轮直线运动和自转，从而促使固定导向筒与动滚筒之间预留的部分电缆长度输送给中心卷筒；当油轮船体反向转动时，中心卷筒将释放盘卷的部分电缆，此时，设计的重锤总成将通过连接钢丝绳驱动，动滚轮做反向直线运动，中心卷筒释放的部分电缆重新输送回滚轮系间。

3.1 中心筒设计

（1）用于盘卷电缆（上下两层），筒体中空用于通过电缆。

（2）选用非磁性不锈钢316，尽可能减小电缆盘卷产生的涡流感应。心形设计，外径为1.8米，一圈可回收电缆4.5米，进线口弧度直径为860mm，满足电缆弯曲半径，可顺时和逆时针方向回收电缆2.5圈（900度）。

（3）每组电缆4根垂直并排，用ETFE张拉膜整体固定保持并排形态，电缆在筒内采用防涡流电缆固定夹。

3.2 滚轮系设计

滚轮系安装在支撑平台上，分上下两层，分别用于A平台和B平台两组电缆绕行，每层滚轮系包括：

（1）一套固定导向筒（直径：Ф840mm），螺栓固定于支撑平台上，用于舱壁接线箱出线导向；

（2）一套定滚轮（直径：Ф840mm），螺栓固定于支撑平台上，用于中心卷筒进线导向；定滚轮装配有上、下轴承（上轴承选用：圆锥滚子轴承3000型;下轴承选用：深沟球轴承，6000型)，可以自由自转动，以减少电缆摩擦；

（3）一套动滚轮（直径：Ф840mm）和一组双轨导轨（长7.7m）组合，双轨导轨用螺栓固定于支撑平台纵向中线上。动滚轮通过底座和滑块安装于双轨导轨上，并在导轨上做直线滑动，同时动滚轮装配有上下轴承（与定滚轮型号一致），可以自由自转动，动滚轮在双导轨上的直线滑动实现了电缆在滚轮系间的收纳和释放，动滚轮与定滚轮中心直线距离6.65m，可以收纳和释放电缆13.3m。

（4）两排辊子托架，用螺栓固定于支撑平台上，用于定滚轮和动滚轮之间架空电缆垂坠时减少摩擦、支撑用。

3.3 重锤系统设计

（1）共设两套重锤及护管，分别用于两层滚轮系的独立牵拉，重锤护管固定于舱壁，重锤通过导向滑轮和钢丝绳连接于动滚轮滑块底座上，每组重锤预设牵拉重量100kg，配置多级重量组合，可根据牵引力增减重锤重量组合（最小10kg级），重锤在管内上下往复运动，最大行程7.7m，护管能有效减少船体晃动对重锤摆动的影响。

（2）设计快速加载L型划入式重块，两套防卡滞引导轮机构。

3.4 滚轮系支撑平台设计

（1）滚轮系支撑平台用以支撑滚轮系、电缆以及重锤，总体尺寸：7.77x3.53x1.78m（不含栏杆和重锤滑轮臂高度），共分两层，下层两侧设计为玻璃钢格栅维修走道。支撑平台采用铆接钢结构模块设计有利于海上安装，支撑平台采用支腿和抱卡安装固定于滑环堆栈支撑横梁上。滚轮系与支撑平台设间接地设计。

（2）支撑平台考虑自重、支撑滚轮系重量、电缆重量、重锤重量、电缆拉力以及人员施工载荷，根据最新版APIRP2AWSD中的规定进行校核，校核结果显示，1.5倍动力放大系数下，杆件UC值均小于1，UC值最大0.51，强度满足规范要求。强度校核进一步考虑船体运动产生的惯性载荷。

3.5 保护报警检测系统设计

为避免电缆将受力过度，造成破损、人员触电及单点堆栈结构受损等安全隐患，设置行程报警、监控装置。

（1）报警装置由行程开关及声光报警装置组成，行程开关安装在动滑轮滑动轨道上（设置绿区，黄区，红区多级别预警），声光报警设备独立安装在单点舱及中控室。设备满足防爆要求，报警电路上加装有自锁继电器，需要手动复位才能消除报警；行程开关为两套并联，防止一套失效时，另外一套能起作用。

（2）在船体单向转动至540度时，动滑轮触发行程开关，产生声光报警，声光报警在中控室同步显示。方案设计转动极限为全回转2.5圈（900度），报警值设在1圈（360度）按船体单向转动每分钟4度，应急处理时间约为135分钟。

4 结束语

海洋石油油轮中单点电滑环属于核心设备，当单点电滑环需要维修更换时就需要考虑采用电缆收放机临时代替工作。经本次设计研究论证，无动力往复电缆收放机临时替代单点电滑环的方案，安全性和可行性符合替代使用要求，值得推广运用。